利用背景噪声研究汶川地震震源区及周边地壳介质地震波速度变化

摘要

2008年5月12日四川省汶川县发生了Ms8.0级强烈地震,造成了重大的人员伤亡和经济损失,这是新中国成立以来破坏性最大的地震,也是自1976年唐山地震后发生在中国大陆伤亡最惨重的一次地震。大地震发生在四川盆地与川西高原交界的龙门山断裂带上,发震断层向北东方向单侧扩展,全长超过300km,沿龙门山中央断裂和前山断裂形成约240km和72km的地表破裂带,在以龙门山断裂带为中心的较大范围内都有显著的同震地表形变；同时,地下介质的属性和状态可能也会发生一些变化,研究这些变化对于了解汶川地震机理、断裂带演化规律及地震危险性分析有着极其重要的意义。本论文利用国际上近两年最新发展的背景噪声互相关方法并结合尾波干涉的思想研究了汶川地震前后震源区及周边相对地震波速度的变化。
　　 基于背景噪声的地下介质速度结构及其变化的研究是目前地震学的研究热点之一。大气、海洋和固体地球相互作用产生了全球的背景噪声场,对两个地震台站的背景噪声进行互相关运算可提取其间的经验格林函数,进而反演地下介质的速度结构,而不同时期的经验格林函数波形能保持很高的稳定性和相似性,对这些波形应用尾波干涉法测量能高精度地检测地下结构随时间的变化。由于背景噪声数据的连续性,可以实现对波速变化的全时监测。
　　 本研究应用了2001年-2009年汶川地震震源区周边的四川区域地震台连续波形资料的垂直分量。数据处理包括三个主要步骤:首先,通过单台数据预处理得到地震背景噪声；然后,对两个台站的背景噪声进行互相关运算提取台站对间的经验格林函数；最后,在0.1-0.5Hz频带下计算不同时段的经验格林函数与参考经验格林函数的走时偏移,进而得到相对地震波速度随时间的变化。数据预处理中的关键步骤是时域归一化,研究中对比了已有的几种时域归一化方法,并对滑动窗绝对值平均方法作了适当的改进,取得了较好效果。通过大量的试算对移动窗口互相关法、移动窗口互谱法、压缩-拉伸法及移动窗口压缩-拉伸法四种相对波速测量方法进行对比分析,最终选取了误差较小、可靠性较高的移动窗互谱法计算相对地震波速度变化。
　　 应用上述数据处理方法得到汶川地震震源区及周边上百个台站对的相对波速变化结果,根据台站对间距及经验格林函数的信噪比和钟差等参数对这些结果进行筛选,最后深入分析了41个台站对的相对波速变化。结果表明,2008年5月12日汶川Ms8.0级地震造成了震源区地震波速度的急剧降低,最大降幅达0.4％；从西南至东北300多公里的余震带内,波速变化呈现空间分段特征,大致以安县为界,余震带西南部地区在汶川主震后波速降即达到最大值,而东北部地区的最大波速降一般出现在主震后的1-4个月,相对地震波速度变化的这种分段特性与地震序列的时空分布特征有较好的对应关系；在震源区外围的四川盆地也观测到了震后波速降低,而川西高原内部则没有出现明显的波速变化。为探究汶川地震前较长时段该区地震波速度变化的“背景”,将所用资料的时间范围向前延伸到2001年,发现在汶川地震发生前的几年时间里各台站对的波速变化一直比较平稳,没有明显的线性或周期性的变化。
　　 本文还对检测到的地震波速度变化的物理机制进行了分析。利用背景噪声互相关方法得到的波速变化主要反映了台站对间一定的三维空间内地壳介质状态及属性的变化,尽管还不能确定这种变化的准确空间位置及引起变化的物理机制,但通过分析计算并结合其它地质与地球物理资料,我们认为强地面运动引起的地表破坏和地震的静态应力变化都不能很好地解释本文得到的地震波速度变化,这种变化可能反映了一定深度范围内断层区内部的结构破坏和断层周围的应力变化。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 地下介质结构随时间变化的研究意义

1.2 地下介质结构随时间变化的研究进展

1.2.1 研究地下介质结构随时间变化的地震学方法及进展

1.2.2 基于背景噪声的地震波速度随时间变化的研究现状

1.3 论文的研究意义和主要内容

1.3.1 论文的研究意义

1.3.2 论文的主要研究内容

第二章 利用背景噪声研究地震波速度变化的原理

2.1 由背景噪声提取格林函数的原理

2.2 无源成像法原理及应用

2.3 地震背景噪声的性质

2.4 尾波干涉法

2.5 无源成像干涉法

第三章 观测资料与数据处理方法

3.1 观测数据

3.2 单台数据预处理

3.2.1 数据预处理的基本步骤

3.2.2 几种时域归一化方法对比分析

3.3 每天经验格林函数和参考经验格林函数的计算

3.4 相对地震波速度的测量

3.4.1 四种测量方法

3.4.2 测量参数选取

3.4.3 结果对比分析

3.5 小结

第四章 汶川地震震源区及周边地震波速度变化的时空分布特征

4.1 汶川8.0级地震构造背景及相关研究

4.2 汶川地震同震和震后相对波速变化

4.2.1 相对波速随时间变化的特征

4.2.2 主震后平均相对波速的空间分布特征

4.2.3 震源区内相对波速随时间变化的空间分段性

4.2.4 主震后相对波速的恢复

4.3 汶川震前波速变化的“背景”

4.4 小结

第五章 相对地震波速度变化的物理机制

5.1 强地面运动引起的地表破坏

5.2 汶川主震的静态应力变化

5.3 断层区的结构破坏

5.4 小结

第六章 结论及需进一步研究的问题

6.1 主要结论

6.2 需进一步研究的问题

参考文献

致谢

作者简历