基于氣槍震源信號和背景噪聲的2016年呼圖壁6.2級地震前后波速變化特征初步研究

徐亞飛, 王 瓊, 蘇金波, 魏蕓蕓

(1. 中國地震局蘭州地震研究所, 甘肅 蘭州 730000; 2. 新疆維吾爾自治區地震局, 新疆 烏魯木齊 830011)

0 引言

近年來,隨著地震監測手段的不斷發展,監測地下介質波速變化逐漸成為地震學領域重要研究方向之一[1-3]。地震波在傳播過程中攜帶著豐富的地下介質信息,在利用地震波進行地球深部探測方面,地震波速是測量精度最高,最可靠的參數。地震波在地下介質中傳播的波速會隨地下介質性質或應力狀態的變化而變化,因此,可以通過監測地震波在地下介質中傳播的波速隨時間的變化對地震波傳播區域內地下介質變化進行動態監測,進而為研究地震孕震和發生過程提供重要信息。

地震在孕育過程中引起的地震波波速變化很小,其發生的時間、空間和震源特征等方面都具有一定程度上的不確定性,難以獲得較高的觀測精度[4-6]。隨著地震背景噪聲和人工主動震源監測的技術快速發展,逐步成為監測地下介質變化的主要手段[7-9]。地震背景噪聲信號是一個穩定且連續的天然震源,可以利用臺站對之間的背景噪聲信號互相關技術將其從連續記錄中提取出來,而且在噪聲互相關計算中,時間上也可以重復,因此可以得到不同時間內高度相似的噪聲互相關波形。當介質結構和性質發生變化時,其互相關后得到的信號的波速也會發生變化,通過測量這種波速變化可以對地下介質變化進行監測[10]。目前背景噪聲技術已經在地震,火山活動和季節性溫度變化等不同因素引起的地殼介質變化測量中得到應用[11-13]。Brenguier 等[14]利用地震背景噪聲信號計算了圣安德列斯斷層上美國加州帕克菲爾德地區的地下介質波速變化并發現了與該地區與兩個地震有關的波速變化。劉志坤等[15]利用背景噪聲信號研究了汶川地震震源區近場的波速變化。Mordret等[16]發現了新西蘭魯阿佩胡火山噴發前背景噪聲信號的波速變化。

人工主動震源在震源位置和發震時刻上高度可控,在一定程度上可以克服天然地震和背景噪聲在地下介質動態變化監測中的不足,是地下介質變化監測中的另一種有效手段。陸地氣槍震源是近年來發展起來的另一種人工主動震源,大量的實驗研究表明,氣槍震源能量大、綠色環保、低頻成分豐富[17],是進行區域地下介質動態變化監測的有效手段。近年來,科研人員利用大容量氣槍震源進行了許多地下介質波速變化方面的研究,王寶善等[18]利用云南賓川氣槍震源發現了氣槍信號波速的日變化。魏蕓蕓等[19]利用呼圖壁氣槍數據,通過互相關時延檢測,發現了2次5級左右的地震前波速變化低值異常。張元生等[20]利用氣槍直達波震相發現了甘肅兩次地震前后的波速變化。鄒銳[21]、周青云等[22]分別利用祁連山和賓川的氣槍震源獲取了地震前后的波速變化。

2016年12月8日,距呼圖壁氣槍發射臺約73 km的呼圖壁縣發生6.2級地震,震中位置43.775 9°N,86.363 4°E。本文使用新疆呼圖壁氣槍震源附近流動觀測臺記錄到的氣槍震源信號和背景噪聲信號,分別通過互相關時延檢測方法和背景噪聲互相關檢測方法,研究呼圖壁6.2級地震前后波速的變化特征,研究結果可以為認識區域強震孕震發生過程提供參考。

1 研究區域及資料選取

研究區處于烏魯木齊山前坳陷,內部有巨厚的新生代沉積層發育,最大沉積厚度可達12 000 m。該區域主要的活動斷裂有霍爾果斯-瑪納斯-吐魯番逆斷裂-背斜帶和獨山子-安集海逆斷裂-背斜帶[23]。霍爾果斯-瑪納斯-吐魯番逆斷裂-背斜帶跨度約130 km,三個逆斷裂背斜依次由西向東分布,最早形成于上新世與早更新世間,且在早更新世及中更新世初期經歷了強烈活動。呼圖壁背斜分布于吐魯番背斜東北部,其在地表已經有了輕微的隆起。獨山子-安集海逆斷裂-背斜帶跨度約為80 km,呈現從西向東的分布,這些斷裂都被認為是活動斷裂[24]。由于研究區域內存在一系列活動斷裂,導致該區的地震活動性較高,歷史中強地震活動較為頻繁,1900年以來共有42次大地震發生,其中5.0～5.9級地震36次,6.0～6.9級地震5次,7.0～7.9級地震1次。

1.1 呼圖壁氣槍震源及周邊觀測臺網簡介

2013年新疆主動震源野外科學觀測站投入運行,是國內第一個基于人工開挖激發池的大容量氣槍發射臺(圖1)。發射臺位于北天山山麓的呼圖壁縣古河灘荒地,距烏魯木齊80 km左右[25]。呼圖壁大容量氣槍震源激發池底部直徑15 m,頂部直徑100 m,水深15 m的圓臺形人工水體,其容量為5噸左右。呼圖壁氣槍震源裝配2臺大型空壓機,6條1500LL型Bolt氣槍,單槍容量為2 000 in3,氣槍通過浮臺,沉放于水面下10 m處。6條氣槍同時激發一次所釋放的能量相當于一次0.9級天然地震[26]。

圖1 呼圖壁氣槍發射臺人工激發池示意圖Fig.1 Diagram of artificial excitation pool in Hutubi air-gun transmitting station

呼圖壁氣槍發射臺周邊150 km內有12個固定臺站,為配合氣槍激發實驗,又在距氣槍震源60 km范圍內布設了30個流動觀測臺站,形成了從近場到遠場的較為完整的觀測系統(如圖2)。

圖2 氣槍發射臺、周邊臺站和呼圖壁6.2級地震分布Fig.2 Distribution of air-gun transmitting station, surrounding stations, and the Hutubi M6.2 earthquake

1.2 呼圖壁主動震源信號接收情況

自2013年6月開始,呼圖壁氣槍發射臺每周四晚至周五早上進行一組連續激發實驗,每周激發可以記錄超過30條數據。2016年以前,由于儀器故障、供電問題和數據傳輸等原因,流動臺數據連續率較低。2016年7月,對流動臺進行了升級改造,觀測儀器更換為CMG-40T型寬頻帶地震計(短周期)和REFTEK型數采,儀器采樣率為100 Hz。數據連續率統計分析顯示,多數臺站數據整體連續性較好。對疊加后的氣槍激發信號垂向分量進行2～6 Hz 帶通濾波后信號信噪比整體較高,基本所有臺站都可以識別體波信號(圖3)。

1.3 呼圖壁背景噪聲信號接收情況

圖4為各流動臺站參考格林函數隨距離的分布,通過臺站間一定量的數據進行疊加獲取信噪比較穩定的參考格林函數(0.5～1 Hz的噪聲信號),各流動臺站基本都能發現較明顯的背景噪聲面波信號,信號信噪比較高,可進行地下介質波速變化的測量。利用固定臺STZ臺背景噪聲信號進行疊加后的參考格林函數效果較差,并未看到較明顯的面波信號,其信號互相關系數也較低,可能與地質結構有關,流動臺分布于較厚的沉積層上面波發育較固定臺可能更為明顯,因此對固定臺的背景噪聲信號有待進一步的研究。

2 利用氣槍震源監測區域介質波速變化

2.1 研究方法

目前,利用氣槍震源監測地下介質波速變化的方法為互相關延時檢測法等。由于各種干擾因素和能量衰減等影響使地震波初動時刻確定起來比較困難,而互相關函數能有效減少各種干擾因素,計算結果更加準確,因此波形互相關方法在波速變化的研究中有著重要應用。

圖4 28個臺站對背景噪聲信號到時隨距離的分布Fig.4 Distribution of arrival time of background noisesignal at 28 stations with distance

它們的互相關函數可以定義為:設x(t),y(t)為兩個不相同的有限信號,由于源信號與傳播中疊加的干擾信號間的互相關函數很小,將源信號與拾震器信號進行互相關運算可以得到由源信號引起的振蕩信號,并可以算出這個信號從源傳播到拾震器的時間,也就是說通過計算兩個高度相似波形的互相關函數即可得到它們之間的時延,時延相關系數定義為:

(1)

式中:τ為兩地震信號時延,T為地震持續時間。兩信號的時延為取相關系數最大值時,對走時延遲進行線性擬合,可根據不同震相可以計算不同類型地震波速度的變化,如式(2)。

(2)

2.2 數據處理

為研究由2016年12月呼圖壁6.2級地震引起的地下介質波速變化并分析地震的震前震時震后波速變化特征,選取2016年6月至2017年12月布設在氣槍發射臺周邊的流動觀測臺站記錄(CMG-40T型寬頻帶地震計和REFTEK型數采,儀器采樣率為100 Hz)的氣槍數據進行計算分析,臺站分布如圖5所示。

(1) 數據預處理:①去均值和去趨勢。②頻譜分析和濾波,為提高信號信噪比需對其進行濾波處理,本文主要使用氣槍震源信號的2～6 Hz。

(2) 利用氣槍激發時刻截取氣槍波形,對信噪比較低的波形信號進行篩選和剔除后按天疊加來提高信號的信噪比,將疊加后的信號進行反卷積計算,消除震源本身的影響。

(3) 對反卷積后的數據濾波并進行波形互相關運算,提取信號體波和面波部分的若干震相(如圖6,紅色箭頭為選取的震相窗)。

(4) 利用提取的震相時間窗,選擇合適窗長與步長進行互相關延時計算,找到震相窗相關系數最大時對應的走時延遲dt。通過走時延遲得到介質的波速變化。

圖5 氣槍發射臺與流動臺分布Fig.5 Distribution of air-gun transmitting stationand mobile stations

圖6 氣槍體波震相窗Fig.6 Phase window of air-gun body wave

2.3 波速變化計算結果分析

選取數據連續性較好,體波信號信噪比較高的流動臺站XJ02臺,XJ13臺,XJ16臺記錄的氣槍信號(圖5),計算波速變化,結果顯示,3個臺波速變化趨勢基本一致,可能與三臺距離較近,傳播路徑基本一致有關。呼圖壁6.2級地震前后,3個臺未出現較明顯的波速異常變化和同震響應。分析其原因可能由于三個臺距離呼圖壁6.2級地震震中較遠(大約60 km),距離氣槍發射臺較近(大約在30 km以內),有可能接收到的氣槍信號射線路徑未穿過呼圖壁6.2級地震的孕震區,因此未觀測到與6.2級地震有關的介質應力狀態變化(圖7,圖中不同顏色線條表示不同時段的體波信號)。

距離氣槍震源約77 km的石梯子固定臺位于呼圖壁6.2級地震震中南偏東方向,距離呼圖壁6.2級地震27 km,6.2級地震前,即2015年5月—2016年8月,氣槍信號出現了近15個月走時低值異常(圖8),在低值異常結束后3個月,發生了呼圖壁6.2級地震。分析其原因,可能是呼圖壁6.2級地震孕育發生過程中,區域應力處于較高水平,該地區出現波速升高(即走時降低)變化,而當應力積累到一定程度后,地下介質發生了微破裂,導致孕震區波速降低(即走時上升)變化。

3 利用背景噪聲信號監測區域介質波速變化

3.1 移動窗互譜法

(3)

式中:*為復共軛,相位譜為φ(f)=2πfδτ,振幅表示為X(f)=|F(f)|2,則相關系數CC(f)的值域在[0,1]之間,可寫為:

(4)

(5)

3.2 數據處理

為與氣槍震源波速變化結果進行對比分析,選取與氣槍震源同一時段,即2016年6月至2017年12月期間流動臺記錄的背景噪聲數據,選擇0.5～1 Hz的濾波頻帶,其原因是0.5～1 Hz濾波后信號的信噪比較高,能比較清晰的看到面波信號。對28個臺站對的背景噪聲信號進行互相關計算和篩選,本文選取XJ01-XJ07,XJ07-XJ09兩個臺站對為例(圖5),數據處理流程如下:

(1) 數據預處理:將波形數據進行入庫歸檔等處理,得到按一定序列排列好的數據。將歸檔好的數據去平均,高低通濾波,降采樣并歸一化處理,并進行譜白化。

圖7 三個流動臺氣槍體波波速變化結果Fig.7 Variation results of air-gun body wave velocity in three mobile stations

(2) 選取合適的濾波頻帶對波形數據進行濾波處理,將所有臺站對的信號在頻域內做互相關計算,將每一天的數據疊加后得到每天的經驗格林函數。為提高信噪比,得到更長的時間序列,以30天為窗長,以一天為步長分別進行滑動疊加得到經驗格林函數。

(3) 利用移動窗互譜法,將不同天數滑動疊加的經驗格林函數與參考格林函數做移動窗互譜計算,得到走時偏移量dt。通過計算一個以時間t為中心的短時間窗內的參考格林函數與所選定的互相關函數之間的走時偏移量dt,線性擬合可得到相對走時變化,其斜率的相反數就是介質的相對速度變化dv/v。

3.3 波速變化計算結果分析

圖9(a)為XJ01-XJ07臺站對的背景噪聲信號波速變化結果,2017年4月至11月,噪聲信號波速變化穩定,在正負2‰的背景變化范圍內。2016年8月至11月底,波速持續降低,最大變化幅度約為7‰,2016年12月波速出現上升,最大變化幅度約為5.5‰,期間發生了呼圖壁6.2級地震,震后波速變化整體呈現緩慢下降變化,之后恢復到背景值范圍內。

圖8 2013年至2019年固定臺石梯子臺氣槍震源走時變化曲線Fig.8 Travel time variation curve of air-gun source at Shitizi station from 2013 to 2019

圖9 背景噪聲波速變化與氣壓對比圖Fig.9 Comparison of velocity variation of background noise and air pressure

圖9(b)為XJ07-XJ09臺站對的背景噪聲信號波速變化結果,2016年8月至10月出現波速升高變化,最大變化幅度為5‰。2016年10月至11月出現波速降低變化,最大變化幅度為6‰。2016年11月至12月波速逐漸增加,最大變化幅度為6‰,12月以后波速整體呈現下降趨勢,并在背景值范圍內浮動,其變化趨勢與XJ01-XJ07臺站對有著較高的相似性。

圖9顯示,兩個臺站對波速變化整體趨勢較為相似,呼圖壁6.2級地震前波速出現了降低-升高變化。對比分析2個臺站對的波速變化與該區氣壓變化曲線[圖9(c)]發現,2016年8月至12月,背景噪聲波速變化趨勢與氣壓變化呈負相關,2017年1月至12月波速變化趨勢與氣壓變化呈正相關,初步分析認為,2016年8月至12月背景噪聲波速變化可能與呼圖壁6.2級地震孕育發生有關。地震孕育過程中,區域應力呈現增強狀態導致介質波速變化偏離正常背景變化。呼圖壁6.2級地震后,區域應力得到釋放并逐步恢復到正常狀態。

4 討論

對比分析呼圖壁6.2級地震前后,基于氣槍震源信號與背景噪聲信號計算得到的波速變化結果表明,在同一區域、同時段內,距離呼圖壁6.2級地震約60 km的流動臺記錄的氣槍震源信號未出現與呼圖壁6.2級地震有關的波速變化,而距離6.2級地震約27 km的石梯子固定臺記錄的氣槍信號在呼圖壁6.2級地震前出現了較為明顯的波速變化異常,異常變幅到達6‰;流動臺記錄的背景噪聲信號也發現了與6.2級地震有關的波速變化。以往研究表明[27],氣槍震源波速變化的測量精度相比于背景噪聲信號要更高,但流動臺氣槍震源信號未發現與地震有關的波速變化,而背景噪聲卻發現了與地震有關的波速變化,分析其原因:

(1) 呼圖壁6.2級地震前,距離氣槍震源大約30 km的流動臺記錄到的氣槍震源體波信號未出現明顯的波速變化。距氣槍震源約77 km的石梯子固定臺,2015年5月—2016年8月氣槍信號走時呈現持續近15個月的低值異常變化,最大變化幅度約為3‰,低值結束后發生了呼圖壁6.2級地震。分析其原因,呼圖壁6.2級地震位于石梯子臺北偏西方向,6.2級地震孕育區應力處于較高水平,導致波速升高;當應力積累至一定程度時,地下介質發生微破裂,出現波速降低現象。流動臺位于6.2級地震北偏東方向距離呼圖壁6.2級地震約60 km,其射線路徑可能未穿過應力集中區,有可能觀測不到波速變化。

(2) 呼圖壁6.2級地震前,多數流動臺的背景噪聲波速出現較明顯的異常變化。呼圖壁6.2級地震前四個月,波速變化與氣壓變化呈負相關,呼圖壁6.2級地震后,波速變化與氣壓變化呈正相關。這與其他學者關于背景噪聲波速變化與氣壓變化呈正相關是一致的[28]。地震孕育發生過程中區域應力呈現增強狀態,導致介質波速變化偏離正常背景范圍,最大變化幅度約6‰;6.2級地震后,區域應力逐步恢復至正常水平,此時介質波速變化主要與氣壓變化有關。

(3) 研究氣槍信號波速變化選取的XJ02,XJ13,XJ16臺與背景噪聲信號波速變化選取的XJ01,XJ07,XJ09臺,未選取相同臺站的原因為:①文中所選臺站為數據連續率最高的幾個臺站且背景噪聲疊加后的面波信號中XJ01,XJ07,XJ09臺最為明顯,文中記錄氣槍信號的三個臺站與記錄背景噪聲信號的三個臺站之間的距離均不超過20 km,因此將這三個臺站作為主要研究對象;②背景噪聲的28個臺站對間的距離不超過20 km,而呼圖壁6.2級地震距流動臺距離約為60 km,可以認為,以6.2級地震為源,則流動臺站可相對近似為遠場,因此各臺站對的背景噪聲波速變化結果一致性較高。

(4) 分析呼圖壁6.2級地震前后,氣槍震源信號未觀測到波速異常變化,背景噪聲信號觀測到波速異常變化的原因,認為可能是氣槍主要利用體波信號,背景噪聲主要利用面波信號,兩者射線路徑不同。

5 結論

本文利用氣槍震源信號和背景噪聲信號,研究呼圖壁6.2級地震前后波速變化特征,得到以下幾點初步認識:

(1) 呼圖壁6.2級地震前后,距6.2級地震約60 km的流動臺記錄的氣槍震源信號未發現明顯的波速變化,距6.2級地震約27 km的石梯子固定臺6.2級地震前出現了較為明顯的波速變化異常,可能與信號傳播路徑不同有關。

(2) 呼圖壁6.2級地震前4個月的背景噪聲波速變化與氣壓變化趨勢呈負相關,呼圖壁6.2級地震后的背景噪聲波速變化與氣壓變化呈正相關。其他學者研究表明,背景噪聲波速變化與氣壓變化呈正相關。分析認為,呼圖壁6.2級地震前背景噪聲波速異常變化可能與呼圖壁6.2級地震有關。

(3) 氣槍主要利用體波信號,背景噪聲主要利用面波信號,兩者射線路徑不同可能是導致不同波速變化特征的主要原因。

致謝:本文撰寫過程中得到了中國地震局地震預測研究所王偉君研究員的意見和支持,以及閆坤、翟亮等人的幫助,在此表示感謝。