嚴　珊, 楊立明, 周龍泉, 張　輝, 王　芃

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045; 3.中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100035)

2013年岷縣漳縣MS6.6地震前后南北地震帶北段面波速度變化特征①

嚴珊1, 楊立明1, 周龍泉2, 張輝1, 王芃3

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震臺網(wǎng)中心,北京 100045; 3.中國地震局地震預(yù)測研究所,北京 100035)

摘要:基于南北地震帶北段94個固定地震臺站2013年1—9月的連續(xù)波形資料,利用背景噪聲方法和層析成像技術(shù)反演該地區(qū)在2013年7月22日甘肅岷縣漳縣MS6.6地震前后不同時間段、兩個月相同時間窗長的瑞利面波速度結(jié)構(gòu)與波速演化。相速度成像結(jié)果表明:岷縣漳縣地震前5—6月相對于3—4月,臨潭—宕昌斷裂帶及周邊地區(qū)出現(xiàn)了波速降低的現(xiàn)象,而震后8—9月相對于5—6月波速逐漸恢復(fù)升高,這說明在岷縣漳縣地震前兩個月出現(xiàn)了波速低值異常,并且在低速異常區(qū)域的邊界處發(fā)生了此次地震。

關(guān)鍵詞:南北地震帶北段; 甘肅岷縣漳縣MS6.6地震; 背景噪聲; 層析成像; 速度結(jié)構(gòu); 臨潭—宕昌斷裂帶; 波速低值異常; 祁連山中段

0引言

根據(jù)中國地震臺網(wǎng)測定,2013年7月22日7時45分在甘肅省岷縣和漳縣的交界地區(qū)(34.5°N,104.2°E)發(fā)生了MS6.6地震,震源深度約20km,當日9時12分在原地又發(fā)生了一次MS5.6強余震。震源機制結(jié)果表明此次MS6.6地震的破裂方式為略帶走滑分量的逆沖型破裂,傾向NE,傾角50°～70°[1-2]。地震發(fā)生于青藏高原東緣的甘東南地區(qū),是南北地震帶與昆侖山—秦嶺斷裂帶等活動構(gòu)造交匯部位,也在臨潭—宕昌斷裂帶(位于南北地震帶北段,總體走向NW-NWW)至西秦嶺北緣斷裂帶之間的區(qū)域內(nèi),距離臨潭—宕昌斷裂帶約9.3km。該區(qū)斷裂全長大于250km,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,由多條規(guī)模不等、相互平行或斜列的次級斷裂組合而成,屬于東昆侖與西秦嶺北緣兩條大斷裂構(gòu)造轉(zhuǎn)換的中間過渡區(qū),在構(gòu)造位置上處于應(yīng)變積累和轉(zhuǎn)換過渡位置[3-5]。

根據(jù)歷史地震資料記載,南北地震帶北段地區(qū)地震活動性水平較高,發(fā)生過多次大震。據(jù)統(tǒng)計,歷史上沿臨潭—宕昌斷裂帶發(fā)生過3次6級以上強震,分別是842年岷縣6～7級、1573年岷縣6級和1837年臨洮—岷縣6級地震。近些年又發(fā)生過2003年11月13日岷縣5.2級地震和2004年9月7日岷縣—卓尼5.0級地震[6]。而2013年7月22日甘肅岷縣漳縣MS6.6地震則是此斷裂帶進一步活動的結(jié)果。

背景噪聲是近年來快速發(fā)展起來并應(yīng)用于速度結(jié)構(gòu)研究的一種方法,地震學(xué)家們不僅將此技術(shù)應(yīng)用于靜態(tài)的成像研究[7],而且將其應(yīng)用于研究火山噴發(fā)前后的波速變化[8],并試圖用來監(jiān)測危險斷層于地下介質(zhì)的動態(tài)變化[9-11]。近些年隨著“十五數(shù)字化改造”等項目的實施,地震臺網(wǎng)建設(shè)不斷拓展,可以得到高質(zhì)量的波形資料越來越多,利用動態(tài)成像技術(shù)研究強震前后震源區(qū)速度變化的可實現(xiàn)性越來越高。國內(nèi)很多地震專家紛紛在川滇等臺站分布密集的地區(qū)利用背景噪聲方法研究了強震前后的波速變化,結(jié)果顯示強震前后波速有一定的變化[12-15]。

本文利用背景噪聲研究2013年7月22日岷縣漳縣MS6.6地震引起的南北地震帶北段地下介質(zhì)的波速變化,從而對臨潭—宕昌斷裂帶及其周邊的波速變化進行探討,主要通過噪聲互相關(guān)計算來提取臺站間的經(jīng)驗格林函數(shù),利用不同時間段的頻散曲線反演得到的速度分布圖的差異來分析變化,并試圖利用波速變化尋找地震預(yù)測的新方法,以期為深入了解岷縣地震的孕震機理及動力學(xué)變化提供一些基礎(chǔ)資料。

1數(shù)據(jù)與方法

1.1數(shù)據(jù)與資料

根據(jù)現(xiàn)有資料,從國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心收集了南北地震帶北段(32°～40°N,99°～108°E)94個固定地震臺站2013年1—9月的連續(xù)波形資料。數(shù)據(jù)選用SAC格式,每個臺站包含有BHE、BHN、BHZ三分量的連續(xù)波形數(shù)據(jù),文中選用BHZ分量,然后兩兩臺站做互相關(guān)計算得到瑞利面波。研究區(qū)主要包括甘肅、青海、寧夏、陜西和內(nèi)蒙古西北五省數(shù)字地震臺網(wǎng)的覆蓋區(qū)域范圍(圖1),文中的臺站分布所在區(qū)域選擇比研究區(qū)域各大1°的范圍,在各向同性的散射波長中研究強震前后南北地震帶北段地殼瑞利面波的波速變化及其地下介質(zhì)的狀態(tài)變化。

圖1　南北地震帶北段地區(qū)活動斷裂及測震臺站分布(圖中藍色小三角為南北地震帶北段94個臺站, 圖中標注了一些比較顯著的區(qū)域;黃色五角星為2013年7月22日甘肅岷縣漳縣MS6.6地震震中)Fig.1　Distribution of active faults and seismic stations in the north segment of the north-south seismic belt

1.2背景噪聲方法

背景噪聲是經(jīng)過地下各層介質(zhì)散射后被地震儀所記錄到的地球內(nèi)部的一種特殊波,其產(chǎn)生源復(fù)雜多樣,沒有固定的相譜,是地面的一種穩(wěn)定的非重復(fù)性隨機波動[16-18]。噪聲成像方法是對兩兩臺站記錄到的長時間連續(xù)的背景噪聲進行互相關(guān)運算來近似提取臺站間的經(jīng)驗格林函數(shù),然后通過時頻分析方法獲得頻散曲線,得到各個周期的相(群)速度,再通過反演計算得到每一點的相(群)速度[19-24],最后得到地球內(nèi)部的速度成像圖,以此來分析強震前后的波速差異,進而應(yīng)用于地震預(yù)測研究。噪聲成像方法在時間上穩(wěn)定并可重復(fù)使用,由于利用固定的臺站對和不同時間段的固定臺站射線,從而可以減小由于地震分布不均勻和震源定位引起的誤差,從而使動態(tài)反演結(jié)果更加可靠[25-26]。

由于面波一般具有較高的信噪比,并且在研究區(qū)域內(nèi)得到的路徑覆蓋情況比較好,同時在各向同性的散射波場中,一條射線穿過一個接收點后,稍后再次穿過另一個接收點時震相是不發(fā)生變化的。雖然兩個接收點得到的是噪聲信號,記錄到的信號卻是相關(guān)的。因此在完全隨機的波場中對兩點間的波形記錄做互相關(guān)計算可以得到介質(zhì)間的格林函數(shù)[27]。

本研究首先進行單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理。由于實際面波成像周期為5～150s,所以國內(nèi)寬頻帶數(shù)字地震臺的記錄(或短周期),要求頻率大于1Hz或周期小于1s,故對研究區(qū)域內(nèi)94個地震臺站每天的連續(xù)波形記錄進行1Hz(或1s)的重采樣。再依次進行單臺數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、去均值、去傾斜、去儀器響應(yīng)、截取所需長度數(shù)據(jù)、10～20s巴特沃斯帶通濾波(將研究范圍內(nèi)的地震事件去除)、滑動絕對平均(時間域歸一化,在SAC環(huán)境下)[28]和頻率域歸一化等,主要是將時間域數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為頻率域數(shù)據(jù),在頻率域進行濾波后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回時間域。最后計算研究區(qū)域內(nèi)兩兩臺站對進行互相關(guān)系數(shù),并對每個月內(nèi)不同天數(shù)的互相關(guān)數(shù)據(jù)進行疊加。

1.3格林函數(shù)的提取

計算兩個時間序列的互相關(guān)會獲得兩個方向相反的正負分支,波形中一般包含各個頻率的信號,提取到的格林函數(shù)則是不同頻率信號諧波的疊加結(jié)果?；诘卣鸨尘霸肼暤姆椒ê驮?對長時間的互相關(guān)系數(shù)進行疊加是為了獲得比較穩(wěn)定的經(jīng)驗格林函數(shù)[28]。頻散是地震面波的主要特征,面波的傳播速度隨著深度的增加而增加,不同的面波成分攜帶了從淺到深地球內(nèi)部各層介質(zhì)的速度和衰減特性信息,故通過面波便可獲得地下的一些有用信息。根據(jù)Weaver[27]的研究,利用背景噪聲的互相關(guān)函數(shù)提取臺站間格林函數(shù),首先要計算所有臺站對的互相關(guān)函數(shù),再將互相關(guān)系數(shù)反序疊加,最后使疊加后的平均結(jié)果近似面波格林函數(shù)。

對于地震噪聲數(shù)據(jù)而言,一般至少疊加一個月的數(shù)據(jù),而在南北地震帶北段地區(qū),絕大多數(shù)射線對通過60天的疊加計算就可以得到信噪比較高的格林函數(shù),因此本文選取60天作為互相關(guān)疊加的時間窗長來計算震前和震后的格林函數(shù)[16](疊加結(jié)果如圖2所示)。

圖2　南北地震帶北段地區(qū)不同距離臺站對 之間的互相關(guān)疊加結(jié)果Fig.2　Stacking results of the noise cross-correlation function between different station-pairs in the north segment of the north-south seismic belt

1.4層析成像

本文采用復(fù)雜介質(zhì)高斯光束偏移成像方法[29](Gaussianbeamsmethod)進行反演成像。該方法較逆時偏移成像和Kirchhoff成像(射線類偏移成像)而言,是一種兼具計算效率、成像精度以及靈活性的成像方法。

2甘肅岷縣漳縣MS6.6地震前后的波速變化

基于南北地震帶北段地區(qū)94個固定臺站9個月(2013年1—9月)的連續(xù)波形數(shù)據(jù)記錄進行討論。首先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理,再進行噪聲互相關(guān)計算并疊加,得到Rayleigh面波的經(jīng)驗格林函數(shù),其次應(yīng)用多重濾波方法從臺站間經(jīng)驗格林函數(shù)中提取周期6～40s(分別為6s、8s、10s、12s、14s、16s、18s、20s、25s、30s、35s及40s)的瑞利面波相速度頻散曲線,最后利用面波層析成像方法計算得到南北地震帶北段地區(qū)不同時間段、相同時間窗長的相速度成像結(jié)果。

2.1南北地震帶北段臺站對的路徑覆蓋情況

根據(jù)得到的南北地震帶北段地區(qū)不同周期路徑覆蓋結(jié)果,周期為10s時部分臺站對射線覆蓋圖如圖3,路徑數(shù)為2 209條射線。對所有周期的路徑數(shù)進行統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn):T=10s時臺站間各周期路徑數(shù)量最多,路徑覆蓋情況最好(圖4)。

圖3　南北地震帶北段地區(qū)部分臺站射線 覆蓋圖(周期為10 s)Fig.3　Ray path coverage between some station-pairs in the noth segment of the north-south seismic belt (period=10 s)

圖4　南北地震帶北段地區(qū)部分臺站對不同周期 射線路徑數(shù)曲線圖Fig.4　Curve of the ray paths between some station-pairs at various periods

由于頻散曲線的質(zhì)量直接影響層析成像結(jié)果的可靠性,故需要對其質(zhì)量進行嚴格的控制和篩選。因此,測量頻散時選擇臺站距大于3倍波長以上的數(shù)據(jù),并選擇射線路徑相似的臺站對進行可靠性分析,舍去一些不正常的頻散曲線。為了檢驗結(jié)果的可靠性,本研究又畫出了研究區(qū)部分臺站對間的射線覆蓋密度圖(圖5),網(wǎng)格劃分為0.5°×0.5°。從圖5中可以看出,射線覆蓋密度在研究區(qū)域的中間密度均勻,即射線覆蓋情況較好。根據(jù)臨潭—宕昌斷裂帶的位置,再結(jié)合圖5,可以看出:臨潭—宕昌斷裂帶區(qū)域的成像結(jié)果是比較可靠的,而邊緣地區(qū)成像結(jié)果的可靠性較差,有待進一步驗證。本文僅對該區(qū)域得到的相速度成像結(jié)果進行分析。

圖5　南北地震帶北段地區(qū)部分臺站對 射線覆蓋密度圖(周期為10 s)Fig.5　Density map of ray path coverage between some station-pairs (period=10 s)

2.2相對波速變化

數(shù)據(jù)計算過程中,將兩個月(60天)的時間窗長作為南北地震帶北段得到穩(wěn)定信噪比的疊加天數(shù),用震后波速與震前波速之差與震前速度的比值的百分比來表示相對波速變化:

(1)

圖6和圖7是2013年7月22日甘肅岷縣漳縣MS6.6地震前后的波速變化情況(T=10s)。圖6是疊加一月二月、三月四月、五月六月和八月九月的結(jié)果,再利用式(1)計算得到的相對波速變化情況。圖7是疊加了相同時間窗長,并以一個月作為滑動時間窗長,依次逐月滑動得到的動態(tài)波速變化,分別是四月五月、五月六月和八月九月的結(jié)果,最后同樣應(yīng)用式(1)得到相對波速變化情況。根據(jù)疊加結(jié)果可知,南北地震帶北段的瑞利面波平均波速約為3.142km/s。

從圖6和圖7中均可以看出:地震前5—6月相對于3—4月,臨潭—宕昌斷裂帶及周邊地區(qū)出現(xiàn)了

圖6　研究區(qū)2013年1-9月的相對波速變化Fig.6　The relative velocity variations in study area from January to September,2013

圖7　研究區(qū)2013年3-9月的相對波速變化Fig.7　The relatsive velocity variations in study area from March to September,2013

波速降低的現(xiàn)象,而震后出現(xiàn)反向調(diào)整,8—9月相對于5—6月份出現(xiàn)波速逐漸恢復(fù)升高的現(xiàn)象。對比圖6和圖7,雖然兩種結(jié)果存在細微差異,但能看出震前震源區(qū)北邊區(qū)域的波速逐漸升高,而南邊區(qū)域的波速相對降低,并表現(xiàn)出一定的低速異常,震源區(qū)位于低速區(qū)域的邊界處;震后震源區(qū)的北邊區(qū)域又恢復(fù)了之前的低速狀態(tài),而南邊區(qū)域則出現(xiàn)高速異?，F(xiàn)象,震源區(qū)位于高速區(qū)域的邊界處。綜上而言,根據(jù)噪聲成像方法得到的岷縣漳縣地震前后不同時間段速度結(jié)構(gòu)之間的差異還是比較明顯的。從圖6和圖7還可以看出:區(qū)域內(nèi)波速變化范圍約為-0.004～0.006km/s,高速區(qū)域和低速區(qū)域的變化主要集中在西秦嶺構(gòu)造帶和祁連山構(gòu)造帶等大斷裂帶上和曾經(jīng)發(fā)生過古浪地震和海原地震等強震區(qū)域附近。

同時,地震前在老虎山—毛毛山斷裂帶附近出現(xiàn)了波速低值異?，F(xiàn)象,并且在八九月份波速回升。根據(jù)資料,2013年9月20日在青海門源發(fā)生了一次MS5.3地震,雖然震中距離異常區(qū)域較遠,但是同屬祁連山斷裂帶的次級斷裂帶,之間存在某種聯(lián)系,相互作用,相互影響。岷縣漳縣地震后,寧夏地區(qū)也出現(xiàn)了波速低值異?，F(xiàn)象,但至今未發(fā)生5級以上地震。

3結(jié)論與討論

上述研究表明:

(1) 2013年甘肅岷縣漳縣MS6.6地震前5—6月相對于3—4月,臨潭—宕昌斷裂帶及周邊地區(qū)出現(xiàn)了波速降低的現(xiàn)象,而震后出現(xiàn)反向調(diào)整,8—9月相對于5—6月出現(xiàn)波速逐漸恢復(fù)升高的現(xiàn)象。結(jié)果表明,岷縣漳縣地震前兩個月出現(xiàn)了波速低值異常,且地震發(fā)生在低速區(qū)域的邊界地區(qū)。

(2) 岷縣漳縣地震前,老虎山—毛毛山斷裂帶附近出現(xiàn)了波速低值異?，F(xiàn)象,并且在八九月份波速回升。根據(jù)資料,2013年9月20日在青海門源發(fā)生了一次MS5.3地震,雖然震中距離異常區(qū)域較遠,但是它們同屬祁連山斷裂帶的次級斷裂帶,之間存在某種聯(lián)系,相互作用,相互影響。地震后,寧夏地區(qū)也出現(xiàn)了波速低值異常現(xiàn)象,但至今未發(fā)生5級以上地震?？赡艿脑蚴菓?yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)移,斷裂帶上的其他區(qū)域有可能觸發(fā)新的地震,或者發(fā)生一些小震以達到釋放能量的結(jié)果。

(3) 從圖6和圖7中可以看出,2013年1—9月南北地震帶北段大部分區(qū)域處于低速狀態(tài),岷縣漳縣地震前臨潭—宕昌斷裂帶及周邊地區(qū)波速下降相對于其他區(qū)域比較明顯。根據(jù)黃忠賢等[30]2013年發(fā)表的《南北地震帶巖石圈S波速度結(jié)構(gòu)面波層析成像》一文可知,大震和強震多發(fā)生在低速區(qū)域內(nèi)部或高低速區(qū)域的邊界附近,由于低速區(qū)往往被認為是地殼容易發(fā)生形變的區(qū)域,而高速和低速的邊界附近認為容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,所以這種現(xiàn)象是可以理解的。從層析成像結(jié)果可以看出2013年岷縣漳縣MS6.6地震就是發(fā)生在低速區(qū)域的邊界附件。本文的結(jié)果同時表明,這個結(jié)果和之前GPS、形變、地電地磁等方面得到的結(jié)果一致,也是對之前結(jié)論的一個驗證。岷縣漳縣地震后,西秦嶺構(gòu)造帶形成一個分界線,其北部區(qū)域除老虎山—毛毛山斷裂帶附近波速升高外,其他區(qū)域大部分波速呈降低趨勢,而南部區(qū)域(西秦嶺構(gòu)造帶和東昆侖構(gòu)造帶)則幾乎都是升高的趨勢。

以上結(jié)果僅為本次震例研究所得,進一步的結(jié)果需要參考更多可靠的資料、做更多的震例分析,并通過其他相關(guān)工作來獲取。

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VariationCharacteristicsofSurfaceWaveVelocityalongNorthSegmentofNorth-SouthSeismicBeltbeforeandafter2013Minxian—ZhangxianMS6.6Earthquake

YANShan1,YANGLi-ming1,ZHOULong-quan2,ZHANGHui1,WANGPeng3

(1.Lanzhou Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Lanzhou 730000,Gansu,China;2.China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China;3.Institute of Earthquake Science,China Earthquake Administration,Beijing 100036,China)

Abstract:Based on background noise and tomography methods,in this paper,we investigated the continuous waveform records of 94 fixed seismic stations in the northern segment of the north-south seismic belt from January to September,2013.In doing so,we obtained the velocity structure and evolution of the Rayleigh waves of this area,at different times in the same two-month period before and after the Minxian—Zhangxian MS6.6 earthquake on July 22,2013.The phase velocity tomography results show that before the earthquake,in May-June,the wave velocity along the Lintan—Tanchang fault zone and its surrounding areas reduced relative to that in March-April.However,after the earthquake,in August-September,the wave velocity along the Lintan—Tanchang fault zone and its surrounding areas was restored by rising to the level of May-June.These results indicate that in the two months before the Minxian—Zhangxian MS6.6 earthquake,the velocity exhibited low-value anomalies,and the earthquake occurred at the boundary of the low-velocity anomaly region.

Key words:north segment of the north-south seismic belt; Minxian—Zhangxian MS6.6 earthquake; background noise; tomography; velocity structure; Lintan—Tanchang fault zone; middle segment of the Qilian Mountains

收稿日期:①2015-10-20

基金項目:中國地震局地震科技星火計劃攻關(guān)項目(XH15042);甘肅省科技計劃(145RJZA186);國家自然科學(xué)基金項目(41304048);“十二五”國家科技支撐項目(2012BAK19B02-01)

作者簡介:嚴珊(1991-)，女，陜西西安人，碩士研究生，主要從事地震預(yù)報、噪聲成像等研究。E-mail：yanshan0624@163.com。

中圖分類號:P315.3

文獻標志碼:A

文章編號:1000-0844(2016)03-0423-08

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0423 致謝:中國地震局地球物理研究所國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(10.7914/SN/CB)為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)[31]。文章數(shù)據(jù)處理應(yīng)用中國地震局臺網(wǎng)中心周龍泉老師提供的科羅拉多大學(xué)博爾德分校(University of Colorado at Boulder,Colorado,USA)的噪聲處理軟件,并且程序在周龍泉老師和中國地震局地震預(yù)測研究所王芃師兄的指導(dǎo)下完成調(diào)試,在此致以真誠的感謝。