王　俊　鄭定昌　鄭江蓉　詹小艷　江昊琳　李正楷　張金川

1)江蘇省地震局、南京　210014　2)云南省地震局、昆明　65022　3)澳大利亞國立大學(xué)、堪培拉 0200

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利用背景噪聲自相關(guān)研究蘆山M7.0地震震源區(qū)地殼相對(duì)波速的時(shí)空變化特征

王俊1)鄭定昌2，3)鄭江蓉1)詹小艷1)江昊琳1)李正楷1)張金川1)

1)江蘇省地震局、南京2100142)云南省地震局、昆明650223)澳大利亞國立大學(xué)、堪培拉 0200

根據(jù)3個(gè)位于蘆山地震震中區(qū)附近臺(tái)站記錄的連續(xù)波形、采用自相關(guān)函數(shù)研究了蘆山地震震源區(qū)2012年4月20日至2014年4月20日地殼相對(duì)速度的時(shí)空變化特征。3個(gè)臺(tái)站分別是寶興臺(tái)(BAX)、蒙頂山臺(tái)(MDS)以及天全臺(tái)(TQU)、震中距約為15.7km、20.5km、29.6km。結(jié)果顯示：由0.1～1Hz頻率范圍內(nèi)自相關(guān)格林函數(shù)測(cè)得的地殼相對(duì)速度、在震后一段時(shí)間內(nèi)3個(gè)臺(tái)站均有明顯下降。其中、震中西北方向的BAX臺(tái)下降量最大、約為0.6%；其次是震中東南方向的MDS臺(tái)、下降約0.4%；西南方向的TQU臺(tái)下降最小、約為0.2%。它對(duì)介質(zhì)的敏感深度范圍約為10km?？臻g上、相對(duì)速度下降明顯的區(qū)域與震源破裂強(qiáng)度大的區(qū)域以及同震體應(yīng)變的膨脹區(qū)之間有很好的一致性。最大速度降分別是在震后40～100d內(nèi)相繼出現(xiàn)的、相對(duì)速度的恢復(fù)過程與強(qiáng)余震的衰減有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。認(rèn)為這種相對(duì)變化主要是由主震及強(qiáng)余震在一定深度范圍內(nèi)造成斷層區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞和周圍應(yīng)力變化引起的。而在2～5Hz頻率范圍內(nèi)測(cè)得的相對(duì)速度、3個(gè)臺(tái)站均未表現(xiàn)出明顯的同震效應(yīng)、但季節(jié)性的變化趨勢(shì)明顯、尤其是半年1次的變化特征、平均最大變化幅度約為0.3%。它對(duì)介質(zhì)的敏感深度范圍約為1km、但與強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)引起的地表破壞之間沒有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

蘆山地震地殼介質(zhì)應(yīng)力同震體應(yīng)變自相關(guān)格林函數(shù)

0　引言

2013年4月20日8時(shí)2分在四川省雅安市蘆山縣發(fā)生的M7.0地震(以下簡稱蘆山地震)是繼2008年汶川M8.0地震后龍門山構(gòu)造帶上發(fā)生的又一次強(qiáng)烈地震。震后對(duì)蘆山地震的研究大多聚焦在震源機(jī)制和破裂過程等方面(表1，2)。然而、對(duì)強(qiáng)震前、后震源區(qū)介質(zhì)物理性質(zhì)變化的研究同樣也有助于對(duì)地震孕育、發(fā)生以及動(dòng)力學(xué)過程的了解。

表1　蘆山地震震源機(jī)制解結(jié)果

Table1　Focal mechanism results of Lushan earthquake

節(jié)面Ⅰ節(jié)面Ⅱ矩震級(jí)(MW)深度/km來源走向/(°)傾角/(°)滑動(dòng)角/(°)走向/(°)傾角/(°)滑動(dòng)角/(°)212421001949816.622GlobalGMT①21839962253856.611USGS②214391002148-1366.419劉杰等,201321244933043896.712曾祥方等,201320946942344866.614呂堅(jiān)等,2013216471032044786.513林向東等,201320045951545856.522趙博等,2013

注①http: ∥www.globalcmt.org/；②http: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/。

表2　蘆山地震破裂過程反演結(jié)果

Table2　Inversion results of the rupture process of Lushan earthquake

動(dòng)態(tài)破裂過程模型震源深度/km最大滑動(dòng)量深度/km最大滑動(dòng)量/m地震矩(M0)/1019Nm來源潛在破裂斷層面63km×48km12.3(USGS)初始破裂下方1.31.12張勇等,2013斷層的有限破裂模型12.413.01.50.48鄭勇等,2013有限斷層震源模型10.2初始破裂下方1.61.54王衛(wèi)民等,2013

對(duì)地殼介質(zhì)物理性質(zhì)變化的研究、過去一般是通過主動(dòng)源或被動(dòng)源的重復(fù)觀測(cè)進(jìn)行的、已提出的方法有：利用重復(fù)地震(Poupinetetal.、1984)、尾波干涉測(cè)量技術(shù)(Snieder、2002)、S波分裂變化(Crampinetal.、1990)等、但這些方法都依賴于地震事件的記錄、甚至要求記錄波形具有高度的相似性。近年來越來越多的研究表明、背景噪聲互相關(guān)或自相關(guān)技術(shù)在監(jiān)測(cè)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時(shí)空變化方面有更大潛力、其核心思想是：通過互相關(guān)技術(shù)求取隨機(jī)場中2個(gè)接收點(diǎn)間的格林函數(shù)、然后測(cè)量它們與 “參考格林函數(shù)”之間的時(shí)間延遲變化來獲得介質(zhì)相對(duì)速度的變化、因此不依賴于地震震源。理論和實(shí)踐均已證實(shí)地震波場中2點(diǎn)間格林函數(shù)的存在(Derodeetal.、2003；Brenguieretal.、2008；Cupillardetal.、2011)。這是因?yàn)榈厍蛏辖^大多數(shù)的噪聲源具有面波特性。較長時(shí)間的背景噪聲互相關(guān)函數(shù)、可以使隨機(jī)場中的噪聲源和地殼內(nèi)地震波散射的非均勻性得到足夠的平均、從而保證格林函數(shù)的有效性(Shapiroetal.、2004；Sabra、2005；Stehlyetal.、2006)。此外、Wapenaar等(2006)在理論上證明了如何通過2個(gè)地震臺(tái)站間的互相關(guān)函數(shù)來提取全格林函數(shù)。實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試還表明、測(cè)量相對(duì)速度變化時(shí)、僅需有一定比例的噪聲源保持穩(wěn)定就可以獲得可靠的結(jié)果、時(shí)間上的辨別率僅受獲取到穩(wěn)定相關(guān)格林函數(shù)所需時(shí)間的約束(Hadziioannouetal.、2009)。在2個(gè)臺(tái)站重合的極端情況下、互相關(guān)函數(shù)就轉(zhuǎn)換為單個(gè)臺(tái)站的自相關(guān)函數(shù)、代表源和接收點(diǎn)在相同位置上產(chǎn)生的地震響應(yīng)(Sens-Sch?nfelderetal.、2006、2011；趙盼盼等、2012)。

目前、背景噪聲互相關(guān)或自相關(guān)技術(shù)已在全球許多地區(qū)得到了應(yīng)用。Brenguier等(2008)利用2002—2007年間的連續(xù)記錄對(duì)圣安德烈斷裂帶(San Andreas Fault)的地殼相對(duì)速度研究發(fā)現(xiàn)、2004年帕克菲爾德M6.0地震后、地殼相對(duì)速度突然下降了0.08%、并持續(xù)近3a的相對(duì)低值。運(yùn)用互相關(guān)技術(shù)、地震學(xué)家們?cè)诨鹕降貐^(qū)觀測(cè)到地震波相對(duì)波速的季節(jié)性變化、單天測(cè)量精度能達(dá)到0.1%(Sens-Sch?nfelderetal.、2006；Brenguieretal.、2011)；甚至還觀測(cè)到月球表面介質(zhì)的相對(duì)速度變化與太陽周期性照射月球表面所引起的溫度變化相關(guān)(Sens-Sch?nfelderetal.、2008)。蘇門答臘2004—2007年強(qiáng)震群發(fā)生后、震源區(qū)介質(zhì)性質(zhì)變化引起的面波走時(shí)擾動(dòng)最大約為1.42s(Xuetal.、2009)。在國內(nèi)、劉志坤等(2010)發(fā)現(xiàn)2008年汶川地震后、震源區(qū)的地震波速度急劇降低、最大降幅達(dá)0.4%。Wegler等(2007)利用自相關(guān)函數(shù)提取的震源-臺(tái)站間格林函數(shù)、也發(fā)現(xiàn)Mid-NiigataMW6.6地震后震源區(qū)的地殼相對(duì)速度急劇下降、降幅約為0.6%。運(yùn)用相似方法、Maeda(2010)認(rèn)為在地?zé)釁^(qū)由密集震群引起的地殼速度變化與震群中地震震級(jí)的大小有很好的一致性、趨勢(shì)性變化與深部的流體含量相關(guān)。汶川地震后不同塊體內(nèi)部間、自相關(guān)格林函數(shù)的同震速度相對(duì)變化存在明顯差異(趙盼盼等、2012)。相比于互相關(guān)格林函數(shù)、自相關(guān)格林函數(shù)理論上包含了散射波場的信息、對(duì)靠近臺(tái)站附近的介質(zhì)變化更加敏感(Ugaldeetal.、2014)。

四川省地震臺(tái)網(wǎng)有3個(gè)寬頻帶固定臺(tái)站恰好位于蘆山地震震源區(qū)、這為運(yùn)用自相關(guān)函數(shù)方法研究較長時(shí)間尺度內(nèi)震源區(qū)介質(zhì)物理性質(zhì)的變化提供了很好的條件。于是、本文將根據(jù)這3個(gè)臺(tái)站地震前、后各1a時(shí)間尺度內(nèi)的連續(xù)記錄來研究震源區(qū)地殼相對(duì)速度的時(shí)空變化規(guī)律、并結(jié)合已有的發(fā)震機(jī)理、破裂過程、精定位等研究成果、詳細(xì)探討引起這種變化的原因。

1　蘆山地震簡述

據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定、蘆山地震的發(fā)震時(shí)刻：2013 年4 月20 日8 時(shí)2 分46s(北京時(shí)間)；震級(jí)：M7.0；震中位置：30.3°N、103.0°E；震源深度：13.0km。截止到2013年6月23日16時(shí)、據(jù)四川省地震臺(tái)網(wǎng)中心統(tǒng)計(jì)、共記錄到余震10 799次、其中3.0級(jí)以上余震135次、包括5.0～5.9級(jí)4次、4.0～4.9級(jí)23次、3.0～3.9級(jí)地震108次。震后、許力生等(2013)運(yùn)用逆時(shí)成像技術(shù)研究認(rèn)為、主震起始破裂點(diǎn)位于 30.289°±0.005°N、102.946°±0.007°E；震源深度 (11.8±2.3)km。 除此之外、多個(gè)機(jī)構(gòu)和研究小組都對(duì)主震的震源機(jī)制和破裂過程進(jìn)行了研究、并取得了很多成果(表1、2)。

圖1　主震及余震序列的分布特征Fig. 1　The distribution of mainshock and aftershocks.a 主震震源機(jī)制(表1 中走向、傾角、滑動(dòng)角的平均值)及余震和本文所使用的臺(tái)站分布、其中黃色圓圈代表主震、黑色線條代表斷裂；F1 茂縣-汶川斷裂、F2 北川-映秀斷裂、F3 安縣-灌縣斷裂、F4 龍泉山斷裂(Xu et al.、2008)；b 雙差精定位后ML2.0以上地震沿走向的深度剖面圖(呂堅(jiān)等、2013)

蘆山地震發(fā)生于青藏高原東緣與華南地塊結(jié)合部上的龍門山斷裂帶西南段。 龍門山斷裂帶是1條長約500km、寬30～50km 沿NE-SW向展布的巨大斷裂帶、包含了多條斷裂(圖1a)；其斷層滑動(dòng)以逆沖為主、兼具右旋走滑分量。 在龍門山斷裂帶的東北段、右旋走滑分量更大(鄧起東等、1994；Xuetal.、2008)。呂堅(jiān)等(2013)推測(cè)蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造為龍門山山前斷裂(亦稱安縣-灌縣斷裂、圖1a中的F3)、也不排除主震震中東側(cè)還存在1條未知的基底斷裂發(fā)震的可能性。震源區(qū)的快剪切波偏振方向明顯偏向EW、表明此次地震與區(qū)域內(nèi)青藏塊體整體向E推擠受到成都盆地的阻擋有關(guān)(高原等、2013)。蘆山地震是繼2008年汶川地震后在龍門山推覆構(gòu)造帶上發(fā)生的最強(qiáng)地震、2次地震的震中位置相距約85km、余震帶之間的最小距離約45km、但是否屬于汶川地震的余震仍有爭議(陳運(yùn)泰等、2013；劉杰等、2013；王衛(wèi)民等、2013)。對(duì)于蘆山地震、采用不同方法得到的震源機(jī)制解結(jié)果較為一致(表1)。節(jié)面I的走向與龍門山斷裂帶的走向(NE-SW)基本一致、且后續(xù)余震也大致沿NE-SW向分布，因此普遍推測(cè)節(jié)面Ⅰ為斷層面，是1次以逆沖為主兼具一些右旋走滑分量的地震。不過、徐錫偉等(2013)則認(rèn)為蘆山地震是1次典型的發(fā)生在擠壓褶皺區(qū)深部尚未出露地表的盲逆沖性地震。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)選取

四川省地震臺(tái)網(wǎng)的寶興臺(tái)(BAX)、蒙頂山臺(tái)(MDS)、天全臺(tái)(TQU)3個(gè)固定臺(tái)站恰好位于蘆山地震震中附近、它們距許力生等(2013)獲得的震中位置分別約為15.7km、20.5km、29.6km、分布于不同方位(圖1a)。3個(gè)臺(tái)站均配置寬頻帶數(shù)字地震計(jì)、頻帶響應(yīng)范圍為0.02～60s、采樣率為100 sps。本文選取的連續(xù)波形記錄時(shí)間為2012年4月20日至2014年4月20日(鄭秀芬等、2009)。進(jìn)行自相關(guān)函數(shù)計(jì)算前、首先采用功率譜概率密度函數(shù)(Power Spectral Density Probability Density Functions、以下簡稱PDFs)方法對(duì)數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估(以d為單位)。該方法可以對(duì)連續(xù)記錄中的階躍、瞬態(tài)變化(如地震信號(hào)或毛刺)以及儀器故障所引起的失真信號(hào)等進(jìn)行有效評(píng)估、從而對(duì)數(shù)據(jù)的可用性進(jìn)行判斷(McNamaraetal.、2005；王俊等、2013a)。

以MDS臺(tái)為例(圖2)、可以看到大部分背景噪聲的加速度功率譜分布在新地球噪聲模型(NLNM、NHNM)(Peterson、1993)之間。 圖2a中的黃色曲線是分布概率為95%的上限包絡(luò)線、表明記錄良好的數(shù)據(jù)占絕大多數(shù)、可用性較高。上限包絡(luò)線以外所對(duì)應(yīng)的功率譜的天數(shù)分布如圖2b中的紅色豎線所示(即為不可用的數(shù)據(jù))。經(jīng)計(jì)算BAX臺(tái)、TQU臺(tái)背景噪聲可用的PDFs概率分別約為93%、96%。從PDFs結(jié)果中還可以看出0.1～1Hz、2～5Hz頻率內(nèi)的概率值相對(duì)較高、表明這2個(gè)頻率范圍內(nèi)的噪聲源更為穩(wěn)定。于是、本文僅計(jì)算PDFs上限包絡(luò)線以內(nèi)的、上述2個(gè)頻帶內(nèi)的自相關(guān)函數(shù)。

圖2　蒙頂山臺(tái)(MDS)2012年4月20日至2014年4月20日的背景噪聲PDFs分析結(jié)果Fig. 2　The PDFs results of ambient seismic noise from April 20、2012 to April 20、2014 recorded by the seismic station MDS.

2.2方法

2.2.1提取背景噪聲自相關(guān)格林函數(shù)

研究證實(shí)背景噪聲互相關(guān)格林函數(shù)中、除包含面波外、還包括直達(dá)波和散射波。格林函數(shù)尾波中包含的散射路徑信息、是對(duì)臺(tái)站間介質(zhì)較為全面的采樣、它比直達(dá)波對(duì)介質(zhì)性質(zhì)變化的靈敏度更高、因此可以用來監(jiān)測(cè)介質(zhì)的微弱變化(Roux、2005、2009)。如何在隨機(jī)場中提取2個(gè)接收點(diǎn)間的互相關(guān)格林函數(shù)、許多學(xué)者都給出過理論推導(dǎo)。其中Sabra(2005)給出了時(shí)域中2個(gè)地震臺(tái)站間背景噪聲互相關(guān)格林函數(shù)的近似關(guān)系式：

(1)

式(1)中、格林函數(shù)Gij(r1；r2，t)表示在臺(tái)站1(r1)處i方向上1個(gè)單位脈沖位移到臺(tái)站2(r2)處j方向的位移響應(yīng)；互相關(guān)函數(shù)Cij是通過在整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)(T)進(jìn)行積分計(jì)算獲得的。2個(gè)臺(tái)站重合的極端情況下、互相關(guān)算法就轉(zhuǎn)換為單個(gè)臺(tái)站的自相關(guān)算法、表示源和接收點(diǎn)在相同位置上產(chǎn)生的地震響應(yīng)。信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)可以表示為式(2)：

(2)

自相關(guān)格林函數(shù)是用自相關(guān)函數(shù)自身來近似的、求導(dǎo)過程中只會(huì)引起相位偏移、因此不影響信號(hào)中相對(duì)速度變化的檢測(cè)。與互相關(guān)格林函數(shù)相比、不同之處在于它反映的是信號(hào)源和記錄臺(tái)站在同一點(diǎn)的情況。因此、對(duì)靠近臺(tái)站附近的介質(zhì)更加敏感、能夠得到較淺層介質(zhì)變化的響應(yīng)。

2.2.2相對(duì)速度的測(cè)定

測(cè)量相對(duì)速度時(shí)采用的具體方法可歸納為2種、一種是頻域內(nèi)的滑動(dòng)窗互譜分析、另一種是時(shí)域里拉伸(或壓縮)的方法。Hadziioannou 等(2009)對(duì)這2種方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試評(píng)估后、認(rèn)為它們對(duì)速度擾動(dòng)的靈敏度基本相當(dāng)、但在基于背景噪聲的相對(duì)速度擾動(dòng)測(cè)量中、拉伸(或壓縮)技術(shù)的穩(wěn)定性優(yōu)于滑動(dòng)窗互譜技術(shù)。它是將相對(duì)延遲時(shí)間當(dāng)作1個(gè)因子ε、通過該因子沿時(shí)間軸拉伸或壓縮其中1條記錄線、以求取與其他記錄線之間的最佳互相關(guān)、故稱為拉伸或壓縮方法。該方法有2個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一、δτ/τ不需要太??；第二、與優(yōu)勢(shì)波長相比、δτ自身也不必太小。因此可采用更長、更滯后的時(shí)間窗來使估算結(jié)果更穩(wěn)定。

(3)

2.2.3單臺(tái)數(shù)據(jù)預(yù)處理

計(jì)算自相關(guān)函數(shù)前、需對(duì)經(jīng)PDFs方法篩選出的單臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理、以去除記錄中非平穩(wěn)信號(hào)的影響、具體步驟為：

(1)扣除儀器響應(yīng)和線性趨勢(shì)；

(2)將每一天的連續(xù)波形數(shù)據(jù)按00:00:00 —24:00:00進(jìn)行相對(duì)同步和截?cái)啵?/p>

(3)利用4階的Butterworth濾波器分別進(jìn)行0.1～1Hz、2～5Hz的帶通濾波；

(4)采用時(shí)域內(nèi)的滑動(dòng)窗絕對(duì)均值歸一化法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理、歸一化權(quán)重因子定義為

(4)

3　計(jì)算結(jié)果

3.1震源區(qū)地殼相對(duì)速度的時(shí)空變化特征

測(cè)量各個(gè)臺(tái)站自相關(guān)格林函數(shù)的相對(duì)走時(shí)前、還必須確定出每個(gè)臺(tái)站的 “參考格林函數(shù)”。“參考格林函數(shù)”的確定一般由長時(shí)間尺度(至少1a以上)的相關(guān)函數(shù)疊加得到、這是為了最大限度地減小隨機(jī)噪聲源變化的影響(Campilloetal.、2003)。本文中 “參考格林函數(shù)”(圖3a)是疊加各個(gè)臺(tái)站24個(gè)月的自相關(guān)函數(shù)來確定的。研究表明、從疊加時(shí)間為21個(gè)月的背景噪聲相關(guān)函數(shù)中提取的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)與實(shí)際的地震面波一致(鄭現(xiàn)等、2013)。據(jù)此說明本文確定的 “參考格林函數(shù)”是可信的。此外、為提高信噪比以確保每一天相對(duì)走時(shí)的測(cè)量精度、通常還采用沿時(shí)間軸滑動(dòng)疊加一定窗長內(nèi)的相關(guān)函數(shù)來代表該天的格林函數(shù)。理論上窗越長信噪比越高、但同時(shí)犧牲的個(gè)體差異也越大、當(dāng)窗長為10d時(shí)信噪比提高的比例最大(王俊等、2013b)。于是、本文使用這一取值來滑動(dòng)疊加求取每一天的格林函數(shù)。疊加后獲得的格林函數(shù)與 “參考格林函數(shù)”之間互相關(guān)系數(shù)>0.95的比例能達(dá)98%(圖3c)。

圖3　寶興臺(tái)(BAX)0.1～1Hz頻率范圍內(nèi)的自相關(guān)函數(shù)結(jié)果Fig. 3　The autocorrelation functions for seismic station BAX in the 0.1-1Hz frequency range.a 寶興臺(tái)(BAX)0.1～1Hz頻率范圍內(nèi)的自相關(guān) “參考格林函數(shù)”；b 單天自相關(guān)格林函數(shù)與 “參考格林函數(shù)”之間的互相關(guān)系數(shù)、箭頭處為蘆山地震發(fā)生的時(shí)間；c 2012年4月20日至2014年4月20日的自相關(guān)函數(shù)

至少需要在3個(gè)波長內(nèi)才能獲得較為可靠的相對(duì)速度結(jié)果。我們參照Ugalde等(2014)的做法、測(cè)量時(shí)窗長取各頻帶范圍最大周期的3倍、起始位置位于最大周期的2倍處、即對(duì)于0.1～1Hz的測(cè)量時(shí)窗為20～50s；但對(duì)于2～5Hz、一般取>2s后的2～4s或4～6s。下限時(shí)間的設(shè)置是為了排除靠近接收點(diǎn)處的散射波、上限對(duì)應(yīng)于尾波相干性減小時(shí)的時(shí)間。最后、通過網(wǎng)格搜索方式的拉伸(或壓縮)方法、在-5%～5%的范圍內(nèi)以Δε=0.01%的間隔測(cè)量每1d的相對(duì)速度變化ε。只保留與 “參考格林函數(shù)”之間互相關(guān)系數(shù)>0.95的單天結(jié)果。

圖4　寶興臺(tái)(BAX)地殼相對(duì)速度隨時(shí)間的變化、箭頭表示蘆山地震發(fā)生的時(shí)間Fig. 4　Relative velocity variations with time for seismic station BAX、arrows for the Lushan earthquake occurrence time.a 三分量相關(guān)函數(shù)疊加的測(cè)量結(jié)果；b 僅垂直分量相關(guān)函數(shù)疊加的測(cè)量結(jié)果

圖5　3個(gè)臺(tái)站分別在0.1～1Hz和2～5Hz內(nèi)的地殼相對(duì)速度變化 Fig. 5　Relative velocity variations at 3 stations for the frequency range 0.1-1Hz and 2-5Hz.

圖6　0.1～1Hz頻率范圍內(nèi)3個(gè)臺(tái)站最大相對(duì)速度降的空間分布 Fig. 6　Spatial distribution of the largest velocity drop in the frequency range of 0.1-1Hz of the three stations.圓圈的半徑為20km；黃色五角星為主震位置

0.1～1Hz頻率范圍內(nèi)相對(duì)速度的測(cè)量結(jié)果顯示(圖5a)：蘆山地震后BAX、MDS、TQU 3個(gè)臺(tái)站的地殼相對(duì)速度均有不同程度的下降(綠色短線所示)；其中震中西北方向的BAX臺(tái)下降最為明顯、震后100d內(nèi)持續(xù)下降、約在2013年7月30日左右達(dá)到最大速度降、約為0.6%、標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.041%；震中東南方向的MDS臺(tái)在震后約50d出現(xiàn)最大波速降、約為0.4%、標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.05%；震中西南方向的TQU臺(tái)、相對(duì)速度下降量最小、出現(xiàn)在震后約40d、約為0.2%、標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.019%。

假定面波速度為 2km/s時(shí)、0.2～0.5Hz頻率范圍的面波、在10～25s走時(shí)內(nèi)測(cè)量的相對(duì)速度變化能反映出半徑約10km、深度約4km的區(qū)域內(nèi)的介質(zhì)變化(Maeda、2010; Ugaldeetal.、2014)。本文中0.1～1Hz的頻帶寬度、能反映的區(qū)域半徑應(yīng)約為20km(圖6)、最大敏感深度約為10km。自相關(guān)格林函數(shù)在時(shí)間上的延遲主要是由于觀測(cè)點(diǎn)下方的地殼介質(zhì)地震波速變化引起的、引起這種變化的物理機(jī)制可能主要有以下3種(Poupinetetal.、1984；Sens-Sch?nfelderetal.、2006；Wegleretal.、2007；Brenguieretal.、2008)：1)強(qiáng)地震后引起斷層區(qū)及周邊地殼介質(zhì)的應(yīng)力變化；2)由強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)引起的近地表破壞；3)近地表的水飽和度或地下水位變化。

空間分布上、相對(duì)速度下降量從大到小的順序依次為BAX臺(tái)、MDS臺(tái)、TQU臺(tái)(圖6)。根據(jù)破裂過程反演結(jié)果推測(cè)主震是1次以逆沖為主的地震、破壞最嚴(yán)重的區(qū)域應(yīng)主要位于發(fā)震斷層上盤的寶興、蘆山地區(qū)(張勇等、2013)。實(shí)際調(diào)查也證實(shí)、寶興、蘆山為極震區(qū)、烈度達(dá)到Ⅷ—Ⅸ度(孟令媛等、2013)。王衛(wèi)民等(2013)反演獲得震中附近區(qū)域的斷層滑動(dòng)量最大(深度約為10.2km)、約為1.59m；MDS臺(tái)附近區(qū)域的斷層滑移量仍處在較高的水平、約有60cm；TQU臺(tái)附近區(qū)域的斷層滑移量則<10cm。對(duì)比發(fā)現(xiàn)、總體上斷層破裂強(qiáng)度大的區(qū)域、相對(duì)速度下降明顯。采用主事件法對(duì)M1.0以上的余震重定位后、發(fā)現(xiàn)東北方向的余震展布寬度大于西南方向(圖1a)、意味著東北方向的破裂程度要強(qiáng)于西南方向。沿走向剖面分布的ML2.0以上的余震序列顯示(圖1b)、斷層面北端的地震密度明顯大于西南方向、且在BAX臺(tái)、MDS臺(tái)下方10km的深度范圍內(nèi)、仍有一定數(shù)量的余震、說明在這2個(gè)臺(tái)站的下方此深度范圍內(nèi)仍有破裂發(fā)生、而TQU臺(tái)站下方整個(gè)深度范圍幾乎沒有余震分布。蘆山地震的破裂斷層還具有1個(gè)明顯的特征、即破裂過程沒有表現(xiàn)出明顯的方向性、震源尺度僅約為30km×30km(呂堅(jiān)等、2013；張勇等、2013)；于是、從距震中的距離看、BAX臺(tái)、MDS臺(tái)分別為15.7km和20.5km、也基本上仍處在破裂尺度范圍內(nèi)、而TQU臺(tái)(距震中29.6km)則位于破裂尺度之外?？梢钥闯鲞@些破裂特征與相對(duì)速度在空間上的變化有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

此外、考慮震中位置、震源區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景以及震源機(jī)制解校正后的峰值加速結(jié)果顯示(陳鯤等、2013)：BAX臺(tái)、MDS臺(tái)均位于400～500cm/s2的區(qū)域、TQU臺(tái)經(jīng)過校正后峰值加速度值約為395cm/s2。這意味著3個(gè)臺(tái)站的峰值加速度值比較接近、但震后的相對(duì)速度變化卻存在明顯差異、說明強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)造成的近地表破壞、與0.1～1Hz頻段范圍內(nèi)相對(duì)速度變化之間沒有很好的一致性。

從圖5a還發(fā)現(xiàn)3個(gè)臺(tái)站的最大速度降的出現(xiàn)時(shí)間并不同步、分別約在震后40～100d內(nèi)相繼出現(xiàn)。汶川地震后震源區(qū)的最大相對(duì)速度降也是在震后1～4個(gè)月內(nèi)出現(xiàn)(劉志坤等、2010)。兩者具有相似特征、即最大相對(duì)速度變化不是在震后立即出現(xiàn)的、而要滯后一段時(shí)間。這一時(shí)間段內(nèi)強(qiáng)余震發(fā)生頻度最高、如圖5 中M3.0以上地震的M-T圖所示。因此推測(cè)這種滯后現(xiàn)象可能與強(qiáng)余震的發(fā)生有關(guān)、強(qiáng)余震加劇了震源區(qū)介質(zhì)進(jìn)一步破壞的可能性、并同時(shí)受到強(qiáng)余震的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)應(yīng)力的作用、從而造成介質(zhì)物理性質(zhì)的持續(xù)性變化。震后相對(duì)速度恢復(fù)至零線附近的過程整體上也是1個(gè)緩慢的過程、其中BAX臺(tái)在最大速度降之后約2個(gè)月恢復(fù)到零線附近、MDS臺(tái)在最大速度降出現(xiàn)后3個(gè)月左右恢復(fù)至零線附近、而TQU臺(tái)則僅是從震前的相對(duì)高值下降至零線附近、未明顯下降到零線以下、并在震后持續(xù)近1a的時(shí)間、這或許是TQU臺(tái)附近應(yīng)力釋放不完全的一種體現(xiàn)。林向東等(2013)認(rèn)為蘆山地震的破裂沒有貫通汶川地震破裂的南端、也沒有觸發(fā)同為龍門山斷裂構(gòu)造單元西南端的茂縣-汶川斷裂(圖1 中的F1)與北川-映秀斷裂(圖1 中的F2)的活動(dòng)、因此也推測(cè)蘆山地震的發(fā)生僅僅是應(yīng)力的局部釋放。我們還注意到，位于青藏地塊的BAX臺(tái)的恢復(fù)速率(最大下降速度/恢復(fù)時(shí)間)明顯高于位于四川盆地的MDS臺(tái)。

綜合上述分析、認(rèn)為由0.1～1Hz頻率范圍內(nèi)自相關(guān)格林函數(shù)獲得的地殼相對(duì)速度變化、主要是震后松弛效應(yīng)引起震源區(qū)淺層地殼介質(zhì)的應(yīng)力緩慢變化引起的。

圖7　蘆山地震的同震應(yīng)變場Fig. 7　The volumetric strain change caused by Lushan earthquake.a 蘆山地震的有限斷層位錯(cuò)模型；b 蘆山地震的同震應(yīng)變場；紅色代表膨脹區(qū)、藍(lán)色代表壓縮區(qū)

此外、我們還計(jì)算了高頻段內(nèi)的自相關(guān)格林函數(shù)(2～5Hz)、該頻帶通常包含被散射尾波、更適合于揭示小時(shí)間尺度的速度擾動(dòng)。走時(shí)在2～4s內(nèi)所反映的介質(zhì)區(qū)域半徑約為2.5km、最大敏感深度約為1km(Sens-Sch?nfelderetal.、2006；Wegleretal.、2007)。從圖5b中未觀測(cè)到蘆山地震后3個(gè)臺(tái)站有明顯的同震相對(duì)速度變化特征。通過7階線性擬合后、呈現(xiàn)出較大時(shí)間尺度的周期性變化(圖5b中的紅色曲線)、約半年1次的季節(jié)性變化特征明顯。3個(gè)臺(tái)的最大變化幅度基本相當(dāng)、約為0.3%、平均標(biāo)準(zhǔn)偏差約為0.026%。類似的結(jié)果、Sens-Sch?nfelder等(2006)認(rèn)為這種變化與地下水位的變化相關(guān)；Ugalde等(2014)解釋為與當(dāng)?shù)丶竟?jié)性的流體飽和相關(guān)的空隙壓力相關(guān)。

3.2地殼相對(duì)速度與同震體應(yīng)變的關(guān)系

根據(jù)已有的斷層位錯(cuò)模型(王衛(wèi)民等、2013)、取表1 中節(jié)面I走向、傾角、滑動(dòng)角的平均值為發(fā)震斷層節(jié)面解、重新構(gòu)建斷層位錯(cuò)模型(圖7a)、并在考慮震源區(qū)平均主壓應(yīng)力方向約為112°(趙博等、2013)的情況下、采用Coulomb3.0軟件計(jì)算了深度12km處蘆山地震產(chǎn)生的同震應(yīng)變場(EXX+EYY+EZZ方向)(Linetal.、2004)。有效摩擦系數(shù)參照單斌等(2013)計(jì)算蘆山地震庫倫應(yīng)力變化時(shí)的取值0.4。結(jié)果如圖7b所示、可以看出沿?cái)鄬觾蓚?cè)的區(qū)域?yàn)榕蛎泤^(qū)、斷層兩端以壓縮為主。地殼相對(duì)速度(0.1～1Hz)下降最大的BAX臺(tái)和MDS臺(tái)均位于體應(yīng)變膨脹區(qū)、體應(yīng)變量分別約為0.4×10-6、0.15×10-6；速度下降最小的TQU臺(tái)則位于壓縮區(qū)、體應(yīng)變量-0.1 ×10-6。數(shù)值上、體應(yīng)變量與相對(duì)速度的減小量之間存在一定的線性比例關(guān)系、在體應(yīng)變膨脹區(qū)的相對(duì)速度減小明顯。表明同震體應(yīng)變與地殼相對(duì)速度變化之間有緊密的聯(lián)系、這也從另一角度反映出、對(duì)于淺層地殼介質(zhì)、地震引起的靜態(tài)應(yīng)力變化是造成地殼相對(duì)速度變化的1個(gè)重要原因。研究表明、汶川地震后也有類似的特征(趙盼盼等、2012)；Ueno等(2012)在震群期間體應(yīng)變超過10-6的區(qū)域、觀測(cè)到超過-0.3%的相對(duì)速度下降。Wegler等(2009)在體應(yīng)變約為-0.8 ×10-7～3.3×10-6的震源區(qū)內(nèi)、也觀測(cè)到-0.2%～-0.5%的速度降。這些結(jié)果量級(jí)上與本文的結(jié)果基本相當(dāng)。

4　討論與結(jié)論

4.1討論

本文利用0.1～1Hz和2～5Hz頻率范圍內(nèi)的背景噪聲自相關(guān)函數(shù)分析了蘆山地震震源區(qū)的地殼相對(duì)速度變化、即同時(shí)應(yīng)用了面波和尾波信號(hào)、尾波一般被認(rèn)為是多次散射的結(jié)果(Snieder、2002; Wegleretal.，2009)。通過設(shè)置測(cè)量時(shí)窗的范圍、可使得測(cè)量結(jié)果能反映出一定深度范圍內(nèi)區(qū)域介質(zhì)特性的變化(Ugaldeetal.、2014)。但由于地震波傳播路徑的復(fù)雜性、它們影響的范圍是臺(tái)站周圍一定范圍內(nèi)的三維空間；因此、在準(zhǔn)確判別影響地震波速度變化的因素和物理機(jī)制上存在一定的不確定性。計(jì)算過程中、采用功率譜概率密度函數(shù)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、有效地保證了計(jì)算結(jié)果的可信度。不過、采用10d尺度的窗長疊加結(jié)果來代表單天的格林函數(shù)、在提高波形之間相關(guān)系數(shù)的同時(shí)、一定程度上也忽略了每1條格林函數(shù)之間的個(gè)體差異、以至于測(cè)量結(jié)果在反映介質(zhì)性質(zhì)隨時(shí)間的變化特征上存在一定的失真效應(yīng)、但它不影響測(cè)量結(jié)果整體上趨勢(shì)性變化的真實(shí)性。此外、由于是采用單臺(tái)自相關(guān)函數(shù)、而非采用臺(tái)站對(duì)間的互相關(guān)函數(shù)、并且測(cè)量的是相對(duì)延時(shí)、因此避免了數(shù)據(jù)記錄中時(shí)間誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。這種影響在互相關(guān)格林函數(shù)走時(shí)的測(cè)量中是必須考慮的因素(Stehlyetal.、2007)。

從圖5a中、我們還注意到在震前很長一段時(shí)間內(nèi)(約自2012年8月開始)3個(gè)臺(tái)站的相對(duì)變化水平基本處在零線以上、約在震前2個(gè)月左右的時(shí)間內(nèi)存在明顯的上升現(xiàn)象、幅度約為0.2%(圖5a中的紅色短線)、尤其是MDS臺(tái)和TQU臺(tái)在幅度和時(shí)間上的同步特征十分一致。盡管這一水平與季節(jié)性變化的水平相當(dāng)、但結(jié)合整體的背景變化特征來看、它與正常的季節(jié)性背景波動(dòng)之間是有差別的、正常情況下這一時(shí)段的背景變化應(yīng)該為相對(duì)減小。BAX臺(tái)持續(xù)上升的特征相對(duì)較弱、但仍能在震前2個(gè)月內(nèi)觀察到2組清晰的上升現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在其他學(xué)者的研究中也存在、如Mid-NiigataMW6.6地震前在震源區(qū)觀測(cè)到地殼相對(duì)速度有緩慢的上升(Wegleretal.、2007)。在汶川地震前約200d的時(shí)間內(nèi)、震源區(qū)的地殼速度也表現(xiàn)出不同程度的增加(趙盼盼等、2012)。不過、夏英杰等(2011)認(rèn)為汶川地震前地脈動(dòng)能量的增強(qiáng)與臺(tái)風(fēng)活動(dòng)有關(guān)。易桂喜等(2013)認(rèn)為蘆山地震的發(fā)生主要是龍門山斷裂帶南段本身已積累較高應(yīng)力所致、指出尤其是2012年10月19日天全—蘆山間ML4.6地震的視應(yīng)力值異常高、反映出毗鄰龍門山斷裂帶南段的四川盆地區(qū)域應(yīng)力水平相對(duì)較高。根據(jù)目前的研究結(jié)果、難以確定這些相對(duì)上升現(xiàn)象是否與震前震源區(qū)的應(yīng)力積累過程有直接關(guān)系、但這些現(xiàn)象是值得持續(xù)關(guān)注和深入研究的。

地殼淺部相對(duì)速度(0.1～1Hz)明顯下降的區(qū)域與同震體應(yīng)變的膨脹區(qū)相吻合、這與其他地區(qū)的研究結(jié)果相近、或許表明同震體應(yīng)變對(duì)震源區(qū)地殼相對(duì)速度變化的影響是普遍存在的事實(shí)。有學(xué)者還認(rèn)為利用高密度臺(tái)站的相關(guān)速度變化、也許不僅可以測(cè)量大尺度的平均地殼速度變化、還可以探測(cè)到空間尺度較小的同震應(yīng)力變化、從本文結(jié)果中似乎也看到了這一跡象。不過利用相關(guān)函數(shù)方法獲得的時(shí)間分辨尺度為10～30d、而同震體應(yīng)變或應(yīng)力場變化則是更小時(shí)間尺度內(nèi)的瞬態(tài)變化。它在震后整個(gè)相對(duì)速度變化過程中是否占主導(dǎo)作用也仍不能完全確定。

此外、還需要說明一點(diǎn)、本文測(cè)量相對(duì)速度變化采用的拉伸(或壓縮)技術(shù)、假定了波形是線性拉伸(或壓縮)的、也就是說計(jì)算結(jié)果中沒有考慮介質(zhì)非均勻速度變化的影響。這幾乎也是每一種方法都要面臨的問題、即精度和準(zhǔn)度之間的折衷關(guān)系。但根據(jù)本文的計(jì)算結(jié)果、可以看到為獲得地殼介質(zhì)性質(zhì)時(shí)空變化規(guī)律而采取的這一折衷是值得的。

4.2結(jié)論

本文根據(jù)3個(gè)位于蘆山地震震中區(qū)附近臺(tái)站記錄的連續(xù)波形、研究了蘆山地震震源區(qū)2012年4月20日至2014年4月20日期間地殼相對(duì)速度的時(shí)空變化。結(jié)果顯示：由0.1～1Hz頻率范圍內(nèi)自相關(guān)格林函數(shù)測(cè)得的地殼相對(duì)速度、在震后一段時(shí)間內(nèi)3個(gè)臺(tái)站均有明顯下降。其中、震中西北方向的BAX臺(tái)下降量最大、約達(dá)到0.6%；其次是震中東南方向的MDS臺(tái)、下降約0.4%；西南方向的TQU臺(tái)下降最小、約為0.2%。對(duì)介質(zhì)的敏感深度范圍約為10km。空間上、相對(duì)速度下降明顯的區(qū)域與震源破裂強(qiáng)度大的區(qū)域以及同震體應(yīng)變的膨脹區(qū)之間有很好的一致性。最大速度降分別在震后的40～100d內(nèi)相繼出現(xiàn)、相對(duì)速度的恢復(fù)過程與強(qiáng)余震的衰減有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。認(rèn)為這種相對(duì)變化主要是由主震及強(qiáng)余震在一定深度范圍內(nèi)造成斷層區(qū)內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞和周圍應(yīng)力變化引起的。而在2～5Hz頻率范圍內(nèi)測(cè)得的相對(duì)速度、3個(gè)臺(tái)站均未表現(xiàn)出明顯的同震效應(yīng)、但季節(jié)性的變化趨勢(shì)明顯、尤其是半年1次的變化特征、平均最大變化幅度約為0.3%。它對(duì)介質(zhì)的敏感深度范圍約1km、但與強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)引起的地表破壞之間沒有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系、推測(cè)這種變化可能與當(dāng)?shù)丶竟?jié)性的流體飽和相關(guān)。

致謝中國地震局地球物理研究所 “國家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本研究提供了連續(xù)波形數(shù)據(jù)、余震序列的雙差精定位結(jié)果由江西省地震局的呂堅(jiān)提供、在此一并表示衷心感謝!

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Abstract

According to continuous waveform recorded by three seismic stations(BAX、MDS、TQU)in the epicentral area of the Lushan earthquake、the paper studied the spatial and temporal variations of the relative velocity of the earth’s crust during April 20、2012 to April 20、2014. The distance of the stations from the epicenter is about 15.7km、20.5km、29.6km、respectively. Results show that the relative velocity of the earth’s crust significantly decreased after the earthquake at the three stations from autocorrelation Green’s function at 0.1-1Hz frequency range. The largest velocity drop is about 0.6% at station BAX on the northwest of the epicenter、the second largest drop is at station MDS on the southeast of the epicenter、which is about 0.4%、and the minimum velocity drop is measured at seismic station TQU、about 0.2%、with a depth sensitivity range of about 10km. In space、the relative velocity changes have good consistency with the characteristics of source rupture and coseismic volume strain changes. The maximum velocity drop appeared in 40 to 100 days after the earthquake、respectively; the recovery process of relative velocity shows a better correspondence with decay of aftershocks. The results support that the temporal change of seismic velocity may be related to the damage from fault rupture and stress change around the fault zone. For higher frequencies(2-5Hz)、there are no obvious coseismic velocity changes in all three stations、but seasonal variations are observed、especially the semi-annual variation、with an average maximum change rate of about 0.3%. The depth sensitivity range of the change is about 1km. However、it does not have good corresponding relation with the near-surface damage caused by strong ground motion.

TEMPORAL VELOCITY CHANGES IN THE CRUST ASSOCIATED WITH THE LUSHANMS7.0 EARTHQUAKE BY AUTO-CORRELATION FUNCTION ANALYSIS OF AMBIENT NOISE

WANG Jun1)ZHENG Ding-chang2，3)ZHENG Jiang-rong1)ZHAN Xiao-yan1)JIANG Hao-lin1)LI Zheng-kai1)ZHANG Jin-chuan1)

1)EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince、Nanjing210014、China2)EarthquakeAdministrationofYunnanProvince、Kunming650224、China3)TheAustralianNationalUniversity、CanberraACT0200、Australian

Lushan earthquake、crust medium stress、coseismic volume strain、auto-correlation Green’s function

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.012

2015-02-05收稿、2015-10-08改回。

中國地震局地震科技星火計(jì)劃(XH15018Y)和測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年專項(xiàng)(20140330)共同資助。

P315.3+1

A

0253-4967(2016)01-0152-17

王俊、男、1982年生、2007年畢業(yè)于云南大學(xué)固體地球物理專業(yè)、高級(jí)工程師、主要從事數(shù)字地震監(jiān)測(cè)及研究、E-mail: wangjun1099@hotmail.com。