〔作者简介〕 宋春燕, 女, 1978年生, 2017年于中国地震局地质研究所获固体地球物理专业博士学位, 高级工程师, 主要从事数字地震学和地震预测等方面的工作, E-mail: songchunyan1@163.com。
利用远震初至波穿越地壳、 上地幔等速度界面时产生的一系列PS型透射转换波, 测定远震PS转换波与初至P波的到时差Δ tPS= tPS- tP随时间的变化特征, 有可能监测孕震区转换界面以上有限的地层空间内介质物性的变化。选取2001—2012年作为研究时段, 通过四川地震台网的YZP和JJS 2个台站记录到的兴都库什、 苏门答腊南部地区2组震中距变化<3°的远震数据, 得到2个台站在2008年5月12日汶川 MS8.0地震前后记录的PS转换波与初至P波到时差Δ tPS的变化特征。结果表明, 在2006年以前Δ tPS有一个缓慢增大的过程; 汶川地震前约2a内Δ tPS出现明显的降低过程, 最大降幅达0.2~0.3s, 超过测量误差4~5倍; 震前2~3个月低值有一定程度的回返。文中讨论了可能引起Δ tPS变化的原因, 分析表明文中提出的远震转换波法在地震监测中有很好的应用前景, 值得进行进一步实验研究。
When P waves from distant earthquakes meet a velocity discontinuity in the earth's crust and upper mantle, they give rise to a series of converted PS waves besides PP refracted waves. It is possible to monitor the variation of the physical properties of the medium in the limited formation space above the transition zone of the seismogenic zone by measuring the time difference between the teleseismic PS converted wave and the first arrival P wave, that is, time-variation Δ tPS= tPS- tP. The advantage of this method is that the transition point of the teleseismic source with similar source is relatively stable at the transition interface, and the accuracy of the measured relative time is high, and the change of the medium in a small range of the seismogenic zone above the conversion interface can be monitored.
This paper studies the variation of the travel time difference Δ tPS in focal region before and after Wenchuan MS8.0 earthquake. We select 2001 to 2012 as the research period, use teleseismic waveforms which occurred in the southern region of Sumatra and Hindu Kush area recorded by Sichuan station YZP and JJS. These teleseisms satisfy 5.0≤ M≤6.5, and their waveform signal-to-noise ratio is high with clear initial P-wave motion. The epicentral distance of teleseisms is less than 3 degrees. Then we obtain the variation of the travel time difference Δ tPS between teleseismic PS converted wave and PP transmitted wave recorded during the study period in the two stations. The results show that there is a slow increasing trend of Δ tPS before 2006, and an obvious low value process of Δ tPS appeared in the period about 2 years before the Wenchuan earthquake. The maximum decline was about 0.2~0.3s, more than 4~5 times the measurement error. The low value has a certain degree of return about 2~3 months before the earthquake.
The change of arrival time difference indicates that the medium is in different states in different periods of seismogenic process. The sharp decrease in Δ tPS from 2006 to January 2008 may be due to the strong disturbance caused by the stress accumulation of the medium. At this stage, the velocity of P wave and S wave increases with the increase of stress, and the increase of S wave velocity will result in the decrease of Δ tPS. The change of Δ tPS is greatly affected by S wave velocity, so Δ tPS appears to decrease rapidly. Regarding the low value that has a certain degree of return about 2~3 months before the Wenchuan earthquake, the possible reason is that the release of stress is much higher than the accumulation of stress in meta-instability stage. At this stage, the velocity of S wave decreases and the decrease of S wave causes Δ tPS to increase. Then, the Wenchuan earthquake of magnitude 8.0 occurred. It is shown that the teleseismic converted wave method in this paper can monitor the variation of medium's wave velocity before large earthquakes, and it has a good prospect in seismic monitoring and worth further experimental study.
通过监测地震波速的变化了解地壳内部的应力积累情况从而预测地震, 是近代地震学研究早期就有的想法。国内外的地震学家采用各种地震波监测方法研究地震前后地壳介质的时变性质, 提出了测量波速、 波速比变化(Aki et al., 1970; 李艳娥等, 2014, 2016)、 剪切波分裂的变化(Crampin et al., 1990)、 尾波Q值的变化(Jin et al., 1986)及利用重复的人工或天然震源研究波速变化(Reasenberg et al., 1974; Poupinet et al., 1984)等地震学方法, 取得了很多进展。
在使用天然地震直达波监测地震波速变化的方法中, 由于直达波的传播路径短, 震源参数测定的误差容易导致较大的波速测量误差。一些预期存在很大波速比变化的地震观测结果却给出了否定性的结论(McEvilly et al., 1974; Kanamori et al., 1975)。
利用重复地震, Poupinet等(1984)研究了美国加州地区Calaveras断层带的波速变化, 得到了一些较好的结果。近年来, 随着地震背景噪声成像技术的发展, 地震背景噪声也被作为重复震源用于地下介质变化的监测研究中(Shapiro et al., 2005; Yao et al., 2006; Bensen et al., 2007)。地震背景噪声可以弥补天然地震时空分布的局限性, 但是一方面通常需要叠加数月的噪声数据才能得到可靠的信号, 另一方面地震背景噪声源等因素的变化也可能影响对介质变化的测量(Zhan et al., 2013)。由于人工气枪震源等具有可重复性的优点, 可以很好地进行野外试验, 故被广泛用于监测地震波速变化的研究中, 所得速度变化的精度可达10-3s(Reasenberg et al., 1974; 杨微等, 2010; 王宝善等, 2011, 2016)。人工震源在某种程度上克服了天然地震的不足, 但更大范围、 更深部的波速变化尚未被检测出来。
本文提出利用远震PS转换波与P波到时差来监测地震前介质物性变化的方法。远震转换波测深法通常用于研究地壳、 上地幔的构造(Kenneth et al., 1962; 邵学钟等, 1978, 1993, 2013; 刘启元等, 1985, 2005)。利用远震PS转换波与P波到时差随时间的变化来监测大震震源区附近地壳介质的动态变化, 在国外未见过类似研究, 国内仅进行过一些初步的试验研究。此方法的优点是震源相近的远震在转换界面上的转换点相对稳定不变, 测定相对到时的精度高, 能监测转换界面以上孕震区小范围内介质的变化情况。邵学钟等(2013)利用中国数字地震台网记录的远震转换波与P波到时差随时间的变化来研究及监测地壳介质的动态变化, 发现在1989年以前的2a内该到时差有0.1~0.2s左右的急剧下降, 这一异常被认为可能与1988年11月的云南澜沧-耿马地震的孕震过程有关。
2008年5月12日四川汶川发生MS8.0地震, 造成了重大的人员伤亡和经济损失, 深入分析和研究震前的各种前兆异常现象, 探讨有效的地震预测方法具有重大的现实意义。国内外众多地学工作者对汶川地震给予了极大关注, 对其发震机理、 破裂过程、 地壳结构及形变、 波速变化等方面都进行了研究, 取得了很多有意义的成果(张培震等, 2008; Chen et al., 2010; 刘志坤等, 2010; 王林瑛等, 2011; Froment et al., 2013; 李艳娥等, 2014, 2016)。本文以汶川MS8.0地震为例, 研究地震前后由于介质变化引起的远震转换波到时差Δ tPS的变化特征, 并讨论其在地震预测研究方面的应用前景。
假设介质中存在某些速度界面, P波从界面下侧入射, 透过界面时产生的PP型透射波(即初至P波)和PS透射转换波都将先后到达地表。PS波与原生P波的到时差Δ tPS=tPS-tP可表示为
其中, H为转换界面深度;
利用固定地震台资料测定Δ tPS随时间的变化时, 式(1)中转换界面深度H可看做常数。对于震中距Δ ≥ 30° 的远震, C
在孕震区及其附近的一些固定测点上长期观测来自相对固定的远震震源区激发的地震波, 并测定各测点到时差Δ tPS随时间的变化, 有可能实现对孕震区转换界面以上很有限的地层空间内介质的物理性质及波速变化的长期监测。
本文主要研究汶川8.0级地震震源区及周边区域到时差Δ tPS在大震前后的变化情况, 因此选取2001— 2012年的12a作为研究时段。在台站的选取上, 尽量选择靠近震源区且波形记录较好、 信噪比高且在研究时段内地震记录较完整的台站。比较之后选择了四川数字地震台网的油榨坪台(YZP)和金鸡寺台(JJS)进行研究(图1), 2个台站位置分别为(30.86° N, 103.56° E)(YZP)和(31.00° N, 104.54° E)(JJS), 二者均位于断层下盘, 前者距主震震中约20km, 后者距主震震中约100km, 距余震带约50km。
远震事件的选择标准一般为: 1)30° ≤ Δ ≤ 90° , 且同组远震中最大震中距变化不超过2° ~3° ; 2)震源在地壳以下的上地幔中; 3)5.0≤ M≤ 6.5。在研究时段, 尤其是2006— 2008年间可选择地震发生较多的地区, 以便识别地震前后变化。最终选取兴都库什地区的中源地震和印尼苏门答腊南部地区的远震分别进行分析(图2), 同组远震震源参数的变化引起转换波到时差的测量误差 ≤ 0.5% 。在这种条件下, 超过测量误差的转换波到时差随时间的变化应能反映介质性质的动态变化。
依据USGS地震目录, 选出信噪比较高且P波初动清晰的地震波形。所选择的波形中只有极个别的5.0级地震波形可用, 其它则信噪比较低, 震级> 5.3级的地震波形, 其初至P波才较为清晰; 在兴都库什地区选择的中源地震深度约200km, 深度差不超过50km。
对数字地震仪记录的三分量原始波形数据进行去均值、 扣除仪器响应等预处理。由于地壳界面的埋深较浅, 即使自深度100km内的上地幔顶部界面传播而来的PS波, 其到时差≤ 10s, 因此本文使用P波前20s的数据进行分析。对P波分量进行频谱分析后, 对三分量记录进行周期为0.5~1.2s的低通滤波, 经处理后水平分量上转换波的信噪比明显提高。
为了消除P波对水平分量的干扰, 同时使转换波在水平分量上的投影达到最大, 对三分量记录进行了坐标轴旋转的变换。具体方法是: 先旋转SN方向坐标轴, 使之与P波入射面重合, 然后再旋转UD方向坐标轴, 使之与P波入射线方向重合, 从而由原始的SN、 EW、 UD三分量记录变为R、 T、 P(径向、 切向和垂向)3个特征分量的记录。在P波射线坐标系下, P与P波出射射线方向重合; T垂直于P波入射面; R在P波入射平面内, 并与P波方向垂直。
YZP台的兴都库什和苏门答腊南部地区远震转换波P、 T、 R三分量记录如图 3所示, 在兴都库什地区挑选的中源地震深度约200km, P波初动尖锐, 符合要求的有24个地震。P波震相的振幅极大值对应横坐标0时刻, 纵坐标按远震事件发震时间排列, P、 T、 R 3个特征分量波形如图3a所示。转换波主要分布在R、 T分量上, 对应P波零振幅平面附近。远震转换波可分别在T分量和R分量上被识别出, 也可以同时在T、 R分量上识别出, 这取决于转换波的偏振方向。转换波震相最大振幅对应的时间坐标就是PS转换波与P波的到时差, 转换界面越深则转换波到时差越大。从图中可以看出, 初至P波有较好的相似性; 在T分量图中能识别出多组清晰的PSH型转换波, 其中信噪比最高、 最清晰的有2组, 其与初至P波的到时差约2.1s和6.03s; 在R分量图上可识别出多组优势的PSV型转换波, 其中最为清楚、 信噪比最高的只有1组, 其与初至P波的到时差约6.04s。
图3b为苏门答腊南部地区的远震转换波, 该地区震源深度在30~80km且P波初动尖锐的地震有30个。将P波震相的振幅极大值对应横坐标0时刻, 纵坐标按远震事件发震时间排列, P、 T、 R 3个特征分量波形如图3b所示。 T分量上最清楚的PSH型转换波与初至P波的到时差约6.03s; R分量上与初至P波的到时差约6.04s的PSV型转换波较为清晰, 其次还有与初至P波的到时相差约4.18s的转换波。
图 4为JJS台记录的兴都库什和苏门答腊南部地区远震转换波, 兴都库什地区符合要求的22个远震按发震时间顺序排列的P、 T、 R三分量波形如图4a所示。可以看出, 初至P波有较好的相似性。在T分量上能识别出2组清晰的PSH型转换波, 其与初至P波的到时差约2.35s和5.8s; 对R分量上2组优势的PSV型转换波进行分析, 发现其与初至P波的到时差约1.03s和5.81s。
苏门答腊南部地区符合要求的38个远震按发震时间顺序排列的P、 T、 R三分量波形如图4b所示。对T分量上2组清晰的PSH型转换波进行分析, 其与初至P波的到时差约4.31s和5.69s; 对R分量上2组清晰的PSV型转换波进行分析, 其与初至P波的到时差约5.63s和9.28s。
在R、 T分量上可清楚看出, 汶川地震前Δ tPS存在明显变化, 但各界面转换波之间也可能存在一定程度的相互干涉。为了更精确地测量转换波的到时差, 采用分离干涉波方法(邵学钟等, 2013), 得到各地震台站的Δ tPS随时间的变化曲线。
图 5和图 6分别是YZP台记录的兴都库什和苏门答腊南部地区远震PS转换波与初至P波到时差的变化曲线, 为了减少误差的影响, 对数据进行了三点滑动平均处理。选取的兴都库什地区的远震震中距YZP台约3 100km, 苏门答腊南部地区远震震中距YZP台约4 100km, 通过计算同组远震由震中距和震源深度的变化引起到时差的测量误差 ≤ 0.3% , 约0.02~0.04s。
2001— 2006年之间, 经过三点平均滑动处理后Δ tPS的变化量不超过0.05s(图 5和图6), 进行滑动平均前的变化量也不超过0.1s。2006年底— 2008年2月Δ tPS急剧降低, 最大降幅达0.2~0.3s, 超过测量误差的5倍, 故该异常是可信的, 其反映了地壳介质的变化。2009年之后Δ tPS的变化量明显超过2006年之前, 最大幅度达0.1s, 可能与震后应力调整及余震的发生有关。
将YZP台记录的兴都库什地区远震在各界面的PS转换波与P波到时差曲线保持横坐标不变、 按纵轴平移, 放入同一坐标系中进行比较。图 7是将YZP台兴都库什地区PSH型与初至P波的到时差约2.1s和6.03s的转换波、 PSV型与初至P波的到时差约6.04s的转换波沿纵轴平移后得到的结果。 可以看出, Δ tPS的异常变化曲线都有相似的形状, 且在2006年之前不同深度界面的到时差曲线有一个缓慢上升的过程, 最大增幅达0.06s; 2007年1月— 2008年1月到时差均出现明显的下降趋势, 下降幅度达0.2~0.3s, 自2008年2月开始到时差回返; 震后到时差处于波动状态, 最大变化幅度达0.11s。
图 8为YZP台苏门答腊南部地区PSV型与初至P波到时差约4.18s和6.04s的转换波、 PSH型与初至P波到时差约6.03s的转换波沿纵轴平移后得到的结果, 图中曲线的形状相似。由图 8可以得出与兴都库什地区远震类似的结果, 不同深度转换波的到时差曲线在2006年之前有一个缓慢上升的过程, 最大增幅达0.05s; 2007年1月— 2008年1月到时差均出现急剧下降趋势, 最大降幅达0.2~0.3s, 自2008年3月开始到时差回返; 震后到时差处于波动状态, 最大变化幅度达0.1s。
YZP台2组远震资料均表明汶川地震前YZP台转换波到时差从2007年1月— 2008年2月的13个月内下降了0.2~0.3s, 2008年3月以后逐渐向均值附近恢复。下降量超过测量误差3~4倍以上, 故结果是可信的。
图 9是JJS台记录的苏门答腊南部地区远震PS转换波与初至P波的到时差变化曲线及其经三点滑动平均处理后的结果。
图 10是JJS台记录的PSH型与初至P波到时差约2.35s和5.81s的转换波、 PSV型与初至P波到时差约4.32s和5.8s的转换波沿纵轴平移后得到的结果。可以发现其与YZP台类似, 不同深度的Δ tPS曲线在2006年之前似乎有一个缓慢上升的过程, 最大增幅达0.06s; 2007年1月— 2008年1月到时差均出现急剧下降的趋势, 最大降幅达0.2~0.3s, 自2008年3月开始到时差回返; 震后到时差处于波动状态, 最大变化幅度为0.09s。
汶川地震前JJS台记录的兴都库什地区远震Δ tPS急剧降低, 不同深度界面的降幅均超过测量误差的4~5倍, 故该异常是可信的, 这一过程与YZP台得到的结果一致。
图 11是JJS台记录的苏门答腊南部地区远震PS转换波与初至P波的到时差变化曲线及其经三点滑动平均处理后的结果。
图 12是JJS台记录的PSV型与初至P波到时差约5.63s和9.28s的转换波、 PSH型与初至P波的到时差约4.31s和5.69s的转换波沿纵轴平移后得到的结果。可以看出, 不同深度的Δ tPS曲线在2006年之前似乎有一个缓慢上升的过程, 最大增幅达0.06s; 2007年2月— 2008年2月到时差均出现急剧下降趋势, 最大降幅达0.2~0.3s, 自2008年3月开始到时差回返; 震后到时差处于波动状态, 变化最大幅度达0.12s。
将图7、 8、 10、 12的平均曲线绘制在一张图中(图13), 对比不同台站4组远震Δ tPS的平均变化情况。从图中可看出4条曲线有相似的形态, 在2006年之前变化基本一致, 2006年之后分别出现了不同程度的低值变化, 最大变化量出现在2008年前后, 平均降幅约2.3s, 在2008年2月4条曲线均出现了回返。
(1)四川数字地震台网的油榨坪台(YZP)和金鸡寺台(JJS)转换波资料的分析结果表明, 通过2个台站分别记录的2组远震得到的Δ tPS随时间变化的平均曲线都有相似的变化特征, 充分说明异常的稳定性和可靠性。图 13代表了震前Δ tPS变化的综合平均结果, 可以看出在2006年之前普遍出现Δ tPS略微增加的现象, 但增加量不大, 仅能看出一个趋势。汶川地震前2a左右PS转换波的到时差Δ tPS出现明显的减小过程, 震前约3个月低值有一定程度的回返。Δ tPS下降幅度约0.2~0.3s, 超过测量误差4~5倍, 故这一负异常是可信的。地震后Δ tPS有强烈的变动, 逐渐回至2001年左右的水平。
(2)Δ tPS的变化曲线表明介质在孕震的不同时期具有不同状态。 2006年以前介质受到一定扰动, 使得Δ tPS出现略微增大的趋势, 这种现象可有不同解释。根据前人的研究可知, 裂隙介质中水和流体的侵入可以引起
Δ tPS在2006年底— 2008年1月出现的大幅降低, 其原因可能是介质受应力积累的影响出现强烈扰动, 使得
Δ tPS在汶川震前2~3个月有低值回返的现象, 其原因可能与马瑾等(2012, 2014)提出的临震前出现的介质亚失稳应力状态有关。在亚失稳准动态阶段, 应力的释放速率远高于应力的积累速率, 从而使介质的
(3)由式(1)可知, 到时差与转换界面深度、 介质中P波、 S波速度及P波射线参数有关, 所选震源和震中距都较为接近, 震源时间函数的差异, 即入射初始P波波形的差异不会影响到时差, 信噪比的差异会对到时差产生一定影响。 文中选取了转换波信噪比较高的记录, 信号水平是干扰背景的几倍, 有的记录在某些时段干扰较大, 但在有用信号的时段干扰较小, 则该记录仍然可用, 而在有用信号时段干扰确实较大的记录则被舍弃。与其它研究震前波速变化的方法相比, 利用远震PS转换波与P波到时差监测地壳介质动态变化的方法更便于实施, 受震源参数的影响较小, 测量的精度较高, 能直接监测转换界面以上孕震层的动态变化, 有较好的应用前景。该方法的局限性是需要挑选震源位置较为接近的远震记录(可选震中距相差5° 之内的远震)进行分析, 有时1a内能选出的有用远震不多, 限制了监测频次。考虑到本文中同一台站的不同组远震的Δ tPS变化类似, 因此可多选几组远震同时进行监测以弥补样本量的不足, 从而可长期监测台站周围地壳介质的动态变化。
(4)在图 3和图 4中, 为了使PS波更清晰、 直观, 对个别P波初动尖锐向下的波形的三分量同时进行了反向处理, 由于最终得到的结果是PS波和初至P波的到时差, 故该处理对结果没有影响。
(5)结果表明, 不同深度转换震相的到时差幅度相当, 并没有随着深度增加而发生明显变化。由公式可知, 到时差主要与介质的P波、 S波速度有关, 这说明浅部波速变化更为显著。范景辉等(2002)的实验研究表明, 岩石波速在低压区随压力升高迅速呈非线性增加, 随后则转变为近线性缓慢增加, 这主要源于岩石内部微裂隙闭合对波速的贡献。应力的增加使得壳幔物质挤压并向上逆冲, 侵入震源区断裂, 可能也是造成浅部波速变化的原因。
致谢 本研究工作使用的主要软件由邵学钟研究员提供; 四川省地震局吴鹏为本研究的数据收集及处理提供了帮助。在此一并表示感谢!
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