二維非均勻介質(zhì)地震波傳播的偽譜和有限差分混合方法的應(yīng)用研究

李少華王彥賓吳志堅(jiān)中國(guó)地震局蘭州地震研究所，蘭州 73000北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球物理學(xué)系，北京 100871

二維非均勻介質(zhì)地震波傳播的偽譜和有限差分混合方法的應(yīng)用研究

李少華1）王彥賓2）吳志堅(jiān)1）
1）中國(guó)地震局蘭州地震研究所，蘭州 73000
2）北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院地球物理學(xué)系，北京 100871

由于圍陷波產(chǎn)生于低速帶內(nèi)物質(zhì)與高速圍巖的界面上，在帶內(nèi)傳播時(shí)間較長(zhǎng)，因此它的振幅和頻率特征對(duì)斷層帶形態(tài)和帶內(nèi)物質(zhì)性質(zhì)敏感，對(duì)斷層帶圍陷波的觀測(cè)與分析能夠提供斷層帶精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要信息?；趥巫V法和有限差分混合數(shù)值模擬方法，開展了沉積層對(duì)隱伏斷裂帶圍陷波影響的研究，探討了沉積層厚度與圍陷波振幅之間的關(guān)系。

采用的數(shù)值計(jì)算方法為魏星等發(fā)展的模擬二維非均勻介質(zhì)地震波傳播的偽譜和有限差分混合方法。在模型兩側(cè)和模型底部，采用吸收邊界條件來(lái)消除人工邊界的影響，自由表面條件通過(guò)設(shè)置牽引力為零來(lái)滿足。所用的二維數(shù)值模型見圖1，模型的水平尺度2.56 km，深度5.5 km，設(shè)置斷層帶的寬度200 m，位于模型的中部。我們分別設(shè)置厚度20.0 m，50.0 m，100.0 m的沉積層，討論不同厚度沉積層對(duì)隱伏斷層帶圍陷波的影響。對(duì)包含覆蓋層的隱伏斷層模型進(jìn)行計(jì)算，圖2和圖3顯示了不同模型計(jì)算得到的地表理論地震圖。在沒有覆蓋層的情況下，看到圍巖上觀測(cè)到的直達(dá)波以及兩個(gè)水平界面的反射波與轉(zhuǎn)換波都很弱，與此形成明顯對(duì)比的是，斷層帶范圍內(nèi)，不論是水平分量，還是垂直分量，均可以看到明顯的斷層帶圍陷波，其特征表現(xiàn)為振幅明顯大于圍巖上，傳播的持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)。當(dāng)覆蓋層厚度為20.0 m時(shí)，圍巖中的地震波傳播到地表覆蓋層中時(shí)，由于覆蓋層速度很低，造成地震波在覆蓋層中的多次反射，形成圍巖上明顯增強(qiáng)的能量，其中水平分量強(qiáng)于垂直分量。當(dāng)覆蓋層厚度增加到50.0 m時(shí)，這種覆蓋層效應(yīng)更加明顯，由于厚度增加，圍陷波傳入軟弱覆蓋層中的能量增加，使得圍陷波的能量進(jìn)一步減弱。但是由于覆蓋層厚度較大，圍巖上覆蓋層內(nèi)的多次反射較弱，因此，圍巖上地震波的振幅和厚度較小的覆蓋層模型相比變?nèi)?，其中水平分量的變化更明顯。當(dāng)覆蓋層厚度增加到100.0 m時(shí)，圍陷波的能量更弱，其振幅和圍巖上的相比差別進(jìn)一步減小。從上述地震圖的比較，覆蓋層的存在使得斷層帶內(nèi)的圍陷波與圍巖上的地震波的差別減小，使得圍陷波的分辨變得困難，隨著覆蓋層厚度增加，這種趨勢(shì)更加明顯。

結(jié)果表明，由于斷層帶低速物質(zhì)與周圍高速圍巖之間產(chǎn)生的多次反射與相干疊加形成了斷層帶圍陷波，在沒有覆蓋層的情況下，和圍巖上相比，圍陷波振幅明顯增加，持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)。覆蓋層會(huì)顯著影響圍陷波的特征。和沒有覆蓋層的情況相比，覆蓋層會(huì)使圍巖上的地面運(yùn)動(dòng)振幅增大，圍陷波的部分能量會(huì)傳播到覆蓋層中，使得圍陷波的能量較小，隨著覆蓋層厚度增加，圍陷波的振幅越來(lái)越小，和圍巖上的振幅越來(lái)越接近，斷層帶圍陷波的分辨越來(lái)越困難。因此，在存在松軟沉積層的地區(qū)，如果開展隱伏斷層的圍陷波觀測(cè)，需要考慮覆蓋層厚度的影響。

圖1　斷層帶模型示意圖

圖2 不同模型計(jì)算理論地震圖水平分量（Ux）的比較

圖3 不同模型計(jì)算理論地震圖 垂直分量（Ux）的比較