楊潤海，王 彬，鄭定昌，龐衛(wèi)東，閔照旭，秦家政，吳國華，許亞吉

(云南省地震局，云南昆明650224)

云南地區(qū)波速變化與強震孕育*

楊潤海，王 彬，鄭定昌，龐衛(wèi)東，閔照旭，秦家政，吳國華，許亞吉

(云南省地震局，云南昆明650224)

利用2007年11月至2010年5月云南測震臺網(wǎng)46個臺站共31個月的連續(xù)測震記錄，采用背景噪聲瑞利面波層析成像方法得到云南地區(qū)不同周期瑞利面波的相速度背景圖像;用滑動時窗得到當(dāng)前不同時段瑞利面波相速度圖像，將當(dāng)前速度圖像減去背景速度圖像，得到當(dāng)前速度擾動圖像;將不同時段的速度擾動圖像與云南中強地震作對比研究，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域中強地震發(fā)生前，在10～25 s周期的相速度擾動圖像中，川滇菱形塊體中段瑞利面波波速都有明顯升高現(xiàn)象。

背景噪聲;格林函數(shù);波速變化;強震孕育;云南地區(qū)

0 引言

地震是在地應(yīng)力作用下在地殼或者地幔中巖層突發(fā)的破裂過程。既然地震是應(yīng)力持續(xù)積累和突然釋放的過程，那么地震發(fā)生前后和地震發(fā)生過程中應(yīng)力狀態(tài)的測量就尤為重要。然而，對地應(yīng)力的直接測量比較困難，特別是當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生在地下深部，通常只能通過穿透地下介質(zhì)的地震波進行間接測量。地震波波速的精確測量，是實現(xiàn)應(yīng)力測量的一個重要途徑。在過去幾十年里，許多研究都證明地殼巖石中波速對應(yīng)力存在10-9～10-8Pa的敏感度 (Birch，1960，1961;Simmons，1964)，并被公認(rèn)是由于巖石孔隙的張合引起的。原理上，我們完全可以通過求波速的變化來求應(yīng)力的變化;眾多科學(xué)家都為此做出了很大貢獻(xiàn)(De Fazio et al，1973;Reasenberg， Aki，1974;Leary et al，1979;Yukutake et al，1988;Yamamura et al，2003;Silver et al，2007)。

測量地球內(nèi)部的波速，需要地震射線穿透地球內(nèi)部。天然地震是一種選擇，但由于天然地震時空分布不均勻，而且定位精度不能達(dá)到精確測量波速的精確變化，前人對此進行了艱苦的探索(Nersesov etal， 1969;Aggarwaletal， 1973;Mcevilly，Johnson，1974;Kanamori，F(xiàn)uis，1976)。高精度觀測系統(tǒng)和計算機技術(shù)的發(fā)展，使人們能夠以更高的分辨率來觀測伴隨地震孕育過程發(fā)生的地震波走時變化 (Ratdomopurbo，Poupinet，1995;Schaff，Beroza，2004)。國內(nèi)外許多學(xué)者利用不同的主動源，在不同的觀測環(huán)境下，觀測到了波速與固體潮、大氣壓力和降雨等的關(guān)系(Yukutake et al，1988;Silver et al，2007;Niu et al，2008;Wang et al，2008)。我國許多研究人員結(jié)合實際震例，對地震發(fā)生前后波速變化或波速比異常開展了相關(guān)研究，并與實際地震預(yù)報工作緊密結(jié)合，取得了一些成果和經(jīng)驗，并嘗試歸納波速比變化的時間、幅度、形態(tài)與強震的關(guān)系(刁桂苓等，2005;張學(xué)民等，2004;秦保燕，張元生，2000;蔡靜觀等，1997，1999，2000)。

我們可以利用人工震源主動探測地球介質(zhì)的波速變化，但這是一種耗時且成本極高的方法。近幾年出現(xiàn)的從地震背景噪聲中提取格林函數(shù)的方法為人們利用測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測地殼介質(zhì)波速的微弱變化提供了可能。從背景噪聲中提取出來的具有面波性質(zhì)的格林函數(shù)不僅能反演地殼速度精細(xì)結(jié)構(gòu)，而且能反映地質(zhì)構(gòu)造單元波速隨時間的變化，這就為我們了解地震發(fā)生和進行地震預(yù)測提供了很好的思路。更重要的是，利用背景噪聲還有其他方法所不具備的特殊優(yōu)勢:背景噪聲時刻都存在;臺站的位置是固定的;格林函數(shù)的提取具有可重復(fù)性。正是因為這3個優(yōu)勢，有效地降低了以往研究中的不確定因素，讓我們能夠準(zhǔn)實時地研究波速的變化規(guī)律。

Campillo和Panl(2003)利用多重反射尾波提取了格林函數(shù)。Shapiro等 (2004，2005)用背景噪聲做相關(guān)性研究，提取了格林函數(shù)。Ratomopurbo(2005)、Pandolfi等 (2006) 和Wegler等 (2006)對火山活動區(qū)的地震記錄應(yīng)用了背景噪聲方法，得到了該地區(qū)速度的微弱改變。Poupinet等 (1984)，Nishimura等 (2000)，Peng和Ben-Zion(2006) 也運用了自相關(guān)技術(shù)，得到了臺站鄰近地區(qū)在地震發(fā)生后地震波速相應(yīng)下降的結(jié)果。Brenguier等(2008)利用超過18個月的背景噪聲記錄提取格林函數(shù)，并計算出相對的地震速度擾動，用來研究火山的波速變化，研究結(jié)果顯示:每次火山噴發(fā)前能夠清晰地識別到地震波速度降低。這項新的觀測提高了預(yù)報火山噴發(fā)及先驗地估計火山噴發(fā)的強度和對環(huán)境影響的能力。Sens-Sch?nfelder和 Wegler(2006)用背景噪聲數(shù)據(jù)連續(xù)監(jiān)測Merapi火山附近地震波速度的微弱變化，每天的速度變化測量精度達(dá)到 0.1%。Wegler等 (2006) 和 Sens-Sch?nfelder等 (2006)用背景噪聲做自相關(guān)函數(shù)來監(jiān)測斷層區(qū)波速在地震前后的變化，用自相關(guān)的方法研究一個地震臺背景噪聲數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了MiNiigata MW6.6地震前波速變化了0.6%。Xu和Song(2009)利用背景噪聲方法觀察到蘇門答臘島在2004、2005和2007大地震過后瑞利波走時的變化。

李軍等 (2009)利用福建測震臺網(wǎng)連續(xù)背景噪聲記錄，得到了2007年8月14日至2008年7月1日福建地區(qū)瑞利波波速的相對變化時空動態(tài)圖像，結(jié)果表明，在臺網(wǎng)內(nèi)多次中等強度的地震或震群 (ML＞3.0)中福建地區(qū)瑞利波波速均表現(xiàn)出震前升高，震后下降并恢復(fù)的變化趨勢。劉志坤和黃金莉 (2010)研究發(fā)現(xiàn)2008年汶川8.0級地震造成了震源區(qū)地震波速度的急劇降低，最大降幅達(dá) 0.4%;

上述研究表明，利用從背景噪聲中提取的格林函數(shù)，能夠準(zhǔn)實時地監(jiān)測地殼介質(zhì)的波速變化。云南地區(qū)是一個地震多發(fā)區(qū)域，有可靠的地震監(jiān)測臺站和良好的數(shù)據(jù)，是利用地震背景噪聲研究中強地震前后地殼波速變化的良好區(qū)域。

1 方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 處理方法

筆者采用的數(shù)據(jù)處理方法同Bensen等 (2007)描述的基本一致:

(1)格林函數(shù)的提取:單臺資料預(yù)處理，包括對數(shù)據(jù)進行重采樣，消除儀器響應(yīng)及趨勢項，帶通濾波，譜白化， “one-bit”處理;對經(jīng)過單臺處理后的臺站數(shù)據(jù)作臺站對間互相關(guān)計算，提取臺站對間每一天的格林函數(shù);最后對格林函數(shù)進行疊加處理。

(2)相速度求取:基于Levshin等 (1989)提出的自適應(yīng)時頻分析技術(shù) (FTAN)對數(shù)據(jù)進行相速度的測量。

(3)面波成像:用 Ditmar與 Yanovaskya(1987)面波層析成像反演方法分別對8～40 s范圍內(nèi)的15個中心周期反演，得到云南地殼的0.5°×0.5°網(wǎng)格各個周期的相速度分布圖像。

(4)波速場擾動:分別將研究時段內(nèi)所有臺站對間的格林函數(shù)疊加，并反演成像，得到研究區(qū)域背景速度場;滑動疊加三個月臺站間的格林函數(shù)，反演成像，得到當(dāng)前 (第3個月)速度場;將當(dāng)前速度場減去背景速度場，得到當(dāng)前速度擾動場。

1.2 數(shù)據(jù)處理

首先，筆者收集了2007年11月至2010年5月云南測震臺網(wǎng)46個固定臺站 (圖1)共31個月的連續(xù)地震噪聲記錄。原始數(shù)據(jù)采樣率為100 Hz，經(jīng)重采樣采樣率變1 Hz，經(jīng)格林函數(shù)提取，相速度計算，面波層析成像，得到不同相速度的背景速度圖像。成像結(jié)果顯示，在地質(zhì)構(gòu)造塊體邊界有明顯的速度梯度帶，速度結(jié)構(gòu)與深大斷裂和地質(zhì)塊體對應(yīng)關(guān)系良好，尤其是揚子板塊邊界十分清晰 (圖2)。

圖1 云南測震臺網(wǎng)子臺分布圖Fig.1 Location of the stations of the Yunnan digital seismic network

圖2 云南地區(qū)20 s周期相速度分布圖 (單位:km/s)Fig.2 Image of 20-second phase velocity in Yunnan area

以3個月為滑動窗口窗長，1個月為步長，分別疊加臺站間格林函數(shù)，并反演成像，得到29個月的隨時間變化的瑞利波波速圖像。將這29個月的圖像與背景波速相減，得到29個月的當(dāng)前波速擾動圖像 (圖3)。將前三個月的格林函數(shù)疊加后作成像處理，作為最后一個月 (即第三個月)的速度擾動圖像，得到2008年1月至2010年5月共29個月的不同周期相速度擾動圖像。筆者研究該時段內(nèi)中強地震發(fā)生時間與速度變化率圖像，試圖尋找中強地震與速度變化圖像之間的關(guān)系。

2 數(shù)據(jù)處理結(jié)果

按照數(shù)據(jù)處理方法，得到周期分別為10 s、12 s、14 s、16 s、20 s和25 s共29個月的瑞利面波相速度擾動圖像。8 s、30 s、35 s和40 s周期因射線數(shù)較少未做擾動圖像分析。

對比不同相速度擾動圖像 (圖3)，可以發(fā)現(xiàn)速度擾動圖像變化規(guī)律總體上一致，最明顯的特點是成像區(qū)域北部 (川滇菱形塊體中段)在不同時段有明顯的速度升高現(xiàn)象。圖3為16 s周期瑞利面波相速度擾動圖像隨時間的變化，對比研究區(qū)域內(nèi)中強地震發(fā)生時間，可以看出在中強地震發(fā)生前，該區(qū)域速度皆有顯著升高。

從圖3可看出，2008年1月和2月地震波速在成像區(qū)域北部中間 (川滇菱形塊體中段)速度升高，2008年3月21日云南盈江發(fā)生5.0級地震，隨后該區(qū)域地震波速度降低，接近正常水平;2008年6～7月波速又升高，2008年8月21日云南盈江發(fā)生5.9級地震，2008年8月30日四川攀枝花發(fā)生6.1級地震，隨后波速接近正常水平;2008年11月該區(qū)域波速又開始升高，并一直持續(xù)到2009年6月，2009年7月9日云南姚安發(fā)生6.0級地震;2009年11月2日云南賓川5.0級地震前當(dāng)月該區(qū)域波速又一次明顯升高;在2010年2月15日云南元謀5.1級地震前1月，波速也有明顯升高。在這七次地震中，雖然兩次盈江地震都遠(yuǎn)離波速異常區(qū)，但在2008年3月21日盈江5.0級地震前的1月和2月，川滇菱形塊體中段出現(xiàn)明顯波速升高異常，2008年8月的盈江地震與攀枝花地震時間相互重疊，未能區(qū)分開來。而其它幾次地震發(fā)生在波速異常區(qū)域附近，說明強震前，在某些構(gòu)造敏感部位，存在可以探測的波速異常。

結(jié)果表明:周期在10～25 s的瑞利面波相速度的速度變化率差異最大可達(dá)±2%，在強震 (M＞5.0)前1～7個月，在成像區(qū)域北部中間 (川滇菱形塊體中段)波速變化率逐漸升高，在震前約1個月達(dá)到最大值，中強震發(fā)生后，該區(qū)域的速度升高現(xiàn)象消失。這種現(xiàn)象在研究時間段內(nèi)都有明顯反映，表明利用背景噪聲得到波速變化率，再繪制得出的波速變化率動態(tài)圖像對云南強震預(yù)測有一定意義。

圖3 16 s周期29個月的相速度擾動圖 (%)Fig.3 Images of 16-second velocity perturbation for 29 months

3 討論

3.1 異常的成像位置

從圖3看出，中強震前的異常位置在成像區(qū)域的邊緣，因臺網(wǎng)子臺分布不均勻，這一區(qū)域的射線密度比較低，那么本文得出的結(jié)論是否可靠呢?為此，筆者將能覆蓋這一區(qū)域的臺站對中甸—鹽津臺站對和麗江—昭通臺站對利用采樣率為100 Hz的數(shù)據(jù)計算格林函數(shù)，疊加所有格林函數(shù)，得到參考格林函數(shù)，并以90天為窗長，1天為滑動步長，分別疊加格林函數(shù)，得到當(dāng)前格林函數(shù)。將當(dāng)前格林函數(shù)與參考格林函數(shù)作相關(guān)性計算，求取兩格林函數(shù)間的時延。圖4和圖5分別為中甸—鹽津和麗江—昭通臺站對的參考格林函數(shù)的時間變化圖，圖4、5中橫坐標(biāo)是從2008年1月1日開始的天數(shù)，縱坐標(biāo)是格林函數(shù)延時，單位為s(秒)。將得到的格林函數(shù)間的延時，作90天滑動平均，就得到延時變化的趨勢項 (圖4、5中最上面的一條藍(lán)線為延時變化的趨勢項)，下面一條藍(lán)線是延時與趨勢之差。格林函數(shù)間的延時變化為了與格林函數(shù)波形變化一致，都作了歸一化處理，延時變化在±1%以內(nèi)，由互相關(guān)計算得到的速度變化 (±1%)小于由成像得到的速度變化 (±2%)。圖4、5中還標(biāo)出了各次地震的位置，可看出，參考格林函數(shù)的同相軸隨著時間變化而變化，說明波速是有變化的。仔細(xì)觀察格林函數(shù)延時變化和同相軸變化，可以發(fā)現(xiàn)在中強地震前，都有波速增加的現(xiàn)象，說明雖然波速異常區(qū)域靠近成像區(qū)域邊緣，但結(jié)果是可靠的。筆者已收集到四川臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)，將對異常區(qū)域作進一步的成像研究。

圖4 中甸—鹽津臺站間格林函數(shù)隨時間變化Fig.4 The empirical Green's function change with time for station pair ZOD-YaJ

圖5 麗江—昭通臺站間格林函數(shù)隨時間變化Fig.5 The empirical Green's function change with time for station pair LiJ-ZAT

3.2 利用臺站對間的格林函數(shù)是否能監(jiān)測中強震前

云南地區(qū)中強震頻發(fā)，筆者利用穿過震源區(qū)的臺站對 (臺站距60～100 km)，采用類似圖4、5的數(shù)據(jù)處理方法，卻沒有得出明確的震源區(qū)震前、震后異常波速變化的可靠證據(jù)。這可能是因為震源區(qū)速度變化量比較小，需要進一步探索。而用成像的方法更有利于區(qū)域內(nèi)異常的發(fā)現(xiàn)，說明成像方法可能有波速變化累積效應(yīng)，利于區(qū)域波速異常的識別。我們的結(jié)果沒有得出類似李軍(2009)等在福建地區(qū)的研究成果——中強震前震源區(qū)附近沒有明顯的波速增高現(xiàn)象，這可能是福建臺網(wǎng)的密度高于云南臺網(wǎng)密度的緣故。

3.3 波速異常區(qū)域的動力學(xué)原因

如果波速升高的結(jié)論是可靠的，那么為什么云南地區(qū)地震波速度升高更明顯呢?從地質(zhì)構(gòu)造上看，這一區(qū)域處于揚子板塊西邊緣，屬于古康滇裂谷的北段，處在麗江—小金河斷裂和安寧河斷裂等活動斷裂圍限區(qū)域，現(xiàn)代構(gòu)造活動強烈。同時它還屬于GPS測量結(jié)果的運動矢量與現(xiàn)代構(gòu)造區(qū)域應(yīng)力場方向明顯不一致的地方，有其明顯的地球動力學(xué)背景。我們初步推測這種波速變化率升高的原因是川滇菱形塊體向南南東楔入過程中受到揚子板塊內(nèi)相對穩(wěn)定塊體阻擋，同時和殼內(nèi)拆離作用有關(guān)。

3.4 關(guān)于波速變化量

對比圖3和圖4、圖5的結(jié)果，在相似路徑上，由當(dāng)前格林函數(shù)和參考格林函數(shù)互相關(guān)得到的延時變化率±1%(等價于符號相反的波速變化率)比由成像到速度得到的變化率小于±2%，這可能是由于在頻散曲線計算和成像過程引入了誤差，放大了速度變化率，但變化趨勢是相似的。

4 結(jié)論

從背景噪聲中提取格林函數(shù)，并反演計算得到速度變化場的方法，不受噪聲源的時間與空間分布影響的特性，使得地震工作者能夠準(zhǔn)實時地研究地殼介質(zhì)的性質(zhì)變化，也為地震工作者用地震波速變化研究中強地震的物理預(yù)測和強震動力學(xué)背景提供了良好的前景。

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Variation of Wave Velocity and Strong Earthquake Preparation in Yunnan Region

YANG Run-hai，WANG Bin，ZHENG Ding-chang，PANG Wei-dong，MIN Zhao-xu，QIN Jia-zheng，WU Guo-hua，XU Ya-ji
(Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China)

Applying the Rayleigh Wave Tomography method to the processing of the continuous ambient data recorded by 46 broadband sub-stations of the Yunnan Seismological Network from November，2007 to May，2010，we obtain the background image of the phase velocity of the Rayleigh Wave with different periods in Yunnan area.Then，by removing the background phase velocity from the current phase velocity reconstructed by sliding timewindow，we obtain the current velocity-perturbation images.Comparing the velocity-perturbation images with the distribution of moderate-strong earthquakes in Yunnan，we find that before moderate-strong earthquakes in the middle part of the Sichuan-Yunan Rhombic Block，Rayleigh-phase velocity increased significantly in the perturbation images of phase-velocity from 10s to 25s.

ambient noise;Green's Function;variation of wave velocity;strong earthquake genesis

P315.3+1

A

1000-0666(2011)04-0420-08

2011-07-25.

云南省基金項目 (2009ZC179M，2010ZC143)，云南省“十項措施”(強震動力學(xué)研究)聯(lián)合資助.