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, 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.中國地震臺網中心,北京 100045; 3.中國地震局地震預測研究所,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.中國地震臺網中心,北京 100045; 3.中國地震局地震預測研究所,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月的連續波形資料,利用背景噪聲方法和層析成像技術反演該地區在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構與波速演化。相速度成像結果表明: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出現了波速降低的現象,而震后8—9月相對于5—6月波速逐漸恢復升高,這說明在岷縣漳縣地震前兩個月出現了波速低值異常,并且在低速異常區域的邊界處發生了此次地震。

關鍵詞: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; 速度結構; 臨潭—宕昌斷裂帶; 波速低值異常; 祁連山中段

0引言

根據中國地震臺網測定,2013年7月22日7時45分在甘肅省岷縣和漳縣的交界地區(34.5°N,104.2°E)發生了MS6.6地震,震源深度約20km,當日9時12分在原地又發生了一次MS5.6強余震。震源機制結果表明此次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]。地震發生于青藏高原東緣的甘東南地區,是南北地震帶與昆侖山—秦嶺斷裂帶等活動構造交匯部位,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域內,距離臨潭—宕昌斷裂帶約9.3km。該區斷裂全長大于250km,地質構造復雜,由多條規模不等、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造轉換的中間過渡區,在構造位置上處于應變積累和轉換過渡位置[3-5]。

根據歷史地震資料記載,南北地震帶北段地區地震活動性水平較高,發生過多次大震。據統計,歷史上沿臨潭—宕昌斷裂帶發生過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果。

背景噪聲是近年來快速發展起來并應用于速度結構研究的一種方法,地震學家們不僅將此技術應用于靜態的成像研究[7],而且將其應用于研究火山噴發前后的波速變化[8],并試圖用來監測危險斷層于地下介質的動態變化[9-11]。近些年隨著“十五數字化改造”等項目的實施,地震臺網建設不斷拓展,可以得到高質量的波形資料越來越多,利用動態成像技術研究強震前后震源區速度變化的可實現性越來越高。國內很多地震專家紛紛在川滇等臺站分布密集的地區利用背景噪聲方法研究了強震前后的波速變化,結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計算來提取臺站間的經驗格林函數,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變化提供一些基礎資料。

1數據與方法

1.1數據與資料

根據現有資料,從國家數字測震臺網數據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月的連續波形資料。數據選用SAC格式,每個臺站包含有BHE、BHN、BHZ三分量的連續波形數據,文中選用BHZ分量,然后兩兩臺站做互相關計算得到瑞利面波。研究區主要包括甘肅、青海、寧夏、陜西和內蒙古西北五省數字地震臺網的覆蓋區域范圍(圖1),文中的臺站分布所在區域選擇比研究區域各大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的狀態變化。

圖1　南北地震帶北段地區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

背景噪聲是經過地下各層介質散射后被地震儀所記錄到的地球內部的一種特殊波,其產生源復雜多樣,沒有固定的相譜,是地面的一種穩定的非重復性隨機波動[16-18]。噪聲成像方法是對兩兩臺站記錄到的長時間連續的背景噪聲進行互相關運算來近似提取臺站間的經驗格林函數,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],最后得到地球內部的速度成像圖,以此來分析強震前后的波速差異,進而應用于地震預測研究。噪聲成像方法在時間上穩定并可重復使用,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,從而使動態反演結果更加可靠[25-26]。

由于面波一般具有較高的信噪比,并且在研究區域內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計算可以得到介質間的格林函數[27]。

本研究首先進行單臺數據預處理。由于實際面波成像周期為5～150s,所以國內寬頻帶數字地震臺的記錄(或短周期),要求頻率大于1Hz或周期小于1s,故對研究區域內94個地震臺站每天的連續波形記錄進行1Hz(或1s)的重采樣。再依次進行單臺數據格式轉換、去均值、去傾斜、去儀器響應、截取所需長度數據、10～20s巴特沃斯帶通濾波(將研究范圍內的地震事件去除)、滑動絕對平均(時間域歸一化,在SAC環境下)[28]和頻率域歸一化等,主要是將時間域數據轉換為頻率域數據,在頻率域進行濾波后再將數據轉換回時間域。最后計算研究區域內兩兩臺站對進行互相關系數,并對每個月內不同天數的互相關數據進行疊加。

1.3格林函數的提取

計算兩個時間序列的互相關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,提取到的格林函數則是不同頻率信號諧波的疊加結果?；诘卣鸨尘霸肼暤姆椒ê驮?對長時間的互相關系數進行疊加是為了獲得比較穩定的經驗格林函數[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部各層介質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Weaver[27]的研究,利用背景噪聲的互相關函數提取臺站間格林函數,首先要計算所有臺站對的互相關函數,再將互相關系數反序疊加,最后使疊加后的平均結果近似面波格林函數。

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

圖2　南北地震帶北段地區不同距離臺站對 之間的互相關疊加結果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

本文采用復雜介質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94個固定臺站9個月(2013年1—9月)的連續波形數據記錄進行討論。首先對數據進行預處理,再進行噪聲互相關計算并疊加,得到Rayleigh面波的經驗格林函數,其次應用多重濾波方法從臺站間經驗格林函數中提取周期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不同時間段、相同時間窗長的相速度成像結果。

2.1南北地震帶北段臺站對的路徑覆蓋情況

根據得到的南北地震帶北段地區不同周期路徑覆蓋結果,周期為10s時部分臺站對射線覆蓋圖如圖3,路徑數為2 209條射線。對所有周期的路徑數進行統計后發現:T=10s時臺站間各周期路徑數量最多,路徑覆蓋情況最好(圖4)。

圖3　南北地震帶北段地區部分臺站射線 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部分臺站對不同周期 射線路徑數曲線圖Fig.4　Curve of the ray paths between some station-pairs at various periods

由于頻散曲線的質量直接影響層析成像結果的可靠性,故需要對其質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倍波長以上的數據,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。為了檢驗結果的可靠性,本研究又畫出了研究區部分臺站對間的射線覆蓋密度圖(圖5),網格劃分為0.5°×0.5°。從圖5中可以看出,射線覆蓋密度在研究區域的中間密度均勻,即射線覆蓋情況較好。根據臨潭—宕昌斷裂帶的位置,再結合圖5,可以看出:臨潭—宕昌斷裂帶區域的成像結果是比較可靠的,而邊緣地區成像結果的可靠性較差,有待進一步驗證。本文僅對該區域得到的相速度成像結果進行分析。

圖5　南北地震帶北段地區部分臺站對 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

數據計算過程中,將兩個月(60天)的時間窗長作為南北地震帶北段得到穩定信噪比的疊加天數,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波速變化,分別是四月五月、五月六月和八月九月的結果,最后同樣應用式(1)得到相對波速變化情況。根據疊加結果可知,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出現了

圖6　研究區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

波速降低的現象,而震后出現反向調整,8—9月相對于5—6月份出現波速逐漸恢復升高的現象。對比圖6和圖7,雖然兩種結果存在細微差異,但能看出震前震源區北邊區域的波速逐漸升高,而南邊區域的波速相對降低,并表現出一定的低速異常,震源區位于低速區域的邊界處;震后震源區的北邊區域又恢復了之前的低速狀態,而南邊區域則出現高速異常現象,震源區位于高速區域的邊界處。綜上而言,根據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構之間的差異還是比較明顯的。從圖6和圖7還可以看出:區域內波速變化范圍約為-0.004～0.006km/s,高速區域和低速區域的變化主要集中在西秦嶺構造帶和祁連山構造帶等大斷裂帶上和曾經發生過古浪地震和海原地震等強震區域附近。

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

3結論與討論

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出現了波速降低的現象,而震后出現反向調整,8—9月相對于5—6月出現波速逐漸恢復升高的現象。結果表明,岷縣漳縣地震前兩個月出現了波速低值異常,且地震發生在低速區域的邊界地區。

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

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

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

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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項目(XH15042);甘肅省科技計劃(145RJZA186);國家自然科學基金項目(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字測震臺網數據備份中心(10.7914/SN/CB)為本研究提供地震波形數據[31]。文章數據處理應用中國地震局臺網中心周龍泉老師提供的科羅拉多大學博爾德分校(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測研究所王芃師兄的指導下完成調試,在此致以真誠的感謝。