鄭毅權(quán) 雷軍

北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 第59卷 第3期 2023年5月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 59, No. 3 (May 2023)

10.13209/j.0479-8023.2023.001

國家自然科學(xué)基金(41674053)資助

2022–04–15;

2022–05–31

騰沖地區(qū)中小震群橫波分裂到時差變化研究

鄭毅權(quán) 雷軍?

北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院, 北京 100871; ?通信作者, E-mail: leij@pku.edu.cn

基于云南騰沖強震區(qū) 8 個臺站觀測得到的 260 條地方震橫波分裂數(shù)據(jù), 分析快慢橫波到時差在時間和空間上的分布特征。結(jié)果表明, 橫波到時差的變化與觀測時窗內(nèi) 3 個中小震群的震級有關(guān)聯(lián), 多個臺站的橫波到時差隨各震群中的較大地震同步變化, 這些橫波到時差數(shù)據(jù)攜帶了震群發(fā)生過程中應(yīng)力場變化的信息, 前提是各震群中地震發(fā)生的空間位置集中, 排除了地震射線傳播路徑長度和空間方位的差異對橫波到時差的影響。與以往大多數(shù)情況不同, 3 個震群的震級較小, 最大震級在 M3.2 至 M5.2 之間, 同時震群的震源距普遍大于 30km, 最大達到 70km 左右, 實現(xiàn)通過較遠(yuǎn)中小震群橫波到時差獲取震群發(fā)生過程中應(yīng)力變化信息的目標(biāo), 對更廣泛地利用遠(yuǎn)距離小震監(jiān)測區(qū)域應(yīng)力變化有積極意義。

橫波分裂; 震群; 各向異性; 應(yīng)力場; 騰沖地區(qū)

近40年, 地震各向異性理論及橫波分裂觀測研究成為獲取地球內(nèi)部應(yīng)力參數(shù)的新途徑[1–3]。橫波在進入各向異性介質(zhì)時, 會分裂為傳播速度不同, 偏振方向不再完全正交的快橫波和慢橫波。在脆性地殼介質(zhì)中, 快橫波偏振方向沿介質(zhì)中裂隙優(yōu)勢方向(區(qū)域最大主壓應(yīng)力方向)排列, 快慢橫波到時差隨介質(zhì)各向異性強度(與差應(yīng)力大小相關(guān))及傳播路徑長度變化[4–5]。通過提取觀測記錄中的快橫波偏振方向及快慢橫波到時差, 可以獲得介質(zhì)中最大主壓應(yīng)力方向和差應(yīng)力值。更重要的是, 橫波分裂具有快速響應(yīng)應(yīng)力場變化的特征[6–8], 可用于監(jiān)測地震發(fā)生過程中應(yīng)力場隨時間的變化[9]。

近震橫波分裂通常與臺站下方區(qū)域的應(yīng)力場以及介質(zhì)各向異性特征直接相關(guān)[10–11], 快慢橫波到時差的變化能夠反映區(qū)域應(yīng)力在較強地震發(fā)生前后的差異[12–15], 震群的橫波分裂變化特征能夠更加詳細(xì)地呈現(xiàn)地震發(fā)生過程中應(yīng)力場的動態(tài)變化信息。研究較強地震及其余震的橫波分裂參數(shù)變化, 是揭示震源區(qū)應(yīng)力變化的有效手段[16–19]。對于震級更小的震群, 其橫波分裂變化特征同樣具有特別的研究價值[8,20–21]。地球物理學(xué)家不止一次在震源區(qū)觀測到小震群活動過程中快慢橫波到時差的變化[22–26], 這些觀測多在震源附近 10km 范圍內(nèi)進行。在小震群的孕育和發(fā)生過程中, 震源區(qū)應(yīng)力場的動態(tài)變化對震源區(qū)上地殼各向異性也有顯著的影響[26]。分析小震群的橫波分裂特征是獲取地震前兆活動特征的有效途徑, 很有可能成為研究大地震前兆的良好指南[20]。

從理論上講, 地震記錄中直接測量到的快慢橫波到時差是地震波從震源到觀測臺站傳播路徑上介質(zhì)各向異性的累積效應(yīng)。因此, 不僅可以利用橫波觀測臺站下方應(yīng)力及其介質(zhì)各向異性特征的變化, 也能觀測地震波傳播路徑的起點(震源區(qū))附近介質(zhì)中的應(yīng)力及其變化。在某些條件下, 甚至可能在較大震源距處利用小震來獲得地震發(fā)生過程中介質(zhì)的應(yīng)力場信息。

本文基于在騰沖強震區(qū)觀測得到的震級較小且震源距較大的震群的橫波分裂數(shù)據(jù), 通過分析快慢橫波到時差在主震和較大余震發(fā)生過程中的變化, 實現(xiàn)利用震群橫波到時差獲取遠(yuǎn)距離中小地震發(fā)生過程中應(yīng)力變化信息的目標(biāo)。

1 觀測數(shù)據(jù)及橫波到時差測量

1.1 研究區(qū)地震活動特點

騰沖地區(qū)位于云南省西部, 處在印度板塊與歐亞板塊擠壓碰撞區(qū)域的東南邊緣, 火山廣泛發(fā)育, 地震活動頻繁, 分布高黎貢斷裂帶、盈江斷裂帶和龍陵斷裂帶等多條重要斷裂帶(圖 1)。過去 100 年里, 騰沖及附近地區(qū)(98.0—99.5°E, 24.0—26.0°N) 發(fā)生 11 次 M6 以上強震[27], 其中 1973 年龍陵地震達M7.3。該區(qū)域地震活動的顯著特點是多震型地震頻發(fā), 在歷史地震中, 震級大于 M5 的震群以主余型(占 53%)和多震型(占 45%)為主, 震級大于 M6 的震群以多震型為主(占 67%), 小震群的發(fā)生頻率也比較高[28–29]。騰沖地區(qū)有明顯的橫波分裂現(xiàn)象, 其快波的偏振方向與區(qū)域主壓應(yīng)力場的方向基本上一致[30–32]。

1.2 橫波數(shù)據(jù)來源

本研究中橫波數(shù)據(jù)來源于中國地震科學(xué)探測臺陣的探測項目一期在滇西地區(qū)(包括騰沖火山區(qū)及鄰近地區(qū))布設(shè)的觀測臺網(wǎng)中, 編號分別為 53061, 53062, 53063, 53064, 53068, 53080, 53081 和 53085的 8 個臺站(位置分布見圖 1), 觀測時間段為 2011年 7 月 16 日至 2013 年 12 月 11 日。本文參考國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的地震震級和震中定位數(shù)據(jù), 其中 M4 以上地震為 MS震級, M4 以下地震為 ML震級。

1.3 快慢橫波到時差測量

在橫波傳播過程中, 每經(jīng)過一個各向異性區(qū)域, 就會發(fā)生一次分裂[15,35], 是三分量地震記錄中的后至震相。同時, 受到縱波尾波及各向異性介質(zhì)中體波偏振非正交關(guān)系的影響, 縱橫波在 3 個觀測分量上相互干擾[36–37], 直接影響對橫波初至的識別和橫波到時差的測量精度。

為了減小快慢橫波到時差的測量誤差, 本研究采用偏振分析法[38–39]提取橫波分裂參數(shù), 同時增加以下對策。

1)將橫波入射角嚴(yán)格限制在 35°橫波窗以內(nèi)。盡管某些觀測臺站位于第四紀(jì)沉積層之上, 但是因缺少各臺站下方層厚的詳細(xì)數(shù)據(jù), 不對橫波窗進行擴展。

2)選擇高信噪比的地震數(shù)據(jù), 只采用清晰可靠的橫波初動數(shù)據(jù)。例如, 圖 2 是 53080 臺記錄的2013 年 11 月 9 日 1 時 22 分 M1.1 地震和 53064 臺記錄的 2013 年 12 月 03 日 20 時 32 分 M0.6 地震的波形及橫波參數(shù)測量結(jié)果。測量得到兩個地震事件射線的入射角分別為 5.8°和 19.6°, 快波偏振方向分別為231°和 250°, 快、慢橫波到時差分別為 0.11s 和0.03s。

3)為消除或減少各向異性介質(zhì)中體波偏振非正交對快慢橫波初動測量的干擾, 在橫波參數(shù)測量過程中, 對三分量記錄進行非正交分離[40]。

本研究運用上述橫波參數(shù)測量方法和篩選原則, 經(jīng)多次反復(fù)測量, 并逐條舍棄有疑問的數(shù)據(jù), 從 8 個觀測臺站共計 8592 條三分量地震記錄中篩選得到 260 個可靠的橫波到時差數(shù)據(jù)(表 1), 同時得到這些地震事件的縱橫波到時差。

黑色三角形表示 8 個觀測臺站, 下同。灰色三角形表示騰沖新生代火山分布[33]。實心圓點表示觀測時段 98.0—99.5°E, 24.0—26.0°N 范圍內(nèi)發(fā)生的地震事件, 其中灰色實心圓點代表M0.1～M2.9, 黑色實心圓點代表M3.0及以上, 圓點大小與震級成正比。黑色實線表示活動斷裂[34], 下同。F1:盈江斷裂; F2:龍陵斷裂; F3:畹町?dāng)嗔? F4:高黎貢斷裂; F5:怒江斷裂; 下同

1.4 橫波到時差測量誤差

橫波到時差測量誤差主要受環(huán)境噪聲、橫波初動識別的可靠性、數(shù)據(jù)采樣頻率和儀器時間服務(wù)精度等因素影響。本研究在橫波到時差測量中選擇高信噪比的地震記錄(如圖 2 所示), 并將射線入射角嚴(yán)格限制在 35°橫波窗以內(nèi), 避免橫波在地表可能發(fā)生的相位偏移對其初動的影響。同時, 對三分量記錄進行非正交分離, 減少縱橫波之間以及快慢橫波之間的相互干擾, 確?？炻龣M波初動清晰、識別準(zhǔn)確以及橫波到時差測量結(jié)果可靠。有關(guān)數(shù)據(jù)采樣頻率和儀器時間服務(wù)精度的影響, 陳聰?shù)萚15]做過專門討論, 指出現(xiàn)代國際標(biāo)準(zhǔn)地震儀的時間服務(wù)精度遠(yuǎn)高于絕大多數(shù)采樣頻率下的時間精度要求。具體來說, 本研究中數(shù)據(jù)的采樣頻率為 100Hz, 時間分辨率為 10ms。對現(xiàn)代地震儀而言, 在此采樣頻率下, 時間軸上以 10ms 為間隔的每一個時間點都是精確可靠的。因此, 在確保橫波初動清晰可靠的條件下, 時間的測量誤差不會超過 5ms。

2 震群快慢橫波到時差時空分布特點及其成因分析

震群頻發(fā), 即震群在一個狹小的空間范圍和一個特定的時段內(nèi)叢集發(fā)生, 這是騰沖地震區(qū)地震活動的顯著特點之一。通過研究震群, 可以提取地震孕育過程中震源區(qū)的物理狀態(tài)信息[41]。本研究中, 數(shù)個觀測臺站記錄到研究區(qū)內(nèi)發(fā)生的多個中小震群, 包括 2011 年 8 月 9 日騰沖 M5.2 震群、2012 年 9月 11 日施甸 M4.9 震群和 2013 年 6 月 1 日隴川 M3.2震群這 3 個地震活動相對顯著的震群(圖 1), 在獲得的 260 條有效橫波到時差數(shù)據(jù)中, 有相當(dāng)一部分來自這 3 個震群。

(a1)和(b1)分別為53080臺2013–11–08 17:22:18 M1.1地震和53064臺2013–12–03 12:32:21 M0.6地震的三分量波形記錄, 陰影區(qū)為橫波初動; (a2)和(b2)分別為在(a1)和(b1)陰影區(qū)內(nèi)經(jīng)旋轉(zhuǎn)分離得到的快慢橫波波形; (a3)和(b3)分別為在(a2)和(b2)陰影區(qū)內(nèi)橫波的質(zhì)點運動圖, 箭頭表示快橫波和慢橫波的起始點

本研究依據(jù)震群在時間和空間中叢集發(fā)生的特點, 根據(jù)地震的發(fā)生時間、縱橫波到時差和地震目錄中的震中位置, 從所有橫波到時差數(shù)據(jù)中篩選出來自各震群的數(shù)據(jù), 篩選條件如下。

1)震群中地震的發(fā)生時間在主震發(fā)生前后 1 個月以內(nèi)。

2)震群中地震的縱橫波到時差和主震的縱橫波到時差之差在 1 s 以內(nèi)。

3)震群中地震的震中與主震震中的距離在 10 km 以內(nèi)。

表1 觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由此, 從 8 個臺站的 260 條橫波觀測數(shù)據(jù)中篩選出主震震級分別為 M5.2, M4.9 和 M3.2 的 3 個震群, 各自的橫波到時差數(shù)據(jù)分別為 46, 16 和 45 條, 圖 3 給出這 3 個震群數(shù)據(jù)的空間分布。接下來, 我們對各震群橫波到時差的時空分布特點及其成因進行分析。

灰色圓點代表從所有橫波分裂到時差數(shù)據(jù)中篩選出的M5.2震群、M4.9震群和M3.2震群的空間位置

2.1 快慢橫波到時差時空分布特征

圖 4 顯示, 在同一個震群中, 地震事件出現(xiàn)在較短的時段內(nèi), 且其快慢橫波到時差(d)起伏變化顯著。M5.2 震群在 53062 臺(圖 4(b))和 53064 臺(圖4(d))的快慢橫波到時差, M4.9 震群在 53063 臺(圖4(c))、53064 臺(圖 4(d))和 53068 臺(圖 4(e))的快慢橫波到時差, 以及 M3.2 震群在 53064 臺(圖 4(d))、53080 臺(圖 4(f))、53081 臺(圖 4(g))和 53085 臺(圖4(h))的快慢橫波到時差, 均呈現(xiàn)短時起伏變化的特點。

圖4 快慢橫波到時差隨時間的變化

圖5 快慢橫波到時差隨縱橫波到時差的變化

對同一震群地震事件有效橫波到時差的觀測, 各臺站的數(shù)據(jù)量不同, 與各震群震級的大小、觀測臺站到震群的距離以及臺站的場地條件有關(guān)。同一震群的觀測數(shù)據(jù)越多, 其橫波到時差短時起伏變化的特征體現(xiàn)得越明顯, 反之亦然。例如, 53068 臺(圖 4(e))和 53085 臺(圖 4(h))均記錄到 2011 年 9 月 24日芒市 M3.7 震群的部分橫波到時差, 但數(shù)據(jù)較少, 沒有充分體現(xiàn)橫波到時差的變化特征, 本文不對此進行討論。

為了分析震群中橫波到時差發(fā)生較大起伏變化的成因, 有必要將上述 3 個震群的快慢橫波到時差d與其縱橫波到時差PS(震源距)關(guān)聯(lián)起來。圖 5 顯示, 各震群內(nèi)地震事件的縱橫波到時差接近, 絕大多數(shù)地震的縱橫波到時差與對應(yīng)主震的縱橫波到時差之間的差距在 0.5s 以內(nèi), 表明其傳播路徑十分相近。由此可見, 同一震群中地震事件的橫波到時差出現(xiàn)的短時起伏變化不是由地震事件的傳播路徑差異引起的。

2.2 震群快慢橫波到時差變化成因分析

與本文中 3 個震群橫波到時差變化特點類似的, 在較短時間窗內(nèi)集中發(fā)生且快慢橫波到時差變化顯著的地震事件, 在其他地區(qū)的研究中也有報道。一部分研究將這些橫波到時差的短時起伏視為測量離散[42–43], 另一部分研究則用橫波在多個各向異性層內(nèi)發(fā)生多次分裂的模型來解釋[15,35,44–45]。橫波分裂理論認(rèn)為, 發(fā)生在不同方位的地震事件, 由于射線方向與地震各向異性對稱面的關(guān)系不同, 某些橫波到時差反映的是整個傳播路徑上介質(zhì)各向異性的效應(yīng), 另一些橫波到時差只反映部分傳播路徑上介質(zhì)各向異性的效應(yīng)[46], 以至橫波到時差不一定隨著傳播路徑長度的增加而增加, 也不僅僅因為路徑長度相同而相等, 而是取決于橫波在傳播路徑上經(jīng)過的不同各向異性介質(zhì)層內(nèi)的分裂情況[14–15]。

本研究中 3 個震群中地震事件的空間位置十分接近, 快慢橫波到時差的短時起伏變化與上述情況不同。相對于距離較遠(yuǎn)的觀測臺站, 所有震群事件幾乎集中于一個點, 既不存在射線方位差異, 也不存在傳播路徑差異。同時, 由于本研究中所有橫波入射角被嚴(yán)格限制在 35°橫波窗以內(nèi), 也最大限度地減小了觀測臺站下方介質(zhì)橫向非均勻性的影響。

在三分量地震記錄中, 橫波到時差(d)與震源到觀測臺站的傳播距離()、橫波平均速度()以及介質(zhì)的各向異性強度()均有關(guān)系, 其關(guān)系式[14]為

對于空間位置集中、傳播路徑相近的地震事件,幾乎為常數(shù)。在此條件下, 由式(1)可知, d只與和有關(guān)。在橫波理論中,值直接反映介質(zhì)中應(yīng)力的大小。

3 震群發(fā)生過程中應(yīng)力變化分析

由此, 通過把實際觀測獲得的震群快慢橫波歸一化到時差 dt, 可以了解震群發(fā)生過程中應(yīng)力變化的細(xì)節(jié)。本文利用縱橫波到時差PS與虛波速度g=8km/s 估算傳播路徑長度, 并計算橫波歸一化到時差 dt。

3.1 M5.2 震群的快慢橫波歸一化到時差及其應(yīng)力

圖 6(a)中, 所有地震事件集中在主震 10km 范圍內(nèi), 震級大于 M0.1。圖 6(b)和(c)中, M5.2 震群在53062 臺和 53064 臺的快慢橫波歸一化到時差變化范圍分別為 0.0005～0.0048 和 0.0005～0.0089s/km。從圖 6 可見, 橫波歸一化到時差與地震震級隨時間的變化總體上存在相關(guān)性。M5.2 主震發(fā)生之前, 53062 臺和 53064 臺的快慢橫波歸一化到時差都呈現(xiàn)增加趨勢, 與主震發(fā)生前震源區(qū)應(yīng)力積累并引起介質(zhì)各向異性強度增大的趨勢同步; M5.2 地震發(fā)生后, 快慢橫波歸一化到時差則在短時間內(nèi)出現(xiàn)快速變化(圖 6(b)和(c)中兩條灰色豎直線之間)。

研究顯示, 震群的余震應(yīng)力場變化具有快速且復(fù)雜的特點[47–48]。圖 7 為圖 6(b)和(c)中兩條灰色豎直線之間區(qū)域放大后的細(xì)節(jié)。圖 7(a)顯示, 該時段有數(shù)次較大的余震發(fā)生, 其中 3 次較大余震的震級分別為 M3.1, M2.5 和 M2.6。對比圖 7(b)和(c)可以發(fā)現(xiàn), 橫波歸一化到時差隨震群中較大地震的發(fā)生而起伏變化, 非常清晰地展示余震發(fā)生過程中應(yīng)力的調(diào)整和釋放過程, 避免了采用存在傳播路徑差異的橫波到時差數(shù)據(jù)進行地震時間過程分析時出現(xiàn)的不確定性[42]。

(b)和(c)中兩條灰色豎直線之間為觀測數(shù)據(jù)最密集的時段, 即2011–08–09 19:00至2011–08–10 08:00

(b)和(c)中虛線標(biāo)示震群中M5.2主震發(fā)生的時刻

具體來看, 在 M3.1 余震發(fā)生前后, 53064 臺(圖7(c))快慢橫波歸一化到時差出現(xiàn)先增大后減小的變化(53062 臺此階段的數(shù)據(jù)缺失)。在 M2.5 余震發(fā)生前后, 53062 臺和 53064 臺快慢橫波歸一化到時差均出現(xiàn)先增大后減小的變化(圖 7(b)和(c))。橫波歸一化到時差反映的應(yīng)力變化(式(2))在 M2.5 余震與隨后的 M2.6 余震之間更加清楚, 在此間約 3.6 小時內(nèi), 53062 臺和 53064 臺快慢橫波歸一化到時差出現(xiàn)相似的變化趨勢, 分為兩個階段。第一階段大致在M2.5 余震后至 23:00, 歸一化到時差明顯下降, 處于 M2.5 余震后的應(yīng)力釋放期。第二階段大致在23:00 至 M2.6 余震發(fā)生之前, 歸一化到時差的上升顯示應(yīng)力處于重新積累的階段。在此過程中還有一個重要的現(xiàn)象: 在 M2.6 余震發(fā)生前 1 小時, 53062 臺和 53064 臺的橫波歸一化到時差出現(xiàn)下降趨勢。這正好反映地球物理學(xué)家確認(rèn)的應(yīng)力臨震釋放現(xiàn)象, 體現(xiàn)為橫波到時差在地震發(fā)生前幾分鐘到幾個月出現(xiàn)下降, 并且出現(xiàn)這種下降的提前時間與之后發(fā)生的地震的震級直接相關(guān)[49]。

不過, 在對本文中其他震群的觀測中, 沒有發(fā)現(xiàn)橫波歸一化到時差出現(xiàn)臨震下降的現(xiàn)象。一個可能的原因是, 地震發(fā)生過程中, 地殼介質(zhì)裂隙參數(shù)變化引起的橫波到時差的改變存在多樣性, 橫波到時差的臨震下降并不總能觀測到, 在對大同地震的研究中, 就觀測到在兩次 M3.0 地震發(fā)生之前快慢橫波到時差出現(xiàn)上升[7]。另一個可能的原因是, 對小地震而言, 其應(yīng)力臨震釋放的提前時間短, 只有在這一時間過程中獲得密集的觀測數(shù)據(jù), 才能呈現(xiàn)出這種變化。本研究中其他震群發(fā)生期間, 觀測臺站橫波到時差的數(shù)據(jù)量少于本例, 從而未能觀測到橫波到時差的臨震下降。

另一個值得注意的問題是, 53062 臺和 53064臺對 M5.2 地震的觀測距離均達到 40km 左右, 這個距離已超出一般意義上的觀測臺站及附近這一局部概念, 甚至可能超出 M5.2 地震自身的孕震區(qū)范圍(盡管有關(guān)地震孕震區(qū)尺度的統(tǒng)計結(jié)果有所不同[50–51])。

上述結(jié)果說明, 利用快慢橫波到時差, 能夠在較遠(yuǎn)的距離觀測地震發(fā)生過程中應(yīng)力場的變化。其重要性表現(xiàn)在, 除橫波之外, 很難利用現(xiàn)有的其他地球物理觀測手段從較遠(yuǎn)的距離直接觀測到較小地震前后地球應(yīng)力場的變化。

之所以能夠從橫波到時差中直接分辨出較遠(yuǎn)距離地震發(fā)震過程中的應(yīng)力變化, 一方面是因為快慢橫波到時差是地震波從震源到觀測臺站的傳播路徑上逐步累積的結(jié)果。地震波從震源出發(fā)時, 其快慢橫波到時差已經(jīng)攜帶震源破裂過程中應(yīng)力場的效應(yīng), 這部分到時差將在后續(xù)傳播路徑中保留, 并包含在全部快慢橫波到時差中。另一方面, 在分層地殼結(jié)構(gòu)中, 從淺部到深部, 地震波速度總體上由小變大, 使得震中距超過震源深度的較遠(yuǎn)地震能夠以小于橫波窗的入射角到達臺站(圖 8), 這是臺站能夠獲取較遠(yuǎn)觀測距離地震事件可靠橫波到時差數(shù)據(jù)的重要條件。

三角形為觀測臺站, G 為地表, L1 和 L2 為兩個地層分界面, i 為入射角; V1, V2 和 V3 分別表示從淺部到深部 3 個地層的地震波速度, V1

對于震中距較小且震源較深的地震, 其地震波在觀測臺站以較小的角度(35°橫波窗以內(nèi))出射到地面。但是, 本研究中 3 個震群與各個觀測臺站的距離普遍較大, 依據(jù)縱橫波到時差PS估算的震源距多數(shù)在 30km 以上, 最大達到 70km。對于這樣的遠(yuǎn)距離地震, 其射線能夠在橫波窗以內(nèi)入射并不常見。從理論上講, 地震波射線能否以較小的角度入射到某個觀測臺站, 不僅與從震源到觀測臺站的地震波傳播路徑上介質(zhì)的速度結(jié)構(gòu)有關(guān), 而且主要取決于觀測臺站下方地表淺層的地震波速度和地層厚度。當(dāng)?shù)乇頊\層的厚度足夠大時, 速度越低, 地震波入射角就可能越小。

本文地震數(shù)據(jù)主要來自中國地震科學(xué)臺陣探測項目的一期項目, 以流動觀測臺為主, 多數(shù)臺站下方存在一定厚度的沉積層(如 53064 臺位于山谷內(nèi), 處于靠近河流和農(nóng)田的松散沉積層上)。其他觀測臺站情況各異, 其近地表地層的年齡、風(fēng)化條件和風(fēng)化程度等均有差異, 缺少詳盡的縱橫波速度和其他地層數(shù)據(jù)。

本研究篩選的地震記錄均以高信噪比為前提, 并通過這些低噪聲的原始三分量地震記錄, 從 P 波初動直接測量地震波射線的入射角。例如, 53064臺 M4.9 震群的震源距約為 70km, 其入射角(平均值為 29.5°)均在 35°橫波窗范圍內(nèi), 實測數(shù)據(jù)反映在該臺站下方的速度結(jié)構(gòu)中, 震源較遠(yuǎn)的地震波射線能夠以較小的角度入射到臺站。對于其他臺站, 實測得到的射線入射角同樣能夠可靠地反映臺站下方速度結(jié)構(gòu)對地震波的影響。

3.2 其余震群歸一化到時差及其應(yīng)力

對于 M4.9 和 M3.2 這兩個震級更小的震群, 其快慢橫波到時差的變化也具有與 M5.2 震群類似的特點。

如圖 9 所示, 在 M4.9 震群中最大的地震發(fā)生前后, 橫波歸一化到時差呈現(xiàn)與發(fā)震應(yīng)力積累或釋放相關(guān)的時間過程。與 M5.2 震群相比, M4.9 震群與53063 臺、53064 臺和 53068 臺的距離更大, 分別達到 60, 70 和 40km左右。

本研究在震群數(shù)據(jù)篩選過程中, 將時間窗口設(shè)定為震群中最大地震發(fā)生的前后一個月。從震級更小的 M3.2 震群篩選出的 45 條震群橫波到時差數(shù)據(jù)中, 有 42 條數(shù)據(jù)出現(xiàn)的時間在 M3.2 地震發(fā)生之后一星期內(nèi), 圖 10 顯示的這一星期內(nèi)震群的橫波歸一化到時差更清晰地展現(xiàn)了其短期變化特點。M3.2震群中, 除 M3.2 主震外, 還包含一次 M2.8 和一次M3.1 的較大地震。與 M5.2 震群類似, M3.2 震群橫波歸一化到時差呈現(xiàn)隨震群中較大地震的發(fā)生而變化的趨勢。與 M5.2 震群最大的不同之處是, M3.2震群在 4 個臺站的橫波觀測數(shù)據(jù)量和觀測密度更低, 每個觀測臺平均每天不足 3 條, 有的只有 1 條或 2條數(shù)據(jù)。觀測距離有大有小, 最大的在 60km 左右, 最小的在 20km 左右。

(b)～(d)中虛線標(biāo)示 M4.9主震發(fā)生的時間

(b)～(e)中虛線標(biāo)示震群中3次較大地震發(fā)生的時間

影響震群橫波記錄數(shù)量的因素較多, 其中震群內(nèi)地震的震級和觀測距離是最直觀的影響因素。通常, 震級越高觀測數(shù)據(jù)可能越多, 距離越近觀測數(shù)據(jù)也可能越多。此外, 觀測臺站和震群所處的構(gòu)造環(huán)境也可能影響觀測數(shù)據(jù)量。如圖 3 所示, 震群M5.2 橫波到時差觀測數(shù)據(jù)較多的 53062 臺和 53064臺, 與該震群處于同一個比較完整的構(gòu)造塊體內(nèi)部, 地震波傳播路徑?jīng)]有經(jīng)過周邊斷裂區(qū)域。不過, 圖4(c)顯示距離 M5.2 震群最近的 53063 臺這個時間段的橫波記錄完全缺失(野外地震觀測儀因停電、天氣變化或自身故障導(dǎo)致某個時間段內(nèi)地震記錄缺失是很常見的現(xiàn)象)。

在影響臺站對震群橫波觀測數(shù)據(jù)量的所有因素中, 構(gòu)造和斷裂的影響最為復(fù)雜。斷裂和破碎帶會嚴(yán)重地影響地表觀測數(shù)據(jù)的信噪比或清晰度, 也會給橫波參數(shù)測量帶來難以克服的困難。就某個具體震群而言, 很難簡單地預(yù)測哪些觀測臺站會比另一些觀測臺站具有更多的觀測數(shù)據(jù)。某些臺站的觀測數(shù)據(jù)可能明顯缺失, 從而造成只有極少的橫波觀測數(shù)據(jù)可用于震群的分析。

4 結(jié)論與討論

本研究對騰沖地區(qū)遠(yuǎn)離觀測臺站的 3 個震群的橫波到時差短時起伏變化的成因進行詳細(xì)的分析, 結(jié)果顯示這些變化是震群發(fā)生過程中應(yīng)力調(diào)整變化的直接表現(xiàn)。本文研究結(jié)果與以往在震源區(qū)附近得到的中小震群橫波分裂到時差快速變化特點[22–26]相似, 同時突破了以往只有通過大地震發(fā)生前后的橫波分裂到時差才能觀測到較遠(yuǎn)距離外地震應(yīng)力動態(tài)信息[12–13,15]的限制, 凸顯通過震群橫波到時差及其變化解析獲取較大范圍內(nèi)中小地震應(yīng)力變化過程的獨特優(yōu)勢, 具體結(jié)論如下。

1)震群快慢橫波到時差分析初步展示了震群發(fā)生過程中應(yīng)力變化的同步圖像。騰沖及附近地區(qū)發(fā)生的 3 個中小震群的快慢橫波到時差存在短時間顯著起伏變化, 并與震群中較大地震的發(fā)生過程同步, 直接顯示震群發(fā)生過程中的應(yīng)力變化。尤其在M5.2 震群發(fā)生過程中, 橫波歸一化到時差清晰地反映應(yīng)力在震前逐漸積累、震后逐漸釋放以及臨震釋放的變化過程, 說明對于空間位置集中的中小震群, 利用橫波分裂到時差的變化, 能夠有效地獲取其發(fā)生過程中的應(yīng)力變化信息。

2)利用震群快慢橫波到時差分析, 可以實現(xiàn)在孕震區(qū)以外對地震應(yīng)力過程的了解。本研究實現(xiàn)在較遠(yuǎn)距離外觀測中小地震發(fā)生過程中的應(yīng)力變化。本文中 3 個震群均屬于中小震群, 臺站觀測距離普遍大于 30km, 最遠(yuǎn)達到 70km 左右, 不僅超過一般意義上“觀測臺站及其附近”這一局部概念, 甚至也超過這些中小地震自身的孕震范圍, 這預(yù)示著在較遠(yuǎn)距離外通過小震橫波觀測獲取其發(fā)生過程中應(yīng)力變化信息是可能的, 對于臺網(wǎng)稀疏地區(qū), 橫波在小震應(yīng)力探測方面的應(yīng)用價值將大大提高。

3)利用震群快慢橫波到時差分析監(jiān)測復(fù)雜構(gòu)造地區(qū)的地震應(yīng)力變化具有顯著優(yōu)勢。騰沖地區(qū)構(gòu)造復(fù)雜, 斷裂眾多, 地形起伏顯著, 地震波傳播路徑上介質(zhì)非均勻性突出, 成為該地區(qū)地震研究中不可忽視的問題。在該地區(qū), 選取震源位置和發(fā)生時間十分接近的震群事件進行地震應(yīng)力變化研究的優(yōu)勢在于, 采用震群數(shù)據(jù)能夠減少復(fù)雜構(gòu)造因素對地震應(yīng)力變化分析的干擾。另一方面, 震群事件發(fā)生的時間接近, 區(qū)域構(gòu)造因素在震群發(fā)生期間發(fā)生顯著變化并對地震應(yīng)力變化分析產(chǎn)生干擾的可能性極小, 采用震群數(shù)據(jù)提高了結(jié)論的可靠性。

需要說明的是, 本研究中所有結(jié)果都是通過對單一臺站橫波分裂到時差的時間變化特征進行解析得到的。為了避免不同臺站之間因地形、構(gòu)造及傳播路徑差異帶來的不利影響, 研究過程中對每個觀測臺站的橫波到時差進行了獨立的解析, 再對從各個觀測臺站得到的對震群應(yīng)力的認(rèn)識進行比較。盡管各個臺站的觀測數(shù)據(jù)量存在差異, 但所揭示的震群發(fā)生過程中應(yīng)力變化的特征和趨勢是一致的, 說明本文方法具有在復(fù)雜構(gòu)造區(qū)獲得震群應(yīng)力信息的顯著優(yōu)勢。

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Change in Delay Time of S-Wave Splitting during Moderate and Small Earthquake Swarms in Tengchong Area

ZHENG Yiquan, LEI Jun?

School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; ? Corresponding author, E-mail: leij@pku.edu.cn

The spatio-temporal distribution of delay time of S-wave splitting is analyzed based on 260 shear wave time-delay data from local earthquakes in Tengchong area, Yunnan Province. The result shows that the changes in delay time of S-wave splitting are related to the magnitude of three moderate and small earthquake swarms, and delay time of S-wave splitting changes synchronously with the occurrence of the main shock and larger aftershocks in the earthquake swarm which carries the information of stress change during the earthquake swarm, provided that the locations of all earthquakes in the same earthquake swarm are concentrated, thus excluding the influence of differences in propagation path length and spatial azimuth of seismic ray path on delay time of S-wave splitting. Different from most cases in the past, the magnitude of the earthquake swarm in this work is relatively small, with the maximum magnitude ranging from M3.2 to M5.2. At the same time, the distances between the earthquake swarms and the stations are relatively large, generally greater than 30km, and the largest reaches about 70km. The information of stress changes during moderate and small earthquakes has been obtained by analyzing delay time of S-wave splitting from distant stations, which has great implications for the wider use of distant small earthquakes to monitor regional stress changes.

S-wave splitting; earthquake swarm; anisotropy; stress field; Tengchong area