運(yùn)用尾波干涉技術(shù)監(jiān)測(cè)瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震后地殼介質(zhì)變化＊

郭雨帆 董非非 查小惠 陳 浩 王甘嬌 董 俊

（江西省地震局，江西南昌 330096）

引言

瑞昌—陽(yáng)新地區(qū)位于江西瑞昌和湖北陽(yáng)新交界，郯廬斷裂帶向西南延伸的隱伏斷裂及襄樊—廣濟(jì)斷裂在此處交匯（圖1）。北京時(shí)間2011年9月10日23時(shí)20分瑞昌—陽(yáng)新發(fā)生MS4.6地震，造成了一定的經(jīng)濟(jì)損失，引起了較大的社會(huì)反響。本次地震與2005年11月26日江西九江—瑞昌M5.7地震時(shí)間間隔僅6年，空間間距僅32 km，這兩次中強(qiáng)地震間存在著密切聯(lián)系[1]。研究九江—瑞昌—陽(yáng)新地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征對(duì)探究中強(qiáng)地震發(fā)震規(guī)律至關(guān)重要。

圖1 研究區(qū)地形、臺(tái)站位置、水體分布、斷裂展布及MS4.6主震震中平面圖Fig. 1 The distribution map of regional topography，seismic stations，waters，fractures and the MS4.6 earthquake

地殼介質(zhì)變化規(guī)律是地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，前人運(yùn)用尾波干涉技術(shù)在監(jiān)測(cè)震后地殼介質(zhì)變化方面取得了一定進(jìn)展。2006年，Pandolfi等[2]應(yīng)用尾波干涉技術(shù)監(jiān)測(cè)1999年維蘇威火山M3.6地震前后地殼介質(zhì)波速變化；2014年，肖卓[3]以青藏高原周緣及2014云南盈江雙震為例，利用重復(fù)地震和尾波干涉技術(shù)監(jiān)測(cè)地殼介質(zhì)動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)云南盈江雙震后S波及其后續(xù)尾波部分波速增加；2021年，汪建等[4]利用尾波干涉技術(shù)研究2015年重慶武隆M5.0地震后震源區(qū)地殼介質(zhì)變化，發(fā)現(xiàn)S波早期尾波段走時(shí)延遲曲線(xiàn)隨時(shí)間流逝呈線(xiàn)性變化。總體來(lái)說(shuō)，在運(yùn)用尾波干涉技術(shù)監(jiān)測(cè)震后地殼介質(zhì)變化領(lǐng)域，前人探索還很有限。除此之外，目前缺乏將該方法運(yùn)用于江西及湖北地區(qū)的研究成果。本文基于2011年瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震序列事件波形及其觀測(cè)報(bào)告，使用雙差定位法進(jìn)行重定位，并采用波形互相關(guān)法篩選出符合要求的重復(fù)地震對(duì)，在此基礎(chǔ)上，利用尾波干涉法監(jiān)測(cè)瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震后震源區(qū)地殼介質(zhì)變化，為后續(xù)進(jìn)一步探索九江—瑞昌—陽(yáng)新地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心（doi:10.119 98/SeisDmc/SN），江西、湖北和安徽地震臺(tái)網(wǎng)為本次研究提供地震波形數(shù)據(jù)[5-6]，九江地震監(jiān)測(cè)中心站為本次研究提供降雨量及氣壓數(shù)據(jù)（圖1）。

整理瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震序列周邊16個(gè)臺(tái)站記錄的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，挑選出符合以下條件的地震共計(jì)52個(gè)： ① 發(fā)震時(shí)間：2011-09-10—2012-03-31； ② 發(fā)震位置：29.66°—29.76°N，115.38°—115.48°E； ③ 記錄臺(tái)站數(shù)≥4； ④ 記錄清晰且信噪比高。

1.2 HypoDD雙差重定位法

2000年，Waldhauser等[7]提出了HypoDD雙差重定位法，此后該方法廣泛應(yīng)用于地震學(xué)震源重定位領(lǐng)域。地震事件i和j對(duì)于接收點(diǎn)k的到時(shí)殘差之差，即為雙差：

式中，rki和rkj分別為地震事件i和j到接收點(diǎn)k的到時(shí)殘差， (tik-tkj)obs為 走時(shí)差的觀測(cè)值， (tik-tkj)cal為走時(shí)差的理論值。

表1是本次雙差重定位使用的區(qū)域地殼速度結(jié)構(gòu)模型。

表1 區(qū)域地殼速度模型[8]Table 1 Regional crustal velocity model[8]

1.3 利用波形互相關(guān)法挑選重復(fù)地震

重復(fù)地震具有不同的定義，但不同定義的基本特點(diǎn)就是波形具有高度相似性，因此，主要通過(guò)計(jì)算波形互相關(guān)系數(shù)（cross correlation，簡(jiǎn)稱(chēng)cc）來(lái)識(shí)別重復(fù)地震[9]：

式中，f1(t)和f2(t)分別為用于計(jì)算的同一臺(tái)站記錄的兩個(gè)地震事件選定波列，f1(t)和f2(t)分別是其相應(yīng)的平均值。

1.4 尾波干涉法

尾波由于其傳播路徑長(zhǎng)，在放大、疊加等共同作用下，具有對(duì)地下介質(zhì)微小變化產(chǎn)生靈敏反應(yīng)的特性。2002年，Snieder等[10]在前人研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)提出并闡釋了尾波干涉法。2006年，Snieder等[11]研究發(fā)現(xiàn)，假設(shè)地下介質(zhì)是均勻的，若地震波速隨著時(shí)間流逝而上升或下降，則走時(shí)延遲也會(huì)隨著時(shí)間流逝而線(xiàn)性下降或上升。可以認(rèn)為，地震波速和走時(shí)延遲隨時(shí)間變化曲線(xiàn)大致呈 “鏡像對(duì)稱(chēng)” 。

在地形、地質(zhì)條件不利于布置開(kāi)敞式溢洪道的壩址條件下，選擇采用洞式溢洪洞方案。坪寨（壩高H=162 m）、九甸峽（H=137 m）、洪家渡（H=179.5 m）等工程處高山峽谷地區(qū)，溢洪道開(kāi)挖會(huì)造成不穩(wěn)定高邊坡及較大幅度增加開(kāi)挖工程量，采用的開(kāi)敞式進(jìn)口后接隧洞（洞式溢洪道）的泄洪方式，具有明流隧洞超泄能力大、適應(yīng)高陡地形條件的特點(diǎn)。

設(shè)原始波速為v，地下介質(zhì)發(fā)生的波速變化為δv，則走時(shí)偏移τ與δv的關(guān)系如下式[12]：

走時(shí)偏移τ誤差下限στ由Cramer-Rao Lower Bound法則[13-14]計(jì)算：

式中，f0為信號(hào)主頻，B為信號(hào)的頻寬與主頻之比，T為窗口長(zhǎng)度，ρ為波形互相關(guān)系數(shù)，SNR為信噪比。

2 結(jié)果及初步分析

2.1 HypoDD雙差重定位結(jié)果

圖2顯示了成功重定位的49個(gè)地震，瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震序列沿瑞昌—武穴斷裂兩側(cè)呈NEE向分布。據(jù)呂堅(jiān)等[8]和張麗芬等[15]的研究，瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震的發(fā)震構(gòu)造為郯廬斷裂向西南延伸的隱伏斷裂—瑞昌—武穴斷裂。瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震序列震源深度為2—14 km，其中，4—8 km為優(yōu)勢(shì)發(fā)育深度（69.4%）（圖3）。

圖2 MS4.6地震序列重定位后震中位置平面圖Fig. 2 Epicenter location plane of the MS4.6 earthquake sequence after relocation

圖3 MS4.6地震序列重定位后的震源深度分布圖Fig. 3 Focal depth distribution of the MS4.6 earthquake sequence after relocation

2.2 重復(fù)地震挑選結(jié)果

重復(fù)地震挑選步驟： ① 使用0.5—10 Hz帶通濾波進(jìn)行預(yù)處理[16-17]； ② 利用波形互相關(guān)技術(shù)，設(shè)置計(jì)算長(zhǎng)度為24 s，挑選同時(shí)被黃梅臺(tái)（HME）和九江臺(tái)（JIJ）記錄且cc≥0.920的地震對(duì)，作為相似地震對(duì)[3-4]； ③ 使用經(jīng)過(guò)雙差重定位后的震源信息，篩選出間距≤0.6 km的相似地震對(duì)，認(rèn)定為重復(fù)地震對(duì)[3-4,18]。

最終篩選出符合條件的兩組重復(fù)地震對(duì)（圖4、表2）：D1（2011-09-11 05:44ML2.3和2011-10-24 08:06ML2.2）和D2（2011-09-18 07:06ML2.8和2011-10-24 08:06ML2.2）。本次研究按照嚴(yán)格的重復(fù)地震判定規(guī)則進(jìn)行篩選，因此，認(rèn)為2011-09-11 05:44ML2.3、2011-09-18 07:06ML2.8和2011-10-24 08:06ML2.2不構(gòu)成三重地震對(duì)。

圖4 MS4.6地震及雙臺(tái)記錄重復(fù)地震位置圖 （1為瑞昌—武穴斷裂，2為金嶺—田塘斷裂，3為武山—南陽(yáng)斷裂，4為望夫山—大浪斷裂，5為丁家山—桂林橋—武寧斷裂，6為劉家—范家鋪—城門(mén)山斷裂，7為襄樊—廣濟(jì)斷裂，8為洋雞山—武山—通江嶺斷裂，9為郎君山—東雷斷裂） Fig. 4 The distribution map of the MS4.6 earthquake and repeating earthquakes recorded by 2 stations

2.3 尾波干涉結(jié)果

結(jié)合前人經(jīng)驗(yàn)[17-18]，選取2倍S波與P波初至到時(shí)差加4 s作為尾波干涉測(cè)量窗長(zhǎng)，移動(dòng)窗長(zhǎng)為1 s，移動(dòng)步長(zhǎng)為0.05 s。

2.3.1 重復(fù)地震對(duì)D1尾波干涉結(jié)果及初步分析

（1）圖5a中，黃梅臺(tái)（HME）記錄到的P波尾波部分（1.00—7.70 s）走時(shí)延遲變化較為復(fù)雜，大致呈 “N” 字形，波速也隨之變化較復(fù)雜；S波振幅較大部分（7.70—9.30 s）走時(shí)延遲曲線(xiàn)較平緩，波速基本無(wú)變化；S波早期尾波部分（9.30—11.30 s）走時(shí)延遲線(xiàn)性下降趨勢(shì)明顯，走時(shí)延遲可降至 0.004 4 s，挑選此時(shí)段計(jì)算相對(duì)波速變化，計(jì)算結(jié)果為6.29‰，計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi)。

（2）圖5b中，九江臺(tái)（JIJ）記錄到的P波尾波部分（1.00—6.75 s）走時(shí)延遲變化復(fù)雜、呈 “M” 形變化，表明波速呈 “W” 形變化；S波及其尾波部分（6.75—16.00 s）走時(shí)延遲呈輕微下降趨勢(shì)，說(shuō)明波速小幅增加，此時(shí)段相對(duì)波速變化較小（0.47‰），又由于它與計(jì)算誤差0.14‰在同一數(shù)量級(jí)，因此，在后續(xù)討論環(huán)節(jié)中不將該結(jié)果作為支撐結(jié)論的依據(jù)。

2.3.2 重復(fù)地震對(duì)D2尾波干涉結(jié)果及初步分析

（1）圖6a中，黃梅臺(tái)（HME）記錄到的P波尾波部分（1.00—7.60 s）走時(shí)延遲曲線(xiàn)呈 “N” 字形，該時(shí)段內(nèi)波速變化較復(fù)雜；S波振幅較大部分（7.60—9.60 s）走時(shí)延遲基本保持不變，波速保持穩(wěn)定；S波早期尾波部分（9.60—11.60 s）走時(shí)延遲線(xiàn)性下降，最小走時(shí)延遲為—0.009 6 s，相對(duì)波速增幅為4.73‰，計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi)。

（2）圖6b中，九江臺(tái)（JIJ）記錄到的P波尾波部分（1.00—6.60 s）走時(shí)延遲曲線(xiàn)呈 “W” 形，表明波速呈 “M” 形變化；S波振幅較大部分（6.60—8.85 s）走時(shí)延遲基本保持不變，波速基本不變；S波早期尾波部分（8.85—10.90 s）走時(shí)延遲線(xiàn)性下降趨勢(shì)顯著，走時(shí)延遲降至—0.009 5 s，波速顯著增加，其相對(duì)波速變化為5.30‰，計(jì)算誤差在允許范圍內(nèi)。

根據(jù)圖5和圖6結(jié)果可以看出： ① 不同臺(tái)站記錄同一重復(fù)地震事件時(shí)的波形差異較大，這是由于黃梅臺(tái)（HME）與九江臺(tái)（JIJ）位置不同導(dǎo)致的（圖4）。黃梅臺(tái)位于重復(fù)地震對(duì)NE方向，震中距約為54 km，長(zhǎng)江從黃梅臺(tái)與重復(fù)地震對(duì)之間區(qū)域流過(guò)，襄樊—廣濟(jì)斷裂貫穿黃梅臺(tái)與重復(fù)地震對(duì)，地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜；九江臺(tái)位于重復(fù)地震對(duì)SEE方向，震中距約63 km，臺(tái)站與重復(fù)地震對(duì)之間為九江—瑞昌—陽(yáng)新地區(qū)，斷裂發(fā)育程度高，地下介質(zhì)復(fù)雜； ② 重復(fù)地震對(duì)被同一臺(tái)站記錄的波形之間也存在微弱差異（圖4、表2）。重復(fù)地震對(duì)之間存在位置差異，最大水平間距為0.5 km，最大垂直間距為0.6 km；重復(fù)地震對(duì)之間還存在震級(jí)差異，最大ML震級(jí)差為0.6；位置差異和震級(jí)差異可能是導(dǎo)致重復(fù)地震對(duì)之間波形差異的原因。

表2 MS4.6地震及雙臺(tái)記錄重復(fù)地震對(duì)信息統(tǒng)計(jì)表Table 2 Statistics of the MS4.6 earthquake and repeating earthquakes recorded by 2 stations

3 地殼介質(zhì)變化討論

將圖5、圖6中的走時(shí)延遲隨時(shí)間流逝曲線(xiàn)進(jìn)行匯總對(duì)比，總結(jié)這4條走時(shí)延遲曲線(xiàn)（從P波初至開(kāi)始的1—19 s）的變化規(guī)律（圖7）： ① 走時(shí)延遲變化范圍為—0.011 2—0.010 8 s； ② P波尾波部分（約1—7 s）走時(shí)延遲曲線(xiàn)變化較復(fù)雜，即波速變化復(fù)雜，可能與瑞昌—陽(yáng)新地區(qū)地下介質(zhì)復(fù)雜、非均勻性強(qiáng)有關(guān)[1]； ③ S波振幅較大部分（約7—9 s）走時(shí)延遲曲線(xiàn)較平緩、波速基本不變； ④ S波早期尾波部分（約9—11.5 s），除九江臺(tái)記錄的D1走時(shí)延遲曲線(xiàn)變化不顯著外，其他三條走時(shí)延遲曲線(xiàn)急劇線(xiàn)性下降，表明波速迅速攀升； ⑤ 除九江臺(tái)記錄的D1走時(shí)延遲曲線(xiàn)外，其他三條走時(shí)延遲曲線(xiàn)變化規(guī)律相似，證明本次研究結(jié)果可信度較高。

圖5 黃梅臺(tái)（a） 和九江臺(tái)（b） D1波形記錄、不相關(guān)系數(shù)及走時(shí)延遲隨時(shí)間變化圖Fig. 5 The results of waveform，de-correlation and delay time of repeating earthquake D1 with lapse time at station HME （a） and station JIJ （b）

圖6 黃梅臺(tái)（a） 和九江臺(tái)（b） D2波形記錄、不相關(guān)系數(shù)及走時(shí)延遲隨時(shí)間變化圖Fig. 6 The results of waveform，de-correlation and delay time of repeating earthquake D2 with lapse time at station HME （a） and station JIJ （b）

圖7 黃梅臺(tái)和九江臺(tái)D1和D2走時(shí)延遲隨時(shí)間變化圖 （黃色區(qū)域?yàn)榇笾碌腟波早期尾波部分） Fig. 7 The results of delay time of repeating earthquake D1 and D2 with lapse time at station HME and JIJ

選取S波早期尾波段，總結(jié)該時(shí)間段內(nèi)相對(duì)波速變化特征（表3、圖8）。在瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震發(fā)生后，不管是2011年9月11日—10月24日（D1重復(fù)地震對(duì)），還是2011年9月18日—10月24日（D2重復(fù)地震對(duì)），S波早期尾波相對(duì)波速均為正值（D1相對(duì)波速變化：黃梅臺(tái)（HME）為6.29±0.26‰，D2相對(duì)波速變化：黃梅臺(tái)（HME）為4.73±0.34‰、九江臺(tái)（JIJ）為5.30±0.33‰），意味著波速增加。地震引起地下介質(zhì)波速變化的3大物理機(jī)制包括：強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)引起的地表破壞、斷層區(qū)結(jié)構(gòu)破壞和孔隙彈性回彈、震后幾十天內(nèi)在孔隙彈性回彈機(jī)制占主導(dǎo)作用下的波速快速恢復(fù)[19]。本次研究中S波早期尾波波速在主震后第2—44天及第9—44天均為增加的結(jié)果與前人研究結(jié)果吻合，表明本次研究結(jié)果可靠。

圖8 黃梅臺(tái)（a） 和九江臺(tái)（b） 記錄的重復(fù)地震對(duì)S波早期尾波相對(duì)波速變化Fig. 8 Early S coda’s relative wave velocity variation of repeating earthquakes at station HME （a） and JIJ （b）

表3 黃梅臺(tái)和九江臺(tái)記錄的重復(fù)地震對(duì)S波早期尾波相對(duì)波速變化Table 3 Variation of relative wave velocity of early S coda for repeating earthquakes at station HME and JIJ

研究區(qū)北臨長(zhǎng)江、南依鄱陽(yáng)湖，水資源豐富，需特別關(guān)注降雨和氣壓對(duì)波速變化的影響。整理和分析九江臺(tái)降雨量和氣壓數(shù)據(jù)（表4），發(fā)現(xiàn)2011年9月11日瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震后降雨量日平均值9—10月有所減少。劉志坤[19]和Xie等[20]認(rèn)為水體對(duì)波速變化在震后影響更顯著，原因是震后斷裂更加發(fā)育、裂隙更大，巖石滲透性和水的流動(dòng)性顯著增強(qiáng)。肖卓[3]和Martini等[21]發(fā)現(xiàn)波速和降雨量有密切聯(lián)系，S波早期尾波波速會(huì)隨著降雨量增大、水體水位升高而降低，反之亦然；瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震后氣壓日平均值9—10月略有增加（表4），據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)[22]，震后波速變化與氣壓變化呈正相關(guān)。因此，本次研究中震源區(qū)S波早期尾波波速在瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震后1.5個(gè)月內(nèi)（2011-09-11—10-24）增加的結(jié)果可能與降雨量減少、氣壓升高有關(guān)。

表4 九江臺(tái)降雨量和氣壓日平均值統(tǒng)計(jì)Table 4 Daily average statistics of rainfall and pressure at station JIJ

4 結(jié)論

本文基于瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震序列52個(gè)事件波形數(shù)據(jù)及其觀測(cè)報(bào)告、降雨量和氣壓等資料，采用雙差重定位法獲得49個(gè)地震重定位結(jié)果，使用波形互相關(guān)技術(shù)挑選出符合要求的重復(fù)地震對(duì)，利用尾波干涉技術(shù)分析重復(fù)地震對(duì)的走時(shí)延遲變化，最終得到兩點(diǎn)收獲：

（1）篩選出了兩組重復(fù)地震對(duì)。這兩組重復(fù)地震對(duì)同時(shí)被黃梅臺(tái)（HME）和九江臺(tái)（JIJ）記錄、波形互相關(guān)系數(shù)≥0.920且間距≤0.6 km，分別為：D1（2011-09-11 05:44ML2.3和2011-10-24 08:06ML2.2）和D2（2011-09-18 07:06ML2.8和2011-10-24 08:06ML2.2）。

（2）瑞昌—陽(yáng)新MS4.6地震后1.5個(gè)月內(nèi)（2011-09-11—10-24）震源區(qū)S波早期尾波波速增加。D1重復(fù)地震對(duì)：黃梅臺(tái)（HME）相對(duì)波速變化為6.29±0.26‰，D2重復(fù)地震對(duì)：黃梅臺(tái)（HME）相對(duì)波速變化為4.73±0.34‰、九江臺(tái)（JIJ）相對(duì)波速變化為5.30±0.33‰。

致謝

感謝重慶市地震局汪建工程師的指導(dǎo)和幫助，感謝匿名審稿專(zhuān)家們提供的寶貴修改意見(jiàn)！