长周期形变波及其所反应的短期和临震地震前兆
LONG-PERIOD DEFORMATIONAL WAVES AND SHORT- TERM AND IMMINENT EARTHQUAKE PRECURSORS
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摘要: 本文应用断裂力学和流变介质中波的传播理论来研究震前长周期形变波的波动源以及这类波传播的一些主要特征,在理论研究结果的基础上,对我国多次较大地震前观测到的短临地震前兆进行了剖析,并从中识别出一些可能与长周期形变波有关的短临地震前兆.首先,从粘滑与破裂这两类主要地震机制出发,提出了粘滑前的预滑与破裂前断裂的预扩展(亚稳态扩展)可能是产生震前长周期波的两类波动源的看法,并着重从理论上讨论了后一类波动源.其次,以地壳流变介质模型为基础,对长周期形变波的传播特性进行了理论研究.选用地壳的广义流变介质模型,求解了所述的两类波动源在这种流变地壳介质中引起的长周期形变波传播的动力学问题,从理论上得出了长周期形变波在地壳内传播的某些一般特征.然后,专门分析了我国多次大地震前实际观测到的短期和临震地震前兆资料,并着重讨论了唐山地震的短临前兆.在这些不同类型的短临地震前兆中,我们得出地下水位、地倾斜及潮位自动记录曲线等的某些振动式及阶跃式短临地震前兆与长周期形变波的理论探讨结果基本相符,因而可以认为它们属于由长周期形变波所反映的地震前兆.在理论研究与实际资料分析的基础上,本文归纳了由长周期形变波所引起的短临地震前兆的一些基本特征,包括传播速度、衰Abstract: By using the theory of fracture mechanics and the theory of wave propagation in rheo-logical medium the sources and propagation characteristics of long-period deformational waves of the earth before large earthquakes are studied. On the basis of theoretical work, the observational data of short-term and imminent precursors before many strong and moderate earthquakes occurred in China are analyzed, and among them some kinds of precursors which could be related to long-period deformational waves are recognized.Considering brittle fracture and stick-slip as two main types of earthquake mechanism, it is suggested that both pre-slips before stick-slips and crack propagation before rupture may be the sources of long-period deformational waves a large earthquake of which the latter has been emphasized, in our discussion.Taking a complex rheological model of crustal medium, some general characteristics of propagation of long-period deformational waves have been studied and solutions of corresponding dynamic problems for the propagation of long-period waves caused by the two given types of sources were obtained theoreticallyThen, the observational data of short-term and imminent precursors before a series of large earthquakes were analyzed, especially, the precursors before the Tangshan (M=7.8) and Liyang (M =6.0) earthquakes were studied in detail. Among the precursors analyzed, some oscillation-type and step-type changes of precursors can be observed by using automatic recordings of underground water level, tiltmeter and the tidegauge measurements, that might be closely correlated with the long-period deformational waves studied here theoretically.Based on the theoretical and practical results obtained, some general characteristics of short-term and imminent precursors as given rise by the long-period deformational waves have been summarized. They are of the velocity of wave propagation, amplitude attenuation, type of vibration, waveform change, intensity distribution, period range, time of precursory appearance before earthquake and maximum distance of propagation.In conclusion, the methods for observation and analysis of long-period deformational waves and their application to earthquake prediction particularly short-term and imminent prediction and to the study of earthquake source process are briefly discussed.
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引 言
地震波(P，S，pP，sP等)在传播过程中，遇到间断面会发生反射或转换，所产生的新震相(P410P，P660P，S410S，S660S，S410P，S660P，s410P等)为间断面(“410”，“660”等)的深入研究提供了地震学基础(Flanagan，Shearer，1998a； Deuss，2009； Schmerr，Thomas，2011)． 这些前驱震相在单条记录中的能量(幅度)往往很弱，常淹没于噪声之中； 但是通过叠加大量的观测波形数据，则可以压制噪声，更加有效地提取与间断面相关的有用信号(Rost，Thomas，2002； 臧绍先，周元泽，2002)．
很多研究者利用下行的转换震相在间断面的转换点深度确定该间断面的深度． 例如： Richards和Wicks(1990)使用SdP转换波，利用非线性叠加方法对汤加地区下方的“670”间断面的深度和性质进行了深入研究； 谢彩霞等(2012)利用4次根倾斜叠加方法有效提取了离源下行的SdP次生转换震相，进一步确认了汤加—斐济下方300 km附近速度间断面的存在； Li等(2008)通过叠加S--P转换波，计算了中国东北地区“660”间断面的深度，并探讨了俯冲带对“660”间断面的影响．
发生在俯冲带中的深震会在近源区速度间断面产生反射震相(p410P，s410P等)和转换震相(S410P，S660P等)(Flanagan，Shearer，1998b)． 长周期震相(PP，SS)前驱波方法对狭窄俯冲带间断面的横向分辨具有很大局限性(Flanagan，Shearer，1998a； Schmerr，Thomas，2011)． 接收函数方法是研究地球内部间断面的一种有效方法，可以通过P波与其上行转换波Pds的到时差来确定间断面的深度(Langston，1979)，但其主要适用于三分量地震台站下方壳、 幔间断面的研究．
在深源地震(震源深度h＞300 km)分布密集的俯冲带(如汤加—斐济俯冲带)，使用深震震相sP在近源区速度间断面底界面反射的震相s410P确定狭窄俯冲带间断面的横向变化具有很大的优势． 本文将通过倾斜叠加大量的观测波形数据，有效提取sP在近源区“410”速度间断面底界面反射的弱前驱波s410P，利用sP震相与其前驱波s410P震相的到时差计算汤加—斐济俯冲带“410”速度间断面的深度．
1. 台网资料
甘肃地震台网由甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵构成，二者均处于青藏高原东北缘． 甘肃“十五”数字测震台网自2008年6月正式运行，由兰州、 高台、 安西、 嘉峪关和天水等5个有人值守的国家数字地震台和39个区域遥测数字地震台组成(冯建刚等，2012)，目前拥有包括邻省(宁夏、 陕西、 四川、 青海、 内蒙)在内的76个数字测震台站． 甘东南野外观测流动台阵是中国地震局地质研究所和中国地震局兰州地震研究所共同合作在甘东南地区勘址架设，共设有7条测线，150个流动台站，平均台间距约为10 km(图 1)． 所有台站均使用REF TEK-130型数据采集器和Guralp公司生产的CMG-3ESPC宽频带地震计． 甘东南野外观测流动台阵运行期间(2009年11月—2011年12月)积累了连续、 可靠、 高质量的地震观测波形数据，为深入研究地球内部物理结构提供了宝贵资料(秦满忠等，2015)．
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图 1 甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵分布Figure 1. Distribution of the Gansu Digital Seismic Network (blue triangles) and southeastern Gansu temporary observation array (black triangles)本文选取了甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵共同记录的2011年9月15日发生在汤加—斐济俯冲带(21.61°S，179.53°W，h=644 km，mB=7.3)的深远地震数字观测波形数据，定位结果参考了USGS(2011)地震目录．
2. 数据处理
深震震相sP与其前驱波s410P在地幔中的传播路径基本相同． sP是上行的S波在震中附近地表反射转换的P波； s410P是上行的S波在震中附近“410”间断面底界面反射转换的P波(图 2)，该震相在初至震相P与sP之间到达(图 3)．
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图 3 甘肃地震台网记录到的2011年9月 15日发生在汤加—斐济俯冲带的深远 地震的数字观测波形sMohoP， sLABP和s410P震相分别表示sP在 近源区莫霍面， 岩石圈和“410”的前驱波 The seismic phases sMohoP， sLABP and s410P are the precursors from near-source underside reflection off Moho， lithosphere-asthenosphere boundary， and “410”, respectivelyFigure 3. Waveforms of mB=7.3 event occurred in Tonga-Fiji on September 15， 2011， recorded by the Gansu Seismic Network首先对所选取的汤加—斐济深远地震观测波形数据作重采样、 去倾斜、 去均值处理; 然后作带通滤波处理(0.1—0.01 Hz)，同时去掉记录畸形、 信噪比差的观测波形； 最终选取了甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵共同记录到的170条垂直分量观测波形数据． 如图 3所示，汤加—斐济深远震在台网记录中的震中距为88°—102°．
通过倾斜叠加大量的观测波形数据，可以压制噪声，有效地提取与间断面相关的弱信号(Ritsema et al，1995； 臧绍先，周元泽，2002)． 在进行倾斜叠加的过程中，选取震中距为94°的台站(红崖山台)作为参考台，sP为参考震相，并以sP震相到时为零时刻(图 3)． 信号i(s410P)在任意台s的到时为Δtir+ΔpΔDrs，以红崖山台为参考台的倾斜叠加结果为
式中，Δtir为参考震中距记录的信号i(s410P)与参考震相sP之间的走时差，Δp为信号i在任意台s的水平慢度与信号i(震中距为参考台震中距)水平慢度之差，ΔDrs为任意台s与参考台的震中距之差， m为使用地震记录的台站数．
以sP为参考震相，使用倾斜叠加方法获得了在震中附近“410”间断面底界面反射的前驱波信号s410P，其反射点位置为(21.25°S，179.99°W)． 该信号在倾斜叠加波形(图 3中红色线条)中成像清晰，与参考震相sP的观测走时差为137.43 s，使用TauP软件结合理论IASP91全球速度模型得到的s410P与震相sP理论走时差为137.04 s； 通过使用基于CRUST1.0模型(Laske et al，2013)校正后的汤加—斐济地区速度模型IASP91_Tonga(图 4)，反算出“410”间断面底部反射点的深度约为398.5 km，“410”间断面抬升约11.5 km，这与俯冲带与近源区“410”间断面的相互作用有关．
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图 4 全球速度模型IASP91以及修改后的汤加—斐济地区速度模型IASP91_TongaFigure 4. IASP91 velocity model and modified velocity model (IASP91_Tonga) of the Tonga-Fiji zone in this paper3. 讨论与结论
甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵记录的汤加—斐济深震震相pP和sP均具有尖锐、 清晰和较大振幅的记录特征，sP记录振幅甚至超过了直达P波，这为我们使用前驱波(sMohoP，sLABP和s410P等)对近源区间断面(莫霍面，岩石圈，“410”等)的深入研究提供了基础资料．
鉴于前驱波震相在单条记录中的能量(振幅)往往很弱，本文通过倾斜叠加大量的观测波形数据，获得了在近源区“410”间断面底界面反射的前驱波震相s410P，并使用CRUST1.0模型校正后的汤加—斐济地区速度模型IASP91_Tonga，反算出“410”间断面底部反射点的深度约为398.5 km．
图 3中震相sLABP和sMohoP相对于参考震相sP的走时差分别为23.16 s和10.62 s. 我们同样对震源区的地壳及岩石圈结构作了修改(图 4)，使用TauP软件计算得到近源区岩石圈的深度约为46 km，莫霍面深度约为10 km．
俯冲带对“410”和“660”的影响是目前研究的一个热点(Li et al，2008)． 该研究涉及到间断面的性质，又能反映地幔对流的性质和形式． 俯冲带是冷的下沉物质，其通过间断面时会引起间断面的形态变化． 若“410”为相变界面，俯冲带会使它抬升(Vidale，Benz，1992； Collier，Helffrich，1997); 若“660”为相变界面，俯冲板块中的冷物质将使它下沉． 因此，汤加—斐济俯冲带中冷的物质与“410”作用时，俯冲带及相邻地幔中的橄榄石-尖晶石的相变界面会上升(蒋志勇等，2003)． 本文中得到的汤加—斐济俯冲带“410”间断面抬升约11.5 km与该结论一致．
本文使用倾斜叠加技术成功提取了sP前驱波(s410P，sLABP和sMohoP)，获得了俯冲带间断面的深度，给出了汤加—斐济俯冲带新的地震波速度模型(IASP91_Tonga)． 本文结果将为深入研究该区域的地球结构提供基础资料，对正确认识俯冲带的复杂结构以及深入理解地球深部的动力学过程具有重要的参考价值．
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期刊类型引用(3)
1. 靳炎锡，秦满忠，李少华. 利用前驱波研究地幔间断面的若干进展. 地震工程学报. 2023(01): 209-219+243 . 
百度学术
2. 崔辉辉，高雅健，周元泽. 伊豆-小笠原地区岩石圈软流圈边界地震学证据. 科学通报. 2017(07): 711-720 . 百度学术
3. 秦满忠，刘旭宙，邹锐，张元生，郭晓，魏从信，王亚红，孙点峰. 甘肃祁连山大容量气枪主动源最大探测范围. 地震工程学报. 2017(06): 1070-1075 . 百度学术
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