2022-06-01蘆山MS6.1地震流動地震臺網(wǎng)部署及余震序列監(jiān)測

林麗萍 王宇航 吳 朋 諶 亮

1 四川省地震局,成都市人民南路三段29號,610041

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定,北京時間2022-06-01 17:00四川省雅安市蘆山縣(30.37°N,102.94°E)發(fā)生MS6.1地震,震源深度17 km。四川省地震局監(jiān)測信息中心在震中區(qū)域建設(shè)了數(shù)據(jù)質(zhì)量較高的固定地震臺網(wǎng)[1],為該區(qū)域?qū)崟r中強地震預(yù)警和地震速報提供服務(wù)。2013-04-20蘆山MS7.0地震并未產(chǎn)生典型的地表破裂,其發(fā)震斷層為一條NW向盲逆斷層[2],震區(qū)深反射剖面探測結(jié)果顯示區(qū)域內(nèi)隱伏斷層發(fā)育[3-4]。但本次地震分布明顯與蘆山MS7.0地震不同(圖1)。

中強地震發(fā)生后,快速啟動流動地震觀測是提高震區(qū)臺站密度和方位角覆蓋的重要手段之一,可以精確監(jiān)測震后余震的演化和潛在遷移。該方法在四川歷次中強地震科學(xué)研究中取得了較好的效果[5-6],而對國外中強地震的科學(xué)研究,特別是地震孕震構(gòu)造和震源機制的判定,同樣依賴于主震后通過快速部署流動地震臺站獲取的余震序列[7-8]。近年來,四川地區(qū)中強地震頻發(fā),除受傳統(tǒng)大型活動斷裂帶影響外,在傳統(tǒng)少震、弱震的四川盆地內(nèi)部也發(fā)生多次破壞性地震。盡管隨著國家地震烈度速報與預(yù)警工程項目的建設(shè),省內(nèi)臺站覆蓋率有較大提升,但多數(shù)地震臺站間距仍較大,難以獲取震區(qū)精細的余震分布。因此,在流動地震臺站部署過程中,站點選址、儀器設(shè)備選擇安裝及臨時地震臺網(wǎng)性能和臺站數(shù)據(jù)監(jiān)測質(zhì)量評估等,對提升四川甚至全國地震應(yīng)急流動觀測水平至關(guān)重要。

1 地震臺網(wǎng)部署

1.1 臺站布局

蘆山地震震中位于青藏高原東緣巴顏喀拉塊體東邊界、NE向龍門山構(gòu)造帶南段,是四川盆地西部邊緣與橫斷山脈交匯過渡地帶。該地區(qū)東南多為盆地丘陵,西北多為河谷平壩地帶,整體地勢西北高、東南低。

與固定地震臺站的選址及建設(shè)過程不同,流動地震臺站的部署必須在時間、預(yù)算、可行性和任務(wù)目標之間快速找到平衡方案,兼顧地震臺網(wǎng)布局及臺站數(shù)據(jù)質(zhì)量。綜合現(xiàn)有固定地震臺站分布及現(xiàn)場交通、供電、通信等基礎(chǔ)條件,結(jié)合震后24 h余震序列,按平均臺間距10 km進行流動地震臺站的部署,以提高震區(qū)地震臺站方位角。本次流動地震臺站以蘆山MS6.1地震震中為中心,臺站空間分布見圖1,其中蘆山縣太平鎮(zhèn)至大川鎮(zhèn)受地震影響導(dǎo)致道路不暢,因此L5131臺和L5536臺的臺間距為18 km;寶興縣城至蜂蛹寨鄉(xiāng)道路嚴重塌方,通信中斷,因此沒有在震中正N向部署流動地震臺。

1.2 臺站基本配置

流動地震臺站選取CMG-40TDE、CMG-40T和GL-PS2短周期地震計和大動態(tài)范圍24位數(shù)據(jù)采集器,由交流電和蓄電池提供不間斷電源,統(tǒng)一采用GNSS授時服務(wù),通過4G LTE無線路由器進行實時數(shù)據(jù)傳輸。臺站數(shù)據(jù)除通過自建VPN網(wǎng)絡(luò)實時傳輸至四川省地震局地震臺網(wǎng)中心服務(wù)器外,還存儲在本地數(shù)據(jù)采集器內(nèi)置8 GB或16 GB閃存卡上。地震臺站實時傳輸數(shù)據(jù)時整體功耗約為12 W,關(guān)閉4G LTE無線路由器后整體功耗約為5 W,當遇到震區(qū)供電不足或無線通信網(wǎng)絡(luò)受損時,優(yōu)先保障本地臺站數(shù)據(jù)記錄,同時關(guān)閉無線路由器以降低整體功耗。另外,臺站還配置一體化集成電源(50 Ah蓄電池),或交流電與100 Ah蓄電池組合供電,以保障供電受阻時數(shù)據(jù)采集器至少可運行4～8 d,待臺站通信及電力恢復(fù)后仍可重新收集缺失數(shù)據(jù)。

1.3 現(xiàn)場踏勘及儀器安裝

與川西地區(qū)高原山地氣候不同,雅安地區(qū)為亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,雨量充沛,地震計采用地下掩埋的方式進行安裝很難保證其干燥的工作環(huán)境,還會額外增加設(shè)備被水浸泡的風(fēng)險[1,5,9]。因此,在流動地震臺網(wǎng)部署過程中應(yīng)避免采用地下掩埋的方式安裝地震計,同時選擇與地表固定地震臺站相似的場地環(huán)境。在進行現(xiàn)場踏勘選址時還需注意以下原則:

1)交通便利性和安全性。選擇在正常天氣條件下車輛可直接抵達或徒步30 min內(nèi)可到達的位置,以避免較高的建設(shè)和維護成本,同時降低維修時限。另外,為安全起見,優(yōu)先選擇可以上鎖和公眾不易進入的場所,以避免儀器設(shè)備被淋濕或受人為破壞等風(fēng)險。

2)背景噪聲源評估。避開人類活動密集的場所,同時遠離河流、高大樹木等自然噪聲源,盡量與鐵路和高速公路保持2 km以上距離,與鄉(xiāng)道保持至少100 m的距離,以降低交通干擾。另外,在選定已有建筑物作為觀測場地時,周圍不能有發(fā)電機、水泵、空調(diào)外機等設(shè)備,這些設(shè)備在運行過程中會產(chǎn)生固定頻率的噪聲源[6]。

3)實時數(shù)據(jù)流傳輸。地震數(shù)據(jù)的實時傳輸是部署流動地震臺站的主要目標之一,可快速提升震區(qū)實時地震監(jiān)測能力,因此所選位置的4G LTE網(wǎng)絡(luò)必須覆蓋良好且穩(wěn)定,以支持100 sps采樣率的連續(xù)數(shù)據(jù)流實時傳輸服務(wù)。

4)供電。優(yōu)先選擇國家電網(wǎng)220 V交流電作為主供電電源,同時配備獨立蓄電池,以保障供電受阻時的用電需求。

5)GNSS授時服務(wù)。數(shù)據(jù)采集器采用GNSS授時,衛(wèi)星接收天線應(yīng)安裝在室外開闊地帶,周圍無明顯遮擋物,確保衛(wèi)星信號接收天線能夠定期鎖定至少5顆衛(wèi)星,以保障授時和定位精度。

經(jīng)震區(qū)現(xiàn)場踏勘,在震后48 h內(nèi)以震中為中心部署了5個流動地震臺站,平均臺間距為10 km,臺站空間分布如圖1所示,詳細信息見表1。

表1 蘆山地震流動臺網(wǎng)臺站信息

2 流動臺站噪聲分析

蘆山地震流動臺站部署工作完成后,采用地震臺站噪聲功率譜密度-概率密度函數(shù)(PSD-PDF)方法[10-11]對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量監(jiān)控,臺站三分量環(huán)境噪聲加速度功率譜密度的計算基于改進的周期圖經(jīng)典功率譜估計Welch方法[12]。為減少PSD數(shù)據(jù)的方差,將各分量連續(xù)波形數(shù)據(jù)分為1 h長度的時間序列,每段數(shù)據(jù)重疊50%,再對每段序列進行去均值、去長周期成分處理,將其劃分為1 310.72 s時長的時間序列,每段數(shù)據(jù)重疊75%,PSD則由該時段所有分段數(shù)據(jù)的PSD平均得到。為減少數(shù)據(jù)中斷的影響,若各分段數(shù)據(jù)的中斷時間超過整段數(shù)據(jù)時長的10%,則將整段數(shù)據(jù)刪除。

圖2(a)為L5132臺2022-06-02～07-02垂直分量噪聲PSD-PDF分布,臺站配置Güralp CMG-40T型地震計和港震EDAS-24IP型數(shù)據(jù)采集器。如圖2(b)～2(d)所示,流動臺站1 Hz以上高頻噪聲水平明顯高于全球新高噪聲模型(NHNM)和新低噪聲模型(NLNM)的平均值,部分臺站噪聲水平接近或高于NHNM值;小于1 Hz的頻帶內(nèi),短周期地震計記錄的噪聲水平多由儀器自噪聲決定[5]。L5536臺和LSDC地震臺位于蘆山縣大川鎮(zhèn)(臺間距約2 km),0.5～4 Hz頻段內(nèi)垂直分量記錄的噪聲相似,而水平分量則在0.5～1 Hz頻段內(nèi)記錄的噪聲相似,僅5～15 Hz頻段內(nèi)L5526臺NS分量的噪聲水平優(yōu)于LSDC地震臺。四川地區(qū)微震頻段噪聲存在較明顯的地區(qū)和季節(jié)性差異,但長時間內(nèi)微震頻段的平均噪聲水平一般都在-120 dB以下[1],L5130臺和L5131臺受CMG-40TDE一體化地震計自噪聲的影響,微震頻段平均噪聲水平明顯大于-120 dB,該頻段的波形記錄會存在較大失真,而L5132臺、L5511臺和L5536臺微震頻段噪聲功率譜密度與區(qū)域內(nèi)寬頻帶地震計記錄相似,在保證波形不明顯失真的情況下可將臺站記錄頻段適當擴寬至5 s。臺站高頻噪聲受附近噪聲源的影響最為明顯,隨距離的增加噪聲快速衰減,即使在同一地區(qū)相鄰臺站的高頻噪聲也存在較大波動,通常較為完善的臺站基礎(chǔ)建設(shè)可有效降低臺站的高頻噪聲。

圖2 蘆山地震震區(qū)流動和固定地震臺站噪聲功率譜密度曲線

短時間內(nèi)在人口稠密的地震現(xiàn)場找到可接受的噪聲場地環(huán)境是非常困難的,因此流動臺站的噪聲水平一般高于附近固定臺站,特別是4～20 Hz頻帶內(nèi)。而位于寶興蜂蛹寨鄉(xiāng)的BXFYZ地震臺高頻噪聲水平仍與流動臺站相當,部分頻段甚至高于流動臺站,說明該臺附近高頻噪聲源較復(fù)雜,即使通過標準化基礎(chǔ)建設(shè),有些噪聲源的影響也難以消除。綜合考慮固定臺站的建設(shè)周期、成本及背景噪聲源的復(fù)雜性,本次部署的流動臺站提供了可接受的性能水平,適合對震區(qū)的余震活動進行監(jiān)測。

與之前四川地區(qū)固定和流動地震臺站觀測到的高頻噪聲特征相似[1,6],此次蘆山地震流動臺站觀測到的高頻噪聲也呈現(xiàn)出與附近人為活動相關(guān)的晝夜變化特征,如圖3所示。由于臺站所處位置不同,高頻噪聲的日變化特征也各不相同,其中L5511臺噪聲水平升高時段分別在每天08:00～12:00和16:00～20:00,12:00～16:00時段出現(xiàn)小幅下降,但噪聲水平較夜晚時段仍偏高;L5536臺13:00時噪聲水平下降,L5131臺在該時間則有所升高,而L5132臺12:00時的噪聲水平有短暫升高,L5130臺和L5131臺07:00～23:00噪聲水平均較高。圖3(f)為蘆山地震余震序列24 h時頻統(tǒng)計,可以看出,07:00～16:00記錄的地震數(shù)量只有00:00～6:00和17:00～24:00的一半,即發(fā)生在晚上的地震事件被更多地監(jiān)測到。

圖3 流動地震臺站垂直分量噪聲功率譜密度值的日變化

3 地震臺網(wǎng)的監(jiān)測效能

通過部署流動臺站,提高了震區(qū)的地震監(jiān)測能力,降低了余震的監(jiān)測震級下限,有效提高了震區(qū)微小地震事件的定位精度[5]。2022-06-01蘆山MS6.1主震后發(fā)生了大量余震,截至2022-06-30 24:00共記錄到余震1 184次,其中ML<1.0地震288次,ML1.0～1.9地震744次,ML2.0～2.9地震140次,ML3.0～3.9地震11次,ML>4.0地震1次,如圖1所示。本文采用雙差定位法[13]對主震和余震序列進行重定位,選取一維速度模型,綜合了蘆山地區(qū)反射地震剖面資料[3-4]和Fang等[14]的分層速度模型,采用最小二乘法反演得到重定位后的余震序列平均定位誤差水平分量為0.18 km,垂直分量為0.21 km,平均走時殘差為0.21 s,重定位后余震序列分布見圖4。重定位后主震的初始破裂深度為18.9 km,余震序列主要分布在小關(guān)子斷裂帶北側(cè),呈NE向展布,NE向約10 km,NW向約6 km。與魯人齊等[15]使用震后3 d地震序列得到的結(jié)果類似,由于本文使用了更多的余震序列,得到更多的地震精定位結(jié)果,余震序列明顯沿NE向分布,由剖面AA′和BB′可知,余震主要分布在10～20 km深度范圍。

圖4 蘆山MS6.1地震主震和余震序列重定位分布

基于地震震級-頻度分布滿足G-R關(guān)系[16],使用ZMAP軟件[17]采用最大曲率(maximum curvature)法[18]計算得到2022年蘆山地震余震序列的完整性震級MC=1.2,b值為0.86±0.06,其中白天時段余震序列的完整性震級MC=1.4,b值為0.88±0.09,夜晚時段余震序列的完整性震級MC=1.1,b值為0.88±0.10,如圖5(a)所示。由于地震是一個突發(fā)的隨機性事件,沒有明顯的時間分布特征,為了確保記錄地震事件的可靠性,地震計監(jiān)測地震信號的信噪比不變,因此當?shù)卣鹋_站受附近噪聲源影響時,臺站能監(jiān)測到的最小地震信號振幅會增大,能監(jiān)測到的最小地震震級也會相應(yīng)變大,也就是說,很多震級較小的地震事件在白天時段被湮沒在噪聲信號中,因而未能被監(jiān)測到。

圖5 蘆山地震余震序列

區(qū)域最小完整性震級MC的大小反映了地震臺網(wǎng)監(jiān)測地震的能力,MC越小臺網(wǎng)的地震監(jiān)測能力越高。MC隨時間的變化有3個不同的階段:地震發(fā)生前MC最高,震后24 h內(nèi)震區(qū)小震密集,MC迅速下降后又上升,隨著流動臺站的部署及運行,MC再次下降,之后保持平穩(wěn),如圖5(b)所示。2013年MS7.0蘆山地震的密集臺陣中,很多臺站地表覆蓋層較厚,大部分沒有基巖出露,其高頻噪聲水平優(yōu)于本次流動地震臺網(wǎng),但平均臺間距(14 km)比本次流動臺網(wǎng)大,2次流動地震臺網(wǎng)的區(qū)域最小完整性震級MC水平相當[14],說明在流動地震臺網(wǎng)的部署中,可通過提高臺站密度來減小臺基環(huán)境噪聲水平對地震監(jiān)測閾值的影響。

本次蘆山地震流動地震臺網(wǎng)的性能較好,即使臺站的背景噪聲水平較高,也能清晰記錄到區(qū)域內(nèi)地震事件。圖6分別為2022-06-04 08:20蘆山縣ML1.2余震和2022-06-06 03:30寶興縣ML0.5余震的定位及波形,可以看出,流動臺站波形數(shù)據(jù)可清晰識別到震相及相應(yīng)到時,表明該臺站數(shù)據(jù)可用于地震定位和科學(xué)研究。流動地震臺網(wǎng)的部署提高了震區(qū)臺站覆蓋率,減小了臺站方位角,有助于降低震區(qū)最小地震監(jiān)測震級,提高余震定位精度,對了解地震成因至關(guān)重要。此外,通過定期計算臺站噪聲功率譜密度曲線,能夠監(jiān)測各臺站的噪聲情況,并在需要時進行干預(yù)。

圖6 蘆山流動地震臺網(wǎng)記錄的余震事件波形

圖7為余震序列的震級-時間分布及每天余震頻次分布。可以看出,主震后前3 d震區(qū)地震活動性仍然很高,每天余震超過100次。隨著時間的推移,余震強度和頻次迅速衰減,主震后前9 d記錄到余震1 004次,從第10 d開始每天余震少于20次,余震序列主要發(fā)生在主震后5 d內(nèi),累積余震832次。因此,為更好地認識余震序列的發(fā)展并有效部署震后應(yīng)急響應(yīng)方案,流動地震臺網(wǎng)的快速部署是先決條件。

圖7 2022年蘆山地震余震序列

4 結(jié) 語

在本次蘆山MS6.1地震的流動地震臺網(wǎng)部署過程中,通過嚴格選址及高質(zhì)量儀器設(shè)備的安裝,減小了震區(qū)臺站方位角,提高了臺站覆蓋率,有助于震區(qū)余震,特別是小震事件的精確定位。流動地震臺站受限于儀器設(shè)備、場地條件及附近人為活動等影響,其噪聲水平高于區(qū)域大部分固定臺站,且平均水平明顯高于NHNM和NLNM均值,部分臺站接近甚至高于NHLM值。與區(qū)域內(nèi)固定地震臺站觀測到的噪聲特征相似,流動地震臺站的高頻噪聲呈現(xiàn)明顯的日變化特征,即白天噪聲水平升高、夜晚降低,與附近居民生活規(guī)律相關(guān)。區(qū)域地震監(jiān)測能力在白天時段較夜晚低,白天記錄到的小震事件數(shù)量明顯較少,流動地震臺網(wǎng)的最小完整性震級MC由夜晚時段1.1升高至白天時段1.4。采用雙差定位方法對震后余震序列進行重定位,結(jié)果顯示,余震分布在小關(guān)子斷裂北部,呈NE向分布,具有明顯的叢集性,震源深度主要分布在10～20 km,為明顯的隱伏斷層。

流動地震臺網(wǎng)布設(shè)是一件復(fù)雜而重要的工作,除了面臨震區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、未知的次生地質(zhì)災(zāi)害外,還面臨通信、電力及生活保障等問題。大地震后余震序列的衰減速度非常快,這就要求工作人員利用豐富的實踐經(jīng)驗及專業(yè)的技術(shù)水平,快速制定合適的流動地震臺網(wǎng)部署方案,保障任務(wù)目標的達成。

致謝：感謝蘆山流動地震觀測組成員的辛苦付出,感謝重慶市地震局及雅安市人民政府工作人員的大力支持。本文流動臺站噪聲功率譜概率密度函數(shù)計算使用了四川省地震局謝江濤工程師編寫的軟件,在此一并表示感謝。