利用重復(fù)地震觀測(cè)灤縣地區(qū)的地殼介質(zhì)變化

武敏捷,徐 平,林向東,武安緒,韓孔燕

(北京市地震局,北京 100038)

利用重復(fù)地震觀測(cè)灤縣地區(qū)的地殼介質(zhì)變化

武敏捷,徐 平,林向東,武安緒,韓孔燕

(北京市地震局,北京 100038)

運(yùn)用雙差定位法對(duì)灤縣地區(qū)2002年1月至2010年8月 ML≥2.0級(jí)地震進(jìn)行精定位,利用射線追蹤方法對(duì)灤縣地區(qū)的重復(fù)地震進(jìn)行位置歸一處理,計(jì)算了灤縣地區(qū)重復(fù)地震序列經(jīng)過(guò)射線追蹤方法校正后得到的P波走時(shí)差變化。研究發(fā)現(xiàn),2004年1月20日灤縣 ML5.0級(jí)和2010年3月6日灤縣 ML4.7級(jí)2次中等地震前所選取的測(cè)震臺(tái)站均記錄到P波走時(shí)差的低值異常變化。

重復(fù)地震;射線追蹤;地殼介質(zhì)變化;灤縣地區(qū)

0 引言

國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)重復(fù)地震提出了不同的概念,Poupinet等[1]將2個(gè)發(fā)生在同一位置,并且在同一個(gè)臺(tái)站具有高度相似波形的地震事件稱(chēng)為重復(fù)地震。Rubin[2]指出重復(fù)地震事件在空間位置、波形和震級(jí)都具有較高的相似性。Schaff等[3]將一對(duì)地震事件被至少一個(gè)臺(tái)站記錄到的波形之間的相關(guān)系數(shù)不小于0.8的地震對(duì)稱(chēng)為重復(fù)地震。目前,針對(duì)重復(fù)地震所做的研究也很多,Poupinet等利用天然重復(fù)地震的波形相似性來(lái)測(cè)量地殼介質(zhì)波速隨時(shí)間的變化。周龍泉等[4]研究了大姚重復(fù)地震,發(fā)現(xiàn)在震源區(qū)地殼P波速度在震前出現(xiàn)了快速上升。

本文擬采用同一臺(tái)站記錄的重復(fù)地震的P波走時(shí)差變化,研究地震波傳播路徑上地殼介質(zhì)的變化。在利用天然重復(fù)地震確定地殼介質(zhì)變化時(shí),其結(jié)果會(huì)受到地震定位精度、重復(fù)地震之間的位置以及到時(shí)讀取精度等因素的影響。地震定位主要受到臺(tái)網(wǎng)布局、速度結(jié)構(gòu)模型和到時(shí)讀取精度等因素的影響;由于天然重復(fù)地震并不是完全意義上的重復(fù),而是存在位置差異,因此,在同一個(gè)臺(tái)站接收重復(fù)地震時(shí)射線路徑會(huì)發(fā)生偏移,從而引起走時(shí)差的變化;此外,地震波信號(hào)干擾較大時(shí),其走時(shí)讀取誤差往往較大,從而導(dǎo)致重復(fù)地震在同一臺(tái)站的走時(shí)差發(fā)生變化。為了消除這3大因素的影響,本文運(yùn)用雙差定位法、射線追蹤法和剔除干擾較大的記錄這3種方法來(lái)提高P波走時(shí)差觀測(cè)地殼介質(zhì)變化的精度。

灤縣地區(qū)是張渤構(gòu)造帶地震最為活躍的地區(qū)之一,2004年1月20日和2010年3月6日在該地區(qū)發(fā)生了ML5.0級(jí)和 ML4.7級(jí)地震。本文將該地區(qū)2002年1月至2010年8月ML≥2.0級(jí)地震序列作為研究對(duì)象,探討該地區(qū)在這2次中等地震前地殼介質(zhì)的變化特征。

1 研究方法

由于地殼介質(zhì)的變化,同一個(gè)臺(tái)站接收到不同時(shí)期的地震,其走時(shí)具有一定的差異。重復(fù)地震之間的走時(shí)差可以表示為:

式中:dt表示由于地震和臺(tái)站之間射線路徑上的介質(zhì)變化引起的走時(shí)差,Dt表示兩個(gè)重復(fù)地震在同一臺(tái)站的觀測(cè)走時(shí)差,Dt1表示由于重復(fù)地震位置差異導(dǎo)致的射線路徑不同引起的走時(shí)差,Dt2表示由于走時(shí)讀取誤差引起的走時(shí)差,e表示現(xiàn)有地震定位條件下的定位誤差。

為計(jì)算由于震源位置不同引起的走時(shí)差,對(duì)于重復(fù)地震序列,以第一個(gè)重復(fù)地震作為參考地震,將研究區(qū)域的地殼速度結(jié)構(gòu)模型視為介質(zhì)未擾動(dòng)時(shí)的速度模型,通過(guò)射線追蹤方法計(jì)算所有地震到達(dá)同一個(gè)臺(tái)站的理論走時(shí),然后將各個(gè)地震到達(dá)臺(tái)站的理論走時(shí)減去參考地震到達(dá)臺(tái)站的理論走時(shí),就可以消除由于重復(fù)地震位置不同引起的走時(shí)差。本文采用偽彎曲射線追蹤法計(jì)算重復(fù)地震到達(dá)臺(tái)站之間的理論走時(shí),該方法是一種快速三維射線追蹤近似算法,其基本原理是用射線方程的幾何解釋來(lái)解釋擾動(dòng)初始射線路徑,按分段的形式使走時(shí)沿射線路徑最短,通過(guò)射線追蹤可以快速確定射線路徑及走時(shí)。

周龍泉等研究大姚地區(qū)重復(fù)地震時(shí),采用了波形互相關(guān)方法消除走時(shí)讀取誤差,結(jié)果顯示,在剔除信號(hào)干擾較大的記錄后,走時(shí)讀取誤差很小,考慮到在不進(jìn)行波形相關(guān)校正的情況下,對(duì)研究結(jié)果的影響并不大[5],本文采用人工剔除震相不清晰的地震事件,并且用人工重新校核走時(shí)的方式消除走時(shí)讀取誤差引起的走時(shí)差。

雙差定位法是一種比絕對(duì)定位方法精度高的相對(duì)定位方法,該方法在一定程度上避免了源至地震臺(tái)站傳播路徑的不均勻影響,定位結(jié)果較其他定位方法更精確,適用于地震在空間上叢集的情況[6]。

2 速度模型的選擇

為了確定灤縣地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)模型,查閱相關(guān)文獻(xiàn)[7],計(jì)算中選取的地殼速度模型見(jiàn)表1,波速比采用華北地區(qū)常用的1.71。

深度/km 0 3 10 15 20 25 30 34 40 50P波速度/km·s-1 3.5 5.0 5.9 6.1 6.2 6.38 6.6 7.0 7.8 7.9

3 利用重復(fù)地震觀測(cè)地殼介質(zhì)變化

3.1 精定位結(jié)果

為了減小定位誤差對(duì)于重復(fù)地震之間走時(shí)差的影響,運(yùn)用雙差定位方法對(duì)灤縣地震序列2002年1月至2010年8月377個(gè) ML≥2.0級(jí)地震進(jìn)行了精定位,可重新定位的地震個(gè)數(shù)為316個(gè),所占比例為84%,定位結(jié)果見(jiàn)圖1。結(jié)果顯示,震中位置較原位置分布更加集中,定位精度有了很大提高,臺(tái)網(wǎng)報(bào)告數(shù)據(jù)的rms殘差為0.56s,震源位置誤差東西向?yàn)?.25km,南北向?yàn)?2.90km,垂直向?yàn)?3.23km,定位后震源深度的精度也有了很大提高,平均震源深度為11km。

圖1 灤縣地震序列雙差定位結(jié)果

2004年1月20日ML5.0級(jí)和2010年3月6日 ML4.7級(jí)2次地震相距約25km,本文對(duì)灤縣地區(qū)2004年1月20日ML5.0級(jí)和2010年3月6日ML4.7級(jí)2次中等地震前的地殼介質(zhì)變化分別進(jìn)行了研究。

3.2 2004年1月20日灤縣 ML5.0級(jí)地震序列

研究的地震序列為2002年1月至2010年8月灤縣地區(qū) ML≥2.0地震,給定序列的中心為39.741°N,118.733°E,震源深度 10km,序列半徑10km。根據(jù)用于計(jì)算的臺(tái)站到地震序列中心的距離大于5倍序列半徑的要求,選取的臺(tái)站有:唐海臺(tái)、青龍臺(tái)、興隆東臺(tái)和遷西臺(tái),2004年1月20日ML5.0級(jí)地震的震源機(jī)制解類(lèi)型為走滑型(圖2),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖2 灤縣5.0級(jí)地震序列重復(fù)地震及臺(tái)站位置示意圖

圖3a、圖3c、圖3e、圖3g分別為唐海臺(tái)、興隆東臺(tái)、青龍臺(tái)以及遷西臺(tái)的灤縣5.0級(jí)地震序列重復(fù)地震P波原始走時(shí)差隨時(shí)間變化的曲線,圖3b、圖3d、圖3f、圖3h分別為4個(gè)臺(tái)的記錄利用偽彎曲射線追蹤法消除地震位置不同影響后得到的走時(shí)差曲線。

圖3 灤縣5.0級(jí)地震序列重復(fù)地震在各臺(tái)站的P波走時(shí)差隨時(shí)間的變化

由圖3可見(jiàn),利用射線追蹤法將重復(fù)地震進(jìn)行歸一后,唐海臺(tái)、青龍臺(tái)、興隆東臺(tái)以及遷西臺(tái)記錄到的P波走時(shí)差的異常變化更為顯著。唐海臺(tái)僅在2003年8月23日出現(xiàn)顯著的負(fù)異常變化(P波走時(shí)差為-2.35s),反映了唐海臺(tái)到研究區(qū)域之間的地殼介質(zhì)P波速度變快。青龍臺(tái)、興隆東臺(tái)和遷西臺(tái)所記錄到的P波走時(shí)差變化趨勢(shì)大體一致,只是異常幅度有所差別,這4個(gè)臺(tái)站在灤縣 ML5.0級(jí)地震前 P波走時(shí)差經(jīng)歷了低值—回升—恢復(fù)至正常值的過(guò)程。分析認(rèn)為,隨著應(yīng)力水平的不斷增加,圍壓增大,巖石強(qiáng)度也隨之增大,震源區(qū)介質(zhì)出現(xiàn)硬化,介質(zhì)速度升高,P波走時(shí)差出現(xiàn)負(fù)異常變化。而隨著應(yīng)力的進(jìn)一步積累,震源區(qū)出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象,會(huì)產(chǎn)生微破裂,引起震源區(qū)的小震活動(dòng),由于裂隙較多的破裂狀態(tài)介質(zhì)中的VP一定比無(wú)裂隙介質(zhì)中的VP小,因此在這階段 P波走時(shí)差觀測(cè)到回升的現(xiàn)象。當(dāng)?shù)貧そ橘|(zhì)速度趨于穩(wěn)定,即震前觀測(cè)到的 P波走時(shí)差在0線附近變化。

3.3 2010年3月6日灤縣 ML4.7級(jí)地震序列

研究的地震序列為2002年1月至2010年8月灤縣地區(qū) ML≥2.0級(jí)地震,給定序列的中心為39.728°N,118.459°E,震源深度 10km,序列半徑10km。選取的臺(tái)站有:糙甸臺(tái)、興隆東臺(tái)、薊縣臺(tái)和遵化臺(tái),2010年3月6日ML4.7級(jí)地震的震源機(jī)制解類(lèi)型為正斷層(圖4),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖4 灤縣4.7級(jí)地震序列重復(fù)地震及臺(tái)站位置示意圖

圖5a、圖 5c、圖 5e、圖 5g分別為糙甸臺(tái)、薊縣臺(tái)、興隆東臺(tái)以及遵化臺(tái)的灤縣重復(fù)地震P波原始走時(shí)差隨時(shí)間變化的曲線,圖5b、圖5d、圖5f、圖5h分別為這4個(gè)臺(tái)的記錄利用偽彎曲射線追蹤法消除地震位置不同影響后得到的走時(shí)差曲線。

圖5 灤縣4.7級(jí)地震序列重復(fù)地震在各臺(tái)站的P波走時(shí)差隨時(shí)間的變化

由圖5可見(jiàn),2010年3月6日 ML4.7級(jí)地震前,糙甸臺(tái)、興隆東臺(tái)、薊縣臺(tái)和遵化臺(tái)的P波走時(shí)差均存在負(fù)異常。其中,糙甸臺(tái)記錄到的震前異常最顯著,在2009年5月2日P波走時(shí)差出現(xiàn)了負(fù)異常(P波走時(shí)差為-3.97s),反映出糙甸臺(tái)到研究區(qū)域之間的地殼介質(zhì)P波速度有變快的現(xiàn)象。興隆東臺(tái)和遵化臺(tái)記錄到的P波走時(shí)差的變化趨勢(shì)較為一致,薊縣臺(tái)自2007年至2010年3月 P波走時(shí)差的變化趨勢(shì)與興隆東臺(tái)和遵化臺(tái)的記錄較一致,興隆東臺(tái)在2009年4月15日出現(xiàn)了負(fù)異常(P波走時(shí)差為-2.32s),薊縣臺(tái)和遵化臺(tái)在2009年4月15日—7月17日這一時(shí)段存在負(fù)異常變化。研究還發(fā)現(xiàn),2010年3月6日ML4.7級(jí)地震前這4個(gè)臺(tái)站記錄到的P波走時(shí)差也經(jīng)歷了低值—回升—恢復(fù)至正常值的過(guò)程。

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

利用重復(fù)地震觀測(cè)地殼介質(zhì)的變化,計(jì)算過(guò)程中會(huì)受到小震精定位、震相讀取誤差等因素的影響。為了能夠更好地說(shuō)明這種影響,選取了灤縣 ML4.7級(jí)地震前P波走時(shí)差異常變化最為顯著的糙甸臺(tái),采用灤縣地震序列2002年1月至2010年8月232個(gè)ML≥2.0級(jí)地震的原始觀測(cè)報(bào)告數(shù)據(jù)計(jì)算了糙甸臺(tái)的P波走時(shí)差變化(圖6),圖6a為糙甸臺(tái)記錄的灤縣地震序列 P波原始走時(shí)差隨時(shí)間變化的曲線,圖6b為該臺(tái)的記錄利用偽彎曲射線追蹤法消除地震位置不同影響后得到的走時(shí)差曲線。圖5b和圖6b的計(jì)算結(jié)果表明,經(jīng)過(guò)精定位和人工校核走時(shí)后,計(jì)算得到的 P波走時(shí)差變化所反映的灤縣ML4.7級(jí)地震前的負(fù)異常變化更為清晰。

圖6 灤縣4.7級(jí)地震序列原始數(shù)據(jù)在糙甸臺(tái)的P波走時(shí)差隨時(shí)間的變化

灤縣地區(qū)地處薊運(yùn)河斷裂、寧河—昌黎斷裂、灤縣—樂(lè)亭斷裂和豐臺(tái)—野雞坨斷裂等圍限而成的唐山菱形塊體內(nèi)[8],這些斷裂均消失于地下5～8km的深度范圍,在深部,外圍分布有寶坻—寧河、玉田、樂(lè)亭、灤縣—樂(lè)亭和盧龍等殼內(nèi)深斷裂。震源硬化模型認(rèn)為,地殼內(nèi)發(fā)育的斷裂將地殼分割成若干大小不等的多層彈性板狀塊體,由于地殼介質(zhì)空間分布很不均勻,導(dǎo)致應(yīng)力—應(yīng)變分布的不均勻。在區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)作用下,單元體邊界或內(nèi)部的某些特殊部位,先后出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力集中程度不同的單元體。震源區(qū)的地殼巖石,隨著應(yīng)力水平的增強(qiáng),將先后經(jīng)歷彈性形變、介質(zhì)硬化、破裂成核和破裂失穩(wěn)4個(gè)階段[9],地震發(fā)生前,孕震區(qū)內(nèi)隨著應(yīng)力的不斷積累,震源區(qū)介質(zhì)出現(xiàn)硬化,與震源區(qū)外圍巖石相比介質(zhì)剛度增大,介質(zhì)速度升高,即震前在所選取臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)差的負(fù)異常變化。由此分析認(rèn)為,使用震源硬化模型能夠?qū)ε_(tái)站觀測(cè)到的負(fù)異常變化做出合理的解釋。

4 結(jié)論與討論

(1)2004年1月20日ML5.0級(jí)和2010年3月6日 ML4.7級(jí)2次地震相距約25km,但是每個(gè)臺(tái)站所觀測(cè)到的2次地震的異常特征并不相同,由前文提到的2次地震的震源機(jī)制解可知,對(duì)于每個(gè)地震序列所選取的臺(tái)站都大體位于 P波初動(dòng)為壓縮的區(qū)域。由震源理論可知,若受到壓應(yīng)力,P波初動(dòng)表現(xiàn)為向上。在地震發(fā)生前,震源區(qū)隨著圍壓的增大巖石強(qiáng)度也隨之增大,震源區(qū)介質(zhì)出現(xiàn)硬化,介質(zhì)速度升高,即在所選取的測(cè)震臺(tái)站觀測(cè)到走時(shí)差的負(fù)異常變化。但是,臺(tái)站記錄到的P波走時(shí)差異常變化的四象限分布現(xiàn)象并不是很顯著,有些位于P波初動(dòng)為膨脹區(qū)域的臺(tái)站并未觀測(cè)到 P波速度下降的情況。因此,對(duì)這一現(xiàn)象給出的上述解釋是否具有一定的理論依據(jù),仍需商磋。

(2)在2004年1月20日灤縣 ML5.0級(jí)地震和2010年3月6日灤縣 ML4.7級(jí)2次地震前1年的時(shí)間內(nèi)所選取的臺(tái)站均記錄到 P波走時(shí)差的負(fù)異常變化,并且震前P波走時(shí)差經(jīng)歷了低值—回升—恢復(fù)至正常值的過(guò)程。可見(jiàn),利用重復(fù)地震觀測(cè)地殼介質(zhì)變化在灤縣地區(qū)中等地震中得到了很好的應(yīng)用,將該方法運(yùn)用于老震區(qū)對(duì)震情跟蹤的分析起到了一定的作用,為地震預(yù)測(cè)提供了一種有效的觀測(cè)手段。

致謝:本研究采用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心周龍泉博士提供的程序,并得到悉心指導(dǎo)和熱情幫助,特此致謝。

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Observing Crustal Media V ariation in Luanxian Area by Using Repeated Earthquakes

WU Min-jie,XU Ping,LIN Xiang-dong,WU An-xu,HAN Kong-yan
(Earthquake Administration of Beijing Municipality,Beijing 100038,China)

The earthquakes withML≥2.0from January 2002to August 2010occurred in Luanxian area are relocated using the method of double difference,the locations of the repeated earthquakes in the study area are normalize by using ray-tracing method,and the P-wave travel time difference change of the repeated earthquakes are calculated after corrected with ray tracing method.The results show that before the LuanxianML5.0earthquake in the January 20,2004and LuanxianML4.7earthquake in the March 6,2010,the low value abnormal change of P-wave travel time difference is found at selected seismic stations.

repeated earthquakes;ray tracing;variation of crustal media;Luanxian area

P315.31;P315.727

A

1003-1375(2011)03-0023-05

2010-12-28

北京市地震局任務(wù)性科技專(zhuān)項(xiàng)(JZX-201103)

武敏捷(1977-),女(回族),山東省聊城人,工程師,主要從事數(shù)字地震學(xué)與地震預(yù)測(cè)等研究.E-mail:wmj1977@163.com