2021年云南漾濞MS6.4地震前后主动源观测走时数据的变化

杨建文,叶 泵,高 琼,张华英,陈 佳

(1.中国地震科学实验场大理中心,云南 大理 671000;2.云南大理滇西北地壳构造活动野外科学观测研究站,云南 大理 671000)

0 引言

一直以来地震工作者都在努力推进地震预报从经验预报向基于物理的数值预报转向,而基于新观测技术的地震预测预报研究是有益的尝试。地震波作为“照亮地球内部的一盏明灯”是研究地球介质及其应力场和物性变化最有效的手段[1]。利用气枪震源的高度可重复性来监测地下应力变化的新技术手段,近些年得到了较快发展。

自2011年宾川地震信号发射台建立以来,地震工作者在持续开展气枪激发试验的基础上,利用气枪源周围布设的40余个主动源流动台、区域固定台及亚失稳台站所获得气枪信号和背景噪声数据,在气枪地震信号分析[2-3]、气枪震源各向异性[4]、有限水体介质地震波场数值模拟[5]、宾川主动源场区地壳结构各向异性[6]、地震背景噪声成像[7]、地壳波速变化测量[8]、同震波速变化[9-10]及强噪声背景下弱信号提取[11-13]等方面开展了大量研究工作,部分解决了利用气枪震源激发信号和地震背景噪声测量地下波速变化过程中遇到的一些技术问题,初步探讨了所测量地壳波速变化与地震发生过程的关系,加深了对地震物理过程的认识。

2021年5月21日,在气枪震源信号观测台站覆盖区内发生了漾濞MS6.4地震(25.67°N、99.87°E),震源深度8 km,震中位于漾濞县苍山西镇境内。此次地震发生在维西—乔后—巍山断裂西侧的一条次级断裂带上,震源机制解为右旋走滑兼有少量正断(相关内容来源于6月2日漾濞MS6.4地震科考汇报交流会)。从地震序列的类型来看,漾濞地震属于前-主-余型地震,从2021年5月18日18时49分的MS3.2地震起,截至5月31日8时0分,中国地震台网共记录到MS3.0以上地震46次,其中MS6.0～6.9地震1次,MS5.0～5.9地震3次(包括震前的MS5.6和震后的MS5.0、MS5.2),MS4.0～4.9地震13次,MS3.0～3.9地震29次。此次地震震中位于宾川地震信号发射台西南向,距离约64 km。漾濞MS6.4地震是宾川地震信号发射台建立以来,继2013年洱源MS5.5、MS5.0,2016年云龙MS5.0,2017年漾濞MS5.1以后试验区内发生的又一次MS5.0以上地震。

在严峻的震情形势和地震多发情况下,在地震频发区开展地球物理场观测,并基于现有观测资料,对地震前后的地球物理场变化特征进行回溯性研究,可加深我们对地震孕育机制的认识。漾濞MS6.4地震震级较大且余震丰富,为主动源探测实验的开展提供了很好的震例检验。本文基于2020年11月1日—2021年5月30日漾濞MS6.4地震震中附近50 km范围内的地震观测台站记录的气枪震源信号,采用互相关检测技术提取各自稳定震相的走时数据,对地震前后的走时变化特征进行分析。

1 数据处理

1.1 数据收集整理

现阶段,漾濞MS6.4地震震中附近50 km范围内共有18个台站(图1),其中主动源流动台11个(地震计为Guralp-40T,数据采集器为Reftek-130B),区域固定台3个(地震计以BBVS-60和KS2000为主,数据采集器为EDAS-24IP),亚失稳台4个(亚失稳台站来源于国家重点研发计划——地震亚失稳阶段识别的实验、理论与野外观测研究:云南洱源地震危险区的密集台网建设与运维项目,地震计为CMG-40T,数据采集器为Reftek-130B)。从台站分布来看,观测台站总体位于地震震中以北和以东区域,震中西南方向台站较少。对2020年11月1日—2021年5月30日18个台站的观测数据进行整理,发现YSW06台2021年2月22日—5月21日,YSW10台2021年5月20—30日、2020年11月1日—2021年1月4日,53258台2021年5月24—30日由于仪器故障,没有波形记录(因为这3个台站观测数据缺失较为严重,因此不参与后面的计算和分析),其余15个台站观测数据完整性较好,因此本文选取了观测数据完整性较好的15个观测台站进行主动源走时变化研究。图1中地震分布为0级以上地震精定位结果,地震起止时间为:2021年5月18日18时49分—5月29日8时0分。

F1:澜沧江断裂;F2:兰坪—永平断裂;F3:顺濞河断裂;F4:维西—乔后—巍山断裂;F5:苍山山前断裂;F6:红河断裂;F7:程海—宾川断裂图1 气枪源、观测台站、漾濞MS6.4地震及余震分布Fig.1 Distribution of airgun source,observation stations,Yangbi MS6.4 earthquake and aftershocks

1.2 波形数据处理及震相走时提取

以水库岸边距离气枪源约50 m的一台站为参考台(图1中五角星的位置),近似为源的信息,截取某次激发记录波形信号为原始信号模板,利用互相关处理技术对参考台的每次激发记录波形进行互相关处理,获得相对的气枪激发时刻[10,14-15]。在此基础上,以获取的激发时刻为准,对各台站进行时长为100 s的记录波形数据截取,对参考台进行时长为5 s的波形截取。对截取的波形数据进行去均值、去趋势、去直流量处理,并进行3～5 Hz的Butterworth带通滤波,降低噪声干扰,对畸变记录波形进行人工删除[9-10]。随后分别将同一枪的各台站数据与参考台数据作反卷积处理[15-16],对齐到时并去除震源影响,得到台站到参考台的格林函数。对每一个台站的所有格林函数进行叠加,其叠加结果作为各自台站的参考波形模板[图2(a)],同时对每个台站的格林函数按天叠加[图2(b)]。最后将每一天的叠加结果与参考模板作互相关计算,得到互相关系数[图2(c)],互相关系数最大值所对应的时间延迟就是这两段相似波形窗口的走时差[本文取互相关系数最大,要求互相关系数大于0.9,且最大振幅处(图2中灰色虚线框)的震相提取走时,从波形来看,所取震相为Sg。时间窗长度以能完整表现一个震相为原则,取值在0.5～1.0 s间,不同台站取值存在较小差异]。为了提高精度,对计算结果余弦插值后提取更高精度的走时变化[14]。

图2 Ey213台计算震相走时 Fig.2 Calculated travel-time of seismic phase at Ey213 station

2 结果分析

采用以上方法对主动源监测区内15个台站记录的观测波形数据进行处理,分别提取各自稳定震相(Sg震相)的走时变化曲线(图3、4),其中图3为震后震相走时呈下降趋势的台站,图4为震后震相走时呈上升趋势的台站。

图3 漾濞MS6.4地震后震相走时呈下降趋势的台站(图中竖虚线表示漾濞MS6.4地震的发震时刻)Fig.3 Stations with a downward trend in phase travel-time after the Yangbi MS6.4 earthquake

图4 漾濞MS6.4地震后震相走时呈上升趋势的台站(图中竖虚线表示漾濞MS6.4地震的发震时刻)Fig.4 Stations with an upward trend in seismic phase travel-time after the Yangbi MS6.4 earthquake

2.1 漾濞MS6.4地震前走时变化

对漾濞MS6.4地震前15个台站记录的震相走时变化曲线进行分析发现,2020年11月1日—2021年3月17日,除53039、53282、HDQ台的走时变化存在不同程度的波动外,其余12个台较为平稳。2021年3月30日—4月28日,除53036、Ey211、Ey213台走时平稳,EYA台呈下降趋势外,其余11个台走时变化存在较大的波动。2021年4月29日—5月8日,由于气枪故障,该时段内没有激发实验。从2021年5月9日起开始恢复激发实验,因此本文重点对2021年5月9—30日间的走时数据进行分析。

2021年5月9—21日(震前12天),Ey211、Ey213台走时变化呈“V”型结构(其中从5月9—18日走时呈下降趋势,变化量分别为:-0.025 s和-0.054 s;5月18—21日走时呈上升趋势,变化量分别为0.034 s和0.040 s),Ey210、CHT台走时呈上升趋势,变化量分别为:0.030 s和0.047 s,其余台站变化趋势不明显。

2.2 漾濞MS6.4地震后走时变化

对漾濞MS6.4地震后15个台站记录的震相走时变化进行统计,相关情况列于表1。结合表1和图3、4可知,15个台的走时在漾濞MS6.4地震当天(或震后1～2天)开始出现大幅的趋势性变化,该过程持续时间在4～9天之间,其中EYA、HDQ台震后走时变化呈明显的上升趋势,持续时间分别为8天和5天,走时差变化量分别为0.021 s和0.067 s;YSW09台震后走时变化存在波动,但总体呈上升趋势;YSW15台震后走时变化波动较大,总体呈下降趋势。其余11个台站震后走时呈明显的下降趋势,走时下降持续时间在4～9天之间,走时差变化量在-0.053 ～-0.201 s间,其中走时差下降量最大为53285台,最小为CHT台。

表1 漾濞MS6.4地震后各台站走时变化情况Table 1 Changes in the travel-time of each station after the Yangbi MS6.4 earthquake

图5为漾濞MS6.4地震后走时异常台站分布。由图5可知,漾濞地震后,震中附近50 km内台站的走时变化存在明显的区域特性,以维西—乔后—巍山断裂和红河断裂为界,共分为3块,其中红河断裂以东的53279和53282台震后短期内走时呈明显的下降趋势,红河断裂以西,维西—乔后—巍山断裂以东的EYA、HDQ和YSW09台(其中HDQ和YSW09台沿苍山山前断裂展布)震后短期内走时呈明显的上升趋势。维西—乔后—巍山断裂以西的台站(10个台)震后短期内走时均呈明显的下降趋势,且短期内具有较好的同步性。

另外,从震后台站走时的总体形式来看,大多数台站走时在下降(上升)到最低点(最高点)后,短时间内没有恢复到震前的水平,而是在最低点(最高点)附近波动。仅CHT台的走时短期内恢复且上下大幅的波动。结合图5发现,CHT台位于漾濞地震的余震区边缘(地震主要破裂方向),推测气枪信号在到达台站的过程中,可能穿越了余震活动区,由于受地下应力变化的影响,致使记录的气枪信号走时存在较大的波动。

3 讨论

地震在孕育和发生的整个物理过程中会引起介质的应力状态发生变化,改变其弹性性质,进而影响其弹性波速,从而导致多次重复测量得到的地震波走时发生变化[17]。测量波速的微小变化,要求所选择的震源具有较高的重复性。气枪震源是一种在水下瞬间释放高压气体最终形成地震波的新型震源,具有绿色环保、重复性好、激发能量大、能量转换效率高等特点[18-19]。气枪震源在同一地点进行多次激发所产生的信号波形具有高度可重复性[2]。Wang等[20]探索出了尾波干涉技术来处理气枪震源波,从而得到介质的波速变化。尾波干涉技术将气枪震源激发的近场记录近似为震源时间函数,通过反卷积的方法将远场记录波形中的震源特性扣除,从而得到近似由震源到台站的格林函数[16,21]。对近似格林函数,再采用波形互相关的方法得到不同震相的高精度走时变化。

F1:澜沧江断裂;F2:兰坪—永平断裂;F3:顺濞河断裂;F4:维西—乔后—巍山断裂;F5:苍山山前断裂;F6:红河断裂;F7:程海—宾川断裂图中黑色为震后走时呈下降趋势的台站,灰色为震后走时呈上升趋势的台站图5 漾濞MS6.4地震后走时异常台站分布Fig.5 Distribution of stations with abnormal travel-time after the Yangbi MS6.4 earthquake

在波形数据处理过程中,我们将各台站每日激发的13枪波形进行叠加,获得单日的格林函数[图2(b)],将研究时段内的所有波形叠加,获得参考格林函数[图2(a)],再将当日格林函数与参考格林函数进行互相关计算,获得互相关系数[图2(c)]。由图2(c)可知,大部分时段互相关系数都保持在1.0附近。我们以互相关系数为约束(互相关系数要求在0.9以上),提取最大振幅处的波形来进行最终走时计算(从波形来看,所取震相为Sg),这样可以保证结果的准确性。

图6为Ey213台的参考波形模板(参考格林函数)[图6(a)]及漾濞MS6.4地震前2021年4月4日[图6(b)]、5月9日[图6(c)]和震后5月29日[图6(d)]的单日格林函数波形(振幅归一化结果)。对比图6(b)和(c)可以发现,Ey213台在4月4日和5月9日两个时间点,格林函数形态总体相似,这与图3(i)中两个时间点的走时差无明显差异相对应。对比图6(c)和(d)可以发现漾濞MS6.4地震前后,Ey213台的单日格林函数存在明显的变化差异。由图3(i)可知,从5月9—29日,Ey213台的走时出现了明显的变化,总体呈下降趋势,这与两个时间点的单日格林函数的形态存在明显的变化差异相对应。

图6 Ey213台的参考波形模板及漾濞MS6.4地震前后单日格林函数波形(图中灰色区域为提取震相走时所用的时间窗,范围为18～18.5 s)Fig.6 Reference waveform template of Ey213 station and single-day Green's function waveform before and after the Yangbi MS6.4 earthquake

本文是利用单日格林函数与参考格林函数进行互相关计算,所提取的震相走时表示的是单日波形相对于参考波形的走时差,当走时差为正时,表示波速减慢,当走时差为负时,表示波速加快。

在漾濞MS6.4发生前的4月份内,大部分台站的走时出现较大波动,EYA台的走时呈下降趋势。从2021年5月9—21日,有4个台站走时出现了明显的异常,Ey211和Ey213台走时呈“V”型变化结构,Ey210和CHT台走时呈上升趋势。震前这4个台站走时表现出了不同的变化特征,表明此时地下介质应力状态较为复杂,相关台站走时呈现不同的变化状态可能与区域应力场的调整有关。

由图5可知,维西—乔后—巍山断裂以西的台站走时在漾濞MS6.4地震后短期内呈同步下降趋势,且下降幅度较大,表明台站记录到的区域波速在加快。结合地震烈度分布图来看,这些台站所处区域的地震烈度都在VI度以上,表明相关区域在地震过程中受到了一定程度的影响,地下应力可能发生了变化。陈立德等[22]提出的“震源硬化模型”指出,岩石在受力过程中在其失稳源区存在“硬化”现象,硬化过程中其介质的刚度会增加。刚度增加可能导致速度增加,从而使走时缩短[15]。另外,这些台站距离气枪源相对较远,台站走时下降可能与气枪信号穿过了地下的失稳源区有关。

地震序列精定位结果显示,漾濞MS6.4地震的余震主要呈北西向分布(图5),且极少有余震发生在维西—乔后—巍山断裂以东区域,表明该断裂在漾濞地震破裂过程中起到了很好的边界控制作用。而维西—乔后—巍山断裂以东、红河断裂以西区域内的台站在漾濞地震后走时短期内呈上升趋势(图4),这表明维西—乔后—巍山断裂两侧的地下介质在漾濞MS6.4地震后处于不同的应力状态。在地震破裂过程中,维西—乔后—巍山断裂扮演着怎样的角色？断裂带以西台站走时的大幅度下降是否是地下应力调整和断裂带活动双重作用的结果,有待更进一步的研究。

4 结论

本文基于2021年5月21日漾濞MS6.4地震震中附近50 km范围内15个台站记录的2020年11月1日—2021年5月30日的气枪震源信号,采用互相关时延检测技术提取了15个台站各自稳定震相(Sg震相)的走时变化时间序列,并对漾濞MS6.4地震前后各台站的走时变化情况进行分析。得到如下认识:

(1)2020年11月1日—2021年3月17日间,大部分台站走时较为平稳,2021年4月大部分台站的走时出现较大波动,从2021年5月9日开始至21日(震前12天)漾濞MS6.4地震前,有4个台站走时出现了明显的异常,其中Ey211和Ey213台走时呈“V”型变化结构,Ey210和CHT台走时呈上升趋势。

(2)漾濞MS6.4地震后短期内,震中附近50 km范围内的大部分台站走时出现了明显的趋势性变化,且走时变化存在明显的区域特性。以维西—乔后—巍山断裂为界,断裂带两侧台站走时变化趋势存在明显差异,断裂带以东的EYA、HDQ、YSW09台走时呈上升趋势,变化最为显著的为HDQ台,走时差变化量0.067 s。维西—乔后—巍山断裂以西的所有台站在漾濞MS6.4地震当天(或震后1～2天)开始出现明显趋势性下降,走时下降持续时间在4～9天之间,走时差变化量在-0.053～-0.201 s之间,其中走时差下降量最大为53 285台,最小为CHT台。

致谢:本文互相关时延计算程序由中国科学技术大学王宝善教授提供,地震精定位目录由云南地震台王光明工程师提供,审稿专家提出了建设性修改意见,在此表示衷心感谢。