運(yùn)用亮度函數(shù)SSA掃描連續(xù)波形資料方法確定玉樹7.1級(jí)地震前輻射源*

沙成寧，張曉清，袁伏全

(青海省地震局，青海西寧810001)

0 引言

開展強(qiáng)震孕震環(huán)境研究，揭示地下介質(zhì)受力作用的過(guò)程，分析強(qiáng)震前震源體的空間分布情況，了解震源體周圍受力狀態(tài)對(duì)準(zhǔn)確判斷強(qiáng)震震情具有重要的意義。過(guò)去10多年來(lái)，青海省及其周邊先后發(fā)生了1997年11月8日瑪尼7.5級(jí)、2001年11月14日昆侖山口西8.1級(jí)、2008年3月21日于田7.3級(jí)、2008年5月12日汶川8.0級(jí)、2010年4月14日玉樹7.1級(jí)、2014年2月12日于田7.3級(jí)地震。針對(duì)這些強(qiáng)震孕震環(huán)境及前兆特征，很多學(xué)者運(yùn)用不同方法和不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，開展了大量的卓有成效的研究工作，從不同的側(cè)重點(diǎn)給出強(qiáng)震孕育發(fā)生特征。祝意青等(2008)運(yùn)用重力觀測(cè)資料對(duì)汶川8.0級(jí)地震孕震環(huán)境進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明其孕震區(qū)域位于重力正負(fù)分區(qū)的梯度帶內(nèi)。程佳等 (2011)運(yùn)用應(yīng)力觸發(fā)方法研究了瑪尼、昆侖山口西、汶川地震所形成的同震和震后形變場(chǎng)的變化過(guò)程與特征，研究結(jié)果表明先后發(fā)生的強(qiáng)震是有關(guān)聯(lián)的。陳祖安等 (2011)運(yùn)用 (DDA+FEM)理論和形變資料，研究了2001年昆侖山8.1級(jí)地震對(duì)2008年汶川8.0級(jí)地震孕育產(chǎn)生的影響。鄭現(xiàn)等 (2011)運(yùn)用寬頻帶數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)資料，開展中國(guó)大陸中東部地區(qū)背景噪聲的瑞利波群速度層析成像，給出了該區(qū)域地殼厚度的差異、空間分布以及中強(qiáng)地震的空間分布特征。

在數(shù)字地震波形資料分析處理方面，一些學(xué)者開展了震源矩張量反演、震源破裂過(guò)程等方面的研究。近年來(lái)，中長(zhǎng)周期 (20～40 s)資料也逐步得到開發(fā)利用，李文軍等 (2006)使用SSA(Source Scanning Algorithm)方法進(jìn)行地震定位，研究結(jié)果表明該方法在不用精確讀取到時(shí)和計(jì)算理論地震圖的情況下達(dá)到比較理想的定位效果。丁寧霞和張曉清 (2013)運(yùn)用SSA方法結(jié)合青海區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)資料確定2008年11月10日大柴旦MS6.3地震震源破裂面。楊海波 (2010)開展了基于SSA算法的震源破裂過(guò)程反演方法系統(tǒng)整理研究。陳長(zhǎng)云和任金衛(wèi) (2013)研究巴顏喀拉塊體東部活動(dòng)塊體的劃分、形變特征及構(gòu)造，從構(gòu)造本和形變的方面給出了巴顏喀拉塊體的東向運(yùn)動(dòng)存在自西向東的差異性。鄧津 (2012)通過(guò)對(duì)低頻事件的全球分布及汶川震前實(shí)例分析，其研究得出低頻滑移事件在各大板塊周圍普遍存在。張曉清 (2000)在青海東部及其鄰近地區(qū)的地震層析成像工作中給出了研究區(qū)域的P波速度結(jié)構(gòu)。杜海林 (2007)將聚束能量分析方法和遷移疊加方法應(yīng)用于寬頻帶臺(tái)陣，分析了2004年12月26日蘇門答臘—安達(dá)曼地震的能量輻射源，得到了震源破裂長(zhǎng)度、方向、持續(xù)時(shí)間和破裂速度。本文在上述工作的基礎(chǔ)上，使用青海及周邊省份地震臺(tái)網(wǎng)記錄的連續(xù)數(shù)字地震波形資料中的中長(zhǎng)周期成份進(jìn)行亮度函數(shù)掃描輻射源研究，探索SSA方法確定中長(zhǎng)周期輻射源的空間位置，為確定強(qiáng)震孕震區(qū)提供技術(shù)支持。

1 SSA方法和原理

亮度函數(shù)SSA掃描算法年由 Kao和 Shan(2004)在北Cascadia俯沖帶的慢地震研究中提出，他們通過(guò)SSA方法，根據(jù)相應(yīng)的“亮度”函數(shù)掃描，找出慢地震的震源位置和發(fā)生時(shí)間。SSA掃描算法是在整個(gè)時(shí)空尋找可能輻射源的方法，其基本原理如圖1所示。圖中，空間上的點(diǎn)η在τ時(shí)刻的“亮度”可以由相應(yīng)臺(tái)站的理論到時(shí) (即τ加上相應(yīng)的走時(shí) taη，tbη，tcη)計(jì)算而來(lái)，如果某處“亮度”大 (圖中空心五角星)表明這里有事件發(fā)生，如果“亮度”小 (實(shí)心五角星)表示這里沒有事件發(fā)生。

圖1 SSA掃描法原理示意圖Fig.1 Sketch map of principle of SSA scanning algorithm

假設(shè)一個(gè)事件由N個(gè)臺(tái)站記錄到 (圖1中的A、B、C點(diǎn))，首先分別歸一化每個(gè)數(shù)字地震臺(tái)站的記錄un，然后計(jì)算某個(gè)點(diǎn) (η)某個(gè)時(shí)刻 (τ)的“亮度”函數(shù)為

式中，un為歸一化地震記錄，tηn為從點(diǎn)η處到臺(tái)站n計(jì)算的某個(gè)最大震相的走時(shí)，整個(gè)時(shí)空中“亮度”函數(shù)取最大值時(shí)是震源發(fā)生的位置和事件發(fā)生的時(shí)刻。由于使用區(qū)域臺(tái)網(wǎng)的資料，對(duì)速度模型的精度要求較高，目前對(duì)速度模型認(rèn)識(shí)程度還達(dá)不到要求，造成走時(shí)計(jì)算有一些系統(tǒng)偏差，可以通過(guò)平滑的方法來(lái)預(yù)先處理記錄，得到每個(gè)臺(tái)站光滑的“亮度”函數(shù)序列為

smooth表示一種平滑方法。對(duì)于某一空間點(diǎn) (η)某個(gè)時(shí)刻 (τ)的“亮度”函數(shù)可以表示為

2 選取資料處理

使用青海及其周邊的甘肅、新疆、西藏?cái)?shù)字地震臺(tái)網(wǎng)共65個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)，青海臺(tái)網(wǎng)地震臺(tái)站空間分布如圖2所示。選取2010年4月14日玉樹7.1級(jí)地震前，2010年1月1日至4月11日青海省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的信噪比較高的連續(xù)波形，并挑選出每天0～2時(shí)連續(xù)無(wú)地震記錄波形、無(wú)高頻干擾、無(wú)突跳點(diǎn)，儀器工作正常的垂直分量波形進(jìn)行研究。并對(duì)地震記錄儀幅頻特性進(jìn)行了核實(shí)，所使用資料的地震記錄儀大部分為BBVS-60和JCZ-1，帶寬分別為40 Hz～60 s和50 Hz～360 s，幅頻特性曲線如圖3所示。

圖2 青海臺(tái)網(wǎng)地震臺(tái)站空間分布Fig.2 Spatial distribution of stations in Qinghai Seismic Network

圖3 大柴旦BBVS-60(a)和格爾木JZC-1(b)儀器幅頻特性曲線Fig.3 Amplitude-frequency characteristic of BBVS-60 instrument at Dachaidan Station(a)and JZC-1 instrument at Golmud Station(b)

圖4 垂直分量連續(xù)波形資料FFT頻譜Fig.4 FFT frequency spectrum of continuous seismic waveform in vertical component

3 結(jié)果及分析

運(yùn)用亮度函數(shù)SSA掃描連續(xù)波形資料方法，確定玉樹7.1級(jí)地震前30 s輻射源的空間位置變化和隨時(shí)間推移的演化過(guò)程。

首先，通過(guò)對(duì)所選取資料做FFT頻譜分析發(fā)現(xiàn) (圖4)，在無(wú)地震發(fā)生時(shí)，大部分地震臺(tái)站連續(xù)波形資料均存在0.03 Hz附近的優(yōu)勢(shì)頻率。再對(duì)連續(xù)波形進(jìn)行濾波，將其中的對(duì)應(yīng)信號(hào)提取出來(lái)，并通過(guò)亮度函數(shù)SSA進(jìn)行掃描計(jì)算，確定相應(yīng)周期的輻射源的空間分布。由于SSA方法是在所給定時(shí)空范圍內(nèi)，以亮度函數(shù)達(dá)到最大作為判據(jù)確定輻射源的空間位置，因此，只需要給定所要掃描的的空間范圍 (經(jīng)度、緯度、深度)、相應(yīng)頻段波的波速值、地震臺(tái)站的空間坐標(biāo)以及空間掃描的步長(zhǎng)，即可由亮度函數(shù)的最大值確定輻射源的空間位置。本文給出的初始空間范圍為 (88.5°～108°E，30°～50°N)，地殼深度為0 ～70 km。參考余大新等 (2014)利用Rayleigh相速度和群速度聯(lián)合反演青藏高原東北緣速度結(jié)構(gòu)，和鄭現(xiàn)等(2012)給出的中國(guó)大陸中東部地區(qū)基于背景噪聲的瑞利波層析成像等研究結(jié)果，根據(jù)現(xiàn)有計(jì)算設(shè)備的計(jì)算能力，為了確保研究區(qū)內(nèi)計(jì)算結(jié)果的空間分辨率達(dá)到最好，確定本文所采用的波速值范圍2.8～3.2 km/s;計(jì)算網(wǎng)格步長(zhǎng)水平向?yàn)?.1°，垂直向?yàn)? km。

運(yùn)用Butterworth濾波器提取青海臺(tái)網(wǎng)連續(xù)波形中頻率為0.2～0.4 Hz的波形資料并進(jìn)行濾波，如圖5所示。對(duì)提取的資料進(jìn)行亮度函數(shù)掃描，亮度函數(shù)值的空間分布如圖6所示。從圖中可以看出，2010年1月10日亮度函數(shù)最高的區(qū)域分布在柴達(dá)木盆地的西部及西南部，位于東昆侖斷裂帶的西段 (圖6a)，最高亮度值達(dá)到0.74，深度15 km;2月10日和3月10日亮度函數(shù)高值區(qū)域的主體仍然在東昆侖斷裂帶的西段，明顯向東昆侖斷裂帶以東擴(kuò)展，亮度函數(shù)最高值分別為0.69和0.68(圖6b、c)，深度分別為15 km和17 km;4月10日 (玉樹地震前4天)亮度函數(shù)高值區(qū)移至東昆侖斷裂帶的東段，并且明顯向南擴(kuò)散，亮度函數(shù)最高值達(dá)到0.81，深度為19 km;4月14日玉樹7.1級(jí)地震發(fā)生在亮度函數(shù)高值區(qū)附近 (圖6d)。

圖5 垂直分量連續(xù)波形和濾波后的波形Fig.5 Continuous waveform and waveform after filtering in vertical component

本文計(jì)算的亮度函數(shù)結(jié)果的時(shí)空分布特征呈現(xiàn)出最高亮度函數(shù)的中心位置基本處于東昆侖斷裂帶內(nèi)，在玉樹7.1級(jí)地震前沿東昆侖斷裂逐步由西向東移的現(xiàn)象。陳祖安等 (2011)對(duì)青藏高原及其東側(cè)四川盆地鄂爾多斯塊體地區(qū)構(gòu)造塊體的研究表明，2001年11月14日昆侖山口西8.1級(jí)地震，最大水平錯(cuò)距4.5 m，地表最大位移為6 m左右;楊國(guó)華等 (2008)根據(jù)GPS觀測(cè)資料，震源區(qū)附近的青藏高原向北運(yùn)動(dòng)的量級(jí)在南端超過(guò)了20 mm/a，面應(yīng)變以壓性為主的方式積累應(yīng)變能，最大絕對(duì)值位于玉樹地震和汶川地震震中的周圍地區(qū)，上述研究結(jié)果表明在昆侖山口西8.1級(jí)地震之后，玉樹7.1級(jí)地震之前東昆侖斷裂帶東部及其周圍區(qū)域存在較高水平應(yīng)變，從構(gòu)造和形變方面給出孕震證據(jù)。此外，從巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)角度，根據(jù)鄧志輝等 (1995)孤立型大事件常發(fā)生于高能量向低能量的突變帶或高能量背景區(qū)內(nèi)的相對(duì)低能量區(qū)，高能量不是發(fā)震的充分條件，能量空間分布的差異也是發(fā)震的重要條件，失穩(wěn)可能從弱的地方開始;馬瑾等 (2008)對(duì)斷層變形過(guò)程中熱場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)的關(guān)系巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，巖石斷層破裂前存在熱紅外輻射的亮度溫度場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化。給出的亮度函數(shù)結(jié)果的時(shí)空分布特征為，空間上表現(xiàn)為最高亮度函數(shù)值與玉樹7.1級(jí)地震震中不重合，玉樹地震震中位于輻射源中心的南部，亮度函數(shù)最高值的邊緣;時(shí)間上表現(xiàn)為隨時(shí)間推移輻射源逐步向震中移動(dòng)。本文給出的結(jié)果與近幾年對(duì)2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震、2010年4月14日玉樹7.1級(jí)地震及昆侖山口西8.1級(jí)地震的研究結(jié)果相一致，玉樹地震之前確實(shí)存在30 s左右的輻射源。

圖6 亮度函數(shù)值的空間分布Fig.6 Spatial distribution of brightness function value

4 結(jié)論及討論

本文使用SSA掃描方法計(jì)算了2010年4月14日玉樹7.1級(jí)地震前青海區(qū)域臺(tái)網(wǎng)連續(xù)波形資料，發(fā)現(xiàn)在青海東昆侖斷裂帶及其附近存在30 s周期的輻射源，輻射源隨空間和時(shí)間的變化對(duì)未來(lái)的中強(qiáng)地震發(fā)震地點(diǎn)有一定指示意義，期望為今后的孕震區(qū)的判定提供一種定量判定方法。

由于本文僅對(duì)輻射源掃描開展了二維掃描計(jì)算，輻射源的大小與地震震級(jí)的關(guān)系、輻射源時(shí)空特征隨輻射周期的變化、未來(lái)中強(qiáng)地震的發(fā)震地點(diǎn)位于輻射源的方位等問題有待于做更進(jìn)一步的研究。此外，進(jìn)行頻譜分析時(shí)，注意對(duì)資料的挑選，盡量不使用有地震波形記錄的資料，減少提取相應(yīng)頻率的難度。

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