茂縣6·24 山體垮塌與特殊地震信號的分析＊

王維歡，陳曉龍

（甘肅省地震局，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

2017 年6 月24 日，四川省茂縣疊溪鎮新磨村發生山體高位垮塌事件。據四川地震臺網測定，這次事件的發生時間為5 時38 分55 秒，滑坡中心點在東經103.650°，北緯32.091°,這次災害事件造成10 人遇難，93 人失聯。關于這次事件的成因，各方面專家在媒體上也發表了各自觀點，認為是“5·12”地震以后，山體松動，再加降雨誘發了這次事件。茂縣處在龍門山斷裂帶，這一地區是青藏高原東北緣松潘-甘孜塊體與四川盆地交匯地帶，具有復雜的地質構造和劇烈的構造運動，是青藏塊體及周邊地殼運動的動力學研究的熱點地區之一。2000 年，Clark 和Royden 提出了青藏高原內部和東部存在低速地殼流的觀點[1]。近年來，一些學者，針對這一地區的地殼結構、構造運動及動力學問題進行了多方面的研究，特別是汶川地震之后，關于發震構造和孕震機理，發表了許多研究結果，有學者認為，汶川地震的孕育和發生（例如汶川地震），是地殼深部物質和能量上下運移、交換和碰撞的結果[2]；另外有學者基于地震學的原理和方法進行了地殼結構研究，認為這一地區在上下地殼之間存在低速層[3-6]，也有學者基于大地電磁測深方法研究了這一地區的電性結構，一個共同的認識是這一地區下地殼頂部存在高導層[7-10]。近年來，特別是汶川地震之后，一些學者對于這一地區關于地震與滑坡的研究也發表了一些研究結果[11-13]。本項研究從地震學角度，提取這一地區在茂縣山體垮塌事件前后地殼運動異常信息，基于其他學者的研究結果，試圖探討地殼運動和山體垮塌這一事件之間的關系。

2 資料分析

2.1 事件及資料的概況

如圖1 所示。

圖1 垮塌事件及選用臺站分布圖

2.2 垮塌事件前的小事件

圖2 給出了2017 年6 月24 日00 時至08 時，茂縣臺、汶川臺、安縣臺和黑水臺三分向地震儀的連續記錄，紅色實線標出了垮塌事件的發生時間。觀測記錄表明，在事件之前，記錄到一些大振幅振動事件。我們特別研究了24 日03 時至05 時35 分之間茂縣臺記錄的四次振動事件，如圖3 所示。

圖2 垮塌事件前后8 小時四個地震臺的連續記錄

圖3 垮塌事件前的四次事件

這四次事件的發生時間分別是24 日03 時42.5～42.9 分之間、04 時5 分～5.8 分之間、04 時41.9～42.3 分之間和05 時30～30.3 分之間。從記錄特征分析，04 時41.9～42.3 分之間的事件為微震，震中在茂縣地震臺東北方向，距離約50km；其余三次為小規模滑坡（或滾石）事件。這些事件記錄表明，當地地殼已處在不穩定狀態。

2.3 垮塌事件前后的時頻分析

傅里葉變換是一種在各個領域廣泛使用的信號分解方法，但是傅里葉變換的局限性是顯而易見的，當一個信號變換到頻域時，完全丟失了時間信息，為了保留時間信息，有人提出了短時傅里葉變換的算法。我們對這次事件前后16d，7 個地震臺（茂縣臺、汶川臺、黑水臺、安縣臺、松潘臺、平武臺和雅安臺）的觀測記錄，選取每天00 時至06 時6個小時的連續記錄，采用短時傅里葉變換進行了時頻分析，時窗長度為64s。

圖4 給出了6 月16 日-7 月2 日16d 內，每天00 時-06 時，茂縣臺垂直向時頻分析的結果。從6月19 日04 時開始，在10Hz 左右頻段隱約出現這一信號，20 日更加明顯，22 日這一信號的信噪比略有減低，6 月23 日-7 月1 日信號較強，同時，我們注意到，這一獨特信號在垮塌事件前后對比，頻段抬升了30Hz 之多。另外還注意到27 日-28 日，還記錄到自高頻向低頻移動的一個信號，29 日消失，或者兩路信號合并。一般地，接收器接受到信號頻率的變化主要原因有兩個，其一是信號源的振動頻率發生了變化，其二是信號源相對于接收器產生了運動（多普勒頻移）。茂縣臺在上述時段內就記錄到了這樣一個獨特的頻移信號。基于其他學者的研究結果，我們認為，這一獨特信號與這一地區在大的構造環境作用下，局部的、較短時間段內構造運動有直接關系，這一信號在垂直向、東西向較強，且總體呈現由低頻向高頻抬升的特征，由此推測振動的信號源是在自下而上、由遠而近的移動，這與其他學者對這一地區地殼及上地幔結構及運動情形的研究結果相吻合。很可能與上下地殼之間流變層（低速層、高導層）局部運動有關系，流變物質與上下剛性層面的撞擊和摩擦產生這一信號，自下而上、由遠而近的運動態勢可以解釋信號頻率隨時間抬升的現象。

圖4 茂縣臺00 時至06 時垂直向的時頻圖（16d）

為了考察茂縣臺記錄到的現象是否具有普遍性，我們對于24 日00 時和06 時，7 個臺的資料進行了時頻圖分析，結果顯示，只有茂縣臺出現這一獨特信號。限于篇幅，圖5 只給出了茂縣臺和汶川臺的結果，從00 時至06 時，茂縣臺垂著向在10～20Hz 頻率范圍內，存在一個能量高于背景噪聲的信號，且表現出頻率隨時間逐漸抬升的趨勢（頻率下限大致從11Hz 變化到15Hz），在05 時有一個階躍性抬升的過程（見藍色虛線方框內）,這一過程開始發生于垮塌事件前約35min。包括汶川臺在內的其余六個臺的分析結果中沒有出現這一現象。有學者基于地震波速度結構的研究，提出了這一地區存在下地殼流的觀點；另有學者從大地電測測深結果證明了在同樣地層高導層的存在這些結果，對本研究發現的茂縣臺獨特信號的解釋提供了支持。那么，其他臺站沒有記錄到這一現象如何解釋呢？詹艷對這一地區電磁測深的結果顯示，在經過茂縣的西北-東南方向剖面上，龍門山斷裂帶這一區域的高導物質被西側和東側的高阻體所包圍；趙國澤對南北構造帶的電性結構的研究后指出，這一區域地殼嚴重變形，大范圍連續性低阻層不復存在，地殼內出現高阻體和低阻體的“堆積”。據此，我們認為，茂縣地殼中存在的流變物質在水平方向和其他臺下方不具有連通性，相對獨立的地殼結構和局部的流變物質運動，產生了茂縣臺獨特的地震記錄特征。

圖5 茂縣臺和汶川臺的地震記錄時頻對比（6 月24 日00 時-06 時）

3 結語

基于上述的分析和討論，結合其他學者對這一區域的研究結果，我們認為，從6 月19 日開始茂縣臺記錄到約為10Hz 的獨特信號，并隨時間信號頻率在逐漸抬升，這個獨特信號可能與流變物質的局部運動有關，也是6.24 茂縣疊溪山體垮塌事件的成因之一。在事件發生前3h 內的四次事件（小規模滑坡和微震），是當地地殼已處于不穩定狀態的表現。在事件發生前35min 出現的信號頻率階躍現象，對應了地殼中流變物質的一次劇烈運動，是引發事件的誘因之一。不可否認，當地連續的降雨也是引發事件的重要因素之一。