利用背景噪声研究2021年云南漾濞M_%28S%296.4地震同震及震后波速变化.pdf
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1、书书书第 卷 第期 年月地球物理学报 ,安艳茹,王伟涛,杨微等 利用背景噪声研究 年云南漾濞犕 地震同震及震后波速变化地球物理学报,():,:,犕 犆 犺 犻 狀 犲 狊 犲犑犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊(),():,:利用背景噪声研究 年云南漾濞犕犛 地震同震及震后波速变化安艳茹,王伟涛,杨微,蒋海昆,杨军,李孝宾,潘睿,中国地震局地球物理研究所,北京 中国地震台网中心,北京 中国地震局 震源物理重点实验室,北京 中国地震科学实验场大理中心,云南大理 摘要通过测量地震波速度变化可分析地下介质应力状态的变化,加深对地震物理过程的认识本文利用 年月 日漾濞犕 地震震中 范围内 个地震台站 年的三分
2、量连续记录,通过背景噪声干涉方法研究了漾濞犕 地震同震波速变化及震后恢复过程结果表明,在 的频带范围内,台站对间的相对波速在主震后明显降低,狏狏 的幅度为 ,随台站间距增大而降低由线性回归获得的各台站的相对波速变化狏狏 的幅度为 ,总体随震中距增大而减小分析表明,测量得到的同震波速变化主要来自于浅层()介质,受静态应变和动态应变的共同影响,主要由强地面运动引起的岩石破碎和应力大规模调整控制远离主震的北部台站波速变化较大,对应力扰动敏感性高,推测与台站下方的热流体分布相关波速变化测量结果指示漾濞地震周边地震波速度在震后几天内达到最低值,而在月份前后逐渐恢复到震前的水平,表征了介质的愈合过程研究表
3、明利用背景噪声干涉可对同震及震后恢复过程的波速变化进行有效测量,漾濞地震的同震波速变化受断裂带破碎程度、动态应变和流体作用等多种因素的共同控制关键词漾濞 级地震;背景噪声;同震波速变化;震后恢复 :中图分类号 收稿日期 ,收修定稿基金项目国家重点研发计划(),中国地震局地球物理研究所基本科研业务费专项(),国家自然科学基金()联合资助第一作者简介安艳茹,女,年生,中国地震局地球物理研究所在读博士,中国地震台网中心副研究员,主要从事地震监测和地下介质波速变化研究 :通讯作者王伟涛,男,年生,中国地震局地球物理研究所研究员,主要从事背景噪声、重复地震、气枪震源等重复震源的研究 :犝 狊 犻 狀 犵
4、犪 犿 犫 犻 犲 狀 狋狀 狅 犻 狊 犲 狋 狅 狊 狋 狌 犱 狔 狋 犺 犲 犮 狅 狊 犲 犻 狊 犿 犻 犮犪 狀 犱狆 狅 狊 狋 狊 犲 犻 狊 犿 犻 犮狏 犲 犾 狅 犮 犻 狋 狔犮 犺 犪 狀 犵 犲 狊狅 犳 狋 犺 犲 犢 犪 狀 犵 犫 犻犕犛 犲 犪 狉 狋 犺 狇 狌 犪 犽 犲 犻 狀犢 狌 狀 狀 犪 狀 ,犐 狀 狊 狋 犻 狋 狌 狋 犲 狅 犳犌 犲 狅 狆 犺 狔 狊 犻 犮 狊,犆 犺 犻 狀 犪犈 犪 狉 狋 犺 狇 狌 犪 犽 犲犃 犱 犿 犻 狀 犻 狊 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀,犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪犆 犺 犻
5、 狀 犪犈 犪 狉 狋 犺 狇 狌 犪 犽 犲犖 犲 狋 狑 狅 狉 犽 狊犆 犲 狀 狋 犲 狉,犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪犓 犲 狔犔 犪 犫 狅 狉 犪 狋 狅 狉 狔狅 犳犈 犪 狉 狋 犺 狇 狌 犪 犽 犲犛 狅 狌 狉 犮 犲犘 犺 狔 狊 犻 犮 狊,犆 犺 犻 狀 犪犈 犪 狉 狋 犺 狇 狌 犪 犽 犲犃 犱 犿 犻 狀 犻 狊 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀,犅 犲 犻 犼 犻 狀 犵 ,犆 犺 犻 狀 犪犇 犪 犾 犻犆 犲 狀 狋 犲 狉,犆 犺 犻 狀 犪犛 犲 犻 狊 犿 犻 犮犈 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾犛 犻 狋 犲,犇 犪
6、 犾 犻犢 狌 狀 狀 犪 狀 ,犆 犺 犻 狀 犪犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋 地 球 物 理 学 报()卷 ,犕 (狏狏 )(狏狏 ),(),狏狏 ,犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊 犕 ;引言地震是应力在地下介质中积累和释放的物理过程,对相关应力状态的监测和研究有助于加深对地震孕育和发生过程的认识直接监测地下介质的应力状态十分困难,但应力状态和物性的变化会引起穿过介质的地震波速度的变化(,)因此,监测地震波速度变化是利用地震学手段研究地下介质性质变化,分析地震物理过程的重要手段与地震相关的地下介质性质变化所能引起的波速变化量级较小,多数研究得到的波速相对变化多在以内,测量精度可以达到 (
7、,;,;,;,)在利用地震波进行波速变化测量时,往往通过相似波形的互相关得到精确的走时变化(,;,)信号高度重复的震源可以消除震源变化引起的测量误差,也可以提升波形互相关走时变化测量的准确度因此,开展高精度的波速变化监测,往往依赖于重复性的震源目前用于波速变化监测的重复震源主要有重复地震、主动震源和背景噪声重复地震是断层同一位置重复破裂产生的地震,可在接收台站上产生近乎一致的波形利用不同时 期 发 生 的 重 复 地 震 可 对 波 速 变 化 进 行 测 量 等()利用重复地震观测到 年加州 犕 地震前后的波速变化达到 相关方法被应用于地震同震(,;,;,)和 火 山 活 动(,;,)的波速
8、变化研究中重复地震的发生位置和时间难以控制,用于波速变化监测限制较多,难以进行连续监测主动震源具备可控的位置和激发时间,利用其激发的重复信号可对波速变化进行连续监测(,;,;,;杨微等,;,;,)近年来发展的陆地水体大容量气枪震源可产生高度重复的信号进行区域尺度的探测,被用于开展与地震相关的波速变化的高精度监测(张元生等,;苏金波等,)主动震源监测往往期安艳茹等:利用背景噪声研究 年云南漾濞犕 地震同震及震后波速变化需要建设专用的监测系统,用于重点关注的断裂带的监测而在更大区域内开展波速变化研究,还需要其他手段的补充背景噪声互相关方法是近年来被广泛采用的低成本波速变化监测方法两个台站记录到的连
9、续波形进行互相关得到的噪声互相关函数(,)可以表征台站之间传播的地震波由于台站位置固定,在噪声源稳定的假设下,通过测量相同台站对在不同时期获得的噪声互相关函数中对应波形的走时差异,可得到台站对之间介质 波速 随时间 的变化(,)由于台站的连续记录易于获得且成本较低,基于背景噪声的方法被广泛应用于火山及地震相关的波速变化监测中很多研究利用该方法分析了波速变化与火山活动的关系,并尝试应用于预测火山喷发(,;,;,;,)利用长期的连续观测,研究人员也对大地震发生后的同震波速变化以及断层的愈合过程进行了研究(刘志坤和黄金莉,;,;,;,)在利用 监测波速变化时,早期研究中利用了 中的直达面波信号来分析
10、波速变化(,;,)后续研究表明,中的尾波信号对地下介质的波速变化更为敏感,且在散射作用下,受噪声源的变化影响更小(,;,),因此研究人员越来越 多 的 使 用 尾 波 信 号 来 获 取 更 为 稳 定 的 结 果(,;,;,)在波速变化测量方法上,移动窗互谱测量(,)和时间轴伸展()方法是较为常用的方 法(,)同时,噪声互相关可以在任意两个台站之间形成观测路径,有利于分析波速变化的空间特征通过对台站对路径上波速变化的分段分析(,),波 速 变 化 的 空 间 差 值(,),波速 变 化二 维 分布 的 反演(,;,),各个台站波速变化的计算(,;,)等方式获取波速变化的空间分布,进一步分析影
11、响波速变化的因素相比地震之前的波速变化,大地震同震及震后的波速变化相对较大,相关研究也较为丰富研究表明,同震波速变化主要受断层带介质破坏程度及震后应力重新分配所控制利用 监测波速变化时,在高频范围的介质速度变化往往较大,主要由强地面运动引起的近地表破坏影响(,)而相对深部的介质波速变化则与应力大小变化相关,受静态应力和动态应力的影响较大(,)多数研究认为,波速变化机制与介质内部裂隙的扩张与闭合有关,因此,流体也对波速变化具有明显的控制作用(,;,)大地震产生的动态应变会降低弹性模量,因此同震波速普遍表现为波速降低伴随着断层和介质的愈合过程,震后的波速会逐渐恢复,目前基于背景噪声观测到的同震波速
12、变化的量级约为万分之几到千分之几,震后恢复时间介于一个月至数年不等,波速变化的量级和恢复时间与地震大小和区域应力的调整速度有关(,;,;,;,;,;,;,;,;,;,)等()系统比较了日本次强震的同震和震后波速变化,发现不同地震的波速变化特征并不相同在更多的地区开展波速变化分析,并结合震源机制、断层分布、地表形变等手段,可以进一步加深对波速变化影响因素和地震物理过程的认识北京时间 年月 日,在云南大理白族自治州漾濞彝族自治县(,)发生了犕 地震,震源深度,最高烈度为度依托漾濞地震周边的良好地震观测,研究人员产出了多样化的成果,主要涉及地震余震定位、发震构造判定、序列触发模式、同震形变、波速变化
13、等方面(雷兴林等,;龙锋等,;,;刘俊清等,;杨建文等,;王月等,;王绍俊等,;苏 金 波 等,;,;,;,)在波速变化分析方面,苏金波等()利用漾濞东北方向的大容量气枪震源的重复信号探测到漾濞主震前后初至波平均波速降低了 ,并且波速变化分布与断裂带展布相关杨建文等()利用 研究了主震前的波速变化,认为在地震发生前波速有明显加快的趋势,相对走时偏移变化量为 已有的研究多关注于台站对上的波速变化,对同震波速变化的空间分布以及震后波速的恢地 球 物 理 学 报()卷复过程仍缺少分析本文利用背景噪声方法,使用震中 范围内 个台站 年一年的连续记录,研究了漾濞犕 地震同震波速变化及震后恢复过程,发现研
14、究区内存在明显的同震波速降低和震后恢复通过分析基于 所得到的波速变化时空分布特征,分析了影响波速变化的可能因素,以加深对漾濞地震同震及震后物理过程的认识 数据与方法 漾濞地震及周边观测漾濞地震发生在滇西地区,位于维西乔后巍山断裂()中段附近,震源机制解为右旋走滑型(图)断裂作为红河活动断裂的北延部分,是川滇菱形块体西南边界的重要组成之一研究表明,漾濞地震可能发生在断裂西侧一个隐伏 断 裂 上(雷 兴 林 等,;李 传 友 等,;,;,)漾濞地震序列呈现典型的前主余震型特征,在震前天出现了明显的前震活动(图),共发生了 次 级以上前震,最大为犕 主震发生后,触发了强烈的余震活动,仅在震后天内便发
15、生了 次余震,最大余震为犕 滇西地区是云南重要的地震活跃带,近十年来发生了多次级以上地震,一直是地震学研究的重点关注区域虽然固定台站较少,但较为长期的流动观测提供了较好的观测条件在研究区内存在下关小孔径台站、气枪主动源观测台站以及亚失稳观测图波速变化研究区域构造背景及台站分布图()漾濞犕 地震构造背景右上角附图为云南西部地区,黄色五角星为漾濞主震的位置,黑色粗实线勾勒出了川滇菱形边界,蓝色框线对应大图的范围;大图中,黑色粗实线标识出了主要断层,红河断裂和维西乔后巍山断裂;灰色箭头为 测量值,犕 和犕 的历史地震分别由橙色和紫红色点表示,漾濞犕 地震的震中位置上展示了震源机制解;()用于研究波速
16、变化的台站分布,三角形为台站的位置,名字标于其下方,其中蓝色标示下关小孔径台站,绿色标示气枪主动源观测台站,黑色标示亚失稳观测台站黄色五角星为漾濞主震的位置,震后天内的余震用深橙色点表示,以 为间隔的白色圆圈标识了相对主震的震中范围;历史地震的震源机制解展示在其震中位置上 犕 ()犕 犕 ,犕 犕 ,犕 ;(),犕 期安艳茹等:利用背景噪声研究 年云南漾濞犕 地震同震及震后波速变化图研究区域地震活动性()对应图 范围;()对应图 范围红色箭头指示了漾濞犕 地震的发震时间,蓝色和红色竖线分别标识了 犕 和犕 的地震事件 ()()犕 犕 犕 ,台站等多种类型的观测,为开展相关的研究提供了良好的台站
17、分布本文收集了漾濞主震震中周边 范围内 个台站 年月至 月的连续波形数据(图),其中 范围内有 个台站,台站分布较好的覆盖了研究区这些长期连续运行的台站为利用背景噪声方法研究波速变化提供了必要的数据支撑 基于背景噪声的波速变化监测方法利用背景噪声互相关来监测波速变化是相对成熟的技术,其原理简述如下:对任一台站对,通过互相关获得台站之间的噪声互相关函数 对同一台站对,经过短时间窗口叠加获得 ,以表征对应时段内在台站之间传播的地震波;进行长时间叠加获得参考格林函数 ,用于代表长期平均下的地震波假设研究区的波速变化是均匀的,通过测量 与 之间的走时相对变化狋狋,就可以获得相对波速变化狏狏狋狋本文使用
18、 方法来进行走时变化的测量,相关方法由 等()提出,等()对其测量误差和可靠性评估方面做了改善,其主要原理为对于任意一个台站对,在选定的波形窗口计算 与 二者的互谱:犡()犉 ()犉 ()犡()(),()式中,犉 ()和犉 ()分别为 和 对应窗口内波形的傅里叶变换,为频率,星号表示复共轭在互谱中解缠过的相位()中包含对应波形的时间延迟,且()与频率成线性比例:犼犿犼,()其中犿 狋选择对应的波形时间窗口及频段范围,对若干采样频率值进行加权线性回归后,获得的斜率即为相应的走时延迟狋,同时获得相关的测量误差 方法的优势在于频率域内的操作可以很明确地确定 中相位一致信号的带宽,并通过加权处理来获得
19、稳定的结果该方法被广泛应用于基于背景噪声的波速变化研究中(,;,;,),详细的技术细节可参考(,)在获取多个台站对波速变化的基础上,获取波速变化的空间分布,有助于研究引起波速变化的机制在漾濞地震周边分布的台站数量较为密集,路径覆盖较好,因此本文也利用 等()提出的方法,计算各个台站下方的波速变化以更好的描述波速变化的时空分布该方法假定区域中的狏狏是均匀的,台站对间的狏狏 就是两个台站周围地 球 物 理 学 报()卷犱狏狏 的平均值,表示为 ,犻(,犻 ,犻),()其中,犻为台站对犻观测到的同震狏狏 ,犻和 ,犻分别是台站犻和犻周围对应的同震狏狏 对于所有台站对,都可以用公式()的方式来表达,从
20、而形成一个矩阵方程:,烄烆烌烎狀烄烆烌烎 ,烄烆烌烎狀()简写为向量形式:犕 ,()为台站对观测到的波速相对变化狏狏 ,为不同台站周围的狏狏 ,犕为表征每个台站对涉及到台站的矩阵方程的解 就可以通过最小二乘法获得:(犕犕)犕 ()该方法也被广泛应用于台阵密集区域内波速变化的时空分布研究,可为分析波速变化机制提供更多信息(,;,)基于背景噪声的漾濞地震区域波速变化监测本文使用 软件(,)进行 的计算和完成单个台站对上的波速变化监测,之后通过反演各个台站上的波速变化分析波速变化的空间分布 犖 犆 犉的计算和叠加 的计算包含单台预处理和互相关计算单个台站每天的数据经过去平均、尖灭处理,之后进行 的带
21、通滤波并重采样至 在去除仪器响应之后,采用 方法(,)进行时间域归一化处理以减小地震信号、仪器异常以及台站附近非稳定噪声源的影响为更好的对引起波速变化的机制进行分析,在完成时域预处理之后,分别在个频带(,)内进行谱白化处理,使得信号在不同频率上更为均衡在计算互相关函数时,每一天的连续数据被分为 长的时间窗口,相邻两个时间窗口 重叠以进一步改善 的稳定性,利用 的窗口计算得到单个 ,保留了时间在 到 的波形叠加每天所有可用的 以 窗 长 计 算 的 作 为 当 天 的 等()研究表明,台站间分量 的平均可以进一步提高波速变化测量的稳定性因此,对所有的 个台站对都计算了个分量的 ,并 根 据台 站
22、 位 置 旋 转 为犚 犚,犚 犜,犚 犣,犜 犚,犜 犜,犜 犣,犣 犚,犣 犜,犣 犣分量稳定的参考格林函数 是获取可靠的波速变化测量的基础受可用数据的限制,本研究使用了研究区内 年开始的数据进行了格林函数的计算和叠加,并分析了不同频带的格林函数的稳定性由于此次地震有明显的前震活动,在选择参考格林函数 时,本文选取了前震活动之前 年月日至 年月 日的单日 进行了叠加平均图展示了 个台站对犣 犣分量 波形在研究区内 对应的台站间距范围为 至 ,在利用尾波信号进行波速变化测量时,本文假设面波速度为,根据台站间距计算直达面波的到时,并将尾波窗口起始时间设为直达面波的倍,尾波窗口长度设为(图)图
23、个台站对犣 犣分量 的参考格林函数,振幅经过了归一化处理(灰色虚线标识出用于计算波速变化的尾波段)()噪声互相关通过将相干信号进行叠加来获取两个台站之间传播的地震波信号为确保在多个时段内叠加出的 稳定可靠,需要叠加多天的 期安艳茹等:利用背景噪声研究 年云南漾濞犕 地震同震及震后波速变化以压制其他短时扰动(如降水、人类活动等)的影响就波速变化测量而言,叠加时间较短则不易获得稳定的信号进而获取可靠的结果,而叠加时间过长,则会牺牲最终波速变化测量的时间分辨率本文使用了 年月日月 日的全部 叠加作为参考格林函数 ,并尝试了使用不同的时间窗口来获取分时段叠加的 为确保分时段叠加波形的稳定性,测试窗口选
24、择为 天,天,天,天,以相应时间窗口的中心时刻来标识该次叠加对应的时间,每次向前滚动天来获取随时间变化的叠加波形通过计算不同滑动叠加窗口获得的 和 在尾波窗口内(正负分支叠加)的互相关系数,发现 天的叠加窗口可以在压制短时扰动的情况下保持最佳的时间分辨率图 显示了 台站对上不同滑动窗口叠加得到的 与参考波形 的相关系数,图 显示了 天叠加的 波形在后续分析中,本文选择以 天作为滑动窗口来测量波速变化图 台站对上 叠加波形的稳定性(黑色竖虚线标识了漾濞主震的发生日期)()频带范围不同滑动窗口叠加的 与 之间的互相关系数用彩色点线表示;频带范围 天的结果 用黑色短线展示;()频带范围 天叠加窗口的
25、 ,绿色虚线标识了用于计算时间延迟的尾波窗口考虑到叠加窗口,月最后 天未进行绘制 (犕 )();();狏狏 ,从图中可以看出,在 ,对应波形的相关系数相对稳定,表明相应的 叠加波形具备稳定性而在,相应的相关系数在震后时段内有明显的降低,并随时间逐渐恢复不同频段的相关系数变化也显示出高频波形的相关系数变化较为明显由于计算相关系数的窗口主要以尾波信号为主,可以反映介质波速、散射体的平均变化相应特征表明,同震及震后浅部介质的波速及散射状态变化可能是影响波速变化的主要因素(,;,),详见后文分析地 球 物 理 学 报()卷 波速变化监测噪声互相关函数 中的尾波部分主要由在地下介质中散射的面波组成(,)
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