二維非均勻介質地震波傳播的偽譜和有限差分混合方法的應用研究

李少華王彥賓吳志堅中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 73000北京大學地球與空間科學學院地球物理學系，北京 100871

二維非均勻介質地震波傳播的偽譜和有限差分混合方法的應用研究

李少華1）王彥賓2）吳志堅1）
1）中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 73000
2）北京大學地球與空間科學學院地球物理學系，北京 100871

由于圍陷波產生于低速帶內物質與高速圍巖的界面上，在帶內傳播時間較長，因此它的振幅和頻率特征對斷層帶形態和帶內物質性質敏感，對斷層帶圍陷波的觀測與分析能夠提供斷層帶精細結構的重要信息。基于偽譜法和有限差分混合數值模擬方法，開展了沉積層對隱伏斷裂帶圍陷波影響的研究，探討了沉積層厚度與圍陷波振幅之間的關系。

采用的數值計算方法為魏星等發展的模擬二維非均勻介質地震波傳播的偽譜和有限差分混合方法。在模型兩側和模型底部，采用吸收邊界條件來消除人工邊界的影響，自由表面條件通過設置牽引力為零來滿足。所用的二維數值模型見圖1，模型的水平尺度2.56 km，深度5.5 km，設置斷層帶的寬度200 m，位于模型的中部。我們分別設置厚度20.0 m，50.0 m，100.0 m的沉積層，討論不同厚度沉積層對隱伏斷層帶圍陷波的影響。對包含覆蓋層的隱伏斷層模型進行計算，圖2和圖3顯示了不同模型計算得到的地表理論地震圖。在沒有覆蓋層的情況下，看到圍巖上觀測到的直達波以及兩個水平界面的反射波與轉換波都很弱，與此形成明顯對比的是，斷層帶范圍內，不論是水平分量，還是垂直分量，均可以看到明顯的斷層帶圍陷波，其特征表現為振幅明顯大于圍巖上，傳播的持續時間很長。當覆蓋層厚度為20.0 m時，圍巖中的地震波傳播到地表覆蓋層中時，由于覆蓋層速度很低，造成地震波在覆蓋層中的多次反射，形成圍巖上明顯增強的能量，其中水平分量強于垂直分量。當覆蓋層厚度增加到50.0 m時，這種覆蓋層效應更加明顯，由于厚度增加，圍陷波傳入軟弱覆蓋層中的能量增加，使得圍陷波的能量進一步減弱。但是由于覆蓋層厚度較大，圍巖上覆蓋層內的多次反射較弱，因此，圍巖上地震波的振幅和厚度較小的覆蓋層模型相比變弱，其中水平分量的變化更明顯。當覆蓋層厚度增加到100.0 m時，圍陷波的能量更弱，其振幅和圍巖上的相比差別進一步減小。從上述地震圖的比較，覆蓋層的存在使得斷層帶內的圍陷波與圍巖上的地震波的差別減小，使得圍陷波的分辨變得困難，隨著覆蓋層厚度增加，這種趨勢更加明顯。

結果表明，由于斷層帶低速物質與周圍高速圍巖之間產生的多次反射與相干疊加形成了斷層帶圍陷波，在沒有覆蓋層的情況下，和圍巖上相比，圍陷波振幅明顯增加，持續時間變長。覆蓋層會顯著影響圍陷波的特征。和沒有覆蓋層的情況相比，覆蓋層會使圍巖上的地面運動振幅增大，圍陷波的部分能量會傳播到覆蓋層中，使得圍陷波的能量較小，隨著覆蓋層厚度增加，圍陷波的振幅越來越小，和圍巖上的振幅越來越接近，斷層帶圍陷波的分辨越來越困難。因此，在存在松軟沉積層的地區，如果開展隱伏斷層的圍陷波觀測，需要考慮覆蓋層厚度的影響。

圖1　斷層帶模型示意圖

圖2 不同模型計算理論地震圖水平分量（Ux）的比較

圖3 不同模型計算理論地震圖 垂直分量（Ux）的比較