1999年土耳其Izm it MW 7.6地震的持續成核過程＊

Michel Bouchon,Hayrullah Karabulut,Mustafa Aktar,Serdar?zalaybey,Jean Schmittbuhl,Marie-Paule Bouin

對于地震預測和風險評估而言,地震前可檢測出成核期的存在或觀測到這一成核期的存在是一項長期目標。雖然一些地震前會發生前震已經成為共識,但迄今為止還沒有什么辦法能夠將這些前震與常規地震區別開來,因而在隨后發生了更大的地震之前沒有客觀的方式可以將這些地震事件識別為前震[1]。另一方面,對于某些地震記錄上出現持續時間很短的(幾秒甚至更短)成核期(可能表明地震前斷層上滑動不穩定性的提高),科學家有著激烈的爭議[2]。地震成核的實驗室[3-6]和理論[7-14]模型預測顯示,地震之前應該出現滑動不穩定性,但這種不穩定性是否足夠大,以至于在真實地球情況下也能探測到,而且持續時間也足夠長,從而可以提供一些有用的信息,所有這些都不得而知[15]。在這種情況下,我們研究了到目前為止最大的一次記錄完整的走滑地震1999年土耳其Izmit地震前的地震信號,以對任何可能存在的成核期特征進行描述。

1 Izmit地震

Izmit地震發生在1999年8月17日0時1分38秒(世界時),在25秒之內就使橫穿土耳其西北部的北安那托利亞斷層(一個主要板塊邊界)150 km長的區段破裂[16-19]。地震期間,分別處于斷層兩側的兩個板塊之間發生錯動,平移了～3 m。板塊的突然移動發生在地殼的脆性部分,在該地區這一部分是指從地球表面到～17 km的深度[20]。由于溫度升高,該深度以下的巖石更具韌性,此處兩個板塊持續運動,且每年相對彼此移動～2.5 cm[21]。地殼的脆性與韌性部分之間的過渡帶內發生的事件可能包括非火山型顫動會對大地震的成核產生影響,但我們對此過渡帶內發生的事情幾乎一無所知。

此次地震的震源深度的估算值略有差異[16,20],但都在15±2 km范圍之內,表明成核帶位于脆性地殼底部附近。地震前曾發生過前震[20,22],最大一次前震由當地的兩個地震臺站報道[20,22]。距震中最近(14 km)的那個臺站報道了另外7次前震[20]。該臺站(UCG;圖S1)配有一臺單垂直分量的短周期(1 Hz,L 4C)地震儀,外加一臺數字記錄器[23]。儀器記錄了垂直地面速度,采樣率為100 Hz。在某種程度上,該記錄揭示了震前發生在一次大地震的震源區內的力學過程。

2 成核信號

UCG臺站位于石灰巖上,這種硬質巖石基本上不會使地震波大幅衰減或對其造成影響,因而可提供良好的記錄條件。它像許多地震臺站一樣以觸發模式運轉,即只有超過地面運動的預設閾值時它才會開始記錄[24]。地震前45 min期間,在總共6個觸發窗口中記錄地面運動,提供了將近10 min(563 s)的記錄信息。在其中一個記錄中(地震前20 min),可以發現5次地震(圖1)。每一次都以P波序列開始,2.4 s之后出現振幅更高的S波。有些地震發生的間隔小于5 s。在6個觸發窗口中可由視覺識別出總共18次事件(圖2),震級從 0.3到2.7不等(表S1)。這些地震有兩個非常突出的特點:在數字化精度范圍之內(0.01 s),它們的S減P走時相同;盡管它們的震級涉及范圍較大,但其波形卻驚人地相似。

圖1 主震前20 m in垂直地面運動記錄。該記錄是第二個觸發窗的一部分。圖中號碼表示從序列開始算起按時間順序的前震編號

另有幾個位于震中的不同方位角的臺站也記錄到了最大的那次前震。在除UCG(圖S1)之外的距震中最近的臺站,P波波至清晰,因此最大前震與主震之間的時差可以測定得非常精確。在數字化精度范圍之內(0.01 s),這一時差(105.22 s)與UCG測定的完全相同,表明從前震和主震震源到達臺站的P波走時相同,同時也意味著前震的發源地就是震源。此外,在所有記錄到最大前震的臺站,P波極性與主震相同,表明前震滑動機制與主震的相同。

因為所有事件的波形幾乎一樣,所以其中一次事件的波形可用作檢測其信號在噪聲水平之內的較小地震事件存在的模板。這一過程是通過將此模板與記錄互相關來實現的[24]。由此產生的結果是,又檢測出比視覺識別出的多得多的事件(圖3a),使確認的事件總數達到了約40個。

圖2 從上至下按時間順序排列的前震記錄。圖中示出每一道的起始時間、P波波至和S波波至。對每一道都歸一化處理至其峰值振幅,見表S1。時間軸的原點對應于P波波至

圖3 (a)將其中一次前震的波形與記錄互相關后得到的信號。上道相對于第一個觸發窗的起點,出現在第一次前震之前。下道相對于地震之前40 s內的地面運動。相關中的峰值顯示出發生了多次波形與模板類似的事件。號碼17和18表示圖2中前震事件的時間順序。(b)臨震前的地震信號。所記錄的地面運動(上道)顯示主震前0.14 s和0.07 s發生了兩次地震。紅色的下道示出同一記錄的第一部分,該記錄與之前發生的前震(用藍色表示,前震2)的P波波形相比放大了10倍

3 事件間距

為確認這些事件源自同一個或幾乎同一個地方,我們比較了最初的兩個事件。從視覺上看,它們的波形(圖4a)幾乎相同。其互相關結果(圖4b)顯示這兩次事件的S減 P走時差為～0.0006 s。這一處于測定分辨率極限的數值表明其間距為～5 m。雖然兩次事件的這一間距是由該臺站觀測得到的,由此也是實際間距在波的傳播路徑上的投影,但與震源大小相比,這一數值確實小得令人驚奇[25]。

圖4 (a)第一次與第二次前震記錄的疊加。第二個記錄已由時間增量進行了時間上的變換(傅里葉域內),該時間增量使兩個信號的互相關實現了最大化。圖中示出P波和S波的起始狀態。P波波至對應于時間軸的原點。P波波至前的非零振幅顯示出記錄的噪聲水平。(b)使最先發生的兩次前震波形之間的相關性實現最大化的時間變換的演化。這種相關性是在一個128點長(1.28 s)的滑動窗口上方得到的。第一個窗口始于P波波至,并與時間軸的原點相對應。隨后的時間變換是相對于第一個窗口測定的。時間變換通過在每一個時間步長插入相關峰值來完成

我們又作了進一步分析,方法是將所有可能結成對的事件(136次,因為第8次前震的P波在觸發窗之外,所以沒有記錄)的 P波和S波互相關,并計算每一對事件的S減P時間差。由于所選用于相關性分析的窗口位置和長度可能對結果產生影響(因為存在噪聲,脈沖波形也不對稱),所以我們對于每一對事件都考慮了200個不同的窗口。結果顯示,無論我們考慮的相關窗口如何,這些事件中任何一次事件的S減 P走時都與大多數其他事件的走時相差不到0.0024 s。這說明任何一次地震與其他多數地震所處的位置相距不超過20 m。雖然這一間距是由臺站觀測得到的,但與幾次最大地震的震源相比,其數值之小說明所有事件都源自斷層上范圍不超過幾次最大事件規模的同一個區域。

4 滑動加速

實驗室和理論研究表明,地震之前會出現一個漸進性的滑動不穩定階段,在此期間,斷層緩慢滑動,而后突然加速并最終導致動態破裂[3-14]。摩擦實驗中也觀測到了滑動加速的起始與顫動型信號釋放之間的相關性[26]。本序列中最大的幾次事件超過了觸發閾值,所以對于它們的檢測應該是完整的。如果我們只考慮這些事件,我們會發現第四大事件發生在主震前43 min,第三大事件發生在主震前20 m in,第二大事件發生在主震前12 min,最大一次發生在主震前1 min 45 s(圖2;表S1)。第四、三、二次事件的震級比較接近,說明該序列的最初42 min內有一個緩慢加速過程,而隨后在主震前2 min時突然加速。主震前40 s長的記錄中顯示至少發生了6次事件,這也說明確實出現了突然加速的情況(圖3a)。

主震前不到1 s時,這一過程再次加速,不穩定性急劇增大:主震前0.14 s發生了一次地震,0.07 s以后又發生了一次,最終就發生了主震(圖3b)。雖然最先發生的兩次地震的時間間隔很短,但還是能夠清晰地觀測到第一次地震的P波脈沖。其形狀與寬度與其他事件的相同(圖3b)。對這些事件的振幅進行比較,可以發現其震級為～2.0。與先前發生的任何一次地震相比,緊隨其后的那次地震的P脈沖更寬,振幅也更大。主震就發生在0.07 s之后。在主震之前很短的時間段內可能發生了多次或一連串的地震事件,但除了這兩次最接近主震的前震之外,數據分解無法識別出別的東西了。

5 重復事件?

主震前的地震信號顯示出波形相同的地震事件呈重復模式(圖2、3)。事件發生的間隔為40 s(第一個觸發窗內)、～10 s(平均)、～5 s,然后是1/10 s。

對這些地震的頻譜進行比較(圖 S2),可以證實觀測到的波形的相似性。多數地震有著幾乎相同的頻譜形狀和拐角頻率(超過這個頻率,頻譜振幅就會衰減)。這種相似性在某些事件中尤為明顯(圖5)。特別是,兩次最強前震的頻譜形狀幾乎完全一致(圖5c)。仔細考慮這兩次事件,可知導致這種相似性的原因可能有兩個:(ⅰ)它們的頻譜拐角頻率都比所示的最大頻率(35 Hz)高,意味著這兩次事件在所考慮的頻譜范圍之上作為點源出現,其源的大小無法用數據來進行解析。(ⅱ)或者是,因為超過事件的拐角頻率,頻譜振幅迅速降低,所以兩次事件可能有著幾乎相同的拐角頻率。第一種假設意味著約 800 MPa的極高的應力降(據文獻[27])。如此高的數值遠遠超出了構造地震中測得的數值范圍[28-29]。由此看來,兩次事件的拐角頻率有可能相似。由于拐角頻率與震源大小成反比,所以這可能意味著它們的震源大小幾乎相等。這一結果確實令人驚奇,因為它們的振幅差很大(表S1)。

圖5 (a-c)部分地震事件的S波地面速度頻譜比較。號碼表示圖2中前震事件的時間順序。對所有頻譜都分別進行了儀器響應校正和歸一化處理。5 Hz以下的頻譜振幅受低頻地震背景噪聲(其水平因事件而異)影響。每一次事件的記錄峰值振幅在括弧內給出,單位μm/s。圖c示出兩次最大前震

將這兩次事件的震源作為位于主震震源的剪切滑移的一個區段來進行模擬,并將計算得到的頻譜形狀與觀測得到的頻譜形狀相匹配,便可得到兩次事件震源大小的估算值。由此得到一個尺度為～300 m的震源區(圖S3)。由于該計算結果不能解釋波的滯彈性衰減(尚不明了,而且可能將譜峰漂移到較低的頻段),所以這一測定結果應該被視為震源尺度的上限。然而,無論確切數值如何,大大超出其譜峰的兩次事件的頻譜形狀的相似性似乎要求它們的震源大小必須差不多完全相等。從臺站觀測和兩次事件的波形互相關得到的估算值來看,兩次事件的間距很小(～9 m),這進一步證實了兩次地震的震源位于同一區域的觀點。兩次地震的振幅相差10倍,說明其應力降(震源區段上的應力釋放)也相差10倍。如果兩次事件的應力降類似的話,那么從其振幅比中就應該知道它們的拐角頻率(地震矩,地震的物理量度,即震源大小的立方尺度)相差2倍多點。這顯然不是我們的觀測結果(圖5c)。推測的震源大小(圖S3)表明,平均來說,該區段上最大一次地震的滑移略小于1 cm(0.8 cm),其他一次略小于1 mm(0.8 mm)。由這些數值可得,最大事件的應力降為～2.6 MPa,這一數值是地震的典型值;第二次事件的則為～0.3MPa,這一數值比通常測定的要低。

其他地震的頻譜相似性(圖 S2、S4)也很有意思,但解釋起來卻非常困難。這些事件的相對較小的震級使得拐角頻率太高,無法根據數據進行解析,抑或所有這些地震的震源大小都幾乎相同,略小于兩次最大前震的震級。為了確認這種頻譜相似性不是緣自臺站處的局部場地效應(如可能是地質構造的地震共振)或沿波的傳播路徑的滯彈性衰減,我們也給出了幾次余震的波譜,這些余震發生在數天之后,其所處位置距臺站的距離大致相等(圖 S5)。我們測得的頻譜形狀范圍很大,說明這些地震的拐角頻率不是緣自場地效應或衰減效應,而更可能緣自震源效應。如果情況果真如此,那么這說明Izmit地震前的事件的震源大小近乎相等。其結果是,這些小地震事件有著極低的應力降,可能相當于構成非火山型顫動[32-33]的低頻地震的應力降[30-31]。拋開這種可能性不說,這些事件中某些地震的波譜幾乎完全一樣,(圖5a、5b),僅這一點就可以說明至少發生了一些重復性事件,這正與兩次最強前震的情況類似。

6 斷層蠕動

眾所周知,地震會在其所處的斷層區段上釋放應力,因此,間隔數分鐘(事件13和事件16;圖5c)或可能數秒鐘(事件5和事件6;圖5b)的重復性事件的存在確實很令人好奇。同一斷層區段的重復破裂似乎需要事件之間斷層段上應力的反復加載。可以提供這種反復加載的一個簡單機制就是該區段周邊區域的蠕動。在其他地方也觀測到重復事件,特別是在加州的圣安德烈斯斷層[34-38],其原因被歸咎于震源周邊地區的蠕動。與本文討論的事件相比,那里的地震復發時間往往是數月或數年,震級也大致相同。本文測定的震級差別可能是由于Izmit地震的前震間隔時間極短,這會強行使斷層區段作出快速響應。換句話說,加載速度太快,因此不能產生穩定的響應。另一種可能是,斷層區段不僅會對加載作出響應,而且會對加載速率作出響應,而加載速率可能是極不規則的。

該記錄另一個有趣的特征是出現在第一次前震之后的低頻地震背景噪聲的變化(圖6)。與第一次前震巧合的是低頻地面運動的增強。而后,盡管第一次前震的振幅在S波波至(圖6中的下道)之后迅速衰減,但低頻運動水平仍然比震前高(圖6中的上道)。從那時起,這種低頻信號(在未經濾波的記錄上也能看到)連續出現在所有記錄上,一直持續至主震起始(圖 S6)。這種信號的波譜顯示其頻率在2 Hz以下(圖 S7)。雖然僅靠一個臺站不可能確定其起源,但這種起始時間與第一次前震同步的低頻噪聲可能是當時震源區周圍正在發生的斷層蠕動的地震特征。

圖6 第一個觸發窗內記錄的地面運動(下道)以及相應的經低于3 Hz的低通濾波的信號。號碼表示最先發生的兩次前震

7 展望

以上觀測結果表明,此次特殊地震前出現了一個慢滑時段,慢滑就發生在脆性地殼底部。持續時間相對較長的成核過程以及成核期間發出特征信號的觀測結果對于可能的地震預警系統而言非常令人鼓舞,但這一情況是否適用于其他大地震仍然有待觀察。一些記錄完整的其他地震,如1999年臺灣集集地震或2004年加州 Parkfield地震,沒有顯示出類似前震或成核事件的證據。下一步要做的事情包括重新審查其他記錄完整的大地震的近斷層地震記錄,以求獲取類似信號。同時,欲了解這種持續很久的成核事件是否適用于此次實例以外的其他地震,還需要持續的地震監測網絡來予以支持。

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[24]Materials and methods are available as suppo rting material on Science Online

[25]Assuming a stress drop of 3 MPa fo r the events,w hich is close to the averageof the values commonly observed,and a circular source would lead to source dimension(diameter)of～66 and 108 m for the first two fo reshocks,respectively,and 290 m for the largest one

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