地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (1): 137-145   PDF    
汶川地震区地壳速度相对变化的环境噪声自相关研究
赵盼盼1, 陈九辉1 , MichelCampillo2, 刘启元1, 李昱1, 李顺成1, 郭飚1, 王峻1, 齐少华1     
1. 中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029;
2. Laboratoire de Geophysique Interne et de Tectonophysique, Université Joseph Fourier, CNRS, Grenoble, France
摘要: 2006年中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在川西地区(100°E~105°E, 26°N~32°N)布设了由297个宽频带地震台组成的密集流动地震观测台阵.本文利用川西流动地震台阵29°N以北地区的137个台站2007年1月至2008年10月的连续三分量地震环境噪声记录,研究了汶川地震震前震后地壳速度变化特征.借助川西台阵的密度优势,我们针对单台三分量噪声自相关函数和单台不同分量间的互相关函数,利用互谱移动窗技术,在0.33~1 Hz频带范围内测量了经过50天滑动平均的相关函数与长时间平均参考相关函数的走时变化率,进而求得地壳浅部速度随时间的相对变化,并得到其空间分布特征.本文结果表明,利用环境噪声自相关方法可以得到与互相关方法基本一致的同震速度变化分布图像,同震速度变化分布与同震体应变具有明显相关性.具有更高空间分辨率的噪声自相关研究进一步发现,在鲜水河断裂和龙门山断裂交汇区存在同震速度增加区,这个区域与同震库伦应力变化和地表形变观测预测的周边断层库伦应力增加区一致.我们的研究发现,同震库伦应力增加效应的持续时间大约为2个月左右,在此之后,区域应力场逐渐恢复为普遍的应力下降.
关键词: 环境噪声      自相关函数      地震波速变化      汶川地震      川西台阵     
Crustal velocity changes associated with the Wenchuan M8.0 earthquake by auto-correlation function analysis of seismic ambient noise
ZHAO Pan-Pan1, CHEN Jiu-Hui1, Michel Campillo2, LIU Qi-Yuan1, LI Yu1, LI Shun-Cheng1, GUO Biao1, WANG Jun1, QI Shao-Hua1     
1. State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China;
2. Laboratoire de Geophysique Interne et de Tectonophysique, Université Joseph Fourier, CNRS, Grenoble, France
Abstract: A temporal seismic array consisted of 297 broadband seismographs was deployed in Western Sichuan (100°~105°E, 26°~32°N) in 2006, and the observation covered the great 2008 Wenchuan earthquake. We used the continuous three-component ambient noise data from January, 2007 to October, 2008, recorded at the 137 stations north of 29°N, to study the crust seismic velocity changes before and after the earthquake. For every single station, three autocorrelation functions (ACF) and three cross correlation functions (CCF) are calculated and stacked in 10 days for three components of noise data respectively. Then we estimated the relative velocity changes by measuring travel time shifts between the 50-day-moving-average stacks and the reference empirical correlation functions. We obtained the characteristic of spatial distribution of relative velocity changes caused by Wenchuan earthquake. Our results indicate that ACF analysis can get similar coseismic velocity changes pattern with the CCF method, and the distribution of coseismic velocity changes is closely correlated with the volumetric strain changes during the Wenchuan earthquake. We also found an area of velocity increase in the region where the Longmenshan Fault zone adjoins the Xianshuihe Fault zone. This area is consistent with the faults that the Coulomb stress increased by the occurrence of the Wenchuan earthquake as predicted by the source mechanism and surface deformation. We also found that the crustal velocity increase lasted for about 2 months and then decreased with ubiquitous stress release in the studying region.
Key words: Ambient noise      Auto-correlation function      Seismic velocity change      Wenchuan earthquake      Western Sichuan seismic array     
1 引言

2008 年5 月12 日,四川龙门山断裂带发生 Mw7. 9级地震,造成巨大伤亡与损失[1-2].地表地质考察发现了汶川地震造成长达240 km的断裂带[3],地表破裂过程反演发现汶川地震起始于龙门山断裂带南段,并沿龙门山东北方向单向传播超过 3 20 km[4-6],余震定位结果[7]发现龙门山断裂带在近地表倾角达70°〜80°而在接近地震起始破裂的深度(14〜19 km)倾角仍有30°〜60°.利用GPS观测结果反演得到的汶川地震震源过程[8]进一步证实了这一观测结果.以上观测结果均说明汶川地震是迄今为止在高角度逆冲断裂上发生的强度最大的内陆地震[9].地震的孕育和发生通常伴随着应力场变化、地下流体迁移、地壳浅层破坏等事件的发生,从而导致地壳介质物理性质的变化.对地壳介质物理性质在强震前后的变化进行研究,将有助于理解强震孕育、发生和震后恢复过程,有助于地震动力学过程的研究.研究汶川地震前后区域介质和应力场变化对具有特殊发震构造的汶川地震尤为重要.

地壳介质的物理性质变化一般可以通过主动源或被动源重复观测得到[10-12].近年来,对环境噪声研究的最新进展允许我们可以在不采用重复震源的情况下,对地壳介质性质进行长期的重复监测. Shapiro等[13]对地震台站长时间的地震噪声记录进行互相关计算,提取出了台站间的面波格林函数,阐明了由地震环境噪声获得台站间地球内部介质响应的可行性.Sens-Sch6nfelder等[14]建议将环境噪声方法与传统的由重复地震测量地球内部速度相对变化的尾波干涉测量法[15]相结合.由此,Wegler等[16] 利用自相关函数尾波,Brengmer等[17]、Chen等[18]、 刘志坤等[19]利用互相关函数的尾波,Xu等[20]利用互相关函数的面波分别研究了 2004年中越地震、 2004年帕克菲尔德地震、2008年汶川地震和2004— 2007年苏门答腊强震群地震区同震速度相对变化. 与利用重复地震和主动源研究地球内部速度相对变化相比,地震环境噪声方法具有明显的优势:首先,连续的噪声数据可以从广泛分布的固定和流动地震台网很容易地获得,而重复地震的发生则具有不可控制的随机性;其次,在环境噪声方法中,将某一台站视为表面点源,它不随时间变化,而重复地震的位置和震源机制都只是近似为一致;最后,环境噪声方法长期监测地壳结构变化具有其他方法无法比拟的成本优势.

自2006年10月开始,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在中国川西地区(100°E〜 105°E,26°N〜32°N)布设了由297个宽频带地震台组成的密集流动地震观测台阵.川西地震台阵覆盖了川滇块体、松潘一甘孜地块及华南地块的四川盆地地区,涵盖了汶川地震破裂带约2/3区域,跨越汶川地震震前到震后进行了持续观测.利用该台阵观测取得的数据,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室从地壳上地幔速度结构和汶川地震构造背景[21-23]、区域地壳各向异性方向和应力场分布[24]、汶川地震余震分布和地震构造[6]以及川西台阵覆盖区场地响应[25]等各个不同方面对汶川地震区、青藏高原东缘结构和动力学进行了深人研究.本文将使用川西地震台阵的地震噪声数据研究汶川地震区同震波速相对变化及其区域分布特征.

2 数据与方法 2.1 台站与观测数据

本文使用了川西宽频带流动地震台阵龙门山断裂带附近的137个观测台站(图 1)的三分量连续波形资料(Z、E、N).所用资料的时间范围为2007年1 月到2008年10月.所用台站平均间距20〜30 km,所有台站都安装了 Reftek130B数据采集器和 GuralpCMG-3ESP/C地震计,连续记录波形采样率为40 sps.

图 1 川西台阵台站分布图 红色三角表示地震台站,红色圆圈表示汶川地震主震,白色圆圈表示余震,黑色实线表示断层,蓝色实线表示块体边界;A:松潘一 甘孜地块,B:龙门山断裂破裂带,C:四川盆地,D:川滇地块,E:龙门山断裂与鲜水河断裂交汇附近同震波速相对增加区 Fig. 1 Station map of western Sichuan seismic array Red triangles represent the stations, red circle represents the main shock of Wenchuan earthquake, white circles represent aftershocks, black solid lines represent the fault, blue solid lines represent boundaries of different blocks. A: Songpan-Garze block, B: Longmenshan fault , C: Sichuan basin , D:Chuandian block , E: The area of the intersection of LMS fault and Xianshuihe fault where coseismic velocity increase.
2.2 速度相对变化的噪声自相关测量

研究表明[26-31],由散射波场(例如环境噪声、散射尾波)的互相关函数可以提取出台站间的格林函数.假设两个台站分别位于A、B两点,则有如下关系成立:

其中,CAB (t)是两个台站间的互相关函数,

vA(t)和vB(t)是持续的台站记录,tC是互相关时间,$\tilde{G}$(t)是由台站噪声互相关函数微分得到的经验格林函数,G(t)是台站间真实格林函数,GAB是以台站A为假想震源在台站B所得的格林函数,GAB(-t)则是地震波以相反方向从台站B向台站A 传播的格林函数.当两个台站逐渐靠近合并为一点时,噪声互相关函数退化为单台自相关函数CA(t),由其对时间的导数得到的是虚拟震源和接收点同在台站位置的格林函数.

Sens-Schönfelder等[14]证实由环境噪声互相关得到的格林函数中,除包含直达波[13, 32]外,还包括散射波(格林函数的尾波部分).格林函数尾波包含了台站间不同散射路径的信息,它是对台站间介质比较全面的采样,相较于直达波对介质性质变化更加敏感,因此可以用来监测介质的微弱变化.Hadziioannou 等[33]则通过超声波实验证实了直接利用噪声互相关函数尾波即可达到监测介质速度微小变化的目的.这些结论同样适用于自相关函数尾波,不同的是它反映了信号的发射和接收在同一点的情况.相较于采用互相关函数尾波的方法,自相关函数尾波由于虚拟震源与接收点为同一台站,从而避免了仪器钟差的影响;另外自相关函数尾波的敏感区域更靠近台站附近,能够得到较浅层介质变化的响应.

在利用自相关函数尾波测量速度相对变化时,采用了互谱移动窗技术(CSMWT)[34]:在以T为中心的窄窗内,计算参考相关函数与当前相关函数的互谱并测量其在不同频率f的波谱相位偏移Δf,由二者的线性拟合得出参考相关函数与当期相关函数的时间偏移:Δτ = Δf/(2π×f).假设在各台站对的采样区域内,波速相对变化率相同(Δv/v=常数),那么散射波通过的路径越长所积累的时间偏移 Δτ越大,Δττ成线性关系.因此,由一系列连续的以不同时间为中心的窄窗计算出相应的时间偏移,取其线性拟合斜率为时间相对变化Δτ/τ那么由其相反数便得到速度相对变化[17]: Δv/v=-Δτ/τ

以往利用相关函数尾波测量速度相对变化时,通常仅使用垂直分量记录,忽略了两个水平分量记录.而实际观测中,相关函数路径数量的多少直接影响到测量结果的稳定性和精确性.Roux等[35]在噪声层析成像中利用双台三分量记录的9个互相关函数分量分别提取了 Rayleigh波与Love波格林函数.当考虑以散射波成分为主的相关函数尾波时,不管其波场为何种特性的波动,不同分量相关函数尾波对介质性质变化的响应都是一致的.本文延续这一思路,采用垂直(Z)、东西(E)、南北(N)三分量的自相关函数尾波与单台不同分量的互相关函数尾波相结合的方法,更大限度地利用了台站数据记录信息,提高了结果的稳定性.

2.3 地震波速度相对变化的计算

本文数据处理步骤主要包括:单台数据预处理; 三分量长时间波形记录的自相关和互相关计算;使用互谱移动窗技术测量不同时段参考相关函数与当前相关函数时间相对变化Δτ/τ由此得到地震波速相对变化.

2.3.1 单台数据预处理

首先,对每个台站的三分量连续观测数据以10 天为一个数据段进行重采样(Hz)、去均值、去倾斜分量、带通滤波(0. 5〜60 s)处理.然后通过滑动绝对平均方法[6]进行时间域归一化处理,以去除噪声数据中地震信号以及台站附近非平稳噪声的影响.

2.3.2 相关函数计算

单台数据预处理后,将各台站每10天的三分量数据在0.33〜1 Hz频带内分别作自相关及互相关运算.为提高信噪比,将各台站各分量当前10天及其前后20天的相关函数分别进行滑动平均,得到以 10天为一个数据段的三个自相关函数(ZZ、NN、 EE)和三个互相关函数(ZN、ZE、NE).图 2是由上述方法得到的KCD01台站2007年1月到2008年 10月的ZZ分量自相关函数随时间变化图像.我们使用了接近两年的连续噪声观测数据,可以尽量降低非理论化自由波场的影响[14].从图中可见清晰的面波信号和稳定的尾波信号,各相位的连续性较好.

图 2 KCD01台站垂直分量50天滑动窗平均自相关函数(ZZ).黑色曲线代表参考自相关函数,红色直线指示汶川地震发生时间.相关函数振幅归一化,并滤波至1~3s Fig. 2 Vertical component of Fitty-day’ s moving averaged autocorrelation inunctions of the station KCD01(ZZ). Black curve represents the reference autocorrelation function , red line indicates the time of Wenchuan earthquake. The correlation functions are filtered to 1〜3 s,and the amplitudes are normalized
2.3.3 波速相对变化测量

对于各台站不同分量相关函数,其参考相关函数分别取为各自在整个观测时间长度内的平均值,当前相关函数分别取为各自的50天滑动平均值.经过单窗的时域和频域检测,在±15s〜±45s的尾波范围内能够得到较好的时间相对变化线性拟合. 对于时间窗长度的选择,一般为最大周期的4〜10 倍,不同的窗长会影响到测量的精度.最终,以0.6 s 为步长在上述尾波范围内取一系列时间窗,在0. 33〜 1Hz频带由互谱移动窗方法得出时间相对变化Δτ/τ,进而得到速度相对变化:Δv/v=-Δτ/τ.对不同时间r与时间偏移Ar进行线性拟合时,所得直线偏移零点的误差在10-3s量级.图 3所示为汶川地震破裂带区域数个台站使用单分量数据记录所得结果与使用三分量数据记录所得结果的对比.由图可见,仅使用单分量时,震前速度扰动与拟合误差较大,不利于同震波速相对变化的测量.随着不同分量相关函数的同时使用,可用数据量大大增加,波速相对变化曲线在整个时间长度上有所优化,震前背景扰动及震后波动更加平稳,同震波速相对变化更为清晰准确,拟合误差也较小.

图 3 使用不同分量相关函数尾波所得速度相对变化率随时间变化 ⑴由水平南北分量(S-N)噪声自相关函数尾波(NN)所得结果;(b)由三分量自相关尾波(ZZ,EE,NN)所得平均结果;(c)由三分量互相关 函数尾波(ZE,ZN,NE)所得平均结果;(d)由三分量自相关函数与三分量互相关函数尾波(ZZ,EE,NN,ZE,ZN,NE)所得平均结果.横坐标每一个数字以10天为单位. Fig. 3 Relative velocity changes with time using the coda of different components of correlation functions (a) Using the coda of one horizontal component(S-N) of autocorrelation functions(NN) only; (b) Using the coda of three components of autocorrelation functions(ZZ,EE, NN) ; (c) Using the coda of three components of corsscorrelation functions(ZE,ZN,NE) ; (d) Both the coda of three components of autocorrelation functions and three components of crosscorrelation functions(ZZ, EE, NN,ZE, ZN, EN) are used.
3 结果 3.1 不同区域地壳速度随时间的相对变化

图 4所示分别为不同块体与区域地壳速度随时间的相对变化,其具体位置与台站分布见图 1.由图 4可见,各区域在汶川地震发生前速度相对变化起伏较小,其中最大波动范围为±0.04%(在龙门山断裂带上),称其为震前背景扰动.汶川地震发生后,松潘一甘孜块体、龙门山断裂带、四川盆地都存在明显的同震速度相对减小,特别在龙门山断裂带同震速度相对减小达0. 17%.比较图 4a图 4c还可发现,四川盆地的同震速度相对变化较松潘一甘孜块体稍大,然而这是两个块体范围内分别进行整体平均所得结果,结合下文可以发现在两个块体内部不同区域同震速度相对变化存在明显差异.由于震持续时间较短,未能见到震后恢复情况.这三个区域的震后速度变化特征与Chen等[18]通过互相关方法得到的结果一致,但其变化幅度更大.

图 4d所示为龙门山断裂与鲜水河断裂交汇处一区域速度随时间变化的情况,可以看出此区域存在持续时间约为2个月左右,且变化幅度明显高于震前扰动水平的同震速度相对增加.

图 4 不同区域地壳速度相对变化随时间变化图 (a)松潘一甘孜块体;(b)龙门山断裂带;(c)四川盆地;(d)龙门山断裂与鲜水河断裂交汇处一同震波速相对增大区域. (a),(b),(c),(d)四个区域分别对应图1中A,B,C,E四个区域. Fig. 4 Crust relative velocity changes with time at different areas (a) Songpan-Garze block; (b) Longmenshan fault; (c) Sichuan basin; (d) The area of the intersection of LMS fault and Xianshuihe fault where coseismic velocity increase. (a), (b), (c), (d) are coincident to A, B, C, D, E in Fig. 1.
3.2 同震速度相对变化的空间分布

我们将研究区域(29。N〜32。N,100. 5°E〜 104. 5°E)划分为0. 5° X0. 5°的网格,每个网格以中心为原点在半径0. 5°上选取台站.川西台站布设的密集性使我们得以在保证适当的空间分辨率情况下,每个网格内都分布有足够的台站.在计算同震速度相对变化时,为降低震前背景扰动的影响,将汶川地震发生前的速度相对变化作平均,同时考虑到同震速度相对变化的稳定性,将地震发生后30天内的速度相对变化作平均,最后取地震前后两者的差值作为同震速度相对变化.汶川地震同震速度相对变化的空间分布如图 5所示.

图 5 同震速度相对变化分布 黑色实圈代表汶川地震震中位置,黑色圆圈和黑点代表余震分布,细线代表断层.CD:川滇块体,SG:松潘一甘孜块体,SB:四川盆地 Fig. 5 Distribution of coseismic relative velocity changes Big black solid circle represents the main shock of Wenchuan earthquake, other small circles represent aftershocks, black lines represent faults. CD: Sichuan一 Yunnan block,SG: Songpan-Garze block,SB: Sichuan basin.

图 5可见,以汶川地震震中为起点,沿着破裂方向围绕龙门山断裂带有明显的同震速度相对降低,而沿破裂反方向速度相对变化较小.四川盆地在 30°N以北部分,有大幅的速度相对降低;松潘一甘孜块体速度相对变化空间分布差异较大,其中沿龙门山断裂破裂段有大幅速度相对降低,中部变化次之,西部变化较弱,在鲜水河断裂带附近出现一速度相对增加的较小区域;川滇块体未见明显的速度相对变化.

我们将图 5给出的速度变化分布与同震体应变进行了对比.我们采用Coulomb3. 0软件计算了汶川地震的同震体应变,计算中采用了沈正康等[8]的断层模型,得到了 5 km深度的体应变(图 6).对比图 5图 6可以看出,在体应变膨胀区,同震体应变和同震速度相对减小区域吻合较好.由此可见,在本文的研究范围内该区域同震体应变与同震速度相对变化有着紧密的联系.而对于分布范围很小的同震压缩区,同震速度分布图像只呈现出较弱的速度降低,并未表现为速度增加区.

图 6 汶川地震的同震体应变.体应变计算深度为 5 km,红色代表膨胀区域,蓝色代表压缩区域,中间白 色网格为断层模型,黑色实线所围区域为本文研究区域 Fig. 6 The volumetric strain changes caused by the Wenchuan earthquake. The volumetric strain changes are calculated at the depth of 5 km,the red and blue colors represent the region of dilatation and compression respectively ’ the black square indicates the area researched in this paper

除了与体应变相对应的变化区域外,四川盆地内部还存在大范围显著的速度相对降低.这一特征与Chen等[18]在该区域利用互相关函数尾波所得结果也有一定差异.导致这种结果的可能原因是:单台相关函数尾波的敏感区域主要集中于台站附近,而利用双台互相关函数尾波时敏感区域对应于台站间更大的深度.因此,本文所得四川盆地内部有明显同震速度相对降低可能主要由于覆盖在四川盆地上部的沉积层松弛所导致.

需要指出的是,上文所得在龙门山断裂与鲜水河断裂交汇处存在一同震波速相对增加区域的情况在本图中并无明显体现,其原因主要是网格大小的选取以及格点之间的差分处理使得这一较小区域的速度变化结果与周围的结果互相平均,从而掩盖了和地表形变观测预测的周边断层库伦应力增加这一特性.由此可见,在选择适合整体范围内台站分布密集程度的空间分辨的同时,对于具有特殊构造的区域也有必要进行具体分析.

4 结论与讨论

本文利用川西密集的宽频带流动地震观测台阵,分析了汶川地震震源区附近137个台站自2007年1月至2008年10月的三分量数字记录资料,给出了该区域汶川地震同震速度相对变化的空间分布特征.结果表明,汶川Mw7. 9级地震造成龙门山断裂带及其附近区域沿断裂破裂方向存在显著同震波速降低,而沿破裂反方向及其松潘一甘孜块体西部、 川滇块体速度相对变化较弱,但在四川盆地内部却也存在明显的速度相对降低.通过与同震体应变的对比分析得出,该区域沿龙门山断裂带破裂方向附近的速度相对降低与同震体应变具有相关性,而四川盆地内部的同震速度相对降低可能是由覆盖在四川盆地上部的沉积层松弛所导致.本文利用环境噪声自相关方法得到的同震速度变化分布图像与互相关方法基本一致[18].

具有更高空间分辨率的噪声自相关研究进一步发现,在鲜水河断裂和龙门山断裂交汇区的康定、泸定附近存在同震速度增加区,其速度增加幅度明显高于背景速度扰动幅度.这一区域与同震库伦应力变化和地表形变观测预测的周边断层库伦应力增加区[37’38] 一致.这说明高密度台站的噪声相关速度变化测量不仅可以测量大尺度的平均地壳速度变化,也可以探测得到空间尺度较小的同震应力增加.我们的研究同时发现,同震库伦应力增加效应的持续时间大约为2个月左右,在此之后,区域应力场逐渐恢复到与周边区域基本一致的应力下降.

本文测量得到的同震速度变化率幅值与Chen 等[18]利用双台互相关函数尾波在该区域所得结果略有不同,但其变化形态基本一致,而两个不同方法同震速度相对变化与震前扰动幅度比值分别为2和 2. 1.其差别应该是所用方法对该区域不同深度地壳的速度相对变化敏感度不同,因而两文所得结果并无本质差异.

尽管本文结果与同震体应变的空间分布进行了对比,由噪声相关函数测量所得到的同震速度变化率比汶川地震同震体应变率(约为10-6量级)高2〜 3个量级,这与在其他地区进行的同类工作得到的结论一致[14-19],说明同震体应变并非造成同震地壳速度变化的主要因素.对于浅层地壳介质,由同震应力变化造成的介质孔隙度或介质内流体的迁移可能是同震速度变化的主要因素.在四川盆地内部,浅层沉积层在强震动下的破坏则是重要因素之一.

到目前为止,利用环境噪声测量强震震后地壳速度变化的研究中,尚未发现与同震体应变或者同震应力场变化的压缩区相一致的结果.利用噪声相关函数方法测量到的震后速度变化是时间分辨尺度为10〜30天的暂态变化,而同震体应变和应力场变化则是时间尺度更小的瞬态变化.采用目前的噪声相关函数处理方法可能尚不能检测到瞬态的应力场变化.

在汶川地震之前,各个区域,特别是龙门山地区和四川盆地地区,都表现出了类似的地壳速度随时间变化特征(图 4),在震前约200天时间尺度内表现出了不同程度的地壳速度增加.这一速度变化与季节没有明显关系,因而很可能是地壳应力增加的体现.但是由于川西台阵在汶川震前的观测仅有约一年半的时间,尚难以给出汶川震前速度和应力场变化的确切结论.有关汶川地震之前的应力场变化及其与汶川地震的关系仍需进一步研究.

致谢

作者感谢国家数字测震台网数据备份中心郑秀芬研究员无私地提供四川数字地震台网的数据,对两位审稿人提供的有益建议表示感谢.

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