2008年攀枝花6.1級(jí)地震前后波速比變化研究*

錢曉東，蘇有錦

(云南省地震局，云南昆明650224)

0 前言

在強(qiáng)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)的增強(qiáng)，孕震區(qū)應(yīng)力的增加和應(yīng)變的積累，地下介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生諸如微破裂、塑性硬化、裂隙密度及飽水層變化，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^這樣的介質(zhì)及其周邊地區(qū)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)強(qiáng)震前地震波速度變化異?，F(xiàn)象(馮德益，1981)。隨后，前蘇聯(lián)、美國地震工作者陸續(xù)發(fā)現(xiàn)震前波速變化異常，1962年前蘇聯(lián)謝苗諾夫利用加爾姆地區(qū)微震臺(tái)網(wǎng)資料，觀測(cè)到了許多3.5～5.5級(jí)地震前波速比異常(陸遠(yuǎn)忠等，1985)。美國的地震工作者也早已觀測(cè)到震前波速比異常變化，Aggarwal等(1975)對(duì)紐約蘭山湖一些1～3級(jí)小地震的波速比異常進(jìn)行研究，預(yù)報(bào)了1973年8月3日蘭山湖2.6級(jí)地震，Scholz等(1973)提出膨脹擴(kuò)容模式解釋大地震前的波速變化及其前兆機(jī)理，引起地學(xué)界的高度關(guān)注。隨著寬頻帶數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)的建立和觀測(cè)技術(shù)手段的提高，波速比觀測(cè)與研究有了進(jìn)一步發(fā)展，Nakamara等(2002)研究了中強(qiáng)地震前后波速比變化，Schaff和 Beroza(2004)利用原地重復(fù)地震觀測(cè)到震前震源區(qū)出現(xiàn)明顯波速異常。

我國波速比研究開始于1970年，至今已有很多中強(qiáng)地震前波速比異常變化研究成果，還有一些強(qiáng)震成功預(yù)報(bào)震例。徐果明和周惠蘭(1982)對(duì)1976年松潘—平武7.2級(jí)地震提出的預(yù)報(bào)意見，其主要依據(jù)為該區(qū)震前出現(xiàn)的波速比異常。1976年11月鹽源—寧蒗6.7級(jí)地震前約1年，董頌聲等(1981)對(duì)滇西北進(jìn)行波速比普查并發(fā)現(xiàn)異常，于1975年11月向當(dāng)?shù)卣块T提出了書面預(yù)報(bào)意見。但是，隨著波速比研究的深入，一些學(xué)者發(fā)現(xiàn)盡管有些中強(qiáng)地震發(fā)生在地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)比較密集的地區(qū)，但有些地震震前并未觀測(cè)到波速比異常(McEvilly，Hohnson，1973)。對(duì)于同樣一個(gè)地震，如1968年5月日本十勝近海7.9級(jí)地震，有的學(xué)者觀測(cè)到波速比異常(Iizuka，1976)，有的卻未觀測(cè)到(Ohtake，1973)。因此，震前波速異常是否是一種普遍現(xiàn)象?這還需要進(jìn)一步深入探索和研究，需要積累更多震例來加以證實(shí)，波速比研究具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。筆者利用川滇交界地區(qū)數(shù)字化觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)記錄的波形資料，詳細(xì)研究了2008年8月攀枝花6.1級(jí)地震前后波速比變化，發(fā)現(xiàn)震前波速比確實(shí)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，并對(duì)地震前后波速比變個(gè)臺(tái)，地震射線對(duì)攀枝花地震孕震區(qū)有較好的覆蓋，尤其是主震南部的元謀—綠汁江斷裂附近射線非常密集。

影響波速比可靠性的一個(gè)重要因素是地震波記錄質(zhì)量的好壞，我們應(yīng)該挑選那些P波和S波到時(shí)都容易區(qū)分的資料，對(duì)于不可靠的P波和S波記錄要放棄，圖2給出幾次地震的原始記錄，從圖中看到P波和S波較容易分辨，由于記錄的采樣率高，實(shí)際讀取數(shù)據(jù)時(shí)可以放大，故P波和S波到時(shí)是容易讀取且可靠的。

3 結(jié)果及分析

3.1 波速比VP/VS直線擬合

從(5)式可知，直達(dá)P波到時(shí)與S波、P波到時(shí)差為通過原點(diǎn)斜率為k的直線，波速比VP/VS為k+1。根據(jù)到時(shí)差小于20 s及3個(gè)以上臺(tái)站的挑選地震限定條件，研究區(qū)共發(fā)生ML≥2.0地震227次，符合條件的為215次:8個(gè)以上臺(tái)站的為34次，占總數(shù)的16%，5個(gè)以上臺(tái)站的有150次，占70%，最多為12個(gè)臺(tái)站。由此來看，多數(shù)入選地震的到時(shí)數(shù)據(jù)達(dá)到5個(gè)臺(tái)站以上。圖3給出4次地震求波速比的直線擬合情況，以圖3d 2008年12月9日大姚2.5級(jí)地震為例，圖中橫坐標(biāo)為P波到時(shí)，縱坐標(biāo)為S波、P波到時(shí)差，有7個(gè)臺(tái)站同時(shí)記錄到清晰的直達(dá)P、S波到時(shí)，用最小二乘法直線擬合可得斜率k=0.73，波速比VP/VS為1.73。該次地震震源深度為7 km，實(shí)測(cè)S波、P波到時(shí)差最小為2.90 s，為大姚臺(tái)記錄，震源距為21 km;實(shí)測(cè)S波、P波到時(shí)差，最大為18.75 s，為易門臺(tái)記錄，震源距為153.9 km。從圖中看到，相關(guān)系數(shù)R=0.998，說明觀測(cè)數(shù)據(jù)與擬合直線較為相關(guān)，標(biāo)準(zhǔn)誤差S=0.36，在誤差1.5范圍內(nèi)，從圖中可以清楚地看到只有2個(gè)點(diǎn)(自下而上第5、6個(gè)點(diǎn))與直線有較小偏離，直線與觀測(cè)數(shù)據(jù)整體上吻合較好。

圖1 研究區(qū)臺(tái)站及震中分布(2004－01～2009－06)Fig.1 Distribution of stations and earthquake epicenters in study area from Jan.，2004 to Jun.，2009

圖3 P波到時(shí)與S波、P波到時(shí)差關(guān)系(a)2004－12－28 20:22:37元謀3.4級(jí)地震;(b)2007－02－18 22:26:20武定2.7級(jí)地震;(c)2008－01－09 22:11:24永仁2.7級(jí)地震;(d)2008－12－09 04:52:06大姚2.5級(jí)地震Fig.3 The relationship between arrival time of P-wave and arrival time difference between S and P waves(a)Yuanmou M3.4 earthquake occurred at 20:22:37 on Dec.28，2004;(b)Wuding M2.7 earthquake occurred at 22:26:20 on Feb.18，2007;(c)Yongren M2.7 earthquake occurred at 22:11:24 on Jan.9，2008;(d)Dayao M2.5 earthquake occurred at 04:52:06 on Dec.9，2008

3.2 誤差分析

圖4給出相關(guān)系數(shù)R和擬合殘差Δy統(tǒng)計(jì)，從相關(guān)系數(shù)R來看(圖4a)，R小于0.9的數(shù)據(jù)僅有12次，R≥0.96的數(shù)據(jù)達(dá)到197次，占總數(shù)的92%，R≥0.98為165次，占77%，R≥0.99為116次，占54%?？梢?，90%以上的地震其相關(guān)系數(shù)在0.96以上。

圖4b為擬合殘差Δy統(tǒng)計(jì)圖。擬合殘差為觀測(cè)值與理論值之差，本文取0.1 s為間隔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從圖中可以看到，擬合殘差正態(tài)分布現(xiàn)象較為明顯，Δy在±0.25 s以內(nèi)的數(shù)據(jù)占總數(shù)的40%，而Δy在±0.5 s以內(nèi)的數(shù)據(jù)則高達(dá)70%，可見本文使用的擬合方法是能夠保證絕大多數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)與直線有較為緊密的結(jié)合，從而使計(jì)算得到的波速比誤差較小。

圖4 相關(guān)系數(shù)R(a)和擬合殘差Δy(b)統(tǒng)計(jì)Fig.4 Statistics of the correlation coefficient R(a)and the fitting residuals Δy(b)

3.3 攀枝花6.1級(jí)地震前后波速比變化

圖5給出攀枝花6.1級(jí)地震前后波速比VP/VS隨時(shí)間的變化，為了消除單點(diǎn)突跳，對(duì)波速比進(jìn)行5點(diǎn)平均，圖中同時(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，上下兩條虛線為2倍均方差。從圖5a中看到，波速比最大值為1.88，最小值為1.53，平均值為1.69，大部分在均值上下2倍均方差范圍。2004年至2005年6月，波速比在均值上下隨機(jī)波動(dòng)，高值點(diǎn)多于低值點(diǎn)，2005年6月～2006年8月，波速比出現(xiàn)緩慢下降過程(5點(diǎn)移動(dòng)平均線更為清楚)，至2006年8月降到最低并出現(xiàn)2個(gè)低于1.6的低值異常點(diǎn)。2006年8月～2008年3月，波速比又逐漸恢復(fù)至均值附近波動(dòng)。2008年3～6月，波速比出現(xiàn)劇烈下降，并出現(xiàn)多達(dá)7次小于1.6的低值異常，之后在較短時(shí)間內(nèi)回升到均值發(fā)生攀枝花6.1級(jí)地震，震后至2009年6月波速比在均值附近變化，期間有高值異常點(diǎn)出現(xiàn)，但未出現(xiàn)低于1.6的低值。從整個(gè)研究區(qū)較大范圍來看，攀枝花6.1級(jí)地震前波速比出現(xiàn)2次異常變化，一次開始于震前相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間(3年)，波速比出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的下降過程，另一次是震前半年，波速比出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短、急劇下降過程，并伴有群體低值異常出現(xiàn)。

通過分析每次地震得到的標(biāo)準(zhǔn)誤差S可知，平均S=0.66。雖然S的大小反映的是觀測(cè)資料的離散程度，S面大意味著觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)較分散，但從另外角度考慮，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)分散，有可能是地下介質(zhì)物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變所引起，這種離散現(xiàn)象對(duì)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)研究具有較大意義，因此，我們將標(biāo)準(zhǔn)誤差大于均值0.66的波速比值挑選出來(圖5b)，發(fā)現(xiàn)震前低值異常同樣明顯。

圖5 波速比隨時(shí)間的變化(a)全部數(shù)據(jù);(b)標(biāo)準(zhǔn)誤差大于0.66的數(shù)據(jù)Fig.5 Curves of wave velocity ratio changed with time(a)all the data;(b)data of standard error greater than 0.66

圖6 不同區(qū)域1區(qū)(a)、2區(qū)(b)、3區(qū)(c)、4區(qū)(d)、研究區(qū)(e)地震波射線空間分布及地震和區(qū)域劃分(f)(三角形表示臺(tái)站)Fig.6 Spatial distribution of seismic ray path in Region 1(a)、Region 2(b)、Region 3(c)、Region 4(d)、study region(e)，and earthquakes and divison of the region(f)

3.4 波速比分區(qū)特征

波速比反映的是地震波通過從震源至接收臺(tái)站地下介質(zhì)時(shí)，地震波平均速度變化，而地下介質(zhì)存在橫向不均勻性，為了盡量減少由于路徑的差異對(duì)地震波的傳播帶來的影響，需要對(duì)發(fā)生地震的區(qū)域范圍進(jìn)行限制，使地震相對(duì)集中，計(jì)算得到的波速變化才能更好地反映地下介質(zhì)的物性變化。根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)特性，我們將研究區(qū)劃分為4塊區(qū)域(圖6f)，1區(qū)包含楚雄、大姚及附近地區(qū)，2區(qū)主要為元謀—綠汁江斷裂及周邊地區(qū)，3區(qū)主要指鹽源、寧蒗地區(qū)，4區(qū)主要包括巧家、普格及附近地區(qū)。從地震波射線分布來看(圖6a～d)，1、3和4區(qū)地震射線未穿過攀枝花6.1級(jí)地震震區(qū)，波速比主要反映震區(qū)周邊地下介質(zhì)物理性質(zhì)，2區(qū)的地震射線穿過震區(qū)，射線較為密集的區(qū)域主要集中在震區(qū)及其南部，波速比變化主要反映震區(qū)及元謀—綠汁江斷裂附近地下介質(zhì)物理性質(zhì)。圖7給出分區(qū)波速比隨時(shí)間變化，從圖中看到:

1區(qū)(楚雄—大姚):波速比平均值為1.71，震前1年未出現(xiàn)低值，2007年初出現(xiàn)1次單點(diǎn)低值，但絕大多數(shù)數(shù)據(jù)都在均值上下隨機(jī)波動(dòng)，攀枝花6.1級(jí)地震前該區(qū)波速比異常不明顯。

2區(qū)(攀枝花—元謀):波速比平均值為1.68，比整個(gè)研究區(qū)、1區(qū)和3區(qū)平均值低，2007年6月以前變化平緩，其后幅度較大，震前1年左右出現(xiàn)低值，震前3個(gè)月也出現(xiàn)低值，震后有高值出現(xiàn)，攀枝花6.1級(jí)地震前該區(qū)波速比異常明顯。

3區(qū)(鹽源—寧蒗):波速比平均值為1.71，高于整個(gè)研究區(qū)、2區(qū)和4區(qū)平均值，震前2年左右出現(xiàn)單點(diǎn)異常，但震前1年無異常出現(xiàn)，震后波速比高低變化幅度較大，該區(qū)攀枝花地震前波速比異常不明顯。

4區(qū)(巧家—普格):波速比平均值為1.64，為4個(gè)區(qū)域中最低值，該區(qū)2008年以前地震較少，地震主要集中發(fā)生于震前3個(gè)月，從圖中看到，震前有低值出現(xiàn)，小于均值的次數(shù)較多，震后波速比較高，無低值，攀枝花6.1級(jí)地震前該區(qū)波速比異常明顯。

總體看來，攀枝花6.1級(jí)地震前1年左右波速比VP/VS出現(xiàn)低值異常，震區(qū)及元謀—綠汁江斷裂附近低值異常較為明顯，該區(qū)整體(平均)波速比低，小于1.7;震區(qū)西北部的寧蒗—鹽源地區(qū)和西南部的楚雄—大姚地區(qū)與震區(qū)距離較遠(yuǎn)，整體處于高波速比狀態(tài)(大于1.7)，震前波速變化不明顯。震區(qū)東北部的巧家—普格地區(qū)，低波速比異常明顯。

上述討論波速比分區(qū)特征，是將研究區(qū)按構(gòu)造和地震活動(dòng)性劃分為4塊區(qū)域，反映的是每一區(qū)波速比平均特征，由于每塊區(qū)域較大，尤其是區(qū)域2包括攀枝花至元謀較廣區(qū)域，要反映空間精細(xì)特征，則要采用空間圖像方法。圖8給出研究區(qū)波速比空間分布，從圖中看到，波速比高低值異常特點(diǎn)雖然與上述分區(qū)結(jié)論大體一致，但圖中有兩個(gè)現(xiàn)象較為突出，一是攀枝花震區(qū)較小范圍內(nèi)未出現(xiàn)低值，低值出現(xiàn)在其南部的元謀附近;二是震區(qū)東北部的普格、巧家一帶出現(xiàn)大面積低波速比。攀枝花6.1級(jí)地震前的2008年5月12日，四川汶川發(fā)生8.0級(jí)大地震，發(fā)震斷裂北東走向的龍門山斷裂向西南方向延伸即指向這片低值區(qū)，從圖中看到低波速比地區(qū)似乎顯現(xiàn)出北東向帶狀分布。震區(qū)東北部出現(xiàn)的大面積低值異常是否受到汶川大地震及其強(qiáng)余震影響還有待深入研究。

圖7 不同分區(qū)1區(qū)(a)、2區(qū)(b)、3區(qū)(c)、4區(qū)(d)波速比隨時(shí)間的變化Fig.7 Wave velocity ratio changed with time in Region 1(a)、Region 2(b)、Region 3(c)、Region 4(d)

圖8 波速比空間分布Fig.8 Space distribution of wave velocity ratio

4 討論和結(jié)論

4.1 討論

真實(shí)地殼是多層的，不同巖性的地層常表現(xiàn)出不同的傳播速度。從(1)、(2)式可知，波速比是在一定假設(shè)條件下得到的，即地震射線是直線傳播，震源上方介質(zhì)是均勻和單層的，因此，VP/VS并非真正地震波傳播速度的比值。VP/VS依賴于P波和S波到時(shí)數(shù)據(jù)，是多個(gè)臺(tái)站資料線性擬合結(jié)果，最小二乘線性擬合直線一定通過縱、橫坐標(biāo)平均值，因此可以認(rèn)為波速比是各臺(tái)數(shù)據(jù)總體平均結(jié)果，是對(duì)震源至臺(tái)站介質(zhì)物理性質(zhì)的綜合反映。波速比表達(dá)式為(時(shí)振梁等，1990)

式中，σ為泊松比。由式(10)可見，波速比與地下介質(zhì)的泊松比σ有關(guān)，是σ的函數(shù)，波速比隨σ的增大而增大。巖石σ一般在0.2～0.4之間，若取σ=1/4=0.25，則正常情況下波速比為1.73。泊松比σ表示巖石受力后橫向與縱向應(yīng)變之比，反映巖石的完整程度，當(dāng)孕震區(qū)應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，巖石趨向于固結(jié)，σ變小，從而波速比變小。隨著應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度的不斷增加，巖石臨破裂前微裂隙增多，橫向變形愈加明顯，σ增大，相應(yīng)波速比增大(波速比增大并非波速增大，巖石中的孔隙越多、巖石越破碎，P波或S波的速度反而下降)。這可能就是我們所觀測(cè)到的震前波速比減小而臨震反而回升的原因。地震后，巖體破碎且結(jié)構(gòu)面變軟，隨著余震的不斷發(fā)生使震區(qū)附近巖體裂紋增多，σ增大，相應(yīng)波速比增大，可能是攀枝花6.1級(jí)地震后波速比不斷出現(xiàn)高值的原因。

本文得到的攀枝花6.1級(jí)地震前波速比存在正常→降低→上升(恢復(fù))→發(fā)震的異常變化過程，與國內(nèi)許多學(xué)者得到的結(jié)論是一致的。都昌庭等(2001)研究了2000年9月青海興海6.6級(jí)地震前波速比變化，發(fā)現(xiàn)震前波速比下降過程明顯。曾文敬等(2007)研究了2005年11月九江瑞昌5.7級(jí)地震主余震波速比變化，由于震區(qū)主震前無地震活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)余震的強(qiáng)度和頻度有明顯增強(qiáng)之前，波速比會(huì)出現(xiàn)下降變化。王林瑛等(2008)研究了2006年7月河北文安5.1級(jí)地震前后波速比變化，得到的文安地震前波速比變化特征結(jié)論與本文攀枝花地震前變化過程結(jié)果較為相似。

4.2 結(jié)論

2008年8月30日在川滇交界攀枝花發(fā)生6.1級(jí)地震，本文利用云南省地震局昆明區(qū)域數(shù)字臺(tái)網(wǎng)波形資料，分析處理了震中及周邊地區(qū)24個(gè)地震臺(tái)，2004年1月～2009年6月2.0級(jí)以上地震227次，處理P波、S波震相1 300多個(gè)，采用多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算了攀枝花6.1級(jí)地震前后波速比VP/VS，結(jié)果表明:

(1)研究區(qū)在研究時(shí)段內(nèi)滿足波速比限定條件的地震達(dá)215次，參與計(jì)算的數(shù)據(jù)5個(gè)臺(tái)以上占70%。

(2)誤差分析表明，計(jì)算得到的波速比是可靠的。

(3)攀枝花地震前3年，波速比出現(xiàn)一次持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)的下降過程，震前0.5年，波速比又出現(xiàn)一次持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短、急劇下降過程，且伴隨有多次異常低值出現(xiàn)，震前2個(gè)多月至發(fā)震，波速比從低值回升至均值附近。

(4)震后波速比維持在均值上下波動(dòng)，并伴有高值出現(xiàn)。

(5)震區(qū)南部的元謀附近和東北部的巧家—普格一帶波速比異常較為明顯。

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