利用尾波干涉技术分析寻乌及邻区的地壳介质变化.pdf
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1、汤兰荣,曾新福,郭雨帆,等.利用尾波干涉技术分析寻乌及邻区的地壳介质变化 J.华北地震科学,2023,41(3):67-73.doi:10.3969/j.issn.10031375.2023.03.010.TANG Lanrong,ZENG Xinfu,GUO Yufan,et al.Analysis of Variations of Crustal Media in Xunwu and Its Adjacent Area by Coda WaveInterferometryJ.North China Earthquake Sciences,2023,41(3):67-73.doi:10.39
2、69/j.issn.10031375.2023.03.010.利用尾波干涉技术分析寻乌及邻区的地壳介质变化汤兰荣,曾新福,郭雨帆,余 思,唐婷婷,王甘娇(江西省地震局,南昌 330096)摘要:基于波形互相关方法,挑选寻乌及邻区的重复地震事件,利用尾波干涉技术分析重复地震事件发生期间的地壳介质变化。结果显示:多数重复地震对的 S 波早期尾波部分呈现明显线性变化,反映了地壳介质的波速变化,其中寻乌台南部的 2 个重复地震对波速变化最为显著,而距离台站相对较远的地震对,波速变化较小;波速变化明显的地区与低 b 值区一致,也与地震活跃区域相一致。关键词:寻乌及邻区;重复地震;尾波干涉;b 值;地壳介
3、质变化中图分类号:P315.6 文献标志码:A 文章编号:10031375(2023)03006707doi:10.3969/j.issn.10031375.2023.03.010 0 引言监测地下介质速度变化在地震预测方面具有重要的意义。Poupinet 等1和 Ratdomopurbo 等2使用重复地震波形资料,首次采用移动窗互相关技术计算重复地震波形间的时间偏移,进而计算研究区的波速变化;Snieder 等3-4发展了这一方法,将其命名为尾波干涉法。尾波干涉方法基于尾波的多次散射特性,利用相近台站记录到的震中位置相同的重复地震波形资料,可以研究地下介质弹性参数的细微变化5-7。地壳介质弹
4、性参数变化与介质的物性和应力应变相关,可推测地下介质的动态变化8-11。大地震前后地下介质的动态变化一定程度上反映了地震的孕育和演化规律,与应力状态变化有关12,因此获取区域地壳介质变化信息,有助于更好地了解应力状态的变化,可为地震(火山)的孕育、形成及发震提供研究思路和指导意义13。尾波干涉测量目前国内的研究结果有限,在中强地震发生前后的地壳介质变化研究方面,肖卓运用尾波干涉技术监测了 2014 年盈江双震期间地壳介质状态的变化14;汪建等运用尾波干涉技术研究了 2017 年重庆武隆MS5.0 地震后震源区地壳介质动态变化15;郭雨帆等对 2005 年 11 月 26 日九江-瑞昌 MS5.
5、7 和 2011 年9 月 10 日瑞昌-阳新 MS4.6 地震后的地壳介质变化进行了分析16-17。以上研究均发现了重复地震发生期间波速的细微变化。寻乌及邻区构造断裂纵横交错,历史上共记录到 4.7 级以上地震 5 次,最大地震为 1806 年会昌南6.0 级地震,该地震也是江西省有史以来发生的最大地震。研究区小震活动较为频繁,20172021 年共 发 生 4 次 ML2.0 震 群 活 动,最 大 为 2017 年11 月 6 日至 2018 年 4 月 5 日寻乌 ML3.8 地震震群,该地区应力变化和应力状态成为密切关注的问题。本文利用寻乌及邻区台站记录的数字地震波形资料,采用波形互
6、相关方法挑选重复地震,然后利用尾波干涉方法计算重复地震发生期间的波速变化,结合 b 值计算结果,探讨地壳介质变化和应力状态。1 资料选取寻乌及邻区主要的控震断裂带为石城-寻乌断裂、宜黄-安远断裂、全南-周田断裂和寻乌-全南断收稿日期:2022-11-28基金项目:中国地震局地震科技星火计划(XH201402Y);江西省防震减灾与工程地质灾害探测工程研究中心开放基金(SDGD202011);江西省自然科学基金项目(20202BABL203035)第一作者简介:汤兰荣(1983),女,高级工程师,主要从事地震分析预报研究.E-mail:第 41 卷第 3 期华 北 地 震 科 学Vol.41,No
7、.32023 年 7 月NORTH CHINA EARTHQUAKE SCIENCESJul.,2023裂带,2009 年 1 月至 2021 年 5 月发生 ML1.0 地震400 次,其中 ML1.01.9 地震 334 次,ML2.02.9 地震 56 次,ML3.03.9 地震 10 次。本文选取 400 次ML1.0 地震波形进行重复地震挑选,然后利用尾波干涉方法对重复地震对进行地壳介质变化分析。地震波形资料由国家数字测震台网数据备份中心提供18,使用了江西、福建和广东区域地震台网记录的波形资料。研究区地震和台站分布见图 1。115E26N25N24N116E117E地震台站研究区3
8、.03.92.02.91.01.9 图 1 地震、台站和构造分布Fig.1 Distribution of earthquakes,stations and structures 2 重复地震挑选重复地震的震源性质和传播路径基本一致,因此其在同一台站记录的地震波形极其相似,同一组重复地震内的波形差异认为是由于介质的变化所引起,因此利用重复地震可以研究地壳介质的波速变化14。进行重复地震挑选时,首先对波形去倾斜、去线性趋势及 0.510 Hz 带通滤波预处理,然后计算同一台站任意两个地震波形的互相关系数,计算起点为 P 波到时前 1 s,长度为 4 倍 Sg、Pg 震相走时差15,2 个以上台站
9、相关系数大于等于 0.95 且精定位距离 1 km 以内的地震群事件可判定为重复地震14。由于本研究区域地震震级较小,位置不集中,精定位效果不好,地震定位采用区域地震台网结果,重复地震之间的距离放宽至 1.5 km。筛选得到 4 组重复地震对(地震群),编号为D1、D2、D3、D4,分别分布在会昌、安远、平远和寻乌县,由 XUW(寻乌)、HUC(会昌)、ANY(安远)、SHLC(上杭临城)台站记录,震级在 ML1.9 以上,震级差最大为 0.5,最小为 0.1,重复地震对之间的距离均在 1.5 km 内(表 1)。D1、D2、D3 各包含 2 个地震事件,D4 包含 4 个地震事件,该 4 个
10、事件可分为3 个地震对,编号为 D4-1、D4-2、D4-3,一共得到6 个地震对。D1 地震对的 2 个地震发震时间较长,间隔时间近 3 年,其他 5 个地震对间隔较短,均在1 个月以内。重复地震和台站分布见图 2。地震对 D1地震对 D2地震对 D3地震对 D4-1地震对 D4-2地震对 D4-3记录台站114.9E25.6N25.2N24.8N24.4N115.3E115.7E116.1E 图 2 重复地震和记录台站分布Fig.2 Distribution of repeating earthquakes and its seismic recordingstation 3 尾波干涉分析
11、本文采用移动窗口互相关法19,将发震较早的重复地震当作参考地震,从初至 P 波到时开始对重复地震对进行尾波干涉分析。为获得更小的走时延迟,在尾波干涉测量之前,采用插值法将原始信号的采样率提升至 10 000 Hz7,即两列波形的走时延迟最小为 0.000 1 s。通过移动时间窗,计算每一个时间窗内波形的走时延迟,得到走时延迟及不相关系数随流逝时间的分布。参数设置参考肖卓等14和汪建等15的经验,选取 P 波初至到时至 S 波到时的 2 倍加 4 s 作为尾波干涉测量窗口,移动窗口长度为 1 s,移动步长为 0.05 s,即每 1 s 内有 20 个干涉测量点。假设介质中波速变化是均匀的,若波速
12、下降(增大),则两列波形的走时偏移将随着流逝时间线性上升(减小),波速变化和误差估计的原理见文献 5,15,20。由于震源区外的地壳介质变化更小,距离较远的台站尾波干涉不明显,本文挑选 D1、D2、D3、D4-68华 北 地 震 科 学41 卷 2 地 震 对 45 km 以 内 的 记 录 台 站(XUW、ANY、HUC)进行尾波干涉分析,D4-1 和 D4-3 记录台站的震中距均超出 80 km,在此不进行尾波干涉分析。对于 XUW 台,共记录到 4 个地震对 D1、D2、D3、D4-2,分别分布在会昌、安远、平远和寻乌县,D1、D2 发生在台站以北,震中距分别为 20 km 和33 km
13、,D3、D4-2 发生在台站以南,震中距分别为28 km 和 21 km(图 2)。图 3a 给出了 D1 在 XUW 台的尾波干涉结果,可见在 P 波尾波段不相关系数出现一个短周期的“尖峰”变化,走时延迟也有小幅脉冲变化,S 波段不相关系数和走时延迟变化平稳;S 波早期尾波段(5.16.1 s)延迟时间上升加快,意味着波速减小,选取该段计算其相对波速变化,结果约为 4.5。图 3b 给出了 D2 的尾波干涉结果,在 P 波尾波段不相关系数和走时延迟出现了同步阶降变化,在 S 波段不相关系数和走时延迟变化平稳;S 波早期尾波段(5.958.25 s)走时延迟变化复杂,整体呈下降变化,代表波速增
14、大,相对波速变化约为 2.5,变化不显著。图 3c 给出了 D3 的尾波干涉结果,在 P 波尾波段,不相关系数和走时延迟先上升后阶降,在 S 波段相关系数较高,走时延迟平稳;S 波早期尾波段(4.15.0 s)走时延迟加速上升,波速减小,波速变化约为 1.1%,变化幅度较大。图 3d 给出了 D4-2 的尾波干涉结果,显示在 P 波尾波段不相关系数和走时延迟先下降后转平,在 S 波段相关系数较高,走时延迟平稳;在 S 波早期尾波段(4.04.6 s)走时延迟加速线性上升,波速减小,波速变化约为 2.4%。总的来看,记录的 4 个地震对波形在 P 波尾波段不相关系数和走时延迟有不同程度“尖峰”或
15、阶变变化,在 S 波段不相关系数和走时延迟变化均较为稳定;S 波早期尾波段走时延迟有明显增加或者减小的现象,与肖卓等14和汪建等15研究结果一致。其中,D 台站南部的 2 个重复地震对记录到的波速相对变化比北部明显,在2016 年 8 月 14 日 和 2017 年 12 月 15 日 至2018 年 1 月 1 日 2 个时段波速均表现为下降变化。对于 ANY 台,45 km 内共记录到 3 个地震对D1、D2、和 D4-2,分别分布在会昌、安远、和寻乌县。D1、D2 发生在台站的北东、北东东方向,震中距分别为 30 km 和 20 km;D4-2 发生在台站东南方向,震中距为 44 km(
16、图 2)。图 4a 给出了 D1 在 ANY 台的尾波干涉结果,在 P 波尾波段不相关系数和走时延迟出现显著下降变化,在 S 波段总体变化平稳,S 波早期尾波段(4.657.30 s)走时延迟加速上升,意味着 波 速 减 小,波 速 变 化 为 6.2 。图 4b 给 出 了D2 的尾波干涉结果,在 P 波尾波段不相关系数和走时延迟出现尖峰变化,在 S 波和 S 波尾波段不相关系数波动不大,走时延迟总体呈下降趋势,选取S 波尾波段(3.654.95 s)计算得到相对波速变化为 4.2。图 4c 给出了 D4-2 的尾波干涉结果,在P 波尾波、S 波及 S 波早期尾波段不相关系数变化平稳,相关系
17、数较高,P 波尾波段走时延迟上下波动明显,S 波段走时延迟先上升后下降,S 波早期尾波段(1013.5 s)走时延迟缓慢上升,但幅度较小,计算得到相对波速变化约为 1.3,低于误差值,可见波速变化不明显,这可能是 D4-2 的震中距相对较 表 1 寻乌及邻区的重复地震对参数Table 1 Repeating earthquakes parameters of Xunwu and its adjacent area 编号发震时刻经度/(E)纬度/(N)震级(ML)震源深度/km参考地名D12014-08-03T00:26:5325.199115.5802.39江西会昌2014-09-01T23:
18、32:3725.197115.5671.97江西会昌D22015-12-01T02:48:0025.250115.5372.68江西安远2018-11-04T21:22:1125.260115.5333.110江西安远D32016-08-01T14:16:2024.809115.8042.710广东平远2016-08-04T01:22:1824.805115.8042.69广东平远D4-12017-12-15T19:28:3224.795115.6053.16江西寻乌2018-01-01T22:37:1524.795115.6113.66江西寻乌D4-22017-12-15T19:28:322
19、4.795115.6053.16江西寻乌2018-01-01T22:47:3224.805115.5972.66江西寻乌D4-32018-01-01T22:37:1524.795115.6113.66江西寻乌2018-01-04T19:48:5024.799115.6063.19江西寻乌3 期汤兰荣,等:利用尾波干涉技术分析寻乌及邻区的地壳介质变化69 远有关。总的来看,ANY 台东南向的波速变化不明显,北东向波速变化明显,在 2014 年 8 月 3 日至2014 年 9 月 1 日波速呈下降变化。对于 HUC 台,45 km 内共记录到 1 个地震对D2,发生在安远县,地震分布在台站西南方
20、向,震中距为 44 km(图 2)。图 5 给出了 D2 在 HUC 台的尾波干涉结果,在 P 波尾波段不相关系数出现尖峰变化,走时延迟出现阶升,在 S 波段不相关系数和走时延迟变化平稳,S 波早期尾波段(6.27.7 s)走时延迟呈下降变化,计算得到相对波速变化为 3.1,波速变化不显著。4 介质变化和应力状态分析通过对 XUW、ANY 和 HUC 台记录到的重复地震对进行尾波干涉分析,发现 XUW 台记录到的D3、D4-2 地震对在 2016 年 8 月 14 日和 2017 年12 月 15 日至 2018 年 1 月 1 日 2 个时段波速均表现为 明 显 下 降 变 化,ANY 台
21、记 录 的 D1 地 震 对 在2014 年 8 月 3 日至 2014 年 9 月 1 日波速也明显下降,反映了台站到重复地震对之间地壳介质的变化。由于地壳介质变化一定程度反映了地震的孕育与演化规律,与应力状态变化相关12。为了进一步分析台站到重复地震对之间的应力状态,对区域b 值进行分析。研究区 1978 年以来具有较好的监测能力,选用 19782021 年 ML1.0 地震确定最小完整性震级 MC为 ML2.0,再利用 ML2.0 地震进行b 值空间分布计算21。对低于研究区平均值的 b 值进行绘图(图 6)后可见,XUW 和 ANY 台周边 b 值 台站:XUW 20140803002
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