2020年1月19日伽師MS6.4地震前后波速比異常分析①

祖麗皮亞·巴克, 張琳琳, 阿布都熱依木江·巴克, 海仁沙·司拉木, 古麗孜娜提·依德熱斯, 高朝軍

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)地震局喀什地震監(jiān)測中心站,新疆 喀什 844000;2. 新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011)

對于地震波而言,波速是一個非常關(guān)鍵的運動學特征。在地震發(fā)生之前,震源區(qū)介質(zhì)會在原來的物理狀態(tài)基礎(chǔ)上產(chǎn)生一系列的改變,具體包括擴容以及相變等。在該區(qū)域內(nèi)部有地震波經(jīng)過的情況下,波速將出現(xiàn)對應(yīng)的變化,從而導致波速比不在正常范圍內(nèi)。這一原理為地震的預(yù)測提供了一個非常重要的方法[1]。上世紀中葉至今,全球范圍內(nèi)有眾多的學者圍繞波速比等研究方向進行了大量的科學研究,這些學者普遍使用理論結(jié)合實踐的研究方法,在經(jīng)過數(shù)十年的研究之后取得了非?？捎^的成果[2]。而波速比是研究地震波速變化的方法之一,利用波速比變化的時間和空間演化特征,能為未來一段時間中強地震的發(fā)生地點和發(fā)生時間提供必要的參考。20世紀50年代以來,地震學家就對波速比進行大量研究,1956年日本學者通過觀測發(fā)現(xiàn)福井MS7.2大地震前首波的走時異常[2],這是人類歷史上第一次有學者對波速的異常情況進行觀測。此后,俄羅斯、美國以及英國等眾多國家與地區(qū)的學者都基于相應(yīng)的案例開展研究工作[2]。最近幾年,地震觀測的相關(guān)科學技術(shù)得到了快速發(fā)展,觀測人員也普遍擁有了更加理想的觀測條件,因此中強地震產(chǎn)生的波速比異常相關(guān)的科學研究重新成為炙手可熱的研究方向[3]。目前已經(jīng)有可控震源實驗證明地殼中可測波速變化產(chǎn)生的真實性;對于部分中強震而言,通過原地“重復地震”的震相延遲時間變化,也能夠讓觀測人員成功觀測到震源區(qū)波速產(chǎn)生的改變[4]。

中國對于波速比的科學研究最早起源于上世紀70年代,目前相關(guān)學者已經(jīng)根據(jù)模擬地震波資料,圍繞超過40個案例進行了深入分析[5]?？偨Y(jié)出強震受波速比異常形態(tài)、時間等因素的影響,并成功對于多個震例進行觀測。其中,蔡靜觀等學者深入研究了云南地區(qū)的強震發(fā)生之前波速比的演化特征[6]。當前新疆已經(jīng)擁有發(fā)達的“十五”地震臺網(wǎng),全區(qū)分布著大量的臺站,其中配備有各種高精度、高效率的觀測設(shè)備,這能讓觀測人員更方便迅速地掌握波速比的實時情況。此外,我國還有眾多學者分析了新疆各個不同區(qū)域的中強地震所引發(fā)的波速異常現(xiàn)象,并且具體討論了各種異常相應(yīng)的可信度[7-9]。

1 方法和原理

地殼當中巖石的運動情況可以借助波速比這一指標體現(xiàn)出來[7]。查閱相關(guān)材料可以發(fā)現(xiàn),對于這一指標的求解方式多種多樣,其中應(yīng)用范圍較為廣泛的方法包括四震相法以及虛擬臺求法等等[10-12],因此在實際應(yīng)用當中,觀測人員需要通過比較,根據(jù)觀測對象的具體情況選擇其中最合適的方法。綜合分析采用多臺法,在求解過程中需要使用的表達式總共有4個,

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2 資料選取

2020年新疆伽師MS6.4地震震中位于南天山前陸褶皺逆沖斷帶,北部為天山褶皺帶,西南為西昆侖—帕米爾高原,東部和南部為剛性的塔里木盆地[13]。受印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞的影響,該區(qū)域的構(gòu)造活動主要表現(xiàn)為天山地塊逆沖于塔里木地塊之上[14],在這樣的逆沖環(huán)境下,伽師地區(qū)中強震頻發(fā)。過去50年內(nèi),距此次震中50 km范圍內(nèi)發(fā)生了13次6級以上地震[15-16]。該區(qū)域曾于1997―2003年發(fā)生了1組6級強震群:1997年1月21日—4月16日,伽師發(fā)生了7次6級地震,這些地震構(gòu)成了中國大陸極為罕見的伽師強震群活動。1998年8月2日、27日又分別發(fā)生了MS6.0、MS6.4地震[17];2003年2月24日,研究區(qū)域東南部的巴楚縣境內(nèi)發(fā)生了MS6.8地震的深部構(gòu)造研究,推測南天山山前深部存在‘S’形的阿圖什斷裂,1997年伽師中強震群型地震(包括1997年1月17日―4月17日7次6級地震)可能是阿圖什斷裂中段NW―NNW向斷裂活動的結(jié)果[18]。

伽師MS6.4地震震中周圍分布的臺站較少,震中距≤50 km的僅有八盤水磨臺和西克爾臺站。地震數(shù)字化改造起步較晚,經(jīng)歷了“九五”和“十五”期間數(shù)字化改造后,監(jiān)測能力得到了很大的提高,在南天山西段(75°E～80°E,38°N～43°N)研究區(qū)內(nèi)3°× 4°的空間尺度上布設(shè)有7個數(shù)字臺,除2個國家臺其余5個為區(qū)域臺,近些年隨著觀測條件和觀測技術(shù)的不斷進步,這些臺站在新疆地震監(jiān)測發(fā)揮著重要作用(表1)。

表1 震中附近臺站信息表

地殼介質(zhì)性質(zhì)可以由波速比這一指標體現(xiàn),而介質(zhì)不均勻的橫向分布與計算設(shè)備的條件限制往往容易引發(fā)波速比的不確定性。如果要計算出具有不均勻性介質(zhì)的波速比,為了確保計算結(jié)果的準確性,則優(yōu)先考慮使用孕震區(qū)觀測臺站的近臺資料,這是由于如果不借助這些資料,就必須使用一系列非常復雜的計算式進行求解,無法保證計算的效率[19-22]。選取南天山西段(75°～80°E,38°～43°N)為研究區(qū),2017—2022年新疆地區(qū)ML≥1.0地震的觀測報告,共計5 029次地震事件,其中計算結(jié)果較好的有996次(標準誤差≤0.05,相關(guān)系數(shù)≥0.98),在震中附近區(qū)域選擇超過3個臺站對于各臺站觀測到的波速比取平均值,同時結(jié)合動態(tài)圖像法,最后分別計算出每一次地震事件的波速比結(jié)果,得到其在空間上的區(qū)域演化圖像(圖1)及低速區(qū)的波速比比值的時間演化進程(圖2)從而獲得波速比的變化情況。

圖1 伽師MS6.4地震前后波速比空間分布圖(a) 2017—2019年 (b) 2020—2022年Fig.1 Spatial distribution of wave velocity ratio before and after Jiashi MS6.4 earthquake

圖2 伽師MS6.4地震前后異常區(qū)波速比時序曲線Fig.2 Time series curve of wave velocity ratio in anomalous area before and after Jiashi MS6.4 earthquake

3 結(jié)果與分析

研究時段內(nèi)發(fā)生2020年1月19日伽師MS6.4地震,為研究增強震源區(qū)波速比是否存在異常,首先選取2017—2019年資料進行計算,結(jié)果表明,伽師MS6.4地震周圍形成低值區(qū)(圖1a),該異常區(qū)長半軸和短半軸長分別30 km與20 km左右的EW向橢圓狀低值異常區(qū)。伽師MS6.4地震就發(fā)生在該異常區(qū)的東北緣;然后選取2020—2022年資料進行計算,得到波速比震后的空間分布(圖1b),可以看到地震后低值異常區(qū)消失,這與在該區(qū)的震例研究基本一致。

以圖1a所示的波速比低值異常區(qū)(橢圓框中所示)進行時間序列分析(圖2),伽師MS6.4地震前有一個月的低值異常,但是異常持續(xù)時間短不明顯,震前也無呈現(xiàn)降低—恢復—平靜—發(fā)震模式。

4 結(jié)束語

依據(jù)研究區(qū)2017—2022年的波速比在時間與空間變化計算結(jié)果,空間分布表明,伽師MS6.4地震發(fā)生前,波速比低值異常的區(qū)域形狀大致為EW走向的橢圓,其長半軸和短半軸的長度分別約為30 km和20 km,地震發(fā)生在該區(qū)域的東北部。震后,該區(qū)域的波速比恢復到正常水平。時間序列分布表明,伽師MS6.4地震發(fā)生前(2019年8月17日—10月1日)有低值異常持續(xù)過程,之后在震前3個月處于調(diào)整期,震后恢復正常,對大震發(fā)生的時間緊迫程度提供參考。新疆地區(qū)地震臺站分布不均勻,南天山西段臺網(wǎng)密度相對較小,滿足每個地震事件被3個以上均勻分布的臺站同時記錄到較為困難,導致計算結(jié)果不夠精細。