山東乳山震群剪切波分裂參數(shù)的時間演化特征分析

苗慶杰 劉希強

(中國濟南250102山東省地震局)

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山東乳山震群剪切波分裂參數(shù)的時間演化特征分析

苗慶杰劉希強

(中國濟南250102山東省地震局)

2013年10月1日山東乳山發(fā)生ML3.8地震后， 該地區(qū)的地震活動呈現(xiàn)出小震群特征， 且持續(xù)至今， 其中2014—2015年先后發(fā)生了4次ML4.1—5.0顯著性地震， 造成了較大的社會影響． 本文利用山東數(shù)字地震臺網(wǎng)中乳山臺記錄的地震波形資料， 測定了來自乳山震群中224次小地震的剪切波分裂參數(shù)． 研究結(jié)果表明： 快剪切波的偏振優(yōu)勢方向與山東半島地區(qū)的主壓應(yīng)力方向基本一致； 剪切波分裂時間延遲在這4次顯著性地震發(fā)生前后均產(chǎn)生明顯的變化， 分裂時間延遲平均在震前1個月左右開始出現(xiàn)升高異常， 在震前約12天出現(xiàn)下降異常變化． 這些特征均可作為利用應(yīng)力進行地震預(yù)測的前兆指標．

乳山震群 應(yīng)力積累 剪切波分裂 時間延遲

引言

剪切波在含定向排列的微裂隙中傳播時會產(chǎn)生分裂現(xiàn)象(Buchbinder， 1985; Crampin， Booth， 1985; Crampinetal， 1985， 1986； Chenetal， 1987； Evansetal， 1987; Daleyetal， 1988； Kaneshimaetal， 1989; Crampin， Lovell， 1991; 姚陳等， 1992； 高原等， 1993， 1995)， 而應(yīng)力場的變化會改變微裂隙的幾何參數(shù)， 從而影響剪切波的分裂特征． 區(qū)域應(yīng)力場在地震能量的積累和釋放中會發(fā)生變化， 而剪切波分裂參數(shù)的變化對此非常敏感(Crampin， Zatsepin， 1997； 高原等， 1995， 1996； Gao， Crampin， 2004， 2008； 石玉濤等， 2006； 吳晶等， 2007； Zhangetal， 2009)． 因此， 追蹤研究剪切波分裂參數(shù)的時空變化， 對探索地震孕育過程和發(fā)震機理、 預(yù)測即將發(fā)生地震的時間、 地點和震級具有應(yīng)用前景(高原等， 1996; Crampinetal， 1999， 2003， 2008； Crampin， 2001)．

剪切波分裂時間延遲是對應(yīng)力強度估測的參數(shù)， 可以看成是沿特定射線路徑上裂隙分布的幾何形態(tài)所導(dǎo)致的應(yīng)力效應(yīng)(丁志峰等， 2008)． 各向異性孔隙彈性模型(anisotropic poro-elasticity， 簡寫為APE)理論(Zatsepin， Crampin， 1997)研究已表明， 剪切波分裂時間延遲對應(yīng)力變化較敏感， 其隨時間的變化體現(xiàn)了地殼應(yīng)力的變化特征， 因此， 利用剪切波分裂時間延遲的變化可以監(jiān)測應(yīng)力積累的演化(Davies， 1989； Crampin， 1994， 1999， 2006; Crampin， Zatsepin， 1997； Gao， Crampin， 2004， 2008)． Crampin(1998)據(jù)此提出了“應(yīng)力預(yù)測”的概念， 并成功預(yù)測出冰島M5.0地震(Crampinetal， 1999， 2008)， Wu等(2006)在冰島地區(qū)利用小地震也開展了“應(yīng)力預(yù)測”研究．

2013年10月1日乳山發(fā)生ML3.8地震之后余震不斷， 形成了震群活動， 目前仍在持續(xù)． 截止到2015年06月30日， 共發(fā)生ML<0.0地震3280次， 0.0≤ML≤0.9地震5997次， 1.0≤ML≤1.9地震1216次， 2.0≤ML≤2.9地震182次， 3.0≤ML≤3.9地震21次， 4.0≤ML≤4.9地震3次，ML≥5.0地震1次． 距離震中十余千米的乳山數(shù)字化測震臺站完整地記錄到了該震群的波形記錄， 為開展乳山震群剪切波分裂參數(shù)的時間演化特征研究提供了寶貴的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)．

本文擬基于剪切波分裂系統(tǒng)分析方法(Systematic Analysis Method， 簡寫為SAM)軟件系統(tǒng)(高原等， 2004)， 擬對乳山臺記錄的部分小地震資料開展剪切波分裂研究， 并試圖總結(jié)該震群中4次顯著性地震發(fā)生前后剪切波分裂參數(shù)的變化規(guī)律， 藉此對乳山震群的發(fā)展和演化進行預(yù)測．

1 數(shù)據(jù)

截至2015年6月30日， 山東數(shù)字地震臺網(wǎng)已記錄到1萬零700個乳山地震事件， 大多數(shù)震級均較小， 而且相當多震級在ML0.0以下的地震， 僅被乳山臺記錄到． 乳山地震臺使用的是BBVS-120數(shù)字地震計， 架設(shè)在基巖上， 其巖性為花崗巖， 完整性較好， 因此記錄到的波形數(shù)據(jù)質(zhì)量較高； 該臺站采用的是EDAS-24IP數(shù)據(jù)采集器， 采樣率為100 Hz， 所記錄到的乳山地震P波與S波到時差均小于1.8 s． 高質(zhì)量的波形記錄為我們開展乳山震群剪切波分裂參數(shù)的時間演化特征研究提供了保障．

圖1 本文所選用的乳山地震事件的M-t圖

圖2 本文所選用的乳山地震事件P波與S波到時差ΔtS-P分布直方圖Fig.2 Histogram of the difference ΔtS-P between the arrival times of the P and S waves for the Rushan earthquakes used in this paper

2013年10月1日—2015年6月30日期間， 乳山臺記錄到的波形信噪比高的小地震共有9537次． 由于地震次數(shù)太多， 本文隨機抽取了224次地震用于研究， 所抽取的樣本滿足以下兩個條件： ① 時間、 震級和P波與S波的到時差ΔtS-P分布均勻; ② -0.9≤ML≤1.0. 圖1給出了地震事件的M-t圖， 圖2給出了ΔtS-P的分布．

2 方法及數(shù)據(jù)處理

地震波在各向異性介質(zhì)中傳播時， 由于傳播速度不同， 剪切波會分裂成快、 慢兩個剪切波， 兩個波列具有近似垂直的偏振特性． 對于以大于35°的臨界角入射到自由表面的剪切波， 由于其相位變化、 振型轉(zhuǎn)換以及前驅(qū)震相的產(chǎn)生和主S波后續(xù)至震相的干擾而復(fù)雜化， 這使得徑向、 橫向與垂直向位移之間產(chǎn)生差別， 為避免將此錯誤地解釋為各向異性引起的剪切波分裂， 需要對地球表面臺站記錄的剪切波施加一些嚴密的約束． 由于地震波的產(chǎn)生、 傳播受到多方面的影響， 考慮到地表覆蓋著沉積層， 在實際工作中可將剪切波窗口放寬至45°—55°進行剪切波分裂分析(Crampin， Peacock， 2008； 賴院根等， 2006)． 乳山地區(qū)可定位的地震以及2014年5月在震中附近架設(shè)的由18個流動地震臺組成的臨時臺陣所定位的地震， 如圖3所示， 其震源深度為6—14 km， 本文所選取的P波與S波到時差均小于1.8 s， 故滿足剪切波窗口的約束條件．

本文采用SAM方法(高原等， 2004， 2008)對數(shù)據(jù)進行處理分析， 該方法包括相關(guān)函數(shù)計算、 時間延遲校正和偏振分析檢驗等3個部分．

圖3 臺站及乳山震群分布

下面結(jié)合3個具體震例來闡述具體的數(shù)據(jù)處理流程． 圖4—6給出了乳山臺記錄到的3個地震事件波形， 震級分別為ML-0.8,ML0.0和ML1.0， P波與S波到時差ΔtS-P分別為1.6 s， 1.5 s和1.5 s． 首先， 對數(shù)字地震波形進行濾波， 截取剪切波開始的一段地震波形數(shù)據(jù)， 進行相關(guān)函數(shù)計算， 相關(guān)系數(shù)最大時所對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度和時間延遲就是快剪切波的偏振方向和慢剪切波的時間延遲； 然后， 根據(jù)相關(guān)函數(shù)計算結(jié)果進行時間延遲校正； 最后， 對時間延遲校正前后的兩個波列進行偏振分析檢驗， 如果經(jīng)過時間延遲校正的偏振圖接近線性偏振， 則表明計算結(jié)果較為可靠， 否則需要重新計算剪切波分裂參數(shù)， 并重新檢驗計算結(jié)果． 圖7和圖8分別給出了對3個地震事件的水平分量進行剪切波分裂所獲取的偏振方向和時間延遲校正前、 后的質(zhì)點偏振圖和剪切波波形．

圖4 乳山臺(RSH)記錄的2014年1月30日ML-0.8地震波形(ΔtS-P=1.6 s)

圖5 乳山臺(RSH)記錄的2014年1月29日ML0.0地震波形(ΔtS-P=1.5 s)

圖6 乳山臺(RSH)記錄的2013年12月3日ML1.0地震波形(ΔtS-P=1.5 s)

從圖7中可以看出剪切波質(zhì)點的運動軌跡并非線性偏振， 經(jīng)過偏振方向和時間延遲校正后， 剪切波質(zhì)點的偏振圖呈線性偏振(圖8)， 說明所求的剪切波分裂參數(shù)是正確可靠的．

圖7 3個地震事件的水平分量剪切波偏振圖左圖為剪切波質(zhì)點運動軌跡圖， S1和S2分別表示快、 慢剪切波的振動起始位置； 右圖為NS和EW分量的剪切波波形， 兩條短豎線標明了偏振圖中所顯示的剪切波波形范圍(a) 2014年1月30日ML-0.8地震， 波形見圖4; (b) 2014年1月29日ML0.0地震，波形見圖5; (c) 2013年12月3日ML1.0地震， 波形見圖6

圖8 3個地震事件偏振分析檢驗左圖為經(jīng)過時間延遲校正后的剪切波偏振圖； 右圖為時間延遲校正后的快、 慢剪切波波形， 短豎線所指同圖7. (a) 2014年1月30日ML-0.8地震， 波形見圖4; (b) 2014年1月29日ML0.0地震， 波形見圖5; (c) 2013年12月3日ML1.0地震， 波形見圖6

3 數(shù)據(jù)分析

采用SAM軟件系統(tǒng)(高原等， 2004， 2008)對乳山臺記錄的2013年10月1日—2015年6月30日224條數(shù)字地震波形記錄進行分析. 由于這些地震的震級較小， 僅被乳山臺記錄到， 很難精確定位和計算震源深度． 山東省地震局自2014年5月起在乳山地震震中附近十幾千米范圍內(nèi)架設(shè)了由18個流動地震臺組成的臨時臺陣， 本文首先利用該臺陣的18個流動臺記錄到的P波到時和S波到時計算出該地區(qū)的P波速度為5.99 km/s， S波速度為3.49 km/s， 虛波速度為8.35 km/s； 然后基于乳山臺單臺記錄到的224個地震事件的P波與S波到時差ΔtS-P得到相應(yīng)震源距之后， 將計算得出的時間延遲進行標準化處理， 便得到每千米傳播路徑上的時間延遲隨時間的變化， 如圖9所示． 可以看出， 時間延遲Δt分別在2013年12月29日、 2014年2月21日、 2014年7月5日和2015年5月11日開始增大. 2014年1月7日、 4月4日、 9月16和2015年5月22日發(fā)生ML4.7,ML4.5,ML4.1和ML5.0地震， 而且這4次地震發(fā)生前時間延遲Δt明顯增加; 而臨震前短時間內(nèi)Δt突然下降， 震后Δt繼續(xù)下降， 這一過程揭示了震前應(yīng)力積累以及震前應(yīng)力突然釋放這個重要特征． 地震前后慢剪切波時間延遲先增加后降低的現(xiàn)象揭示了地殼應(yīng)力的積累及釋放過程， 乳山震群的分析結(jié)果完整地驗證了顯著性地震前后應(yīng)力的變化過程．

圖9 乳山(RSH)臺記錄到的224次地震的慢剪切波時間延遲變化(a) 時間延遲原始數(shù)據(jù)變化; (b) 對原始數(shù)據(jù)進行線性5點平滑處理后的時間延遲變化， 實線為均值， 虛線為標準差

圖10 乳山臺(RSH)快剪切波偏振方向等面積投影玫瑰圖 Fig.10 Equal-area project rose diagram offast shear-wave polarization for the RSH station

圖11 利用CAP方法求得的兩次乳山地震震源機制解 Fig.11 Focal mechanism solution of twoRushan earthquakes by using CAP method

通過分析224個地震事件的數(shù)字地震波形資料得到乳山臺快剪切波偏振優(yōu)勢方向玫瑰圖， 如圖10所示． 可以看出， 乳山臺的快剪切波偏振優(yōu)勢方向為近NE向， 與作者利用體波和面波聯(lián)合反演的CAP (cut and paste)方法所求出的兩次乳山地震的震源機制解P軸的方向(圖11)基本一致， 也與鄭建常等(2013)所得的該地區(qū)主壓應(yīng)力方向基本一致．

4 討論與結(jié)論

本文采用剪切波分裂系統(tǒng)分析方法分析了山東數(shù)字地震臺網(wǎng)中乳山臺2013年10月1日—2015年6月30日的數(shù)字地震波形記錄， 對乳山震群剪切波分裂參數(shù)的變化規(guī)律進行研究， 得到了該震群剪切波分裂參數(shù)的時間演化特征．

本文結(jié)果表明， 乳山臺快剪切波的偏振優(yōu)勢方向與山東半島地區(qū)的主壓應(yīng)力方向基本一致； 剪切波分裂時間延遲在這4次顯著性地震發(fā)生前后均產(chǎn)生明顯的變化， 分裂時間延遲均在震前1個月左右開始出現(xiàn)升高異常， 在震前約12天出現(xiàn)下降異常變化， 揭示了震前應(yīng)力積累以及臨震前應(yīng)力突然釋放這個重要特征， 這些可作為震前基于應(yīng)力預(yù)測的前兆指標．

乳山臺記錄到的乳山震群直達波的到時差變化最大約為0.4 s， 表明小地震集中發(fā)生在一個約3 km的小空間范圍內(nèi)， 大大減小了由于空間的不均勻結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的剪切波分裂參數(shù)測定的不確定性， 為我們利用近場源剪切波分裂參數(shù)的時間演化開展震前地震活動性的相關(guān)研究提供了難得的資料．

通過對乳山臺記錄到的乳山震群進行剪切波分裂分析的結(jié)果可知， 較大地震發(fā)生前時間延遲出現(xiàn)了大幅上升， 達到高值后再下降， 且在下降過程中發(fā)生了地震． 慢剪切波時間延遲的增大與減小現(xiàn)象揭示了應(yīng)力的積累與釋放過程， 4次顯著性乳山地震前的剪切波分裂特征同樣反映了震前應(yīng)力積累和臨震應(yīng)力突然釋放的過程， 這與相關(guān)研究(Peacocketal， 1988； Boothetal， 1990； Crampinetal， 1990; Volti， Crampin， 2003； Gao， Crampin， 2004， 2008)的結(jié)果一致．

實驗結(jié)果(高原等， 1999; Gao， Crampin， 2003， 2008)顯示， 在大理巖巖石樣本破裂之前同樣觀察到了剪切波分裂時間延遲減小的過程． 此外， 美國Enola震群M3.8地震前2小時(Boothetal， 1990)、 冰島M5地震前4天(Volti， Crampin， 2003)、 North Palm SpringsM6地震前25天(Peacocketal， 1988； Crampinetal， 1990)均出現(xiàn)了剪切波時間延遲快速減小的現(xiàn)象． 乳山震群中4次顯著性地震也在震前出現(xiàn)了剪切波時間延遲的快速減小，ML4.7，ML4.5，ML4.1和ML5.0地震臨震前剪切波時間延遲快速減小的持續(xù)時間分別為5， 32， 8和2天， 平均為12天. 這意味著， 隨著應(yīng)力的積累， 地殼中失去抗剪強度地方的微裂隙幾何狀態(tài)接近破裂臨界水平， 微裂隙開始向斷層最終破裂處聚結(jié)(Crampin， Peacock， 2008)， 使得逐漸增加的應(yīng)力積累突然停止， 導(dǎo)致應(yīng)力松弛、 時間延遲快速減小， 直至地震發(fā)生． 而且， 無論地震震級大小如何， 地震總發(fā)生在特征應(yīng)力水平較低的情況下(Crampin， 2011)． 所以， 時間延遲出現(xiàn)快速降低意味著孕震區(qū)區(qū)域壓應(yīng)力的釋放， 可將其看作震前應(yīng)力預(yù)測的前兆指標．

Gao和Crampin(2004， 2008)認為臨震應(yīng)力系統(tǒng)具有與地震震源相關(guān)的自相似性， 震前剪切波分裂時間延遲增加的持續(xù)時間與其減小的持續(xù)時間的對數(shù)均與震級呈一定的線性對應(yīng)關(guān)系． 本文中乳山臺時間延遲增加的持續(xù)時間平均為35天， 時間延遲減小的持續(xù)時間平均為12天， 根據(jù)Gao和Crampin (2004)給出的線性對應(yīng)關(guān)系求出的乳山地震震級分別為ML(4.2±0.7)和ML(5.1±0.2), 而實際震級為ML4.6， 因此二者一致性較好． 此外， 乳山臺快剪切波偏振近NE向的優(yōu)勢取向與通過震源機制解求出的乳山地區(qū)主壓應(yīng)力的方向基本一致．

乳山震群剪切波分裂參數(shù)的時間演化進程具有明顯的地震前兆特征， 故通過分析剪切波分裂參數(shù)的時間演化及臺站分布和控制范圍， 對地震活動進行實時監(jiān)測分析， 可用于開展地震的短期預(yù)測．

中國地震局地震預(yù)測研究所高原研究員提供SAM軟件和技術(shù)思路指導(dǎo)， 審稿專家和編輯給出了寶貴的修改意見和建議， 作者在此一并表示感謝．

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Temporal variation characteristics of shear-wave splitting for the Rushan earthquake swarm of Shandong Province

Miao QingjieLiu Xiqiang

(EarthquakeAdministrationofShandongProvince，Ji’nan250102，China)

The seismicity in Rushan region of Shandong Province is characterized by small swarms after theML3.8 Rushan earthquake on October 1， 2013， and this situation continues up to now. Four earthquakes withML4.7，ML4.5，ML4.1 andML5.0 occurred from January of 2014 to May of 2015 cause great social effects. Based on the seismic records from the Rushan station， this paper calculated the shear-wave splitting parameters of 224 small earthquakes of Rushan earthquake swarm. The result shows that the polarization direction of the fast shear-wave is consistent with the principal compressive stress direction of the Shandong peninsula; on the other hand, the time delay has obvious change before and after the four earthquakes， that is, it raised about one month and declined about twelve days before earthquake. All the characteristics can be taken as the precursor indicator for earthquake prediction based on stress.

Rushan earthquake swarm; stress accumulation; shear-wave splitting; time delay

苗慶杰, 劉希強. 2016. 山東乳山震群剪切波分裂參數(shù)的時間演化特征分析. 地震學報, 38(2): 220--231. doi:10.11939/jass.2016.02.007.

Miao Q J, Liu X Q. 2016. Temporal variation characteristics of shear-wave splitting for the Rushan earthquake swarm of Shandong Province.ActaSeismologicaSinica, 38(2): 220--231. doi:10.11939/jass.2016.02.007.

山東省自然科學基金(ZR2014DQ019)、 地震科技星火計劃(XH15026)、 山東省地震局科研基金(JJ1407Y)和中國地震局臺網(wǎng)骨干專項(20130211)聯(lián)合資助.

2015-08-24收到初稿， 2015-11-30決定采用修改稿.

e-mail: qjmiao@163.com

10.11939/jass.2016.02.007

P315.63

A