利用重复地震观测重庆武隆地区地壳介质变化*

2021-12-10 05:17杨亚运
地震科学进展 2021年11期
关键词:零值仙女山武隆

汪 建 杨亚运 马 伟

(重庆市地震局,重庆 401147)

引言

武隆区地处重庆市东南部,位于乌江下游峡谷区,岩溶地貌发育,岩石成分以碳酸盐、页岩和砂岩为主。武隆地区地震活动性不高,属于弱地震和构造活动背景区域,研究地震波经过地下介质随时间的变化,有助于了解该区域应力状态的变化,为地震预测预报提供重要依据。

由于重复地震的传播路径基本一致,利用重复地震监测地下介质的波速变化是一种简便可行的方法。近年来诸多国内外学者利用该方法开展了一系列的研究,如:Poupinet等[1]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;Li等[2]利用美国圣安德烈斯断层帕克菲尔德段的重复微震资料,发现在2004年帕克菲尔德M6地震前后,该地区介质波速发生了2.5%的变化;Hotovec-Ellis等[3]利用美国圣海伦斯火山附近的重复地震,得到波速与时间的变化关系,还发现影响波速相对变化的主要因素是季节变化;周龙泉等[4]利用重复地震研究云南大姚地区地壳介质随时间的变化时,发现在2003年大姚MS6.2及MS6.1地震前地壳介质速度有明显升高现象;叶秀薇等[5]在2004年广东阳江MS4.9地震前部分台站记录观测到地壳介质速度有短期明显升高现象;申学林等[6]利用重复地震研究湖北巴东地区的地下介质与三峡水位变化的关系;武敏捷等[7]利用重复地震研究河北滦县地区的地壳介质变化;邵媛媛等[8]利用重复地震研究辽宁阜新矿震区地下介质变化;汪建等[9]利用重复地震研究重庆巫山地区的地下介质变化,发现在2013年巫山ML3.7地震前部分台站记录观测到短期介质速度有明显升高现象;汪建等[10]利用3个流动台的重复地震资料,采用尾波干涉技术研究2017年重庆武隆MS5.0地震后震源区地下介质变化。

1 资料选取

选定重庆市武隆区与彭水县交界地区(29°18′—29°30′N,107°48′—108°00′E)作为研究区域。选取2011年1月1日—2020年12月31日重庆数字地震台网记录的107次ML≥1.5地震波形记录和观测报告资料,最大地震为2017年11月23日重庆武隆MS5.0地震,采用波形互相关技术识别研究区内的重复地震,利用射线追踪方法对整个地震序列进行走时差计算,进而分析武隆地区地壳介质变化。图1是研究区地震台站和震中分布图,地震序列呈SW向的条带状分布,与附近的断裂走向平行。

图1 台站和震中分布Fig.1 Distribution of seismic stations and epicenters

2 重复地震识别

20世纪60年代,重复地震概念被提出,目前尚无统一定义[11]。Nadeau等[12]将发生在同一断层位置,复发间隔与震级相近,波形与震源机制高度相似的一组地震称为重复地震。Schaff等[13]则将重复地震定义为被至少一个台站记录到,且波形相关系数(cross-correlation,简称cc)不小于0.8的地震对事件。

2.1 计算方法

计算地震事件波形的互相关系数可得到重复地震。互相关系数γ为:

式中,f1(t)和f2(t)分别为同一台站记录的2次地震事件选定波列,和分别为其相应平均值,取γ最大值为最终结果[14]。

将武隆地区事件波形转换为SAC格式,对波形进行去倾斜、去趋势和0.5—10 Hz带通滤波预处理。选取武隆地区武隆(WUL)、仙女山(XNS)和朗溪(LAX)地震台垂直向的地震波形资料,选取Pg波到时前1 s开始,4倍Sg、Pg震相走时差长度的波行进行互相关分析,该窗长基本包含P波、S波及尾波波列,可以避免后续噪声记录对互相关计算结果的影响。

2.2 计算结果

通过波形互相关计算,满足同时被3个台站记录到,且各台波形互相关系数不小于0.8的地震对(简称3台相关重复地震对)有12组(表1),其中包括1组由3次地震构成的重复地震对,包含21个地震事件,占总数的20%。因武隆地区震相拾取和地震定位精度较高[14],利用观测报告资料对重复地震参数进行统计,结果显示:重复地震对组间震级ML的最大差值为1.8,最小为0.1,平均约为0.3;深度的最大差值为3 km,最小为0 km,平均约为0.9 km;最大组间距离为5.5 km,最小为0.2 km,平均约为2.6 km,分别反映了台网定位的原始误差。对重复地震时间间隔进行统计,每组重复地震时间间隔有着明显变化,从几十分钟到几百天不等。

表1 武隆地区3台相关重复地震Table 1 Correlated repeating earthquakes at three stations in Wulong area

以第1组重复地震对为例,两次地震重复间隔为552天,震级ML相差0.1,武隆、仙女山、朗溪台互相关系数分别为0.979、0.983、0.985,波形相似度极高[14],说明该组地震到台站传播路径上的地下介质相对稳定。

3 地下介质变化

3.1 研究方法

通过重复地震之间的P波走时差研究地壳介质的变化,因同一个地震台站接收到不同时期的地震,其走时具有一定差异,走时差δt表示为

式中,δt表示由地震和台站之间射线路径上介质变化引起的走时差,Δt表示2个重复地震在同一台站的观测走时差,Δt1表示由重复地震位置差异导致射线路径不同引起的走时差,Δt2表示由走时读取误差引起的走时差,ε表示现有地震定位条件下的定位误差[7, 9]。

对于重复地震序列,以第1个重复地震作为参考地震,计算后续地震相对于参考地震的P波走时差。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,因震源位置不同引起的走时差,可采用射线追踪法对不同震源位置归一化处理,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,其原理是,用射线方程解释扰动初始射线路径,按分段形式使走时沿射线路径最短[5]。

3.2 速度模型选择

表2给出计算采用的武隆地区精细地壳速度结构模型,波速比为1.79。

表2 武隆地区速度结构模型[15]Table 2 The seismic velocity model used in the location[15]

3.3 计算结果分析

给定地震序列中心(29°22′N,107°55′E),震源深度7 km,序列半径7 km,计算走时差。选取武隆台(WUL)、仙女山台(XNS)和涪陵台(FUL)观测资料,利用射线追踪法对不同地震位置归一化处理,得到3个台站P波记录走时差变化曲线。3个台站到地震序列中心的距离分别为22 km,23 km和61 km。

图2给出3个台站P波走时差变化(原始曲线),为了消除地震位置的影响,图3给出3个台站P波走时差变化(校正曲线)。若P波走时差出现连续2次及以上负值时为负异常,称此阶段为负异常时段。图3中,走时差变化曲线出现3个负异常时段。

图2 3个台站P波走时差变化(原始曲线)Fig. 2 Variation of P-wave travel-time difference at three stations (original curve)

图3 3个台站P波走时差变化(校正曲线)Fig. 3 Variation of P-wave travel-time difference at three stations (correction curve)

第1个负异常时段。仙女山台第1个负异常时段出现在2012年11月16日—2013年2月9日,持续时间85天,最大走时差约−0.8 s。涪陵台第1个负异常时段出现在2012年11月16日—2013年5月14日,持续时间179天,最大走时差约−1.4 s。武隆台的负异常最早出现在2012年11月16日—2013年2月3日,最大走时差约为−1.8 s,2013年2月3日发生了3次地震,负异常持续至第2次地震(ML3.3)发生,第3次地震(ML2.0)发生时,走时差上升至零值以上,在2013年2月4—8日时间内,走时差迅速下降至零值以下,若将2012年11月16日—2013年2月8日设为武隆台第1个负异常时段,持续时间为84天。在第1个负异常时段,3个台站的走时差均表现出缓慢下降至低值后迅速上升至零值附近波动,走时差恢复正常水平,意味着该时段地下介质速度有明显升高现象,反映该区域内应力积累—释放的过程。根据施行觉等[16]的实验结果,当岩石的含水饱和度大于某值时,含水量增加可使纵波波速增加30%左右。因研究区位于乌江上游彭水电站与下游银盘电站之间,结合长江三峡水库水位分析,第1个负异常时段该库段属于高水位运行期,且该时段与巫山地区第1个负异常时段时间相近[9],该地区介质变化可能是受水库载荷和库水渗透共同作用的结果。3个台站记录到第1组重复地震对的P波走时差接近零值,证明利用射线追踪方法研究地壳介质变化结果是可靠的。

第2个负异常时段。仙女山台第2个负异常时段出现在2015年4月5日—2016年8月30日,持续时间513天,最大走时差约−2.2 s,因2016年8月30日—2017年11月23日武隆MS5.0地震发生期间,近450天研究区内无地震记录,该时段内的P波走时差变化无法获得,2017年11月23日—12月26日,走时差在零值附近波动,恢复正常水平。涪陵台第2个负异常阶段出现在2015年4月5日—2016年3月9日,持续时间339天,在2016年1月22日发生ML2.1地震时,走时差下降至最低值为−2.9 s,2016年3月17日ML2.8地震时,走时差上升至零值以上,2016年6月6日—8月30日,走时差迅速下降至零值以下,最低值约−1.9 s,直至2017年11月23日武隆MS5.0地震发生时,走时差仍为负值,2017年11月24—28日,走时差恢复至正常水平。武隆台第2个负异常时段出现在2014年3月27日—2016年3月12日,持续时间716天,最大走时差约−2.1 s,2016年3月17日ML2.8地震时,走时差上升至零值以上,2016年6月6日—8月30日,走时差迅速下降至零值以下,最低值约−1.2 s,2017年11月23日—2018年10月20日,走时差在零值附近波动,恢复正常水平,持续时间约331天。因武隆台的射线方向与附近断裂和地震序列的走向相近,武隆台记录到第2个负异常时段出现时间早于仙女山和涪陵台,且持续时间大于仙女山和涪陵台。近10年内,大部分时间武隆台记录的P波走时差处于零值以下,表明应力状态长期处于较高水平。

武隆MS5.0地震发生前4年,3个台站同时记录到P波走时差负异常时段为2015年4月5日—2016年3月9日,持续时间339天,出现连续18次负值,走时差经历3次下降—上升的过程,第1次走时差下降—上升过程中,发生2015年4月7日ML2.4地震,第2次走时差下降至最低值—上升至高值过程中,发生2015年11月18日ML2.4地震,两次地震震级相等,走时差波动范围相接近,第3次走时差下降至低值,450天后,武隆MS5.0地震发生,走时差开始上升。武隆MS5.0地震前3个台站记录的P波走时差经历低值—上升至高值—震前转折下降—震后逐渐恢复的过程。汪建等[9]研究重庆巫山ML3.7地震前部分地震台站也有类似现象,反映该区域内应力经历长时间积累—突然释放的过程。研究还发现,地震发生前,位于巫山和武隆地区地震序列西侧的台站,均记录到P波走时差负异常变化。

根据震源硬化模型[17],随着应力水平增强,震源区的地壳岩石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。模型认为,地震发生前,孕震区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。图3中,当P波走时差处于正常水平时,即为弹性形变阶段;P波走时差处于长时间低值(2015年4月—2016年1月)即为介质硬化阶段;随后走时差开始上升至高值(2016年1—3月),可能是因为应力的不断积累,地壳产生微破裂,波速降低所致,此阶段为破裂成核阶段;2016年3—8月走时差开始下降,随着应力的不断积累,直至2017年11月23日MS5.0地震发生,大破裂产生即为破裂失稳。地震前,所选取3个台站观测的P波走时差的负异常变化,反映台站到研究区域之间地壳介质P波速度升高的现象,因此,使用震源硬化模型能够对所选台站观测到的负异常变化做出合理解释。

由于仙女山和武隆台到序列中心的距离相近,2个台站在第2个负异常时段记录的P波走时差最低值相近,而涪陵台记录的P波走时差大于仙女山和武隆台的结果,可能是由于涪陵台到序列中心的距离大于另2个台站,穿过介质硬化区域的射线路径可能大于另2个台站。武隆MS5.0地震发生前,3个台站所记录的P波走时差均降至最低值,且最大走时差近−3 s,说明该阶段介质硬化区域较大。

第3个负异常时段。仙女山和武隆台第3个负异常时段出现在2019年2月19日—2020年7月1日,涪陵台第3个负异常时段出现在2018年2月3日—2020年7月1日。在第3个负异常时段,3个台站同时记录到P波走时差负异常时间498天,持续时间大于第1和第2个负异常时段,共出现连续5次负值,2019年2月20日发生了ML3.3地震后,走时差继续下降至[−2.2 s,−1.2 s]内波动,截至目前尚未恢复正常水平,笔者将密切跟踪P波走时差后续变化及显著地震趋势。

图4给出朗溪台P波走时差变化,包括原始和校正曲线,绝大多数时间内,P波走时差在零值以上,武隆MS5.0地震发生前5年,走时差未见明显的负异常变化,表明应力状态处于较低水平。另,位于地震序列东南方向彭水鹿角台(LUJ)和彭水新田台(XIT)及正北方向丰都龙河台(LOH)P波走时差变化属于正常水平,均未见明显的负异常变化。

图4 朗溪台(LAX)P波走时差变化Fig. 4 P-wave travel-time difference curves at Langxi station

4 结论与讨论

对武隆地区107次地震波形进行互相关计算,经挑选,满足同时被3个台站记录到,且各台波形互相关系数不小于0.8的地震对(简称3台相关重复地震对)有12组,包含21个地震事件,占总数的20%。

武隆、仙女山和涪陵台站记录的P波走时差在第1个时段出现的负异常变化,表明该时段地下介质速度有明显升高现象,该地区地下介质可能受水库载荷和库水渗透的共同作用。在第2个负异常时段,3个台站均记录到P波走时差的负异常变化,持续时间长达339天,出现连续18次负值,武隆MS5.0地震前4年,P波走时差经历了3次下降—上升的调整过程,该异常现象可用震源硬化模型做出合理解释,说明地震孕育发展至破裂失稳(MS5.0地震),经历了较长时间。3个台站同时记录到第3个负异常时段已持续498天,截止目前异常尚未结束,笔者将密切跟踪分析。另,位于地震序列东南方向及正北方向的部分台站未记录到明显的负异常变化。

致谢

感谢江西省地震局查小惠工程师为本研究提供波形互相关程序,中国地震台网中心周龙泉博士提供走时差计算程序。

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