許康生 李 英 李曉雪 萬(wàn)文琦 鞠慧超

1 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號(hào),730000

地震的形成和發(fā)生機(jī)理比較復(fù)雜,地學(xué)界至今還未形成明確的認(rèn)識(shí),進(jìn)一步研究大地震是探索該問(wèn)題的有效途徑之一。2017-08-08中國(guó)四川省九寨溝發(fā)生7.0級(jí)地震,部分學(xué)者從不同方面對(duì)該地震進(jìn)行研究,并發(fā)表許多研究成果[1-2]。關(guān)于地震震源和地震構(gòu)造,普遍的共識(shí)是青藏地塊向東推進(jìn)中受到四川盆地堅(jiān)硬地殼的阻擋,導(dǎo)致應(yīng)力積聚和地震發(fā)生。然而,地震前是否存在異?，F(xiàn)象、異常表現(xiàn)的空間和時(shí)間特征以及異常過(guò)程的機(jī)理等都是需要探究的問(wèn)題。因此,本文使用地震前震中附近地震臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)探討這些問(wèn)題,研究區(qū)范圍為101.0°～105.0°E、30.0°～34.5°N(圖1)。

圖1 九寨溝7.0級(jí)地震位置和本研究中使用的地震臺(tái)站Fig.1 Location of the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake and seismic stations used in this study

1 九寨溝7.0級(jí)地震及其區(qū)域構(gòu)造背景

根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定,北京時(shí)間2017-08-08 21:19:46中國(guó)四川省九寨溝(33.2°N, 103.82°E)發(fā)生7.0級(jí)地震,震源深度20 km。此次地震是2008年汶川8.0級(jí)地震后青藏高原東部和東北緣發(fā)生的強(qiáng)震之一,另外還有2010年玉樹(shù)7.1級(jí)地震、2013年廬山7.0級(jí)地震、2012年岷縣-漳縣6.6級(jí)地震和2014年魯?shù)?.5級(jí)地震。表1為部分機(jī)構(gòu)(GCMT為全球矩心矩張量,NEIC為美國(guó)國(guó)家地震信息中心,IPGP為巴黎地球物理研究所,CEA-IGP為中國(guó)地震局地球物理研究所)提供的九寨溝MS7.0地震震源機(jī)制解。

表1 不同機(jī)構(gòu)提供的九寨溝7.0級(jí)地震震源機(jī)制解

盡管各機(jī)構(gòu)提供的發(fā)震斷層參數(shù)略有差異,但均表明此次地震是一次走滑事件。研究表明[3],此次地震主要為左旋走滑事件,同時(shí)具有較小的逆沖分量。地震發(fā)生在青藏高原東部邊緣的巴顏喀拉地塊東北緣,震中位于岷江斷裂、虎牙斷裂和塔藏?cái)嗔呀唤缣?北西向的東昆侖斷裂位于震中西北部,近西北走向的龍日壩斷層位于震中西側(cè),東北走向的龍門山斷裂帶位于震中東側(cè)(圖1)。研究表明,龍日壩斷層以右旋走滑和逆沖運(yùn)動(dòng)為特征;塔藏?cái)嗔盐鞑恐饕憩F(xiàn)為走滑運(yùn)動(dòng),而東部則表現(xiàn)為逆沖運(yùn)動(dòng);岷江斷裂為逆沖左旋走滑斷裂;虎牙斷裂由北向南由左旋走滑逐漸轉(zhuǎn)為逆沖運(yùn)動(dòng);龍門山斷裂系帶主要表現(xiàn)為逆沖和右旋走滑運(yùn)動(dòng)。

2 數(shù)據(jù)處理

從布設(shè)在九寨溝地震震中附近寬頻帶地震儀臺(tái)站中,選擇10個(gè)具有高質(zhì)量數(shù)據(jù)地震臺(tái)站的垂直記錄,這些數(shù)據(jù)包含地面運(yùn)動(dòng)速度。地震和臺(tái)站位置如圖1所示。儀器頻帶范圍為0.016～50 Hz,采樣率為每秒100個(gè)樣點(diǎn)。研究時(shí)段為2017-05-01～08-08。

熵是對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性的定量描述。Bandt等[4]引入符號(hào)學(xué)的概念,提出一種計(jì)算時(shí)間序列數(shù)據(jù)排列熵的方法,該方法穩(wěn)健有效,已應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域[5-6],但在地球科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用較少,個(gè)別文獻(xiàn)可見(jiàn)在其微震信號(hào)降噪處理方面的應(yīng)用[7]。許康生等[8]曾利用22個(gè)地震臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù),研究汶川MS8.0地震前32 h地面運(yùn)動(dòng)的排列熵變化,發(fā)現(xiàn)在震前22 h開(kāi)始震中附近出現(xiàn)排列熵高值區(qū)和低值區(qū)的異常變化,大地震就發(fā)生在高低值陡變交界部位。本文采用Valentina使用MATLAB編寫(xiě)的排列熵計(jì)算代碼,基于地震數(shù)據(jù)提取九寨溝7.0級(jí)地震孕育和發(fā)生的異常信息,并探討其機(jī)理。

對(duì)于離散時(shí)間序列[xi,i=1, 2,…,n],可在相空間中重構(gòu)任一元素X(i),以獲得矩陣xk=[X(k),X(k+t), …,X(k)+X(k+(m-1)t],其中t為延遲時(shí)間,m為嵌入維。通過(guò)將X(i)的m個(gè)重構(gòu)分量按升序排列,任何向量Xi都可以用來(lái)獲得一組符號(hào)序列,A(g)=[j1,j2,…,jm],其中g(shù)=1, 2,…,k, 每個(gè)符號(hào)序列的發(fā)生概率為P1,P2, …,Pk。對(duì)于時(shí)間序列[xi,i=1, 2, …,n],k序列的排列熵可表達(dá)為:

(1)

當(dāng)Pv=1/m!時(shí),HP(m)為最大值ln(m!)。歸一化熵為:

0≤Hp=Hp(m)/ln(m!)≤1

(2)

熵值越大,表明系統(tǒng)的復(fù)雜性越大;反之,復(fù)雜性越小。

3 模擬信號(hào)測(cè)試

為了測(cè)試排列熵計(jì)算方法的有效性和可靠性,構(gòu)建一個(gè)模擬信號(hào),由隨機(jī)噪聲(圖2(a))和含噪的2個(gè)正弦波疊加信號(hào)(圖2(b))構(gòu)成,隨機(jī)噪聲信號(hào)的均值和方差分別為0和2,正弦波信號(hào)的周期為20 s和5 s,振幅分別為10和2。圖2(c)為由2段隨機(jī)噪聲和1段含噪正弦信號(hào)構(gòu)成的模擬信號(hào),3段信號(hào)的時(shí)長(zhǎng)均為1 200 s,采用同樣的排列熵計(jì)算方法得到的熵值為0.87;另外構(gòu)建一個(gè)由2段時(shí)長(zhǎng)分別為100 s的噪聲信號(hào)和1段時(shí)長(zhǎng)為3 400 s的含噪正弦信號(hào)構(gòu)成的模擬信號(hào)(圖2(d)),計(jì)算得到其排列熵值為0.56。本文將噪聲信號(hào)視為無(wú)序信號(hào),將正弦波疊加信號(hào)視為有序信號(hào),對(duì)比圖2(c)和2(d)可知,在同等時(shí)長(zhǎng)信號(hào)中,有序信號(hào)占比越大,其排列熵值就越小。

圖2 模擬信號(hào)的排列熵計(jì)算Fig.2 Calculation of permutation entropy of simulated signals

4 結(jié)果與討論

圖3為 10個(gè)地震臺(tái)在2017-05-01～08-08期間垂直分量排列熵變化。為便于討論,本文為每個(gè)臺(tái)站熵值的時(shí)間序列設(shè)定閾值,并視為熵值異常變化的基準(zhǔn),如果熵值大于該閾值,則視為常態(tài)熵狀態(tài)。由于每個(gè)臺(tái)站的背景噪聲不同,每個(gè)站點(diǎn)的閾值也不同,其為該臺(tái)站熵中值乘以一個(gè)系數(shù)。在本研究中,使用的系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值,其中DBT、MXT、WXT和ZHQ站系數(shù)為0.95,AXI、MEK和MQT站系數(shù)為0.96,GZA、HSH和SPA站系數(shù)為0.98(圖3中用紅色標(biāo)記)。由圖3可知,在7月中旬至8月初出現(xiàn)排列熵的異常變化。由于所有臺(tái)站均存在這種現(xiàn)象,因此可以排除受當(dāng)?shù)丨h(huán)境干擾的可能性。為了關(guān)注該異常過(guò)程,特別給出07-14～08-08排列熵的變化(見(jiàn)圖4,圖3中虛線框范圍),排列熵的總體下降趨勢(shì)中出現(xiàn)2個(gè)低點(diǎn),較小的振幅出現(xiàn)在07-18左右,而07-30左右振幅較大。其中,MEK、ZHQ和DBT站熵值較小,分別為0.75、0.76和0.79,與平均值相比分別降低12%、12%和10%。本文認(rèn)為熵值降低可描述地下物質(zhì)的有序運(yùn)動(dòng)過(guò)程,也可解釋為此次地震的能量匯聚過(guò)程。

圖3 地震動(dòng)排列熵的時(shí)間序列變化(2017-05-01～08-08)Fig.3 Time series changes of the permutation entropy of ground motion(May 1 to August 8, 2017)

圖4 地震動(dòng)排列熵的時(shí)間序列變化 (2017-07-14～08-08)Fig.4 Time series changesof the permutation entropy of ground motion(July 14 to August 8, 2017)

為研究排列熵值的時(shí)空變化,獲得07-14～22和07-27～08-07期間10個(gè)臺(tái)站的排列熵日均值,并通過(guò)網(wǎng)格插值得到每日的空間分布(圖5、6)。由圖5可知,07-14研究區(qū)處于高熵值狀態(tài),視為無(wú)序運(yùn)動(dòng)狀態(tài),呈NW-SE向帶狀分布。最高值出現(xiàn)在東南部(茂縣附近),并沿松潘-震中一帶突出,這可能與岷江斷裂南段構(gòu)造有關(guān)(圖5(a));07-15之后,熵值總體逐漸下降,在07-17達(dá)到最低點(diǎn),高值區(qū)縮小到茂縣東南側(cè)。這是熵值首次快速下降過(guò)程(圖5(b)～(e)),07-19熵值開(kāi)始增加,高值區(qū)向西北方向擴(kuò)展(圖5(f)～(i))。

灰色線條表示斷層,藍(lán)點(diǎn)表示縣城。①龍門山斷層;②虎牙斷層;③岷江斷裂;④龍日壩斷層;⑤塔藏?cái)嗔?/p>

由圖6可知,07-27若爾蓋、黑水和松潘地區(qū)熵值較高(圖6(a))。值得注意的是,茂縣周圍存在低值區(qū)(以下簡(jiǎn)稱茂縣區(qū))。07-28高值區(qū)減少,茂縣區(qū)熵值進(jìn)一步降低,低值范圍擴(kuò)大(圖6(b))。07-29由于西南側(cè)和東北側(cè)低值區(qū)域擴(kuò)大,高值區(qū)縮小至紅原-黑水一帶,茂縣地區(qū)熵值持續(xù)下降,低值區(qū)范圍向北延伸;震中東北部的低值區(qū)向南移動(dòng)(圖6(c))。07-30～31整個(gè)研究區(qū)熵值均有所下降,茂縣地區(qū)和東北部的低值區(qū)相連,此次熵值的下降幅度比第1次事件更大(圖6(d)～6(e))。08-01茂縣地區(qū)熵值開(kāi)始增加,低值范圍向北移動(dòng)(圖6(f))。08-02之后,茂縣地區(qū)處于高值狀態(tài),熵值迅速增加,并向北推進(jìn)并靠近震中區(qū)(圖6(g)～6(l)),08-08發(fā)生的九寨溝地震就處于高值區(qū)和低值區(qū)的交界處。2018年汶川MS8.0地震也有類似結(jié)果[9], 這是一個(gè)值得關(guān)注的現(xiàn)象。

灰色線條表示斷層,藍(lán)點(diǎn)表示縣城。①龍門山斷層;②虎牙斷層;③岷江斷裂;④龍日壩斷層;⑤塔藏?cái)嗔?/p>

部分學(xué)者基于對(duì)青藏高原及其周圍構(gòu)造地貌之間關(guān)系的流體動(dòng)力學(xué)模擬,提出青藏高原下地殼通道流的動(dòng)力學(xué)模型,并指出存在下地殼“管道流”的可能性,且該結(jié)果與GPS觀測(cè)結(jié)果一致[9-10]。另有研究表明,青藏高原東部邊緣存在約15 km厚的粘性流變層,該層向東流入龍門山地區(qū)[11]。Zhao等[12]研究認(rèn)為,龍門山斷裂帶西側(cè)的松潘-甘孜地殼中存在部分熔融結(jié)構(gòu)。另有研究表明,青藏高原塊體東向運(yùn)動(dòng)在龍門山地區(qū)受阻后,地殼流被分流成2～3個(gè)分支,其中一個(gè)分支向上侵入上地殼[13]。該區(qū)域橫波速度結(jié)構(gòu)表明,松潘-甘孜地塊在25～45 km深處有一個(gè)低速層,并認(rèn)為這有利于下地殼物質(zhì)的橫向流動(dòng)[14]。部分學(xué)者認(rèn)為,20～30 s瑞利波相速度分布表明,松潘-甘孜地塊的中下部地殼中存在低速層,40～60 s瑞利波相速度可能與上地幔的熱狀態(tài)有關(guān)[15]。一些學(xué)者使用背景噪聲成像來(lái)研究龍門山及其周邊地區(qū)的速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)龍門山南部地區(qū)深度超過(guò)20 km的松潘地塊存在低速結(jié)構(gòu)[16]。大地電磁測(cè)深結(jié)果也表明青藏高原東部邊緣地殼中存在地殼“管道流”,認(rèn)為在岷江斷層以西15～30 km深處以及岷江斷層和虎牙斷層以東20～50 km深處存在明顯的高導(dǎo)體,這一特征也出現(xiàn)在龍門山斷層的3個(gè)測(cè)量剖面上[10,17]。部分學(xué)者通過(guò)對(duì)區(qū)域重力場(chǎng)進(jìn)行小波多尺度分析,獲得青藏高原的三維密度結(jié)構(gòu),認(rèn)為青藏高原下地殼物質(zhì)的低密度側(cè)向擠壓可分為3個(gè)分支:一支從西昆侖到天山,一支自松潘-甘孜地塊到銀川盆地,另一支從高原南緣到云南大理[18]。

結(jié)合上述研究成果,本文重點(diǎn)討論2個(gè)熵值減少事件。第1次事件發(fā)生在07-14～22和07-14～18,期間西南部和東北部出現(xiàn)低值區(qū),熵值迅速下降(圖5(a)～5(e)),揭示了青藏地塊向東推進(jìn),并受到東北側(cè)華北地塊強(qiáng)烈阻擋作用的地質(zhì)過(guò)程。西北-東南方向擴(kuò)散的高值區(qū)向茂縣退縮,這表明有序的東北向推壓趨于主導(dǎo)地位。07-19～22期間,上述過(guò)程發(fā)生逆轉(zhuǎn)(圖5(f)～5(i)),茂縣附近低值區(qū)的熵值增加并向西北擴(kuò)展。結(jié)合其他學(xué)者的研究結(jié)果,本文認(rèn)為該過(guò)程代表一個(gè)物理過(guò)程,即地殼物質(zhì)在龍門山南部受到四川盆地剛性物質(zhì)的阻擋作用,沿著茂縣和松潘之間的低速層向東推進(jìn),流變物質(zhì)側(cè)向運(yùn)動(dòng)或向上侵入導(dǎo)致上地殼剛性物質(zhì)發(fā)生顫動(dòng),顯示為高值狀態(tài)。低頻分量占主導(dǎo)地位,表明其處于相對(duì)有序的狀態(tài),熵值較低?；谖锢韺W(xué)基本原理,中地殼和下地殼的流變體傾向于低頻運(yùn)動(dòng),而上地殼的剛性非均勻物質(zhì)傾向于高頻振動(dòng)。因此本文認(rèn)為,熵值的快速下降是中地殼和下地殼流變層運(yùn)動(dòng)加劇的表現(xiàn),而熵值的增加表征了在流變物質(zhì)的擠壓作用下上地殼的無(wú)序顫動(dòng),對(duì)該區(qū)域地殼電性結(jié)構(gòu)、速度結(jié)構(gòu)和重力場(chǎng)特征的研究結(jié)果也能支持上述運(yùn)動(dòng)存在的可能性[15,17-18]。值得注意的是,07-18茂縣附近出現(xiàn)一個(gè)小的低值區(qū)(圖5(e)),這可能是流變物質(zhì)受阻后向上涌的表現(xiàn)。第2次事件發(fā)生在07-27～08-07(圖6),茂縣附近的低值區(qū)再次出現(xiàn),熵值迅速下降并向北擴(kuò)展。07-30低值區(qū)位于松潘附近,最低值出現(xiàn)在07-31。這2個(gè)熵值減少的過(guò)程可能是中下地殼能量匯聚的表現(xiàn)。在此之后,茂縣地區(qū)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧祬^(qū),并向西北擴(kuò)張。08-01茂縣高值區(qū)的形成及其快速向西北擴(kuò)張是流變物質(zhì)沖擊上地殼的結(jié)果,也是引發(fā)地震的重要因素之一。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于其他學(xué)者對(duì)研究區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)、電性結(jié)構(gòu)、密度結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特征的研究成果以及本文研究結(jié)果認(rèn)為,垂直地殼運(yùn)動(dòng)的異常排列熵過(guò)程代表了07-14～22和07-27～08-07九寨溝地震形成的最后階段,青藏塊體的東移受到華北塊體和華南塊體的阻擋作用,地震能量積聚在九寨溝地區(qū)這些塊體的交會(huì)處,這與先前對(duì)此次地震的研究結(jié)果一致。茂縣低值區(qū)的形成、轉(zhuǎn)化為高值區(qū)并向松潘方向延伸(而不是沿著斷層),也佐證了該通道中流變層的存在,同時(shí)也表明地震是由向東移動(dòng)的中下地殼流變物質(zhì)受阻后的上涌和側(cè)向逃逸所引發(fā)。茂縣低值區(qū)和東北低值區(qū)呈帶狀分布,表明下地殼流變體的運(yùn)動(dòng)是本次地震形成和發(fā)生的重要因素。

致謝：地震數(shù)據(jù)來(lái)自四川地震臺(tái)網(wǎng)和甘肅地震臺(tái)網(wǎng),部分計(jì)算使用Valentina Unakafova博士開(kāi)發(fā)的MATLAB代碼(http:∥cn.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/44161-permutation- entropy-fast-algorithm, 訪問(wèn)時(shí)間為2017-04),部分圖件使用GMT5.4.5進(jìn)行繪制(http:∥www. soest.hawaii.edu/gmt, 訪問(wèn)時(shí)間為2019-01),在此一并表示感謝。