2014年于田M_S7.3地震的疑似障礙體效應

劉雙慶　陳向軍　王熠熙　王俊菲

摘要：利用新疆和田臺陣首波Pn段前4s的高頻波動形態，分析了2014年于田M_S7.3主震破裂初期幾個疑似破裂點的相對位置，給出兩種可能的初始破裂點運動學擴展模型。并利用震中距約58km的于田臺站數據進一步對該模型進行闡述。分析結果推測：此次于田大地震，其起始破裂點開始于一個水平各向異性較強的點位，在之后的3s內破裂過程向各向異性相對較弱的區域發展，且破裂矢量略向南擴展。

關鍵詞：和田臺陣；Pn段；破裂擴展；障礙體

中圖分類號：P315.72 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）02-0295-08

O 引言

2014年2月12日17時19分48秒，在新疆于田（36.123°N，82.499°E）發生了M_S7.3大地震。這次地震震中位于距2008年3月21日于田M_S7.3地震的北東東向約90km處，在GoogleEarth地圖上顯示位于硝爾庫勒高原湖泊西南角，是阿爾金大斷裂的西南緣“爪”狀分枝斷裂交匯部位。該處北東東向的二級斷裂比較發育，如阿龍斷裂、庫牙克斷裂等（國家地震局《阿爾金活動斷裂帶》課題組，1992；楊萬志等，2005）。距離震中北西向約328km處的和田臺陣清晰地記錄了本次地震的波形，距離震中約58km的于田臺記錄到清晰的P波段波形（S波段記錄限幅）。于田M_S7.3地震發生后，中國地震局監測預報司地震震源深度推進研究小組參加了這次地震的室內資料應急處理工作，并得到一些相關的研究結果（陳向軍等，2014；宋秀青等，2014；王俊等，2014），但這些研究都未對臺陣記錄的初至的一些高頻成分展開分析。實際上利用臺陣數據分析某些地震破裂過程時，由于其地震射線具有相近的傳播路徑，更利于反演震源處信息。因此，本文對和田臺陣記錄波形中的前幾秒的高頻成分作進一步分析，以期獲得于田M_S7.3地震的一些震源運動過程特征。

1 和田臺陣入射線方位角分析

2008、2014年于田兩次M_S7.3地震，相關斷裂及和田臺陣位置見圖1。圖中Moho面深度數據來自滕吉文和曾融生（2002）的結果，震源機制來自萬永革等（2010）及中國地震局地球物理研究所（2014）地震應急處置的結果。其中和田臺陣位于和田地區皮山縣，其外形輪廓為圓環形，由一個中心臺和內、外環構成。臺陣各子臺都布設在同心圓環上，孔徑為3km，屬小孔徑臺陣。內環有3個子臺，環半徑約為600m：外環有5個子臺，環半徑約為1500m（圖2a）。除中心臺同時安裝有一臺CTS-1E-120s寬頻帶地震計和CMG-40T-1型地震計外，其余8個子臺均安裝頻帶為0.5～50Hz的CMG-40T-1型地震計。根據新疆地震臺網編目的震中位置以及臺陣中心臺的坐標，計算出震中相對中心臺的球面方位角為109.64°。為了對比研究，筆者利用臺陣波振面方法重新計算該方位角。計算過程分兩步：

（1）利用中心臺CMG-40T-1型地震計記錄的Z分量中首波Pn初至及其后10s的數據，對其余8個子臺記錄的波形進行互相關，計算這8個子臺相對中心臺的超越或延遲時間。

（2）以中心臺為參考坐標，按0.01°步長進行全方位掃描，計算各個子步方位角所對應的入射波射線到8個子臺的相對走時，并轉換成與中心臺的時差，與所計算出的互相關時差進行對比，找出二者總時差最小的入射線方位角。

利用互相關方法計算8個子臺與中心臺的時差時，分別對不同波形掃描時間長度進行了嘗試，顯示掃描時間長度為9～11s計算出的互相關時差比較穩定，其中掃描時間為10s的結果如圖2a所示。由圖可見，在震中方位上的子臺，其相對到時為負，反方位上為正。0～360°掃描得出方位角為110.46°時，波射線到達各臺的相對時差與互相關波形的時差相差最小，約0.0493s（圖2b）。圖2a中方括號內的數字為子臺站號，方括號前數字為時間差。圖2b中方括號內的數字為方位角，方括號上方數字為時間差，不同方位角上的半徑長度對應于不同波射線時差與互相關時間差的絕對差值。本文得出的方位角110.46°與109.64°相差0.82°。進一步利用Matlab軟件提供的reckon函數，求出距離中心子臺327.952km（該值為中心子臺與新疆地震臺網所給的震中之間的球面大圓距離），方位角110.46°所對應的震中位置為（36.084°N，82.479°E），比新疆地震臺網編目的結果偏西南4.714km，但它滿足地震編目所要求的震中誤差小于5km的一類精度水平。因此利用波形互相關方法可以較好地獲取地震震中方位角，當震中距給定時，可以得出震中位置。從圖2a還可以看出，震中與中心子臺的連線幾乎穿過4、6號子臺。7、8、2號子臺偏南，3、9、5號子臺偏北。

2 臺陣Pn段的高頻時間不同步性分析

2.1 破裂過程穿透的兩種可能介質模型

為了對比和田臺陣各子臺記錄的Pn段的一些高頻特征，前文已給出了不同子臺的時差以及中心臺入射線的方位角。將子臺按到時的先后順序顯示Z分量（圖3），圖3中x軸時間跨度近4s。由于臺陣距離震中約330km，地殼內顯著的直達Pg波尚未到達，該時間段波形成分基本為首波。圖3中除了t₁初至的起始點外，在1s左右大周期成分上存在約0.4s的小周期成分。由于數據采樣率為100點/s，利用MSDP軟件，將波形放大到可以識別0.01s的極限顯示精度。根據t₁、t₂、t₃、t₄（t_i分別為幾個壓縮波形的起始時刻）附近的曲線拐點情況、曲線變化形態及9個臺站間波形對比，逐點分析局部時間的幅值變化，從而精細提取各個子臺每個小周期成分的起始時刻t_i，j（其中i為1～4不同時刻，j為1～9子臺號），并用“+”標記在相應的波形上。圖4中將子臺號標注在橫坐標軸上，且圖4的臺號順序是以垂直入射線（圖2）從西南往東北按距入射線遠近依次排列，以利于從入射線切線方向分析到時差異。t₄之后約1s，Pg震相族抵達臺陣，波形變得復雜化。由于Pg初至對應的破裂點早于t₄處Pn對應的破裂點，Pg、Pn地殼速度模型的可靠性對其分析結果有較大影響，因此未考慮后續的細節震相。

由圖3可以發現，不同時刻點上的“+”有一定的時間交錯性。為此，每個時刻點上9個子臺都減去子臺6的到時，將結果繪于圖4a。由圖4a可看出，不同震中距具有一定的走時差異，且后3個時刻的高頻成分走時整體略低。圖4b是在圖4a的基礎上再將t₁時刻的各個子臺時差對應相減。經過兩次減法，基本扣除了每個子臺GPS授時誤差及臺陣各子臺之間距離的影響。圖4b顯示3條曲線幾乎都小于0，而且沿垂直于波射線排列的子臺所獲取的差值呈“n”型分布，表明后3組波動到6號子臺的相對時間比第1組到達的相對時間減少了。引起這種現象可能有3種因素：①人工提取各個壓縮波形初至到時引入了人為誤差；②從震源傳播到臺陣的射線路徑上存在著橫切路徑的強烈的橫向速度擾動，引起一些非均勻相移；③震源破裂過程中，不同時刻破裂點所處的介質波速參數存在空間分布差異而引起相移。

對于第①種因素，筆者認為肯定存在拾取誤差，但該誤差應呈現非相關特征，不會出現“∩”型分布。對比圖2a和圖3，發現人工提取的初始時間和互相關方法給出的序列并不一致，特別是4、5號子臺的順序。這種差異可能是做互相關時使用了10s的時間，在這個時段中震源破裂點已出現位置變化，5號子臺更早接收到后續破裂點的震動。2、3號子臺也有類似的現象。而發生這個現象的臺站主要分布于相對中心臺與震中連線近似對稱的位置。對于第②種因素，在2.2節進一步分析。

對于第③種因素，給出以下模型。因為和田臺陣屬小孔徑臺陣，直徑約3km，震中距328km，臺陣對震源的張角很小（約0.524。）。射線在震源體之外的傳播過程中幾乎穿透相同的介質，會引起后3組時差變小，最有可能源于震源破裂點附近的介質參數在空間分布上的變化。假定3種情況：（1）震源破裂點下部的各向異性差異減少；（2）震源破裂點上部的各向異性差異減少；（3）震源破裂點上下部的各向異性差異不變。

圖5中，保持模型c參數不變，以作對比。破裂過程都由黑點向白點擴展；每方格的高度為1，方格上的數字對應速度比值；黑色箭頭為Pn傳播方向。模型b中，破裂點從下往上破裂，而首波都是朝下傳播，因此這里的箭頭使用虛線，以示區別。3種模型的Pn穿透不同參數的兩個方格厚度后的時差分別為：模型a：1.3409；模型b：1.8333；模型c：2。

因此只要在破裂過程中，破裂點擴展的后期介質參數比前期的參數（這里指P波波速）更趨于相近時，則從不同時刻傳出的首波震動到達臺陣各子臺的時間將趨近。如果破裂后期的介質參數差異大于前期，那將大于模型c的值，不滿足圖4b中所顯示的現象。由于在各向同性線彈性模型中，介質波速與介質參數關系式為V_p=？其中，λ、μ為拉梅常數，分別反映壓縮膨脹效應和剪切形變效應；ρ為介質密度，對于地殼介質，λ、μ的垂向變化一般較ρ明顯。因此推測于田M_S7.3地震很可能符合（1）、（2）其中的一種情況，破裂點都有由破裂面上各向異性較強的點位向各向異性趨同的點位擴展的過程，在此過程中出現了疑似障礙體或凹凸體。障礙體指高臨界強度區，也可以是斷層面上的一些二級凹凸面（Aki，1979），凹凸體指應力集中區（宮武隆，1993；Dragoni，Piombo，1998）的特征。在筆者研究的這4s時間內，破裂點由各向異性較強（如水平差異導致的垂向組合分布）的點位向較弱點位過渡，每個破裂點的子震源在這個時間段內依次產生并傳播首波，但后續破裂點的首波所經過的射線上的介質差異減弱，從而出現后續子破裂的首波走時更接近。實際上，在精細的破裂過程反演計算中，障礙體破裂過程的滑動幅度與其斷層相應位置處的剛度有一定的模型關系（何玉梅，鄭天愉，1998）。這種反演方法上對剛度的差異性設置，與圖5的速度垂向異性簡化模型都屬于刻畫震源體內部的各向異性特征。至于于田主震破裂方式是從上往下，還是從下往上，筆者沒有搜集到更多的同精度的資料供分析。由于時差呈“∩”型分布，不是單斜曲線，不支持該短暫破裂過程只朝單側進行的情況，因此筆者著重討論由水平分異引起的垂向介質參數差異。而張廣偉等（2014）反演的結果也顯示此次大地震破裂面比較集中，水平兩側擴展的尺度不明顯。

2.2 關于震源區以外速度界面影響的分析

進一步討論2.1節中第②種因素的影響。不只傳播路徑上的速度間斷面可以衍生震相，地震計的瞬態反應如果沒有有效的阻尼作用，也將出現拖尾現象。對于地震儀器的因素，由于同臺的瞬態響應不變，因此如果存在后續“拖尾”震相，這些震相應該是等間隔的，不會出現“∩”型分布。而對于速度界面的影響，引入震中距58km的于田（YUT）臺站波形進行分析。同時為了進一步對比，還引入了一個震中距與之相近（56km）、位錯為走滑兼正斷性質的、且位于初動向上的小震波形。該波形為北京南山村（NSC）臺的記錄的2012年6月18日天津寶坻M_S4.0地震的波形（震源機制解：走向142°，傾角87°，滑動角-15°）。由于天津有近50個強震加速度計獲取了相應的烈度分布，可以確定該地震為北西向破裂，所以與之共軛的北東向震源機制解舍棄。使用這個對比地震同時還考慮到4級地震破裂過程簡單。

圖6中將原始記錄的EW、NS分量旋轉成T、R分量，以確認于田臺站記錄的直達剪切波sg初至。對比圖6b、f，NSC臺記錄的Sg-Pg比YUT的臺記錄的略小，但都接近8s，反映出二者震中距的大小。由于寶坻Ms4.0地震破裂尺度小，在圖6e～g中可以明顯看出，在Pg之后，Sg之前，波形幅度明顯比Pg前2個周期的振幅小。而且在這個震中距，反射震相P^*、P₁₁尚不發育，因此Pg振幅占絕對優勢。而于田M_S7.3地震破裂面尺度可達50×15km（陳運泰，顧浩鼎，2004），若以0.8倍的橫波速度破裂，破裂10km尺度也需約3.125s（破裂速度假定為3.2km/s）。因此筆者在局部放大圖6d中發現，波幅強度呈增長趨勢，特別是圖6c中的Px處出現了一個更顯著的介質破裂。由此推測，即使在于田地震破裂的前3s內也存在多個級聯子破裂，與永善大震破裂過程類似（曾融生，師潔珊，1978）。而位于震中距328km處的和田臺陣記錄的Pn波形中捕捉了這些級聯破裂的某些初動曲線拐點。

由于一個大地震破裂的過程是不均勻的，每次子破裂點的位置在橫向和縱向上都不一樣。破裂過程中震源區介質的性質（彈性、均勻性、各向異性）都將發生變化，關于臺陣子臺時差現象的分析，除了上述3種情況外，是否還有另外的解釋？這里引入兩個概念：一是震源區靜態的各向異性分布；二是地震發生過程伴隨時間變化的局部性質瞬態改變。第一種情況為圖5所示情形。對于隨著破裂過程而產生的介質性質瞬態變化，如果破裂點外的介質均勻或水平層狀均勻，則這個子破裂產生的波源傳到臺陣各子臺的時間變化較少，難以觀測，或呈單斜曲線。因為從其震源機制解可知，斷層面傾角約82°，而本文研究的子破裂間隔約1s，如果是位錯在入射面上的水平破裂分量引發的波速擾動所致（水平層狀均勻，垂直分量不產生此效應），當破裂速度取3.2km/s，震源體附近地殼P波速度6.2km/s，速度擾動為10%時，兩次破裂的各子臺對應時差為0.0018s。這個量值在采樣率為100點/s觀察不到。

而對于水平成層介質，垂直入射面的位錯破裂分量引發的介質P波速度變化，對各子臺的相對時差無影響，即沿入射面法向的介質瞬態變化對各子臺相對走時無影響（處于同一平面波陣面同等相移不影響各子臺的相對到時）。對于水平單向破裂，則需進一步分析。根據圖1斷裂走向及震源機制解，取破裂面走向239°，且假定本文研究的短時間破裂過程中，破裂面走向不變，根據震中相對各子臺的方位角，求出圖7a中各子臺的θ，進而可以利用破裂長度d₁、d'₁，計算出P₂、P₃到子臺i的走時與原路徑L₀走時差。先假定破裂由P₁向西南破裂10km到達P₂，破裂過程介質力學性質發生瞬時改變，可以產生10%的P波速度擾動，則以0.9倍的P波速度穿過L₀-L₁的時間差，如圖7b的Linel曲線所示（減去了最小變化的7號子臺走時差，括號里的數值是7號的相對走時差），以1.1倍P波速度穿過L₀-L₁的時間差，如圖7b的Line2曲線所示。而由P₁向東北破裂10km到達P₃的兩個速度計算的走時差曲線分別為Line3、Line4。計算表明，在10%速度擾動的情況下，要使該臺陣子臺的相對走時差達到0.01s的識別水平，破裂長度應不小于10km。因此對于本文研究的3～4s的波形長度，即使存在單側破裂，從P波信息里也僅僅能略有反映，但不明顯。不過對于單側破裂，各子臺的相對走時是單斜型曲線。從Line1、Line2等后括號內數字對比還可顯示，向西南破裂引起的相對走時差略小于向東北破裂，這是因為臺陣位于震中西北，而破裂走向為北東，向東南破裂時，新破裂點到各子臺的距離都減小了（圖7a）。因此，對比圖4b與圖7b的走時差量級，筆者認為震源區應存在“靜態”的各向異性（圖5a、b），才能出現較符合子臺相對走時差減少的特征。如果彈性模量值較大區與較小區的P波速度差異為10%，則要產生本文可觀測時差（如0.04s）的彈性異常體尺度約1.23km（與入射面平行的方向）。如果彈性模量值較大區與較小區的P波速度差異為2%，則產生本文可觀測時差的彈性異常體尺度約6.19km（條件同上）。對于于田地震，當震源體附近存在各向異性時，產生同等速度擾動的各向異性體尺度要比單側破裂的長度小若干倍。本文觀測到的時差量級更傾向于震源體附近存在各向異性體的結論。

3 結論與討論

本文利用和田臺陣的地震資料對2014年于田M_S7.3地震前4s的破裂過程進行了細致分析。利用中心子臺與震中的連線確定臺陣中各個子臺的相對位置。在此基礎上對子臺波形進行特定排序，并提取了不同時刻點上的成組高頻壓縮波初至。這些初至走時之間的相互差異反映了一些震源破裂點處的介質特性。為進一步討論這些特性的可能分布，利用寶坻地震的NSC臺資料與于田地震的于田臺資料進行對比，結果反映和田臺陣記錄的Pn段內確實存在多級級聯破裂現象。如果早期破裂點處的各向異性差異大于后續破裂點（只分析了3s）的差異，則可以更好解釋本文提取到的“∩”型時間分布現象。這也說明了和田臺陣記錄到了這個大地震最初破裂區的一些級聯破裂的凹凸體或障礙體特征。若利用圖4b中的3、9、5子臺時差比其他子臺更小的細微差異，則可進一步推測后續破裂點將向南偏移，使得位于入射線北部的子臺經過更長路徑的各向異性較弱的區域，從而降低相對時差。這與中國地震局地球物理研究所應急處置給出的破裂過程反演分布中往南往深部擴展的特征相吻合，同時也與張廣偉等（2014）復雜反演的往南破裂結果吻合。

由于和田臺陣距離震中還是較遠，一些近場高頻成分未能有效記錄。對高頻成分的人工提取位置也不能認定其必然很可靠。因此本文的結論還需要收集更多的近場臺陣資料或相關類似資料進行判定。但利用臺陣獲取大震破裂過程的細微特征，這項工作是非常值得去研究的。

非常感謝在2014年于田地震應急工作中，新疆維吾爾自治區地震局蔚曉利研究員及唐明帥博士給予的幫助。同時感謝審稿老師對初稿的修改建議。