運用尾波干涉技術(shù)監(jiān)測2005年江西九江—瑞昌MS5.7地震后地殼介質(zhì)變化

郭雨帆，羅 麗，查小惠，董非非，呂 堅，湯蘭榮

（江西省地震局，南昌 330039）

0 引言

江西九江—瑞昌地區(qū)位于贛皖鄂三省交界處，斷裂和水體較為發(fā)育（圖1）：其東北為郯城—廬江斷裂帶，西北為襄樊—廣濟斷裂，兩條斷裂向南延伸，它們的隱伏斷裂可能經(jīng)過九江—瑞昌地區(qū)；其北臨中國第一大河流——長江、南接中國第一大淡水湖——鄱陽湖，區(qū)域內(nèi)水資源豐富。2005年11 月26 日8 時49 分在江西九江—瑞昌發(fā)生了MS5.7地震，造成13人死亡、65萬人受災和超過30億元的國民經(jīng)濟損失，成為中國大陸中東部地區(qū)進入21 世紀以來震級最高、災害最嚴重、損失最大的地震。之后九江—瑞昌及鄰區(qū)地震活動依舊較活 躍：2011 年9 月10 日和2015 年6 月17 日，依次發(fā)生了江西瑞昌—陽新MS4.6 地震和江西九江MS3.7地震。呂堅等[1]認為贛北及鄰區(qū)5級以上地震存在時間上的成組活動特點。目前江西九江—瑞昌MS5.7 地震（簡稱MS5.7 地震）的成組地震尚未出現(xiàn)，應引起高度重視。

研究MS5.7 地震后的地殼介質(zhì)變化具有重要意義，前人利用尾波干涉技術(shù)在監(jiān)測震后地殼介質(zhì)動態(tài)變化方面已有一定探索。Pandolfi 等[2]應用尾波干涉技術(shù)監(jiān)測波速變化與1999 年維蘇威火山M3.6地震的關(guān)系；肖卓[3]利用重復地震和尾波干涉技術(shù)監(jiān)測青藏高原東北緣和2014 年云南盈江雙震期間的地殼介質(zhì)動態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)震前、震后以及不同季節(jié)地殼介質(zhì)變化規(guī)律相異；汪建等[4]運用尾波干涉技術(shù)研究2017年重慶武隆MS5.0地震后震源區(qū)地殼介質(zhì)動態(tài)變化，認為S波早期尾波段走時延遲隨流逝時間呈線性變化?？傮w來說，前人關(guān)于使用尾波干涉技術(shù)研究震后地殼介質(zhì)變化的成果較缺乏。本文利用雙差重定位法對MS5.7 地震序列進行重定位，采用波形互相關(guān)法識別地震序列中的重復地震對，在此基礎上，運用尾波干涉技術(shù)監(jiān)測MS5.7 地震后地殼介質(zhì)動態(tài)變化。本次研究將有助于震情研判，進而為年度危險區(qū)確定和中強地震預測提供科學依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

江西和湖北地震臺網(wǎng)為本次研究提供地震波形數(shù)據(jù)和觀測報告，九江地震監(jiān)測中心站為本次研究提供降雨量及氣壓數(shù)據(jù)。

圖1 研究區(qū)地形、臺站位置、水體分布、斷裂展布及MS5.7主震震中平面圖Fig.1 The distribution map of regional topography，seismic stations，waters，fractures and the MS5.7 earthquake

MS5.7 地震序列中，同時滿足以下三個條件的地震共計228 個：①發(fā)震時間：2005-11-26—2006-06-30；②震級大小：ML≥1.0；③記錄臺站數(shù)≥4 個，整理它們的事件波形數(shù)據(jù)及觀測報告，其中涉及十三個臺站，其中六個固定臺站：武漢臺（WHN）、九江臺（JUJ）、修水臺（XIS）、南昌臺（NNC）、上饒臺（SHR）和宜春臺（YIC），以及七個流動臺：黃梅臺（HMT）、武穴臺（WXT）、丁家山臺（DJS）、武皎臺（WJT）、涌泉臺（YQT）、范鎮(zhèn)臺（FZT）和獅子洞臺（SZD）。

1.2 HypoDD雙差重定位法

HypoDD 雙差重定位法由Waldhauser 等[5]提出，目前廣泛應用于地震重定位領域。地震事件i和j對于接收點k的到時殘差之差，即雙差，表示為：

式（1）中的rik和tjk分別為地震事件i 和j 到接收點k的到時殘差，（tik-tjk）obs為走時差的觀測值，而（tiktjk）cal則為走時差的理論值。

本次雙差重定位使用的地殼速度結(jié)構(gòu)模型見表1。

表1 區(qū)域地殼速度模型[6-7]Table 1 Regional crustal velocity model[6-7]

1.3 利用波形互相關(guān)法挑選重復地震

波形互相關(guān)技術(shù)用于識別天然重復地震已有較長歷史。盡管重復地震具有不同的定義，但不同定義的基本特點就是波形具有高度相似性，因此主要通過計算波形互相關(guān)系數(shù)（Cross-correlation，簡稱cc）來識別重復地震[8]：

1.4 尾波干涉法

尾波傳播路徑長，在放大、疊加等作用下，能對地下介質(zhì)微小變化產(chǎn)生反應。Snieder 等[9]在前人研究的基礎上，系統(tǒng)提出并闡釋了尾波干涉法。Snieder 等[10]研究發(fā)現(xiàn)：假設地下介質(zhì)是均勻的，若地震波速隨著時間流逝而上升或下降，則走時延遲也會隨著時間流逝而線性下降或上升。

設原始波速為v，波速變化為δv，則走時偏移τ與δv的關(guān)系如下式[11]：

走時偏移τ 誤差下限στ由Cramer-Rao Lower Bound法則[12-13]計算：

式（4）中，f0為信號主頻，B為信號的頻寬與主頻之比，T 為窗口長度，ρ 為波形互相關(guān)系數(shù)，SNR 為信噪比。

2 結(jié)果及其初步分析

2.1 HypoDD雙差重定位結(jié)果

雙差重定位前后震中位置平面和深度對比依次見圖2、表2。如圖2b，重定位后的224 個地震大多呈NW 向展布，少數(shù)呈NE 向展布，它們的平面分布位置較重定位前更集中、震間距變小。據(jù)羅麗等[14]，MS5.7 主震的發(fā)震構(gòu)造可能是NW 向的洋雞山—武山—通江嶺斷裂、MS4.8 最大余震的發(fā)震構(gòu)造可能是NEE向的劉家—范家鋪—城門山斷裂。由表2，重定位后震源深度依舊以10～12 km 為主（45.98%），92.85%的地震集中在8～14 km深度。

2.弊端：（1）獲得的能源同四季、晝夜及陰晴等氣象條件有關(guān)；（2）目前相對于火力發(fā)電，發(fā)電成本高；（3）光伏板制造過程中要消耗大量化石能源并造成污染。

2.2 重復地震挑選結(jié)果

重復地震挑選具體步驟：①將地震事件波形數(shù)據(jù)由EVT 格式轉(zhuǎn)換為SAC 格式；②使用0.5～10 Hz帶通濾波進行預處理[15]；③利用波形互相關(guān)技術(shù)，設置計算長度為四倍Sg 和Pg 到時差[15-16]，找出同時被范鎮(zhèn)臺（FZT）和九江臺（JUJ）記錄且cc≥0.940的地震對，作為相似地震對[3-4]；④使用經(jīng)過HpyoDD 雙差重定位后的震源信息，篩選出組間距≤0.5 km的相似地震對作為重復地震對[17]。

圖2 MS5.7地震序列重定位前后震中位置平面對比圖Fig.2 The comparison map of the epicenter location before and after the MS5.7 earthquake sequence relocation

表2 MS5.7地震序列重定位前后震源深度對比Table 2 The comparison of focal depth before and after the MS5.7 earthquake sequence relocation

本次研究最終篩選出兩組重復地震對（圖3、表3）：兩重地震對D1（2005-11-29 09：13 ML2.0 和2005-12-02 04：54 ML1.9）和三重地震對D2（2005-12-02 23：49 ML2.2、2005-12-06 16：58 ML1.7 和2006-03-24 06：24 ML2.4）。為了方便后續(xù)研究，將D2拆分為兩組兩重地震對：D2-1（2005-12-02 23：49 ML2.2和2006-03-24 06：24 ML2.4）和D2-2（2005-12-06 16：58 ML1.7和2006-03-24 06：24 ML2.4）。

2.3 尾波干涉結(jié)果

結(jié)合前人經(jīng)驗[15-16]，選取四倍Sg 與Pg 到時差作為尾波干涉測量窗長，移動窗長為1 s，移動步長為0.05 s。

由于范鎮(zhèn)臺（FZT）和九江臺（JUJ）與MS5.7 主震相距較近、記錄的地震波形數(shù)據(jù)質(zhì)量好且觀測時間長，因此將重復地震對D1、D2-1 和D2-2 分別在這兩個臺站記錄到的波形數(shù)據(jù)按照上述參數(shù)進行設置以進行尾波干涉處理，計算誤差均在允許范圍內(nèi)，結(jié)果及初步分析如圖4～6。

2.3.1 重復地震對D1尾波干涉結(jié)果及其初步分析

（1）如圖4a，范鎮(zhèn)臺（FZT）記錄到的P 波尾波部分（1.00～2.90 s）走時延遲較為平緩，波速無明顯變化；S 波振幅較大部分（2.90～4.85 s）走時延遲呈下降趨勢，表明波速有所增加；S 波早期尾波部分（4.85～5.95 s）走時延遲線性下降趨勢更加明顯，挑選此時段計算相對波速變化，為4.28‰。

圖3 MS5.7地震及雙臺記錄重復地震對位置圖Fig.3 The location map of the MS5.7 earthquake and repeated earthquakes recorded by 2 stations

表3 MS5.7地震及雙臺記錄重復地震對信息統(tǒng)計表Table 3 Statistics of the MS5.7 earthquake and repeated earthquakes recorded by 2 stations

2.3.2 重復地震對D2-1尾波干涉結(jié)果及其初步分析

（1）如圖5a，范鎮(zhèn)臺（FZT）記錄到的P 波尾波部分（1.00～2.80 s）走時延遲基本無變化，波速變化不明顯；S 波振幅較大部分（2.80～5.95 s）走時延遲有抬頭的趨勢，波速小幅降低；S 波早期尾波部分（5.95～6.15 s）走時延遲迅速增至0.0087 s，相對波速降幅達39.60‰，但此時段內(nèi)有效值較少，且不相關(guān)系數(shù)升高，因此該結(jié)果可信度較低，后續(xù)討論中不使用此結(jié)果作為支撐結(jié)論的依據(jù)。

（2）如圖5b，九江臺（JUJ）記錄到的P波尾波部分（1.00～3.40 s）走時延遲變化較為復雜，總體呈下降趨勢，表明波速有所增加；S 波振幅較大部分（3.40～6.30 s）走時延遲降低，表明波速增加；S 波早期尾波部分（6.30～7.95 s）走時延遲線性上升，最大走時延遲可達0.0312 s，表明波速下降，選取該時段計算相對波速變化，降幅為5.08‰。

圖4 范鎮(zhèn)臺（a）和九江臺（b）D1波形記錄、不相關(guān)系數(shù)及走時延遲隨時間變化圖Fig.4 The waveform records，de-correlation coefficient and travel time delay of repeated earthquake D1 recorded by FZT（a）and JUJ（b）changing with time

圖5 范鎮(zhèn)臺（a）和九江臺（b）D2-1波形記錄、不相關(guān)系數(shù)及走時延遲隨時間變化圖Fig.5 The waveform records，de-correlation coefficient and travel time delay of repeated earthquake D2-1 recorded by FZT（a）and JUJ（b）changing with time

2.3.3 重復地震對D2-2尾波干涉結(jié)果及其初步分析

（1）如圖6a，范鎮(zhèn)臺（FZT）記錄到的P 波尾波部分（1.00～2.80 s）走時延遲有輕微上升的趨勢，即波速略微下降；S 波振幅較大部分（2.80～5.40 s）走時延遲有上升趨勢，表明波速可能下降；S 波早期尾波部分（5.40～6.50 s）走時延遲線性上升趨勢顯著，最大走時延遲達0.012 s，該時段內(nèi)相對波速降幅為8.26‰，波速降幅較大。

（2）如圖6b，九江臺（JUJ）記錄到的P波尾波部分（1.00～3.40 s）走時延遲總體呈下降趨勢，表明波速增大；S 波振幅較大部分（3.40～6.20 s）走時延遲變化較復雜：早期為上升、后期為下降，表明波速可能先降低后升高；S 波早期尾波部分（6.20～7.75 s）走時延遲上升，波速降低，其相對波速降幅為2.91‰。

圖6 范鎮(zhèn)臺（a）和九江臺（b）D2-2波形記錄、不相關(guān)系數(shù)及走時延遲隨時間變化圖Fig.6 The waveform records，de-correlation coefficient and travel time delay of repeated earthquake D2-2 recorded by FZT（a）and JUJ（b）changing with time

3 地殼介質(zhì)變化討論

據(jù)圖4～6，可知S 波及其早期尾波段走時延遲隨流逝時間呈線性變化。選取S波早期尾波段，總結(jié)該時間段內(nèi)相對波速變化特征（表4、圖7）。

據(jù)表4 和圖7，在MS5.7 主震發(fā)生后，2005 年11 月29 日至12 月2 日，S 波早期尾波相對波速均為正值（D1 重復地震對相對波速變化：FZT 為4.28±0.29‰、JUJ 為6.48±0.48‰），意味著波速增加。據(jù)劉志坤[18]，孔隙彈性回彈是影響震后斷層區(qū)地殼介質(zhì)波速的主要因素之一，波速在震后幾十天內(nèi)呈現(xiàn)快速恢復的態(tài)勢。本次研究中S波早期尾波波速在震后第三至第六天增加與前人研究結(jié)果相吻合，表明本次研究結(jié)果可靠。

據(jù)表4 和圖7，在MS5.7 主震發(fā)生后，不管是從2005 年12 月2 日（冬季）至2006 年3 月24 日（春季），還是從2005年12月6日（冬季）至2006年3月24 日（春季），S 波早期尾波相對波速均為負值（D2-1 重復地震對相對波速變化：JUJ 為-5.08±0.35‰，D2-2 重復地震對相對波速變化：FZT 為-8.26±0.16‰、JUJ 為-2.91±0.42‰），意味著波速減小。研究區(qū)北臨長江、南依鄱陽湖，水資源豐富，需特別關(guān)注降雨和氣壓對波速變化的影響。九江臺自2008 年開始正式產(chǎn)出降雨量和氣壓數(shù)據(jù)，通過整理九江臺2008 年12 月至2013 年3 月降雨量和氣壓數(shù)據(jù)、計算它們的多年日平均值（表5），以推測2005 年11 月26 日九江——瑞昌5.7 級地震后、2005 年12 月至2006 年3 月降雨量和氣壓數(shù)據(jù)變化趨勢。據(jù)表5，發(fā)現(xiàn)12 月至來年3 月，降雨量日平均值先減小后升高，總體呈增加趨勢。Xie 等[19]和劉志坤[18]認為水體對波速變化在震后影響更顯著，原因是震后斷裂更加發(fā)育、裂隙更大，巖石滲透性和水的流動性顯著增強。Martini 等[20]和肖卓[3]發(fā)現(xiàn)波速和降雨量、水體水位季節(jié)變化有密切聯(lián)系，從冬季到春季S 波早期尾波波速會隨著降雨量增大、水體水位升高而降低；如表5，MS5.7 主震后氣壓日平均值從12 月至第二年3 月先升高后降低，總體呈降低趨勢。據(jù)前人經(jīng)驗[21]，震后波速變化與氣壓變化呈正相關(guān)。因此可以推斷：在MS5.7 地震后，震區(qū)S 波早期尾波波速從2005 年12 月2 日（冬季）至2006 年3 月24 日（春季）減小的主要原因與該地區(qū)震后裂隙發(fā)育更好，且從冬季到春季降雨增多、長江水位上升、鄱陽湖蓄水量增大及氣壓降低有關(guān)。

4 結(jié)論

本文基于MS5.7 地震序列228 個事件波形數(shù)據(jù)及其觀測報告、水體分布、降雨量和氣壓等資料，采用雙差重定位法獲得224個地震重定位結(jié)果，使用波形互相關(guān)技術(shù)挑選出符合要求的重復地震對，利用尾波干涉技術(shù)分析重復地震對的走時延遲變化，最終可以得到以下幾點收獲：

表4 范鎮(zhèn)臺和九江臺記錄的重復地震對S波早期尾波相對波速變化Table 4 The variation of the relative velocity of the early coda wave of S wave after repeated earthquakes recorded by FZT and JUJ

圖7 范鎮(zhèn)臺（a）和九江臺（b）記錄的重復地震對S波早期尾波相對波速變化Fig.7 Early S coda’s relative wave velocity variation of repeating earthquakes at FZT（a）and JUJ（b）

表5 九江臺（JUJ）降雨量和氣壓統(tǒng)計Table 5 Statistics of rainfall and pressure at JUJ

篩選出了兩組重復地震對。這兩組重復地震對同時被范鎮(zhèn)臺（FZT）和九江臺（JUJ）記錄、波形互相關(guān)系數(shù)≥0.940 且組間距≤0.5 km，分別為：兩重地震對D1（2005-11-29 09：13 ML2.0 和2005-12-02 04：54 ML1.9）和三重地震對D2（2005-12-02 23：49 ML2.2、2005-12-06 16：58 ML1.7和2006-03-24 06：24 ML2.4）。

MS5.7地震后短期內(nèi)（2005年11月29日至12月2 日）S 波早期尾波波速呈增加的態(tài)勢。D1 重復地震對：范鎮(zhèn)臺（FZT）相對波速變化為4.28±0.29‰、九江臺（JUJ）相對波速變化為6.48±0.48‰，可能與孔隙彈性回彈有關(guān)。

MS5.7 地震后幾個月時間內(nèi)（2005 年12 月2 日至2006 年3 月24 日）S 波早期尾波波速呈減小的趨勢。D2-1重復地震對：九江臺（JUJ）相對波速變化為-5.08±0.35‰，D2-2 重復地震對：范鎮(zhèn)臺（FZT）相對波速變化為-8.26±0.16‰、九江臺（JUJ）相對波速變化為-2.91±0.42‰，可能與震后裂隙發(fā)育程度變高，且從冬季（2005 年12 月2 日）至春季（2006年3 月24 日）該地區(qū)降雨量升高、長江水位上升、鄱陽湖蓄水量增大及氣壓降低有關(guān)。

致謝：感謝重慶市地震局汪建工程師和江西省地震局陳浩高級工程師的傾情指導和熱情幫助，感謝匿名審稿專家們提供的寶貴修改意見！