2020年1月19日伽师MS6.4地震前后波速比异常分析①

祖丽皮亚·巴克, 张琳琳, 阿布都热依木江·巴克, 海仁沙·司拉木, 古丽孜娜提·依德热斯, 高朝军

(1. 新疆维吾尔自治区地震局喀什地震监测中心站,新疆 喀什 844000;2. 新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011)

对于地震波而言,波速是一个非常关键的运动学特征。在地震发生之前,震源区介质会在原来的物理状态基础上产生一系列的改变,具体包括扩容以及相变等。在该区域内部有地震波经过的情况下,波速将出现对应的变化,从而导致波速比不在正常范围内。这一原理为地震的预测提供了一个非常重要的方法[1]。上世纪中叶至今,全球范围内有众多的学者围绕波速比等研究方向进行了大量的科学研究,这些学者普遍使用理论结合实践的研究方法,在经过数十年的研究之后取得了非常可观的成果[2]。而波速比是研究地震波速变化的方法之一,利用波速比变化的时间和空间演化特征,能为未来一段时间中强地震的发生地点和发生时间提供必要的参考。20世纪50年代以来,地震学家就对波速比进行大量研究,1956年日本学者通过观测发现福井MS7.2大地震前首波的走时异常[2],这是人类历史上第一次有学者对波速的异常情况进行观测。此后,俄罗斯、美国以及英国等众多国家与地区的学者都基于相应的案例开展研究工作[2]。最近几年,地震观测的相关科学技术得到了快速发展,观测人员也普遍拥有了更加理想的观测条件,因此中强地震产生的波速比异常相关的科学研究重新成为炙手可热的研究方向[3]。目前已经有可控震源实验证明地壳中可测波速变化产生的真实性;对于部分中强震而言,通过原地“重复地震”的震相延迟时间变化,也能够让观测人员成功观测到震源区波速产生的改变[4]。

中国对于波速比的科学研究最早起源于上世纪70年代,目前相关学者已经根据模拟地震波资料,围绕超过40个案例进行了深入分析[5]。总结出强震受波速比异常形态、时间等因素的影响,并成功对于多个震例进行观测。其中,蔡静观等学者深入研究了云南地区的强震发生之前波速比的演化特征[6]。当前新疆已经拥有发达的“十五”地震台网,全区分布着大量的台站,其中配备有各种高精度、高效率的观测设备,这能让观测人员更方便迅速地掌握波速比的实时情况。此外,我国还有众多学者分析了新疆各个不同区域的中强地震所引发的波速异常现象,并且具体讨论了各种异常相应的可信度[7-9]。

1 方法和原理

地壳当中岩石的运动情况可以借助波速比这一指标体现出来[7]。查阅相关材料可以发现,对于这一指标的求解方式多种多样,其中应用范围较为广泛的方法包括四震相法以及虚拟台求法等等[10-12],因此在实际应用当中,观测人员需要通过比较,根据观测对象的具体情况选择其中最合适的方法。综合分析采用多台法,在求解过程中需要使用的表达式总共有4个,

(1)

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2 资料选取

2020年新疆伽师MS6.4地震震中位于南天山前陆褶皱逆冲断带,北部为天山褶皱带,西南为西昆仑—帕米尔高原,东部和南部为刚性的塔里木盆地[13]。受印度板块与欧亚板块持续碰撞的影响,该区域的构造活动主要表现为天山地块逆冲于塔里木地块之上[14],在这样的逆冲环境下,伽师地区中强震频发。过去50年内,距此次震中50 km范围内发生了13次6级以上地震[15-16]。该区域曾于1997―2003年发生了1组6级强震群:1997年1月21日—4月16日,伽师发生了7次6级地震,这些地震构成了中国大陆极为罕见的伽师强震群活动。1998年8月2日、27日又分别发生了MS6.0、MS6.4地震[17];2003年2月24日,研究区域东南部的巴楚县境内发生了MS6.8地震的深部构造研究,推测南天山山前深部存在‘S’形的阿图什断裂,1997年伽师中强震群型地震(包括1997年1月17日―4月17日7次6级地震)可能是阿图什断裂中段NW―NNW向断裂活动的结果[18]。

伽师MS6.4地震震中周围分布的台站较少,震中距≤50 km的仅有八盘水磨台和西克尔台站。地震数字化改造起步较晚,经历了“九五”和“十五”期间数字化改造后,监测能力得到了很大的提高,在南天山西段(75°E～80°E,38°N～43°N)研究区内3°× 4°的空间尺度上布设有7个数字台,除2个国家台其余5个为区域台,近些年随着观测条件和观测技术的不断进步,这些台站在新疆地震监测发挥着重要作用(表1)。

表1 震中附近台站信息表

地壳介质性质可以由波速比这一指标体现,而介质不均匀的横向分布与计算设备的条件限制往往容易引发波速比的不确定性。如果要计算出具有不均匀性介质的波速比,为了确保计算结果的准确性,则优先考虑使用孕震区观测台站的近台资料,这是由于如果不借助这些资料,就必须使用一系列非常复杂的计算式进行求解,无法保证计算的效率[19-22]。选取南天山西段(75°～80°E,38°～43°N)为研究区,2017—2022年新疆地区ML≥1.0地震的观测报告,共计5 029次地震事件,其中计算结果较好的有996次(标准误差≤0.05,相关系数≥0.98),在震中附近区域选择超过3个台站对于各台站观测到的波速比取平均值,同时结合动态图像法,最后分别计算出每一次地震事件的波速比结果,得到其在空间上的区域演化图像(图1)及低速区的波速比比值的时间演化进程(图2)从而获得波速比的变化情况。

图1 伽师MS6.4地震前后波速比空间分布图(a) 2017—2019年 (b) 2020—2022年Fig.1 Spatial distribution of wave velocity ratio before and after Jiashi MS6.4 earthquake

图2 伽师MS6.4地震前后异常区波速比时序曲线Fig.2 Time series curve of wave velocity ratio in anomalous area before and after Jiashi MS6.4 earthquake

3 结果与分析

研究时段内发生2020年1月19日伽师MS6.4地震,为研究增强震源区波速比是否存在异常,首先选取2017—2019年资料进行计算,结果表明,伽师MS6.4地震周围形成低值区(图1a),该异常区长半轴和短半轴长分别30 km与20 km左右的EW向椭圆状低值异常区。伽师MS6.4地震就发生在该异常区的东北缘;然后选取2020—2022年资料进行计算,得到波速比震后的空间分布(图1b),可以看到地震后低值异常区消失,这与在该区的震例研究基本一致。

以图1a所示的波速比低值异常区(椭圆框中所示)进行时间序列分析(图2),伽师MS6.4地震前有一个月的低值异常,但是异常持续时间短不明显,震前也无呈现降低—恢复—平静—发震模式。

4 结束语

依据研究区2017—2022年的波速比在时间与空间变化计算结果,空间分布表明,伽师MS6.4地震发生前,波速比低值异常的区域形状大致为EW走向的椭圆,其长半轴和短半轴的长度分别约为30 km和20 km,地震发生在该区域的东北部。震后,该区域的波速比恢复到正常水平。时间序列分布表明,伽师MS6.4地震发生前(2019年8月17日—10月1日)有低值异常持续过程,之后在震前3个月处于调整期,震后恢复正常,对大震发生的时间紧迫程度提供参考。新疆地区地震台站分布不均匀,南天山西段台网密度相对较小,满足每个地震事件被3个以上均匀分布的台站同时记录到较为困难,导致计算结果不够精细。