利用重复地震观测滦县地区的地壳介质变化

武敏捷,徐 平,林向东,武安绪,韩孔燕

(北京市地震局,北京 100038)

利用重复地震观测滦县地区的地壳介质变化

武敏捷,徐 平,林向东,武安绪,韩孔燕

(北京市地震局,北京 100038)

运用双差定位法对滦县地区2002年1月至2010年8月 ML≥2.0级地震进行精定位,利用射线追踪方法对滦县地区的重复地震进行位置归一处理,计算了滦县地区重复地震序列经过射线追踪方法校正后得到的P波走时差变化。研究发现,2004年1月20日滦县 ML5.0级和2010年3月6日滦县 ML4.7级2次中等地震前所选取的测震台站均记录到P波走时差的低值异常变化。

重复地震;射线追踪;地壳介质变化;滦县地区

0 引言

国内外不少学者对重复地震提出了不同的概念,Poupinet等[1]将2个发生在同一位置,并且在同一个台站具有高度相似波形的地震事件称为重复地震。Rubin[2]指出重复地震事件在空间位置、波形和震级都具有较高的相似性。Schaff等[3]将一对地震事件被至少一个台站记录到的波形之间的相关系数不小于0.8的地震对称为重复地震。目前,针对重复地震所做的研究也很多,Poupinet等利用天然重复地震的波形相似性来测量地壳介质波速随时间的变化。周龙泉等[4]研究了大姚重复地震,发现在震源区地壳P波速度在震前出现了快速上升。

本文拟采用同一台站记录的重复地震的P波走时差变化,研究地震波传播路径上地壳介质的变化。在利用天然重复地震确定地壳介质变化时,其结果会受到地震定位精度、重复地震之间的位置以及到时读取精度等因素的影响。地震定位主要受到台网布局、速度结构模型和到时读取精度等因素的影响;由于天然重复地震并不是完全意义上的重复,而是存在位置差异,因此,在同一个台站接收重复地震时射线路径会发生偏移,从而引起走时差的变化;此外,地震波信号干扰较大时,其走时读取误差往往较大,从而导致重复地震在同一台站的走时差发生变化。为了消除这3大因素的影响,本文运用双差定位法、射线追踪法和剔除干扰较大的记录这3种方法来提高P波走时差观测地壳介质变化的精度。

滦县地区是张渤构造带地震最为活跃的地区之一,2004年1月20日和2010年3月6日在该地区发生了ML5.0级和 ML4.7级地震。本文将该地区2002年1月至2010年8月ML≥2.0级地震序列作为研究对象,探讨该地区在这2次中等地震前地壳介质的变化特征。

1 研究方法

由于地壳介质的变化,同一个台站接收到不同时期的地震,其走时具有一定的差异。重复地震之间的走时差可以表示为:

式中:dt表示由于地震和台站之间射线路径上的介质变化引起的走时差,Dt表示两个重复地震在同一台站的观测走时差,Dt1表示由于重复地震位置差异导致的射线路径不同引起的走时差,Dt2表示由于走时读取误差引起的走时差,e表示现有地震定位条件下的定位误差。

为计算由于震源位置不同引起的走时差,对于重复地震序列,以第一个重复地震作为参考地震,将研究区域的地壳速度结构模型视为介质未扰动时的速度模型,通过射线追踪方法计算所有地震到达同一个台站的理论走时,然后将各个地震到达台站的理论走时减去参考地震到达台站的理论走时,就可以消除由于重复地震位置不同引起的走时差。本文采用伪弯曲射线追踪法计算重复地震到达台站之间的理论走时,该方法是一种快速三维射线追踪近似算法,其基本原理是用射线方程的几何解释来解释扰动初始射线路径,按分段的形式使走时沿射线路径最短,通过射线追踪可以快速确定射线路径及走时。

周龙泉等研究大姚地区重复地震时,采用了波形互相关方法消除走时读取误差,结果显示,在剔除信号干扰较大的记录后,走时读取误差很小,考虑到在不进行波形相关校正的情况下,对研究结果的影响并不大[5],本文采用人工剔除震相不清晰的地震事件,并且用人工重新校核走时的方式消除走时读取误差引起的走时差。

双差定位法是一种比绝对定位方法精度高的相对定位方法,该方法在一定程度上避免了源至地震台站传播路径的不均匀影响,定位结果较其他定位方法更精确,适用于地震在空间上丛集的情况[6]。

2 速度模型的选择

为了确定滦县地区的地壳速度结构模型,查阅相关文献[7],计算中选取的地壳速度模型见表1,波速比采用华北地区常用的1.71。

深度/km 0 3 10 15 20 25 30 34 40 50P波速度/km·s-1 3.5 5.0 5.9 6.1 6.2 6.38 6.6 7.0 7.8 7.9

3 利用重复地震观测地壳介质变化

3.1 精定位结果

为了减小定位误差对于重复地震之间走时差的影响,运用双差定位方法对滦县地震序列2002年1月至2010年8月377个 ML≥2.0级地震进行了精定位,可重新定位的地震个数为316个,所占比例为84%,定位结果见图1。结果显示,震中位置较原位置分布更加集中,定位精度有了很大提高,台网报告数据的rms残差为0.56s,震源位置误差东西向为2.25km,南北向为 2.90km,垂直向为 3.23km,定位后震源深度的精度也有了很大提高,平均震源深度为11km。

图1 滦县地震序列双差定位结果

2004年1月20日ML5.0级和2010年3月6日 ML4.7级2次地震相距约25km,本文对滦县地区2004年1月20日ML5.0级和2010年3月6日ML4.7级2次中等地震前的地壳介质变化分别进行了研究。

3.2 2004年1月20日滦县 ML5.0级地震序列

研究的地震序列为2002年1月至2010年8月滦县地区 ML≥2.0地震,给定序列的中心为39.741°N,118.733°E,震源深度 10km,序列半径10km。根据用于计算的台站到地震序列中心的距离大于5倍序列半径的要求,选取的台站有:唐海台、青龙台、兴隆东台和迁西台,2004年1月20日ML5.0级地震的震源机制解类型为走滑型(图2),计算结果见图3。

图2 滦县5.0级地震序列重复地震及台站位置示意图

图3a、图3c、图3e、图3g分别为唐海台、兴隆东台、青龙台以及迁西台的滦县5.0级地震序列重复地震P波原始走时差随时间变化的曲线,图3b、图3d、图3f、图3h分别为4个台的记录利用伪弯曲射线追踪法消除地震位置不同影响后得到的走时差曲线。

图3 滦县5.0级地震序列重复地震在各台站的P波走时差随时间的变化

由图3可见,利用射线追踪法将重复地震进行归一后,唐海台、青龙台、兴隆东台以及迁西台记录到的P波走时差的异常变化更为显著。唐海台仅在2003年8月23日出现显著的负异常变化(P波走时差为-2.35s),反映了唐海台到研究区域之间的地壳介质P波速度变快。青龙台、兴隆东台和迁西台所记录到的P波走时差变化趋势大体一致,只是异常幅度有所差别,这4个台站在滦县 ML5.0级地震前 P波走时差经历了低值—回升—恢复至正常值的过程。分析认为,随着应力水平的不断增加,围压增大,岩石强度也随之增大,震源区介质出现硬化,介质速度升高,P波走时差出现负异常变化。而随着应力的进一步积累,震源区出现扩容现象,会产生微破裂,引起震源区的小震活动,由于裂隙较多的破裂状态介质中的VP一定比无裂隙介质中的VP小,因此在这阶段 P波走时差观测到回升的现象。当地壳介质速度趋于稳定,即震前观测到的 P波走时差在0线附近变化。

3.3 2010年3月6日滦县 ML4.7级地震序列

研究的地震序列为2002年1月至2010年8月滦县地区 ML≥2.0级地震,给定序列的中心为39.728°N,118.459°E,震源深度 10km,序列半径10km。选取的台站有:糙甸台、兴隆东台、蓟县台和遵化台,2010年3月6日ML4.7级地震的震源机制解类型为正断层(图4),计算结果见图5。

图4 滦县4.7级地震序列重复地震及台站位置示意图

图5a、图 5c、图 5e、图 5g分别为糙甸台、蓟县台、兴隆东台以及遵化台的滦县重复地震P波原始走时差随时间变化的曲线,图5b、图5d、图5f、图5h分别为这4个台的记录利用伪弯曲射线追踪法消除地震位置不同影响后得到的走时差曲线。

图5 滦县4.7级地震序列重复地震在各台站的P波走时差随时间的变化

由图5可见,2010年3月6日 ML4.7级地震前,糙甸台、兴隆东台、蓟县台和遵化台的P波走时差均存在负异常。其中,糙甸台记录到的震前异常最显著,在2009年5月2日P波走时差出现了负异常(P波走时差为-3.97s),反映出糙甸台到研究区域之间的地壳介质P波速度有变快的现象。兴隆东台和遵化台记录到的P波走时差的变化趋势较为一致,蓟县台自2007年至2010年3月 P波走时差的变化趋势与兴隆东台和遵化台的记录较一致,兴隆东台在2009年4月15日出现了负异常(P波走时差为-2.32s),蓟县台和遵化台在2009年4月15日—7月17日这一时段存在负异常变化。研究还发现,2010年3月6日ML4.7级地震前这4个台站记录到的P波走时差也经历了低值—回升—恢复至正常值的过程。

3.4 计算结果分析

利用重复地震观测地壳介质的变化,计算过程中会受到小震精定位、震相读取误差等因素的影响。为了能够更好地说明这种影响,选取了滦县 ML4.7级地震前P波走时差异常变化最为显著的糙甸台,采用滦县地震序列2002年1月至2010年8月232个ML≥2.0级地震的原始观测报告数据计算了糙甸台的P波走时差变化(图6),图6a为糙甸台记录的滦县地震序列 P波原始走时差随时间变化的曲线,图6b为该台的记录利用伪弯曲射线追踪法消除地震位置不同影响后得到的走时差曲线。图5b和图6b的计算结果表明,经过精定位和人工校核走时后,计算得到的 P波走时差变化所反映的滦县ML4.7级地震前的负异常变化更为清晰。

图6 滦县4.7级地震序列原始数据在糙甸台的P波走时差随时间的变化

滦县地区地处蓟运河断裂、宁河—昌黎断裂、滦县—乐亭断裂和丰台—野鸡坨断裂等围限而成的唐山菱形块体内[8],这些断裂均消失于地下5～8km的深度范围,在深部,外围分布有宝坻—宁河、玉田、乐亭、滦县—乐亭和卢龙等壳内深断裂。震源硬化模型认为,地壳内发育的断裂将地壳分割成若干大小不等的多层弹性板状块体,由于地壳介质空间分布很不均匀,导致应力—应变分布的不均匀。在区域应力场作用下,单元体边界或内部的某些特殊部位,先后出现多个应力集中程度不同的单元体。震源区的地壳岩石,随着应力水平的增强,将先后经历弹性形变、介质硬化、破裂成核和破裂失稳4个阶段[9],地震发生前,孕震区内随着应力的不断积累,震源区介质出现硬化,与震源区外围岩石相比介质刚度增大,介质速度升高,即震前在所选取台站观测到的走时差的负异常变化。由此分析认为,使用震源硬化模型能够对台站观测到的负异常变化做出合理的解释。

4 结论与讨论

(1)2004年1月20日ML5.0级和2010年3月6日 ML4.7级2次地震相距约25km,但是每个台站所观测到的2次地震的异常特征并不相同,由前文提到的2次地震的震源机制解可知,对于每个地震序列所选取的台站都大体位于 P波初动为压缩的区域。由震源理论可知,若受到压应力,P波初动表现为向上。在地震发生前,震源区随着围压的增大岩石强度也随之增大,震源区介质出现硬化,介质速度升高,即在所选取的测震台站观测到走时差的负异常变化。但是,台站记录到的P波走时差异常变化的四象限分布现象并不是很显著,有些位于P波初动为膨胀区域的台站并未观测到 P波速度下降的情况。因此,对这一现象给出的上述解释是否具有一定的理论依据,仍需商磋。

(2)在2004年1月20日滦县 ML5.0级地震和2010年3月6日滦县 ML4.7级2次地震前1年的时间内所选取的台站均记录到 P波走时差的负异常变化,并且震前P波走时差经历了低值—回升—恢复至正常值的过程。可见,利用重复地震观测地壳介质变化在滦县地区中等地震中得到了很好的应用,将该方法运用于老震区对震情跟踪的分析起到了一定的作用,为地震预测提供了一种有效的观测手段。

致谢:本研究采用中国地震台网中心周龙泉博士提供的程序,并得到悉心指导和热情帮助,特此致谢。

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Observing Crustal Media V ariation in Luanxian Area by Using Repeated Earthquakes

WU Min-jie,XU Ping,LIN Xiang-dong,WU An-xu,HAN Kong-yan
(Earthquake Administration of Beijing Municipality,Beijing 100038,China)

The earthquakes withML≥2.0from January 2002to August 2010occurred in Luanxian area are relocated using the method of double difference,the locations of the repeated earthquakes in the study area are normalize by using ray-tracing method,and the P-wave travel time difference change of the repeated earthquakes are calculated after corrected with ray tracing method.The results show that before the LuanxianML5.0earthquake in the January 20,2004and LuanxianML4.7earthquake in the March 6,2010,the low value abnormal change of P-wave travel time difference is found at selected seismic stations.

repeated earthquakes;ray tracing;variation of crustal media;Luanxian area

P315.31;P315.727

A

1003-1375(2011)03-0023-05

2010-12-28

北京市地震局任务性科技专项(JZX-201103)

武敏捷(1977-),女(回族),山东省聊城人,工程师,主要从事数字地震学与地震预测等研究.E-mail:wmj1977@163.com