九寨溝7.0級地震孕育過程中的地震學特征

許康生 李 英 李曉雪 萬文琦 鞠慧超

1 甘肅省地震局,蘭州市東崗西路450號,730000

地震的形成和發生機理比較復雜,地學界至今還未形成明確的認識,進一步研究大地震是探索該問題的有效途徑之一。2017-08-08中國四川省九寨溝發生7.0級地震,部分學者從不同方面對該地震進行研究,并發表許多研究成果[1-2]。關于地震震源和地震構造,普遍的共識是青藏地塊向東推進中受到四川盆地堅硬地殼的阻擋,導致應力積聚和地震發生。然而,地震前是否存在異常現象、異常表現的空間和時間特征以及異常過程的機理等都是需要探究的問題。因此,本文使用地震前震中附近地震臺站的觀測數據來探討這些問題,研究區范圍為101.0°～105.0°E、30.0°～34.5°N(圖1)。

圖1 九寨溝7.0級地震位置和本研究中使用的地震臺站Fig.1 Location of the Jiuzhaigou MS7.0 earthquake and seismic stations used in this study

1 九寨溝7.0級地震及其區域構造背景

根據中國地震臺網測定,北京時間2017-08-08 21:19:46中國四川省九寨溝(33.2°N, 103.82°E)發生7.0級地震,震源深度20 km。此次地震是2008年汶川8.0級地震后青藏高原東部和東北緣發生的強震之一,另外還有2010年玉樹7.1級地震、2013年廬山7.0級地震、2012年岷縣-漳縣6.6級地震和2014年魯甸6.5級地震。表1為部分機構(GCMT為全球矩心矩張量,NEIC為美國國家地震信息中心,IPGP為巴黎地球物理研究所,CEA-IGP為中國地震局地球物理研究所)提供的九寨溝MS7.0地震震源機制解。

表1 不同機構提供的九寨溝7.0級地震震源機制解

盡管各機構提供的發震斷層參數略有差異,但均表明此次地震是一次走滑事件。研究表明[3],此次地震主要為左旋走滑事件,同時具有較小的逆沖分量。地震發生在青藏高原東部邊緣的巴顏喀拉地塊東北緣,震中位于岷江斷裂、虎牙斷裂和塔藏斷裂交界處,北西向的東昆侖斷裂位于震中西北部,近西北走向的龍日壩斷層位于震中西側,東北走向的龍門山斷裂帶位于震中東側(圖1)。研究表明,龍日壩斷層以右旋走滑和逆沖運動為特征;塔藏斷裂西部主要表現為走滑運動,而東部則表現為逆沖運動;岷江斷裂為逆沖左旋走滑斷裂;虎牙斷裂由北向南由左旋走滑逐漸轉為逆沖運動;龍門山斷裂系帶主要表現為逆沖和右旋走滑運動。

2 數據處理

從布設在九寨溝地震震中附近寬頻帶地震儀臺站中,選擇10個具有高質量數據地震臺站的垂直記錄,這些數據包含地面運動速度。地震和臺站位置如圖1所示。儀器頻帶范圍為0.016～50 Hz,采樣率為每秒100個樣點。研究時段為2017-05-01～08-08。

熵是對系統復雜性的定量描述。Bandt等[4]引入符號學的概念,提出一種計算時間序列數據排列熵的方法,該方法穩健有效,已應用于多個領域[5-6],但在地球科學領域的應用較少,個別文獻可見在其微震信號降噪處理方面的應用[7]。許康生等[8]曾利用22個地震臺的觀測數據,研究汶川MS8.0地震前32 h地面運動的排列熵變化,發現在震前22 h開始震中附近出現排列熵高值區和低值區的異常變化,大地震就發生在高低值陡變交界部位。本文采用Valentina使用MATLAB編寫的排列熵計算代碼,基于地震數據提取九寨溝7.0級地震孕育和發生的異常信息,并探討其機理。

對于離散時間序列[xi,i=1, 2,…,n],可在相空間中重構任一元素X(i),以獲得矩陣xk=[X(k),X(k+t), …,X(k)+X(k+(m-1)t],其中t為延遲時間,m為嵌入維。通過將X(i)的m個重構分量按升序排列,任何向量Xi都可以用來獲得一組符號序列,A(g)=[j1,j2,…,jm],其中g=1, 2,…,k, 每個符號序列的發生概率為P1,P2, …,Pk。對于時間序列[xi,i=1, 2, …,n],k序列的排列熵可表達為:

(1)

當Pv=1/m!時,HP(m)為最大值ln(m!)。歸一化熵為:

0≤Hp=Hp(m)/ln(m!)≤1

(2)

熵值越大,表明系統的復雜性越大;反之,復雜性越小。

3 模擬信號測試

為了測試排列熵計算方法的有效性和可靠性,構建一個模擬信號,由隨機噪聲(圖2(a))和含噪的2個正弦波疊加信號(圖2(b))構成,隨機噪聲信號的均值和方差分別為0和2,正弦波信號的周期為20 s和5 s,振幅分別為10和2。圖2(c)為由2段隨機噪聲和1段含噪正弦信號構成的模擬信號,3段信號的時長均為1 200 s,采用同樣的排列熵計算方法得到的熵值為0.87;另外構建一個由2段時長分別為100 s的噪聲信號和1段時長為3 400 s的含噪正弦信號構成的模擬信號(圖2(d)),計算得到其排列熵值為0.56。本文將噪聲信號視為無序信號,將正弦波疊加信號視為有序信號,對比圖2(c)和2(d)可知,在同等時長信號中,有序信號占比越大,其排列熵值就越小。

圖2 模擬信號的排列熵計算Fig.2 Calculation of permutation entropy of simulated signals

4 結果與討論

圖3為 10個地震臺在2017-05-01～08-08期間垂直分量排列熵變化。為便于討論,本文為每個臺站熵值的時間序列設定閾值,并視為熵值異常變化的基準,如果熵值大于該閾值,則視為常態熵狀態。由于每個臺站的背景噪聲不同,每個站點的閾值也不同,其為該臺站熵中值乘以一個系數。在本研究中,使用的系數為經驗值,其中DBT、MXT、WXT和ZHQ站系數為0.95,AXI、MEK和MQT站系數為0.96,GZA、HSH和SPA站系數為0.98(圖3中用紅色標記)。由圖3可知,在7月中旬至8月初出現排列熵的異常變化。由于所有臺站均存在這種現象,因此可以排除受當地環境干擾的可能性。為了關注該異常過程,特別給出07-14～08-08排列熵的變化(見圖4,圖3中虛線框范圍),排列熵的總體下降趨勢中出現2個低點,較小的振幅出現在07-18左右,而07-30左右振幅較大。其中,MEK、ZHQ和DBT站熵值較小,分別為0.75、0.76和0.79,與平均值相比分別降低12%、12%和10%。本文認為熵值降低可描述地下物質的有序運動過程,也可解釋為此次地震的能量匯聚過程。

圖3 地震動排列熵的時間序列變化(2017-05-01～08-08)Fig.3 Time series changes of the permutation entropy of ground motion(May 1 to August 8, 2017)

圖4 地震動排列熵的時間序列變化 (2017-07-14～08-08)Fig.4 Time series changesof the permutation entropy of ground motion(July 14 to August 8, 2017)

為研究排列熵值的時空變化,獲得07-14～22和07-27～08-07期間10個臺站的排列熵日均值,并通過網格插值得到每日的空間分布(圖5、6)。由圖5可知,07-14研究區處于高熵值狀態,視為無序運動狀態,呈NW-SE向帶狀分布。最高值出現在東南部(茂縣附近),并沿松潘-震中一帶突出,這可能與岷江斷裂南段構造有關(圖5(a));07-15之后,熵值總體逐漸下降,在07-17達到最低點,高值區縮小到茂縣東南側。這是熵值首次快速下降過程(圖5(b)～(e)),07-19熵值開始增加,高值區向西北方向擴展(圖5(f)～(i))。

灰色線條表示斷層,藍點表示縣城。①龍門山斷層;②虎牙斷層;③岷江斷裂;④龍日壩斷層;⑤塔藏斷裂

由圖6可知,07-27若爾蓋、黑水和松潘地區熵值較高(圖6(a))。值得注意的是,茂縣周圍存在低值區(以下簡稱茂縣區)。07-28高值區減少,茂縣區熵值進一步降低,低值范圍擴大(圖6(b))。07-29由于西南側和東北側低值區域擴大,高值區縮小至紅原-黑水一帶,茂縣地區熵值持續下降,低值區范圍向北延伸;震中東北部的低值區向南移動(圖6(c))。07-30～31整個研究區熵值均有所下降,茂縣地區和東北部的低值區相連,此次熵值的下降幅度比第1次事件更大(圖6(d)～6(e))。08-01茂縣地區熵值開始增加,低值范圍向北移動(圖6(f))。08-02之后,茂縣地區處于高值狀態,熵值迅速增加,并向北推進并靠近震中區(圖6(g)～6(l)),08-08發生的九寨溝地震就處于高值區和低值區的交界處。2018年汶川MS8.0地震也有類似結果[9], 這是一個值得關注的現象。

灰色線條表示斷層,藍點表示縣城。①龍門山斷層;②虎牙斷層;③岷江斷裂;④龍日壩斷層;⑤塔藏斷裂

部分學者基于對青藏高原及其周圍構造地貌之間關系的流體動力學模擬,提出青藏高原下地殼通道流的動力學模型,并指出存在下地殼“管道流”的可能性,且該結果與GPS觀測結果一致[9-10]。另有研究表明,青藏高原東部邊緣存在約15 km厚的粘性流變層,該層向東流入龍門山地區[11]。Zhao等[12]研究認為,龍門山斷裂帶西側的松潘-甘孜地殼中存在部分熔融結構。另有研究表明,青藏高原塊體東向運動在龍門山地區受阻后,地殼流被分流成2～3個分支,其中一個分支向上侵入上地殼[13]。該區域橫波速度結構表明,松潘-甘孜地塊在25～45 km深處有一個低速層,并認為這有利于下地殼物質的橫向流動[14]。部分學者認為,20～30 s瑞利波相速度分布表明,松潘-甘孜地塊的中下部地殼中存在低速層,40～60 s瑞利波相速度可能與上地幔的熱狀態有關[15]。一些學者使用背景噪聲成像來研究龍門山及其周邊地區的速度結構,發現龍門山南部地區深度超過20 km的松潘地塊存在低速結構[16]。大地電磁測深結果也表明青藏高原東部邊緣地殼中存在地殼“管道流”,認為在岷江斷層以西15～30 km深處以及岷江斷層和虎牙斷層以東20～50 km深處存在明顯的高導體,這一特征也出現在龍門山斷層的3個測量剖面上[10,17]。部分學者通過對區域重力場進行小波多尺度分析,獲得青藏高原的三維密度結構,認為青藏高原下地殼物質的低密度側向擠壓可分為3個分支:一支從西昆侖到天山,一支自松潘-甘孜地塊到銀川盆地,另一支從高原南緣到云南大理[18]。

結合上述研究成果,本文重點討論2個熵值減少事件。第1次事件發生在07-14～22和07-14～18,期間西南部和東北部出現低值區,熵值迅速下降(圖5(a)～5(e)),揭示了青藏地塊向東推進,并受到東北側華北地塊強烈阻擋作用的地質過程。西北-東南方向擴散的高值區向茂縣退縮,這表明有序的東北向推壓趨于主導地位。07-19～22期間,上述過程發生逆轉(圖5(f)～5(i)),茂縣附近低值區的熵值增加并向西北擴展。結合其他學者的研究結果,本文認為該過程代表一個物理過程,即地殼物質在龍門山南部受到四川盆地剛性物質的阻擋作用,沿著茂縣和松潘之間的低速層向東推進,流變物質側向運動或向上侵入導致上地殼剛性物質發生顫動,顯示為高值狀態。低頻分量占主導地位,表明其處于相對有序的狀態,熵值較低?；谖锢韺W基本原理,中地殼和下地殼的流變體傾向于低頻運動,而上地殼的剛性非均勻物質傾向于高頻振動。因此本文認為,熵值的快速下降是中地殼和下地殼流變層運動加劇的表現,而熵值的增加表征了在流變物質的擠壓作用下上地殼的無序顫動,對該區域地殼電性結構、速度結構和重力場特征的研究結果也能支持上述運動存在的可能性[15,17-18]。值得注意的是,07-18茂縣附近出現一個小的低值區(圖5(e)),這可能是流變物質受阻后向上涌的表現。第2次事件發生在07-27～08-07(圖6),茂縣附近的低值區再次出現,熵值迅速下降并向北擴展。07-30低值區位于松潘附近,最低值出現在07-31。這2個熵值減少的過程可能是中下地殼能量匯聚的表現。在此之后,茂縣地區迅速轉變為高值區,并向西北擴張。08-01茂縣高值區的形成及其快速向西北擴張是流變物質沖擊上地殼的結果,也是引發地震的重要因素之一。

5 結 語

基于其他學者對研究區地殼速度結構、電性結構、密度結構和運動特征的研究成果以及本文研究結果認為,垂直地殼運動的異常排列熵過程代表了07-14～22和07-27～08-07九寨溝地震形成的最后階段,青藏塊體的東移受到華北塊體和華南塊體的阻擋作用,地震能量積聚在九寨溝地區這些塊體的交會處,這與先前對此次地震的研究結果一致。茂縣低值區的形成、轉化為高值區并向松潘方向延伸(而不是沿著斷層),也佐證了該通道中流變層的存在,同時也表明地震是由向東移動的中下地殼流變物質受阻后的上涌和側向逃逸所引發。茂縣低值區和東北低值區呈帶狀分布,表明下地殼流變體的運動是本次地震形成和發生的重要因素。

致謝：地震數據來自四川地震臺網和甘肅地震臺網,部分計算使用Valentina Unakafova博士開發的MATLAB代碼(http:∥cn.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/44161-permutation- entropy-fast-algorithm, 訪問時間為2017-04),部分圖件使用GMT5.4.5進行繪制(http:∥www. soest.hawaii.edu/gmt, 訪問時間為2019-01),在此一并表示感謝。