断层带的多尺度成像,对地震灾害评估的贡献,有效减少人员伤亡

晶晶评情 2024-09-22 01:44:58

瑞士阿尔卑斯山前陆是地震活动总体较低的地区。然而,瑞士国家网络自1970 年代末以来收集的数字地震数据显示,地震集中在弗里堡市以东描绘出一条20-30公里长的南北向地震线,称为弗里堡线 。在1980 年代末和1990年代,发生了3次地震序列,其中4次当地震级为ML在3至4级之间,1 次为 ML级。4到3次发生在佛罗里达州南段。尽管这些事件的震源深度可以使用合成地震图限制在浅层深度,但与深部断层的联系,切断了中生代和第三纪覆盖层系列,并扎根于底层。因此,弗里堡地区的南北向构造结构与可能代表北部莱茵河地堑断层向南延伸的地壳结构有关。因此,断层系统被假定具有发生M 6 级地震的潜力。

Kastrup 等人记录了弗里堡地区截至 2004 年的历史和仪器地震活动。这一时期包括 1987 年、1995 年和 1999 年的三场突出地震群,最大震级分别为 M· L 3.9、3.7 和 4.3。瑞士地震局(SED)国家宽带和强震网络在 2005 年至 2008 年地震活动相对较低的时期定期记录的地震已包含在 ECOS 目录中。

纳米地震监测技术在 2009 年至 2013 年期间应用,以便与 SED 在弗里堡地区常规记录的地震活动相比降低检测阈值。通过对SED 运行的三个台站两个新加速度计 SCOU 和 STAF,以及一个宽带台 TORNY和两个小孔径台< 100 m临时部署在 FL 附近的稀疏地震台阵。进一步利用六个瑞士本地宽带站的数据来约束较强事件的位置。弗里堡地区的一维分层速度模型源自瑞士 3D 速度模型,并根据深钻孔数据在浅层中进行了细化,用于事件定位。

绝对震源位置

50% 的优质事件具有两个明显增强的地震活动区:(1)佛罗里达州和(2)弗里堡集群,该地区地震集中在弗里堡市。对于 129 个质量事件,可以解决震源解决方案:产生的震源深度范围在 500 m 和 4 km 深度内,在深度低于 2 km 的第三纪覆盖系列中占主导地位。

基于莫霍面 (PMP) 反射的下行 P 波和在莫霍面反射之前在地球表面反射并转换为 P 波的上行 S 波的波形和走时差的合成地震图建模,1987年、1995年和1999年FL沿线地震序列的震源位于深度仅2公里的沉积盖层内。将 2009 年沿 FL 记录的两次较高震级 ECOS 事件的地震图与 1995 年其中一次事件的相应地震图进行比较表明,sPMP-PMP 走时差几乎相同,因此它们的焦深必须相似。因此,如图所示的浅焦深 与弗里堡地区其他独立的焦深估计一致。

利用台网几何形状约束相对震中分布

我们利用瑞士台站网络几何形状来更好地约束弗里堡地区事件的相对震中分布。选择国家网络检测到的 12 个较高震级事件进行定性波形分析。在东西向剖面上,通过查看位于 FL 正东的 HASLI 记录的信号来评估 12 个事件的相对震中分布。由于 HASLI(>70 公里远)的 P 到达信号信噪比不合格,波形与 TORNY 确定的明确 P 到达一致,TORNY 位于佛罗里达州正西。HASLI 记录的 S 到达显示位于 FL 的事件的一致排列,而与弗里堡星团相关的事件的 S 到达延迟了几秒钟。

事件正东记录的 S 到达一致对齐(与正西记录的相位到达一致)证实了 Kastrup 等人之前的结果。表明沿着 FL 的震中必须在东西方向上紧密间隔。与 FL 和弗里堡星团相关的信号之间的 S 到达偏移证明了弗里堡地区东西向剖面上存在两种不同的活动构造特征。在 SENIN 弗里堡以南记录的信号上,从南到北的 S-P 走时差不断增加,表明所选事件的 N-S 分布。位于FL上的STAF记录的波形显示了SP走时差异的系统模式,作为它们沿着FL和弗里堡星团从北到南的位置的函数。在如此短的震中距离的垂直轨迹上观察到的突出表面波是事件震源深度较浅的额外证据。因此,可以得出结论,12 个选定事件的震中沿着两个地震带以 N-S 方向分布:FL 和弗里堡星团。

利用波形相似性计算微震活动的时空格局

可以使用简单的互相关分析来区分微震数据集中间隔紧密的地震族。为了表征弗里堡地区聚集性微震活动的时空演化特征,我们使用STAF记录的波形数据集 。为了优化互相关结果,仅选择 P 起始 SNR 高于 2 的波形。227 个选定的信号在时域中进行互相关,使用包含 P 相和 S 相尾波(接收器源距离 <20 km)的 5 秒窗口。

波形被集成到速度并与手动拾取的 P 到达对齐;应用 1–30 Hz 的二阶巴特沃斯带通滤波器。然后,使用相关指数阈值 0.8 将针对所有可能的事件对计算的归一化互相关函数的峰值绘制在互相关矩阵中。第一个矩阵是使用事件的时间顺序排序得出的。它显示了许多紧密限制在主对角线上的高度连贯的对。

这些对角线对突出显示了具有高度波形相似性的事件的频繁时间聚类,这反过来又表明了相应事件的空间聚类。时间矩阵还显示非对角线对,表示在较长的时间间隔(月-年)内存在重复的地震事件。为了识别地震系列,使用 0.2 的相异阈值对时间互相关数据集应用单一联动函数(最近邻法、最小值法、Matlab™)。

由此产生的树状图和互相关矩阵描绘了几个主要地震族,收集了每个地震群。验证了各族间定位事件的震中分布,表明聚集事件在空间上分布一致。聚集事件根据其相对于 STAF 的位置被聚集到五个主要地震系列中:(1) FL-North、(2) FL-Center、(3) FL-South、(4) St. Sylvester 和 (5) Fribourg簇。

其他一些小簇对应于较大的弗里堡地区检测到的序列,此处不予考虑。在各个簇中观察到的惊人波形相似性表明,事件紧密分布在空间中,具有共同的源机制。因此,在地图上看到的各个簇或 FL 段内震中位置的部分散射 可能是绝对定位过程的伪影。事实上,除了圣西尔维斯特星团的南北向范围外,这种分散完全在质量事件的估计震中位置不确定性±2公里之内。对于圣西尔维斯特星团,更重要的散射是由非最佳的台站几何形状解释的,这导致南北方向上震中的不确定性较大。

弗里堡地区微震活动的时间演化

弗里堡事件的局部震级(M L)是使用针对短震中距离记录的弱震校准的距离衰减函数计算的。为了保持一致性,ML值也分配给 SED 记录的 2008 年之后的事件;对于其中一些事件,FRICAT M L值略低于 SED 计算的值。在图中,我们比较了 1972 年至 2013 年期间弗里堡地区 SED 国家网络检测到的事件的震级分布与本研究中确定的弗里堡星团的星等分布。

FL 上 1987 年、1995 年和 1999 年的较高震级序列在相当连续的 M L 2 事件分布中得到了很好的成像。从 2009 年开始,图中看到的 SED 较高的检测率 对应于在 FL 上安装 SCOU 和 STAF 站。弗里堡地区 2009 年至 2013 年地震活动的时间演变通过互相关分析得出的 5 个地震族的震级-时间分布来描述:其特点 是相当−0.5 < M L范围内恒定背景地震活动 < 0.5 范围,中间有一些更有活力的 M L ~ 2.0 序列。这种低震级地震活动模式符合将整体剪切力划分为小规模(~10-100 m)破裂的模型。

地下数据

Interoil ( 2010 )基于 440 公里的石油工业地震剖面并根据深井数据进行校准,对不同地震线之间的断层带进行插值,并生成了五个地层层位的构造图:中生界基底、Muschelkalk 顶部(中三叠统)、Lias 顶部(下三叠统)侏罗系)、马尔姆基底(上侏罗统)和第三系基底。在穿过 FL 的横断面中,中生代地层中清晰地成像了温和的褶皱以及植根于中、上三叠世蒸发岩基底滑脱的近垂直断层带。

地震数据的质量以及连续地震反射体的缺乏阻碍了对地下室以及第三纪主要碎屑覆盖层结构的清晰成像。然而,地下室没有明显的偏移,也没有发现贯穿断层的证据。相反,偏移仅限于中生代-新生代沉积盖层。FL断层带下方中三叠世地层的增厚与蒸发岩运移有关,并且可能与陡断层的发育有关,这些陡断层随后在当前应力场中重新激活为撕裂断层。这些论点支持沉积地层中成像的断层带与位于基底的潜在构造特征之间的脱钩。

Interoil 的五个构造图层位被组合起来,使用 ArcGIS 3D Analyst™ 插值 3D 断层面。随后,通过在每个地层层位上的每个断层段上推断一系列预定义控制点,将 3D 断层面投影到地形表面。首次检查断层面与地形的交点是否与高分辨率数字高程模型 (swissAlti3D DEM ©) 上的已知断层和/或可见轮廓相符。新的断层模型显示,位于弗里堡市以东、属于FL的断层向北延伸,终止于伯尔尼市纬度附近的北部。该模型显示了沿着FL走向的两个主要南北向断裂带:北部的芬德林根构造和南部的圣西尔维斯特构造。由于弗里堡市周围地震线网格分布不均匀,因此无法解释那里的具体地下构造特征。

地表数据

鉴于重要的第四纪矿床,研究区内构造数据分布不均,且大多局限于下切河谷。莫拉塞沉积物露头中报告了各种中尺度脆性构造结构,如断层、脆性变形带、光滑面和节理可以看出,广泛的未变形区域与相当有限的强烈变形区域交替出现。第三纪沉积物,砂岩中的致密裂缝网络。

与横向相变化相关的流变变化就像离散断层传播的机械屏障,可以估计莫拉斯盆地第三纪单元中 1-3 公里的最大断层长度。绘制的断层带具有一般的阶梯状排列,研究区域内最大的离散断层带位于加尔特拉河床的 Tafers(STAF 接收点)附近。它代表了随机定向断层泥的 1–1.5 m 宽核心区和断层两侧数米宽的损伤区(Ibele 2011)。在圣西尔维斯特位置,地貌断层很明显,在亚高山磨拉石单元中观察到左旋偏移高达 700 m。向北,断层沿着 Fendringen 两条南北向流动河流的走向绘制(Ibele 2011)。圣西尔维斯特断层带、塔弗斯断层带和芬德林根断层带沿走向与FL相关,我们认为它们是深层活动断层带的表面表现。

弗里堡线的综合模型

尽管表面数据稀疏,但仍有可能在 Tafers 位置识别出离散的断层带。结合地震线解释,我们认为Fendringen和St. Sylvester构造构成了一个连续的损伤带,该损伤带由呈阶梯状排列、横向范围中等(<5 km)的断层段组成,横切了独立的第三系和第三系。中生代盖层系及基底中上三叠统蒸发岩根部。地震成像和结构数据与沿着 FL 的南北向合成剖面上的地震数据相结合。推断的断层带表面以阴影区域示意性投影并绘制在剖面上。实线等值线显示受地震数据约束的区域,而虚线等值线表示外推的表面尺寸。地形下方的虚线指出了在第三纪露头中测量断层带的位置。推断断裂带在地表和第三系底部的长度约为30公里,在中生界底部的长度约为20公里。

对阿尔卑斯山北部前陆区域地震活动的研究表明,许多检测到的地震都位于地下室。然而,这些研究涉及的是高山前陆处于纯粹弯曲前陆环境中的区域,不适用于更西的地区。在西部楔顶前陆,大多数地震发生在分离的沉积盖层中。这并不排除地震发生在地下室,而是指出由于中生代盖层系底部和经向第三纪磨拉石沉积物底部的两个主要滑脱层的多次分离,导致了更复杂的应变/应力分配前陆盆地的一部分。在这两个域(盖层和基底)中,震源机制主要是沿 N-S 和 NW-SE 两个主要方向的走滑,即主应力 S1 是水平的,并在 NW 象限中显示逆时针旋转。

瑞士阿尔卑斯山西北部前陆的 NW-SE 定向挤压造成的变形表现为在有利定向的走滑/撕裂断层上而不是在有利定向的逆冲/逆断层上的滑动,这是由于事实上,激活逆冲断层所需的差异应力明显高于相同深度的或多或少垂直走滑断层。因此,有利取向的临界应力撕裂断层的存在和重复破裂,例如构成FL的N-S取向断层段,对环境差异应力的大小设定了限制。

因此,差异应力无法达到足够高的水平来激活任何可能定向良好的反向断层。根据FL沿线地震活动带的累积规模和锯齿状断裂带的吻合趋势,我们推断出M级地震的可能性。FL 沿线的沉积盖层中将发生 5 级地震,类似于上述 1996 年 Vuache 断层上的安纳西地震。此外,如果我们允许地震破坏 FL 目前活跃的部分及其沿 Fendringen 结构向北的延伸,那么我们就不能排除发生更高震级事件的可能性,即使不调用延伸的未被发现的断层进入地下室(。因此,FL 构成了瑞士高山前陆的重大地震危险,值得持续进行地震监测。

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