基于背景噪声的小江断裂带中段高分辨率四维地震监测研究

The study of monitoring temporal change of subsurface media using seismic ambient noise has been developed rapidly in recent years. However, most works of fault zone monitoring focused on the retrospective investigation of coseismic or postseismic velocity changes associated with strong earthquakes. This project will carry out an "active monitoring" of active fault zone to detect weak signals of the temporal changes of seismic velocity. We will deploy a dense seismic array in the middle section of the Xiaojiang fault zone, develop high-resolution 4-D seismic monitoring method based on seismic ambient noise, and improve its time resolution to 1-3 days and detecting accuracy to 10-4. Based on the results of temporal and spatial seismic velocity changes, we will study the evolution of the stress state of the Xiaojiang fault zone under its high slip rate, the perturbations of the structure and the stress effected by the strong earthquakes in the surrounding area, the changes of subsurface media related to the small earthquakes (about M3). These results are of great significance to understand the mechanism of faulting and the process of earthquake preparation and occurrence. It also has important practical value for evaluating the effects and conditions of 4-D seismic monitoring method based on seismic ambient noise.

利用背景噪声检测地下介质时变信号是近年迅速发展的新方法，但目前应用这种方法检测活动断裂带相关的介质变化主要集中在对强震的同震和震后波速变化的回溯性研究。本项目将实施对活动断裂的“主动监测”，探测更为微弱的地下介质波速随时间变化信号。我们将在小江断裂带中段开展密集台阵观测，发展基于背景噪声的高分辨率四维地震监测方法，提升其时间分辨率至1-3天、力争检测介质变化精度至10-4量级。我们将根据地震波速四维监测结果，研究高滑动速率背景下小江断裂带内应力状态的演化，周边频发的中强震对小江断裂带中段内部结构与应力状态的扰动，以及小地震(3级左右)相关的地下介质变化及其影响范围。这些结果对于理解断裂活动和地震孕育发生机理有重要的科学意义，对于评价基于背景噪声的四维地震监测方法的应用效果和适用条件有重要的实用价值。

监测活动断裂带介质的波速变化，对于理解地震孕育发生和断层演化过程具有非常重要的意义。本项目在小江断裂带东川段附近布设了三个不同时空尺度的地震台阵进行了连续观测：台阵1包含围绕小江断裂带、间距约为3km的11个宽频带地震台，进行了为期三年多的连续观测；台阵2位于横跨小江断裂的60km(东西向)×30km(南北向)区域，包含间距约为5km的80个短周期地震仪；台阵3为台间距为10m的40个短周期地震仪组成的超密集台阵，台阵2和台阵3都进行了为期一个月的连续观测。基于台阵1的连续波形数据，我们实现了时间分辨率达1天、误差低至10-4量级的高精度波速时变测量，并且成功检测到位于台阵1南侧约10km处的2020年7月8日ML4.2地震引起的速度变化。据我们所知，这是国内基于背景噪声方法检测到的最小震级天然地震相关的波速时变研究结果。基于台阵2我们尝试研究短期波速时变的空间分布特征，初步结果未发现无震时断裂带内部地壳波速变化与外部存在明显差异。根据台阵3的观测，我们推断，无强降雨的情况下本研究区波速变化的控制因素可能主要为地表温度变化。在本项目的资助下，我们还利用区域台网数据研究了龙门山断裂带附近10余年的长期波速变化，结果揭示了龙门山断裂带汶川震后异常缓慢的愈合过程；发展了基于地震背景噪声互相关尾波的互相关（C3）的高时间分辨率的波速测量方法，将以往数十天的时间分辨率提高至小时量级，分辨出2004年美国Parkfield6.0主级后一天的强余震引起的波速变化；发展了单台地震波速时变监测方法，获得了意大利L’Aquila地区30年的连续波速变化，探讨了构造作用与环境因素叠加的波速变化特征；利用广东海陵岛井下台阵研究了观测环境对介质变化的影响因素，发现海陵岛地区波速变化主要受附近海域的浪高影响。上述研究成果为不同区域和构造环境下的地下介质四维时变监测工作提供了重要参考。项目执行期间，培养研究生8名，其中已毕业4名，在JGR等国内外期刊发表论文3篇，获得中国地震学会科技奖励1项。