利用背景噪声自相关研究芦山M 7.0地震震源区地壳相对波速的时空变化特征

王　俊　郑定昌　郑江蓉　詹小艳　江昊琳　李正楷　张金川

1)江苏省地震局、南京　210014　2)云南省地震局、昆明　65022　3)澳大利亚国立大学、堪培拉 0200



利用背景噪声自相关研究芦山M7.0地震震源区地壳相对波速的时空变化特征

王俊1)郑定昌2，3)郑江蓉1)詹小艳1)江昊琳1)李正楷1)张金川1)

1)江苏省地震局、南京2100142)云南省地震局、昆明650223)澳大利亚国立大学、堪培拉 0200

根据3个位于芦山地震震中区附近台站记录的连续波形、采用自相关函数研究了芦山地震震源区2012年4月20日至2014年4月20日地壳相对速度的时空变化特征。3个台站分别是宝兴台(BAX)、蒙顶山台(MDS)以及天全台(TQU)、震中距约为15.7km、20.5km、29.6km。结果显示：由0.1～1Hz频率范围内自相关格林函数测得的地壳相对速度、在震后一段时间内3个台站均有明显下降。其中、震中西北方向的BAX台下降量最大、约为0.6%；其次是震中东南方向的MDS台、下降约0.4%；西南方向的TQU台下降最小、约为0.2%。它对介质的敏感深度范围约为10km。空间上、相对速度下降明显的区域与震源破裂强度大的区域以及同震体应变的膨胀区之间有很好的一致性。最大速度降分别是在震后40～100d内相继出现的、相对速度的恢复过程与强余震的衰减有较好的对应关系。认为这种相对变化主要是由主震及强余震在一定深度范围内造成断层区内部结构破坏和周围应力变化引起的。而在2～5Hz频率范围内测得的相对速度、3个台站均未表现出明显的同震效应、但季节性的变化趋势明显、尤其是半年1次的变化特征、平均最大变化幅度约为0.3%。它对介质的敏感深度范围约为1km、但与强地面运动引起的地表破坏之间没有很好的对应关系。

芦山地震地壳介质应力同震体应变自相关格林函数

0　引言

2013年4月20日8时2分在四川省雅安市芦山县发生的M7.0地震(以下简称芦山地震)是继2008年汶川M8.0地震后龙门山构造带上发生的又一次强烈地震。震后对芦山地震的研究大多聚焦在震源机制和破裂过程等方面(表1，2)。然而、对强震前、后震源区介质物理性质变化的研究同样也有助于对地震孕育、发生以及动力学过程的了解。

表1　芦山地震震源机制解结果

Table1　Focal mechanism results of Lushan earthquake

节面Ⅰ节面Ⅱ矩震级(MW)深度/km来源走向/(°)倾角/(°)滑动角/(°)走向/(°)倾角/(°)滑动角/(°)212421001949816.622GlobalGMT①21839962253856.611USGS②214391002148-1366.419刘杰等,201321244933043896.712曾祥方等,201320946942344866.614吕坚等,2013216471032044786.513林向东等,201320045951545856.522赵博等,2013

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

表2　芦山地震破裂过程反演结果

Table2　Inversion results of the rupture process of Lushan earthquake

动态破裂过程模型震源深度/km最大滑动量深度/km最大滑动量/m地震矩(M0)/1019Nm来源潜在破裂断层面63km×48km12.3(USGS)初始破裂下方1.31.12张勇等,2013断层的有限破裂模型12.413.01.50.48郑勇等,2013有限断层震源模型10.2初始破裂下方1.61.54王卫民等,2013

对地壳介质物理性质变化的研究、过去一般是通过主动源或被动源的重复观测进行的、已提出的方法有：利用重复地震(Poupinetetal.、1984)、尾波干涉测量技术(Snieder、2002)、S波分裂变化(Crampinetal.、1990)等、但这些方法都依赖于地震事件的记录、甚至要求记录波形具有高度的相似性。近年来越来越多的研究表明、背景噪声互相关或自相关技术在监测地球内部结构的时空变化方面有更大潜力、其核心思想是：通过互相关技术求取随机场中2个接收点间的格林函数、然后测量它们与 “参考格林函数”之间的时间延迟变化来获得介质相对速度的变化、因此不依赖于地震震源。理论和实践均已证实地震波场中2点间格林函数的存在(Derodeetal.、2003；Brenguieretal.、2008；Cupillardetal.、2011)。这是因为地球上绝大多数的噪声源具有面波特性。较长时间的背景噪声互相关函数、可以使随机场中的噪声源和地壳内地震波散射的非均匀性得到足够的平均、从而保证格林函数的有效性(Shapiroetal.、2004；Sabra、2005；Stehlyetal.、2006)。此外、Wapenaar等(2006)在理论上证明了如何通过2个地震台站间的互相关函数来提取全格林函数。实验室的测试还表明、测量相对速度变化时、仅需有一定比例的噪声源保持稳定就可以获得可靠的结果、时间上的辨别率仅受获取到稳定相关格林函数所需时间的约束(Hadziioannouetal.、2009)。在2个台站重合的极端情况下、互相关函数就转换为单个台站的自相关函数、代表源和接收点在相同位置上产生的地震响应(Sens-Schönfelderetal.、2006、2011；赵盼盼等、2012)。

目前、背景噪声互相关或自相关技术已在全球许多地区得到了应用。Brenguier等(2008)利用2002—2007年间的连续记录对圣安德烈断裂带(San Andreas Fault)的地壳相对速度研究发现、2004年帕克菲尔德M6.0地震后、地壳相对速度突然下降了0.08%、并持续近3a的相对低值。运用互相关技术、地震学家们在火山地区观测到地震波相对波速的季节性变化、单天测量精度能达到0.1%(Sens-Schönfelderetal.、2006；Brenguieretal.、2011)；甚至还观测到月球表面介质的相对速度变化与太阳周期性照射月球表面所引起的温度变化相关(Sens-Schönfelderetal.、2008)。苏门答腊2004—2007年强震群发生后、震源区介质性质变化引起的面波走时扰动最大约为1.42s(Xuetal.、2009)。在国内、刘志坤等(2010)发现2008年汶川地震后、震源区的地震波速度急剧降低、最大降幅达0.4%。Wegler等(2007)利用自相关函数提取的震源-台站间格林函数、也发现Mid-NiigataMW6.6地震后震源区的地壳相对速度急剧下降、降幅约为0.6%。运用相似方法、Maeda(2010)认为在地热区由密集震群引起的地壳速度变化与震群中地震震级的大小有很好的一致性、趋势性变化与深部的流体含量相关。汶川地震后不同块体内部间、自相关格林函数的同震速度相对变化存在明显差异(赵盼盼等、2012)。相比于互相关格林函数、自相关格林函数理论上包含了散射波场的信息、对靠近台站附近的介质变化更加敏感(Ugaldeetal.、2014)。

四川省地震台网有3个宽频带固定台站恰好位于芦山地震震源区、这为运用自相关函数方法研究较长时间尺度内震源区介质物理性质的变化提供了很好的条件。于是、本文将根据这3个台站地震前、后各1a时间尺度内的连续记录来研究震源区地壳相对速度的时空变化规律、并结合已有的发震机理、破裂过程、精定位等研究成果、详细探讨引起这种变化的原因。

1　芦山地震简述

据中国地震台网中心测定、芦山地震的发震时刻：2013 年4 月20 日8 时2 分46s(北京时间)；震级：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时、据四川省地震台网中心统计、共记录到余震10 799次、其中3.0级以上余震135次、包括5.0～5.9级4次、4.0～4.9级23次、3.0～3.9级地震108次。震后、许力生等(2013)运用逆时成像技术研究认为、主震起始破裂点位于 30.289°±0.005°N、102.946°±0.007°E；震源深度 (11.8±2.3)km。 除此之外、多个机构和研究小组都对主震的震源机制和破裂过程进行了研究、并取得了很多成果(表1、2)。

图1　主震及余震序列的分布特征Fig. 1　The distribution of mainshock and aftershocks.a 主震震源机制(表1 中走向、倾角、滑动角的平均值)及余震和本文所使用的台站分布、其中黄色圆圈代表主震、黑色线条代表断裂；F1 茂县-汶川断裂、F2 北川-映秀断裂、F3 安县-灌县断裂、F4 龙泉山断裂(Xu et al.、2008)；b 双差精定位后ML2.0以上地震沿走向的深度剖面图(吕坚等、2013)

芦山地震发生于青藏高原东缘与华南地块结合部上的龙门山断裂带西南段。 龙门山断裂带是1条长约500km、宽30～50km 沿NE-SW向展布的巨大断裂带、包含了多条断裂(图1a)；其断层滑动以逆冲为主、兼具右旋走滑分量。 在龙门山断裂带的东北段、右旋走滑分量更大(邓起东等、1994；Xuetal.、2008)。吕坚等(2013)推测芦山地震的发震构造为龙门山山前断裂(亦称安县-灌县断裂、图1a中的F3)、也不排除主震震中东侧还存在1条未知的基底断裂发震的可能性。震源区的快剪切波偏振方向明显偏向EW、表明此次地震与区域内青藏块体整体向E推挤受到成都盆地的阻挡有关(高原等、2013)。芦山地震是继2008年汶川地震后在龙门山推覆构造带上发生的最强地震、2次地震的震中位置相距约85km、余震带之间的最小距离约45km、但是否属于汶川地震的余震仍有争议(陈运泰等、2013；刘杰等、2013；王卫民等、2013)。对于芦山地震、采用不同方法得到的震源机制解结果较为一致(表1)。节面I的走向与龙门山断裂带的走向(NE-SW)基本一致、且后续余震也大致沿NE-SW向分布，因此普遍推测节面Ⅰ为断层面，是1次以逆冲为主兼具一些右旋走滑分量的地震。不过、徐锡伟等(2013)则认为芦山地震是1次典型的发生在挤压褶皱区深部尚未出露地表的盲逆冲性地震。

2　数据与方法

2.1数据选取

四川省地震台网的宝兴台(BAX)、蒙顶山台(MDS)、天全台(TQU)3个固定台站恰好位于芦山地震震中附近、它们距许力生等(2013)获得的震中位置分别约为15.7km、20.5km、29.6km、分布于不同方位(图1a)。3个台站均配置宽频带数字地震计、频带响应范围为0.02～60s、采样率为100 sps。本文选取的连续波形记录时间为2012年4月20日至2014年4月20日(郑秀芬等、2009)。进行自相关函数计算前、首先采用功率谱概率密度函数(Power Spectral Density Probability Density Functions、以下简称PDFs)方法对数据记录质量进行评估(以d为单位)。该方法可以对连续记录中的阶跃、瞬态变化(如地震信号或毛刺)以及仪器故障所引起的失真信号等进行有效评估、从而对数据的可用性进行判断(McNamaraetal.、2005；王俊等、2013a)。

以MDS台为例(图2)、可以看到大部分背景噪声的加速度功率谱分布在新地球噪声模型(NLNM、NHNM)(Peterson、1993)之间。 图2a中的黄色曲线是分布概率为95%的上限包络线、表明记录良好的数据占绝大多数、可用性较高。上限包络线以外所对应的功率谱的天数分布如图2b中的红色竖线所示(即为不可用的数据)。经计算BAX台、TQU台背景噪声可用的PDFs概率分别约为93%、96%。从PDFs结果中还可以看出0.1～1Hz、2～5Hz频率内的概率值相对较高、表明这2个频率范围内的噪声源更为稳定。于是、本文仅计算PDFs上限包络线以内的、上述2个频带内的自相关函数。

图2　蒙顶山台(MDS)2012年4月20日至2014年4月20日的背景噪声PDFs分析结果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提取背景噪声自相关格林函数

研究证实背景噪声互相关格林函数中、除包含面波外、还包括直达波和散射波。格林函数尾波中包含的散射路径信息、是对台站间介质较为全面的采样、它比直达波对介质性质变化的灵敏度更高、因此可以用来监测介质的微弱变化(Roux、2005、2009)。如何在随机场中提取2个接收点间的互相关格林函数、许多学者都给出过理论推导。其中Sabra(2005)给出了时域中2个地震台站间背景噪声互相关格林函数的近似关系式：

(1)

式(1)中、格林函数Gij(r1；r2，t)表示在台站1(r1)处i方向上1个单位脉冲位移到台站2(r2)处j方向的位移响应；互相关函数Cij是通过在整个观测周期内(T)进行积分计算获得的。2个台站重合的极端情况下、互相关算法就转换为单个台站的自相关算法、表示源和接收点在相同位置上产生的地震响应。信号的自相关函数可以表示为式(2)：

(2)

自相关格林函数是用自相关函数自身来近似的、求导过程中只会引起相位偏移、因此不影响信号中相对速度变化的检测。与互相关格林函数相比、不同之处在于它反映的是信号源和记录台站在同一点的情况。因此、对靠近台站附近的介质更加敏感、能够得到较浅层介质变化的响应。

2.2.2相对速度的测定

测量相对速度时采用的具体方法可归纳为2种、一种是频域内的滑动窗互谱分析、另一种是时域里拉伸(或压缩)的方法。Hadziioannou 等(2009)对这2种方法进行实验测试评估后、认为它们对速度扰动的灵敏度基本相当、但在基于背景噪声的相对速度扰动测量中、拉伸(或压缩)技术的稳定性优于滑动窗互谱技术。它是将相对延迟时间当作1个因子ε、通过该因子沿时间轴拉伸或压缩其中1条记录线、以求取与其他记录线之间的最佳互相关、故称为拉伸或压缩方法。该方法有2个优点：第一、δτ/τ不需要太小；第二、与优势波长相比、δτ自身也不必太小。因此可采用更长、更滞后的时间窗来使估算结果更稳定。

(3)

2.2.3单台数据预处理

计算自相关函数前、需对经PDFs方法筛选出的单台数据进行必要的预处理、以去除记录中非平稳信号的影响、具体步骤为：

(1)扣除仪器响应和线性趋势；

(2)将每一天的连续波形数据按00:00:00 —24:00:00进行相对同步和截断；

(3)利用4阶的Butterworth滤波器分别进行0.1～1Hz、2～5Hz的带通滤波；

(4)采用时域内的滑动窗绝对均值归一化法对数据进行归一化处理、归一化权重因子定义为

(4)

3　计算结果

3.1震源区地壳相对速度的时空变化特征

测量各个台站自相关格林函数的相对走时前、还必须确定出每个台站的 “参考格林函数”。“参考格林函数”的确定一般由长时间尺度(至少1a以上)的相关函数叠加得到、这是为了最大限度地减小随机噪声源变化的影响(Campilloetal.、2003)。本文中 “参考格林函数”(图3a)是叠加各个台站24个月的自相关函数来确定的。研究表明、从叠加时间为21个月的背景噪声相关函数中提取的经验格林函数与实际的地震面波一致(郑现等、2013)。据此说明本文确定的 “参考格林函数”是可信的。此外、为提高信噪比以确保每一天相对走时的测量精度、通常还采用沿时间轴滑动叠加一定窗长内的相关函数来代表该天的格林函数。理论上窗越长信噪比越高、但同时牺牲的个体差异也越大、当窗长为10d时信噪比提高的比例最大(王俊等、2013b)。于是、本文使用这一取值来滑动叠加求取每一天的格林函数。叠加后获得的格林函数与 “参考格林函数”之间互相关系数>0.95的比例能达98%(图3c)。

图3　宝兴台(BAX)0.1～1Hz频率范围内的自相关函数结果Fig. 3　The autocorrelation functions for seismic station BAX in the 0.1-1Hz frequency range.a 宝兴台(BAX)0.1～1Hz频率范围内的自相关 “参考格林函数”；b 单天自相关格林函数与 “参考格林函数”之间的互相关系数、箭头处为芦山地震发生的时间；c 2012年4月20日至2014年4月20日的自相关函数

至少需要在3个波长内才能获得较为可靠的相对速度结果。我们参照Ugalde等(2014)的做法、测量时窗长取各频带范围最大周期的3倍、起始位置位于最大周期的2倍处、即对于0.1～1Hz的测量时窗为20～50s；但对于2～5Hz、一般取>2s后的2～4s或4～6s。下限时间的设置是为了排除靠近接收点处的散射波、上限对应于尾波相干性减小时的时间。最后、通过网格搜索方式的拉伸(或压缩)方法、在-5%～5%的范围内以Δε=0.01%的间隔测量每1d的相对速度变化ε。只保留与 “参考格林函数”之间互相关系数>0.95的单天结果。

图4　宝兴台(BAX)地壳相对速度随时间的变化、箭头表示芦山地震发生的时间Fig. 4　Relative velocity variations with time for seismic station BAX、arrows for the Lushan earthquake occurrence time.a 三分量相关函数叠加的测量结果；b 仅垂直分量相关函数叠加的测量结果

图5　3个台站分别在0.1～1Hz和2～5Hz内的地壳相对速度变化 Fig. 5　Relative velocity variations at 3 stations for the frequency range 0.1-1Hz and 2-5Hz.

图6　0.1～1Hz频率范围内3个台站最大相对速度降的空间分布 Fig. 6　Spatial distribution of the largest velocity drop in the frequency range of 0.1-1Hz of the three stations.圆圈的半径为20km；黄色五角星为主震位置

0.1～1Hz频率范围内相对速度的测量结果显示(图5a)：芦山地震后BAX、MDS、TQU 3个台站的地壳相对速度均有不同程度的下降(绿色短线所示)；其中震中西北方向的BAX台下降最为明显、震后100d内持续下降、约在2013年7月30日左右达到最大速度降、约为0.6%、标准偏差为±0.041%；震中东南方向的MDS台在震后约50d出现最大波速降、约为0.4%、标准偏差为±0.05%；震中西南方向的TQU台、相对速度下降量最小、出现在震后约40d、约为0.2%、标准偏差为±0.019%。

假定面波速度为 2km/s时、0.2～0.5Hz频率范围的面波、在10～25s走时内测量的相对速度变化能反映出半径约10km、深度约4km的区域内的介质变化(Maeda、2010; Ugaldeetal.、2014)。本文中0.1～1Hz的频带宽度、能反映的区域半径应约为20km(图6)、最大敏感深度约为10km。自相关格林函数在时间上的延迟主要是由于观测点下方的地壳介质地震波速变化引起的、引起这种变化的物理机制可能主要有以下3种(Poupinetetal.、1984；Sens-Schönfelderetal.、2006；Wegleretal.、2007；Brenguieretal.、2008)：1)强地震后引起断层区及周边地壳介质的应力变化；2)由强地面运动引起的近地表破坏；3)近地表的水饱和度或地下水位变化。

空间分布上、相对速度下降量从大到小的顺序依次为BAX台、MDS台、TQU台(图6)。根据破裂过程反演结果推测主震是1次以逆冲为主的地震、破坏最严重的区域应主要位于发震断层上盘的宝兴、芦山地区(张勇等、2013)。实际调查也证实、宝兴、芦山为极震区、烈度达到Ⅷ—Ⅸ度(孟令媛等、2013)。王卫民等(2013)反演获得震中附近区域的断层滑动量最大(深度约为10.2km)、约为1.59m；MDS台附近区域的断层滑移量仍处在较高的水平、约有60cm；TQU台附近区域的断层滑移量则<10cm。对比发现、总体上断层破裂强度大的区域、相对速度下降明显。采用主事件法对M1.0以上的余震重定位后、发现东北方向的余震展布宽度大于西南方向(图1a)、意味着东北方向的破裂程度要强于西南方向。沿走向剖面分布的ML2.0以上的余震序列显示(图1b)、断层面北端的地震密度明显大于西南方向、且在BAX台、MDS台下方10km的深度范围内、仍有一定数量的余震、说明在这2个台站的下方此深度范围内仍有破裂发生、而TQU台站下方整个深度范围几乎没有余震分布。芦山地震的破裂断层还具有1个明显的特征、即破裂过程没有表现出明显的方向性、震源尺度仅约为30km×30km(吕坚等、2013；张勇等、2013)；于是、从距震中的距离看、BAX台、MDS台分别为15.7km和20.5km、也基本上仍处在破裂尺度范围内、而TQU台(距震中29.6km)则位于破裂尺度之外。可以看出这些破裂特征与相对速度在空间上的变化有很好的对应关系。

此外、考虑震中位置、震源区地质构造背景以及震源机制解校正后的峰值加速结果显示(陈鲲等、2013)：BAX台、MDS台均位于400～500cm/s2的区域、TQU台经过校正后峰值加速度值约为395cm/s2。这意味着3个台站的峰值加速度值比较接近、但震后的相对速度变化却存在明显差异、说明强地面运动造成的近地表破坏、与0.1～1Hz频段范围内相对速度变化之间没有很好的一致性。

从图5a还发现3个台站的最大速度降的出现时间并不同步、分别约在震后40～100d内相继出现。汶川地震后震源区的最大相对速度降也是在震后1～4个月内出现(刘志坤等、2010)。两者具有相似特征、即最大相对速度变化不是在震后立即出现的、而要滞后一段时间。这一时间段内强余震发生频度最高、如图5 中M3.0以上地震的M-T图所示。因此推测这种滞后现象可能与强余震的发生有关、强余震加剧了震源区介质进一步破坏的可能性、并同时受到强余震的动态和静态应力的作用、从而造成介质物理性质的持续性变化。震后相对速度恢复至零线附近的过程整体上也是1个缓慢的过程、其中BAX台在最大速度降之后约2个月恢复到零线附近、MDS台在最大速度降出现后3个月左右恢复至零线附近、而TQU台则仅是从震前的相对高值下降至零线附近、未明显下降到零线以下、并在震后持续近1a的时间、这或许是TQU台附近应力释放不完全的一种体现。林向东等(2013)认为芦山地震的破裂没有贯通汶川地震破裂的南端、也没有触发同为龙门山断裂构造单元西南端的茂县-汶川断裂(图1 中的F1)与北川-映秀断裂(图1 中的F2)的活动、因此也推测芦山地震的发生仅仅是应力的局部释放。我们还注意到，位于青藏地块的BAX台的恢复速率(最大下降速度/恢复时间)明显高于位于四川盆地的MDS台。

综合上述分析、认为由0.1～1Hz频率范围内自相关格林函数获得的地壳相对速度变化、主要是震后松弛效应引起震源区浅层地壳介质的应力缓慢变化引起的。

图7　芦山地震的同震应变场Fig. 7　The volumetric strain change caused by Lushan earthquake.a 芦山地震的有限断层位错模型；b 芦山地震的同震应变场；红色代表膨胀区、蓝色代表压缩区

此外、我们还计算了高频段内的自相关格林函数(2～5Hz)、该频带通常包含被散射尾波、更适合于揭示小时间尺度的速度扰动。走时在2～4s内所反映的介质区域半径约为2.5km、最大敏感深度约为1km(Sens-Schönfelderetal.、2006；Wegleretal.、2007)。从图5b中未观测到芦山地震后3个台站有明显的同震相对速度变化特征。通过7阶线性拟合后、呈现出较大时间尺度的周期性变化(图5b中的红色曲线)、约半年1次的季节性变化特征明显。3个台的最大变化幅度基本相当、约为0.3%、平均标准偏差约为0.026%。类似的结果、Sens-Schönfelder等(2006)认为这种变化与地下水位的变化相关；Ugalde等(2014)解释为与当地季节性的流体饱和相关的空隙压力相关。

3.2地壳相对速度与同震体应变的关系

根据已有的断层位错模型(王卫民等、2013)、取表1 中节面I走向、倾角、滑动角的平均值为发震断层节面解、重新构建断层位错模型(图7a)、并在考虑震源区平均主压应力方向约为112°(赵博等、2013)的情况下、采用Coulomb3.0软件计算了深度12km处芦山地震产生的同震应变场(EXX+EYY+EZZ方向)(Linetal.、2004)。有效摩擦系数参照单斌等(2013)计算芦山地震库伦应力变化时的取值0.4。结果如图7b所示、可以看出沿断层两侧的区域为膨胀区、断层两端以压缩为主。地壳相对速度(0.1～1Hz)下降最大的BAX台和MDS台均位于体应变膨胀区、体应变量分别约为0.4×10-6、0.15×10-6；速度下降最小的TQU台则位于压缩区、体应变量-0.1 ×10-6。数值上、体应变量与相对速度的减小量之间存在一定的线性比例关系、在体应变膨胀区的相对速度减小明显。表明同震体应变与地壳相对速度变化之间有紧密的联系、这也从另一角度反映出、对于浅层地壳介质、地震引起的静态应力变化是造成地壳相对速度变化的1个重要原因。研究表明、汶川地震后也有类似的特征(赵盼盼等、2012)；Ueno等(2012)在震群期间体应变超过10-6的区域、观测到超过-0.3%的相对速度下降。Wegler等(2009)在体应变约为-0.8 ×10-7～3.3×10-6的震源区内、也观测到-0.2%～-0.5%的速度降。这些结果量级上与本文的结果基本相当。

4　讨论与结论

4.1讨论

本文利用0.1～1Hz和2～5Hz频率范围内的背景噪声自相关函数分析了芦山地震震源区的地壳相对速度变化、即同时应用了面波和尾波信号、尾波一般被认为是多次散射的结果(Snieder、2002; Wegleretal.，2009)。通过设置测量时窗的范围、可使得测量结果能反映出一定深度范围内区域介质特性的变化(Ugaldeetal.、2014)。但由于地震波传播路径的复杂性、它们影响的范围是台站周围一定范围内的三维空间；因此、在准确判别影响地震波速度变化的因素和物理机制上存在一定的不确定性。计算过程中、采用功率谱概率密度函数方法对数据进行筛选、有效地保证了计算结果的可信度。不过、采用10d尺度的窗长叠加结果来代表单天的格林函数、在提高波形之间相关系数的同时、一定程度上也忽略了每1条格林函数之间的个体差异、以至于测量结果在反映介质性质随时间的变化特征上存在一定的失真效应、但它不影响测量结果整体上趋势性变化的真实性。此外、由于是采用单台自相关函数、而非采用台站对间的互相关函数、并且测量的是相对延时、因此避免了数据记录中时间误差对计算结果的影响。这种影响在互相关格林函数走时的测量中是必须考虑的因素(Stehlyetal.、2007)。

从图5a中、我们还注意到在震前很长一段时间内(约自2012年8月开始)3个台站的相对变化水平基本处在零线以上、约在震前2个月左右的时间内存在明显的上升现象、幅度约为0.2%(图5a中的红色短线)、尤其是MDS台和TQU台在幅度和时间上的同步特征十分一致。尽管这一水平与季节性变化的水平相当、但结合整体的背景变化特征来看、它与正常的季节性背景波动之间是有差别的、正常情况下这一时段的背景变化应该为相对减小。BAX台持续上升的特征相对较弱、但仍能在震前2个月内观察到2组清晰的上升现象。这种现象在其他学者的研究中也存在、如Mid-NiigataMW6.6地震前在震源区观测到地壳相对速度有缓慢的上升(Wegleretal.、2007)。在汶川地震前约200d的时间内、震源区的地壳速度也表现出不同程度的增加(赵盼盼等、2012)。不过、夏英杰等(2011)认为汶川地震前地脉动能量的增强与台风活动有关。易桂喜等(2013)认为芦山地震的发生主要是龙门山断裂带南段本身已积累较高应力所致、指出尤其是2012年10月19日天全—芦山间ML4.6地震的视应力值异常高、反映出毗邻龙门山断裂带南段的四川盆地区域应力水平相对较高。根据目前的研究结果、难以确定这些相对上升现象是否与震前震源区的应力积累过程有直接关系、但这些现象是值得持续关注和深入研究的。

地壳浅部相对速度(0.1～1Hz)明显下降的区域与同震体应变的膨胀区相吻合、这与其他地区的研究结果相近、或许表明同震体应变对震源区地壳相对速度变化的影响是普遍存在的事实。有学者还认为利用高密度台站的相关速度变化、也许不仅可以测量大尺度的平均地壳速度变化、还可以探测到空间尺度较小的同震应力变化、从本文结果中似乎也看到了这一迹象。不过利用相关函数方法获得的时间分辨尺度为10～30d、而同震体应变或应力场变化则是更小时间尺度内的瞬态变化。它在震后整个相对速度变化过程中是否占主导作用也仍不能完全确定。

此外、还需要说明一点、本文测量相对速度变化采用的拉伸(或压缩)技术、假定了波形是线性拉伸(或压缩)的、也就是说计算结果中没有考虑介质非均匀速度变化的影响。这几乎也是每一种方法都要面临的问题、即精度和准度之间的折衷关系。但根据本文的计算结果、可以看到为获得地壳介质性质时空变化规律而采取的这一折衷是值得的。

4.2结论

本文根据3个位于芦山地震震中区附近台站记录的连续波形、研究了芦山地震震源区2012年4月20日至2014年4月20日期间地壳相对速度的时空变化。结果显示：由0.1～1Hz频率范围内自相关格林函数测得的地壳相对速度、在震后一段时间内3个台站均有明显下降。其中、震中西北方向的BAX台下降量最大、约达到0.6%；其次是震中东南方向的MDS台、下降约0.4%；西南方向的TQU台下降最小、约为0.2%。对介质的敏感深度范围约为10km。空间上、相对速度下降明显的区域与震源破裂强度大的区域以及同震体应变的膨胀区之间有很好的一致性。最大速度降分别在震后的40～100d内相继出现、相对速度的恢复过程与强余震的衰减有较好的对应关系。认为这种相对变化主要是由主震及强余震在一定深度范围内造成断层区内部结构破坏和周围应力变化引起的。而在2～5Hz频率范围内测得的相对速度、3个台站均未表现出明显的同震效应、但季节性的变化趋势明显、尤其是半年1次的变化特征、平均最大变化幅度约为0.3%。它对介质的敏感深度范围约1km、但与强地面运动引起的地表破坏之间没有很好的对应关系、推测这种变化可能与当地季节性的流体饱和相关。

致谢中国地震局地球物理研究所 “国家数字测震台网数据备份中心”为本研究提供了连续波形数据、余震序列的双差精定位结果由江西省地震局的吕坚提供、在此一并表示衷心感谢!

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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。

中国地震局地震科技星火计划(XH15018Y)和测震台网青年专项(20140330)共同资助。

P315.3+1

A

0253-4967(2016)01-0152-17

王俊、男、1982年生、2007年毕业于云南大学固体地球物理专业、高级工程师、主要从事数字地震监测及研究、E-mail: wangjun1099@hotmail.com。