2014年于田M_S7.3地震的疑似障礙體效應(yīng)

劉雙慶　陳向軍　王熠熙　王俊菲

摘要：利用新疆和田臺陣首波Pn段前4s的高頻波動形態(tài)，分析了2014年于田M_S7.3主震破裂初期幾個疑似破裂點(diǎn)的相對位置，給出兩種可能的初始破裂點(diǎn)運(yùn)動學(xué)擴(kuò)展模型。并利用震中距約58km的于田臺站數(shù)據(jù)進(jìn)一步對該模型進(jìn)行闡述。分析結(jié)果推測：此次于田大地震，其起始破裂點(diǎn)開始于一個水平各向異性較強(qiáng)的點(diǎn)位，在之后的3s內(nèi)破裂過程向各向異性相對較弱的區(qū)域發(fā)展，且破裂矢量略向南擴(kuò)展。

關(guān)鍵詞：和田臺陣；Pn段；破裂擴(kuò)展；障礙體

中圖分類號：P315.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）02-0295-08

O 引言

2014年2月12日17時19分48秒，在新疆于田（36.123°N，82.499°E）發(fā)生了M_S7.3大地震。這次地震震中位于距2008年3月21日于田M_S7.3地震的北東東向約90km處，在GoogleEarth地圖上顯示位于硝爾庫勒高原湖泊西南角，是阿爾金大斷裂的西南緣“爪”狀分枝斷裂交匯部位。該處北東東向的二級斷裂比較發(fā)育，如阿龍斷裂、庫牙克斷裂等（國家地震局《阿爾金活動斷裂帶》課題組，1992；楊萬志等，2005）。距離震中北西向約328km處的和田臺陣清晰地記錄了本次地震的波形，距離震中約58km的于田臺記錄到清晰的P波段波形（S波段記錄限幅）。于田M_S7.3地震發(fā)生后，中國地震局監(jiān)測預(yù)報司地震震源深度推進(jìn)研究小組參加了這次地震的室內(nèi)資料應(yīng)急處理工作，并得到一些相關(guān)的研究結(jié)果（陳向軍等，2014；宋秀青等，2014；王俊等，2014），但這些研究都未對臺陣記錄的初至的一些高頻成分展開分析。實(shí)際上利用臺陣數(shù)據(jù)分析某些地震破裂過程時，由于其地震射線具有相近的傳播路徑，更利于反演震源處信息。因此，本文對和田臺陣記錄波形中的前幾秒的高頻成分作進(jìn)一步分析，以期獲得于田M_S7.3地震的一些震源運(yùn)動過程特征。

1 和田臺陣入射線方位角分析

2008、2014年于田兩次M_S7.3地震，相關(guān)斷裂及和田臺陣位置見圖1。圖中Moho面深度數(shù)據(jù)來自滕吉文和曾融生（2002）的結(jié)果，震源機(jī)制來自萬永革等（2010）及中國地震局地球物理研究所（2014）地震應(yīng)急處置的結(jié)果。其中和田臺陣位于和田地區(qū)皮山縣，其外形輪廓為圓環(huán)形，由一個中心臺和內(nèi)、外環(huán)構(gòu)成。臺陣各子臺都布設(shè)在同心圓環(huán)上，孔徑為3km，屬小孔徑臺陣。內(nèi)環(huán)有3個子臺，環(huán)半徑約為600m：外環(huán)有5個子臺，環(huán)半徑約為1500m（圖2a）。除中心臺同時安裝有一臺CTS-1E-120s寬頻帶地震計和CMG-40T-1型地震計外，其余8個子臺均安裝頻帶為0.5～50Hz的CMG-40T-1型地震計。根據(jù)新疆地震臺網(wǎng)編目的震中位置以及臺陣中心臺的坐標(biāo)，計算出震中相對中心臺的球面方位角為109.64°。為了對比研究，筆者利用臺陣波振面方法重新計算該方位角。計算過程分兩步：

（1）利用中心臺CMG-40T-1型地震計記錄的Z分量中首波Pn初至及其后10s的數(shù)據(jù)，對其余8個子臺記錄的波形進(jìn)行互相關(guān)，計算這8個子臺相對中心臺的超越或延遲時間。

（2）以中心臺為參考坐標(biāo)，按0.01°步長進(jìn)行全方位掃描，計算各個子步方位角所對應(yīng)的入射波射線到8個子臺的相對走時，并轉(zhuǎn)換成與中心臺的時差，與所計算出的互相關(guān)時差進(jìn)行對比，找出二者總時差最小的入射線方位角。

利用互相關(guān)方法計算8個子臺與中心臺的時差時，分別對不同波形掃描時間長度進(jìn)行了嘗試，顯示掃描時間長度為9～11s計算出的互相關(guān)時差比較穩(wěn)定，其中掃描時間為10s的結(jié)果如圖2a所示。由圖可見，在震中方位上的子臺，其相對到時為負(fù)，反方位上為正。0～360°掃描得出方位角為110.46°時，波射線到達(dá)各臺的相對時差與互相關(guān)波形的時差相差最小，約0.0493s（圖2b）。圖2a中方括號內(nèi)的數(shù)字為子臺站號，方括號前數(shù)字為時間差。圖2b中方括號內(nèi)的數(shù)字為方位角，方括號上方數(shù)字為時間差，不同方位角上的半徑長度對應(yīng)于不同波射線時差與互相關(guān)時間差的絕對差值。本文得出的方位角110.46°與109.64°相差0.82°。進(jìn)一步利用Matlab軟件提供的reckon函數(shù)，求出距離中心子臺327.952km（該值為中心子臺與新疆地震臺網(wǎng)所給的震中之間的球面大圓距離），方位角110.46°所對應(yīng)的震中位置為（36.084°N，82.479°E），比新疆地震臺網(wǎng)編目的結(jié)果偏西南4.714km，但它滿足地震編目所要求的震中誤差小于5km的一類精度水平。因此利用波形互相關(guān)方法可以較好地獲取地震震中方位角，當(dāng)震中距給定時，可以得出震中位置。從圖2a還可以看出，震中與中心子臺的連線幾乎穿過4、6號子臺。7、8、2號子臺偏南，3、9、5號子臺偏北。

2 臺陣Pn段的高頻時間不同步性分析

2.1 破裂過程穿透的兩種可能介質(zhì)模型

為了對比和田臺陣各子臺記錄的Pn段的一些高頻特征，前文已給出了不同子臺的時差以及中心臺入射線的方位角。將子臺按到時的先后順序顯示Z分量（圖3），圖3中x軸時間跨度近4s。由于臺陣距離震中約330km，地殼內(nèi)顯著的直達(dá)Pg波尚未到達(dá)，該時間段波形成分基本為首波。圖3中除了t₁初至的起始點(diǎn)外，在1s左右大周期成分上存在約0.4s的小周期成分。由于數(shù)據(jù)采樣率為100點(diǎn)/s，利用MSDP軟件，將波形放大到可以識別0.01s的極限顯示精度。根據(jù)t₁、t₂、t₃、t₄（t_i分別為幾個壓縮波形的起始時刻）附近的曲線拐點(diǎn)情況、曲線變化形態(tài)及9個臺站間波形對比，逐點(diǎn)分析局部時間的幅值變化，從而精細(xì)提取各個子臺每個小周期成分的起始時刻t_i，j（其中i為1～4不同時刻，j為1～9子臺號），并用“+”標(biāo)記在相應(yīng)的波形上。圖4中將子臺號標(biāo)注在橫坐標(biāo)軸上，且圖4的臺號順序是以垂直入射線（圖2）從西南往東北按距入射線遠(yuǎn)近依次排列，以利于從入射線切線方向分析到時差異。t₄之后約1s，Pg震相族抵達(dá)臺陣，波形變得復(fù)雜化。由于Pg初至對應(yīng)的破裂點(diǎn)早于t₄處Pn對應(yīng)的破裂點(diǎn)，Pg、Pn地殼速度模型的可靠性對其分析結(jié)果有較大影響，因此未考慮后續(xù)的細(xì)節(jié)震相。

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同時刻點(diǎn)上的“+”有一定的時間交錯性。為此，每個時刻點(diǎn)上9個子臺都減去子臺6的到時，將結(jié)果繪于圖4a。由圖4a可看出，不同震中距具有一定的走時差異，且后3個時刻的高頻成分走時整體略低。圖4b是在圖4a的基礎(chǔ)上再將t₁時刻的各個子臺時差對應(yīng)相減。經(jīng)過兩次減法，基本扣除了每個子臺GPS授時誤差及臺陣各子臺之間距離的影響。圖4b顯示3條曲線幾乎都小于0，而且沿垂直于波射線排列的子臺所獲取的差值呈“n”型分布，表明后3組波動到6號子臺的相對時間比第1組到達(dá)的相對時間減少了。引起這種現(xiàn)象可能有3種因素：①人工提取各個壓縮波形初至到時引入了人為誤差；②從震源傳播到臺陣的射線路徑上存在著橫切路徑的強(qiáng)烈的橫向速度擾動，引起一些非均勻相移；③震源破裂過程中，不同時刻破裂點(diǎn)所處的介質(zhì)波速參數(shù)存在空間分布差異而引起相移。

對于第①種因素，筆者認(rèn)為肯定存在拾取誤差，但該誤差應(yīng)呈現(xiàn)非相關(guān)特征，不會出現(xiàn)“∩”型分布。對比圖2a和圖3，發(fā)現(xiàn)人工提取的初始時間和互相關(guān)方法給出的序列并不一致，特別是4、5號子臺的順序。這種差異可能是做互相關(guān)時使用了10s的時間，在這個時段中震源破裂點(diǎn)已出現(xiàn)位置變化，5號子臺更早接收到后續(xù)破裂點(diǎn)的震動。2、3號子臺也有類似的現(xiàn)象。而發(fā)生這個現(xiàn)象的臺站主要分布于相對中心臺與震中連線近似對稱的位置。對于第②種因素，在2.2節(jié)進(jìn)一步分析。

對于第③種因素，給出以下模型。因?yàn)楹吞锱_陣屬小孔徑臺陣，直徑約3km，震中距328km，臺陣對震源的張角很?。s0.524。）。射線在震源體之外的傳播過程中幾乎穿透相同的介質(zhì)，會引起后3組時差變小，最有可能源于震源破裂點(diǎn)附近的介質(zhì)參數(shù)在空間分布上的變化。假定3種情況：（1）震源破裂點(diǎn)下部的各向異性差異減少；（2）震源破裂點(diǎn)上部的各向異性差異減少；（3）震源破裂點(diǎn)上下部的各向異性差異不變。

圖5中，保持模型c參數(shù)不變，以作對比。破裂過程都由黑點(diǎn)向白點(diǎn)擴(kuò)展；每方格的高度為1，方格上的數(shù)字對應(yīng)速度比值；黑色箭頭為Pn傳播方向。模型b中，破裂點(diǎn)從下往上破裂，而首波都是朝下傳播，因此這里的箭頭使用虛線，以示區(qū)別。3種模型的Pn穿透不同參數(shù)的兩個方格厚度后的時差分別為：模型a：1.3409；模型b：1.8333；模型c：2。

因此只要在破裂過程中，破裂點(diǎn)擴(kuò)展的后期介質(zhì)參數(shù)比前期的參數(shù)（這里指P波波速）更趨于相近時，則從不同時刻傳出的首波震動到達(dá)臺陣各子臺的時間將趨近。如果破裂后期的介質(zhì)參數(shù)差異大于前期，那將大于模型c的值，不滿足圖4b中所顯示的現(xiàn)象。由于在各向同性線彈性模型中，介質(zhì)波速與介質(zhì)參數(shù)關(guān)系式為V_p=？其中，λ、μ為拉梅常數(shù)，分別反映壓縮膨脹效應(yīng)和剪切形變效應(yīng)；ρ為介質(zhì)密度，對于地殼介質(zhì)，λ、μ的垂向變化一般較ρ明顯。因此推測于田M_S7.3地震很可能符合（1）、（2）其中的一種情況，破裂點(diǎn)都有由破裂面上各向異性較強(qiáng)的點(diǎn)位向各向異性趨同的點(diǎn)位擴(kuò)展的過程，在此過程中出現(xiàn)了疑似障礙體或凹凸體。障礙體指高臨界強(qiáng)度區(qū)，也可以是斷層面上的一些二級凹凸面（Aki，1979），凹凸體指應(yīng)力集中區(qū)（宮武隆，1993；Dragoni，Piombo，1998）的特征。在筆者研究的這4s時間內(nèi)，破裂點(diǎn)由各向異性較強(qiáng)（如水平差異導(dǎo)致的垂向組合分布）的點(diǎn)位向較弱點(diǎn)位過渡，每個破裂點(diǎn)的子震源在這個時間段內(nèi)依次產(chǎn)生并傳播首波，但后續(xù)破裂點(diǎn)的首波所經(jīng)過的射線上的介質(zhì)差異減弱，從而出現(xiàn)后續(xù)子破裂的首波走時更接近。實(shí)際上，在精細(xì)的破裂過程反演計算中，障礙體破裂過程的滑動幅度與其斷層相應(yīng)位置處的剛度有一定的模型關(guān)系（何玉梅，鄭天愉，1998）。這種反演方法上對剛度的差異性設(shè)置，與圖5的速度垂向異性簡化模型都屬于刻畫震源體內(nèi)部的各向異性特征。至于于田主震破裂方式是從上往下，還是從下往上，筆者沒有搜集到更多的同精度的資料供分析。由于時差呈“∩”型分布，不是單斜曲線，不支持該短暫破裂過程只朝單側(cè)進(jìn)行的情況，因此筆者著重討論由水平分異引起的垂向介質(zhì)參數(shù)差異。而張廣偉等（2014）反演的結(jié)果也顯示此次大地震破裂面比較集中，水平兩側(cè)擴(kuò)展的尺度不明顯。

2.2 關(guān)于震源區(qū)以外速度界面影響的分析

進(jìn)一步討論2.1節(jié)中第②種因素的影響。不只傳播路徑上的速度間斷面可以衍生震相，地震計的瞬態(tài)反應(yīng)如果沒有有效的阻尼作用，也將出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象。對于地震儀器的因素，由于同臺的瞬態(tài)響應(yīng)不變，因此如果存在后續(xù)“拖尾”震相，這些震相應(yīng)該是等間隔的，不會出現(xiàn)“∩”型分布。而對于速度界面的影響，引入震中距58km的于田（YUT）臺站波形進(jìn)行分析。同時為了進(jìn)一步對比，還引入了一個震中距與之相近（56km）、位錯為走滑兼正斷性質(zhì)的、且位于初動向上的小震波形。該波形為北京南山村（NSC）臺的記錄的2012年6月18日天津?qū)氎鍹_S4.0地震的波形（震源機(jī)制解：走向142°，傾角87°，滑動角-15°）。由于天津有近50個強(qiáng)震加速度計獲取了相應(yīng)的烈度分布，可以確定該地震為北西向破裂，所以與之共軛的北東向震源機(jī)制解舍棄。使用這個對比地震同時還考慮到4級地震破裂過程簡單。

圖6中將原始記錄的EW、NS分量旋轉(zhuǎn)成T、R分量，以確認(rèn)于田臺站記錄的直達(dá)剪切波sg初至。對比圖6b、f，NSC臺記錄的Sg-Pg比YUT的臺記錄的略小，但都接近8s，反映出二者震中距的大小。由于寶坻Ms4.0地震破裂尺度小，在圖6e～g中可以明顯看出，在Pg之后，Sg之前，波形幅度明顯比Pg前2個周期的振幅小。而且在這個震中距，反射震相P^*、P₁₁尚不發(fā)育，因此Pg振幅占絕對優(yōu)勢。而于田M_S7.3地震破裂面尺度可達(dá)50×15km（陳運(yùn)泰，顧浩鼎，2004），若以0.8倍的橫波速度破裂，破裂10km尺度也需約3.125s（破裂速度假定為3.2km/s）。因此筆者在局部放大圖6d中發(fā)現(xiàn)，波幅強(qiáng)度呈增長趨勢，特別是圖6c中的Px處出現(xiàn)了一個更顯著的介質(zhì)破裂。由此推測，即使在于田地震破裂的前3s內(nèi)也存在多個級聯(lián)子破裂，與永善大震破裂過程類似（曾融生，師潔珊，1978）。而位于震中距328km處的和田臺陣記錄的Pn波形中捕捉了這些級聯(lián)破裂的某些初動曲線拐點(diǎn)。

由于一個大地震破裂的過程是不均勻的，每次子破裂點(diǎn)的位置在橫向和縱向上都不一樣。破裂過程中震源區(qū)介質(zhì)的性質(zhì)（彈性、均勻性、各向異性）都將發(fā)生變化，關(guān)于臺陣子臺時差現(xiàn)象的分析，除了上述3種情況外，是否還有另外的解釋？這里引入兩個概念：一是震源區(qū)靜態(tài)的各向異性分布；二是地震發(fā)生過程伴隨時間變化的局部性質(zhì)瞬態(tài)改變。第一種情況為圖5所示情形。對于隨著破裂過程而產(chǎn)生的介質(zhì)性質(zhì)瞬態(tài)變化，如果破裂點(diǎn)外的介質(zhì)均勻或水平層狀均勻，則這個子破裂產(chǎn)生的波源傳到臺陣各子臺的時間變化較少，難以觀測，或呈單斜曲線。因?yàn)閺钠湔鹪礄C(jī)制解可知，斷層面傾角約82°，而本文研究的子破裂間隔約1s，如果是位錯在入射面上的水平破裂分量引發(fā)的波速擾動所致（水平層狀均勻，垂直分量不產(chǎn)生此效應(yīng)），當(dāng)破裂速度取3.2km/s，震源體附近地殼P波速度6.2km/s，速度擾動為10%時，兩次破裂的各子臺對應(yīng)時差為0.0018s。這個量值在采樣率為100點(diǎn)/s觀察不到。

而對于水平成層介質(zhì)，垂直入射面的位錯破裂分量引發(fā)的介質(zhì)P波速度變化，對各子臺的相對時差無影響，即沿入射面法向的介質(zhì)瞬態(tài)變化對各子臺相對走時無影響（處于同一平面波陣面同等相移不影響各子臺的相對到時）。對于水平單向破裂，則需進(jìn)一步分析。根據(jù)圖1斷裂走向及震源機(jī)制解，取破裂面走向239°，且假定本文研究的短時間破裂過程中，破裂面走向不變，根據(jù)震中相對各子臺的方位角，求出圖7a中各子臺的θ，進(jìn)而可以利用破裂長度d₁、d'₁，計算出P₂、P₃到子臺i的走時與原路徑L₀走時差。先假定破裂由P₁向西南破裂10km到達(dá)P₂，破裂過程介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)發(fā)生瞬時改變，可以產(chǎn)生10%的P波速度擾動，則以0.9倍的P波速度穿過L₀-L₁的時間差，如圖7b的Linel曲線所示（減去了最小變化的7號子臺走時差，括號里的數(shù)值是7號的相對走時差），以1.1倍P波速度穿過L₀-L₁的時間差，如圖7b的Line2曲線所示。而由P₁向東北破裂10km到達(dá)P₃的兩個速度計算的走時差曲線分別為Line3、Line4。計算表明，在10%速度擾動的情況下，要使該臺陣子臺的相對走時差達(dá)到0.01s的識別水平，破裂長度應(yīng)不小于10km。因此對于本文研究的3～4s的波形長度，即使存在單側(cè)破裂，從P波信息里也僅僅能略有反映，但不明顯。不過對于單側(cè)破裂，各子臺的相對走時是單斜型曲線。從Line1、Line2等后括號內(nèi)數(shù)字對比還可顯示，向西南破裂引起的相對走時差略小于向東北破裂，這是因?yàn)榕_陣位于震中西北，而破裂走向?yàn)楸睎|，向東南破裂時，新破裂點(diǎn)到各子臺的距離都減小了（圖7a）。因此，對比圖4b與圖7b的走時差量級，筆者認(rèn)為震源區(qū)應(yīng)存在“靜態(tài)”的各向異性（圖5a、b），才能出現(xiàn)較符合子臺相對走時差減少的特征。如果彈性模量值較大區(qū)與較小區(qū)的P波速度差異為10%，則要產(chǎn)生本文可觀測時差（如0.04s）的彈性異常體尺度約1.23km（與入射面平行的方向）。如果彈性模量值較大區(qū)與較小區(qū)的P波速度差異為2%，則產(chǎn)生本文可觀測時差的彈性異常體尺度約6.19km（條件同上）。對于于田地震，當(dāng)震源體附近存在各向異性時，產(chǎn)生同等速度擾動的各向異性體尺度要比單側(cè)破裂的長度小若干倍。本文觀測到的時差量級更傾向于震源體附近存在各向異性體的結(jié)論。

3 結(jié)論與討論

本文利用和田臺陣的地震資料對2014年于田M_S7.3地震前4s的破裂過程進(jìn)行了細(xì)致分析。利用中心子臺與震中的連線確定臺陣中各個子臺的相對位置。在此基礎(chǔ)上對子臺波形進(jìn)行特定排序，并提取了不同時刻點(diǎn)上的成組高頻壓縮波初至。這些初至走時之間的相互差異反映了一些震源破裂點(diǎn)處的介質(zhì)特性。為進(jìn)一步討論這些特性的可能分布，利用寶坻地震的NSC臺資料與于田地震的于田臺資料進(jìn)行對比，結(jié)果反映和田臺陣記錄的Pn段內(nèi)確實(shí)存在多級級聯(lián)破裂現(xiàn)象。如果早期破裂點(diǎn)處的各向異性差異大于后續(xù)破裂點(diǎn)（只分析了3s）的差異，則可以更好解釋本文提取到的“∩”型時間分布現(xiàn)象。這也說明了和田臺陣記錄到了這個大地震最初破裂區(qū)的一些級聯(lián)破裂的凹凸體或障礙體特征。若利用圖4b中的3、9、5子臺時差比其他子臺更小的細(xì)微差異，則可進(jìn)一步推測后續(xù)破裂點(diǎn)將向南偏移，使得位于入射線北部的子臺經(jīng)過更長路徑的各向異性較弱的區(qū)域，從而降低相對時差。這與中國地震局地球物理研究所應(yīng)急處置給出的破裂過程反演分布中往南往深部擴(kuò)展的特征相吻合，同時也與張廣偉等（2014）復(fù)雜反演的往南破裂結(jié)果吻合。

由于和田臺陣距離震中還是較遠(yuǎn)，一些近場高頻成分未能有效記錄。對高頻成分的人工提取位置也不能認(rèn)定其必然很可靠。因此本文的結(jié)論還需要收集更多的近場臺陣資料或相關(guān)類似資料進(jìn)行判定。但利用臺陣獲取大震破裂過程的細(xì)微特征，這項(xiàng)工作是非常值得去研究的。

非常感謝在2014年于田地震應(yīng)急工作中，新疆維吾爾自治區(qū)地震局蔚曉利研究員及唐明帥博士給予的幫助。同時感謝審稿老師對初稿的修改建議。