二维非均匀介质地震波传播的伪谱和有限差分混合方法的应用研究

2015-05-13李少华王彦宾吴志坚中国地震局兰州地震研究所兰州73000北京大学地球与空间科学学院地球物理学系北京100871

地震科学进展 2015年9期

李少华王彦宾吴志坚中国地震局兰州地震研究所，兰州 73000北京大学地球与空间科学学院地球物理学系，北京 100871

李少华1）王彦宾2）吴志坚1）
1）中国地震局兰州地震研究所，兰州 73000
2）北京大学地球与空间科学学院地球物理学系，北京 100871

由于围陷波产生于低速带内物质与高速围岩的界面上，在带内传播时间较长，因此它的振幅和频率特征对断层带形态和带内物质性质敏感，对断层带围陷波的观测与分析能够提供断层带精细结构的重要信息。基于伪谱法和有限差分混合数值模拟方法，开展了沉积层对隐伏断裂带围陷波影响的研究，探讨了沉积层厚度与围陷波振幅之间的关系。

采用的数值计算方法为魏星等发展的模拟二维非均匀介质地震波传播的伪谱和有限差分混合方法。在模型两侧和模型底部，采用吸收边界条件来消除人工边界的影响，自由表面条件通过设置牵引力为零来满足。所用的二维数值模型见图1，模型的水平尺度2.56 km，深度5.5 km，设置断层带的宽度200 m，位于模型的中部。我们分别设置厚度20.0 m，50.0 m，100.0 m的沉积层，讨论不同厚度沉积层对隐伏断层带围陷波的影响。对包含覆盖层的隐伏断层模型进行计算，图2和图3显示了不同模型计算得到的地表理论地震图。在没有覆盖层的情况下，看到围岩上观测到的直达波以及两个水平界面的反射波与转换波都很弱，与此形成明显对比的是，断层带范围内，不论是水平分量，还是垂直分量，均可以看到明显的断层带围陷波，其特征表现为振幅明显大于围岩上，传播的持续时间很长。当覆盖层厚度为20.0 m时，围岩中的地震波传播到地表覆盖层中时，由于覆盖层速度很低，造成地震波在覆盖层中的多次反射，形成围岩上明显增强的能量，其中水平分量强于垂直分量。当覆盖层厚度增加到50.0 m时，这种覆盖层效应更加明显，由于厚度增加，围陷波传入软弱覆盖层中的能量增加，使得围陷波的能量进一步减弱。但是由于覆盖层厚度较大，围岩上覆盖层内的多次反射较弱，因此，围岩上地震波的振幅和厚度较小的覆盖层模型相比变弱，其中水平分量的变化更明显。当覆盖层厚度增加到100.0 m时，围陷波的能量更弱，其振幅和围岩上的相比差别进一步减小。从上述地震图的比较，覆盖层的存在使得断层带内的围陷波与围岩上的地震波的差别减小，使得围陷波的分辨变得困难，随着覆盖层厚度增加，这种趋势更加明显。

结果表明，由于断层带低速物质与周围高速围岩之间产生的多次反射与相干叠加形成了断层带围陷波，在没有覆盖层的情况下，和围岩上相比，围陷波振幅明显增加，持续时间变长。覆盖层会显著影响围陷波的特征。和没有覆盖层的情况相比，覆盖层会使围岩上的地面运动振幅增大，围陷波的部分能量会传播到覆盖层中，使得围陷波的能量较小，随着覆盖层厚度增加，围陷波的振幅越来越小，和围岩上的振幅越来越接近，断层带围陷波的分辨越来越困难。因此，在存在松软沉积层的地区，如果开展隐伏断层的围陷波观测，需要考虑覆盖层厚度的影响。