李文君 曾憲偉 任雪梅 許英才 朱鵬濤 李自芮 馬小軍

（中國(guó)銀川750001 寧夏回族自治區(qū)地震局）

0 引言

地震波在傳播過程中攜帶了地球內(nèi)部的大量信息，可為研究地下介質(zhì)變化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在地震孕育過程中，尤其是在臨震階段較短時(shí)間內(nèi)，震源及其附近地區(qū)的地下介質(zhì)由于區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)、孕震區(qū)應(yīng)力增加和應(yīng)變積累，會(huì)出現(xiàn)諸如微破裂、塑性硬化、裂隙密度及飽水層變化等現(xiàn)象，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^該介質(zhì)及周邊區(qū)域時(shí)，地震波的傳播速度會(huì)發(fā)生變化。早在1956 年，日本地震學(xué)家宮本貞夫就發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)震前地震波速度變化的異?，F(xiàn)象（馮德益，1981）。李艷娥等（2014）研究發(fā)現(xiàn)，汶川MS8.0 地震前波速比顯著變化臺(tái)站的分布范圍與孕震區(qū)范圍基本一致，為確定此次地震前震源區(qū)是否存在地殼介質(zhì)的顯著時(shí)空變化提供了有利證據(jù)；王林瑛等（2014）對(duì)蘆山MS7.0 地震前波速比變化進(jìn)行回溯性分析，發(fā)現(xiàn)部分臺(tái)站出現(xiàn)波速比低值異常隨時(shí)間變化的現(xiàn)象，該研究結(jié)果對(duì)于判定未來強(qiáng)震孕育可能的展布空間具有指示意義。

近年來，隨著數(shù)字地震臺(tái)站逐漸增多，吳忠—靈武地區(qū)積累了大量中小地震數(shù)字化觀測(cè)資料。值得關(guān)注的是，該區(qū)2020 年接連發(fā)生5 次ML3.0 以上地震（分別是3 月24 日吳忠ML3.0 地震，4 月5 日靈武ML3.8 地震，5 月8 日靈武ML3.2 地震，6 月12 日青銅峽ML4.0 和ML3.4 地震），2021 年7 月11 日出現(xiàn)小震群活躍現(xiàn)象，11 月18 日發(fā)生ML4.5 地震，震情形勢(shì)嚴(yán)峻。鑒于此，有必要對(duì)吳忠、靈武地區(qū)開展波速比和地震危險(xiǎn)性研究工作。

為此，筆者利用寧夏地區(qū)數(shù)字化地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄的中小地震波形資料，采用單臺(tái)多震和達(dá)法，分析1980—2008 年吳忠—靈武地區(qū)MS≥5.0 地震前波速比變化，以期為當(dāng)前震情趨勢(shì)研判提供參考。

1 計(jì)算方法與約束條件

1.1 單臺(tái)多震和達(dá)法

單臺(tái)多震和達(dá)法由日本地震學(xué)家和達(dá)清夫1928 年提出。在假定震源區(qū)到地表介質(zhì)為理想均勻彈性的條件下，縱波速度vP和橫波速度vS與介質(zhì)泊松比σ、彈性模量E、介質(zhì)密度ρ之間的關(guān)系（李善邦，1981）為

由式（3）可見，vP/vS為介質(zhì)泊松比σ的函數(shù)，主要反映地殼中上層介質(zhì)泊松比的變化。P 波和S 波的速度則與介質(zhì)的泊松比σ、彈性模量E 和介質(zhì)密度ρ密切相關(guān)。根據(jù)P 波走時(shí)與P 波、S 波到時(shí)差的線性關(guān)系，可得vP/vS波速比值計(jì)算公式，即

線性相關(guān)系數(shù)R為

計(jì)算誤差γ為

式中，tPi為P 波走時(shí)，tSi為S 波走時(shí)，n為每次地震到時(shí)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，馮德益，1981）。該方法示意圖見圖1。

圖1 單臺(tái)多震和達(dá)法示意圖（據(jù)李艷娥等，2014）Fig.1 Schematic diagram of the Wadati method of single station multi earthquakes(according to Li et al,2014)

1.2 約束條件

資料質(zhì)量對(duì)利用和達(dá)法求多臺(tái)波速比的影響眾所周知。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（李 麗 等，2016）。其可能影響因素為：①每組參與計(jì)算的地震空間位置可能不穩(wěn)定；②單次地震發(fā)生時(shí)刻誤差不同。因此，在地震時(shí)空分布相對(duì)均勻且穩(wěn)定、每次參與計(jì)算的數(shù)據(jù)量基本相同情況下，其計(jì)算結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性較高。

在研究過程中，由于不同研究者在計(jì)算波速比時(shí)選取的最大震中距、相關(guān)系統(tǒng)數(shù)、計(jì)算誤差及最小完整性震級(jí)不同，為了使得計(jì)算結(jié)果更加合理，文中統(tǒng)計(jì)分析多個(gè)文獻(xiàn)中關(guān)于參數(shù)的設(shè)定及適用范圍（表1），并據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，取震中距200 km 范圍內(nèi)的記錄資料進(jìn)行分析，以確保震相數(shù)據(jù)的科學(xué)性與合理性。

表1 不同文獻(xiàn)中波速比計(jì)算的參數(shù)設(shè)置及適用范圍Table1 Parameter settings and application scopes for the calculation of wave velocity ratio used by different researchers

2 資料選取

吳忠—靈武地區(qū)位于銀川盆地南部，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育黃河斷裂靈武段、銀川隱伏斷裂南段、新華橋斷裂、牛首山斷裂等（圖2），1970 年以來中小地震頻發(fā)，據(jù)寧夏地震臺(tái)網(wǎng)地震目錄，共發(fā)生ML≥0 地震1 213 次，其中：ML0—0.9 地震71 次，ML1.0—1.9 地震277 次，ML2.0—2.9 地震671 次，ML3.0—3.9 地震166 次，ML4.0—4.9 地震23 次，MS≥5.0 地震5 次。部分地震臺(tái)站及1980 年以來4 級(jí)以上地震分布見圖2。

利用寧夏地震臺(tái)網(wǎng)1980 年1 月—2008 年12 月記錄的中小地震數(shù)據(jù)，采用單臺(tái)多震和達(dá)法，研究該區(qū)中強(qiáng)地震前波速比變化特征?？紤]到ML＜2.0 的小地震一般背景噪聲干擾大、信號(hào)弱，讀取的P 波和S 波到時(shí)誤差大，故震級(jí)下限取為ML2.0。1980—2008年研究區(qū)共發(fā)生4 次MS≥5.0 地震，其中3 次地震發(fā)生在1987—1988 年，時(shí)間間隔小，故作為一次地震叢事件來進(jìn)行回溯分析。

由于天然地震發(fā)生位置的不穩(wěn)定性和成叢性，會(huì)對(duì)單臺(tái)多震和達(dá)法計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大影響，考慮到地震分布的不穩(wěn)定性，以及和達(dá)法自身固有的局限性，本研究在tS-P確定條件下，取tS-P≤20，計(jì)算樣本組地震數(shù)取50，誤差估計(jì)γ≤0.05，其中考慮了孕震體介質(zhì)非均勻性也可導(dǎo)致波速比和達(dá)曲線的誤差增大和相關(guān)性降低的因素。誤差分析表明，計(jì)算得到的波速比是可靠的。

3 波速比時(shí)序變化分析

以1984 年11 月23 日靈武MS5.2 地震和1987—1988 年MS≥5.0 地震叢事件為例，利用發(fā)震前后10 年內(nèi)臺(tái)站周邊200 km 范圍內(nèi)多次地震波形到時(shí)數(shù)據(jù)，回溯分析2 次震例發(fā)生前震中周邊200 km 范圍內(nèi)地震臺(tái)站記錄波速比變化。掃描結(jié)果使用不同顏色的三角形表示：紅色三角形示意震前存在波速比異常；橘色三角形示意震前波速比雖有下降，但未降至均值線以下；綠色三角形表示震前波速比無異常變化；灰色三角形表示研究時(shí)段該臺(tái)站無震相數(shù)據(jù)資料。

3.1 1984 年11 月23 日靈武MS 5.2 地震

計(jì) 算1984 年11 月23 日 靈 武MS5.2 地震前波速比變化，結(jié)果顯示：靈武臺(tái)（LWT）、中衛(wèi)臺(tái)（ZW1）和寺口子臺(tái)（SKZ）在此次地震發(fā)生前出現(xiàn)波速比異?，F(xiàn)象，3 個(gè)臺(tái)站呈三角形展布，與震中位置分別相距約13 km、120 km、200 km，震中位于三角形邊緣（圖3）。

圖3 靈武MS 5.2 地震前波速比異常臺(tái)站分布Fig.3 The distribution of stations with wave velocity ratio anomalies before Lingwu MS 5.2 earthquake

選取此次靈武MS5.2 地震發(fā)生前后10 年內(nèi)，3 個(gè)臺(tái)站周邊中小地震（圖4）長(zhǎng)周期和短周期記錄，分析波速比vP/vS隨時(shí)間的變化，結(jié)果見圖5。為了消除單點(diǎn)突跳，對(duì)波速比進(jìn)行5 點(diǎn)平均，圖5 中同時(shí)給出5 點(diǎn)平均1 點(diǎn)滑動(dòng)平均線，3 條直線中實(shí)線為均值，上下2 條虛線為1.5 倍均方差。

圖4 LWT、ZW1、SKZ 臺(tái)站參與波速比計(jì)算的地震空間分布Fig.4 Spatial distribution maps of earthquakes that are used in the calculations at LWT,ZW1 and SKZ stations

圖5 1984 年11 月23 日靈武MS 5.2 地震前后波速比異常時(shí)序Fig.5 Time sequence diagram of wave velocity ratio anomaly before and after Lingwu MS 5.2 earthquake on November 23,1984

由圖5 可見：寺口子臺(tái)（SKZ）波速比1982 年4 月開始下降，1984 年1 月達(dá)最低點(diǎn)，于恢復(fù)過程中發(fā)生地震，即震前21 個(gè)月出現(xiàn)波速比下降，震前10 個(gè)月達(dá)波速比值最低點(diǎn)，后緩慢恢復(fù)；中衛(wèi)臺(tái)（ZW1）波速比1982 年3 月開始下降，1984 年1 月達(dá)最低點(diǎn)，后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，并于恢復(fù)過程中發(fā)生地震。即震前22 個(gè)月出現(xiàn)波速比下降，震前10 個(gè)月達(dá)波速比值最低點(diǎn)，后緩慢恢復(fù)；靈武臺(tái)（LWT）波速比1982年10月開始下降，1983年7月達(dá)最低點(diǎn)，后緩慢恢復(fù)，并于恢復(fù)過程中發(fā)生地震。

3.2 1987—1988 年地震叢

1987—1988 年期間，吳忠—靈武地區(qū)共發(fā)生8 次4.3 級(jí)以上地震（5 級(jí)以上地震3 次），分別是1987 年8 月10 日5.4 級(jí)地震、1987 年8 月10 日4.3 級(jí)地震、1987 年8 月10 日2 次4.4級(jí)地震、1988 年1 月4 日5.4 級(jí)地震、1988 年1 月8 日4.3 級(jí)地震、1988 年1 月10 日5.0級(jí)地震和1988 年4 月12 日4.3 級(jí)地震（表2）。由于發(fā)震間隔較小，作為一次地震叢事件進(jìn)行波速比回溯分析。該區(qū)多震型地震多發(fā)，此次地震叢即為一次多震型地震序列。

表2 1978—1988 年MS 4.0 以上地震三要素統(tǒng)計(jì)Table2 Statistics of MS ≥4.0 earthquakes from 1978 to 1988

此次地震叢半徑約7.7 km，空間分布較為集中。從地震臺(tái)站波速比異常掃描結(jié)果可知，震前未出現(xiàn)明顯波速比異常變化，其中銀川臺(tái)（YCH）、靈武臺(tái)（LWT）、中衛(wèi)臺(tái)（ZW2）和同心臺(tái)（TXT）震前波速比稍有下降，且圍繞地震叢呈四邊形均勻展布[圖6(a)]。從波形結(jié)果來看，銀川臺(tái)（YCH）、靈武臺(tái)（LWT）波速比下降幅度較大。

將發(fā)震時(shí)段定義為1987 年8 月10 日至1988 年1 月10 日，選取銀川臺(tái)（YCH）、靈武臺(tái)（LWT）、中衛(wèi)臺(tái)（ZW2）和同心臺(tái)（TXT）發(fā)震前后記錄的中小地震[圖6(b)]，分析該地震叢波速比異常時(shí)序變化，結(jié)果見圖7。由圖7 可見，4 個(gè)臺(tái)站波速比分別于1985 年9 月、1986 年4 月、1985 年3 月、1985 年9 月出現(xiàn)下降，其中銀川臺(tái)（YCH）、中衛(wèi)臺(tái)（ZW2）和同心臺(tái)（TXT）波速比在下降過程中出現(xiàn)反彈后繼續(xù)下降。波速比計(jì)算結(jié)果顯示，震區(qū)北部的銀川地區(qū)和靈武一帶波速比異常較為明顯。

圖6 1987—1988 年地震叢發(fā)生前波速比異常臺(tái)站分布（a）及參與波速比計(jì)算的地震分布（b）Fig.6 Distribution of stations with wave velocity ratio anomalies before the occurrence of earthquake clusters in 1987-1988(a) and distribution of earthquakes involved in the wave velocity ratio calculation (b)

圖7 1987—1988 年地震叢波速比異常時(shí)序Fig.7 Time sequence diagram of wave velocity ratio anomaly before earthquakes from 1987 to 1988

3.3 近期波速比掃描結(jié)果

選取2015 年1 月—2021 年12 月吳忠—靈武地區(qū)發(fā)生的中小地震，對(duì)該區(qū)波速比進(jìn)行掃描，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，僅海原臺(tái)（HYU）出現(xiàn)波速比異常（圖8）。分析該時(shí)段海原臺(tái)波速比時(shí)序變化，結(jié)果見圖9，可見：2019 年7 月開始，該臺(tái)波速比急速下降，至2021 年1 月達(dá)低值點(diǎn)，后恢復(fù)轉(zhuǎn)平，且轉(zhuǎn)平過程中，臺(tái)站周邊200 km 范圍內(nèi)至今無地震發(fā)生。

圖8 2015—2021 年研究區(qū)地震臺(tái)波速比異常分布（a）及參與波速比計(jì)算的地震分布（b）Fig.8 Distribution of seismic stations with wave velocity ratio anomalies in the study area from 2015 to 2021 (a) and distribution of earthquakes involved in the wave velocity ratio calculation (b)

圖9 近年來海原臺(tái)波速比時(shí)序Fig.9 Time sequence diagram of wave velocity ratio in recent years at HYU Seismic Station

從波速比空間掃描結(jié)果來看，未來短期內(nèi)，需要重點(diǎn)關(guān)注寧夏南部及鄰區(qū)震情形勢(shì)變化。從動(dòng)力學(xué)角度來看，此次波速比值低值點(diǎn)后轉(zhuǎn)折上升的變化，可能與區(qū)域應(yīng)力調(diào)整有關(guān)。追溯歷史地震發(fā)現(xiàn)，1990 年4 月26 日青海共和MS7.0 地震發(fā)生后一年內(nèi)，寧夏固原地區(qū)受區(qū)域應(yīng)力調(diào)整的影響，小震群活動(dòng)較為活躍。與此類似，2021 年5 月22 日青?，敹嗟卣鸢l(fā)生后，6 月11 日至7 月1 日寧夏固原市原州區(qū)中河鄉(xiāng)發(fā)生小震叢集活動(dòng)，共記錄可定位地震348 次，震群分布范圍約610 km2，這是否意味著海原臺(tái)波速比低值異常對(duì)應(yīng)此次青海瑪多地震仍有待研究。

4 結(jié)論

利用單臺(tái)多震和達(dá)法，對(duì)吳忠—靈武地區(qū)波速比進(jìn)行分析，結(jié)合已有研究成果，得到如下結(jié)論：

（1）文中僅對(duì)研究區(qū)掃描了2 組MS≥5.0 地震事件，其中1 組為3 次MS≥5.0 地震叢事件，但從波速比計(jì)算結(jié)果來看，2 組地震前波速比異常具有共性特點(diǎn)，即震中周圍分布的多個(gè)臺(tái)站出現(xiàn)不同程度的波速比值下降變化。震中位置分布于波速比下降或異常臺(tái)站多邊形連線邊緣或內(nèi)部。當(dāng)然，由于該區(qū)域震例較少，其結(jié)論不具有普適性，有待積累資料予以論證。

（2）吳忠—靈武地區(qū)MS≥5.0 地震前波速比存在正?！档汀仙ɑ謴?fù)）→發(fā)震的異常變化過程，與國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者所得結(jié)論一致（蔡杏輝，2013；翁釗強(qiáng)，2015；李艷娥，2016）。該研究結(jié)果對(duì)于判斷和圈定未來強(qiáng)震孕育的可能空間范圍具有一定指示意義。然而，該方法依然受到地震定位精度及震相到時(shí)判讀精度的影響，波速及波速比變化的可靠性仍需波形相關(guān)等技術(shù)的進(jìn)一步深入研究予以確認(rèn)。

（3）根據(jù)對(duì)研究區(qū)近期中小地震掃描結(jié)果來看，海原臺(tái)（HYU）波速比異常較顯著，需密切關(guān)注寧夏南部及鄰區(qū)地球物理異常變化。

文中分析使用了中國(guó)地震局地球物理研究所李艷娥提供的計(jì)算程序，且審稿專家提出諸多中肯意見，在此一并表示衷心感謝。