2012年唐山ML5.2地震前后的速度結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

郭蕾 宮猛 王寧

河北省地震局，石家莊 050021

0 引言

唐山地區(qū)位于陰山-燕山隆起帶東段的燕山隆起和華北平原拗陷帶北部的冀渤凹陷的結(jié)合部位，在燕山隆起一側(cè)，區(qū)內(nèi)淺層活動(dòng)性斷裂發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)頻繁(徐杰等，1996；羅艷等，2008)。1976年唐山7.8級(jí)大地震發(fā)生在唐山斷裂附近，震后由于老震區(qū)地殼介質(zhì)相對(duì)破碎，不易于積累更大能量，唐山地區(qū)地震序列強(qiáng)度和頻次總體隨時(shí)間呈現(xiàn)階段性衰減的趨勢(shì)，近10年來僅發(fā)生一次ML≥5地震，即2012年5月28日唐山ML5.2地震。此次地震是在老震區(qū)5級(jí)地震平靜17年背景下發(fā)生的，且與地震序列強(qiáng)度衰減趨勢(shì)相比震級(jí)明顯偏高。研究表明地震孕育與發(fā)生是應(yīng)力積累與釋放的過程，在這個(gè)過程中通常會(huì)引起地殼介質(zhì)的物性改變，這種改變可通過地震波速的變化體現(xiàn)(Birch，1961)。因此，獲得該地震前后不同時(shí)間段的唐山老震區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)，總結(jié)速度結(jié)構(gòu)的變化特征，對(duì)分析和探討該地震的形成、產(chǎn)生以及誘發(fā)因素具有意義。

諸多學(xué)者對(duì)唐山地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，并取得大量成果。陳立華等(1990)根據(jù)構(gòu)造特征將華北地區(qū)劃分為4個(gè)區(qū)域，研究該區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明橫向不均勻性和低速的存在可能是構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的最主要特征；朱露培等(1990)利用空間頻率域離散參數(shù)化反演方法，計(jì)算京津唐張地區(qū)的地殼和上地幔深部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)強(qiáng)震發(fā)生在低速區(qū)向高速區(qū)過渡的梯度帶；孫若昧等(1999)采用分類表格數(shù)據(jù)的AIC分析方法，對(duì)華北地區(qū)強(qiáng)震發(fā)生位置與速度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進(jìn)行定量化評(píng)估；盧造勛等(2002)采用正交投影法重建了研究區(qū)(110°～126°E，36°～44°N)的地殼和上地幔的三維速度結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示了“易震層”的速度分布特征，強(qiáng)震多發(fā)生在低速層上方的高速層內(nèi)；王志鑠等(2008)利用LSQR方法反演了華北及鄰區(qū)地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)唐山地區(qū)在25km、42km和60km深處存在連續(xù)的低速異常；賴曉玲等(2013)利用唐山臨時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)5000多個(gè)P波到時(shí)進(jìn)行速度成像，結(jié)果表明唐山斷裂帶為速度陡變帶，其兩側(cè)的速度存在顯著差異，西北側(cè)為高速區(qū)，東南側(cè)為低速區(qū)；楊峰(2019)采用雙差層析成像的方法反演得到華北北部地區(qū)地殼三維P波速度結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)唐山震源區(qū)下方存在明顯的低速異常區(qū)。

雖然前人在唐山地區(qū)速度結(jié)構(gòu)方面開展了大量研究，但是上述研究基本是靜態(tài)成像，未分析地震前后波速的動(dòng)態(tài)演化，然而正是這種動(dòng)態(tài)演化過程，可能有助于深入探索地震的發(fā)震機(jī)理(周龍泉等，2007；雷建設(shè)等，2010)。本研究采用結(jié)合波形互相關(guān)的雙差層析成像方法，以2年為時(shí)間間隔對(duì)唐山地區(qū)2010年5月～2016年5月的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，獲得2012年唐山ML5.2地震前后介質(zhì)的三維地震P波、S波速度的空間分布，結(jié)合此次地震的精定位震源參數(shù)，探討唐山地區(qū)中強(qiáng)震發(fā)生前該區(qū)介質(zhì)的波速特征。

1 理論方法與數(shù)據(jù)

1.1 雙差層析成像方法

雙差層析成像方法(Zhang et al，2003、2007)結(jié)合絕對(duì)走時(shí)和差分走時(shí)資料對(duì)三維速度結(jié)構(gòu)和震源參數(shù)的聯(lián)合反演。假設(shè)有2個(gè)相鄰地震的距離遠(yuǎn)小于其到同一臺(tái)站的距離，則可忽略速度差異，認(rèn)為它們到同1個(gè)臺(tái)站的路徑相似。對(duì)地震對(duì)的走時(shí)殘差做差即可得到雙差。

根據(jù)射線理論，地震事件i到地震臺(tái)站k的體波到時(shí)可以表示為積分形式

(1)

式中，τi為地震事件i的發(fā)震時(shí)刻；u代表慢度；其中震源坐標(biāo)(x1，x2，x3)、發(fā)震時(shí)刻、射線路徑及慢度未知。將式(1)在震源處展開為一階Taylor級(jí)數(shù)得到線性方程

(2)

(3)

式(3)也可表示為

(4)

雙差層析成像利用絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)確定震源區(qū)外的速度結(jié)構(gòu)，利用到時(shí)差數(shù)據(jù)確定震源區(qū)的精細(xì)速度結(jié)構(gòu)。其通過速度結(jié)構(gòu)的適當(dāng)調(diào)整提高地震定位的精度，而地震定位精度的提高又可以降低由于射線路徑差異造成的速度結(jié)構(gòu)的誤差，進(jìn)而提高速度結(jié)構(gòu)反演的精度(呂子強(qiáng)等，2016)。因此，雙差層析成像方法可以得到比標(biāo)準(zhǔn)層析成像更精確的定位和速度結(jié)構(gòu)結(jié)果。

1.2 地震數(shù)據(jù)與模型

唐山老震區(qū)小震序列豐富，且臺(tái)站分布較為合理，能有效地監(jiān)測(cè)該區(qū)的地震活動(dòng)，為雙差層析成像提供了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。本文研究區(qū)域?yàn)?9°00′～40°30′N、117°30′～119°30′E，收集河北地震臺(tái)網(wǎng)2010年5月～2016年5月唐山地區(qū)的地震事件波形及震相報(bào)告，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，2010年5月～2012年5月共1398個(gè)地震事件，P波走時(shí)16822條，S波走時(shí)17616條；2012年5月～2014年5月共1628個(gè)地震事件，P波走時(shí)18958條，S波走時(shí)20546條；2014年5月～2016年5月共3219個(gè)地震事件，P波走時(shí)22937條，S波走時(shí)23697條。2014年5月～2016年5月地震事件的數(shù)量與前2個(gè)時(shí)段有明顯差別，這可能是因?yàn)榻陙淼卣鹉夸浘忍岣?，存在一定?shù)量的單臺(tái)地震，為保證對(duì)比效果，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選。

圖 1 唐山地區(qū)2010年5月～2016年5月的地震震相走時(shí)曲線紅色為P波走時(shí)曲線；綠色為S波走時(shí)曲線

結(jié)合走時(shí)曲線(圖1)剔除誤差較大的震相數(shù)據(jù)，且挑選出滿足每個(gè)地震需要的最少記錄震相數(shù)(8個(gè))，去掉單臺(tái)地震，篩選后，2010年5月～2012年5月可用的地震事件1271個(gè)，P波走時(shí)16280條，S波走時(shí)16598條；2012年5月～2014年5月可用的地震事件1423個(gè)，P波走時(shí)18274條，S波走時(shí)19396條；2014年5月～2016年5月可用的地震事件1520個(gè)，P波走時(shí)19246條，S波走時(shí)20001條。3個(gè)時(shí)段臺(tái)站分布、地震數(shù)量及到時(shí)資料數(shù)基本相當(dāng)。

在雙差層析成像中，事件對(duì)之間的距離對(duì)反演結(jié)果至關(guān)重要。該閾值越小則反演結(jié)果精度越高，但取值越小則地震對(duì)的數(shù)量越少，不利于反演運(yùn)算，因此確定合適的事件對(duì)距離是雙差層析成像計(jì)算過程中重要的一環(huán)。通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)所有臺(tái)站記錄到的事件對(duì)的震源距和相應(yīng)的波形互相關(guān)系數(shù)(圖2)，確定事件對(duì)距離為30km。經(jīng)過篩選后的地震震中主要集中在唐山斷裂附近，震源深度多數(shù)小于30km，為確保每個(gè)網(wǎng)格有足夠的射線通過，將網(wǎng)格間距設(shè)置為0.2°(圖3)。根據(jù)于湘?zhèn)サ?2010)的一維速度模型研究成果(表1)，垂直向下的深度分別取0、5km、10km、15km、20km、25km和30km，與速度模型的分層一致。

圖 2 所有臺(tái)站地震對(duì)和互相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)(a)、(b)為P波數(shù)據(jù)；(c)、(d)為S波數(shù)據(jù)

圖 3 研究區(qū)雙差層析成像地震事件震中分布、深度剖面和統(tǒng)計(jì)圖

2 結(jié)果與討論

結(jié)合初始一維速度模型，采用帶阻尼的最小二乘正交分解法，通過8組23次迭代獲得唐山地區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)，采用DWS(Derivative Weighted Sum)對(duì)反演結(jié)果的可靠性進(jìn)行檢驗(yàn)。

表 1 一維分層速度模型

2.1 結(jié)果可靠性分析

DWS能很好地衡量節(jié)點(diǎn)的射線密度(Thurber et al，1999)，前人的研究認(rèn)為在DWS大于100的區(qū)域具有很高的模型分辨率(Scarfì et al，2007)。本文采用DWS檢測(cè)3個(gè)時(shí)段反演速度模型的分辨率。根據(jù)反演結(jié)果得到了P波DWS分布圖(圖4～6)，結(jié)果表明，反演網(wǎng)格大部分區(qū)域的DWS大于100，具有較好的模型分辨率，3個(gè)時(shí)段的震源深度均在5～20km，尤其在唐山斷裂附近，具有很高的射線密度分布，能保證得到較好的分辨率。

圖 4 2010年5月～2012年5月研究區(qū)P波DWS分布

圖 5 2012年5月～2014年5月研究區(qū)P波DWS分布

圖 6 2014年5月～2016年5月研究區(qū)P波DWS分布

表 2 精定位地震基本參數(shù)

2.2 2012年唐山ML5.2地震前后三維速度結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

精定位后2012年唐山ML5.2地震的基本參數(shù)如表2 所示。精定位后該地震的震源深度為11km，且震中位于唐山斷裂附近。DWS結(jié)果表明在5～20km的震源深度，尤其在唐山斷裂附近具有較高的模型分辨率，且前后3個(gè)時(shí)間段的地震分布基本一致，獲得的射線密度分布差異不大，反演過程從數(shù)據(jù)處理到反演閾值的選取均保持一致，因此認(rèn)為2012年唐山ML5.2地震前后三維速度結(jié)構(gòu)的對(duì)比結(jié)果具有一定的參考意義。選取前后3個(gè)時(shí)期10km的水平速度結(jié)構(gòu)切片進(jìn)行觀察比較。

由圖7 可以看出，在10km 深度，研究區(qū)P波平均速度結(jié)構(gòu)橫向不均性顯著，存在2個(gè)NNW向的高低速交界區(qū)，分別與灤縣-樂亭斷裂和薊運(yùn)河斷裂位置對(duì)應(yīng)。沿NE向的唐山斷裂帶具有串珠狀高低速的線性特征，反映了唐山斷裂帶是研究區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造帶，這與賴曉玲等(2013)的研究成果基本一致。2012唐山ML5.2地震前，震中位于在P波高低速過渡帶偏向高速的位置(圖7)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一種解釋是，低速體難以積累能量，而高速體有可能積累足以引發(fā)大地震的應(yīng)變能(孫若昧等，1995)。震后震中附近的波速有一定程度的降低，西北方向高速塊體范圍減小；而震中東南方向的低速區(qū)變?yōu)楦咚賲^(qū)，形成了1個(gè)高速塊體(圖8)；之后，震中附近高低速過渡帶逐漸消失。

圖 7 2010年5月～2012年5月(a)、2012年5月～2014年5月(b)及2014年5月～2016年5月(c)的P波速度結(jié)構(gòu)白色實(shí)線為DWS=100

圖 8 2012年5月～2014年5月與2010年5月～2012年5月(a)、2014年5月～2016年5月與2012年5月～2014年5月(b)的P波速度變化白色實(shí)線為DWS=100

圖 9 剖面位置示意圖

2012唐山ML5.2地震發(fā)生在唐山斷裂附近，根據(jù)震源機(jī)制計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有1個(gè)節(jié)面與唐山斷裂走向一致，因此沿唐山斷裂方向(AA′)和垂直唐山斷裂方向(BB′)做剖面(圖9)，觀察該地震前后在深度上的速度結(jié)構(gòu)變化。由圖10、11 可以看出，5～15km深度為P波低速區(qū)與高速區(qū)對(duì)比強(qiáng)烈的交界地帶，唐山地區(qū)中下地殼存在低速異常，這與王椿鏞等(2017)的研究成果一致。

王椿鏞等(2017)的地震層析成像結(jié)果表明，華北大震大多發(fā)生在高速和低速區(qū)的過渡帶上。水平速度結(jié)構(gòu)切片與垂直剖面速度結(jié)構(gòu)切片均顯示，此次地震發(fā)生前，震中位置處于高低速過渡帶，震后震中附近的波速出現(xiàn)一定程度的降低，與王椿鏞等(2017)的研究成果保持一致。2012年唐山ML5.2地震前，震中位置處在高低速過渡帶附近，震后震中附近的波速出現(xiàn)的小范圍的降低，震中下方的低速區(qū)范圍逐漸增大，震中附近高低速過渡帶逐漸消失。

圖 10 沿AA′方向3個(gè)時(shí)段研究區(qū)P波和S波速度剖面

圖 11 沿BB′方向3個(gè)時(shí)段研究區(qū)P波和S波速度剖面

圖 12 2010年5月～2012年5月(a)、2012年5月～2014年5月(b)及2014年5月～2016年5月(c)的波速比白色實(shí)線為DWS=100

波速比能夠綜合反映P波和S波變化的相對(duì)大小，單純地反映介質(zhì)的泊松比，所受影響比P波、S波速度小很多。圖12 給出了10km 深度的研究區(qū)波速比分布，唐山ML5.2地震前震源區(qū)附近存在明顯的波速比低值，震后波速比值回升。王亞茹等(2016)研究結(jié)果表明，2012年唐山ML5.2地震前，震源區(qū)附近波速比出現(xiàn)了下降—低值的過程。由于本研究在震前僅計(jì)算1個(gè)時(shí)段的數(shù)據(jù)，無法判斷震前是否存在下降—低值的過程，但是低值—恢復(fù)的過程與已有研究結(jié)果(王亞茹等，2016)一致。

3 結(jié)論

采用波形互相關(guān)的雙差層析成像方法對(duì)唐山地區(qū)2010年5月～2016年5月的地震數(shù)據(jù)以2年為時(shí)間間隔進(jìn)行反演，獲得2012年唐山ML5.2地震前后介質(zhì)的三維地震P波、S波速度的空間分布。結(jié)果表明：

(1)在10km 深度，研究區(qū)P波平均速度結(jié)構(gòu)橫向不均性明顯，沿NE向的唐山斷裂帶有串珠狀高低速的線性特征，反映了唐山斷裂帶為研究區(qū)內(nèi)的主要構(gòu)造帶。

(2)P波和S波水平速度結(jié)構(gòu)切片與垂直剖面速度結(jié)構(gòu)切片均表明，2012唐山ML5.2地震前，震中位置處于高低速過渡帶，震后震中附近的波速出現(xiàn)一定程度的降低，原有的高低速過渡帶逐漸消失。

(3)唐山ML5.2地震前，震源區(qū)波速比存在低值異常，震后波速比值回升。

地震的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，用層析成像的方法探討2012唐山ML5.2地震前后波速演化過程時(shí)，雖然盡量保持不同時(shí)段地震數(shù)量、臺(tái)站分布及反演參數(shù)的一致性，但是地震射線覆蓋的差別，仍會(huì)對(duì)成像結(jié)果造成一定影響。因而，本研究中的速度變化是否僅僅受此次地震的影響而產(chǎn)生，仍需要進(jìn)一步研究。

致謝：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張海江教授提供了雙差層析成像程序，審稿專家對(duì)本文提出了寶貴的修改意見，在此一并感謝。