2013年岷县漳县MS6.6地震前后南北地震带北段面波速度变化特征①

严　珊, 杨立明, 周龙泉, 张　辉, 王　芃

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.中国地震台网中心,北京 100045; 3.中国地震局地震预测研究所,北京 100035)

2013年岷县漳县MS6.6地震前后南北地震带北段面波速度变化特征①

严珊1, 杨立明1, 周龙泉2, 张辉1, 王芃3

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.中国地震台网中心,北京 100045; 3.中国地震局地震预测研究所,北京 100035)

摘要:基于南北地震带北段94个固定地震台站2013年1—9月的连续波形资料,利用背景噪声方法和层析成像技术反演该地区在2013年7月22日甘肃岷县漳县MS6.6地震前后不同时间段、两个月相同时间窗长的瑞利面波速度结构与波速演化。相速度成像结果表明:岷县漳县地震前5—6月相对于3—4月,临潭—宕昌断裂带及周边地区出现了波速降低的现象,而震后8—9月相对于5—6月波速逐渐恢复升高,这说明在岷县漳县地震前两个月出现了波速低值异常,并且在低速异常区域的边界处发生了此次地震。

关键词:南北地震带北段; 甘肃岷县漳县MS6.6地震; 背景噪声; 层析成像; 速度结构; 临潭—宕昌断裂带; 波速低值异常; 祁连山中段

0引言

根据中国地震台网测定,2013年7月22日7时45分在甘肃省岷县和漳县的交界地区(34.5°N,104.2°E)发生了MS6.6地震,震源深度约20km,当日9时12分在原地又发生了一次MS5.6强余震。震源机制结果表明此次MS6.6地震的破裂方式为略带走滑分量的逆冲型破裂,倾向NE,倾角50°～70°[1-2]。地震发生于青藏高原东缘的甘东南地区,是南北地震带与昆仑山—秦岭断裂带等活动构造交汇部位,也在临潭—宕昌断裂带(位于南北地震带北段,总体走向NW-NWW)至西秦岭北缘断裂带之间的区域内,距离临潭—宕昌断裂带约9.3km。该区断裂全长大于250km,地质构造复杂,由多条规模不等、相互平行或斜列的次级断裂组合而成,属于东昆仑与西秦岭北缘两条大断裂构造转换的中间过渡区,在构造位置上处于应变积累和转换过渡位置[3-5]。

根据历史地震资料记载,南北地震带北段地区地震活动性水平较高,发生过多次大震。据统计,历史上沿临潭—宕昌断裂带发生过3次6级以上强震,分别是842年岷县6～7级、1573年岷县6级和1837年临洮—岷县6级地震。近些年又发生过2003年11月13日岷县5.2级地震和2004年9月7日岷县—卓尼5.0级地震[6]。而2013年7月22日甘肃岷县漳县MS6.6地震则是此断裂带进一步活动的结果。

背景噪声是近年来快速发展起来并应用于速度结构研究的一种方法,地震学家们不仅将此技术应用于静态的成像研究[7],而且将其应用于研究火山喷发前后的波速变化[8],并试图用来监测危险断层于地下介质的动态变化[9-11]。近些年随着“十五数字化改造”等项目的实施,地震台网建设不断拓展,可以得到高质量的波形资料越来越多,利用动态成像技术研究强震前后震源区速度变化的可实现性越来越高。国内很多地震专家纷纷在川滇等台站分布密集的地区利用背景噪声方法研究了强震前后的波速变化,结果显示强震前后波速有一定的变化[12-15]。

本文利用背景噪声研究2013年7月22日岷县漳县MS6.6地震引起的南北地震带北段地下介质的波速变化,从而对临潭—宕昌断裂带及其周边的波速变化进行探讨,主要通过噪声互相关计算来提取台站间的经验格林函数,利用不同时间段的频散曲线反演得到的速度分布图的差异来分析变化,并试图利用波速变化寻找地震预测的新方法,以期为深入了解岷县地震的孕震机理及动力学变化提供一些基础资料。

1数据与方法

1.1数据与资料

根据现有资料,从国家数字测震台网数据备份中心收集了南北地震带北段(32°～40°N,99°～108°E)94个固定地震台站2013年1—9月的连续波形资料。数据选用SAC格式,每个台站包含有BHE、BHN、BHZ三分量的连续波形数据,文中选用BHZ分量,然后两两台站做互相关计算得到瑞利面波。研究区主要包括甘肃、青海、宁夏、陕西和内蒙古西北五省数字地震台网的覆盖区域范围(图1),文中的台站分布所在区域选择比研究区域各大1°的范围,在各向同性的散射波长中研究强震前后南北地震带北段地壳瑞利面波的波速变化及其地下介质的状态变化。

图1　南北地震带北段地区活动断裂及测震台站分布(图中蓝色小三角为南北地震带北段94个台站, 图中标注了一些比较显著的区域;黄色五角星为2013年7月22日甘肃岷县漳县MS6.6地震震中)Fig.1　Distribution of active faults and seismic stations in the north segment of the north-south seismic belt

1.2背景噪声方法

背景噪声是经过地下各层介质散射后被地震仪所记录到的地球内部的一种特殊波,其产生源复杂多样,没有固定的相谱,是地面的一种稳定的非重复性随机波动[16-18]。噪声成像方法是对两两台站记录到的长时间连续的背景噪声进行互相关运算来近似提取台站间的经验格林函数,然后通过时频分析方法获得频散曲线,得到各个周期的相(群)速度,再通过反演计算得到每一点的相(群)速度[19-24],最后得到地球内部的速度成像图,以此来分析强震前后的波速差异,进而应用于地震预测研究。噪声成像方法在时间上稳定并可重复使用,由于利用固定的台站对和不同时间段的固定台站射线,从而可以减小由于地震分布不均匀和震源定位引起的误差,从而使动态反演结果更加可靠[25-26]。

由于面波一般具有较高的信噪比,并且在研究区域内得到的路径覆盖情况比较好,同时在各向同性的散射波场中,一条射线穿过一个接收点后,稍后再次穿过另一个接收点时震相是不发生变化的。虽然两个接收点得到的是噪声信号,记录到的信号却是相关的。因此在完全随机的波场中对两点间的波形记录做互相关计算可以得到介质间的格林函数[27]。

本研究首先进行单台数据预处理。由于实际面波成像周期为5～150s,所以国内宽频带数字地震台的记录(或短周期),要求频率大于1Hz或周期小于1s,故对研究区域内94个地震台站每天的连续波形记录进行1Hz(或1s)的重采样。再依次进行单台数据格式转换、去均值、去倾斜、去仪器响应、截取所需长度数据、10～20s巴特沃斯带通滤波(将研究范围内的地震事件去除)、滑动绝对平均(时间域归一化,在SAC环境下)[28]和频率域归一化等,主要是将时间域数据转换为频率域数据,在频率域进行滤波后再将数据转换回时间域。最后计算研究区域内两两台站对进行互相关系数,并对每个月内不同天数的互相关数据进行叠加。

1.3格林函数的提取

计算两个时间序列的互相关会获得两个方向相反的正负分支,波形中一般包含各个频率的信号,提取到的格林函数则是不同频率信号谐波的叠加结果。基于地震背景噪声的方法和原理,对长时间的互相关系数进行叠加是为了获得比较稳定的经验格林函数[28]。频散是地震面波的主要特征,面波的传播速度随着深度的增加而增加,不同的面波成分携带了从浅到深地球内部各层介质的速度和衰减特性信息,故通过面波便可获得地下的一些有用信息。根据Weaver[27]的研究,利用背景噪声的互相关函数提取台站间格林函数,首先要计算所有台站对的互相关函数,再将互相关系数反序叠加,最后使叠加后的平均结果近似面波格林函数。

对于地震噪声数据而言,一般至少叠加一个月的数据,而在南北地震带北段地区,绝大多数射线对通过60天的叠加计算就可以得到信噪比较高的格林函数,因此本文选取60天作为互相关叠加的时间窗长来计算震前和震后的格林函数[16](叠加结果如图2所示)。

图2　南北地震带北段地区不同距离台站对 之间的互相关叠加结果Fig.2　Stacking results of the noise cross-correlation function between different station-pairs in the north segment of the north-south seismic belt

1.4层析成像

本文采用复杂介质高斯光束偏移成像方法[29](Gaussianbeamsmethod)进行反演成像。该方法较逆时偏移成像和Kirchhoff成像(射线类偏移成像)而言,是一种兼具计算效率、成像精度以及灵活性的成像方法。

2甘肃岷县漳县MS6.6地震前后的波速变化

基于南北地震带北段地区94个固定台站9个月(2013年1—9月)的连续波形数据记录进行讨论。首先对数据进行预处理,再进行噪声互相关计算并叠加,得到Rayleigh面波的经验格林函数,其次应用多重滤波方法从台站间经验格林函数中提取周期6～40s(分别为6s、8s、10s、12s、14s、16s、18s、20s、25s、30s、35s及40s)的瑞利面波相速度频散曲线,最后利用面波层析成像方法计算得到南北地震带北段地区不同时间段、相同时间窗长的相速度成像结果。

2.1南北地震带北段台站对的路径覆盖情况

根据得到的南北地震带北段地区不同周期路径覆盖结果,周期为10s时部分台站对射线覆盖图如图3,路径数为2 209条射线。对所有周期的路径数进行统计后发现:T=10s时台站间各周期路径数量最多,路径覆盖情况最好(图4)。

图3　南北地震带北段地区部分台站射线 覆盖图(周期为10 s)Fig.3　Ray path coverage between some station-pairs in the noth segment of the north-south seismic belt (period=10 s)

图4　南北地震带北段地区部分台站对不同周期 射线路径数曲线图Fig.4　Curve of the ray paths between some station-pairs at various periods

由于频散曲线的质量直接影响层析成像结果的可靠性,故需要对其质量进行严格的控制和筛选。因此,测量频散时选择台站距大于3倍波长以上的数据,并选择射线路径相似的台站对进行可靠性分析,舍去一些不正常的频散曲线。为了检验结果的可靠性,本研究又画出了研究区部分台站对间的射线覆盖密度图(图5),网格划分为0.5°×0.5°。从图5中可以看出,射线覆盖密度在研究区域的中间密度均匀,即射线覆盖情况较好。根据临潭—宕昌断裂带的位置,再结合图5,可以看出:临潭—宕昌断裂带区域的成像结果是比较可靠的,而边缘地区成像结果的可靠性较差,有待进一步验证。本文仅对该区域得到的相速度成像结果进行分析。

图5　南北地震带北段地区部分台站对 射线覆盖密度图(周期为10 s)Fig.5　Density map of ray path coverage between some station-pairs (period=10 s)

2.2相对波速变化

数据计算过程中,将两个月(60天)的时间窗长作为南北地震带北段得到稳定信噪比的叠加天数,用震后波速与震前波速之差与震前速度的比值的百分比来表示相对波速变化:

(1)

图6和图7是2013年7月22日甘肃岷县漳县MS6.6地震前后的波速变化情况(T=10s)。图6是叠加一月二月、三月四月、五月六月和八月九月的结果,再利用式(1)计算得到的相对波速变化情况。图7是叠加了相同时间窗长,并以一个月作为滑动时间窗长,依次逐月滑动得到的动态波速变化,分别是四月五月、五月六月和八月九月的结果,最后同样应用式(1)得到相对波速变化情况。根据叠加结果可知,南北地震带北段的瑞利面波平均波速约为3.142km/s。

从图6和图7中均可以看出:地震前5—6月相对于3—4月,临潭—宕昌断裂带及周边地区出现了

图6　研究区2013年1-9月的相对波速变化Fig.6　The relative velocity variations in study area from January to September,2013

图7　研究区2013年3-9月的相对波速变化Fig.7　The relatsive velocity variations in study area from March to September,2013

波速降低的现象,而震后出现反向调整,8—9月相对于5—6月份出现波速逐渐恢复升高的现象。对比图6和图7,虽然两种结果存在细微差异,但能看出震前震源区北边区域的波速逐渐升高,而南边区域的波速相对降低,并表现出一定的低速异常,震源区位于低速区域的边界处;震后震源区的北边区域又恢复了之前的低速状态,而南边区域则出现高速异常现象,震源区位于高速区域的边界处。综上而言,根据噪声成像方法得到的岷县漳县地震前后不同时间段速度结构之间的差异还是比较明显的。从图6和图7还可以看出:区域内波速变化范围约为-0.004～0.006km/s,高速区域和低速区域的变化主要集中在西秦岭构造带和祁连山构造带等大断裂带上和曾经发生过古浪地震和海原地震等强震区域附近。

同时,地震前在老虎山—毛毛山断裂带附近出现了波速低值异常现象,并且在八九月份波速回升。根据资料,2013年9月20日在青海门源发生了一次MS5.3地震,虽然震中距离异常区域较远,但是同属祁连山断裂带的次级断裂带,之间存在某种联系,相互作用,相互影响。岷县漳县地震后,宁夏地区也出现了波速低值异常现象,但至今未发生5级以上地震。

3结论与讨论

上述研究表明:

(1) 2013年甘肃岷县漳县MS6.6地震前5—6月相对于3—4月,临潭—宕昌断裂带及周边地区出现了波速降低的现象,而震后出现反向调整,8—9月相对于5—6月出现波速逐渐恢复升高的现象。结果表明,岷县漳县地震前两个月出现了波速低值异常,且地震发生在低速区域的边界地区。

(2) 岷县漳县地震前,老虎山—毛毛山断裂带附近出现了波速低值异常现象,并且在八九月份波速回升。根据资料,2013年9月20日在青海门源发生了一次MS5.3地震,虽然震中距离异常区域较远,但是它们同属祁连山断裂带的次级断裂带,之间存在某种联系,相互作用,相互影响。地震后,宁夏地区也出现了波速低值异常现象,但至今未发生5级以上地震。可能的原因是应力发生转移,断裂带上的其他区域有可能触发新的地震,或者发生一些小震以达到释放能量的结果。

(3) 从图6和图7中可以看出,2013年1—9月南北地震带北段大部分区域处于低速状态,岷县漳县地震前临潭—宕昌断裂带及周边地区波速下降相对于其他区域比较明显。根据黄忠贤等[30]2013年发表的《南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像》一文可知,大震和强震多发生在低速区域内部或高低速区域的边界附近,由于低速区往往被认为是地壳容易发生形变的区域,而高速和低速的边界附近认为容易产生应力集中,所以这种现象是可以理解的。从层析成像结果可以看出2013年岷县漳县MS6.6地震就是发生在低速区域的边界附件。本文的结果同时表明,这个结果和之前GPS、形变、地电地磁等方面得到的结果一致,也是对之前结论的一个验证。岷县漳县地震后,西秦岭构造带形成一个分界线,其北部区域除老虎山—毛毛山断裂带附近波速升高外,其他区域大部分波速呈降低趋势,而南部区域(西秦岭构造带和东昆仑构造带)则几乎都是升高的趋势。

以上结果仅为本次震例研究所得,进一步的结果需要参考更多可靠的资料、做更多的震例分析,并通过其他相关工作来获取。

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VariationCharacteristicsofSurfaceWaveVelocityalongNorthSegmentofNorth-SouthSeismicBeltbeforeandafter2013Minxian—ZhangxianMS6.6Earthquake

YANShan1,YANGLi-ming1,ZHOULong-quan2,ZHANGHui1,WANGPeng3

(1.Lanzhou Institute of Seismology,China Earthquake Administration,Lanzhou 730000,Gansu,China;2.China Earthquake Networks Center,Beijing 100045,China;3.Institute of Earthquake Science,China Earthquake Administration,Beijing 100036,China)

Abstract:Based on background noise and tomography methods,in this paper,we investigated the continuous waveform records of 94 fixed seismic stations in the northern segment of the north-south seismic belt from January to September,2013.In doing so,we obtained the velocity structure and evolution of the Rayleigh waves of this area,at different times in the same two-month period before and after the Minxian—Zhangxian MS6.6 earthquake on July 22,2013.The phase velocity tomography results show that before the earthquake,in May-June,the wave velocity along the Lintan—Tanchang fault zone and its surrounding areas reduced relative to that in March-April.However,after the earthquake,in August-September,the wave velocity along the Lintan—Tanchang fault zone and its surrounding areas was restored by rising to the level of May-June.These results indicate that in the two months before the Minxian—Zhangxian MS6.6 earthquake,the velocity exhibited low-value anomalies,and the earthquake occurred at the boundary of the low-velocity anomaly region.

Key words:north segment of the north-south seismic belt; Minxian—Zhangxian MS6.6 earthquake; background noise; tomography; velocity structure; Lintan—Tanchang fault zone; middle segment of the Qilian Mountains

收稿日期:①2015-10-20

基金项目:中国地震局地震科技星火计划攻关项目(XH15042);甘肃省科技计划(145RJZA186);国家自然科学基金项目(41304048);“十二五”国家科技支撑项目(2012BAK19B02-01)

作者简介:严珊(1991-)，女，陕西西安人，硕士研究生，主要从事地震预报、噪声成像等研究。E-mail：yanshan0624@163.com。

中图分类号:P315.3

文献标志码:A

文章编号:1000-0844(2016)03-0423-08

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0423 致谢:中国地震局地球物理研究所国家数字测震台网数据备份中心(10.7914/SN/CB)为本研究提供地震波形数据[31]。文章数据处理应用中国地震局台网中心周龙泉老师提供的科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado at Boulder,Colorado,USA)的噪声处理软件,并且程序在周龙泉老师和中国地震局地震预测研究所王芃师兄的指导下完成调试,在此致以真诚的感谢。