1、博阿断裂西段重复地震识别及断层深部滑移速率研究 高朝军 韩立波 蒋长胜 李志海 新疆维吾尔自治区地震局 中国地震局地球物理研究所 摘 要： 本文选取博阿断裂西段周围 30km 范围内 2010 年 1 月2015 年 12 月期间 9 个台站记录到的 1 272 次地震事件的波形记录, 利用波形互相关技术从中识别出65 组 (231 次) 重复地震, 并且基于这些重复地震事件估算该断层的滑移速率.结果显示:该区域重复地震比例为 18.2%;博阿断裂阿拉山口精河段、精河新源段的平均滑移速率分别约为 0.99 mm/a 和 1.35mm/a, 乌苏石场段、巴仑台乌什城段的平均滑移速率分别为 1.3
2、6 mm/a 和 2.03mm/a, 这与 GPS 观测结果基本一致;深部滑移速率的极大值分布在 210km 深度范围内, 其中巴仑台乌什城段在 8km 深度处达到了极大值 8.6mm/a.关键词： 博阿断裂; 波形互相关; 重复地震; 深部滑移速率; 作者简介：高朝军 e-mail: 新疆维吾尔自治区地震局高级工程师.2005 年河南科技大学理学院数学与应用数学专业毕业, 获理学学士学位;2009 年新疆大学数学与系统科学学院计算数学专业毕业, 获理学硕士学位.现主要从事地震监测和分析预报工作.收稿日期：2016-11-30基金：地震行业专项 (201408019-01) Repeating
3、 earthquake identification and deep slip rates for western Bolokenu-Aqikekuduke faultGao Chaojun Han Libo Jiang Changsheng Li Zhihai Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region; Institute of Geophysics, China Earthquake Administration; Abstract： In this paper, the waveforms of 1 27
4、2 earthquake events recorded by nine stations are selected in the western section of the Bolokenu-Aqikekuduke fault around 30 km during 2010-2015.Using cross-correlation analysis of waveforms, we identify 65 groups of repeating earthquakes.The results show that the repeating earthquakes make up 18.2
5、% of total events.Furthermore, we obtain the average slip rate about 0.99mm/a at the Alashankou-Jinghe section, 1.35mm/a at the Jinghe-Xinyuan section, 1.36mm/a at the Usu-Shichang section, and 2.03mm/a at the Balguntay-Wushicheng section, which is consistent with GPS observations.The maximum deep s
6、lip rate appears at the depth ranging from 2km to 10 km, and the Balguntay-Wushicheng section reaches a maximum of 8.6mm/a at the depth of 8km.Keyword： Bolokenu-Aqikekuduke fault; cross-correlation analysis of waveforms; repeating earthquakes; deep slip rate; Received： 2016-11-30高朝军, 韩立波, 蒋长胜, 李志海.2
7、017.博阿断裂西段重复地震识别及断层深部滑移速率研究.地震学报, 39 (3) :307-314.doi:10.11939/jass.2017.03.001.Gao C J, Han L B, Jiang C S, Li Z H.2017.Repeating earthquake identification and deep slip rates for western Bolokenu-Aqikekuduke fault.Acta Seismologica Sinica, 39 (3) :307-314.doi:10.11939/jass.2017.03.001.引言有关“重复地震”的概
8、念, 国内外一直存在很多争论, 但利用波形互相关技术来识别重复地震的认同率较高.Poupinet 等 (1984) 将两次发生在同一位置且在同一台站具有高度相似波形的地震事件称为“重复地震”;Rubin (2002) 认为空间位置、波形和震级均具有较高相似性的两次或多次地震事件可以称为“重复地震”;Schaff 和 Beroza (2004) 则从操作角度出发, 将“重复地震对”定义为至少被一个台站记录到的波形相关系数不小于 0.8 的两次或多次地震.利用重复地震序列推断发震断层的深部滑移速率, 为认识和描述断层深部活动状态提供了新途径.Nadeau 和 McEvilly (1999) 利用重
9、复地震研究了美国加州帕克菲尔德断层的深部滑移速率;Matsuzawa 等 (2002, 2004) 在日本东北部俯冲带观测到很多小的重复地震, 认为这些地震是由位于板块边界的障碍体多次重复破裂所致, 并据此推断出板块边界准静态滑动速率的时空分布;Chen 等 (2008) 利用重复地震研究了我国台湾东部陆弧碰撞交界地区池上断层的滑移速率, 推断出该断层由北至南的滑动行为, 北部表现为蠕变行为, 南部局部出现闭锁, 表明该区域南部的地震危险性在增强, 这与 2003 年该地区发生 M6.0 地震的结果一致;Li 等 (2007, 2011) 和李乐等 (2008) 利用数字地震台网的波形资料分别
10、研究了唐山断裂带、丽江宁蒗断裂带及龙门山断裂带的地震活动及其深部滑动速率.博阿断裂全名为博罗科努阿其克库都克断裂, 是一条规模宏大的区域性大断裂, 大部分位于新疆地区, 大致呈东西走向;作为中天山地块与北天山之间的界线, 该断裂被认为是一条板块聚合的边界 (杨晓平, 沈军, 2000;沈军等, 2003;杨晓平等, 2008) , 其断层活动控制着新疆境内北天山地区强震、大震的发生, 其中阿拉山口乌什城段 (以下简称博阿断裂西段) 长约 600km, 自 1900 年以来发生 7 次 M6.0 以上地震 (其中 M7.0 地震 2 次) , 因此对该断层运动变化的定量分析具有重要意义.鉴于此,
11、 本文拟基于目前较为成熟的波形互相关技术来识别博阿断裂西段的重复地震, 并计算该断层深部的滑移速率, 为进一步解释该地区的断层结构和地震发生机理提供必要的参考依据.1 数据与方法1.1 数据本文以博阿断裂西段为研究对象, 取断层周围 30km 范围内 2010 年 1 月2015年 12 月记录到的且经过精定位的地震事件 1 272 个, 如图 1 所示.距离断层较近的 9 个地震台站均配备甚宽频带 BBVS-60 型地震仪, 采样率为 100 Hz, 这 9个台站的最小间距为 33km, 最大间距为 123km.本文将针对这 9 个台站的记录波形, 利用波形互相关技术识别重复地震并计算断层深
12、部滑移速率.1.2 波形互相关识别重复地震波形互相关技术用于识别天然重复地震已有数十年.Luo 和 Schuster (1991) 首先利用观测波形与理论波形之间的互相关进行了地震波走时测量, Marquering等 (1999) 利用两个观测波形之间的互相关来测量走时差.之后, 该技术被广泛用于识别重复地震和评估地震台网定位精度 (蒋长胜, 吴忠良, 2005;Schaff, Waldhauser, 2005;蒋长胜等, 2008;李宇彤等, 2008) .计算两次地震观测波形的互相关系数时 (图 2) , 首先依据事件波形的震相观测报告标记其 P 和 S 震相到时, 接着进行 15Hz 的
13、带通滤波 (Han et al, 2014) ;然后对这两个地震波形进行互相关计算.互相关计算中波形选取自 P 前 4s 开始, 窗口长度为 S 与P 震相到时差的 4 倍 (Bath, 1974) , 相关系数 R 则表示为图 1 研究区内地震事件的空间分布及所用台站示意图 Fig.1 Spatial distribution of earthquake events and the stations used in this studied area 下载原图灰色实心圆为 2010 年 1 月2015 年 12 月发生的全部 ML1.0 地震;黄色实心圆为博阿断裂附近 30km 内经 hy
14、poDD 精定位的地震事件 Blue curve represents the Bolokenu-Aqikekuduke fault.Solid triangles represent the stations around the fault, and the red triangles are the stations used in this study.Gray dots represent ML1.0earthquakes during 2010-2015, and yellow dots represent the relocated earthquakes around 30km
15、 of Bolokenu-Aqikekuduke fault by hypoDD method图 2 同一个台站不同地震事件的竖直向波形记录及波形叠加图 (所有波形均经过 1.05.0Hz 带通滤波) Fig.2 Comparison of vertical recordings of different earthquakes recorded by the same station and the waveform superposition.All the waveforms are filtered by a 1.0-5.0Hz band-pass filter 下载原图式中, f 1
16、 (t) 和 f2 (t) 分别为计算窗内同一台站记录到的两事件波列, 分别为相应的平均值.f 1 (t) 的起始位置固定在 P 到时前 4s 处, f2 (t) 的初始位置为 P 到时前 4s 至 P 到时处逐点滑动, 滑动步长为 0.01s (采样间隔) , 计算时将 R 最大值定义为两列波的互相关系数.2 结果分析2.1 重复地震的分布特征本文定义重复地震为至少被同一个台站记录到且互相关系数 R0.8, 按照该定义得到了 978 个地震对, 再经过以下 3 个条件进行筛选:1) 两个以上台站同时记录到的同一对地震事件为一个地震对, 相关系数取其平均值;2) 两个地震对之间有一个共同的地震
17、事件, 那么这两个地震对划归为同一个重复地震组;3) 重复地震的时间间隔下限为 100 天.这样, 最终得到 65 组共 231 次重复地震, 占可用地震总数 (1 272 次) 的 18.2%,震级为 ML1.04.8, 其空间分布如图 3 所示.重复地震事件中包括 37 组由两次地震构成的重复地震对和 28 组由 3 次及以上地震构成的多重地震对.由图 3 可见, 重复地震大致集中在 4 个区域:阿拉山口精河段 (1) 、精河新源段 (2) 、乌苏石场段 (3) 、巴仑台乌什城段 (4) .2.2 断层滑移速率计算断层深部滑移量采用地震矩震级关系 (Hanks, Kanamori, 197
18、9) 式中, M S为地震面波震级, M 0为地震矩.基于圆盘破裂模型由来估算地震的破裂半径 r.式中, 为地震应力降, 通常设为 3 MPa.然后根据地震矩的定义, 利用来计算断层滑移量.式中, d 为断层滑移量, 为剪切模量, 取为 310N/m.依据各重复地震组的震级和时间分布, 以某一组重复地震为例, 设第 1 个地震事件的发震时刻为 t1, 对应的滑移量为 0;第 2 个地震的时间为 t2, 滑移量为 S2;依次类推, 第 n 个地震的时间为 tn, 滑移量为 Sn, 则此类重复地震对应的滑移速率 Smean为 Smean= (S2+S3+Sn) / (tn-t1) , 此即为该组重
19、复地震对应的断层滑移速率.图 4 给出了断层累积滑移量随时间的变化及对应的滑移速率.图 3 重复地震组的空间分布图 Fig.3 Spatial distribution of the repeating earthquake clusters 下载原图黑色方框 (1) (4) 为博阿断裂西段的分段.不同颜色和形状表示不同地震次数构成的重复地震组, 图例中括号内为重复地震组个数 Black rectangles represent the sections (1) to (4) of Bolokenu-Aqikekuduke fault.Different colors and symbols
20、represent the repeating earthquake clusters of different doublets, and the number of repeating earthquake-clusters is given in the legends in the bracket计算博阿断裂西段每组重复地震的中心点坐标和滑移速率, 并将其相应位置绘于图 5.依据 2.1 节中 4 个集中区的分段位置, 得到各分段断层滑移速率的空间分布:阿拉山口精河段的滑移速率为 0.711.27 mm/a, 均值为 0.99 mm/a;精河新源段的滑移速率为 0.4 54.51mm/
21、a, 均值为 1.35 mm/a;乌苏石场段的滑移速率为 0.491.96 mm/a, 均值为 1.36mm/a;巴仑台乌什城段的滑移速率为 0.308.57 mm/a, 均值为 2.03mm/a.由此可见, 博阿断裂西段断层的滑移速率总体呈西低东高的趋势.沿图 5 中斜虚线 AA画深度剖面, 取剖面宽度为 100km, 得到断层深部滑移速率图, 如图 6 所示.可以看出:阿拉山口精河段 (1) 在 9km 深处的滑移速率较大, 为 1.3mm/a;对于精河新源段 (2) , 其滑移速率较大值在 015km 深度均有分布, 且在水平距离 130200km 范围内分布较广, 最大值为 4.5mm
22、/a, 位于 2km 深度处;乌苏石场段 (3) 在 2.5km 深度处滑移速率达到极大值 2.0 mm/a;巴仑台乌什城段 (4) 在 8km 深度处达到极大值 8.6mm/a, 在水平距离510540km 范围内较为集中且平均滑移速率较大.图 4 断层累积滑动量随时间变化及对应滑移速率 Fig.4 The cumulative slip of the fault with time and the corresponding slip rate 下载原图红色圆点为地震事件, 黑色虚线的斜率为该重复地震组对应的断层滑移速率, 第 1 个地震事件所对应的断层滑动量为零 Red dots rep
23、resent the earthquake events.The slope of the black dashed line represents the slip rate corresponding to the repeating earthquake cluster.The fault slip rate of the first event is zero图 5 博阿断裂西段滑移速率空间分布 Fig.5 Spatial distribution of slip rate for the western Bolokenu-Aqikekuduke fault 下载原图绿色虚线 AA为断
24、层走向即深度剖面位置, 黑色方框表示博阿断裂西段的分段 (1) (4) , 实心圆表示各组重复地震中心点坐标, 颜色代表滑移速率大小Black thick line represents the location of Bolokenu-Aqikekuduke fault, and black rectangles represent the segments (1) to (4) .Green dashed line AArepresents the direction of the fault.Colorful dots represent the locations of the rep
25、eating earthquake clusters and corresponding slip rates图 6 博阿断裂西段沿深度剖面 AA的重复地震分布及其滑移速率的深度剖面Fig.6 Depth sections showing the locatin of repeating earthquakes and the slip rates along the AAfor the western Bolokenu-Aqikekuduke fault 下载原图红色实心圆为重复地震位置, 尺寸大小与震级成正比, “+”表示滑移速率大小Solid red circles represent
26、the locations of repeating earthquakes with size proportional to the magnitude.The symbols“+”represent the slip rates3 讨论与结论本文利用波形互相关识别出博阿断裂西段大量重复地震, 并计算出断层滑移速率, 经分析认为:1) 从图 5 所示的博阿断裂西段滑移速率空间分布及各分段均值来看, 滑移速率均值总体上处于 12mm/a 范围内;而从地质构造环境来看, 受印度板块向北推挤造成帕米尔高原与塔里木地块双重挤压切入的影响, 天山在新生代后期上升隆起, 形成强烈的变形挤压褶皱构造带,
27、 天山的变形以南北夹击、山体抬升缩短变形为主.李杰等 (2016) 利用 GPS 计算得到博阿断裂西段的滑移速率为 12mm/a;沈军等 (2003) 根据河流阶地位错量和冰阶时代的估算, 得到博阿断裂西段的滑移速率为 12mm/a.本文基于重复地震得到断层滑移速率的计算结果与上述结果基本一致.2) 博阿断裂西段各小段的平均滑移速率总体呈西低东高的特征, 这与该断裂地震活动趋势及应力积累状态有关.自 1900 年以来, 该断裂附近大震强震频发, 共发生 M5.0 以上地震 30 余次, 其中 M7.0 地震 2 次, M6.0 地震 5 次, 空间上西部多东部少, 而大震的发生往往意味着应力的
28、释放.因此, 从应力积累的角度分析, 西部目前应力积累较少, 因而断层滑移速率较低.3) 不同的相关系数阈值对断层滑移速率大小的影响并不明显.文中互相关系数阈值分别取为 0.70, 0.75, 0.80, 0.85, 0.90, 对大部分重复地震组来说, 滑移速率无变化;而对个别重复地震组来说, 滑移速率随着互相关系数阈值的增大而减小, 其原因在于当互相关系数阈值较小时, 满足重复地震的地震事件个数增多, 相应的累积滑移量增大.4) 本文所得结果与 GPS 观测计算结果 (李杰等, 2016) 基本一致.从某种程度上来说, 利用重复地震, 在空间尺度、互相关系数等参数合适的情况下也可以计算出断
29、层滑移速率, 因此在无 GPS 观测资料但有地震观测仪器的地区, 可以考虑利用重复地震计算断层滑移速率.参考文献蒋长胜, 吴忠良.2005.由“重复地震”给出的中国地震台网的定位精度估计J.中国地震, 21 (2) :147-154.Jiang C S, Wu Z L.2005.Estimating the location accuracy of the China National Seismograph Network using repeating eventsJ.Earthquake Research in China, 21 (2) :147-154 (in Chinese) .
30、蒋长胜, 吴忠良, 李宇彤.2008.首都圈地区“重复地震”及其在区域地震台网定位精度评价中的应用J.地球物理学报, 51 (3) :817-827.Jiang C S, Wu Z L, Li Y T.2008.Estimating the location accuracy of the Beijing Capital Digital Seismograph Network using repeating eventsJ.Chinese Journal of Geophysics, 51 (3) :817-827 (in Chinese) . 李宇彤, 吴忠良, 蒋长胜, 李广平.2008.
31、利用辽宁区域地震台网记录分析“重复地震”J.地震学报, 30 (4) :383-396.Li Y T, Wu Z L, Jiang C S, Li G P.2008.Analysis on repeating earthquakes recorded by Liaoning Regional Seismograph NetworkJ.Acta Seismologica Sinica, 30 (4) :383-396 (in Chinese) . 李乐, 陈棋福, 钮凤林, 付虹, 刘瑞丰, 候燕燕.2008.利用“重复地震”估算丽江 宁蒗断裂带的深部滑动速率J.科学通报, 53 (23) :2
32、925-2932.Li L, Chen Q F, Niu F L, Fu H, Liu R F, Hou Y Y.2009.Slip rate along the Lijiang-Ninglang fault zone estimated from repeating microearthquakesJ.Chinese Science Bulletin, 54 (3) :447-455. 李杰, 陈刚, 魏文薪, 帕尔哈提再努拉, 王晓强, 刘代芹, 李桂荣, 方伟, 陈述江, 孙小旭.2016.基于 GPS 观测的北天山主要断裂现今构造运动特征研究J.地震学报, 38 (5) :751-76
33、0.Li J, Chen G, Wei W X, PaerhatiZainula, Wang X Q, Liu D Q, Li G R, Fang W, Chen S J, Sun X X.2016.Characteristics of present-day tectonics movement of typical faults in northern Tianshan mountain deduced from GPS observationJ.Acta Seismologica Sinica, 38 (5) :751-760 (in Chinese) . 沈军, 汪一鹏, 李莹甄, 姜
34、慧, 向志勇.2003.中国新疆天山博阿断裂晚第四纪右旋走滑运动特征J.地震地质, 25 (2) :183-194.Shen J, Wang Y P, Li Y Z, Jiang H, Xiang Z Y.2003.Late Quaternary right-lateral strike-slip faulting along the Bolokenu-Aqikekuduke fault in Chinese Tian ShanJ.Seismology and Geology, 25 (2) :183-194 (in Chinese) . 杨晓平, 沈军.2000.天山内部博罗可努断裂精河阿拉
35、山口段晚更新世以来的活动特征J.地震地质, 22 (3) :305-315.Yang X P, Shen J.2000.Late Quaternary activity of Jinghe-Alashankou section of the Boluokenu fault, interior TianshanJ.Seismology and Geology, 22 (3) :305-315 (in Chinese) . 杨晓平, 邓起东, 张培震, 徐锡伟.2008.天山山前主要推覆构造区的地壳缩短J.地震地质, 30 (1) :111-131.Yang X P, Deng Q D, Zhan
36、g P Z, Xu X W.2008.Crustal shortening of major nappe structures on the front margins of the TianshanJ.Seismology and Geology, 30 (1) :111-131 (in Chinese) . BthM.1974.SpectralAnalysis in GeophysicsM.Amsterdam:Elsevier Scientific Publishing Company:87-94. Chen K H, Nadeau R M, Rau R J.2008.Characteri
37、stic repeating earthquakes in an arc-continent collision boundary zone:The Chihshang fault of eastern TaiwanJ.Earth Planet Sci Lett, 276 (3/4) :262-272. Han L B, Wu Z L, Li Y T, Jiang C S.2014.Cross-correlation coefficients for the study of repeating earthquakes:An investigation of two empirical ass
38、umptions/conventions in seismological interpretation practiceJ.Pure Appl Geophys, 171 (3/4/5) :425-437. Hanks T C, Kanamori H.1979.A moment magnitude scaleJ.J Geophys Res, 84 (B5) :2348-2350. Li L, Chen Q F, Cheng X, Niu F L.2007.Spatial clustering and repeating of seismic events observed along the
39、1976Tangshan fault, north ChinaJ.Geophys Res Lett, 34 (23) :L23309.doi:10.1029/2007GL031594. Li L, Chen Q F, Cheng X, Niu F L, Su J R.2011.Deep slip rates along the Longmen Shan fault zone estimated from repeating microearthquakesJ.J Geophys Res, 116 (B9) :B09310.doi:10.1029/2011JB008406. Luo Y, Sch
40、uster G T.1991.Wave-equation travel-time inversionJ.Geophysics, 56 (5) :645-653. Marquering H, Dahlen F A, Nolet G.1999.Three dimensional sensitivity kernels for finite-frequency traveltimes:The banana-doughnut paradoxJ.Geophys J Int, 137 (3) :805-815. Matsuzawa T, Igarashi T, Hasegawa A.2002.Charac
41、teristic small-earthquake sequence off Sanriku, northeastern Honshu, JapanJ.Geophys Res Lett, 29 (11) :38-1-38-4.doi:10.1029/2001GL014632. Matsuzawa T, Uchida N, Igarashi T, Okada T, Hasegawa A.2004.Repeating earthquakes and quasi-static slip on the plate boundary east off northern Honshu, JapanJ.Ea
42、rth Planets Space, 56:803-811.doi:10.1186/BF03353087. Nadeau R M, McEvilly T V.1999.Fault slip rates at depth from recurrence intervals of repeating microearthquakesJ.Science, 285 (5428) :718-721. Poupinet G, Ellsworth W L, Frechet J.1984.Monitoring velocity variations in the crust using earthquake doublets:An application to the Calaveras fault, CaliforniaJ.J Geophys Res, 89 (B7) :5719-5731.
