利用主动震源监测地下介质衰减特性变化

陈海潮　葛洪魁　王宝善　宋丽莉　王伟涛

摘要: 监测地下介质物性动态变化对于研究地震的孕育发生过程具有重要意义. 汶川地震发生后, 在汶川地震主断裂带东北端的陕西省宁强县, 建立了一套主动震源观测系统,利用电动落锤作震源对断裂带开展了近一个月的连续监测实验. 利用主动震源激发波形的高度可重复性, 用谱比法计算了浅层地下介质衰减参数t*随时间的变化, 并与波速和大气压变化进行了对比分析. 结果显示, 由未固结的沉积层和破碎岩石组成的断裂带地震波衰减强,品质因子为10左右；衰减参数t*与大气压的变化有很好的相关性, 并与波速随大气压的变化趋势一致, 可能是由于大气压变化导致浅层介质的裂隙密度变化引起的；强余震引起显著的t*的同震变化及震后各接收台站的不同变化趋势. 野外实验表明, 主动震源是一种监测地下介质物性变化的有效方法.

关键词:

汶川地震　主动震源　地震波衰减　随时间变化　大气压

Abstract: Monitoring subsurface medium properties is essential for understanding earthquake evolution process. After the occurrence of Wenchuan MS8.0 earthquake, a 1-month field experiment was conducted in Ningqiang County, Shaanxi Province, to monitor subsurface medium property variation. The experiment site is located at the northeast end of the main fault ruptured during the devastating Wenchuan earthquake. An electric drop hammer was used for highly repeatable excitation of elastic waves. We extracted small temporal variations of the attenuation parameter t* of subsurface medium using spectral ratio method, and investigated the correlation between the attenuation, wave velocity and atmospheric pressure. The result shows that the shallow fault zone, which is generally composed of sedimentary cover and unconsolidated rocks, exhibits strong attenuation with a quality factor Q of about 10; the temporal variation of t* is strongly correlated with the variation of atmospheric pressure and is conformable to seismic velocity change with atmospheric pressure, which is probably caused by the opening and closing of compliant microcracks associated with pressure variation; apparent co-seismic change, as well as different post-seismic variation patterns across different seismic stations, of t* associated with a moderate aftershock is identified. Our field experiment shows that it is feasible to monitor subsurface medium properties using active source.

引言

据江苏省测震台网测定，2019年9月22日6时43分，黄海海域发生M_L2.6地震（121.54°E，33.01°N），之后震中附近小地震活跃，并于2019年12月8日16时10分发生M_L4.6地震（121.39°E，33.06°N）。2019年9月22日至2019年12月18日，江苏省测震台网共记录到黄海地区M_L1.0以上地震12次，其中M_L1.0—1.9地震1次，M_L2.0—2.9地震4次，M_L3.0—3.9地震4次，M_L4.0—4.9地震3次。3次M_L4.0以上地震分别为2019年12月8日黄海M_L4.6、12日黄海M_L4.1和18日黄海M_L4.0地震（图1），其中黄海M_L4.6地震是此次地震序列的主震，该地震的发生使江苏的大丰、东台、盐城等多地居民有震感。

图 1 南黄海盆地区域构造及测震台站和M_L≥4.0地震分布

Ⅰ ：北部坳陷；Ⅱ ：中部隆起；Ⅲ ：南部坳陷；Ⅳ ：勿南沙隆起；Ⅴ ：苏北盆地。F₁：淮阴—响水—千里岩断裂；F₂：江山—绍兴断裂；F₃：陈家堡—小海断裂；F₄：栟茶河断裂；F₅：苏北—滨海断裂带

Figure 1. Regional tectonic settings of the South Yellow Sea basin region and distribution of seismic stations and M_L≥4.0 earthquakes

Ⅰ ：Northern depression；Ⅱ ：Middle uplift；Ⅲ ：Southern depression Ⅳ ：Wunansha uplift；Ⅴ ：Subei basin. F₁：Huaiyin-Xiangshui-Qianliyan fault；F₂：Jiangshan-Shaoxing fault；F₃：Chenjiabao-Xiaohai fault；F₄：Benchahe fault；F₅：Subei-Binhai fault zone

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黄海M_L4.6地震序列所处的南黄海盆地位于淮阴—响水—千里岩断裂与江山—绍兴断裂之间（庞玉茂等，2016），自北向南由多个坳陷和隆起单元构成，其中勿南沙隆起带走向近EW，长达100 km，主要由中生代和古生代地层组成（郝天珧等，2010）。勿南沙隆起带附近的地震断裂以NE向和NW向为主，NE向断裂控制了坳陷和隆起的边界，NW向断裂为张扭性断裂，错开了一系列NE向断裂，其中：陈家堡—小海断裂走向NE50°，倾向NW，控制了第四系沉积；栟茶河断裂走向WNW，视倾角约为60°—75°，为上陡下缓的铲形正断层（顾勤平等，2017）；NW向苏北—滨海断裂带倾向NE，是一条构造活动较为强烈的右旋走滑断裂，切割了第四系中上部层位。黄海M_L4.6地震序列即发生在苏北—滨海断裂带东侧约27 km处（图1）。历史上该断裂附近曾发生多次M6.0以上地震，特别是1970年以来滨海断裂带附近地震也比较活跃，共发生M_L5.0以上地震6次（图1），其中震级最大为1984年5月21日黄海M_S6.2地震，距离此次黄海M_L4.6地震67 km。判断此次地震序列的发生是否与苏北—滨海断裂带活动有关是区域震情分析中的重要问题。研究此次黄海地震序列的震源机制参数和时空分布特征，有助于更直观地了解黄海地震序列的发震机理，定量地判断黄海地震序列与苏北—滨海断裂带的关系。

鉴于此，本文拟基于华东地区测震台网记录的波形资料，采用CAP （cut and paste）方法（Zhao，Helmberger，1994；Zhu，Helmberger，1996）反演2019年黄海地震序列中M_L4.6主震和M_L4.1地震的震源深度和最优震源机制参数，再基于地震序列的震相报告，采用双差定位方法（Waldhauser，Ellsworth，2000）对此次地震序列进行重新定位，并在此基础上结合区域的地球物理场特征，对黄海M_L4.6地震序列的发震机理进行探讨，以期为判断地震序列的发震构造以及评估区域地震危险性提供可靠的基础信息。

1. 震源深度和震源机制参数

1.1 方法

黄海M_L4.6地震序列位于南黄海盆地的勿南沙隆起带内部，江苏省测震台网对该地震序列覆盖的方位角近180°，该序列东侧海域无测震台站。考虑到CAP方法（Zhao，Helmberger，1994）可以更充分地利用地震观测波形中的震相信息，尤其是对于可用观测资料有限的地震事件，该方法对震源机制的约束相对更全面，而且已经得到广泛应用（郑勇等，2009；李强等，2015；洪德全等，2017；李锋等，2017，Han et al，2017）。因此本文采用CAP方法对2019年12月8日黄海M_L4.6和12日黄海M_L4.1地震的震源矩心深度和震源机制进行反演。

1.2 数据

在2019年黄海M_L4.6地震序列的地震事件波形中，2019年12月8日黄海M_L4.6和12日黄海M_L4.1地震的震级相对较大，区域测震台站记录到的波形资料质量较高。我们按照波形信噪比高、震相清晰的要求，选取了震中距在400 km以内的9个测震台（图1）的波形数据，对其进行去仪器响应、坐标转换和滤波等常规处理。滤波器采用4阶巴特沃斯（Butterworth）带通滤波器，其中体波带宽为0.15—0.2 Hz，面波带宽为0.05—0.1 Hz。滤波后的波形用于地震震源深度和震源机制的反演。

在合成理论地震图时，我们采用频率-波数方法（Zhu，Rivera，2002），参考区域的人工地质探测剖面和速度层析成像研究结果（张锁喜等，1990；黄忠贤等，2009），利用传播矩阵算法计算地震事件的理论波形；之后在理论波形与观测波形的拟合过程中，采用网格搜索法搜索拟合误差最小的地震深度及其对应的震源机制解参数。在本文采用的速度模型Ⅰ中，沉积层的厚度约5 km，处于20—15 km深度处，波速相对较低，为低速异常区（图2），地壳厚度为32 km。

图 2 研究区域的速度模型

Figure 2. Crust velocity model of study region

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1.3 震源深度及震源机制反演

图3为黄海M_L4.6地震和M_L4.1地震的观测波形与计算波形的拟合误差随地震深度的分布。对于黄海M_L4.6地震，误差函数在20 km深度处为极小值（图3a），最小拟合误差为2.842×10⁻⁴，因此黄海M_L4.6地震的最佳深度为20 km。由图3b可见，黄海M_L4.1地震的最佳深度为21 km，波形拟合最小误差为4.864×10⁻⁵。

图 3 黄海M_L4.6 （a）和M_L4.1 （b）地震的波形反演拟合误差随深度的变化

Figure 3. Misfit variation with focal depth for the M_L4.6 （a） and M_L4.1 （b） Yellow Sea earthquakes

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在反演到的两次黄海地震的最优深度处，我们对比了观测波形与计算波形，结果如图4所示。在黄海M_L4.6地震的波形拟合（图4a）中，参与计算的震相有35个，观测波形与计算波形之间的相关系数大于0.6的有25个，占71%，相关性较好，反演结果较为可靠。黄海M_L4.1地震的震级相对较低，在参与反演的20个地震震相中（图4b），观测波形与计算波形之间的相关系数大于0.6的有12个，占60%，反演结果基本可靠。

图 4 黄海M_L4.6 （a）和M_L4.1 （b）地震的合成地震波形（红色）与观测波形（黑色）的对比

波形下方的数字依次是理论震相相对观测震相的滑动时间（单位为s）和波形的相关系数，波形左侧为测震台站名称及其震中距（单位为km）

Figure 4. Comparison between synthetic waveforms （red） and observed ones （black） of the Yellow Sea M_L4.6 （a） and M_L4.1 （b） earthquakes

The numbers below the seismic waveforms show the time difference （unit in s） between the synthetic waveforms and observed ones and their correlation coefficient，respectively. On the left are the station and epicenter （unit in km）

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经反演获得黄海M_L4.6地震的震源机制解参数，如表1所示，震源机制解节面Ⅰ的走向为NW、倾向为SW，节面Ⅱ的走向为NE、倾向为SE；P轴方位为ENE向，倾角近水平；T轴方位为WNW向。黄海M_L4.1地震的震源机制解节面Ⅰ的走向为NW、倾向为SW，节面Ⅱ的走向为NE、倾向为SE；P轴方位为ENE向，倾角近水平；T轴方位WNW向。黄海M_L4.6和M_L4.1地震震源机制解的P轴和T轴方向与该区域的最大水平压应力和最小水平压应力方向（许忠淮，吴少武，1997）一致。

表 1 2019年黄海M_L4.6和M_L4.1地震的震源机制解参数

Table 1. Focal mechanism solution parameters of the Yellow Sea M_L4.6 and M_L4.1 earthquakes in 2019

发震时间年-月-日	M_L	节面Ⅰ			节面Ⅱ			P轴		T 轴
发震时间年-月-日	M_L	走向/°	倾角/°	滑动角/°	走向/°	倾角/°	滑动角/°	方位角/°	倾角/°	方位角/°	倾角/°
2019-12-08	4.6	123	74	61	6	33	149	235	23	359	52
2019-12-12	4.1	135	77	32	37	59	165	263	12	0.16	31

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在震源机制反演过程中，我们采用的速度模型Ⅰ在20—25 km深度为低速层。为了测试震源机制反演的稳定性，我们建立无低速层的速度模型Ⅱ（图2）。以2019年12月8日黄海M_L4.6地震为例，基于速度模型Ⅱ反演该地震的震源机制解。反演获得的最优震源机制参数为：节面Ⅰ的走向为121º，倾角为75º，滑动角为54º；节面Ⅱ的走向为11º，倾角为39º，滑动角155º。与采用速度模型Ⅰ的反演结果相比，采用模型Ⅱ所获的反演震源机制参数变化很小，说明区域内低速层的存在对反演结果的影响不大，反演结果可靠。

2. 地震序列重新定位

上述表明，通过反演的地震震源机制参数，仍然无法确定此次黄海地震序列的破裂方向。鉴于定位精度较高的地震空间分布可以反映发震构造的几何形态（刘建达等，2009；房立华等，2018；李锋等，2019；李君等，2019），本文采用双差定位算法（Waldhauser，Ellsworth，2000），参考图2中的P波速度模型（波速比1.73），根据测震台网提供的地震序列的震相到时信息，利用震中距在62—295 km内的19个地震台站（图5a），对此次地震序列进行重新定位。在重新定位的过程中，设置最小连接数和最小观测数均为8，震源间距小于10 km，P波和S波到时的权重分别为1.0和0.7。

图 5 精定位采用的测震台站分布和黄海地震序列定位前、后的震中分布图

（a）测震台站分布；（b）双差定位前、后地震震中分布，其中灰色为双差定位前地震震中；（c）地震沿AA′剖面的震源深度分布；（d）地震沿BB′剖面的震源深度分布

Figure 5. Distribution of the seismic stations used in the precise relocation and earthquake epicenters before and after precise relocation

（a） Distribution of seismic stations；（b） Earthquake epicenters before and after precise relocation，where gray dots are the epicenters before relocation；（c） Focal depth along the section AA′；（d） Focal depth along the section BB′

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重新定位后的地震空间分布如图5b所示，可见黄海地震序列集中分布在苏北—滨海断裂带以东，相对于测震台网给出的地震震中分布更为集中，主要分布在长约10 km （AA′）、宽约2 km （BB′）的矩形内。双差定位结果的南北、东西、垂向误差分别为0.41，0.32，0.27 km。该地震序列分布的优势方向为NW向，与12月8日黄海M_L4.6和12日黄海M_L4.1地震震源机制解节面Ⅰ的走向（表1）较为一致。

图5c和图5d为矩形内部地震沿剖面AA′和BB′的深度分布，可见：地震序列集中分布于6.4—12.7 km深度，其中M_L4.6地震的震源深度相对较深，为11.7 km，主震近似位于余震区底部，余震序列具有从深部向浅部迁移的趋势，与张国民和李丽（2003）统计的中国大陆深部主震和余震震源深度分布特征一致；剖面BB′上的地震分布反映了断层面的几何形态（图5d），地震分布所反映出的断面倾向和倾角在深度上存在分段差异，上部倾向SW，下部近似直立，但因地震数目较少，难以确定断面倾向和倾角在深度上分段差异的真实性。根据序列定位结果和震源机制，初步判定走向NW、倾向SW的节面Ⅰ可能是黄海M_L4.6地震序列的发震断层面。

3. 讨论与结论

苏北—滨海断裂带附近的地震活动强度和频度相对突出，历史上曾发生过多次破坏性地震。2019年黄海M_L4.6地震序列距离苏北—滨海断裂带约27 km。然而我们反演所获的黄海M_L4.6和M_L4.1地震震源机制解的节面参数与苏北—滨海断裂带的几何参数并不一致。以M_L4.6地震为例，震源机制解节面Ⅰ的走向为NW57º，倾向SW向，运动方式以左旋走滑为主，而苏北—滨海断裂带的走向为NW30º，倾向NE，是一条右旋走滑断裂。说明此次黄海M_L4.6地震序列的发生与苏北—滨海断裂带的主断裂活动并没有直接的关系。

黄海M_L4.6地震序列发生在南黄海盆地的勿南沙隆起带内，波形反演所得的M_L4.6和M_L4.1地震的震源深度分别为20 km和21 km，处于该地区下地壳的上边界附近（郝天珧等，2010）。边界上层介质为弹性，以脆性破裂为主；下层介质为黏弹性，以塑性变形为主。两地震的震源深度与中国大陆东部壳内脆韧转换带的深度（20—25 km）（张国民，李丽，2003）较为符合，由此推测黄海M_L4.6、M_L4.1地震可能是发生在勿南沙隆起地区壳内脆韧转换带的地震事件。

双差定位给出黄海M_L4.6和M_L4.1地震的深度分别为11.7 km和9.8 km，与我们采用波形反演得到的地震深度差异较大。因双差定位方法为相对定位，定位给出的地震序列深度结果为相对深度，与地震的绝对定位相比有较大的不确定性。此外，1970年以来观测台网记录到震中附近的地震并不多，在深度剖面上可定位的地震较少，对倾角的约束较差，定位结果仅能提供发震断层的走向信息。本文的研究结果显示，黄海地震序列震中分布的优势方向为NW40º，与本文反演的黄海M_L4.6和M_L4.1地震源机制节面Ⅰ的走向NW57º和NW45º较为一致，由此认为黄海M_L4.6和M_L4.1地震的发震断层为NW向，运动方式为左旋走滑。

许忠淮和吴少武（1997）的研究结果显示，苏北—南黄海地区的最大主应力方向为ENE−WSW，最小主压应力方向为NNW−SES，倾角较小，本文反演的黄海M_L4.6和M_L4.1地震的P轴和T轴参数与其结果一致。故本文推测2019年黄海M_L4.6地震序列是在构造应力场的作用下，发生在壳内脆韧转换带的沿NW向剪切破裂的地震事件。

江苏省地震局监测中心提供了波形数据，审稿专家提出了宝贵意见，作者在此表示衷心的感谢。

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