〔作者简介〕 唐明帅, 女, 1976年生, 2011年于中国地震局兰州地震研究所获固体地球物理学硕士学位, 高级工程师, 主要从事地震分析和地震学研究, 电话: 13565964156, E-mail: tmings65@sina.cn。
文中利用远震P波接收函数, 联合接收函数H-κ叠加方法和时间窗滑动方法, 分析了2012年6月30日新疆新源-和静 MS6.6地震震中距200km内11个固定地震台2009年1月—2012年12月(石场台为2006年1月—2012年12月)的地壳介质泊松比的变化特征, 分析了乌苏、 石场和新源3个台站准重复接收函数的莫霍面Ps转换波到时( tPs)变化, 获得了以下认识: 1)在新源-和静 MS6.6地震前2~3a的不同时段, 5个震中距<130km的台站的地壳介质泊松比相继出现了较为明显的持续下降过程, 与台站平均地壳泊松比相比, 下降幅度为0.003~0.014, 4个台站的下降幅度大于均值误差, 乌苏台(震中距最小, 为77km)的下降起始时间(2009年7月)最早; 6个震中距>150km的台站的地壳介质泊松比在均值上下波动, 没有出现明显的下降和持续低值现象; 2)出现泊松比低值异常的台站, 其接收函数 tPs在震前变小(Ps转换波在地壳内的走时变小), 在震后变大(Ps转换波在地壳内的走时变大); 3)综合分析泊松比下降的幅度、 持续时间、 后续变化过程及接收函数 tPs的变化, 推测这种异常变化的原因是地震孕育、 发生过程中出现的地壳介质物性变化, 这一观测结果表明, 在高密度台网的支撑下, 接收函数方法可能成为探测强地震前地壳介质泊松比变化的一种新的技术途径。
We analyzed the variation characteristics of Poisson’s ratio in crustal media from January 2009 to December 2012 at 11 fixed seismic stations(
(1)The crustal media’s Poisson ratio of five stations in an epicenter distance less than 130km showed a significant and long-lasting decline about 2~3 years before Xinyuan-Hejing MS6.6 earthquake. Taking the crustal Poisson ratio mean value as reference, the decrease ranges between 0.003 and 0.014, the decrease in 4 stations are more than twice the mean error. The variations of the Poisson’s ratio in crust are characterized by “V” shape or “double V” shape. Earthquakes occur at the end of the formation of “V” shape. After the occurrence of earthquakes, the Poisson’s ratio continues to rise. The earliest initial fall appeared in July 2009 at WUS station which has the minimum epicentral distance(77km). The Poisson ratio of the crustal media of 6 stations with epicentral distance more than 150km fluctuated up and down around the mean value, and there is no significant decline or persistent low value.
(2)We analyzed the arrival-time variations of the quasi-repetitive receiver functions Ps converted wave( tPs)of the 3 stations WUS, SCH and XNY and found that the travel times of Ps converted waves became smaller in the crust before the earthquake and increased after the earthquake.
(3)Through the comprehensive analysis on the descending process, decline ranges, variations process, duration of Poisson’ ratio, the Ps converted waves arrival time variations, the original time of earthquake, and the number of stations, it is inferred that the cause for Poisson’s ratio anomalous variations is the change of physical properties of crustal media in the process of earthquake preparation and occurrence. Since the variation characteristics of crustal media may be related to the earthquake magnitude, the size of seismogenic area, the medium properties under stations, and the focal distance, whether the medium variation characteristics exist before and after Xinyuan-Hejing MS6.6 earthquake will need more earthquake cases analyses.
(4)The H- κ stacking of receiver functions is used to calculate the velocity ratio. Because P-wave velocity is given, this method can only be applied when the Ps converted wave velocity of Moho surface of receiver functions changes before an earthquake. With the application of receiver functions to the analysis of more earthquake cases, we can gain more insights into the variation of crustal medium parameters during the seismogenic process. This observation indicates that the receiver function method may become a new approach to detect the Poisson’s ratio change of the crustal media before strong earthquake under the condition of high seismic network density.
在地震孕育过程中, 由于孕震区应力的增加, 地下介质将产生微破裂、 扩容等变化, 从而引起介质的弹性参数变化, 地震波通过孕震区时, 波速也将发生相应变化, 这是利用波速比异常预测地震的重要依据(冯德益, 1981)。 泊松比表示介质受力后横向与纵向的应变之比, 是反映地壳介质性质的参数, 波速比是介质泊松比的函数, 随泊松比的增大而增大(李善邦, 1981)。 20世纪50年代, 日本学者首先发现并研究了大地震前地震波速度的变化; 在60— 70年代中期, 前苏联、 美国和日本的地震科学工作者纷纷注意到部分中强地震前后的波速异常变化(冯德益, 1981)。
自20世纪70年代, 中国学者陆续开展了对中强地震前后波速比异常特征的研究工作(冯德益等, 1974; 冯锐等, 1976; 黎明晓等, 2004; 张学民等, 2004; 刁桂苓等, 2005; 王林瑛等, 2008, 2011; 钱晓东等, 2013; 李艳娥等, 2014), 还有一些成功预报强震的震例, 1976年松潘-平武7.2级大地震之前出现的波速比异常是预报该地震的依据之一(徐果明等, 1982)。 在新疆, 一些学者利用地震震相数据对新疆天山部分中强震前后的波速比异常进行了分析讨论(王桂岭等, 1979; 龙海英等, 2011a, b; 高朝军等, 2013; 张琳琳等, 2016), 这些震例为波速比异常研究提供了经验。
在上述研究地震前后波速比变化的工作中, 主要采用了日本地震学家和达清夫于1928年提出的和达法, 计算的波速比是各台数据总体的平均值。 其计算结果的不确定因素主要由介质的横向不均匀性和计算方法的局限性所造成, 同时也受到时间服务、 震相精度和震源深度等的影响(蔡静观, 2000)。 远震P波接收函数是用远震P波波形的垂直分量对径向分量或切向分量作反褶积后得到的时间序列, 其主要由直达波、 台站下方速度界面产生的Ps转换波及多次反射转换波震相组成, 在很大程度上消除了震源时间函数和传播路径的影响, 故可近似地认为其代表台站下方壳幔结构的响应。 Zhu等(2000)提出了利用径向接收函数中莫霍面的一次转换波Ps及多次反射转换波(PpPs、 PsPs+PpSs)叠加来确定台站下方的地壳介质波速比。 与和达法相比, 该方法因地壳介质非均匀性造成的不确定性大大降低, 计算数据不受时间服务和震源深度的影响, 并且能获得整个地壳深度的介质波速比(泊松比), 弥补了和达法探测孕震区深部介质波速比变化的不足。 因此, 本文联合接收函数
1 接收函数
对于一维水平单层地壳模型, 当给定地壳内介质中P波和S波的平均速度
然而, 利用式(1)计算莫霍面的深度需要解决莫霍面深度与波速比之间存在折中的问题。 联合利用莫霍面多次反射转换波震相(PpPs、 PsPs+PpSs)与初至P波的到时差可以有效地获得台站下方的地壳厚度H和纵横波速比
其中,
2012年6月30日, 新疆新源、 和静县交界处发生MS6.6地震, 震中位于(43.429° N, 84.755° E), 震源深度21.8km(李志海等, 2014)。 此次地震是1970年以来新疆天山中东段地区发生的最大地震, 余震丰富。 2011年11月1日在新疆尼勒克县发生MS6.0地震, 震中(43.65° N, 82.38° E)位于新源-和静6.6级地震以西约194km(图 2), 震源深度28km, 震源断错性质为右旋走滑逆断(聂晓红等, 2018)。 在印度板块与欧亚板块的碰撞挤压作用下, 准噶尔和塔里木盆地周边的山体沿山前断裂向盆地逆冲, 在天山南、 北麓发育大型逆冲推覆构造(图 1)。 同时, 强烈的挤压构造运动产生的不均匀侧向水平剪切作用使得天山、 昆仑山和阿尔金山内部形成了大型走滑断裂, 其中天山的构造变形特点较为复杂, 不仅山前发育多个逆冲推覆构造, 山体内部还发育了大型逆冲走滑断裂(沈军等, 2003)。 2012年新源-和静MS6.6地震的发震构造为喀什河断裂, 是天山内部的一条大型断裂, 其总体走向为290° ~310° , 断面N倾, 倾角50° ~80° 。 该断裂控制了伊犁盆地北界, 北盘上升, 南盘下降, 属于走滑逆断性质(图 2)。
为了认识新源-和静MS6.6地震前后地壳介质泊松比变化的可能范围, 本文收集了11个固定数字地震台(震中距< 200km)2009年1月— 2012年12月(石场台2006年1月— 2012年12月)记录的震中距为30° ~90° 、 震级M≥ 5.5的高质量远震波形数据, 用于计算接收函数。 图 2是地震台站和2次地震的震中分布, 图 3 给出了计算研究区新源台接收函数的地震震中分布。 对收集到的远震波形数据进行预处理, 应用时间域的迭代反褶积方法提取各台站的接收函数(Ligorra et al., 1999)。 从时域迭代拟合率 ≥ 85% 的接收函数中筛选出方位相对集中、 波形相关性好、 间断面Ps转换波震相清晰且到时一致的接收函数用于泊松比的滑动计算。 石河子台存在壳内间断面Ps震相, 且能量强于莫霍面Ps震相, 对应的壳内深度为16.4km(表1), 因此对于该台使用壳内间断面Ps震相用于泊松比滑动分析。 通过整理和归纳研究区已有的地壳结构研究成果, 确定
表1给出了所用11个地震台的相关信息。 通过对各台站接收函数进行滑动
震中距< 130km的5个台站的地壳介质泊松比出现了下降现象, 下降过程较为明显且持续时间较长。 乌苏台的地壳介质泊松比变化呈双“ V” 字形, 其余4个台站的地壳介质泊松比变化呈“ V” 字形, 地震发生在“ V” 字形的回升尾端, 地震发生后泊松比继续回升(独山子台除外)。 2011年11月尼勒克MS6.0地震震中距新源台75km, 在该地震前后, 新源台的地壳泊松比也出现了类似的变化。 5个台站的泊松比整体变化形状与祁连5.3级、 门源6.4级地震前通过主动源观测到的震相走时变化形状(呈“ V” 或双“ V” 字形)相似(张元生等, 2017), 但不同台站的泊松比下降幅度、 低值持续时间和下降起始时间存在不同, 这些差异可能与台站的观测环境、 地下介质的性质以及震源距不同有关。 6个震中距> 150km的台站的地壳介质泊松比在均值上下波动, 没有出现明显的下降或持续低值的过程(图 5), 但库尔勒台和硫磺沟台的接收函数莫霍面Ps震相到时明显随方位变化, 这可能是导致这2个台的泊松比滑动结果出现斜线趋势的原因。
我们从时域迭代拟合率≥ 85%的接收函数中筛选出方位相对集中、 波形相关性好、 间断面Ps转换波震相清晰且到时一致的接收函数用于泊松比滑动计算。 各台站挑选的接收函数后方位角(BAZ)主要分布在40° ~180° (表1); 震中距主要集中在38° ~82° , 少数分布在84° ~89° 。 影响泊松比计算精度的主要因素有接收函数波形的相似度、 信噪比、 方位差异、 震中距范围和接收函数个数等。 乌苏、 石场和新源3个台站有充足的相关性好的接收函数样本, 表2给出了每个台站不同时间窗相同泊松比值对应的接收函数个数、 反方位角和震中距分布范围, 分析认为在满足本文的接收函数挑选条件后, 这3个因素对计算结果的影响小于本文观测到的泊松比变化。 表1给出了各台站所用接收函数的数量, 通过
接收函数中的莫霍面Ps震相为远震P波近垂直入射到台站下方的莫霍面所产生的一次反射转换波, 由于地壳厚度不变, 如果孕震区的波速发生变化, 则在强震发生前不同时间段的接收函数中莫霍面Ps震相到时(tPs)会出现变化。 邵学钟等(2013)分析了应用远震Ps转换波随时间的变化来研究地壳介质动态变化的可行性。
不同射线参数远震体波的入射角度有所差别, 且台站附近介质的非均匀性对接收函数的振幅和到时均有影响(唐明帅等, 2013)。 为了更好地对比不同时间段接收函数Ps震相的到时, 消除由于远震震源位置不同对结果产生的影响, 对同一地震台站, 我们选择了方位、 震中距和射线参数十分相近的接收函数(准重复接收函数)用于分析tPs的变化。 本文分析了乌苏、 石场和新源3个台站的tPs变化。 表3给出了选取的准重复接收函数的相关信息和具体的tPs值, 图 6为对应接收函数的剖面图。 地震发生前, 同一台站距发震时间越近的接收函数, 其tPs到时变小, 暗示转换波Ps速度增大, 与利用主动源观测到祁连5.3级、 门源6.4级地震前穿过孕震区的地震波走时变小的结论一致(张元生等, 2017); 地震发生后接收函数的tPs大于临震前接收函数的tPs(表3, 图 6), 暗示转换波Ps速度减小。 应用接收函数H-κ 方法计算波速比时, 由于给定
本文分析了新源-和静MS6.6地震震中距200km内11个台站的P波接收函数滑动叠加和莫霍面Ps震相到时(tPs), 根据泊松比下降幅度、 后续变化过程、 接收函数的tPs变化、 发震时间以及出现这些变化的台站数量和震中距, 认为在高台网密度情况下, 利用远震P波接收函数可以对地下介质泊松比变化进行动态监测。 新源-和静MS6.6地震发生前, 震中距< 130km的5个台站的地壳介质泊松比出现明显低值异常, 变化形态特征呈“ V” 或双“ V” 字型, 地震发生在“ V” 字形的回升尾端, 地震发生后, 泊松比继续回升。 出现泊松比低值异常台站的接收函数的tPs在震前变小, 即Ps转换波在地壳内的走时变小; 震后tPs变大, 即Ps转换波在地壳内的走时变大。 由于地壳介质的变化特征可能与地震大小、 孕震区范围、 台站下方的介质性质以及震源距等因素有关, 新源-和静MS6.6地震前后出现的介质变化特征是否具有普遍性, 还需要更多的震例分析加以验证。 由于给定了P波速度值, 故仅当地震前接收函数的莫霍面Ps转换波速度发生变化时, 才适合使用接收函数
致谢 在结果分析过程中, 与中国科学院地质与地球物理研究所陈棋福研究员、 中国科学院青藏高原研究所裴顺平研究员进行了有益的讨论; 审稿专家对本文进行了细致的审阅并提出了富有建设性的修改意见, 提高了文章的质量。 在此一并表示感谢!
The authors have declared that no competing interests exist.
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