1、对 2003 年巴楚- 伽师 Ms68 地震余震近台记录中特殊震相的初步探讨第 22 卷第 3 期(269276)2006 年 9 月中国地震EARTHQUAKERESEARCHlNCHINAVo1.22No.3Sep.2006黄媛,杨建思,黄磊,2006,对 2003 年巴楚一伽师 M6.8 地震余震近台记录中特殊震相的初步探讨,中国地震,22(3).269276对 2003 年巴楚一伽师 Ms6.8 地震余震近台记录中特殊震相的初步探讨黄媛杨建思黄磊1)中国地震局地球物理研究所,北京市民族大学南路 5 号 1000812)廊坊炮兵指挥学院,河北省廊坊 065000摘要 2003 年 3 月
2、 24 日发生在我国新疆巴楚一伽师交界处的 M6.8 强烈地震余震序列的近台记录中普遍存在一组特殊震相,该组震相分别出现在 Pg 波和 sg 波的后面,类似于 Pg 波,sg波以分组集丛式出现,多为 23 组,且后续震相的能量有所增强.本文通过理论分析并经合成地震图验证,认为该组震相可能是受当地十几公里深的沉积层影响而形成的一种经过多次反射,折射后的叠加波.为便于描述,文中将其分别称为 P】,s, 震相.关键词:特殊震相双差算法理论地震图巴楚一伽师地震文章编号】1001.4683(2006)03.269.08 中图分类号】P315 文献标识码】AO 引昌2003 年 2 月 24 日在我国新疆
3、巴楚一伽师交界处发生 M6.8 强烈地震,其余震序列发育.主震后,中国地震局地球物理研究所大震应急小组在地震现场组建了近场的强余震观测网(即伽师流动台网,台站分布情况见图 1)进行观测.该台网围绕极震区共布设了 5 台FBS.3B 型三分向 ,宽频带数字地震计 ,频带宽度为 0.0520Hz,配置 EDAS.C24 型数据采集器.台站信号全部采用短波无线传输,中心统一记录方式,获得了大量宝贵的余震近台数字记录资料.新疆伽师地区位于塔里木沉积盆地西部,处于南天山地震带和西昆仑山地震带交汇的夹角区内,该区地质构造环境复杂,有厚达十几公里的低速沉积层(马杏垣,1989),这很可能是形成该组特殊震相(
4、Pj,S.震相)的自然条件.我国内陆地震有相当一部分发生在沉积盆地边缘,确认此震相的类型对于正确解释近台记录,了解沉积盆地构造具有重要意义.【收稿日期】2006.O1.22;【修定日期】2006-03.18.【嘎目类别】地震科学联合基金项目(604012)资助课题.【作者筒介】黄嫒.女,1977 年生,硕士.主要从事地震分析理论与处理方法研究.Email:yhuangcea-270 中国地震 22 卷1 巴楚一伽师序列地震近台记录中的特殊震相2003 年 2 月 24 日新疆巴楚一伽师 M6.8 强震后余震记录中的特殊震相分别出现在 Pg波和 sg 波后面,类似于 Pg 波和 sg 波以分组丛
5、集式出现,多为 23 组,且后续震相能量有所增强.这两组震相形态复杂且持续时间长,波形不十分连贯,甚至在比较短的距离上有复杂的波束包络着.出现在 P 异波后面的一组震相对识别震相时极易引起误辩,需要借助三分量记录对比识别 sg 震相.对于同一个地震,同一个记录台站,分别出现在 Pg 波后面和 Sg 波后面的特殊震相一般组数相同.图 2(a1a3) 为伽师流动台网中部分台站记录到的该组震相的波形图.在新疆伽师地区的近台记录中,这一特殊震图 l 巴楚一伽师地震监测台站位置图相比较普遍.如在 1997 年新疆伽师强震群的余震观测中,在喀什台记录的波形中同样发现了该组特殊震相,当时喀什台的记录为短周期
6、模拟记录(图 2(b1,b2).起初,我们曾一度怀疑这一现象为多震重叠,但经过对多台记录波形的对比分析,发现对于同一地震,不同台站的记录中,P.震相与直达 P 波之间的到时差均有所不同,这说明该震相的产生不是震源,而是结构的作用.而对于同一个台站,不同地震的记录中,Pl震相与直达 P 波到时之间的时间差亦不同,则进一步说明该震相的产生与台站下部结构有关.另外对同一个地震,并非所有的台站均出现该组震相,如图 2(a1)和图 2(a2)给出 2003年 3 月25 日的一次地震中 Js1 和 Js2 台均清晰记录到 P.和 s.震相,而图 2(a3)给出的 Js3台对此次地震的记录中则未发现该特殊
7、震相,因此可以排除多震重叠的可能性.这样,该震相可能的解释便集中在:受当地特殊地壳结构影响产生的特殊震相 .那么究竟是何种地壳结构,在什么情况下激发出该组震相,正是本文力求探讨并解释的问题.与当地结构相关的特殊震相形成的物理机制一般有两种可能.一是因当地存在大型断层面或者破碎带,在发生地震时造成断裂带通道波,破碎带绕射波或断层面反射波等(Holeeta1.,1996;Grad,1984;Lieta1.,1998).但对于巴楚一伽师地区,大型的地球物理剖面探测研究结果证明该地区并无大规模断裂出露(JunmengZhaoeta1.,2003),而且该地区是否存在大型隐伏断裂至今未得到相关验证(周仕
8、勇,1999); 另外本文根据精定位结果(黄媛,2006),对 P.,s,震相的出现规律进行分析,发现其未按条带状或方向性3 期黄嫒等:对 2003 年巴楚一伽师肘 6.8 地震余震近台记录中特殊震相的初步探讨 271IIfa3).一一flrIrl:_IllIlJ 山h?一 Sg-Il1.L.f_ 呻_A=89km图 2ala3 为伽师流动台网部分台站记录的巴楚一伽师余震中 PJ,s 震相波形图(此图记录的是 2003 年 3 月 25 日的一次地震,fL3.5,震源深度 19km,宽频带数字记录)bl 和 b2 为喀什台记录的伽师强震群中 PJ,s 震相波形图(此图记录的是 1997 年 1
9、 月 21 日 13 时 38 分(b1)和 1997 年 1 月 21 日 19 时 53分(b2)地震的垂直分量,短周期模拟记录(杨欣,1997)呈规律分布,这些都证明 PJ,s,震相的出现不可能是因断裂带而造成的.二是认为 P.,s.震相是在当地普遍存在的地表低速沉积层的影响下,地震波经过多次反射,折射后所形成的一种叠加波(Olsen,1983;Bouehon,1982;张海明等,2001; 腾吉文,2003).该地震震中位于塔里木沉积盆地边缘,该地区覆盖了近 10km 的低速沉积层,这一低速沉积层的存在构成了可使地震波被多次反射,折射并能够被地面地震计拾取的必要条件(Olsen,198
10、3).对于此类震相,早在 20 世纪 70 年代初期,梅世蓉等曾经做出过假设性质的解释,遗憾的是,由于历史条件的限制,当时未进行理论验证,也未形成正式文献可供参考.本研究倾向于第二种解释,认为该组特殊震相可能是由于受当地地表低速沉积层存在的影响,在地壳内经过多重反射,折射后形成的一种能量较强的叠加波.272 中国地震 22 卷2P.,S.震相分析在 IASPEI 最新公布的标准地震震相表中(Storchaketa1.,2003),定义了全部标准壳内震相,未发现类似于该特殊震相的震相定义.通过对国内外相关研究结果的调研,暂时未发现关于该地区,该震相的相关研究及确切定义,也未发现其它地区关于类似震
11、相的记载,故暂且认为此震相为该地区的“特有震相“.伽师流动台网 5 个台站的记录中均出现过 P.,s.震相,并且同时段新疆台网喀什台也出现过上述 Pj,sj 震相,且波形特征与杨欣(1997)文献中所提到的十分类似,但不同台站记录到的 P.,s.震相各有异同.本文选择了 20 个 PJ,sJ 震相均十分清晰的地震 ,进行该震相的频率分析 .通过计算震相功率谱密度,测量 P,S 震相频率成分 ,发现直达 Pg 波后面的 PJ 震相频率略低于Pg 波,且垂直向发育良好,水平向不甚明显;直达 sg 波后面的 s.震相频率略低于 sg 波,主要在水平向发育.例如 2003 年 3 月 25 日的一次地
12、震记录(图 2)显示,Jsl 台 Pg 波的优势频率为13.9Hz,PJ 为 11.1Hz,Sg 波的优势频率为 8.7Hz,SJ 为 7.2Hz;Js2 台 Pg 波的优势频率为13.1Hz,PJ 为 10.5Hz,Sg 波的优势频率为 8.2Hz,sJ 为 6.6Hz.这说明 Pg 后面的 P.震相主要为纵波,sg 后面的 s.震相则以横波为主.进一步的震相分析表明,Jsl,Js2 两个台的记录均存在非常清晰的 P.,s.震相; 而 Js3台只对一部分事件记录到清晰的 P.,s.震相;因 Js4 和 Js5 两个台架设在沙漠里,台基状况较差,故 P,sj 震相的成组性不十分清晰 ,但是由于
13、 P.,S.震相的存在使波形持续时间明显延长,同时段新疆区域台网喀什台(台站位置见图 1)对部分事件也记录到了 P.,s.震相.另外,同时段伽师流动台网也记录到一些其它地区(震中距300km)发生的地震事件,这些事件中均未出现类似的 P.,s.震相,这同样说明该震相为伽师地区“特有震相“.3P.一.震相的形成机制分析我们认为 P.,s.震相很可能是地震波在地壳内部某不连续间断面经过多重反射,折射的压缩波和剪切波在传播过程中形成的叠加波.Bouchon(1982)提供的一些观测和人工合成地震图的分析表明,一个地区地表低速层的存在是形成压缩波,剪切波以多重反射形式传播的前提条件.Olsen 等(1
14、983)通过计算平面波反射函数绘制出在 3 种不同的地壳模型下,上行 P 波掠射倾角接近临界状态时在地表附近 P 波到 s 波的反射系数(R.)对比图.该图有力地证明了地表低速层的存在是类似于 P和等多重反射波有效传播的关键因素.另外,张海明等(2001)同样通过计算理论地震图验证了地表低速层的存在可以产生层内多次反射波的现象.本文所讨论的新疆伽师地区 P.,s.震相的出现证明了地表低速层的存在,也就是说PJ和 s.震相只有在类似于新疆伽师地区这种沉积盆地内才有被记录到的可能,而在地盾地区则观测不到该组震相.P 震相可能是以 PmP,PeP 或 Pg 等震相中的一种或几种经过多重大角度反射,折
15、射进3 期黄嫒等:对 2003 年巴楚一伽师 M6.8 地震余震近台记录中特殊震相的初步探讨 273行传播的.图 3 简单给出了 PJ 震相可.1 卓地表能存在的传播路径,即多重的 PmP,JPcP 或 Pg 反射波,以及在低速层中更 l/加复杂的多重波所形成的 P.震相.lI/另外通过总结 P.,s.震相出现的 l/PcP/规律,发现 P.,s.震相出现的条件必须 321L一一是震中距大于震源深度,否则不会出 l/n现该震相.例如,2003 年 3 月 2513 的 l/一次事件,精定位结果显示震源深度 50JL一莫霍界面为 21.5km,Jsl,Js2 和 Js5 这 3 个台站川啪的 P
16、.,S.震相均十分清晰,唯有 Js3 台图 3 固定震源,观测点及不同震相的射线路径示意图的震中距为 8.9km,小于震源深度,未(本图以 Pj 震相为例,Sj 震相传播路径相同; 本图仅为示意图?出现 P.,S.震相(图 2().这一现象未考虑折射率影响)有力地证明了我们对 P.,S.震相传播机制的讨论,即该震相是地震波在地壳内部某不连续间断面经过多重反射,折射后形成的叠加波.因为只有当震中距大于震源深度时才具备产生这种大角度多重反射波和折射波的条件(王培德,2002).4 理论地震图对 P.,S.震相的验证理论地震图可以有效地帮助解释地震波的振幅变化和波形特征.本文采用Kennett(19
17、80,1983)的广义反射 ,透射系数矩阵法及由其编写的程序计算理论地震图,从而验证对P.,S.震相的解释.因为尚不清楚新疆伽师地区沉积层的确切形状,暂时采用水平层状介质中理论地震图的计算程序模拟地震波的传播应该是一个较为合理的选择.参考精定位过程中所使用的速度模型(黄媛,2006),采用 5 层水平分层模型,设盆地底部是较硬的岩石层,其=4.1km/s,基底上覆盖一层介质速度较低的沉积层 ,这一层介质的=3.3km/s,厚度约为 8 10km.计算过程中在误差允许范围内逐步调整低速沉积层的速度值和厚度值,使合成结果与实际记录波形能够更好地吻合.最终所采用的分层介质模型见表 l.本文理论地震图
18、的计算点数为1024 点,各点时间间隔为 0.02s,与实际记录的采样率一致(每秒 50 个点).输出结果使用 4 阶 Butterworth 带通滤波器进行滤波处理,所选频带为 0.0520Hz,与实际记录仪频带一致.合成结果初步验证了本文关于P,S,震相传播机制的推断 ,图 4 为真实观测记录与合成地震图对照后绘制表 1 分层地壳模型/(1un)VP(km?s)Vs(1un?s)|D(g?cm.)Q.Q90.03.31.82,202501008.04.12.32.60500200l66,33.62,8O500200327.44.23.001000500507.94.53.201000500
19、注:表中,Vs,ID,Q,Q8 分别为距地层顶面深度,P 波和 s 波速度,介质密度及 P 波和 s 波的品质因子274 中国地震 22 卷的地震图.为保持实际观测图与合成地震图相一致,将实际观测记录图中水平分量进行坐标变换,转换成与合成地震图相同的径向和切向分量.理论地震图计算过程中所采用的震源参数取自双差法重新精定位结果(黄媛,2006).波形拟合过程中,在定位误差允许的范围内对深度和震中距进行了小幅度调整.为了拟合PJ 和 s 震相的到时,在对每一条记录进行拟合的过程中,也要对速度模型中沉积层的厚度做一些调整.计算表明,从震中距在十几到几十公里范围内的理论地震图中可以清晰地见到 PJ 和 s 震相,并且与实际观测记录比较吻合,这进一步证明了最初关于在伽师流动台网近台记录中发现的 P.,s.震相可能是地表低速层多重反射波的推论.图 4 合成地震图和观测地震图的对比图(注:图内上为观测地震图波形,下为相应合成地震图波形 )(a)Jsl 台记录 ,2003 年 4 月 06 日 07:41,ML=3.9,h=15km,A=48.7km;(b)Js2 台记录,2003 年 4 月 06
