王　俊　鄭定昌　鄭江蓉　詹小艷　江昊琳　李正楷　張金川

1)江蘇省地震局、南京　210014　2)云南省地震局、昆明　65022　3)澳大利亞國立大學、堪培拉 0200

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利用背景噪聲自相關研究蘆山M7.0地震震源區(qū)地殼相對波速的時空變化特征

王俊1)鄭定昌2，3)鄭江蓉1)詹小艷1)江昊琳1)李正楷1)張金川1)

1)江蘇省地震局、南京2100142)云南省地震局、昆明650223)澳大利亞國立大學、堪培拉 0200

根據(jù)3個位于蘆山地震震中區(qū)附近臺站記錄的連續(xù)波形、采用自相關函數(shù)研究了蘆山地震震源區(qū)2012年4月20日至2014年4月20日地殼相對速度的時空變化特征。3個臺站分別是寶興臺(BAX)、蒙頂山臺(MDS)以及天全臺(TQU)、震中距約為15.7km、20.5km、29.6km。結果顯示：由0.1～1Hz頻率范圍內自相關格林函數(shù)測得的地殼相對速度、在震后一段時間內3個臺站均有明顯下降。其中、震中西北方向的BAX臺下降量最大、約為0.6%；其次是震中東南方向的MDS臺、下降約0.4%；西南方向的TQU臺下降最小、約為0.2%。它對介質的敏感深度范圍約為10km?？臻g上、相對速度下降明顯的區(qū)域與震源破裂強度大的區(qū)域以及同震體應變的膨脹區(qū)之間有很好的一致性。最大速度降分別是在震后40～100d內相繼出現(xiàn)的、相對速度的恢復過程與強余震的衰減有較好的對應關系。認為這種相對變化主要是由主震及強余震在一定深度范圍內造成斷層區(qū)內部結構破壞和周圍應力變化引起的。而在2～5Hz頻率范圍內測得的相對速度、3個臺站均未表現(xiàn)出明顯的同震效應、但季節(jié)性的變化趨勢明顯、尤其是半年1次的變化特征、平均最大變化幅度約為0.3%。它對介質的敏感深度范圍約為1km、但與強地面運動引起的地表破壞之間沒有很好的對應關系。

蘆山地震地殼介質應力同震體應變自相關格林函數(shù)

0　引言

2013年4月20日8時2分在四川省雅安市蘆山縣發(fā)生的M7.0地震(以下簡稱蘆山地震)是繼2008年汶川M8.0地震后龍門山構造帶上發(fā)生的又一次強烈地震。震后對蘆山地震的研究大多聚焦在震源機制和破裂過程等方面(表1，2)。然而、對強震前、后震源區(qū)介質物理性質變化的研究同樣也有助于對地震孕育、發(fā)生以及動力學過程的了解。

表1　蘆山地震震源機制解結果

Table1　Focal mechanism results of Lushan earthquake

節(jié)面Ⅰ節(jié)面Ⅱ矩震級(MW)深度/km來源走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)走向/(°)傾角/(°)滑動角/(°)212421001949816.622GlobalGMT①21839962253856.611USGS②214391002148-1366.419劉杰等,201321244933043896.712曾祥方等,201320946942344866.614呂堅等,2013216471032044786.513林向東等,201320045951545856.522趙博等,2013

注①http: ∥www.globalcmt.org/；②http: ∥earthquake.usgs.gov/earthquakes/。

表2　蘆山地震破裂過程反演結果

Table2　Inversion results of the rupture process of Lushan earthquake

動態(tài)破裂過程模型震源深度/km最大滑動量深度/km最大滑動量/m地震矩(M0)/1019Nm來源潛在破裂斷層面63km×48km12.3(USGS)初始破裂下方1.31.12張勇等,2013斷層的有限破裂模型12.413.01.50.48鄭勇等,2013有限斷層震源模型10.2初始破裂下方1.61.54王衛(wèi)民等,2013

對地殼介質物理性質變化的研究、過去一般是通過主動源或被動源的重復觀測進行的、已提出的方法有：利用重復地震(Poupinetetal.、1984)、尾波干涉測量技術(Snieder、2002)、S波分裂變化(Crampinetal.、1990)等、但這些方法都依賴于地震事件的記錄、甚至要求記錄波形具有高度的相似性。近年來越來越多的研究表明、背景噪聲互相關或自相關技術在監(jiān)測地球內部結構的時空變化方面有更大潛力、其核心思想是：通過互相關技術求取隨機場中2個接收點間的格林函數(shù)、然后測量它們與 “參考格林函數(shù)”之間的時間延遲變化來獲得介質相對速度的變化、因此不依賴于地震震源。理論和實踐均已證實地震波場中2點間格林函數(shù)的存在(Derodeetal.、2003；Brenguieretal.、2008；Cupillardetal.、2011)。這是因為地球上絕大多數(shù)的噪聲源具有面波特性。較長時間的背景噪聲互相關函數(shù)、可以使隨機場中的噪聲源和地殼內地震波散射的非均勻性得到足夠的平均、從而保證格林函數(shù)的有效性(Shapiroetal.、2004；Sabra、2005；Stehlyetal.、2006)。此外、Wapenaar等(2006)在理論上證明了如何通過2個地震臺站間的互相關函數(shù)來提取全格林函數(shù)。實驗室的測試還表明、測量相對速度變化時、僅需有一定比例的噪聲源保持穩(wěn)定就可以獲得可靠的結果、時間上的辨別率僅受獲取到穩(wěn)定相關格林函數(shù)所需時間的約束(Hadziioannouetal.、2009)。在2個臺站重合的極端情況下、互相關函數(shù)就轉換為單個臺站的自相關函數(shù)、代表源和接收點在相同位置上產生的地震響應(Sens-Sch?nfelderetal.、2006、2011；趙盼盼等、2012)。

目前、背景噪聲互相關或自相關技術已在全球許多地區(qū)得到了應用。Brenguier等(2008)利用2002—2007年間的連續(xù)記錄對圣安德烈斷裂帶(San Andreas Fault)的地殼相對速度研究發(fā)現(xiàn)、2004年帕克菲爾德M6.0地震后、地殼相對速度突然下降了0.08%、并持續(xù)近3a的相對低值。運用互相關技術、地震學家們在火山地區(qū)觀測到地震波相對波速的季節(jié)性變化、單天測量精度能達到0.1%(Sens-Sch?nfelderetal.、2006；Brenguieretal.、2011)；甚至還觀測到月球表面介質的相對速度變化與太陽周期性照射月球表面所引起的溫度變化相關(Sens-Sch?nfelderetal.、2008)。蘇門答臘2004—2007年強震群發(fā)生后、震源區(qū)介質性質變化引起的面波走時擾動最大約為1.42s(Xuetal.、2009)。在國內、劉志坤等(2010)發(fā)現(xiàn)2008年汶川地震后、震源區(qū)的地震波速度急劇降低、最大降幅達0.4%。Wegler等(2007)利用自相關函數(shù)提取的震源-臺站間格林函數(shù)、也發(fā)現(xiàn)Mid-NiigataMW6.6地震后震源區(qū)的地殼相對速度急劇下降、降幅約為0.6%。運用相似方法、Maeda(2010)認為在地熱區(qū)由密集震群引起的地殼速度變化與震群中地震震級的大小有很好的一致性、趨勢性變化與深部的流體含量相關。汶川地震后不同塊體內部間、自相關格林函數(shù)的同震速度相對變化存在明顯差異(趙盼盼等、2012)。相比于互相關格林函數(shù)、自相關格林函數(shù)理論上包含了散射波場的信息、對靠近臺站附近的介質變化更加敏感(Ugaldeetal.、2014)。

四川省地震臺網(wǎng)有3個寬頻帶固定臺站恰好位于蘆山地震震源區(qū)、這為運用自相關函數(shù)方法研究較長時間尺度內震源區(qū)介質物理性質的變化提供了很好的條件。于是、本文將根據(jù)這3個臺站地震前、后各1a時間尺度內的連續(xù)記錄來研究震源區(qū)地殼相對速度的時空變化規(guī)律、并結合已有的發(fā)震機理、破裂過程、精定位等研究成果、詳細探討引起這種變化的原因。

1　蘆山地震簡述

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定、蘆山地震的發(fā)震時刻：2013 年4 月20 日8 時2 分46s(北京時間)；震級：M7.0；震中位置：30.3°N、103.0°E；震源深度：13.0km。截止到2013年6月23日16時、據(jù)四川省地震臺網(wǎng)中心統(tǒng)計、共記錄到余震10 799次、其中3.0級以上余震135次、包括5.0～5.9級4次、4.0～4.9級23次、3.0～3.9級地震108次。震后、許力生等(2013)運用逆時成像技術研究認為、主震起始破裂點位于 30.289°±0.005°N、102.946°±0.007°E；震源深度 (11.8±2.3)km。 除此之外、多個機構和研究小組都對主震的震源機制和破裂過程進行了研究、并取得了很多成果(表1、2)。

圖1　主震及余震序列的分布特征Fig. 1　The distribution of mainshock and aftershocks.a 主震震源機制(表1 中走向、傾角、滑動角的平均值)及余震和本文所使用的臺站分布、其中黃色圓圈代表主震、黑色線條代表斷裂；F1 茂縣-汶川斷裂、F2 北川-映秀斷裂、F3 安縣-灌縣斷裂、F4 龍泉山斷裂(Xu et al.、2008)；b 雙差精定位后ML2.0以上地震沿走向的深度剖面圖(呂堅等、2013)

蘆山地震發(fā)生于青藏高原東緣與華南地塊結合部上的龍門山斷裂帶西南段。 龍門山斷裂帶是1條長約500km、寬30～50km 沿NE-SW向展布的巨大斷裂帶、包含了多條斷裂(圖1a)；其斷層滑動以逆沖為主、兼具右旋走滑分量。 在龍門山斷裂帶的東北段、右旋走滑分量更大(鄧起東等、1994；Xuetal.、2008)。呂堅等(2013)推測蘆山地震的發(fā)震構造為龍門山山前斷裂(亦稱安縣-灌縣斷裂、圖1a中的F3)、也不排除主震震中東側還存在1條未知的基底斷裂發(fā)震的可能性。震源區(qū)的快剪切波偏振方向明顯偏向EW、表明此次地震與區(qū)域內青藏塊體整體向E推擠受到成都盆地的阻擋有關(高原等、2013)。蘆山地震是繼2008年汶川地震后在龍門山推覆構造帶上發(fā)生的最強地震、2次地震的震中位置相距約85km、余震帶之間的最小距離約45km、但是否屬于汶川地震的余震仍有爭議(陳運泰等、2013；劉杰等、2013；王衛(wèi)民等、2013)。對于蘆山地震、采用不同方法得到的震源機制解結果較為一致(表1)。節(jié)面I的走向與龍門山斷裂帶的走向(NE-SW)基本一致、且后續(xù)余震也大致沿NE-SW向分布，因此普遍推測節(jié)面Ⅰ為斷層面，是1次以逆沖為主兼具一些右旋走滑分量的地震。不過、徐錫偉等(2013)則認為蘆山地震是1次典型的發(fā)生在擠壓褶皺區(qū)深部尚未出露地表的盲逆沖性地震。

2　數(shù)據(jù)與方法

2.1數(shù)據(jù)選取

四川省地震臺網(wǎng)的寶興臺(BAX)、蒙頂山臺(MDS)、天全臺(TQU)3個固定臺站恰好位于蘆山地震震中附近、它們距許力生等(2013)獲得的震中位置分別約為15.7km、20.5km、29.6km、分布于不同方位(圖1a)。3個臺站均配置寬頻帶數(shù)字地震計、頻帶響應范圍為0.02～60s、采樣率為100 sps。本文選取的連續(xù)波形記錄時間為2012年4月20日至2014年4月20日(鄭秀芬等、2009)。進行自相關函數(shù)計算前、首先采用功率譜概率密度函數(shù)(Power Spectral Density Probability Density Functions、以下簡稱PDFs)方法對數(shù)據(jù)記錄質量進行評估(以d為單位)。該方法可以對連續(xù)記錄中的階躍、瞬態(tài)變化(如地震信號或毛刺)以及儀器故障所引起的失真信號等進行有效評估、從而對數(shù)據(jù)的可用性進行判斷(McNamaraetal.、2005；王俊等、2013a)。

以MDS臺為例(圖2)、可以看到大部分背景噪聲的加速度功率譜分布在新地球噪聲模型(NLNM、NHNM)(Peterson、1993)之間。 圖2a中的黃色曲線是分布概率為95%的上限包絡線、表明記錄良好的數(shù)據(jù)占絕大多數(shù)、可用性較高。上限包絡線以外所對應的功率譜的天數(shù)分布如圖2b中的紅色豎線所示(即為不可用的數(shù)據(jù))。經計算BAX臺、TQU臺背景噪聲可用的PDFs概率分別約為93%、96%。從PDFs結果中還可以看出0.1～1Hz、2～5Hz頻率內的概率值相對較高、表明這2個頻率范圍內的噪聲源更為穩(wěn)定。于是、本文僅計算PDFs上限包絡線以內的、上述2個頻帶內的自相關函數(shù)。

圖2　蒙頂山臺(MDS)2012年4月20日至2014年4月20日的背景噪聲PDFs分析結果Fig. 2　The PDFs results of ambient seismic noise from April 20、2012 to April 20、2014 recorded by the seismic station MDS.

2.2方法

2.2.1提取背景噪聲自相關格林函數(shù)

研究證實背景噪聲互相關格林函數(shù)中、除包含面波外、還包括直達波和散射波。格林函數(shù)尾波中包含的散射路徑信息、是對臺站間介質較為全面的采樣、它比直達波對介質性質變化的靈敏度更高、因此可以用來監(jiān)測介質的微弱變化(Roux、2005、2009)。如何在隨機場中提取2個接收點間的互相關格林函數(shù)、許多學者都給出過理論推導。其中Sabra(2005)給出了時域中2個地震臺站間背景噪聲互相關格林函數(shù)的近似關系式：

(1)

式(1)中、格林函數(shù)Gij(r1；r2，t)表示在臺站1(r1)處i方向上1個單位脈沖位移到臺站2(r2)處j方向的位移響應；互相關函數(shù)Cij是通過在整個觀測周期內(T)進行積分計算獲得的。2個臺站重合的極端情況下、互相關算法就轉換為單個臺站的自相關算法、表示源和接收點在相同位置上產生的地震響應。信號的自相關函數(shù)可以表示為式(2)：

(2)

自相關格林函數(shù)是用自相關函數(shù)自身來近似的、求導過程中只會引起相位偏移、因此不影響信號中相對速度變化的檢測。與互相關格林函數(shù)相比、不同之處在于它反映的是信號源和記錄臺站在同一點的情況。因此、對靠近臺站附近的介質更加敏感、能夠得到較淺層介質變化的響應。

2.2.2相對速度的測定

測量相對速度時采用的具體方法可歸納為2種、一種是頻域內的滑動窗互譜分析、另一種是時域里拉伸(或壓縮)的方法。Hadziioannou 等(2009)對這2種方法進行實驗測試評估后、認為它們對速度擾動的靈敏度基本相當、但在基于背景噪聲的相對速度擾動測量中、拉伸(或壓縮)技術的穩(wěn)定性優(yōu)于滑動窗互譜技術。它是將相對延遲時間當作1個因子ε、通過該因子沿時間軸拉伸或壓縮其中1條記錄線、以求取與其他記錄線之間的最佳互相關、故稱為拉伸或壓縮方法。該方法有2個優(yōu)點：第一、δτ/τ不需要太?。坏诙?、與優(yōu)勢波長相比、δτ自身也不必太小。因此可采用更長、更滯后的時間窗來使估算結果更穩(wěn)定。

(3)

2.2.3單臺數(shù)據(jù)預處理

計算自相關函數(shù)前、需對經PDFs方法篩選出的單臺數(shù)據(jù)進行必要的預處理、以去除記錄中非平穩(wěn)信號的影響、具體步驟為：

(1)扣除儀器響應和線性趨勢；

(2)將每一天的連續(xù)波形數(shù)據(jù)按00:00:00 —24:00:00進行相對同步和截斷；

(3)利用4階的Butterworth濾波器分別進行0.1～1Hz、2～5Hz的帶通濾波；

(4)采用時域內的滑動窗絕對均值歸一化法對數(shù)據(jù)進行歸一化處理、歸一化權重因子定義為

(4)

3　計算結果

3.1震源區(qū)地殼相對速度的時空變化特征

測量各個臺站自相關格林函數(shù)的相對走時前、還必須確定出每個臺站的 “參考格林函數(shù)”?！皡⒖几窳趾瘮?shù)”的確定一般由長時間尺度(至少1a以上)的相關函數(shù)疊加得到、這是為了最大限度地減小隨機噪聲源變化的影響(Campilloetal.、2003)。本文中 “參考格林函數(shù)”(圖3a)是疊加各個臺站24個月的自相關函數(shù)來確定的。研究表明、從疊加時間為21個月的背景噪聲相關函數(shù)中提取的經驗格林函數(shù)與實際的地震面波一致(鄭現(xiàn)等、2013)。據(jù)此說明本文確定的 “參考格林函數(shù)”是可信的。此外、為提高信噪比以確保每一天相對走時的測量精度、通常還采用沿時間軸滑動疊加一定窗長內的相關函數(shù)來代表該天的格林函數(shù)。理論上窗越長信噪比越高、但同時犧牲的個體差異也越大、當窗長為10d時信噪比提高的比例最大(王俊等、2013b)。于是、本文使用這一取值來滑動疊加求取每一天的格林函數(shù)。疊加后獲得的格林函數(shù)與 “參考格林函數(shù)”之間互相關系數(shù)>0.95的比例能達98%(圖3c)。

圖3　寶興臺(BAX)0.1～1Hz頻率范圍內的自相關函數(shù)結果Fig. 3　The autocorrelation functions for seismic station BAX in the 0.1-1Hz frequency range.a 寶興臺(BAX)0.1～1Hz頻率范圍內的自相關 “參考格林函數(shù)”；b 單天自相關格林函數(shù)與 “參考格林函數(shù)”之間的互相關系數(shù)、箭頭處為蘆山地震發(fā)生的時間；c 2012年4月20日至2014年4月20日的自相關函數(shù)

至少需要在3個波長內才能獲得較為可靠的相對速度結果。我們參照Ugalde等(2014)的做法、測量時窗長取各頻帶范圍最大周期的3倍、起始位置位于最大周期的2倍處、即對于0.1～1Hz的測量時窗為20～50s；但對于2～5Hz、一般取>2s后的2～4s或4～6s。下限時間的設置是為了排除靠近接收點處的散射波、上限對應于尾波相干性減小時的時間。最后、通過網(wǎng)格搜索方式的拉伸(或壓縮)方法、在-5%～5%的范圍內以Δε=0.01%的間隔測量每1d的相對速度變化ε。只保留與 “參考格林函數(shù)”之間互相關系數(shù)>0.95的單天結果。

圖4　寶興臺(BAX)地殼相對速度隨時間的變化、箭頭表示蘆山地震發(fā)生的時間Fig. 4　Relative velocity variations with time for seismic station BAX、arrows for the Lushan earthquake occurrence time.a 三分量相關函數(shù)疊加的測量結果；b 僅垂直分量相關函數(shù)疊加的測量結果

圖5　3個臺站分別在0.1～1Hz和2～5Hz內的地殼相對速度變化 Fig. 5　Relative velocity variations at 3 stations for the frequency range 0.1-1Hz and 2-5Hz.

圖6　0.1～1Hz頻率范圍內3個臺站最大相對速度降的空間分布 Fig. 6　Spatial distribution of the largest velocity drop in the frequency range of 0.1-1Hz of the three stations.圓圈的半徑為20km；黃色五角星為主震位置

0.1～1Hz頻率范圍內相對速度的測量結果顯示(圖5a)：蘆山地震后BAX、MDS、TQU 3個臺站的地殼相對速度均有不同程度的下降(綠色短線所示)；其中震中西北方向的BAX臺下降最為明顯、震后100d內持續(xù)下降、約在2013年7月30日左右達到最大速度降、約為0.6%、標準偏差為±0.041%；震中東南方向的MDS臺在震后約50d出現(xiàn)最大波速降、約為0.4%、標準偏差為±0.05%；震中西南方向的TQU臺、相對速度下降量最小、出現(xiàn)在震后約40d、約為0.2%、標準偏差為±0.019%。

假定面波速度為 2km/s時、0.2～0.5Hz頻率范圍的面波、在10～25s走時內測量的相對速度變化能反映出半徑約10km、深度約4km的區(qū)域內的介質變化(Maeda、2010; Ugaldeetal.、2014)。本文中0.1～1Hz的頻帶寬度、能反映的區(qū)域半徑應約為20km(圖6)、最大敏感深度約為10km。自相關格林函數(shù)在時間上的延遲主要是由于觀測點下方的地殼介質地震波速變化引起的、引起這種變化的物理機制可能主要有以下3種(Poupinetetal.、1984；Sens-Sch?nfelderetal.、2006；Wegleretal.、2007；Brenguieretal.、2008)：1)強地震后引起斷層區(qū)及周邊地殼介質的應力變化；2)由強地面運動引起的近地表破壞；3)近地表的水飽和度或地下水位變化。

空間分布上、相對速度下降量從大到小的順序依次為BAX臺、MDS臺、TQU臺(圖6)。根據(jù)破裂過程反演結果推測主震是1次以逆沖為主的地震、破壞最嚴重的區(qū)域應主要位于發(fā)震斷層上盤的寶興、蘆山地區(qū)(張勇等、2013)。實際調查也證實、寶興、蘆山為極震區(qū)、烈度達到Ⅷ—Ⅸ度(孟令媛等、2013)。王衛(wèi)民等(2013)反演獲得震中附近區(qū)域的斷層滑動量最大(深度約為10.2km)、約為1.59m；MDS臺附近區(qū)域的斷層滑移量仍處在較高的水平、約有60cm；TQU臺附近區(qū)域的斷層滑移量則<10cm。對比發(fā)現(xiàn)、總體上斷層破裂強度大的區(qū)域、相對速度下降明顯。采用主事件法對M1.0以上的余震重定位后、發(fā)現(xiàn)東北方向的余震展布寬度大于西南方向(圖1a)、意味著東北方向的破裂程度要強于西南方向。沿走向剖面分布的ML2.0以上的余震序列顯示(圖1b)、斷層面北端的地震密度明顯大于西南方向、且在BAX臺、MDS臺下方10km的深度范圍內、仍有一定數(shù)量的余震、說明在這2個臺站的下方此深度范圍內仍有破裂發(fā)生、而TQU臺站下方整個深度范圍幾乎沒有余震分布。蘆山地震的破裂斷層還具有1個明顯的特征、即破裂過程沒有表現(xiàn)出明顯的方向性、震源尺度僅約為30km×30km(呂堅等、2013；張勇等、2013)；于是、從距震中的距離看、BAX臺、MDS臺分別為15.7km和20.5km、也基本上仍處在破裂尺度范圍內、而TQU臺(距震中29.6km)則位于破裂尺度之外?？梢钥闯鲞@些破裂特征與相對速度在空間上的變化有很好的對應關系。

此外、考慮震中位置、震源區(qū)地質構造背景以及震源機制解校正后的峰值加速結果顯示(陳鯤等、2013)：BAX臺、MDS臺均位于400～500cm/s2的區(qū)域、TQU臺經過校正后峰值加速度值約為395cm/s2。這意味著3個臺站的峰值加速度值比較接近、但震后的相對速度變化卻存在明顯差異、說明強地面運動造成的近地表破壞、與0.1～1Hz頻段范圍內相對速度變化之間沒有很好的一致性。

從圖5a還發(fā)現(xiàn)3個臺站的最大速度降的出現(xiàn)時間并不同步、分別約在震后40～100d內相繼出現(xiàn)。汶川地震后震源區(qū)的最大相對速度降也是在震后1～4個月內出現(xiàn)(劉志坤等、2010)。兩者具有相似特征、即最大相對速度變化不是在震后立即出現(xiàn)的、而要滯后一段時間。這一時間段內強余震發(fā)生頻度最高、如圖5 中M3.0以上地震的M-T圖所示。因此推測這種滯后現(xiàn)象可能與強余震的發(fā)生有關、強余震加劇了震源區(qū)介質進一步破壞的可能性、并同時受到強余震的動態(tài)和靜態(tài)應力的作用、從而造成介質物理性質的持續(xù)性變化。震后相對速度恢復至零線附近的過程整體上也是1個緩慢的過程、其中BAX臺在最大速度降之后約2個月恢復到零線附近、MDS臺在最大速度降出現(xiàn)后3個月左右恢復至零線附近、而TQU臺則僅是從震前的相對高值下降至零線附近、未明顯下降到零線以下、并在震后持續(xù)近1a的時間、這或許是TQU臺附近應力釋放不完全的一種體現(xiàn)。林向東等(2013)認為蘆山地震的破裂沒有貫通汶川地震破裂的南端、也沒有觸發(fā)同為龍門山斷裂構造單元西南端的茂縣-汶川斷裂(圖1 中的F1)與北川-映秀斷裂(圖1 中的F2)的活動、因此也推測蘆山地震的發(fā)生僅僅是應力的局部釋放。我們還注意到，位于青藏地塊的BAX臺的恢復速率(最大下降速度/恢復時間)明顯高于位于四川盆地的MDS臺。

綜合上述分析、認為由0.1～1Hz頻率范圍內自相關格林函數(shù)獲得的地殼相對速度變化、主要是震后松弛效應引起震源區(qū)淺層地殼介質的應力緩慢變化引起的。

圖7　蘆山地震的同震應變場Fig. 7　The volumetric strain change caused by Lushan earthquake.a 蘆山地震的有限斷層位錯模型；b 蘆山地震的同震應變場；紅色代表膨脹區(qū)、藍色代表壓縮區(qū)

此外、我們還計算了高頻段內的自相關格林函數(shù)(2～5Hz)、該頻帶通常包含被散射尾波、更適合于揭示小時間尺度的速度擾動。走時在2～4s內所反映的介質區(qū)域半徑約為2.5km、最大敏感深度約為1km(Sens-Sch?nfelderetal.、2006；Wegleretal.、2007)。從圖5b中未觀測到蘆山地震后3個臺站有明顯的同震相對速度變化特征。通過7階線性擬合后、呈現(xiàn)出較大時間尺度的周期性變化(圖5b中的紅色曲線)、約半年1次的季節(jié)性變化特征明顯。3個臺的最大變化幅度基本相當、約為0.3%、平均標準偏差約為0.026%。類似的結果、Sens-Sch?nfelder等(2006)認為這種變化與地下水位的變化相關；Ugalde等(2014)解釋為與當?shù)丶竟?jié)性的流體飽和相關的空隙壓力相關。

3.2地殼相對速度與同震體應變的關系

根據(jù)已有的斷層位錯模型(王衛(wèi)民等、2013)、取表1 中節(jié)面I走向、傾角、滑動角的平均值為發(fā)震斷層節(jié)面解、重新構建斷層位錯模型(圖7a)、并在考慮震源區(qū)平均主壓應力方向約為112°(趙博等、2013)的情況下、采用Coulomb3.0軟件計算了深度12km處蘆山地震產生的同震應變場(EXX+EYY+EZZ方向)(Linetal.、2004)。有效摩擦系數(shù)參照單斌等(2013)計算蘆山地震庫倫應力變化時的取值0.4。結果如圖7b所示、可以看出沿斷層兩側的區(qū)域為膨脹區(qū)、斷層兩端以壓縮為主。地殼相對速度(0.1～1Hz)下降最大的BAX臺和MDS臺均位于體應變膨脹區(qū)、體應變量分別約為0.4×10-6、0.15×10-6；速度下降最小的TQU臺則位于壓縮區(qū)、體應變量-0.1 ×10-6。數(shù)值上、體應變量與相對速度的減小量之間存在一定的線性比例關系、在體應變膨脹區(qū)的相對速度減小明顯。表明同震體應變與地殼相對速度變化之間有緊密的聯(lián)系、這也從另一角度反映出、對于淺層地殼介質、地震引起的靜態(tài)應力變化是造成地殼相對速度變化的1個重要原因。研究表明、汶川地震后也有類似的特征(趙盼盼等、2012)；Ueno等(2012)在震群期間體應變超過10-6的區(qū)域、觀測到超過-0.3%的相對速度下降。Wegler等(2009)在體應變約為-0.8 ×10-7～3.3×10-6的震源區(qū)內、也觀測到-0.2%～-0.5%的速度降。這些結果量級上與本文的結果基本相當。

4　討論與結論

4.1討論

本文利用0.1～1Hz和2～5Hz頻率范圍內的背景噪聲自相關函數(shù)分析了蘆山地震震源區(qū)的地殼相對速度變化、即同時應用了面波和尾波信號、尾波一般被認為是多次散射的結果(Snieder、2002; Wegleretal.，2009)。通過設置測量時窗的范圍、可使得測量結果能反映出一定深度范圍內區(qū)域介質特性的變化(Ugaldeetal.、2014)。但由于地震波傳播路徑的復雜性、它們影響的范圍是臺站周圍一定范圍內的三維空間；因此、在準確判別影響地震波速度變化的因素和物理機制上存在一定的不確定性。計算過程中、采用功率譜概率密度函數(shù)方法對數(shù)據(jù)進行篩選、有效地保證了計算結果的可信度。不過、采用10d尺度的窗長疊加結果來代表單天的格林函數(shù)、在提高波形之間相關系數(shù)的同時、一定程度上也忽略了每1條格林函數(shù)之間的個體差異、以至于測量結果在反映介質性質隨時間的變化特征上存在一定的失真效應、但它不影響測量結果整體上趨勢性變化的真實性。此外、由于是采用單臺自相關函數(shù)、而非采用臺站對間的互相關函數(shù)、并且測量的是相對延時、因此避免了數(shù)據(jù)記錄中時間誤差對計算結果的影響。這種影響在互相關格林函數(shù)走時的測量中是必須考慮的因素(Stehlyetal.、2007)。

從圖5a中、我們還注意到在震前很長一段時間內(約自2012年8月開始)3個臺站的相對變化水平基本處在零線以上、約在震前2個月左右的時間內存在明顯的上升現(xiàn)象、幅度約為0.2%(圖5a中的紅色短線)、尤其是MDS臺和TQU臺在幅度和時間上的同步特征十分一致。盡管這一水平與季節(jié)性變化的水平相當、但結合整體的背景變化特征來看、它與正常的季節(jié)性背景波動之間是有差別的、正常情況下這一時段的背景變化應該為相對減小。BAX臺持續(xù)上升的特征相對較弱、但仍能在震前2個月內觀察到2組清晰的上升現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在其他學者的研究中也存在、如Mid-NiigataMW6.6地震前在震源區(qū)觀測到地殼相對速度有緩慢的上升(Wegleretal.、2007)。在汶川地震前約200d的時間內、震源區(qū)的地殼速度也表現(xiàn)出不同程度的增加(趙盼盼等、2012)。不過、夏英杰等(2011)認為汶川地震前地脈動能量的增強與臺風活動有關。易桂喜等(2013)認為蘆山地震的發(fā)生主要是龍門山斷裂帶南段本身已積累較高應力所致、指出尤其是2012年10月19日天全—蘆山間ML4.6地震的視應力值異常高、反映出毗鄰龍門山斷裂帶南段的四川盆地區(qū)域應力水平相對較高。根據(jù)目前的研究結果、難以確定這些相對上升現(xiàn)象是否與震前震源區(qū)的應力積累過程有直接關系、但這些現(xiàn)象是值得持續(xù)關注和深入研究的。

地殼淺部相對速度(0.1～1Hz)明顯下降的區(qū)域與同震體應變的膨脹區(qū)相吻合、這與其他地區(qū)的研究結果相近、或許表明同震體應變對震源區(qū)地殼相對速度變化的影響是普遍存在的事實。有學者還認為利用高密度臺站的相關速度變化、也許不僅可以測量大尺度的平均地殼速度變化、還可以探測到空間尺度較小的同震應力變化、從本文結果中似乎也看到了這一跡象。不過利用相關函數(shù)方法獲得的時間分辨尺度為10～30d、而同震體應變或應力場變化則是更小時間尺度內的瞬態(tài)變化。它在震后整個相對速度變化過程中是否占主導作用也仍不能完全確定。

此外、還需要說明一點、本文測量相對速度變化采用的拉伸(或壓縮)技術、假定了波形是線性拉伸(或壓縮)的、也就是說計算結果中沒有考慮介質非均勻速度變化的影響。這幾乎也是每一種方法都要面臨的問題、即精度和準度之間的折衷關系。但根據(jù)本文的計算結果、可以看到為獲得地殼介質性質時空變化規(guī)律而采取的這一折衷是值得的。

4.2結論

本文根據(jù)3個位于蘆山地震震中區(qū)附近臺站記錄的連續(xù)波形、研究了蘆山地震震源區(qū)2012年4月20日至2014年4月20日期間地殼相對速度的時空變化。結果顯示：由0.1～1Hz頻率范圍內自相關格林函數(shù)測得的地殼相對速度、在震后一段時間內3個臺站均有明顯下降。其中、震中西北方向的BAX臺下降量最大、約達到0.6%；其次是震中東南方向的MDS臺、下降約0.4%；西南方向的TQU臺下降最小、約為0.2%。對介質的敏感深度范圍約為10km?？臻g上、相對速度下降明顯的區(qū)域與震源破裂強度大的區(qū)域以及同震體應變的膨脹區(qū)之間有很好的一致性。最大速度降分別在震后的40～100d內相繼出現(xiàn)、相對速度的恢復過程與強余震的衰減有較好的對應關系。認為這種相對變化主要是由主震及強余震在一定深度范圍內造成斷層區(qū)內部結構破壞和周圍應力變化引起的。而在2～5Hz頻率范圍內測得的相對速度、3個臺站均未表現(xiàn)出明顯的同震效應、但季節(jié)性的變化趨勢明顯、尤其是半年1次的變化特征、平均最大變化幅度約為0.3%。它對介質的敏感深度范圍約1km、但與強地面運動引起的地表破壞之間沒有很好的對應關系、推測這種變化可能與當?shù)丶竟?jié)性的流體飽和相關。

致謝中國地震局地球物理研究所 “國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本研究提供了連續(xù)波形數(shù)據(jù)、余震序列的雙差精定位結果由江西省地震局的呂堅提供、在此一并表示衷心感謝!

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Abstract

According to continuous waveform recorded by three seismic stations(BAX、MDS、TQU)in the epicentral area of the Lushan earthquake、the paper studied the spatial and temporal variations of the relative velocity of the earth’s crust during April 20、2012 to April 20、2014. The distance of the stations from the epicenter is about 15.7km、20.5km、29.6km、respectively. Results show that the relative velocity of the earth’s crust significantly decreased after the earthquake at the three stations from autocorrelation Green’s function at 0.1-1Hz frequency range. The largest velocity drop is about 0.6% at station BAX on the northwest of the epicenter、the second largest drop is at station MDS on the southeast of the epicenter、which is about 0.4%、and the minimum velocity drop is measured at seismic station TQU、about 0.2%、with a depth sensitivity range of about 10km. In space、the relative velocity changes have good consistency with the characteristics of source rupture and coseismic volume strain changes. The maximum velocity drop appeared in 40 to 100 days after the earthquake、respectively; the recovery process of relative velocity shows a better correspondence with decay of aftershocks. The results support that the temporal change of seismic velocity may be related to the damage from fault rupture and stress change around the fault zone. For higher frequencies(2-5Hz)、there are no obvious coseismic velocity changes in all three stations、but seasonal variations are observed、especially the semi-annual variation、with an average maximum change rate of about 0.3%. The depth sensitivity range of the change is about 1km. However、it does not have good corresponding relation with the near-surface damage caused by strong ground motion.

TEMPORAL VELOCITY CHANGES IN THE CRUST ASSOCIATED WITH THE LUSHANMS7.0 EARTHQUAKE BY AUTO-CORRELATION FUNCTION ANALYSIS OF AMBIENT NOISE

WANG Jun1)ZHENG Ding-chang2，3)ZHENG Jiang-rong1)ZHAN Xiao-yan1)JIANG Hao-lin1)LI Zheng-kai1)ZHANG Jin-chuan1)

1)EarthquakeAdministrationofJiangsuProvince、Nanjing210014、China2)EarthquakeAdministrationofYunnanProvince、Kunming650224、China3)TheAustralianNationalUniversity、CanberraACT0200、Australian

Lushan earthquake、crust medium stress、coseismic volume strain、auto-correlation Green’s function

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.012

2015-02-05收稿、2015-10-08改回。

中國地震局地震科技星火計劃(XH15018Y)和測震臺網(wǎng)青年專項(20140330)共同資助。

P315.3+1

A

0253-4967(2016)01-0152-17

王俊、男、1982年生、2007年畢業(yè)于云南大學固體地球物理專業(yè)、高級工程師、主要從事數(shù)字地震監(jiān)測及研究、E-mail: wangjun1099@hotmail.com。