九寨溝7.0地震余震震源參數(shù)特征研究

康 萌，蔡一川，黃春梅，王宇航，蔣 波，唐 濤

(四川省地震局,四川 成都 610041)

大量頻發(fā)的中小地震的震源參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)攜帶了震源深處應(yīng)力場和介質(zhì)性質(zhì)變化的相關(guān)信息，監(jiān)測這些參數(shù)的時空演化過程，可以達到監(jiān)測孕震層介質(zhì)的應(yīng)力水平及其變化特征。震源參數(shù)研究是現(xiàn)今地震學(xué)研究的主要內(nèi)容之一，對深入認識地震的孕育發(fā)生過程以及地震預(yù)測研究都有重要的科學(xué)意義，一直受到國內(nèi)外地震學(xué)家的重視。Shearer等[1]系統(tǒng)計算了加州地區(qū)大量中小地震震源參數(shù)，研究了南加州地震的定標(biāo)率關(guān)系、應(yīng)力降的時空變化。Allmann 和 Shearer[2]的研究發(fā)現(xiàn)，在2004年12月ParkfieldMs6.0地震前，震源區(qū)的應(yīng)力降顯著高于斷層上的其他地區(qū)，Ms6.0地震后，震源區(qū)的應(yīng)力降出現(xiàn)了顯著的下降變化。Hardebeck等[3]的研究討論了高應(yīng)力降分布與斷層的閉鎖段及巖石強度的關(guān)系，指出斷層上的高應(yīng)力降分布區(qū)域代表著這里的介質(zhì)更強或者承受更高的外加剪應(yīng)力等，即高應(yīng)力降集中分布的區(qū)域也許是中強以上地震的潛在震源成核區(qū)。因此，中小地震震源參數(shù)尤其是應(yīng)力降的計算及其時空分布特征的分析，可能對強震發(fā)生地點及時間預(yù)測提供重要依據(jù)。近年來，隨著四川省區(qū)域數(shù)字地震觀測技術(shù)和觀測能力的提高，地震波形數(shù)據(jù)的大量產(chǎn)出和積累，使得大量中小地震震源參數(shù)的準(zhǔn)確獲取成為可能。本文利用九寨溝積累的大量中小余震觀測波形，在已反演得到的區(qū)域介質(zhì)衰減模型和臺站場地響應(yīng)的基礎(chǔ)上，自0.1～20 Hz的SH觀測波形數(shù)據(jù)中逐步消除儀器、噪聲、幾何擴散、傳播路徑的介質(zhì)衰減以及臺站場地響應(yīng)等影響后，恢復(fù)3.0≤ML≤5.0中小余震的震源譜，采用ω2震源模型擬合震源譜后，利用Brune的圓盤模型計算出81次余震的震源參數(shù)，探究九寨溝7.0地震余震震源參數(shù)的空間變化特征，并對各震源參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系進行了討論，以期待對研究區(qū)域發(fā)震構(gòu)造的動力學(xué)過程、震源介質(zhì)特征等取得一些具有科學(xué)意義的規(guī)律性認識。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 臺站和資料的選取

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，2017年8月8日21時19分，在四川省阿壩州九寨溝縣(33.20°N，103.82°E)發(fā)生M7.0級地震。截止2017 年12月30日24時00分，四川數(shù)字測震臺網(wǎng)記錄到的九寨溝余震總數(shù)為9 757次，其中ML4.0～4.9級地震16次,ML3.0～3.9級地震83次，最大余震為9日10時17分發(fā)生的ML4.9級地震。

三角形表示四川臺網(wǎng)臺站、五角星表示甘肅臺網(wǎng)臺站圖1 所選臺站及余震震中分布

四川九寨溝M7.0地震發(fā)生前, 震中區(qū)域附近180 km范圍內(nèi)正常運行的固定地震觀測臺站共有14個(其中四川臺網(wǎng)9個、甘肅臺網(wǎng)5個)，這些臺站都能比較清晰地記錄到九寨溝3.0≤ML≤5.0余震的Pg、Sg震相，且直達縱、橫波最大振幅完整、不限幅、不失真、不斷記，為余震震源參數(shù)準(zhǔn)確提供了最為重要的波形資料。通過篩選，我們最終選用了波形連續(xù)、信噪比相對較高的11個臺站(參見圖1)進行余震波形反演，比較準(zhǔn)確地計算出這些余震的震源參數(shù)。從圖1可以看出，所選的11個臺站全部位于川西高原及其附近區(qū)域，且均勻包圍余震區(qū)域，臺站分布的最大空隙角為67°，具有較好的控震能力。

1.2 方法介紹

研究地震震源參數(shù)是在實際地震波形數(shù)據(jù)反演震源譜的基礎(chǔ)上進行的，將地震震源譜與理論震源譜進行擬合，即可得到相應(yīng)的震源譜參數(shù)，進而得到震源參數(shù)。地震波能量在傳播過程中不但隨著傳播距離出現(xiàn)幾何衰減，還受傳播路徑上介質(zhì)的吸收和散射等影響，在到達臺站接收儀器前地表下方淺層的介質(zhì)也會對地震波產(chǎn)生影響，因此儀器觀測得到的地震數(shù)據(jù)是震源發(fā)出的信息經(jīng)過上述各種過程的最終產(chǎn)物。

用Brune等效圓盤斷層模型來描述“中小地震”，則地震矩M0、震源特征尺度r和應(yīng)力降Δσ等震源參數(shù)可分別由下式得到[4]：

(1)

(2)

(3)

式中:ρ為介質(zhì)密度;β為S波速度;Rθφ為平均的震源輻射圖像因子，對SH波;Rθφ=0.41。因此，將恢復(fù)的震源譜與ω平方理論震源譜擬合后，通過震源譜參數(shù)Ω0和fc，就可由式(1)～(3)進一步計算每個地震的地震矩M0、應(yīng)力降Δσ以及震源破裂半徑r等參數(shù)。

2 震源參數(shù)結(jié)果分析

2.1 九寨溝中小余震震源參數(shù)計算

計算地震震源參數(shù)之前，考慮到區(qū)域介質(zhì)橫向不均勻性的影響，地震波穿過不同地塊會表現(xiàn)出不同的衰減特征，且由于參與震源參數(shù)計算的地震臺站均位于川西高原及其附近區(qū)域，故我們采用Q川西(f)=136.6f0.5813模型進行計算[5]。計算地震震源參數(shù)過程中，我們對所有余震都采用圖1中固定的11個臺站進行反演，這些臺站基本均勻包圍余震區(qū)域，可以減小由于方向輻射因子不同而造成的影響，保證震源參數(shù)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。截至2017年12月30日24時00分，四川數(shù)字測震臺網(wǎng)記錄到的九寨溝3.0≤ML≤5.0余震總計99次，其中有18次屬于疊加地震，利用Brune圓盤模型獲得這些余震的標(biāo)量地震矩M0、震源尺度r和應(yīng)力降Δσ等震源參數(shù)，其計算結(jié)果見表1。

2.2 應(yīng)力降Δσ與矩震級MW之間的關(guān)系

應(yīng)力降表征地震發(fā)生瞬間錯動時位錯面上的應(yīng)力變化，通過研究應(yīng)力降可以了解到地震過程中的應(yīng)力釋放水平。關(guān)于應(yīng)力降與地震強度之間的關(guān)系存在很多爭議，Abercrombie[6]、All-mann和Hardebeck等[2、3]認為應(yīng)力降與地震大小沒有關(guān)系，ML1～3級之間地震的應(yīng)力降基本沒有變化；Mayeda[7]、Mori[8]、Giuseppina Tusa等[7、8、9]認為應(yīng)力降與地震矩之間存在一定關(guān)系；還有一些地震工作者[10-12]認為應(yīng)力降與地震震級的關(guān)系比較復(fù)雜，且對應(yīng)不同類型的地震有不同的關(guān)系。

表1 震源參數(shù)列表

續(xù)表1

序號年-月-日時:分震級/MLOmeg|/μmFc/Hz地震矩/(N·m)矩震級應(yīng)力降/MPa震源尺度/m642017-08-1919:523.952.1024.2041.85E+143.42.714310.022632017-08-1703:0634.1619.8621.48E+132.72.797132.178652017-08-2304:453.414.1077.1045.01E+133.13.544183.496662017-08-2606:313.16.7285.5172.39E+132.81.292236.255672017-08-2708:583.951.8546.1451.84E+143.48.432212.129682017-08-2803:023.413.9828.2464.96E+133.15.495158.076692017-09-0601:573.844.7095.0241.59E+143.43.973259.474702017-09-0610:043.412.1815.6194.32E+1331.515231.97712017-09-0712:153.941.0244.1411.46E+143.42.041314.804722017-09-0923:583.418.3397.726.51E+133.15.914168.842732017-09-1303:313.416.9986.7346.03E+133.13.638193.563742017-09-1307:593.736.8154.2621.31E+143.31.998305.836752017-09-1823:373.414.5075.6215.15E+133.12.205231.915762017-10-0503:183.839.1025.5041.39E+143.44.569236.835772017-10-0618:254.4178.8954.2336.35E+143.89.513307.903782017-10-1411:023.725.0625.6818.89E+133.23.221229.43792017-11-0705:314.7267.7533.359.50E+143.97.058389.056802017-11-1713:443.416.3385.9855.80E+133.12.455217.776812017-11-2920:523.516.6626.3315.91E+133.12.963205.902

九寨溝M7.0主震及其余震主要分布在東昆侖斷裂帶和龍門山斷裂帶的交匯區(qū)域，地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，區(qū)域地震活動頻繁，歷史上發(fā)生過多次中強地震，且震區(qū)附近存在多條已知的活動斷裂帶，包括塔藏斷裂(參見圖2中的F1)、岷江斷裂(參見圖2中的F2)和虎牙斷裂(參見圖2中的F3)等。圖2是九寨溝3.0≤ML≤5.0余震應(yīng)力降分布圖，從其空間分布上可以看出，這些余震應(yīng)力降存在明顯分段特征。為更進一步研究九寨溝余震應(yīng)力降空間活動特征，我們將整個余震帶分成了三段，線段AA＇以南段的余震帶為“SE段”。線段BB＇以北的余震帶為“NW段”，AA＇與BB＇之間的余震帶為“中間段或中段”。圖3是應(yīng)力降Δσ與矩震級MW關(guān)系圖，由圖可知，應(yīng)力降值分布離散，沒有明顯的線性關(guān)系。該圖中，SE段余震應(yīng)力降值的分布范圍為1.0～5.0 MPa，應(yīng)力降水平相對較低；NW段余震應(yīng)力降值的分布范圍為0.5～10.0 MPa，展布較廣，應(yīng)力降水平相對較高；中間段余震應(yīng)力降值的分布范圍為1.7～8.5 MPa。這種高應(yīng)力降余震比較集中地分布在NW段和中段的現(xiàn)象，說明發(fā)震區(qū)NW段和中段地殼介質(zhì)較SE段承受了更高的外加剪應(yīng)力，即NW段和中間段應(yīng)該是中強余震的潛在危險區(qū)。

圖2 九寨溝中小余震應(yīng)力降分布圖

圖3 應(yīng)力降與矩震級MW關(guān)系圖

2.3 地震矩M0、矩震級MW與近震震級ML 之間的關(guān)系

地震矩是一個描述地震發(fā)生時力學(xué)強度的物理量(類似于力矩的概念)，它由地震斷層的破裂面積、平均錯動量及巖石的剪切模量的乘積來確定。它是反映了震源區(qū)不可恢復(fù)的非彈性形變的量度，是對斷層滑動引起的地震強度的直接測量，它由地震波振幅的低頻成分的大小決定，反映出震源處地震破裂的大小。斷層破裂的面積越大，則地震激發(fā)的長周期地震波能量就越大；且從基巖上記錄得到的地震矩會小于從沉積層上記錄得到的地震矩。由圖4可知，lgM0與ML震級之間存在線性關(guān)系，即ML震級越大，則lgM0值越大。本研究采用最小二乘法擬合出地震矩的對數(shù)lgM0與近震震級ML之間的關(guān)系式為lgM0=0.996ML+10.37，因為圖4中擬合的R2>0.94，lgM0與ML的線性特征明顯，擬合直線能夠以大于94%地解釋研究范圍實測數(shù)據(jù)，具有很好的一般性特征，所以上述關(guān)系式可以作為標(biāo)準(zhǔn)曲線用于兩者之間的轉(zhuǎn)換式。

矩震級是一個真實反映了地震錯動大小的物理量，可以通過地震波譜的綜合反演求得，或也可以通過地震的破裂特征(地震斷層規(guī)模、震源深度、錯動量及巖石力學(xué)性質(zhì)等)求得。從圖5和表1中可以看出，矩震級MW與近震震級ML之間存在一定的線性關(guān)系，即ML震級越大，則MW震級也就越大。采用最小二乘法擬合矩震級MW與近震震級ML之間的關(guān)系式為MW=0.686ML+0.756。因為圖5中擬合的R2>0.98，MW與ML的線性特征非常明顯，擬合直線能夠以大于98%地解釋研究范圍實測數(shù)據(jù)，所以上述關(guān)系式可以作為標(biāo)準(zhǔn)曲線用于兩者之間的轉(zhuǎn)換式。

圖4 地震矩M0與近震震級ML關(guān)系

圖5 矩震級MW與近震震級ML關(guān)系

2.4 拐角頻率、震源尺度與矩震級MW之間的關(guān)系

從表1可以看出，九寨溝81次余震的拐角頻率在2.0～13 Hz之間，震源破裂半徑大致在100～600 m之間。據(jù)統(tǒng)計，一般是矩震級越大，拐角頻率會越小，其震源破裂尺度會越大。

3 結(jié)論

本研究采用均勻包圍九寨溝震區(qū)的11個固定臺站，對3.0≤ML≤5.0余震進行震源譜波形反演，計算出81次余震的震源參數(shù)。綜上所述，得出以下幾點結(jié)論：九寨溝余震應(yīng)力降存在分段特征，SE段應(yīng)力降值分布范圍為1.0～5.0 MPa；NW段應(yīng)力降值分布范圍為0.5～10.0 MPa；中段應(yīng)力降值分布范圍為1.7～8.5 MPa。高應(yīng)力降余震比較集中地分布在NW段和中段的現(xiàn)象，說明發(fā)震區(qū)NW段和中段地殼介質(zhì)較SE段承受了更高的外加剪應(yīng)力，即NW段和中段應(yīng)該是中強余震的潛在危險區(qū);地震矩對數(shù)lgM0與近震震級ML之間存在線性關(guān)系，關(guān)系式為lgM0=0.996ML+10.37;矩震級MW與近震震級ML之間存在明顯的線性關(guān)系，關(guān)系式為MW=0.686ML+0.756;矩震級越大，拐角頻率越小，震源破裂尺度越大。

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