李 麗宋美琴吳昊昱李宏偉1）中國(guó)太原030021山西省地震局2）中國(guó)山西030025太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站

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2010年河津MS4.8地震前后單臺(tái)波速比變化特征分析

李 麗1), 2)宋美琴1), 2)吳昊昱1), 2)李宏偉1), 2)
1）中國(guó)太原030021山西省地震局2）中國(guó)山西030025太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站

摘要在收集和整理2001年1月—2014年10月山西地區(qū)震相觀測(cè)報(bào)告基礎(chǔ)上，以2010 年1月24日河津MS4.8地震前后，山西南部4個(gè)記錄震相數(shù)據(jù)連續(xù)性較好的地震臺(tái)站（夏縣、臨汾、隰縣、安澤）數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，采用單臺(tái)多震和達(dá)法，對(duì)波速比變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果顯示，震中以北的臨汾和安澤地震臺(tái)，在震前具有持續(xù)2—3年的中期波速比低值異常；地震臺(tái)站不同方位細(xì)化分析表明，震前臨汾地震臺(tái)西南方位和隰縣地震臺(tái)正南方位的波速比時(shí)間曲線出現(xiàn)短期異常變化。綜合分析認(rèn)為，單臺(tái)波速比異常與地震臺(tái)站方位和孕震區(qū)范圍明顯相關(guān)，且接收穿透孕震區(qū)較好射線的地震臺(tái)短期異常較明顯。

關(guān)鍵詞河津MS4.8地震；波速比；孕震區(qū)；單臺(tái)多震和達(dá)法

0 引言

在地震孕育過(guò)程中，尤其是在臨震階段較短時(shí)間內(nèi)，震源及附近地區(qū)由于區(qū)域應(yīng)力增加和應(yīng)變積累，地下介質(zhì)的物理狀態(tài)產(chǎn)生一系列變化，如：出現(xiàn)微破裂、擴(kuò)容、塑性硬化、裂隙密度及飽水層變化等，地震波通過(guò)時(shí)，波速相應(yīng)發(fā)生變化（錢曉東等，2013）。早在20世紀(jì)50年代，日本地震學(xué)家宮本貞夫就發(fā)現(xiàn)強(qiáng)震前地震波速度的變化異常現(xiàn)象（馮德益，1981）。1962年前蘇聯(lián)謝苗若夫通過(guò)對(duì)伽尓姆地區(qū)發(fā)生的一系列3.5—5.5級(jí)地震進(jìn)行研究，也發(fā)現(xiàn)震前波速異常現(xiàn)象（陳遠(yuǎn)忠等，1985）。1973年美國(guó)Aggarwal等（1975）發(fā)表了紐約藍(lán)山湖震群中幾次小地震（最大地震為3.3級(jí)）前波速比的異常變化研究成果，并成功預(yù)報(bào)1973年8月3日藍(lán)山湖2.6級(jí)地震。

中國(guó)地震工作者就波速異常研究也得到類似結(jié)果，積累了大量震例資料，還有一些強(qiáng)震預(yù)報(bào)成功震例，如：1976年四川松潘—平武7.2級(jí)地震和1979年新疆庫(kù)車6.0級(jí)地震（敖雪明等，1980；徐果明等，1982）。李永莉等（2010）根據(jù)云南地區(qū)第4強(qiáng)震活躍期內(nèi)波速比變化規(guī)律，總結(jié)云南及鄰區(qū)M≥7.0大震活動(dòng)特征；姚家駿等（2012）利用數(shù)字震相資料，研究玉樹(shù)MS7.1地震前后波速比時(shí)間演化特征；王林瑛等（2014）和李艷娥等（2014）利用單臺(tái)波速比，分別對(duì)蘆山7.0和汶川8.0強(qiáng)震前單臺(tái)波速比變化特征進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在強(qiáng)震前存在中長(zhǎng)期波速異常，且在一定程度上可以預(yù)測(cè)孕震體空間尺度。

山西地區(qū)對(duì)MS≥5.1地震波速比研究較多，如：1989年和1991年大同—陽(yáng)高6.1級(jí)和5.8級(jí)地震、1991年忻州5.1級(jí)地震、侯馬5.1級(jí)地震前均出現(xiàn)明顯低值異常（戴維樂(lè)等，1991；王春云等，1994；劉繼祿等，1999；宋美琴等，2004）。那么，震級(jí)相對(duì)較小的地震在震前是否存在波速比異常變化，單臺(tái)波速比異常特征能否反映孕震區(qū)范圍？2010年1月24日山西河津發(fā)生MS4.8地震，就此利用單臺(tái)多震和達(dá)法，對(duì)該地震進(jìn)行不同方位分區(qū)細(xì)化分析，獲取發(fā)震位置與異常臺(tái)站之間的時(shí)空演化關(guān)系，研究中等地震前后波速比變化特征，以期對(duì)判定地震危險(xiǎn)區(qū)域，并認(rèn)識(shí)山西地區(qū)中強(qiáng)地震孕育演化過(guò)程中介質(zhì)物性變化提供參考。

1 單臺(tái)多震波速比原理和計(jì)算方法

單臺(tái)多震和達(dá)法計(jì)算地震平均波速比源于馮德益（1981） 原理，即由單臺(tái)記錄的多次地震事件進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)臺(tái)站周圍地區(qū)發(fā)生的小地震波速變化，判斷該臺(tái)附近是否存在發(fā)生較大地震的前兆異常。影響單臺(tái)多震和達(dá)法計(jì)算結(jié)果的可能因素有：參與計(jì)算的地震時(shí)空分布不均勻、地震定位精度及發(fā)震時(shí)刻的誤差不同（王林瑛等，2014）。而該方法可以利用一個(gè)臺(tái)站記錄的不同時(shí)間發(fā)生地震的震相數(shù)據(jù)，參與計(jì)算的地震方位和范圍可以根據(jù)需要進(jìn)行不同選擇，有效避免地震分布不均勻影響，可以較好反映孕震區(qū)介質(zhì)物性變化。

圖1中，臺(tái)站S1位于未來(lái)地震孕震區(qū)或邊緣，孕震體及周邊發(fā)生多次地震的直達(dá)波射線在臺(tái)站下方集中穿透，與單震多臺(tái)和達(dá)法一次地震的直達(dá)波射線在地表多個(gè)臺(tái)站分散穿透比較，空間分辨能力和所含有的孕震介質(zhì)物性信息明顯增加，可以較好地應(yīng)用在中小地震頻發(fā)和臺(tái)站分布相對(duì)密集地區(qū)（王林瑛等，2014）。

圖1　單臺(tái)多震和達(dá)法示意Fig.1 Sketch of Wadati method of singlestation and multi-earthquake

文中波速比由天然地震的直達(dá)P波與S波到時(shí)差和P波到時(shí)和達(dá)圖線性關(guān)系確定，見(jiàn)式（1），線性相關(guān)系數(shù)R可由式（2）計(jì)算。

計(jì)算誤差γ為

以上公式中，tPi為P波走時(shí)，tSi為S波走時(shí)，Δti= tSi-tPi，n為每次地震到時(shí)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，δt＇Pi= (tPi-t0)-Δti/(vP/vS-1)（馮德益，1981）。

2 資料選取

自2001年以來(lái)，“九五”“十五”期間，山西南部的夏縣臺(tái)（XAX）、臨汾臺(tái)（LIF）、陽(yáng)城臺(tái)（YAC）、隰縣臺(tái)（XIX）和安澤臺(tái)(ANZ)進(jìn)行數(shù)字化改造。2008年汶川8.0級(jí)地震后，山西地區(qū)增加許多測(cè)震臺(tái)站，但監(jiān)測(cè)時(shí)間短，無(wú)法獲取2010年河津MS4.8地震前較長(zhǎng)時(shí)間的變化特征，陽(yáng)城臺(tái)2004年6月—2008年5月停測(cè)，故本次研究主要針對(duì)其余4個(gè)地震臺(tái)站進(jìn)行單臺(tái)波速比計(jì)算。

山西南部地震主要分布在臨汾盆地、運(yùn)城盆地和峨眉臺(tái)地隆起區(qū)，兩側(cè)山區(qū)地震分布較少（圖2）。搜集和整理該地區(qū)2001—2014年10月震相觀測(cè)報(bào)告，為增加研究結(jié)果可靠性，選擇相關(guān)系數(shù)R≥0.95，誤差估計(jì)γ≤0.05，刪除線性擬合較差的數(shù)據(jù)，采用50次地震為1組數(shù)據(jù)得到一個(gè)波速比值，排除每組數(shù)據(jù)中離差偏大的震相數(shù)據(jù)。山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)初始地震監(jiān)控能力為ML≥1.8，確定起算震級(jí)下限為1.8，一般取2.0，到時(shí)差Δt最小取16 s，最大取24 s，即震中距范圍最小約134 km，最大約200 km。

圖2　研究區(qū)地震臺(tái)站及震中分布Fig.2 Distribution of earthquakes and stations in the study area

3 單臺(tái)波速比計(jì)算結(jié)果

利用山西數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)2001年1月1日—2014年10月31日地震觀測(cè)報(bào)告中直達(dá)P波和S波震相數(shù)據(jù)，分析計(jì)算山西南部4個(gè)連續(xù)性較好地震臺(tái)站波速比隨時(shí)間變化曲線。為了避免參與計(jì)算的地震空間位置的不穩(wěn)定性影響單臺(tái)多震和達(dá)法計(jì)算結(jié)果，在分析河津MS4.8地震前波速比異常時(shí)，只對(duì)臺(tái)站固定方位的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并考慮單個(gè)地震定位精度，確保震相數(shù)據(jù)樣本數(shù)量，以提高波速比計(jì)算結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性。

3.1 臨汾地震臺(tái)波速比異常分析

圖3(a)是以臨汾臺(tái)為中心、半徑160 km范圍內(nèi)的地震空間分布，圖3(b)為選?。╝）圖地震進(jìn)行單臺(tái)波速比計(jì)算的時(shí)間變化曲線，計(jì)算約束條件為Δt = 20 s，50個(gè)地震聯(lián)合計(jì)算，震級(jí)下限為2.0級(jí)。從圖3可見(jiàn)，在2010年河津地震前2年出現(xiàn)明顯的波速比低值異常，地震發(fā)生前1個(gè)月左右出現(xiàn)低值回返，并于1月24日發(fā)生河津MS4.8地震，震后半年左右波速比恢復(fù)到背景值。

從圖3(a)可見(jiàn)，地震主要分布在斷陷盆地，呈帶狀分布，而臨汾測(cè)震臺(tái)位于臨汾盆地中部，圖3(b)中波速計(jì)算結(jié)果既含有臨汾臺(tái)北部又含有西南方孕震區(qū)介質(zhì)信息，為體現(xiàn)實(shí)際孕震區(qū)介質(zhì)物性變化，分別取臨汾臺(tái)北東方向［圖3(a)中Ⅰ區(qū)］和西南方向［圖3(a)中Ⅲ區(qū)］的地震震相報(bào)告進(jìn)行波速比計(jì)算，約束條件不變，見(jiàn)圖4。從圖4可見(jiàn)，兩個(gè)方位的波速比時(shí)序曲線明顯不同：臨汾臺(tái)北東方向不含孕震區(qū)，時(shí)序曲線［圖4(a)］顯示的波速比值低于圖3(b)中均值線1.70，在河津4.8級(jí)地震前波速值比較穩(wěn)定；西南方向?yàn)樵姓饏^(qū)，且臺(tái)站距主震位置只有80 km，從圖4(b)可以見(jiàn)，震前異常持續(xù)時(shí)間短，波速比急劇下降，在波速降至約1.60發(fā)生河津4.8級(jí)地震，之后低值持續(xù)約1年，波速比回升到一個(gè)新的背景值。

圖3　臨汾臺(tái)選定地震空間分布及波速比時(shí)間變化曲線Fig.3 Distribution of earthquakes and variation of vP/vSwith time for Linfen Seismic Station

圖4　圖3（a）中Ⅰ區(qū)和Ⅲ區(qū)波速比時(shí)間變化曲線（a）Ⅰ區(qū)；（b）Ⅲ區(qū)Fig.4 Variation of vP/vSwith time in the area Ⅰ and Ⅲ for Fig.3(a)

注意：震前短時(shí)間內(nèi)波速比急劇下降并不意味著河津地震前單個(gè)地震波速比加速下降。在進(jìn)行單臺(tái)波速比計(jì)算時(shí)，若少于50個(gè)地震為1組，則波速比值波動(dòng)較大，得不到趨勢(shì)變化；若多于50個(gè)地震為1組，則消弱一段時(shí)間內(nèi)的變化特征；50個(gè)地震作為1個(gè)地震震相聯(lián)合計(jì)算，可以有效反映河津4.8級(jí)地震前后一段時(shí)間內(nèi)區(qū)域地殼介質(zhì)的物性變化狀態(tài)。由此可見(jiàn)，在山西地區(qū)以50個(gè)地震聯(lián)合計(jì)算可以更好提取波速比異常，捕捉中強(qiáng)地震前短臨變化。

3.2 安澤地震臺(tái)波速比異常分析

安澤地震臺(tái)位于河津4.8級(jí)地震北東約160 km處，波速比計(jì)算到時(shí)差選取24 s，即選取該臺(tái)周圍約200 km范圍內(nèi)的地震，震中分布見(jiàn)圖5。選擇臺(tái)站西南方位（圖5中Ⅱ區(qū)）的地震震相報(bào)告進(jìn)行計(jì)算，得到波速比時(shí)間變化圖像，見(jiàn)圖6。從圖6(a)可見(jiàn)，河津4.8級(jí)地震前出現(xiàn)約3年的低值異常，在持續(xù)過(guò)程中發(fā)震，之后波速比快速回升。圖6(b)是以200 km為半徑，計(jì)算區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地震波速比時(shí)間曲線，盡管安澤臺(tái)西南方位存在低值異常，但由于地震分布方位不同，得到較大區(qū)域的波速比平均結(jié)果，因局部范圍異?？赡苁艿綁褐苹驕p弱，造成本次計(jì)算的波速比在河津地震前沒(méi)有反應(yīng)。

3.3 隰縣地震臺(tái)波速比異常

隰縣臺(tái)位于河津4.8級(jí)地震北部約130 km處，計(jì)算約束條件為Δt = 23 s，震級(jí)下限為2.0級(jí)，選取隰縣臺(tái)正南方矩形區(qū)域［圖7(a)］的地震震相報(bào)告進(jìn)行波速比計(jì)算，波速比變化曲線見(jiàn)圖7(b)。從圖7(b)可見(jiàn)，在河津4.8級(jí)地震前有一個(gè)波速急劇下降過(guò)程，波速比低于1.65發(fā)震，震后波速回升，約1年恢復(fù)到背景水平。

由于山西西部為少震山區(qū)，地殼介質(zhì)環(huán)境較為穩(wěn)定，而隰縣臺(tái)正南方的地震多位于河津地震附近，表明中小地震直達(dá)波穿透孕震體的發(fā)震區(qū)域，能夠反映震源區(qū)地殼介質(zhì)的短臨變化，臨汾臺(tái)西南方位的地震波速比亦可印證此推測(cè)。

圖5　安澤臺(tái)200 km范圍內(nèi)地震空間分布Fig.5 Distribution of earthquakes in 200 km for Anze Seismic Station

圖6　圖5中Ⅱ區(qū)和全區(qū)內(nèi)波速比變化曲線(a) Ⅱ區(qū)；(b)全區(qū)Fig.6 Variation of vP/vSwith time in the areaⅡ(a) and all (b) for Fig.5

圖7　隰縣臺(tái)200 km范圍內(nèi)地震的空間分布和矩形區(qū)域內(nèi)波速比變化曲線Fig.7 Distribution of earthquakes and variation of vP/vSwith time in 200 km for Xixian Seismic Station

3.4 夏縣地震臺(tái)波速比

夏縣臺(tái)位于太行山斷塊隆起區(qū)，臺(tái)站西距離中條山北麓斷裂0.1 km，與河津地震相距約70 km，在4個(gè)地震臺(tái)中震中距最近。該臺(tái)附近地震多發(fā)生在運(yùn)城盆地、峨眉地臺(tái)隆起和臨汾盆地（圖2）?？赡芤虻卣鹋_(tái)站所處位置，河津地震前，該區(qū)ML≥1.8地震波射線穿透區(qū)域主要為非孕震區(qū)的峨眉地臺(tái)和運(yùn)城盆地，所以夏縣臺(tái)波速比曲線變化在河津地震前并無(wú)異常。

4 結(jié)論

（1）位于臨汾盆地中部的臨汾臺(tái)和東部山區(qū)的安澤臺(tái)，在2010年河津4.8級(jí)地震前均存在明顯的波速比低值異?，F(xiàn)象，持續(xù)時(shí)間2—3年，且震后快速回升。通過(guò)對(duì)臺(tái)站不同方位地震分區(qū)細(xì)化分析發(fā)現(xiàn)，臨汾臺(tái)西南和隰縣臺(tái)正南方位波速比時(shí)間曲線在河津4.8級(jí)地震前出現(xiàn)短期異常變化，可能與選取的地震射線能很好地穿透孕震區(qū)，并攜帶有益的震源信息有關(guān)。而震中距最近的夏縣臺(tái)在震前無(wú)明顯波速異常，可能與臺(tái)站位置和孕震區(qū)范圍有關(guān)。

（2）馮德益（1981）總結(jié)的波速異常一般形態(tài)為：地震前波速比急劇下降，在一定時(shí)期內(nèi)保持在低值變化，回升到背景值一段時(shí)間后發(fā)生主震。馮德益對(duì)35個(gè)國(guó)外M≥3.1地震波速異常持續(xù)時(shí)間及異常形態(tài)進(jìn)行總結(jié)，發(fā)現(xiàn)其中8個(gè)地震不同于波速異常一般形態(tài)，主要表現(xiàn)是在波速低值異常持續(xù)過(guò)程中發(fā)震，這些地震主要分布在前蘇聯(lián)伽尓姆地區(qū)，具有一定的區(qū)域特征。另外，對(duì)我國(guó)19個(gè)M≥4.1地震波速比異常震例統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，其中3個(gè)中強(qiáng)地震也是在波速低值異常持續(xù)過(guò)程中發(fā)震（山西省2015年度地震趨勢(shì)研究報(bào)告，2014）。而2010年河津4.8級(jí)地震發(fā)生在波速低值異常持續(xù)過(guò)程中，可能是因多地震聯(lián)合計(jì)算延后波速變化時(shí)間所致，也可能由波速異常形態(tài)的地區(qū)性差異引起。

河津4.8級(jí)地震前波速比異常形態(tài)可以由擴(kuò)容模式（Nur A，1972）解釋。隨著地殼應(yīng)力增加，巖石擴(kuò)容裂隙尚未形成時(shí)，波速變化不大或緩慢上升；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定強(qiáng)度以后，巖石產(chǎn)生大量微裂擴(kuò)容，且裂隙不飽和，導(dǎo)致波速比明顯下降；由于地下水填充裂隙，使得裂隙達(dá)到飽和狀態(tài)，導(dǎo)致波速逐漸回升到正常值。在波速比回升過(guò)程中，因不同區(qū)域地殼巖性不同，隨著孔隙壓強(qiáng)增大，有效圍壓不斷降低，促使斷層滑動(dòng)，進(jìn)而發(fā)生地震。

（3）由于單臺(tái)多震和達(dá)法影響波速比變化因素相對(duì)較少，空間分辨率較高，故在波速比異常識(shí)別上明顯優(yōu)于多臺(tái)和達(dá)法和多震聯(lián)合法，可以明顯識(shí)別河津地震前波速異常變化。考慮到臺(tái)站觀測(cè)的連續(xù)性和震相資料的完整性及可靠性，本研究臺(tái)站選擇受限，震相數(shù)據(jù)存在一定誤差，但不影響結(jié)論的適用性。

（4）河津MS4.8地震前波速比異常變化時(shí)空演化特征表明，該方法可在一定程度上反映地殼介質(zhì)的演化過(guò)程。由于目前研究和檢驗(yàn)實(shí)例尚少，對(duì)地震孕育復(fù)雜的物理過(guò)程認(rèn)識(shí)有限，今后需對(duì)山西及鄰區(qū)進(jìn)行更多震例分析，并改進(jìn)研究方法，對(duì)地震波速異常進(jìn)行深入、細(xì)致地研究。

感謝中國(guó)地震局地球物理研究所王林瑛和李艷娥為本研究提供計(jì)算方法和計(jì)算程序。

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Temporal variation of vP/vSat single seismic station before and after Hejin MS4.8 earthquake in the year 2010

Li Li1), 2)，Song Meiqin1), 2)，Wu Haoyu1), 2)and Li Hongwei1), 2)
1) Earthquake Administration of Shanxi Province， Taiyuan 030021， China 2) National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan， Shanxi Province 030025， China

Abstract

Based on the seismic phase report of Shanxi Province from January 2001 to October 2014，the variation of wave velocity ratio before and after Hejin MS4.8 earthquake in the year 2010 is analyzed by using Wadati method of single station and multi-earthquake in this paper. And four stations， those with relatively continuous seismic phase data， were selected. The results showed that the middle wave velocity ratio displayed anomaly for two or three years at Linfen Seismic Station and Anze Seismic Station， which are situated in the northern side of Hejin MS4.8 earthquake’s epicenter. At the same time， the different azimuthal partition result indicated that，the wave velocity ratio curve， which represented southwest of Linfen Seismic Station and south of Xixian Seismic Station， showed short period anomaly before Hejin MS4.8 earthquake. The abnormity had obvious relationship with scope of earthquake pregnancy， the better ray the station accepted， the more obvious anomaly was showed.

Key words:Hejin MS4.8 earthquake，wave velocity ratio，seismogenic zone，Wadati method of single station and multi-earthquake

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 002

基金項(xiàng)目：地震科技星火計(jì)劃青年項(xiàng)目（XH14010Y）、山西省地震局青年科研項(xiàng)目（SBK-1412）和2016年度震情跟蹤定向工作任務(wù)（2016010106）聯(lián)合資助

作者簡(jiǎn)介：李麗（1981—），女，工程師，主要從事地震活動(dòng)性和數(shù)字地震應(yīng)用研究工作。E-mail：lilitiaoji@163.com

本文收到日期：2015-06-08