2007年寧洱 6.4級地震橫波分裂研究＊

毛慧玲,秦嘉政

(云南省地震局,昆明 650224)

2007年寧洱 6.4級地震橫波分裂研究＊

毛慧玲,秦嘉政

(云南省地震局,昆明 650224)

通過研究 2007年6月 3日寧洱MS6.4地震余震序列的三分向記錄,為探索橫波分裂現(xiàn)象以及上地殼存在裂隙各向異性提供依據(jù),并發(fā)現(xiàn)快速 S波偏振有兩個優(yōu)勢方向,分別為 NW140°和 NW150°,這與寧洱地區(qū)的主應力場方向基本一致。橫波分裂延遲時間能夠動態(tài)反映地下應力場的變化趨勢,且較大余震發(fā)生之前延遲時間出現(xiàn)大幅度上升。

橫波分裂;裂隙各向異性;延遲時間;寧洱地震

0 引言

隨著三分向數(shù)字化記錄地震臺網(wǎng)的投入使用以及地震預報工作的開展,在地殼以及上地幔中由巖石各向異性引起的 S波分裂已被廣泛地觀測到。在構(gòu)造應力等因素的作用下,地下介質(zhì)實際上是表現(xiàn)為各向異性的,這種介質(zhì)的主要地球物理特征之一就是橫波在其中傳播時會發(fā)生分裂現(xiàn)象。分裂后的兩列偏振波以不同的速度沿平行或垂直于裂隙面的方向傳播,先到達的稱為快波,后到達的稱為慢波,快、慢波的到達時間之差為橫波分裂延遲時間?？觳ǖ钠穹较蚺c主壓應力場的方向有關(guān),而慢波的延遲時間與裂隙密度、縱橫比以及水的含量有關(guān),因此對橫波分裂參數(shù)的提取和分析研究對于探索地下應力場的分布、地質(zhì)構(gòu)造、地下裂隙的排列、介質(zhì)方位各向異性以及地震預報等具有重要的意義。

2007年6月 3日寧洱 6.4級地震序列主要沿無量山斷裂帶呈NW向分布,在宏觀震中區(qū)還有多條NNE和NNW向近似共軛的次級斷裂帶?？紤]到寧洱地區(qū)歷史上中強地震的重復性以及地質(zhì)構(gòu)造的復雜性,筆者認為深入了解該地區(qū)地下介質(zhì)的分布特點以及追蹤地下應力場的變化情況對地

1 資料選取

2007年6月 3日云南省寧洱縣發(fā)生 MS6.4地震,截止到 12月 3日共記錄到 2級以上地震 573次,其中 2.0～2.9級地震 515次,3.0～3.9級地震 52次,4.0～4.9級地震 4次,最大余震為 5.1級。該地震序列主要沿 NW向展布,長軸長50 km,短軸長 43 km,震源深度主要集中在 15 km范圍內(nèi)。由于橫波分裂的波形資料必須滿足 S波窗的要求,即 S波的入射角必須小于 35°,以避免 S—P轉(zhuǎn)換波的干擾,故筆者只采用了在震中周圍的小黑江、同心、寧洱、德化、勐先和白龍 6個流動數(shù)字地震臺的波形資料,以 EDA模型為基礎(chǔ),研究寧洱MS6.4主震后,該區(qū)域地下介質(zhì)的變化以及應力的釋放和積累隨時間的動態(tài)變化情況。圖 1給出了本次地震的震中分布以及 6個流動觀測臺的分布情況。這 6個流動觀測臺的臺基都為土層,且 3個分向的儀器響應靈敏度都為 291 count/μm·s-1。圖 2給出了該區(qū)域 1970年以來的M≥5.0地震的震源機制解,其震源機制解給出的主壓應力方向為NNW向,這與李克昌等(1980)所給出的該區(qū)域的主壓應力方向是一致的。

圖1 寧洱 6.4級地震序列及流動觀測臺分布Fig.1 Distribution of theMS6.4 Ning'er earthquake and the aftershocks and six temporary stations

圖2 1970年以來寧洱M≥5.0地震震源機制解Fig.2 Focalmechanis m solution of theM≥5.0 earthquakes in Ning'er since 1970

2 橫波分裂方法

橫波分裂的兩個參數(shù)能反映主應力的變化以及裂隙構(gòu)造和演化情況。筆者通過比較分析后,選用質(zhì)點運動圖方法,該方法的優(yōu)點是通過人機結(jié)合,能夠直觀地通過多次旋轉(zhuǎn)分析后分裂出快波和慢波。其原理是根據(jù)質(zhì)點運動方向的突然變化來確定快波和慢波的初動(圖 3)。快波到達后的線性軌跡表示偏振方向,慢波到達后疊加于快波之上,使線性軌跡發(fā)生變化。慢波到達之前即線性軌跡發(fā)生變化之前的這段時間即為橫波分裂時間。圖 4為經(jīng)過多次坐標旋轉(zhuǎn)后的 S波分裂圖形,從圖中可以看出 S波分裂是十分明顯的。

圖3 2007年6月 25日 2時 56分寧洱 ML1.6地震德化臺原始記錄和質(zhì)點運動圖(a)原始記錄圖;(b)P波質(zhì)點運動圖,左、右框分別代表南北向和東西向的 P波質(zhì)點運動;(c)水平面的 S波質(zhì)點運動圖,每方框為 0.1 sFig.3 Original sei smogram and particle movement maps atDehua station on June 25,2007(a)Original records;(b)P-wave particle motion:the left pane corresponds to the particle motion of SN component,the right pane corresponds to the one of EW component;(c)S-wave particle motion,each plot stands for 0.1s

圖4 2007年6月 25日 2時 56分寧洱ML1.6地震 S波分裂圖形(a)快波 (S1)、慢波 (S2);(b)質(zhì)點運動圖 (1、2框時間相連);TS-P=3.09 s;快波方位角φ=135°;延遲時間Δt=0.06 sFig.4 Shearwave spliting,of the Ning'erML1.6 earthquake on June 25,2007(a)S1stands for fast-wave,S2stands for slow-wave;(b)Particle movementmap.plot 1 and plot 2 are continuous in time;TS-P=3.09 s;φ=135°;Δt=0.06 s

3 結(jié)果分析

在 6個觀測臺中,由于白龍臺和勐先臺的大部分波形數(shù)據(jù)不滿足 S波窗的要求,故舍棄。下文給出了其余 4個臺站記錄到的快波偏振方向和慢波的延遲時間演化情況。

3.1 快波偏振方向分析

圖5給出了同心臺、寧洱臺、德化臺和小黑江臺的快波偏振方向玫瑰圖。從圖中可以看出,同心臺和德化臺的快波偏振方向集中在 140°范圍內(nèi),而寧洱臺和小黑江臺的快波偏振方向主要集中在150°范圍內(nèi)。偏振方向的大小存在一定的差異,這可能與臺站所在位置的地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。從圖 1余震序列的震中分布和 6個觀測臺站的空間分布來看,同心臺和德化臺有一個共同的特點:在臺站的下方存在一條與無量山斷裂帶近似垂直的次級斷裂帶。特別是德化臺,由于它剛好位于該次級斷裂帶上,所記錄到的快波偏振方向與另外 3個臺有偏差,但 4個臺站的快波偏振優(yōu)勢方向與圖 2給出的震源機制解主壓應力方向還是相符的。可見,偏振方向除了受到區(qū)域主應力的影響外,還與局部地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。

圖5 快波偏振方向玫瑰圖(a)同心臺;(b)寧洱臺;(c)德化臺;(d)小黑江臺Fig.5 Rose diagrams of the polarization direction of fast shearwave(a)Tongxin station;(b)Ning'er station;(c)Dehua station;(d)Xiaoheijiang station

3.2 延遲時間分析

慢波延遲時間是地震前后應力積累和釋放的動態(tài)反應。圖 6展示了同心臺和寧洱臺歸一化慢波延遲時間和震級隨時間的變化情況。所謂歸一化延遲時間是指將慢波延遲時間換算成單位長度路徑上的延遲時間,傳播距離以 S-P為 8.2 km/s來計算。橫坐標以 6月 3日MS6.4主震為時間原點,給出了主震后 1～2個月內(nèi)延遲時間的變化情況。同心臺和寧洱臺歸一化延遲時間的算術(shù)平均值分別是 24.4 ms/km和 14.5 ms/km,在這里假設(shè)整條路徑是各向異性的。從圖 6可見,震級隨時間的變化曲線和歸一化延遲時間隨時間的變化曲線具有相似的特征,且發(fā)生較大余震之前,延遲時間出現(xiàn)大幅度的增長,在延遲時間達到異常高值或由高值下降恢復過程中,發(fā)生較大余震。例如同心臺(圖 6a)的記錄顯示,6月 19日 1時 5分和 15時 27分分別發(fā)生 3.1、3.0級地震,之后延遲時間出現(xiàn)明顯的下降,并在低值上持續(xù)活動一段時間后,又于 6月 24日 16時 31分、17點 47分的 3.7級和 3.8級地震之前出現(xiàn)大幅度的上升,7月 1日13時 9分 3.0級、7月 10日 23分 3.2級地震前也出現(xiàn)大幅度的上升。寧洱臺(圖 6b)的記錄也顯示了 7月 7日 21時 42分 2.9級地震前,延遲時間由低值向高值迅速上升的情況。究其原因,二者存在一定的物理相關(guān)性,因為慢波延遲時間受地下應力場的控制,應力場增大,介質(zhì)的縱橫比和密度增大,與密度成正比的延遲時間也隨之增大。而應力場增大的同時,也是地震孕育能量增大的過程,因此慢波延遲時間的分析研究對地震預測預報有一定的指示意義。當然地震的孕育與發(fā)生是一個復雜的過程,我們還需要借助更多的手段和方法來更好地完成地震預測預報工作。

圖6 同心臺(a)和寧洱臺(b)慢波延遲時間、震級隨時間變化曲線Fig.6 Change of time delay and earthquake sequence with time(a)Tongxin station;(b)Ning'er station

4 討論和結(jié)論

根據(jù) 4個臺站記錄到的波形資料分析結(jié)果,快波偏振方向主要集中在 140°～150°范圍內(nèi),這與該區(qū)域的構(gòu)造應力場的主壓應力方向是一致的,并且和穿過寧洱境內(nèi)走向為NW向的無量山斷裂帶的方向也是一致的,這說明了寧洱地震的 S波分裂是由應力作用下的裂隙引起的。歸一化延遲時間主要集中在 13～25 ms/km之間,從 4個臺站的橫波分裂延遲時間與震級的變化關(guān)系來看,震級隨時間的變化曲線和慢波延遲時間的變化曲線具有相似的起伏變化特征,較大余震發(fā)生之前,延遲時間出現(xiàn)明顯的大幅度上升,達到高值后在下降、恢復過程中發(fā)震。因此對慢波延遲時間進行分析對地震預測預報具有一定的意義。

陳慧,葉建慶,劉學軍,等 .2007.2007年寧洱 6.4級地震監(jiān)測與研究[J].地震研究,30(4):344-349.

高原 .2000.破裂臨界狀態(tài)下大理巖的剪切波分裂特征[J].中國地震,16(3):197-202.

李克昌,趙維城,侯學英,等 .1980.從思茅、普洱地震探討斷塊內(nèi)部地震地質(zhì)特征[J].地震研究,3(1):01-05.

李白基 .1996.云南祿勸地震余震分裂 S波的變化[J].地震學報,18(2):224-230.

李白基,秦嘉政,錢曉東,等 .2002.1995年武定 6.5級地震余震的 S波分裂[J].地震研究,25(2):108～114.

羅省賢,李錄明 .2003.基于橫波分裂的地層裂縫預測方法與應用[J].成都理工大學學報 (自然科學版),30(1):52-59.

Crampin S,Atkinson B k.1985.Microcracks in the Earth's crust.First Break,3(3):16-20.

Crampin S,Zatsepin S V.1997.Modelling the compliance of crustal rock-II.Response to temporal changes before earthquakes[J].Geophys.J.Int,129:495-506.

Crampin S,Volti T,Stefansson R.1999.A successfully stress-forecast earthquake[J].Geopys.J.Int,138:F1-F5.

Garbin H D,KnopoffL.1973.The compressionalmodulusof amaterial by a random distribution of circular cracks[J].Q.Appl.Math,30:453-463.

Garbin H D,Knopoff L.1975a.The shear modulus of a material permeated by a random distribution of circular cracks[J].Q.Appl.Math,33:296-300.

Garbin H D,Knopoff L.1975b.Elastic modulus of a medium with liquid-filled cracks[J].Q.Appl.Math,33:301-303.

Hudson J A.1981.Wave speeds and attenuation of elastic waves in material containing cracks[J].Geophys.J.R.astr.Soc,64:133-150.

Zatsepin SV,Crampin S.1997.Modeling the compliance of crustal rock:I-Response of shear-wavesplitting to differential stress[J].Geophys.J.Int,129:477-494.

Study on the Shear-wave Splitting of the 2007 Ning'er,Yunnan,MS6.4 Earthquake Sequence

MAO Hui-ling,Q IN Jia-zheng
(Earthquake Adm inistration of Yunnan Province,Kunm ing650224,Yunnan,China)

In this paper,the result of the study about the aftershock-sw arm of theMS6.4earthquake occurred on June 3,2007in N ing'er,Yunnan Province w as given and the existence of both shear-w ave splitting and the extensive dilatancy anisotropy in the upper crust of N ing'er region w ere recognized.The fast shearw ave has tw o preponderant polarization-directions—NW140°and NW150°,w hich agree w ith the regional principal compressive stress.The delay t im e of the shearw ave dynam ically responds to the variation of stress field and increases before strong aftershocks.

shear-w ave splitting; extensive dilatancy anisotropy; delay t im e;N ing'er earthquake

P315.3+1

A

1000-0666(2011)01-0042-05

2010-01-04.

云南省十項措施“云南強震活動與板緣動力學機制研究(JCYB-20080601-4)”與“地球物理場和化學場動態(tài)變化與強震活動關(guān)系研究(JCYB-20080601-5)”聯(lián)合資助 .震預測預報具有重要意義。