给地震断层做透视

发布时间:2021-10-14 10:08:08 来源:中国地震局公共服务司(法规司)
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姚华建

中国科学技术大学地球和空间科学学院

  引 言

  我国是一个地震灾害频发的国家,尤其是大陆内部大型活动断裂带的运动所产生的强震更容易造成重大的人员伤亡和财产损失。据统计,我国国土面积仅占世界的7%,但发生了占全世界33%的大陆内部强震,且7级及以上的强震基本上都发生在活动地块边界的断裂带上。

  地震主要是由于断层的相对运动而产生的(图1),一些大型断裂带可能包含多条活动断层,例如我国东部的郯庐断裂带和西部的龙门山断裂带,因此,对断层或断裂带结构和性质的认识是研究和防范地震灾害的基础。

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  图1. a图为断层与地震发生示意图,b图和c图分别为宁夏海原地震断层和四川汶川地震发震断层

  1. 断裂带地震活动分布的复杂性

  断裂带是否发生大地震、什么时候发生大地震、大地震发生的时间、周期等问题取决于区域板块(或块体)相对运动所造成的构造动力学环境,以及断裂带本身的物理性质和几何性质。例如由于印度板块与欧亚大陆的碰撞,在青藏高原周缘和内部形成了一系列活动断裂带。一些断裂带包含多条活动断层,有的断层滑动速率大,超过每年1厘米。断层的有些区段易于发生7级甚至8级以上的强震,但另外一些区段却只发生中小地震,甚至几乎不发生地震。位于云南的红河断裂带的西北段(大理地区)发生过多次7级及以上的强震,但其中段却很少有大地震发生。位于中国东部的郯庐断裂带山东郯城段曾发生1668年81/2级强震,但在其南侧的江苏宿迁段及安徽段近几十年地震却很少。断裂带地震活动性的分段差异反映出同一条断裂带不同区段可能存在不同的性质,导致地震孕育和发生的潜力存在较大差异。因此,对断裂带性质(包括物理性质和几何性质等)的精细刻画是认识断裂带地震活动性、中强地震孕育发生和地震灾害特征的基础。

  2. 给地震断层做透视

  由于断层的结构和性质直接影响断裂带上地震的孕育和发生,如何获得断层或断裂带的精细结构和性质非常关键。地震科学家通过在断层两侧布设GNSS(全球导航卫星系统,例如北斗、GPS)设备可以测量得到断层在地表的相对运动特征,从而判断断层的活动性。但大陆内部的地震通常发生在地下几千米到十几千米的中上地壳,如何获得断层深部的精细结构和物理属性是认识地震孕育发生的基础。

  在医学领域,医生通过X光机、CT、B超等手段给人体做透视,进行成像,从而判断人体内部器官是否存在疾病。在地震学领域,科学家们通常采用地震波成像的方法对断层深浅部结构进行成像(做透视),从而获得断层的几何结构、物理性质、岩石成分等。给断层做透视的地震学成像方法主要包括主动震源成像、区域地震成像、背景噪声成像等,不同方法具有不同的优缺点。

  2.1 断层结构的主动震源成像

  主动震源成像主要采用人工震源的方法产生地震波,例如震动车、爆破震源、甲烷气爆震源、气枪震源等。这些人工震源激发的地震波被密集布设于地表(或水面)的地震仪(或水听器)接收到,然后通过地震波成像算法(例如反射波成像、直达波成像)就可以对地下断层结构进行高精度的成像(图2、图3)。根据成像精度的需要,可以跨断层布设线性或者面状的震源激发和接收系统,从而实现断裂带或断层结构的精细成像。但由于主动震源的断层成像方法通常成本比较高,所以目前主要是以跨断层或断裂带的线性剖面成像为主(图2、图3)。另外,20世纪广泛使用的炸药震源由于其存在安全性和环境污染问题,目前使用得越来越少。新型环保主动震源,如甲烷气爆震源(图3)等系统的开发,将为断层结构成像提供新的手段。

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  图2. 利用钻孔爆破震源反射波成像方法获得的郯庐断裂带宿迁段剖面(位置如a图黑线所示)的精细结构(b图)。a图红色虚线显示断层水平方向位置,b图黑线为基于反射剖面解释的深度方向上的断层位置,图中‘Moho’指示地壳和上地幔之间的界面(莫霍面)的位置。成像结果显示郯庐断裂带附近莫霍面有明显的错断,表明该断裂带为一条深切岩石圈的大断裂。图片来源于刘保金等(2015)

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  图3. 采用甲烷气爆震源(位置如五角星所示)直达P波成像获得的四川冕宁附近安宁河断裂带地下浅部2km深度范围的精细纵波速度结构(等值线显示纵波速度值,单位为km/s),红色为低速异常,代表松软的沉积物;蓝色为高速物质,代表强度大的基岩。密集布设的地震仪的位置如a图中黑色圆点所示,断层水平方向位置如a图中的黑线(F1和F2)所示。图片来源于Shao XH等(2021)

  2.2 断层结构的区域地震成像

  基于区域地震成像方法的断层或断裂带结构成像主要是利用发生于断裂带区域的地震所辐射出的地震波进行断裂带或发震断层的三维结构成像。尤其是大地震发生后,会在主震断层或者周边的一些分支断层上产生很多余震。根据地表布设的地震仪接收到的这些地震辐射出的地震波信号,利用区域地震波成像方法就可以获得从地震发生深度到地表的断裂带区域结构成像(图4)。该方法由于需要使用天然地震信号,所以只能应用于地震活动比较频繁的区域,例如我国的川滇地区。由于地震主要发生在中上地壳,所以其成像的深度范围往往局限于中上地壳,成像的精度和分辨率受限于地震的空间分布和地震仪的分布。

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  图4. 基于区域地震成像方法获得龙门山断裂带芦山地震至汶川地震区域(a图)上地壳的纵波速度结构(b图)。a图黑色圆圈为2013年芦山地震的余震,灰色圆圈为2008年汶川地震的余震,上下两个黄色五角星分别为汶川地震和芦山地震的震中。图中线条给出了龙门山断裂带主要的断层位置分布。成像结果发现汶川地震和芦山地震之间的物质偏低速,强度相对更低一些,一般认为不易于发生大地震。图片来源于Pei SP等(2014)

  2.3 断层结构的背景噪声成像

  地震仪除了记录地震信号外,绝大部分时间都在记录噪声信号。这些噪声信号来源于海浪与大陆、岛屿、海底的相互作用,湖水、河水与堤岸的相互作用,火车、汽车的运动,以及各种自然活动和人类活动等。2004-2005年间地震学家发展了一种全新的噪声成像方法,可以把地震仪记录的噪声信号转变为在不同地震仪之间传播的地震波信号(图5),从而把地震仪变成虚拟震源,实现无源成像,获得地震仪布设区域地下的高精度结构图像。

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  图5.通过地震仪记录的背景噪声的互相关计算获得在地震仪之间传播的波信息。图片修改于Weaver(2005)

  背景噪声成像已经广泛应用于全球不同区域、不同深度的结构成像,包括很多地震断裂带区域,例如我国东部郯庐断裂带(图6),川滇地区安宁河断裂带、龙门山断裂带、程海断裂带等一些活动断裂带。由于噪声成像不需要主动震源,也不需要等待地震信号,因而具有十分便捷和观测成本低的优势。通常在断裂带或断层区域布设较为密集的地震仪,就可以通过噪声面波成像获得断层浅部高分辨率的结构图像(图6),但该方法随着深度的增加分辨率会降低。

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  图6. 基于背景噪声成像获得的郯庐断裂带巢湖段三维精细速度结构模型。a图显示地下1km深度的速度结构图像,b图显示沿一条穿过郯庐断裂带的垂直剖面(0-15km深度范围)的速度结构。图中,红色为低速异常,代表松软的盆地沉积物;蓝色为高速物质(例如在郯庐断裂带下方),代表强度大的基岩;黑色线条显示郯庐断裂带及其周边分支断层的分布。图片来源于Luo S等(2021)

  3. 断层结构和性质的综合探测

  由于不同的地震波成像方法具有不同的优缺点,所以在断层结构成像时需要综合考虑多种因素,开展更为综合的探测。例如,可以结合被动震源(地震、噪声)和主动震源联合的探测方法,发挥各种方法的优势,相互结合,互为补充,从而对断层深浅部结构获得更为全面的认识。除了地震学成像方法之外,还可以采用地震波传播模拟和一些特殊的断层地震波信号分析的方法来获得断层的精细结构,例如断层内部破碎带的宽度和性质。通过对断层面上地震的精确定位和震源机制的分析,还能更好地获得发震断层面的几何形态。

  除了采用地震学方法获得断层速度结构模型外,还可以对断层开展电磁方法成像,获得断层带区域的电导率结构模型,从而更好地约束断层带不同的物理属性和几何特征。目前国内外很多研究团队正在针对一些活动断层开展综合的地球物理学观测,给断层做透视所拍出的片子也越来越清晰,为研究地震的孕育发生过程和地震灾害的模拟评估提供了重要的基础。

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  作者介绍:

  姚华建,1979年出生于安徽广德,2001年及2004年分别获得中国科学技术大学本科和硕士学位,2009年获得美国麻省理工学院地球物理学博士学位。现为中国科学技术大学地球和空间科学学院教授、博士生导师,中国地震学会副理事长,IUGG IASPEI 中国组委会副主席,科技部蒙城地球物理国家野外科学观测研究站常务副站长。在背景噪声和地震波成像、青藏高原岩石圈结构及形变、川滇地区公共速度模型构建、俯冲带大地震破裂规律等领域取得了一系列具有国际影响力的创新研究成果。发表120余篇学术论文,包括NSR、PNAS、Nature Comm.、GRL等第一或通讯作者论文50余篇。2014-2018年担任国际核心地震学期刊SRL副主编, 2018年起担任国际核心地球物理学期刊GJI 编辑(editor), 并担任《中国科学:地球科学》等期刊的编委。2017年起担任中国地震局第八届科技委委员,2020-2021年担任美国地震学会Charles Richter奖评委会委员。2016年获得中国地震局防震减灾科技成果一等奖,2017年获得中国地球物理学会科技进步一等奖,2020年获得第十六届中国青年科技奖。

(责任编辑:项楠)

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