2021年云南漾濞MS6.4地震前后主動源觀測走時數(shù)據(jù)的變化

楊建文,葉 泵,高 瓊,張華英,陳 佳

(1.中國地震科學實驗場大理中心,云南 大理 671000;2.云南大理滇西北地殼構造活動野外科學觀測研究站,云南 大理 671000)

0 引言

一直以來地震工作者都在努力推進地震預報從經(jīng)驗預報向基于物理的數(shù)值預報轉向,而基于新觀測技術的地震預測預報研究是有益的嘗試。地震波作為“照亮地球內(nèi)部的一盞明燈”是研究地球介質(zhì)及其應力場和物性變化最有效的手段[1]。利用氣槍震源的高度可重復性來監(jiān)測地下應力變化的新技術手段,近些年得到了較快發(fā)展。

自2011年賓川地震信號發(fā)射臺建立以來,地震工作者在持續(xù)開展氣槍激發(fā)試驗的基礎上,利用氣槍源周圍布設的40余個主動源流動臺、區(qū)域固定臺及亞失穩(wěn)臺站所獲得氣槍信號和背景噪聲數(shù)據(jù),在氣槍地震信號分析[2-3]、氣槍震源各向異性[4]、有限水體介質(zhì)地震波場數(shù)值模擬[5]、賓川主動源場區(qū)地殼結構各向異性[6]、地震背景噪聲成像[7]、地殼波速變化測量[8]、同震波速變化[9-10]及強噪聲背景下弱信號提取[11-13]等方面開展了大量研究工作,部分解決了利用氣槍震源激發(fā)信號和地震背景噪聲測量地下波速變化過程中遇到的一些技術問題,初步探討了所測量地殼波速變化與地震發(fā)生過程的關系,加深了對地震物理過程的認識。

2021年5月21日,在氣槍震源信號觀測臺站覆蓋區(qū)內(nèi)發(fā)生了漾濞MS6.4地震(25.67°N、99.87°E),震源深度8 km,震中位于漾濞縣蒼山西鎮(zhèn)境內(nèi)。此次地震發(fā)生在維西—喬后—巍山斷裂西側的一條次級斷裂帶上,震源機制解為右旋走滑兼有少量正斷(相關內(nèi)容來源于6月2日漾濞MS6.4地震科考匯報交流會)。從地震序列的類型來看,漾濞地震屬于前-主-余型地震,從2021年5月18日18時49分的MS3.2地震起,截至5月31日8時0分,中國地震臺網(wǎng)共記錄到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。此次地震震中位于賓川地震信號發(fā)射臺西南向,距離約64 km。漾濞MS6.4地震是賓川地震信號發(fā)射臺建立以來,繼2013年洱源MS5.5、MS5.0,2016年云龍MS5.0,2017年漾濞MS5.1以后試驗區(qū)內(nèi)發(fā)生的又一次MS5.0以上地震。

在嚴峻的震情形勢和地震多發(fā)情況下,在地震頻發(fā)區(qū)開展地球物理場觀測,并基于現(xiàn)有觀測資料,對地震前后的地球物理場變化特征進行回溯性研究,可加深我們對地震孕育機制的認識。漾濞MS6.4地震震級較大且余震豐富,為主動源探測實驗的開展提供了很好的震例檢驗。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范圍內(nèi)的地震觀測臺站記錄的氣槍震源信號,采用互相關檢測技術提取各自穩(wěn)定震相的走時數(shù)據(jù),對地震前后的走時變化特征進行分析。

1 數(shù)據(jù)處理

1.1 數(shù)據(jù)收集整理

現(xiàn)階段,漾濞MS6.4地震震中附近50 km范圍內(nèi)共有18個臺站(圖1),其中主動源流動臺11個(地震計為Guralp-40T,數(shù)據(jù)采集器為Reftek-130B),區(qū)域固定臺3個(地震計以BBVS-60和KS2000為主,數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24IP),亞失穩(wěn)臺4個(亞失穩(wěn)臺站來源于國家重點研發(fā)計劃——地震亞失穩(wěn)階段識別的實驗、理論與野外觀測研究:云南洱源地震危險區(qū)的密集臺網(wǎng)建設與運維項目,地震計為CMG-40T,數(shù)據(jù)采集器為Reftek-130B)。從臺站分布來看,觀測臺站總體位于地震震中以北和以東區(qū)域,震中西南方向臺站較少。對2020年11月1日—2021年5月30日18個臺站的觀測數(shù)據(jù)進行整理,發(fā)現(xiàn)YSW06臺2021年2月22日—5月21日,YSW10臺2021年5月20—30日、2020年11月1日—2021年1月4日,53258臺2021年5月24—30日由于儀器故障,沒有波形記錄(因為這3個臺站觀測數(shù)據(jù)缺失較為嚴重,因此不參與后面的計算和分析),其余15個臺站觀測數(shù)據(jù)完整性較好,因此本文選取了觀測數(shù)據(jù)完整性較好的15個觀測臺站進行主動源走時變化研究。圖1中地震分布為0級以上地震精定位結果,地震起止時間為:2021年5月18日18時49分—5月29日8時0分。

F1:瀾滄江斷裂;F2:蘭坪—永平斷裂;F3:順濞河斷裂;F4:維西—喬后—巍山斷裂;F5:蒼山山前斷裂;F6:紅河斷裂;F7:程?！e川斷裂圖1 氣槍源、觀測臺站、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 波形數(shù)據(jù)處理及震相走時提取

以水庫岸邊距離氣槍源約50 m的一臺站為參考臺(圖1中五角星的位置),近似為源的信息,截取某次激發(fā)記錄波形信號為原始信號模板,利用互相關處理技術對參考臺的每次激發(fā)記錄波形進行互相關處理,獲得相對的氣槍激發(fā)時刻[10,14-15]。在此基礎上,以獲取的激發(fā)時刻為準,對各臺站進行時長為100 s的記錄波形數(shù)據(jù)截取,對參考臺進行時長為5 s的波形截取。對截取的波形數(shù)據(jù)進行去均值、去趨勢、去直流量處理,并進行3～5 Hz的Butterworth帶通濾波,降低噪聲干擾,對畸變記錄波形進行人工刪除[9-10]。隨后分別將同一槍的各臺站數(shù)據(jù)與參考臺數(shù)據(jù)作反卷積處理[15-16],對齊到時并去除震源影響,得到臺站到參考臺的格林函數(shù)。對每一個臺站的所有格林函數(shù)進行疊加,其疊加結果作為各自臺站的參考波形模板[圖2(a)],同時對每個臺站的格林函數(shù)按天疊加[圖2(b)]。最后將每一天的疊加結果與參考模板作互相關計算,得到互相關系數(shù)[圖2(c)],互相關系數(shù)最大值所對應的時間延遲就是這兩段相似波形窗口的走時差[本文取互相關系數(shù)最大,要求互相關系數(shù)大于0.9,且最大振幅處(圖2中灰色虛線框)的震相提取走時,從波形來看,所取震相為Sg。時間窗長度以能完整表現(xiàn)一個震相為原則,取值在0.5～1.0 s間,不同臺站取值存在較小差異]。為了提高精度,對計算結果余弦插值后提取更高精度的走時變化[14]。

圖2 Ey213臺計算震相走時 Fig.2 Calculated travel-time of seismic phase at Ey213 station

2 結果分析

采用以上方法對主動源監(jiān)測區(qū)內(nèi)15個臺站記錄的觀測波形數(shù)據(jù)進行處理,分別提取各自穩(wěn)定震相(Sg震相)的走時變化曲線(圖3、4),其中圖3為震后震相走時呈下降趨勢的臺站,圖4為震后震相走時呈上升趨勢的臺站。

圖3 漾濞MS6.4地震后震相走時呈下降趨勢的臺站(圖中豎虛線表示漾濞MS6.4地震的發(fā)震時刻)Fig.3 Stations with a downward trend in phase travel-time after the Yangbi MS6.4 earthquake

圖4 漾濞MS6.4地震后震相走時呈上升趨勢的臺站(圖中豎虛線表示漾濞MS6.4地震的發(fā)震時刻)Fig.4 Stations with an upward trend in seismic phase travel-time after the Yangbi MS6.4 earthquake

2.1 漾濞MS6.4地震前走時變化

對漾濞MS6.4地震前15個臺站記錄的震相走時變化曲線進行分析發(fā)現(xiàn),2020年11月1日—2021年3月17日,除53039、53282、HDQ臺的走時變化存在不同程度的波動外,其余12個臺較為平穩(wěn)。2021年3月30日—4月28日,除53036、Ey211、Ey213臺走時平穩(wěn),EYA臺呈下降趨勢外,其余11個臺走時變化存在較大的波動。2021年4月29日—5月8日,由于氣槍故障,該時段內(nèi)沒有激發(fā)實驗。從2021年5月9日起開始恢復激發(fā)實驗,因此本文重點對2021年5月9—30日間的走時數(shù)據(jù)進行分析。

2021年5月9—21日(震前12天),Ey211、Ey213臺走時變化呈“V”型結構(其中從5月9—18日走時呈下降趨勢,變化量分別為:-0.025 s和-0.054 s;5月18—21日走時呈上升趨勢,變化量分別為0.034 s和0.040 s),Ey210、CHT臺走時呈上升趨勢,變化量分別為:0.030 s和0.047 s,其余臺站變化趨勢不明顯。

2.2 漾濞MS6.4地震后走時變化

對漾濞MS6.4地震后15個臺站記錄的震相走時變化進行統(tǒng)計,相關情況列于表1。結合表1和圖3、4可知,15個臺的走時在漾濞MS6.4地震當天(或震后1～2天)開始出現(xiàn)大幅的趨勢性變化,該過程持續(xù)時間在4～9天之間,其中EYA、HDQ臺震后走時變化呈明顯的上升趨勢,持續(xù)時間分別為8天和5天,走時差變化量分別為0.021 s和0.067 s;YSW09臺震后走時變化存在波動,但總體呈上升趨勢;YSW15臺震后走時變化波動較大,總體呈下降趨勢。其余11個臺站震后走時呈明顯的下降趨勢,走時下降持續(xù)時間在4～9天之間,走時差變化量在-0.053 ～-0.201 s間,其中走時差下降量最大為53285臺,最小為CHT臺。

表1 漾濞MS6.4地震后各臺站走時變化情況Table 1 Changes in the travel-time of each station after the Yangbi MS6.4 earthquake

圖5為漾濞MS6.4地震后走時異常臺站分布。由圖5可知,漾濞地震后,震中附近50 km內(nèi)臺站的走時變化存在明顯的區(qū)域特性,以維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂為界,共分為3塊,其中紅河斷裂以東的53279和53282臺震后短期內(nèi)走時呈明顯的下降趨勢,紅河斷裂以西,維西—喬后—巍山斷裂以東的EYA、HDQ和YSW09臺(其中HDQ和YSW09臺沿蒼山山前斷裂展布)震后短期內(nèi)走時呈明顯的上升趨勢。維西—喬后—巍山斷裂以西的臺站(10個臺)震后短期內(nèi)走時均呈明顯的下降趨勢,且短期內(nèi)具有較好的同步性。

另外,從震后臺站走時的總體形式來看,大多數(shù)臺站走時在下降(上升)到最低點(最高點)后,短時間內(nèi)沒有恢復到震前的水平,而是在最低點(最高點)附近波動。僅CHT臺的走時短期內(nèi)恢復且上下大幅的波動。結合圖5發(fā)現(xiàn),CHT臺位于漾濞地震的余震區(qū)邊緣(地震主要破裂方向),推測氣槍信號在到達臺站的過程中,可能穿越了余震活動區(qū),由于受地下應力變化的影響,致使記錄的氣槍信號走時存在較大的波動。

3 討論

地震在孕育和發(fā)生的整個物理過程中會引起介質(zhì)的應力狀態(tài)發(fā)生變化,改變其彈性性質(zhì),進而影響其彈性波速,從而導致多次重復測量得到的地震波走時發(fā)生變化[17]。測量波速的微小變化,要求所選擇的震源具有較高的重復性。氣槍震源是一種在水下瞬間釋放高壓氣體最終形成地震波的新型震源,具有綠色環(huán)保、重復性好、激發(fā)能量大、能量轉換效率高等特點[18-19]。氣槍震源在同一地點進行多次激發(fā)所產(chǎn)生的信號波形具有高度可重復性[2]。Wang等[20]探索出了尾波干涉技術來處理氣槍震源波,從而得到介質(zhì)的波速變化。尾波干涉技術將氣槍震源激發(fā)的近場記錄近似為震源時間函數(shù),通過反卷積的方法將遠場記錄波形中的震源特性扣除,從而得到近似由震源到臺站的格林函數(shù)[16,21]。對近似格林函數(shù),再采用波形互相關的方法得到不同震相的高精度走時變化。

F1:瀾滄江斷裂;F2:蘭坪—永平斷裂;F3:順濞河斷裂;F4:維西—喬后—巍山斷裂;F5:蒼山山前斷裂;F6:紅河斷裂;F7:程?！e川斷裂圖中黑色為震后走時呈下降趨勢的臺站,灰色為震后走時呈上升趨勢的臺站圖5 漾濞MS6.4地震后走時異常臺站分布Fig.5 Distribution of stations with abnormal travel-time after the Yangbi MS6.4 earthquake

在波形數(shù)據(jù)處理過程中,我們將各臺站每日激發(fā)的13槍波形進行疊加,獲得單日的格林函數(shù)[圖2(b)],將研究時段內(nèi)的所有波形疊加,獲得參考格林函數(shù)[圖2(a)],再將當日格林函數(shù)與參考格林函數(shù)進行互相關計算,獲得互相關系數(shù)[圖2(c)]。由圖2(c)可知,大部分時段互相關系數(shù)都保持在1.0附近。我們以互相關系數(shù)為約束(互相關系數(shù)要求在0.9以上),提取最大振幅處的波形來進行最終走時計算(從波形來看,所取震相為Sg),這樣可以保證結果的準確性。

圖6為Ey213臺的參考波形模板(參考格林函數(shù))[圖6(a)]及漾濞MS6.4地震前2021年4月4日[圖6(b)]、5月9日[圖6(c)]和震后5月29日[圖6(d)]的單日格林函數(shù)波形(振幅歸一化結果)。對比圖6(b)和(c)可以發(fā)現(xiàn),Ey213臺在4月4日和5月9日兩個時間點,格林函數(shù)形態(tài)總體相似,這與圖3(i)中兩個時間點的走時差無明顯差異相對應。對比圖6(c)和(d)可以發(fā)現(xiàn)漾濞MS6.4地震前后,Ey213臺的單日格林函數(shù)存在明顯的變化差異。由圖3(i)可知,從5月9—29日,Ey213臺的走時出現(xiàn)了明顯的變化,總體呈下降趨勢,這與兩個時間點的單日格林函數(shù)的形態(tài)存在明顯的變化差異相對應。

圖6 Ey213臺的參考波形模板及漾濞MS6.4地震前后單日格林函數(shù)波形(圖中灰色區(qū)域為提取震相走時所用的時間窗,范圍為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

本文是利用單日格林函數(shù)與參考格林函數(shù)進行互相關計算,所提取的震相走時表示的是單日波形相對于參考波形的走時差,當走時差為正時,表示波速減慢,當走時差為負時,表示波速加快。

在漾濞MS6.4發(fā)生前的4月份內(nèi),大部分臺站的走時出現(xiàn)較大波動,EYA臺的走時呈下降趨勢。從2021年5月9—21日,有4個臺站走時出現(xiàn)了明顯的異常,Ey211和Ey213臺走時呈“V”型變化結構,Ey210和CHT臺走時呈上升趨勢。震前這4個臺站走時表現(xiàn)出了不同的變化特征,表明此時地下介質(zhì)應力狀態(tài)較為復雜,相關臺站走時呈現(xiàn)不同的變化狀態(tài)可能與區(qū)域應力場的調(diào)整有關。

由圖5可知,維西—喬后—巍山斷裂以西的臺站走時在漾濞MS6.4地震后短期內(nèi)呈同步下降趨勢,且下降幅度較大,表明臺站記錄到的區(qū)域波速在加快。結合地震烈度分布圖來看,這些臺站所處區(qū)域的地震烈度都在VI度以上,表明相關區(qū)域在地震過程中受到了一定程度的影響,地下應力可能發(fā)生了變化。陳立德等[22]提出的“震源硬化模型”指出,巖石在受力過程中在其失穩(wěn)源區(qū)存在“硬化”現(xiàn)象,硬化過程中其介質(zhì)的剛度會增加。剛度增加可能導致速度增加,從而使走時縮短[15]。另外,這些臺站距離氣槍源相對較遠,臺站走時下降可能與氣槍信號穿過了地下的失穩(wěn)源區(qū)有關。

地震序列精定位結果顯示,漾濞MS6.4地震的余震主要呈北西向分布(圖5),且極少有余震發(fā)生在維西—喬后—巍山斷裂以東區(qū)域,表明該斷裂在漾濞地震破裂過程中起到了很好的邊界控制作用。而維西—喬后—巍山斷裂以東、紅河斷裂以西區(qū)域內(nèi)的臺站在漾濞地震后走時短期內(nèi)呈上升趨勢(圖4),這表明維西—喬后—巍山斷裂兩側的地下介質(zhì)在漾濞MS6.4地震后處于不同的應力狀態(tài)。在地震破裂過程中,維西—喬后—巍山斷裂扮演著怎樣的角色？斷裂帶以西臺站走時的大幅度下降是否是地下應力調(diào)整和斷裂帶活動雙重作用的結果,有待更進一步的研究。

4 結論

本文基于2021年5月21日漾濞MS6.4地震震中附近50 km范圍內(nèi)15個臺站記錄的2020年11月1日—2021年5月30日的氣槍震源信號,采用互相關時延檢測技術提取了15個臺站各自穩(wěn)定震相(Sg震相)的走時變化時間序列,并對漾濞MS6.4地震前后各臺站的走時變化情況進行分析。得到如下認識:

(1)2020年11月1日—2021年3月17日間,大部分臺站走時較為平穩(wěn),2021年4月大部分臺站的走時出現(xiàn)較大波動,從2021年5月9日開始至21日(震前12天)漾濞MS6.4地震前,有4個臺站走時出現(xiàn)了明顯的異常,其中Ey211和Ey213臺走時呈“V”型變化結構,Ey210和CHT臺走時呈上升趨勢。

(2)漾濞MS6.4地震后短期內(nèi),震中附近50 km范圍內(nèi)的大部分臺站走時出現(xiàn)了明顯的趨勢性變化,且走時變化存在明顯的區(qū)域特性。以維西—喬后—巍山斷裂為界,斷裂帶兩側臺站走時變化趨勢存在明顯差異,斷裂帶以東的EYA、HDQ、YSW09臺走時呈上升趨勢,變化最為顯著的為HDQ臺,走時差變化量0.067 s。維西—喬后—巍山斷裂以西的所有臺站在漾濞MS6.4地震當天(或震后1～2天)開始出現(xiàn)明顯趨勢性下降,走時下降持續(xù)時間在4～9天之間,走時差變化量在-0.053～-0.201 s之間,其中走時差下降量最大為53 285臺,最小為CHT臺。

致謝:本文互相關時延計算程序由中國科學技術大學王寶善教授提供,地震精定位目錄由云南地震臺王光明工程師提供,審稿專家提出了建設性修改意見,在此表示衷心感謝。