利用接收函数探讨新疆几次中强地震的地壳孕育深度

引用本文

唐明帅, 王海涛, 魏芸芸, 等. 2020. 利用接收函数探讨新疆几次中强地震的地壳孕育深度. 中国地震, 36(3): 517-526.

Tang Mingshuai, Wang Haitao, Wei Yunyun, et al. 2020. The Discussion on Crustal Seismogenic Depth of Several Moderate Earthquakes in Xinjiang, Using the P-wave Receiver Function. Earthquake Research in China, 36(3): 517-526.

利用接收函数探讨新疆几次中强地震的地壳孕育深度

唐明帅¹, 王海涛², 魏芸芸¹, 李艳永¹, 王琼¹, 魏斌¹, 苏金波¹

1. 新疆维吾尔自治区地震局, 乌鲁木齐 830011;
2. 中国地震台网中心, 北京 100045

收稿日期：2020-04-08; 修定日期：2020-06-26

项目类别：新疆维吾尔自治区自然科学基金（2016D01A061）资助

作者简介：唐明帅, 女, 1976年生, 高级工程师, 主要从事地震分析和地震学研究。E-mail:tmings65@sina.cn

通讯作者：王海涛, 通讯作者, 男, 1961年生, 研究员, 主要从事地震监测预报研究。E-mail:ht.wang@263.net

摘要：在分析2009~2012年新疆地区的远震P波接收函数过程中，发现部分台站的接收函数中存在清晰且能量较强的壳内间断面转换波。本文分别利用接收函数中的壳内间断面和莫霍面转换波，联合接收函数H-κ叠加方法和时间窗滑动方法，分析了2009~2012年新疆6次中强地震震中周围的7个地震台站下方的地壳和上地壳（壳内间断面上方地壳）介质泊松比在地震前后随时间的动态变化情况。结果显示：乌苏、于田和独山子3个地震台站的地壳介质泊松比在对应的3次中强地震前后出现了较为明显且持续的下降过程，下降幅度大于均值误差，变化形态特征呈"V"字型（乌苏台呈双"V"字型），地震发生在"V"字形成的尾端，但其上地壳介质泊松比在地震前后没有出现明显低值异常变化；其他4个地震台站下方的地壳和上地壳介质泊松比在地震前后没有观测到明显低值异常。根据观测结果，推测3次中强地震前后地壳介质泊松比出现低值异常主要源于中下地壳，地壳孕育深度位于中下地壳。

关键词：接收函数动态泊松比变化地壳孕震深度新疆地区

The Discussion on Crustal Seismogenic Depth of Several Moderate Earthquakes in Xinjiang, Using the P-wave Receiver Function

Tang Mingshuai¹, Wang Haitao², Wei Yunyun¹, Li Yanyong¹, Wang Qiong¹, Wei Bin¹, Su Jinbo¹

1. Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region. Urumqi 830011, China;
2. China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China

Abstract: In this paper, we applied H-κ stack method of receiver function and time-window sliding method to convert waves of Moho and intra-crustal discontinuity in the teleseismic P wave receiver functions in Xinjiang region during the period 2009~2012. We also analyzed the crustal and upper crustal media Poisson's ratios variations with time before and after the earthquake at the stations near the epicenter of 6 moderate earthquakes in Xinjiang region during the period 2009~2012. The results show that the crustal media Poisson ratio beneath Wusu, Yutian and Dushanzi seismic stations display a relatively obvious and continuous decline process before and after the earthquake, and the decline range is larger than the mean error. In addition, the morphological variation is in "V" type(Wusu station was double "V" type), and the earthquake occurs at the tail of the "V" formation, while the Poisson ratio of upper crustal media does not show a significantly low value anomalies before and after the earthquake. The Poisson ratio of crustal and upper crustal media beneath 4 other seismic stations does not observe significant low-value anomalies before and after the earthquake. Among the 7 stations, no matter whether the Poisson ratio of crustal media before and after the earthquake has observed obvious low value anomalies or not, there are no obvious low value anomalies variations of Poisson's ratio were observed in the upper crustal media. According to the observations in this study, it may indicate that the low value anomalies by the Poisson ratio in the crustal media before and after the three earthquakes may stem from the middle and lower crust, indicating that the crustal seismogenic depths of the 3 moderate earthquakes are located in the middle-lower crust.

Key words: Receiver function Dynamic Poisson's ratio variation Depth of seismogenic media in the crust The Xinjiang area

0 引言

地震发生前后孕震区的应力状态和介质属性会发生变化, 监测地球内部介质变化为研究地震发生过程和发现地震的前兆提供了可能(Scholz et al, 1973；Aggarwal et al, 1973；冯德益, 1981；Mooney et al, 1986；Kanamori, 1994；Niu et al, 2008)。由于很难直接深入地球内部进行测量, 只能通过分析地震波来研究地球内部介质的变化, 地震波速变化能直接反映地下的应力状态和物质组成等物性参数(Simmons, 1964；Nur, 1971)。

远震P波接收函数是用远震P波波形的垂直分量对径向分量或切向分量作反褶积后得到的时间序列, 主要由直达波、台站下方速度界面产生的一次反射转换波及多次反射转换波的震相组成, 可以近似地认为是台站下方壳幔结构的响应。利用远震转换波研究地壳介质变化还处于初步阶段, Audet(2010)分析了PKD台站接收函数功率谱密度(PSD)随时间的变化, 发现在2003年圣西米恩M_S6.5地震后, 该台站(距震中65km)接收函数功率谱密度下降了5分贝, 相当于泊松比降低0.02；邵学钟等(2013)通过分析昆明数字地震台记录的哈萨克斯坦核爆和班达海远震转换波与P波到时差(Δt_Ps)随时间的变化, 发现在1989年之前2年内该到时差下降了0.1~0.2s, 这一异常被认为可能与1988年11月的云南澜沧-耿马地震的孕震过程有关；宋春燕等(2019)通过分析远震Ps转换波与P波到时差(Δt_Ps), 发现汶川地震前约2年内Δt_Ps出现明显的降低过程, 最大降幅达0.2~0.3s, 震前2~3个月低值有一定程度的回升。笔者利用远震P波接收函数中的莫霍面转换波, 联合接收函数H-κ方法和时间窗滑动方法, 分析了2012年6月30日新疆新源-和静M_S6.6地震震中距200km内11个固定地震台2009年1月~2012年12月(石场台2006年1月~2012年12月)的地壳介质泊松比变化特征, 其中5个台站的地壳介质泊松比相继出现了较为明显且持续的下降过程, 认为利用远震P波接收函数可以对中强地震前后地壳介质泊松比变化进行动态监测(唐明帅等, 2019a)；此后, 利用相同的方法分析了2009~2012年新疆另外30次4.6≤M_S≤6.6(其中21次M_S≥5.0)地震震中附近台站地壳介质泊松比在地震前后随时间的变化情况, 结果显示有8次地震(6个台站)观测到震前地壳介质泊松比出现低值异常, 变化形态呈“V”字型, 地震发生在“V”字形成的尾端, 地震发生后, 泊松比继续回升(唐明帅等, 2019b)。

在上述工作的分析过程中, 发现新疆部分地震台站的远震P波接收函数中存在清晰且能量较强的壳内间断面转换波(图 1)。目前, 国内关于应用远震P波接收函数中的壳内间断面转换波开展相关工作的研究成果较少, 那么, 对于震前地壳介质泊松比出现低值异常的台站, 其上地壳(壳内间断面上方地壳)介质泊松比是否存在低值异常？对于震前地壳介质泊松比没有出现低值异常的台站, 其上地壳介质泊松比是否存在低值异常？壳内间断面的深度与地壳孕震深度是否存在关系？基于这些问题, 本文利用远震P波接收函数中莫霍面和壳内间断面转换波, 联合接收函数H-κ叠加方法和时间窗滑动方法, 分析了2009~2012年新疆6次中强地震震中附近7个地震台站的地壳和上地壳介质泊松比在地震前后随时间的变化情况。

图 1 具有清晰壳内间断面的接收函数剖面

1 数据与方法 1.1 研究震例和台站分布

图 2是本文分析的6次中强地震的震中和滑动分析的7个地震台站分布, 表 1给出了6次地震的具体信息。地震台站的选取需要满足2个条件, 一是台站接收函数中的壳内间断面转换波清晰且能量较强；二是震中距范围限定, 对于5.0≤M_S≤5.9地震, 分析震中距50km之内的台站, 对于6.0≤M_S≤6.5地震, 分析震中距小于100km的台站, 对于M_S＞6.5的地震, 分析震中距小于200km的台站。

图 2 6次中强地震的震中分布和滑动分析的7个地震台站分布绿色圆圈为地震前后出现异常的地震震中；绿色三角形为地震前后地壳泊松比出现异常变化的地震台站

表 1 6次中强地震信息

对2009年新疆柯坪M_S5.4和阿合奇M_S5.8地震, 滑动分析阿合奇(AHQ)地震台(震中距分别为26km和41km)的地壳和上地壳介质泊松比变化情况。对2011年和2012年新疆于田M_S5.5和M_S6.2地震, 滑动分析于田(YUT)地震台(震中距分别为43km和83km)的地壳和上地壳介质泊松比变化情况。对2011年新疆尼勒克M_S6.0地震, 滑动分析察布查尔(CBC)地震台(震中距76km)的地壳和上地壳介质泊松比变化情况。对2012年新疆新源-和静M_S6.6地震, 滑动分析乌苏(WSU)、独山子(DSZ)、呼图壁(HTB)和库尔勒(KOL)4个地震台(震中距分别为77km、96km、164km和192km)的地壳和上地壳介质泊松比变化情况。

1.2 资料选取及数据处理

本文收集了7个地震台(图 2), 从2009年1月(石场台自2006年1月, 阿合奇台自2008年1月)至2012年12月记录的震中距介于30°~90°、震级M_S≥5.5的高质量远震波形数据, 用于计算接收函数。采用了时间域的迭代反褶积方法(Ligorría et al, 1999)提取远震P波接收函数。从时域迭代拟合率大于90%的接收函数中筛选出莫霍面和壳内间断面一次反射转换波(Ps)清晰且到时一致的接收函数用于泊松比滑动分析, 应用H-κ方法确定相应的地壳间断面深度H和对应介质平均波速比κ, 通过公式σ=0.5(κ²-2)/(κ²-1)可获得相应的地壳介质泊松比σ (李善邦, 1981)。对时间域的迭代反褶积方法和接收函数H-κ叠加方法(Zhu et al, 2000)的原理, 笔者在其他文献中做了相应的阐述(唐明帅等, 2013、2019b)。滑动计算地壳介质泊松比的P波速度值取6.2km/s, 不同台站上地壳介质泊松比的P波速度依据壳内间断面的深度确定。在滑动计算过程中, 为了避免多个极值的影响, 本文给定的地壳间断面范围为台站下方间断面的平均深度± 0.5km。

2 地震前后地壳介质泊松比变化

表 2给出了本文分析的7个地震台的相关信息。通过对各台站接收函数进行滑动H-к分析, 得到了各台站的地壳和上地壳介质泊松比变化情况(图 3、4)。图 3、4中红色圆圈表示1个窗长对应的介质泊松比值, 对应的时间为该滑动窗长的中间值, 黑色直线表示台站泊松比均值, 绿色直线表示台站平均泊松比计算误差, 纵坐标的取值范围不一致, 主要是由于不同地震台站下方地壳平均泊松比值不同。

表 2 地震台站相关信息和泊松比变化信息

图 3 6次中强地震前后7个地震台站下方地壳介质泊松比变化黑色线表示台站下方地壳泊松比均值；绿色线表示泊松比均值的计算误差

图 4 6次中强地震前后7个地震台站下方上地壳介质泊松比变化黑色线表示台站下方地壳泊松比均值；绿色线表示泊松比均值的计算误差

由图 3和图 4可以看出, 2009年新疆柯坪M_S5.4地震和阿合奇M_S5.8地震震中附近的阿合奇台以及2011年新疆尼勒克M_S6.0地震震中附近的察布查尔台, 台站下方的地壳和上地壳介质泊松比在地震前后未观测到明显低值异常变化。2011、2012年新疆于田M_S5.5和M_S6.2地震震中附近的于田台, 其下方的地壳介质泊松比在地震前后存在明显低值异常变化, 上地壳未观测到显著的低值异常。2012年新疆新源-和静M_S6.6地震震中附近乌苏(震中距77km)和独山子台(震中距96km)下方的地壳介质泊松比在地震前后存在明显低值异常变化, 而上地壳未观测到低值异常；呼图壁(震中距164km)和库尔勒(震中距192km)2个地震台站下方的地壳和上地壳介质泊松比在地震前后未观测到明显低值异常变化。尽管阿合奇台距2009年新疆柯坪M_S5.4地震和阿合奇M_S5.8地震震中较近(26km和41km), 其下方地壳和上地壳介质泊松比均未观测到低值异常的情况。地震前后地壳介质泊松比出现低值异常的台站, 其下降过程较为明显且持续时间相对较长, 地壳泊松比变化呈“V”字型, 地震发生在“V”字型的回升尾端(唐明帅等, 2019b), 整体变化形状与祁连5.3地震和门源6.4级地震前主动源观测到的震相走时变化形状相似(张元生等, 2017)。

3 分析与讨论

进行滑动分析的7个台站中, 无论地震前后其地壳介质泊松比是否观测到明显低值异常变化, 其上地壳介质泊松比均未观测到明显低值异常变化, 同一台站的地壳和上地壳介质泊松比的变化形态没有相关性。

地震震源深度是研究地震孕育、深部环境以及地震成因的重要基础, 孕震深度与震源深度的关系一直是地震动力学关注的焦点问题。本文分析的6次地震分别位于北天山地震带、南天山中西段和阿尔金地震带。张国民等(2002)研究表明, 新疆地区的平均震源深度为(21±10)km、南天山中西段的震源深度平均为(23±10)km；王海涛等(2007)研究表明, 北天山地震带的平均震源深度为19km；张志斌等(2015)应用CAP方法得到南天山中西段震源深度整体分布在15~23km, 在阿合奇附近地震震源深度大于20km；李艳永等(2019)应用gCAP矩张量反演法, 测定北天山中东段地震的震源深度优势分布为15~20km。地震序列精定位结果显示, 2012年新源-和静M_S6.6地震震源深度为21.8km(李志海等, 2014)；2017年精河M_S6.6地震震源深度为22km(翟亮等, 2019), 2011年尼勒克M_S6.0地震位于精河地震东南约78km, 其震源深度28km(聂小红等, 2018)；2014年于田M_S7.3地震震源深度为22km(唐明帅等, 2016), 2012年于田M_S6.2地震位于2014年于田地震东北约34km。对于同一研究区域, 上述不同研究得到的震源深度分布基本一致, 有明显的地震活动深度下界。

接收函数的研究结果显示新疆天山与盆地结合部区域的地壳厚度在50km左右(刘文学等, 2011；唐明帅等, 2014), 于田地震台附近地壳厚度在60km左右(唐明帅等, 2016)。本文分析的6次地震的震源深度处于上部地壳, 与对应区域的震源深度下界基本一致。2011年尼勒克M_S6.0地震和2012年新源-和静M_S6.6地震的震源深度与北天山壳内低速体的层位相当, 可能是上地壳和中下地壳之间的韧性剪切带存在的部位, 起到滑脱层的作用(胥颐等, 2000；杨晓平等, 2002)。震源深度的下界面有可能取决于脆-韧转换带的深度, 本文分析的7个地震台站的壳内间断面深度与震源深度下界一致或者位于其上方。侯强等(2019)结合强震发生位置分析壳幔粘弹耦合孕震机制, 认为应力水平和垂直的不均匀发展是地震能量积聚的重要影响因素。针对康拉德(Conrad)不连续界面的研究结果显示, 地壳中上部地震与康纳德低速物质界面在断层周围的垂直调整有关(Merriam, 2006), 据此推断, 脆性上地壳和低速、低密度韧性中下地壳结构有利于下方中下地壳韧性物质应力在上方脆性地壳内集中, 从而形成强烈地震发生的深部介质条件(李红蕾等, 2019)。陈棋福等(2020)认为震前深部和浅部变形差异明显且存在临震前深部变形加速的特征。李红蕾等(2019)基于川滇地区的重力复测资料, 研究了该地区地壳密度变化与强震孕育关系, 认为中地壳深度密度变化低异常是强震孕育的主要介质条件, 下地壳深度密度变化低异常或密度变化高梯度带可能是孕育地震的主要介质结构。综合本文的观测结果、各次地震的震源深度和上述相关研究, 认为新疆3次中强地震前后地壳介质出现低值异常可能主要源于中下地壳, 孕育深度主要位于中下地壳。

4 结论

本文利用2009~2012年新疆远震P波接收函数中的莫霍面和壳内间断面转换波, 联合接收函数H-κ叠加方法和时间窗滑动方法, 分析了2009~2012年新疆6次中强地震震中附近7个地震台站下方地壳、上地壳介质泊松比在地震前后随时间的动态变化特征。获得的主要结论和认识如下：

(1) 2011、2012年新疆于田M_S5.5和M_S6.2地震震中附近的于田台(震中距43km和83km)、2012年新疆新源-和静M_S6.6地震震中附近的乌苏和独山子台(震中距77km和96km)3个地震台站下方的地壳介质泊松比在地震前后存在明显低值异常变化, 下降幅度大于均值误差, 变化形态特征呈“V”字型(乌苏台呈双“V”字型), 地震发生在“V”字形成的尾端, 而其上地壳介质泊松比未观测到明显的低值异常。

(2) 2009年新疆柯坪M_S5.4地震和阿合奇M_S5.8地震震中附近的阿合奇台(震中距为26km和41km)、2011年新疆尼勒克M_S6.0地震震中附近的察布查尔台(震中距76km)、2012年新疆新源-和静M_S6.6地震震中周围的呼图壁和库尔勒地震台(震中距164km和192km)4个地震台站下方的地壳和上地壳介质泊松比在地震前后未观测到明显的低值异常变化。尽管阿合奇台距2009年新疆柯坪M_S5.4地震和阿合奇M_S5.8地震震中较近, 地壳和上地壳介质泊松比均未观测到低值异常的情况。

(3) 本文的观测结果显示, 2011、2012年新疆于田M_S5.5和M_S6.2地震、2012年新疆新源-和静M_S6.6地震前后地壳介质出现低值异常可能主要源于中下地壳, 认为3次中强地震的地壳孕震深度主要位于中下地壳。

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中国地震 2020, Vol. 36 Issue (3): 517-526