基于線性密集臺陣的2023年甘肅積石山MS6.2地震斷層低速帶研究

吳柏辰 秦滿忠 郭曉 王亞紅 孫點(diǎn)峰 溫淑琳

摘要：2023年12月18日，甘肅省積石山縣發(fā)生MS6.2逆沖型地震。該地震發(fā)生在祁連活動地塊拉脊山北緣斷裂帶，在斷裂兩側(cè)曾發(fā)生過20余次5級左右中強(qiáng)地震，地震活動頻次高，因此研究拉脊山斷裂帶特征具有重要意義。根據(jù)拉脊山斷裂走向和此次地震余震分布，在劉集鄉(xiāng)布設(shè)一條線性密集臺陣，利用不同方位的余震事件計算體波的走時延時和放大效應(yīng)。結(jié)果表明，P波和S波分別存在6個采樣點(diǎn)（約0.012 s）和15個采樣點(diǎn)（約0.03 s）的走時延時，推斷出臺陣西側(cè)存在一個約150 m寬近似垂直的斷層低速帶，且該結(jié)果與遠(yuǎn)震P波相似性系數(shù)矩陣結(jié)果一致。

關(guān)鍵詞：甘肅積石山MS6.2地震; 走時延時; 體波放大效應(yīng); 線性密集臺陣; 斷層低速帶

中圖分類號： P315????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）03-0734-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20240306003

Low-velocity fault zone of the 2023 Jishishan Gansu MS6.2

earthquake based on linear dense array data

WU Baichen1，2， QIN Manzhong1，2， GUO Xiao1，2， WANG Yahong2， SUN Dianfeng2，WEN Shulin1，2

（1. Lanzhou Institute of Seismology， CEA， Lanzhou 730000， Gansu， China;

2. Gansu Lanzhou Geophysics Observation and Research Station， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract：?On December 18， 2023， an MS6.2 reverse-type earthquake struck Jishishan County， Gansu Province， along the northern margin of the Lajishan fault zone， Qilian active block. Given that over 20 M5.0 earthquakes have occurred on both sides of the Lajishan fault， investigating its characteristics is paramount. Thus， based on the strike of the Lajishan fault and its aftershock distribution， we deployed a linear dense array in Liuji Town. Considering aftershock events in different directions， we determined travel time delays and amplification effects of body waves. The results identified six （approximately 0.012 s） and 15 （approximately 0.03 s） sampling points of travel time delays for the P- and S-waves， respectively. This confirmed the presence of a nearly vertical low-velocity zone with a width of approximately 150 m along the west side of the array. The obtained results align with teleseismic P-wave similarity coefficient matrix calculations.

Keywords：Jishishan MS6.2 earthquake in Gansu; travel time delay; amplification effect of body wave; linear dense array; low-velocity zone of the fault

0 引言

地殼斷層是在地殼運(yùn)動過程中普遍形成的一種地質(zhì)構(gòu)造現(xiàn)象。地震通常發(fā)生在斷層帶附近，是斷層的劇烈運(yùn)動形式。因此，了解活動斷層帶及周圍的破裂特征在地球物理學(xué)研究中有著重要的意義。地震時產(chǎn)生的強(qiáng)烈破裂、角礫巖作用、流體飽和度，以及斷層附近孔隙流體壓力的升高等因素都有助于斷層低速帶的形成［1］。斷層帶的產(chǎn)生是地震作用的結(jié)果，該區(qū)域主要由高度破碎的物質(zhì)、斷層角礫巖、黏土和巖石碎屑組成［2］。這些物質(zhì)的存在會顯著影響地震波的傳播路徑和速度，為進(jìn)行詳細(xì)的斷層結(jié)構(gòu)研究奠定了有利條件［3］。

學(xué)術(shù)界對斷層的研究內(nèi)容比較廣泛，包括斷層的地面幾何分布、地形變化觀測研究及斷層帶的內(nèi)部形態(tài)結(jié)構(gòu)、地球物理學(xué)特征和物性參數(shù)等，通常利用重力、電磁測量、走時層析成像和基于地震波形的反演建模等多種地球物理方法研究斷裂帶的性質(zhì)［4］。與其他的地球物理學(xué)方法相比，密集地震臺陣方法具有價格成本低，布設(shè)方便、環(huán)保［5］，且檢測微震相的能力強(qiáng)、敏感度高［6］ 等優(yōu)勢，特別是利用測線的方式布設(shè)臺站［7］。該方法已經(jīng)成為地殼斷層結(jié)構(gòu)探測研究中的重要手段，密集臺陣可以對近震及遠(yuǎn)震事件進(jìn)行高質(zhì)量觀測，可以提高定位精度和區(qū)域地震監(jiān)測能力［8］。

近年來，許多地震學(xué)家基于密集臺陣方法研究地球內(nèi)部不同尺度的速度結(jié)構(gòu)［9-10］，了解斷層帶的物性信息，主要包括近震或遠(yuǎn)震事件的體波到時延時方法［11］，近震事件的體波放大效應(yīng)［12-13］并反演斷層帶圍陷波［14-16］，利用斷層帶首波計算斷層內(nèi)外速度差［17-18］，以及利用背景噪聲計算放大效應(yīng)［19］。在斷層帶可以產(chǎn)生更長周期、更大振幅的體波和尾波時，低速帶與高速圍巖的區(qū)域?qū)a(chǎn)生更明顯的波形放大效應(yīng)［20］。利用體波在低速介質(zhì)中產(chǎn)生的放大效應(yīng)可以有效地研究斷層帶結(jié)構(gòu)，特別是在確定斷層帶寬度方面具有明顯的優(yōu)勢。Li Y G等［21］利用體波在低速介質(zhì)下的放大效應(yīng)特征有效約束了美國加州Landers斷層寬度約200 m;在昆侖山口西MS8.1地震斷層區(qū)，Li S L等［22］利用體波在低速介質(zhì)下的放大效應(yīng)特征有效約束了300 m寬的斷層區(qū)域。野外科考發(fā)現(xiàn)，甘肅積石山MS6.2地震并沒有產(chǎn)生明顯的地表破裂，但在不同區(qū)域觀察到了較明顯的同震地表現(xiàn)象（地裂縫）［23］。項目組根據(jù)拉脊山斷裂帶走向、余震分布及地震科考同震地表現(xiàn)象等信息，結(jié)合野外實(shí)地勘察，在劉集鄉(xiāng)布設(shè)了一條線性密集地震臺陣。本研究將基于布設(shè)的線性密集臺陣觀測到的近震事件及遠(yuǎn)震事件，計算體波震相的走時延時及放大效應(yīng)，并結(jié)合遠(yuǎn)震P波相似性系數(shù)矩陣，推斷斷層低速帶的具體位置及寬度。

1 構(gòu)造概況及臺陣布設(shè)

甘肅積石山地震發(fā)生在青藏高原東北緣柴達(dá)木—祁連塊體拉脊山斷裂帶南段附近［24］。拉脊山斷裂帶由拉脊山北緣斷裂和拉脊山南緣斷裂兩條向NE方向凸出的弧形逆沖構(gòu)造帶構(gòu)成［25］，運(yùn)動性質(zhì)以擠壓逆沖為主，兼左旋走滑，是調(diào)節(jié)NNW向熱水—日月山右旋走滑斷裂帶與NWW向西秦嶺北緣左旋走滑斷裂帶之間的構(gòu)造轉(zhuǎn)換帶。晚第四紀(jì)以來該斷裂帶有新活動，不斷向盆地內(nèi)部擠壓逆沖產(chǎn)生局部應(yīng)力積累，使得該斷裂未來存在發(fā)生中強(qiáng)地震的構(gòu)造條件。

甘肅積石山發(fā)生MS6.2地震后，許多地震專家的科考結(jié)果表明，該地震沒有明顯的地表破裂。本文根據(jù)拉脊山斷裂帶走向、余震分布及地震科考同震地表現(xiàn)象等信息，結(jié)合野外實(shí)地勘察［26］，在劉集鄉(xiāng)布設(shè)了一條線性密集臺陣。該臺陣位于拉脊山北緣斷裂與拉脊山南緣斷裂之間［圖1（a）］。各臺站相對位置及其高程見圖2。

2 數(shù)據(jù)采集與處理

布設(shè)的線性密集臺陣包括26個便攜式一體化地震儀，總長度約700 m［圖1（b）］，采樣率為500 Hz。觀測時間從2023年12月28日開始，至2024年1月18日結(jié)束。地震儀記錄了地表速度，并觀測到0.1～100 Hz相對平緩的波形信號（圖3）。

臺陣在布設(shè)期間記錄到了大量的近震與遠(yuǎn)震事件［圖1（a）］。其中，近震序列整體呈NW向展布，大部分近震集中在主震西側(cè)，并且集中分布在拉脊山北緣斷裂和拉脊山南緣斷裂之間。在深度方向上，根據(jù)左可楨等［27］定位結(jié)果，近震主要集中在5～15 km，且絕大部分事件震源深度比主震淺，精定位結(jié)果揭示了主震的破裂特征。近震在頻譜圖中表現(xiàn)為頻率在0.4～20 Hz間，表明其有更高的能量。與近震事件的波形相比，遠(yuǎn)震產(chǎn)生的地震波則具有更持久的低頻能量，通常低于2 Hz（圖3）。這種能量和頻率的差異可以用來研究特定區(qū)域的速度變化。考慮到本研究所使用儀器的固有頻率為0.2 Hz，本文將遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)引入分析過程，旨在補(bǔ)充和驗證已收集的近震數(shù)據(jù)，從而提供更加全面和準(zhǔn)確的地震活動信息，使得本次研究的地震資料既有高頻數(shù)據(jù)（近震），也有低頻數(shù)據(jù)（遠(yuǎn)震）。

根據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）地震目錄，本文共選取了震中距大于15°，M＞5，且信噪比（Signal Noise Ratio，SNR）大于3的9個遠(yuǎn)震事件進(jìn)行遠(yuǎn)震P波相似性系數(shù)矩陣計算（表1）。

本文利用中國地震局地震臺網(wǎng)目錄，使用ObsPy軟件包［28］中的ar_pick函數(shù)進(jìn)行體波（P波、S波）到時檢測，然后針對所有臺站波形人工核對數(shù)據(jù)質(zhì)量。共觀測到165個余震事件，并人工篩選出100個高信噪比的地震事件進(jìn)行近震事件體波延時分析、放大效應(yīng)等研究。

在利用近震確定斷層位置時，不僅可以利用近震體波放大效應(yīng)的觀測數(shù)據(jù)，還可以結(jié)合近震與遠(yuǎn)震的體波走時延時分析法，從而有效地確定斷層的位置［29］。本文參考Yang等［30］數(shù)據(jù)處理流程，并根據(jù)實(shí)際觀測數(shù)據(jù)做相關(guān)改進(jìn)：（1）遠(yuǎn)震事件使用0.2～2 Hz帶通濾波進(jìn)行計算，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行去均、滅尖處理;近震事件使用1～10 Hz帶通濾波進(jìn)行處理，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行去均，滅尖處理。（2）考慮到地形和高程對P波到時的影響，使用地表速度2.7 km/s對臺站高程進(jìn)行校正［31］，從而消除地表高程對P波到時的影響。（3） 在2 s長的窗口范圍內(nèi)拾取精確的近震事件P波到時，從而盡可能避免在拾取P波到時的過程中產(chǎn)生誤差；對于遠(yuǎn)震事件，本文對每個遠(yuǎn)震事件根據(jù)P波到時截取了10 s的觀測波形，并計算波形間的相關(guān)系數(shù)，以評估斷裂帶兩側(cè)的波形相似性。

在近震事件中觀測到了部分臺站記錄的體波走時延時，這與體波信號穿過斷層低速帶有關(guān)。經(jīng)過低速帶的體波有長周期和大振幅的特征，特別是體波的尾波會產(chǎn)生放大效應(yīng)，該特征為尋找斷層低速帶提供了理論依據(jù)［32-33］。

本文以觀測到的一個質(zhì)量較好的近震事件為例（圖4），即密集臺陣于2023年12月29日15：35：13（UTC）觀測到的震級為M1.1的近震事件，并對各臺站觀測波形做了1～10 Hz帶通濾波處理，圖中紅星代表自動拾取的P波到時;分別對各臺站觀測到的波形做歸一化處理，并計算其地表峰值速度（Peak Ground Velocity，PGV）和均方根值（Root Mean Square，RMS），黑色曲線為PGV與RMS的乘積［圖4（b）］。該曲線代表地表介質(zhì)對地震波的放大效應(yīng)，本文在密集臺陣西側(cè)100～250 m的區(qū)域觀測到了明顯的放大效應(yīng)。同時，在該區(qū)域也發(fā)現(xiàn)了明顯的P波走時延時，而走時延時與地表高程并沒有一致性對應(yīng)特征，說明延時現(xiàn)象與臺陣下方區(qū)域介質(zhì)速度較低有關(guān)。

3 方法與分析

3.1 遠(yuǎn)震相關(guān)系數(shù)矩陣計算

遠(yuǎn)震P波在穿過斷層低速帶時，位于低速帶附近的臺站觀測到的波形具有一定相似性。基于Zhang等［34］的遠(yuǎn)震相關(guān)系數(shù)矩陣計算方法，選取了表1中9個分布在不同方位的遠(yuǎn)震事件，運(yùn)用窗長為2 s的P波計算各臺站之間的波形相似性，并構(gòu)建了相似性矩陣（圖5），其中每個顏色塊代表臺站對之間同一遠(yuǎn)震事件波形的最大相關(guān)系數(shù)值，顏色塊大小與臺站間距成正比。在相似性矩陣中，對角線代表每個臺站自相關(guān)的結(jié)果（值均為1）；在非對角線處通常相關(guān)性系數(shù)會隨著臺站間距的增加而減少。然而在圖5的左下角存在相關(guān)系數(shù)高值區(qū)域，說明該區(qū)域內(nèi)觀測到的P波具有高相似性，這與布設(shè)的線性密集臺陣下方存在斷層帶有關(guān)，由于斷層帶中存在的破碎物質(zhì)使得穿過斷層的波形相似度變高。

3.2 近震延時分析

臺陣觀測到的直達(dá)P波具有較高的頻率，主頻率大于7 Hz （圖3）。通過分析近震事件直達(dá)P波到達(dá)每個臺站的時間，可以獲得更高分辨率的局部斷裂帶結(jié)構(gòu)信息。本研究選取了近震事件目錄中高信噪比（SNR>10）的垂直分量波形計算到時延時。

本文在2023年12月29日8：46：39發(fā)生在臺陣東側(cè)的近震事件波形中觀測到了明顯的體波放大效應(yīng)及走時延時，并對應(yīng)了具有低速特征的斷層帶（圖6中紅色線段）。

基于參考臺計算了每個近震事件P波、S波與各臺站間走時延時曲線，并計算了每個臺站100個近震事件的走時延遲平均值（圖7）。使用地表速度2.7 km/s對臺站高程進(jìn)行校正，選取從到時開始窗長為0.1 s 的P波及窗長為0.2 s的S波波形，利用互相關(guān)法計算每個事件臺站間的P波與S波走時延時，誤差條表示100個近震事件走時延時曲線的兩個標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果顯示，在臺陣西側(cè)存在明顯的走時延時特征，P波最大平均延時約6個采樣點(diǎn)（0.012 s），S波最大平均延時約15個采樣點(diǎn)（0.03 s），其對應(yīng)的斷層低速帶寬度約150 m（圖7中紅色線段），與P波在斷層低速帶的延時相比，S波具有更為明顯的高延時特征，反映出S波在計算到時延時的過程中比P波更敏感。

3.3 放大效應(yīng)分析

由于地震波的幾何擴(kuò)散與高衰減特性，在臺陣低速區(qū)觀測到遠(yuǎn)震波形的信噪比相對較低［35］。本研究用于體波放大效應(yīng)分析的近震事件均在距離臺陣30 km的范圍內(nèi)，且有較高信噪比，計算出不同方位近震事件窗長為2 s的S波放大效應(yīng)。圖8顯示了PGV和RMS的乘積值歸一化曲線，該曲線可以表示臺陣下方介質(zhì)對近震事件S波的放大效應(yīng)。由于該方法對地殼低速斷層帶更敏感，可以代表不同臺站覆蓋區(qū)域出現(xiàn)斷層低速帶的概率。本文將所選取的近震事件根據(jù)不同方位進(jìn)行了劃分［圖8（a）］，且計算得到的結(jié)果一致性較高，表明該臺陣下方的低速介質(zhì)的方向差異性較小，這與斷層低速帶近似垂直分布有關(guān)。得到的斷層低速帶寬度與近震事件P波延時曲線、遠(yuǎn)震相關(guān)系數(shù)矩陣結(jié)果一致，寬度約150 m。

4 結(jié)論

甘肅積石山地震是近年來發(fā)生在青藏高原東北緣的又一次中強(qiáng)地震，研究該地震的發(fā)震斷層對于了解此次地震孕震機(jī)理及青藏高原東北緣地震風(fēng)險評估都具有重要意義。發(fā)震斷層引起的巖石孔隙、壓力場和地震波速度的變化會導(dǎo)致線性密集臺陣記錄到的波形間產(chǎn)生差異，從而為研究斷層低速帶位置及寬度奠定理論基礎(chǔ)。許多地震學(xué)家通過布設(shè)密集臺陣，基于走時延時、放大效應(yīng)等方法開展了小尺度斷層精細(xì)結(jié)構(gòu)方面的研究，并取得了豐碩成果。本文根據(jù)拉脊山斷裂走向、地表裂縫及余震分布在劉集鄉(xiāng)布設(shè)了一條線性密集臺陣，通過臺陣觀測到的近震體波走時延時分析、放大效應(yīng)，以及遠(yuǎn)震P波相關(guān)系數(shù)矩陣，在臺陣西側(cè)觀測到了一個寬度約150 m的斷層低速帶，其位于拉脊山北緣斷裂與拉脊山南緣斷裂之間的中部區(qū)域，并存在P波平均走時延時約6個采樣點(diǎn)（約為0.012 s），S波平均走時延時約15個采樣點(diǎn)（約為0.03 s）。通過放大效應(yīng)計算得到的斷層低速帶寬度與近震事件體波延時曲線和遠(yuǎn)震相關(guān)系數(shù)矩陣結(jié)果一致，寬度約150 m。

致謝：本研究中的斷層分布數(shù)據(jù)由蘭州大學(xué)袁道陽教授提供，在此特別表示感謝。

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（本文編輯：張向紅）

基金項目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目（42230305）；甘肅省科技重大專項（21ZD4FA011）；國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題（2018YFC1503206）

第一作者簡介：吳柏辰（1999-），男，碩士研究生，主要從事密集臺陣與斷層結(jié)構(gòu)研究。E-mail：523402038@qq.com。

通信作者：秦滿忠（1981-），男，碩士，副研究員，主要從事地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、主動源重復(fù)探測技術(shù)與應(yīng)用等方面的研究工作。E-mail：qinmzh@163.com。

吳柏辰，秦滿忠，郭曉，等.基于線性密集臺陣的2023年甘肅積石山MS6.2地震斷層低速帶研究［J］.地震工程學(xué)報，2024，46（3）：734-741.DOI：10.20000/j.1000-0844.20240306003

WU Baichen，QIN Manzhong，GUO Xiao，et al.Low-velocity fault zone of the 2023 Jishishan Gansu MS6.2 earthquake based on linear dense array data［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：734-741.DOI：10.20000/j.1000-0844.20240306003