基于气枪震源信号和背景噪声的2016年呼图壁6.2级地震前后波速变化特征初步研究

2021-03-30徐亚飞苏金波魏芸芸

地震工程学报 2021年1期

徐亚飞, 王琼, 苏金波, 魏芸芸

(1. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃兰州 730000; 2. 新疆维吾尔自治区地震局, 新疆乌鲁木齐 830011)

0 引言

近年来,随着地震监测手段的不断发展,监测地下介质波速变化逐渐成为地震学领域重要研究方向之一[1-3]。地震波在传播过程中携带着丰富的地下介质信息,在利用地震波进行地球深部探测方面,地震波速是测量精度最高,最可靠的参数。地震波在地下介质中传播的波速会随地下介质性质或应力状态的变化而变化,因此,可以通过监测地震波在地下介质中传播的波速随时间的变化对地震波传播区域内地下介质变化进行动态监测,进而为研究地震孕震和发生过程提供重要信息。

地震在孕育过程中引起的地震波波速变化很小,其发生的时间、空间和震源特征等方面都具有一定程度上的不确定性,难以获得较高的观测精度[4-6]。随着地震背景噪声和人工主动震源监测的技术快速发展,逐步成为监测地下介质变化的主要手段[7-9]。地震背景噪声信号是一个稳定且连续的天然震源,可以利用台站对之间的背景噪声信号互相关技术将其从连续记录中提取出来,而且在噪声互相关计算中,时间上也可以重复,因此可以得到不同时间内高度相似的噪声互相关波形。当介质结构和性质发生变化时,其互相关后得到的信号的波速也会发生变化,通过测量这种波速变化可以对地下介质变化进行监测[10]。目前背景噪声技术已经在地震,火山活动和季节性温度变化等不同因素引起的地壳介质变化测量中得到应用[11-13]。Brenguier 等[14]利用地震背景噪声信号计算了圣安德列斯断层上美国加州帕克菲尔德地区的地下介质波速变化并发现了与该地区与两个地震有关的波速变化。刘志坤等[15]利用背景噪声信号研究了汶川地震震源区近场的波速变化。Mordret等[16]发现了新西兰鲁阿佩胡火山喷发前背景噪声信号的波速变化。

人工主动震源在震源位置和发震时刻上高度可控,在一定程度上可以克服天然地震和背景噪声在地下介质动态变化监测中的不足,是地下介质变化监测中的另一种有效手段。陆地气枪震源是近年来发展起来的另一种人工主动震源,大量的实验研究表明,气枪震源能量大、绿色环保、低频成分丰富[17],是进行区域地下介质动态变化监测的有效手段。近年来,科研人员利用大容量气枪震源进行了许多地下介质波速变化方面的研究,王宝善等[18]利用云南宾川气枪震源发现了气枪信号波速的日变化。魏芸芸等[19]利用呼图壁气枪数据,通过互相关时延检测,发现了2次5级左右的地震前波速变化低值异常。张元生等[20]利用气枪直达波震相发现了甘肃两次地震前后的波速变化。邹锐[21]、周青云等[22]分别利用祁连山和宾川的气枪震源获取了地震前后的波速变化。

2016年12月8日,距呼图壁气枪发射台约73 km的呼图壁县发生6.2级地震,震中位置43.775 9°N,86.363 4°E。本文使用新疆呼图壁气枪震源附近流动观测台记录到的气枪震源信号和背景噪声信号,分别通过互相关时延检测方法和背景噪声互相关检测方法,研究呼图壁6.2级地震前后波速的变化特征,研究结果可以为认识区域强震孕震发生过程提供参考。

1 研究区域及资料选取

研究区处于乌鲁木齐山前坳陷,内部有巨厚的新生代沉积层发育,最大沉积厚度可达12 000 m。该区域主要的活动断裂有霍尔果斯-玛纳斯-吐鲁番逆断裂-背斜带和独山子-安集海逆断裂-背斜带[23]。霍尔果斯-玛纳斯-吐鲁番逆断裂-背斜带跨度约130 km,三个逆断裂背斜依次由西向东分布,最早形成于上新世与早更新世间,且在早更新世及中更新世初期经历了强烈活动。呼图壁背斜分布于吐鲁番背斜东北部,其在地表已经有了轻微的隆起。独山子-安集海逆断裂-背斜带跨度约为80 km,呈现从西向东的分布,这些断裂都被认为是活动断裂[24]。由于研究区域内存在一系列活动断裂,导致该区的地震活动性较高,历史中强地震活动较为频繁,1900年以来共有42次大地震发生,其中5.0～5.9级地震36次,6.0～6.9级地震5次,7.0～7.9级地震1次。

1.1 呼图壁气枪震源及周边观测台网简介

2013年新疆主动震源野外科学观测站投入运行,是国内第一个基于人工开挖激发池的大容量气枪发射台(图1)。发射台位于北天山山麓的呼图壁县古河滩荒地,距乌鲁木齐80 km左右[25]。呼图壁大容量气枪震源激发池底部直径15 m,顶部直径100 m,水深15 m的圆台形人工水体,其容量为5吨左右。呼图壁气枪震源装配2台大型空压机,6条1500LL型Bolt气枪,单枪容量为2 000 in3,气枪通过浮台,沉放于水面下10 m处。6条气枪同时激发一次所释放的能量相当于一次0.9级天然地震[26]。

图1 呼图壁气枪发射台人工激发池示意图Fig.1 Diagram of artificial excitation pool in Hutubi air-gun transmitting station

呼图壁气枪发射台周边150 km内有12个固定台站,为配合气枪激发实验,又在距气枪震源60 km范围内布设了30个流动观测台站,形成了从近场到远场的较为完整的观测系统(如图2)。

图2 气枪发射台、周边台站和呼图壁6.2级地震分布Fig.2 Distribution of air-gun transmitting station, surrounding stations, and the Hutubi M6.2 earthquake

1.2 呼图壁主动震源信号接收情况

自2013年6月开始,呼图壁气枪发射台每周四晚至周五早上进行一组连续激发实验,每周激发可以记录超过30条数据。2016年以前,由于仪器故障、供电问题和数据传输等原因,流动台数据连续率较低。2016年7月,对流动台进行了升级改造,观测仪器更换为CMG-40T型宽频带地震计(短周期)和REFTEK型数采,仪器采样率为100 Hz。数据连续率统计分析显示,多数台站数据整体连续性较好。对叠加后的气枪激发信号垂向分量进行2～6 Hz 带通滤波后信号信噪比整体较高,基本所有台站都可以识别体波信号(图3)。

1.3 呼图壁背景噪声信号接收情况

图4为各流动台站参考格林函数随距离的分布,通过台站间一定量的数据进行叠加获取信噪比较稳定的参考格林函数(0.5～1 Hz的噪声信号),各流动台站基本都能发现较明显的背景噪声面波信号,信号信噪比较高,可进行地下介质波速变化的测量。利用固定台STZ台背景噪声信号进行叠加后的参考格林函数效果较差,并未看到较明显的面波信号,其信号互相关系数也较低,可能与地质结构有关,流动台分布于较厚的沉积层上面波发育较固定台可能更为明显,因此对固定台的背景噪声信号有待进一步的研究。

2 利用气枪震源监测区域介质波速变化

2.1 研究方法

目前,利用气枪震源监测地下介质波速变化的方法为互相关延时检测法等。由于各种干扰因素和能量衰减等影响使地震波初动时刻确定起来比较困难,而互相关函数能有效减少各种干扰因素,计算结果更加准确,因此波形互相关方法在波速变化的研究中有着重要应用。

图4 28个台站对背景噪声信号到时随距离的分布Fig.4 Distribution of arrival time of background noisesignal at 28 stations with distance

它们的互相关函数可以定义为:设x(t),y(t)为两个不相同的有限信号,由于源信号与传播中叠加的干扰信号间的互相关函数很小,将源信号与拾震器信号进行互相关运算可以得到由源信号引起的振荡信号,并可以算出这个信号从源传播到拾震器的时间,也就是说通过计算两个高度相似波形的互相关函数即可得到它们之间的时延,时延相关系数定义为:

(1)

式中:τ为两地震信号时延,T为地震持续时间。两信号的时延为取相关系数最大值时,对走时延迟进行线性拟合,可根据不同震相可以计算不同类型地震波速度的变化,如式(2)。

(2)

2.2 数据处理

为研究由2016年12月呼图壁6.2级地震引起的地下介质波速变化并分析地震的震前震时震后波速变化特征,选取2016年6月至2017年12月布设在气枪发射台周边的流动观测台站记录(CMG-40T型宽频带地震计和REFTEK型数采,仪器采样率为100 Hz)的气枪数据进行计算分析,台站分布如图5所示。

(1) 数据预处理:①去均值和去趋势。②频谱分析和滤波,为提高信号信噪比需对其进行滤波处理,本文主要使用气枪震源信号的2～6 Hz。

(2) 利用气枪激发时刻截取气枪波形,对信噪比较低的波形信号进行筛选和剔除后按天叠加来提高信号的信噪比,将叠加后的信号进行反卷积计算,消除震源本身的影响。

(3) 对反卷积后的数据滤波并进行波形互相关运算,提取信号体波和面波部分的若干震相(如图6,红色箭头为选取的震相窗)。

(4) 利用提取的震相时间窗,选择合适窗长与步长进行互相关延时计算,找到震相窗相关系数最大时对应的走时延迟dt。通过走时延迟得到介质的波速变化。

图5 气枪发射台与流动台分布Fig.5 Distribution of air-gun transmitting stationand mobile stations

图6 气枪体波震相窗Fig.6 Phase window of air-gun body wave

2.3 波速变化计算结果分析

选取数据连续性较好,体波信号信噪比较高的流动台站XJ02台,XJ13台,XJ16台记录的气枪信号(图5),计算波速变化,结果显示,3个台波速变化趋势基本一致,可能与三台距离较近,传播路径基本一致有关。呼图壁6.2级地震前后,3个台未出现较明显的波速异常变化和同震响应。分析其原因可能由于三个台距离呼图壁6.2级地震震中较远(大约60 km),距离气枪发射台较近(大约在30 km以内),有可能接收到的气枪信号射线路径未穿过呼图壁6.2级地震的孕震区,因此未观测到与6.2级地震有关的介质应力状态变化(图7,图中不同颜色线条表示不同时段的体波信号)。

距离气枪震源约77 km的石梯子固定台位于呼图壁6.2级地震震中南偏东方向,距离呼图壁6.2级地震27 km,6.2级地震前,即2015年5月—2016年8月,气枪信号出现了近15个月走时低值异常(图8),在低值异常结束后3个月,发生了呼图壁6.2级地震。分析其原因,可能是呼图壁6.2级地震孕育发生过程中,区域应力处于较高水平,该地区出现波速升高(即走时降低)变化,而当应力积累到一定程度后,地下介质发生了微破裂,导致孕震区波速降低(即走时上升)变化。

3 利用背景噪声信号监测区域介质波速变化

3.1 移动窗互谱法

(3)

式中:*为复共轭,相位谱为φ(f)=2πfδτ,振幅表示为X(f)=|F(f)|2,则相关系数CC(f)的值域在[0,1]之间,可写为:

(4)

(5)

3.2 数据处理

为与气枪震源波速变化结果进行对比分析,选取与气枪震源同一时段,即2016年6月至2017年12月期间流动台记录的背景噪声数据,选择0.5～1 Hz的滤波频带,其原因是0.5～1 Hz滤波后信号的信噪比较高,能比较清晰的看到面波信号。对28个台站对的背景噪声信号进行互相关计算和筛选,本文选取XJ01-XJ07,XJ07-XJ09两个台站对为例(图5),数据处理流程如下:

(1) 数据预处理:将波形数据进行入库归档等处理,得到按一定序列排列好的数据。将归档好的数据去平均,高低通滤波,降采样并归一化处理,并进行谱白化。

图7 三个流动台气枪体波波速变化结果Fig.7 Variation results of air-gun body wave velocity in three mobile stations

(2) 选取合适的滤波频带对波形数据进行滤波处理,将所有台站对的信号在频域内做互相关计算,将每一天的数据叠加后得到每天的经验格林函数。为提高信噪比,得到更长的时间序列,以30天为窗长,以一天为步长分别进行滑动叠加得到经验格林函数。

(3) 利用移动窗互谱法,将不同天数滑动叠加的经验格林函数与参考格林函数做移动窗互谱计算,得到走时偏移量dt。通过计算一个以时间t为中心的短时间窗内的参考格林函数与所选定的互相关函数之间的走时偏移量dt,线性拟合可得到相对走时变化,其斜率的相反数就是介质的相对速度变化dv/v。

3.3 波速变化计算结果分析

图9(a)为XJ01-XJ07台站对的背景噪声信号波速变化结果,2017年4月至11月,噪声信号波速变化稳定,在正负2‰的背景变化范围内。2016年8月至11月底,波速持续降低,最大变化幅度约为7‰,2016年12月波速出现上升,最大变化幅度约为5.5‰,期间发生了呼图壁6.2级地震,震后波速变化整体呈现缓慢下降变化,之后恢复到背景值范围内。

图8 2013年至2019年固定台石梯子台气枪震源走时变化曲线Fig.8 Travel time variation curve of air-gun source at Shitizi station from 2013 to 2019

图9 背景噪声波速变化与气压对比图Fig.9 Comparison of velocity variation of background noise and air pressure

图9(b)为XJ07-XJ09台站对的背景噪声信号波速变化结果,2016年8月至10月出现波速升高变化,最大变化幅度为5‰。2016年10月至11月出现波速降低变化,最大变化幅度为6‰。2016年11月至12月波速逐渐增加,最大变化幅度为6‰,12月以后波速整体呈现下降趋势,并在背景值范围内浮动,其变化趋势与XJ01-XJ07台站对有着较高的相似性。

图9显示,两个台站对波速变化整体趋势较为相似,呼图壁6.2级地震前波速出现了降低-升高变化。对比分析2个台站对的波速变化与该区气压变化曲线[图9(c)]发现,2016年8月至12月,背景噪声波速变化趋势与气压变化呈负相关,2017年1月至12月波速变化趋势与气压变化呈正相关,初步分析认为,2016年8月至12月背景噪声波速变化可能与呼图壁6.2级地震孕育发生有关。地震孕育过程中,区域应力呈现增强状态导致介质波速变化偏离正常背景变化。呼图壁6.2级地震后,区域应力得到释放并逐步恢复到正常状态。

4 讨论

对比分析呼图壁6.2级地震前后,基于气枪震源信号与背景噪声信号计算得到的波速变化结果表明,在同一区域、同时段内,距离呼图壁6.2级地震约60 km的流动台记录的气枪震源信号未出现与呼图壁6.2级地震有关的波速变化,而距离6.2级地震约27 km的石梯子固定台记录的气枪信号在呼图壁6.2级地震前出现了较为明显的波速变化异常,异常变幅到达6‰;流动台记录的背景噪声信号也发现了与6.2级地震有关的波速变化。以往研究表明[27],气枪震源波速变化的测量精度相比于背景噪声信号要更高,但流动台气枪震源信号未发现与地震有关的波速变化,而背景噪声却发现了与地震有关的波速变化,分析其原因:

(1) 呼图壁6.2级地震前,距离气枪震源大约30 km的流动台记录到的气枪震源体波信号未出现明显的波速变化。距气枪震源约77 km的石梯子固定台,2015年5月—2016年8月气枪信号走时呈现持续近15个月的低值异常变化,最大变化幅度约为3‰,低值结束后发生了呼图壁6.2级地震。分析其原因,呼图壁6.2级地震位于石梯子台北偏西方向,6.2级地震孕育区应力处于较高水平,导致波速升高;当应力积累至一定程度时,地下介质发生微破裂,出现波速降低现象。流动台位于6.2级地震北偏东方向距离呼图壁6.2级地震约60 km,其射线路径可能未穿过应力集中区,有可能观测不到波速变化。

(2) 呼图壁6.2级地震前,多数流动台的背景噪声波速出现较明显的异常变化。呼图壁6.2级地震前四个月,波速变化与气压变化呈负相关,呼图壁6.2级地震后,波速变化与气压变化呈正相关。这与其他学者关于背景噪声波速变化与气压变化呈正相关是一致的[28]。地震孕育发生过程中区域应力呈现增强状态,导致介质波速变化偏离正常背景范围,最大变化幅度约6‰;6.2级地震后,区域应力逐步恢复至正常水平,此时介质波速变化主要与气压变化有关。

(3) 研究气枪信号波速变化选取的XJ02,XJ13,XJ16台与背景噪声信号波速变化选取的XJ01,XJ07,XJ09台,未选取相同台站的原因为:①文中所选台站为数据连续率最高的几个台站且背景噪声叠加后的面波信号中XJ01,XJ07,XJ09台最为明显,文中记录气枪信号的三个台站与记录背景噪声信号的三个台站之间的距离均不超过20 km,因此将这三个台站作为主要研究对象;②背景噪声的28个台站对间的距离不超过20 km,而呼图壁6.2级地震距流动台距离约为60 km,可以认为,以6.2级地震为源,则流动台站可相对近似为远场,因此各台站对的背景噪声波速变化结果一致性较高。

(4) 分析呼图壁6.2级地震前后,气枪震源信号未观测到波速异常变化,背景噪声信号观测到波速异常变化的原因,认为可能是气枪主要利用体波信号,背景噪声主要利用面波信号,两者射线路径不同。