山西地區(qū)的波速比(VP/VS)特征研究

梁向軍，劉林飛，李 麗，孟曉琴

(山西省地震局，太原 030021)

山西地區(qū)的波速比(VP/VS)特征研究

梁向軍，劉林飛，李 麗，孟曉琴

(山西省地震局，太原 030021)

利用山西臺(tái)網(wǎng)的數(shù)字地震觀測(cè)資料，采用單震多臺(tái)和達(dá)法、多震多臺(tái)聯(lián)合測(cè)定法，對(duì)山西北部、中部和南部地區(qū)波速比進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明：在2010年1月24日的河津萬(wàn)榮4.8級(jí)地震、4月4日的大同4.5級(jí)地震和6月5日陽(yáng)曲4.6級(jí)地震前均存在波速比下降現(xiàn)象，其中前2次地震發(fā)生在波速比下降過(guò)程中，第3次地震則發(fā)生在波速比異?；謴?fù)階段。之后山西中部和北部的波速比處于低值，尤其是山西北部的波速比低值持續(xù)，說(shuō)明山西省北部是比較危險(xiǎn)的區(qū)域。

波速比；介質(zhì)性質(zhì)；山西地區(qū)

0 引言

在地殼演化的過(guò)程中，介質(zhì)的物理性狀將產(chǎn)生一系列變化，如出現(xiàn)微破裂、擴(kuò)容、塑性硬化及相變等，地震波通過(guò)地殼介質(zhì)時(shí)，波速也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，這是利用波速比研究介質(zhì)物性的重要依據(jù)[1]。地震波速和波速比的研究早在上世紀(jì)50年代初就已提出：一些強(qiáng)震前，震源區(qū)存在波速異常[2]，更有利用波速比異常預(yù)報(bào)地震的震例[3-5]。但幾十年來(lái)，國(guó)際上對(duì)震前是否存在地震波速異常一直存在爭(zhēng)議。中國(guó)的地震學(xué)者一直致力于該方面的研究，但由于受地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)所限，大震前后波速比變化特征的研究一度發(fā)展緩慢。近幾年來(lái)，隨著數(shù)字地震觀測(cè)儀器的改進(jìn)、臺(tái)站布局的改善和臺(tái)站密度的增加，以及震相資料的不斷積累和觀測(cè)精度的提高， 有關(guān)利用數(shù)字地震資料分析中強(qiáng)地震前后地震波速變化特征的研究結(jié)果逐漸增多，如：黎明曉[6]通過(guò)計(jì)算施甸地震序列的波速比，發(fā)現(xiàn)在主震發(fā)生后，強(qiáng)余震發(fā)生前也出現(xiàn)波速比的趨勢(shì)下降特征；張小濤[7]發(fā)現(xiàn)九江—瑞昌5.7級(jí)地震之后，2005年12月3日ML3.9級(jí)余震前波速比連續(xù)超出警戒線(xiàn)的高值異?；芈涞狡骄狄韵聲r(shí)地震發(fā)生；鄒振軒[8]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，水庫(kù)地震前的波速比異常明顯形成下降—回升—發(fā)震的過(guò)程；王林瑛[9]發(fā)現(xiàn)文安地震前，在文安和唐山附近地區(qū)地震波速比出現(xiàn)正?！档汀謴?fù)—發(fā)震的異常演變過(guò)程。研究人員分別對(duì)不同區(qū)域發(fā)生的中強(qiáng)地震前后和水庫(kù)地震進(jìn)行了波速比變化特征的震例研究，對(duì)震前存在波速異常給予了肯定[10]。

山西地震帶是一條深切地殼的右旋剪切-拉張的張扭性斷裂性地震帶，北端經(jīng)懷來(lái)盆地、延慶盆地后和燕山橫向隆起構(gòu)造帶復(fù)合，南端經(jīng)渭河盆地后和秦嶺橫向構(gòu)造帶復(fù)合。巨大的橫向隆起產(chǎn)生牽制作用，使得南北兩端的斷陷盆地走向變?yōu)镹NE，整個(gè)斷陷帶呈“S”型展布，屬于典型的張扭性構(gòu)造帶。在青藏高原、蒙古和華北板塊構(gòu)造力的聯(lián)合作用下，山西帶的地殼上地幔構(gòu)造活動(dòng)非常活躍，并使得該區(qū)域地震活動(dòng)強(qiáng)度大、頻度高、破壞性嚴(yán)重，成為一條全國(guó)重要的地震帶，因此研究這個(gè)區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)及波速比差異可以使我們對(duì)地下介質(zhì)的分布以及介質(zhì)的性質(zhì)有更清楚的認(rèn)識(shí)，而且無(wú)論在地震學(xué)還是地球物理學(xué)方面都很有意義。

1 研究方法

本研究采用單震多臺(tái)和達(dá)法及單震多臺(tái)和達(dá)法基礎(chǔ)上的多震聯(lián)合測(cè)定法。波速比計(jì)算方法由日本地震學(xué)家和達(dá)清夫1928年提出，主要利用P波和S波到時(shí)數(shù)據(jù)。在假定震源區(qū)到地表介質(zhì)為理想均勻彈性的條件下，對(duì)于理想的均勻彈性介質(zhì)，縱波速度和橫波速度與介質(zhì)泊松比、楊氏模量和介質(zhì)密度之間的關(guān)系為[2]：

(1)

(2)

(3)

式(2)中，VP/VS為介質(zhì)泊松比σ的函數(shù)，主要反映的是地殼上層介質(zhì)泊松比的變化，P波和S波的速度與介質(zhì)的泊松比σ、楊氏模量E和介質(zhì)密度ρ密切相關(guān)。本文在計(jì)算波速比的同時(shí)也計(jì)算了P波和S波的視速度。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2 研究區(qū)域及資料選取

和達(dá)法假定的理想環(huán)境是分層介質(zhì)均勻，研究時(shí)可不考慮地震的差異性，但是在實(shí)際的研究中，不同地區(qū)介質(zhì)特性的橫向差異客觀存在，是導(dǎo)致波速計(jì)算結(jié)果變化的重要因素之一。為盡可能減少地震波傳播路徑的差異，又能保證一定的樣本量，本文根據(jù)山西地震帶的構(gòu)造特點(diǎn)以及山西區(qū)域地震活動(dòng)情況，將山西分為北部(大同地區(qū))、中部(太原地區(qū))和南部(臨汾、運(yùn)城地區(qū))3個(gè)區(qū)域，分別探討不同區(qū)域內(nèi)波速比的時(shí)空變化特征。

山西臺(tái)網(wǎng)從2001年1月—2011年12月臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，其中2001年1月-2008年5月為“九五”數(shù)字化運(yùn)行資料，波速比計(jì)算結(jié)果變化穩(wěn)定。2008 年，山西地震數(shù)字臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行了“十五”改造，臺(tái)站數(shù)目增加到47個(gè)(包括外省臺(tái)站)，于2009 年前后基本完成。2008年5月后的震相數(shù)據(jù)由于包含了鄰省臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站數(shù)據(jù)，震相到時(shí)數(shù)據(jù)較之前顯著增加，定位精度也有所提高，使用事件如圖1所示。

圖1 參與計(jì)算波速比的地震及臺(tái)站分布圖

3 山西地區(qū)波速比計(jì)算結(jié)果分析

3.1 單震多臺(tái)法結(jié)果分析

單震多臺(tái)和達(dá)法為一次地震事件多臺(tái)記錄的平均波速比，表征地震發(fā)生時(shí)刻一定范圍內(nèi)的平均波速比。其優(yōu)點(diǎn)是由地震發(fā)生的時(shí)間控制波速比測(cè)定的時(shí)間，地震發(fā)生越集中，有震相記錄的臺(tái)站越多，則波速比計(jì)算精度和穩(wěn)定性越好。以重復(fù)地震測(cè)定精度為最高。影響計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定的因素主要有：(1)每次擬合計(jì)算的震相數(shù)據(jù)判讀精度不同；(2)每次擬合計(jì)算的臺(tái)站個(gè)數(shù)是變化的；(3)每次擬合計(jì)算的地震位置是變化的；(4)每次計(jì)算的結(jié)果為多個(gè)臺(tái)站所圈定的相對(duì)較大范圍的平均結(jié)果；因此空間分辨率較低。

利用2001 —2011年的數(shù)據(jù)，計(jì)算山西地區(qū)(34°～41°N；110°～115°E)北部、中部和南部3個(gè)區(qū)域的波速比。為了消除單點(diǎn)波速比跳動(dòng)影響，采用等地震數(shù)(5次地震)滑動(dòng)平均方法，來(lái)分析地震前波速比的趨勢(shì)變化特征，如圖2～圖4所示(藍(lán)色線(xiàn)為均值線(xiàn)，紅色曲線(xiàn)為滑動(dòng)平均值)。

由圖2可以看出：大同地區(qū)2002年7月—2003年7月出現(xiàn)低值異常，在低值回到均值附近時(shí)發(fā)生了2003年8月26日原平地震；2009年7月31日再次出現(xiàn)低值異常，在異常持續(xù)過(guò)程中發(fā)生了2010年4月4日大同陽(yáng)高4.5級(jí)地震，2010年7月低值異常結(jié)束。但在同年9月再次低值異常，一直持續(xù)到現(xiàn)在。據(jù)前人研究，地震一般是在異常結(jié)束之后，且異常持續(xù)時(shí)間與未來(lái)震級(jí)存在一定的關(guān)系，但是大同陽(yáng)高地震正好發(fā)生在異常持續(xù)階段，如果我們將這2次異?？醋魇?次持續(xù)異常，那么是否意味著大同地區(qū)孕育著中等以上地震？有待進(jìn)一步研究。

圖2 大同地區(qū)的波速比Vp/Vs值隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖3可以看出：太原地區(qū)從2009年4月波速比開(kāi)始下降，2010年3月開(kāi)始上升，于同年6月5日發(fā)生了陽(yáng)曲4.8級(jí)地震，地震發(fā)生在異?；謴?fù)階段。于同年7月恢復(fù)正常，一直保持至今。

圖3 太原地區(qū)的波速比Vp/Vs值隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

從圖4可以看出：臨汾、運(yùn)城地區(qū)于2009年9月曲線(xiàn)開(kāi)始下降，在波速比下降過(guò)程中發(fā)生了2010年1月24日河津4.8級(jí)地震，2010年7月異常結(jié)束。

圖4 臨汾、運(yùn)城地區(qū)的波速比Vp/Vs值隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

對(duì)比圖2～圖4，大同地區(qū)最早出現(xiàn)異常，而中南部2個(gè)區(qū)域的波速比異常將近結(jié)束，但大同地區(qū)的波速比仍低于均值。根據(jù)前人的研究成果，波速比異常一般在未來(lái)地震危險(xiǎn)區(qū)外圍先結(jié)束[1]，再向震源區(qū)收縮，因此可以說(shuō)明大同地區(qū)危險(xiǎn)程度較高。

3.2 多震聯(lián)合測(cè)定法結(jié)果分析

為改善和提高計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，提高優(yōu)質(zhì)震相數(shù)據(jù)的利用率，本研究在多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用多震多臺(tái)聯(lián)合測(cè)定法可有效地增加每次線(xiàn)性擬合計(jì)算的到時(shí)數(shù)據(jù)總個(gè)數(shù)，以提高計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性和降低線(xiàn)性擬合的誤差。該方法是將時(shí)間相鄰的數(shù)個(gè)地震的走時(shí)合并為一次聯(lián)合地震事件，對(duì)聯(lián)合的到時(shí)數(shù)據(jù)用同樣的選擇條件進(jìn)行離差程度的篩選，選擇計(jì)算限定條件的聯(lián)合地震，入選的聯(lián)合地震時(shí)間以參與聯(lián)合的地震組中最后一個(gè)地震的時(shí)間代表該組地震的發(fā)生時(shí)間。

圖5 山西地區(qū)的多震聯(lián)合法時(shí)序曲線(xiàn)

本文采用20個(gè)地震聯(lián)合計(jì)算波速比。圖5為山西大同、太原和臨汾—運(yùn)城地區(qū)多地震聯(lián)合計(jì)算波速比時(shí)序曲線(xiàn)。圖5中，藍(lán)線(xiàn)為均值線(xiàn)，紅色曲線(xiàn)為10次聯(lián)合地震事件的滑動(dòng)平均值，可以看出：大同地區(qū)最早出現(xiàn)低值，緊接著太原和臨汾—運(yùn)城地區(qū)低值異常出現(xiàn)，目前大同和太原地區(qū)仍處于低值異常階段，臨汾—運(yùn)城地區(qū)的時(shí)序曲線(xiàn)正在恢復(fù)階段。大同和臨汾—運(yùn)城地區(qū)的時(shí)序曲線(xiàn)在下降過(guò)程中發(fā)生了2010年4月4日的大同4.5級(jí)地震和1月24日的河津萬(wàn)榮4.8級(jí)地震，6月5日陽(yáng)曲4.6級(jí)地震發(fā)生在曲線(xiàn)回復(fù)階段。

4 山西地區(qū)波速比空間變化特征分析

從1998—2009年，山西北部相對(duì)于波速比的背景場(chǎng)降低區(qū)(圖6)明顯擴(kuò)大，綠色的區(qū)域表明波速比值較低。山西帶地震樣本豐富，結(jié)果的信度較高，空間變化特征和時(shí)間變化特征也具有很好的一致性。從圖中可以看出：波速比值在1.65～1.76之間，綠色代表波速比低值，紅色代表波速比高值，在波速比低值時(shí)，發(fā)生了2010年的3次地震，這充分說(shuō)明波速比低的地區(qū)發(fā)生地震的可能性較大。而且波速低值范圍還是山西北部和山西中部，與山西前面波速比時(shí)序曲線(xiàn)的結(jié)論一致。

圖6 山西地區(qū)的空間波速比分布圖

5 結(jié)論

(1)采用單震多臺(tái)法對(duì)山西地區(qū)的波速比進(jìn)行分析，得出：2010年的3次地震前均有波速比低值異?，F(xiàn)象，2010年1月24日的河津萬(wàn)榮4.8級(jí)地震和4月4日的大同4.5級(jí)地震發(fā)生在波速比下降過(guò)程中，6月5日陽(yáng)曲4.6級(jí)地震發(fā)生在曲線(xiàn)回復(fù)階段地震結(jié)束后，中南部2個(gè)區(qū)域的波速比異常將近結(jié)束，但大同地區(qū)的波速比仍低于均值。根據(jù)前人的研究成果，波速比異常一般在未來(lái)地震危險(xiǎn)區(qū)外圍先結(jié)束，再向震源區(qū)收縮，因此表明大同地區(qū)是比較危險(xiǎn)的區(qū)域。

(2)采用單震多臺(tái)和達(dá)法基礎(chǔ)上的多震聯(lián)合測(cè)定法測(cè)算山西地區(qū)的波速比，結(jié)果也可以看出：大同和臨汾—運(yùn)城地區(qū)的時(shí)序曲線(xiàn)在下降過(guò)程中發(fā)生了2010年1月24日的河津萬(wàn)榮4.8級(jí)地震和4月4日的大同4.5級(jí)地震，6月5日陽(yáng)曲4.6級(jí)地震發(fā)生在曲線(xiàn)恢復(fù)階段。震后大同和太原地區(qū)的波速比仍處于低值異常階段，臨汾—運(yùn)城地區(qū)的時(shí)序曲線(xiàn)處于恢復(fù)階段。

(3)從山西地區(qū)波速比空間變化特征分析可以看出：波速低值范圍為山西北部和山西中部，尤其是山西北部，與前面波速比時(shí)序曲線(xiàn)的結(jié)論一致。

[1]馮德益. 地震波速異常[M]．北京：地震出版社,1981:11-14，33，168-178.

[2]李善邦．中國(guó)地震[M]．北京：地震出版社,1981:522-532，566-568.

[3]梅世蓉，馮德益，張國(guó)民，等．中國(guó)預(yù)報(bào)地震概論[M]．北京：地震出版社,1993：78-80．

[4]陸遠(yuǎn)鐘,陳章立．地震預(yù)報(bào)的地震學(xué)方法[M]．北京：地震出版社,1985：175-196．

[5]楊貴,李祖寧,徐嘉雋. 應(yīng)用和達(dá)法測(cè)定福建古田水口水庫(kù)ML4.8級(jí)地震序列波速比[J]. 華北地震科學(xué),2012, 30(3):54-57.

[6]黎明曉，劉杰．云南地區(qū)地震序列的波速比(VP/VS)異常研究[J]．地震，2006，26(1)：26-34．

[7]張小濤，呂堅(jiān)，馬廣慶，等．九江瑞昌地震序列的波速比特征研究[J]．華北地震科學(xué)，2006,24(4)：36-40.

[8]鄒振軒，李金龍，俞鐵宏．應(yīng)用多臺(tái)和達(dá)法測(cè)定溫州珊溪水庫(kù)地區(qū)地震的平均波速比[J]．地震，2006,26(4)：133-137．

[9]王林瑛，郭永霞，劉芳，等.文安地震前后首都圈分區(qū)波速比時(shí)變特征[J]. 地震學(xué)報(bào)，2008，30(3):240-253.

[10]徐鑫,劉東旺,劉澤民. 安徽及鄰區(qū)中強(qiáng)震前波速比變化研究[J]. 華北地震科學(xué),2013, 31(1):16-19.

AStudyofSeismicWaveVelocityRatio(VP/VS)ofShanxiArea

LIANG Xiang-jun, LIU Lin-fei, LI Li, MENG Xiao-qin

(Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021, China)

On basis of digital seismic observation data in Shanxi province, using single earthquake multi-station Wadati method and multi-earthquake and multi-station joint method, this paper calculated the velocity ratio of seismic waves (VP/VS) in northern, central and southern Shanxi area. Analytical investigation shows that: before Hejin-wanrong 4.8 earthquake on January 24, 2010, the Datong 4.5 earthquake on June 5, and Yangqu 4.6 earthquake, there is wave velocity ratio drop phenomenon. The top 2 earthquakes occurred in the process of wave velocity ratio decline, and the third earthquake occurred in the recovery phase. Then, wave velocity ratio in central and northern Shanxi keeps in low condition, especially the northern Shanxi area, which indicates that the northern Shanxi area is in risk of earthquake.

seismic wave velocity ratio; medium property; Shanxi area

2013-12-04

中國(guó)地震局星火計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：XH12008Y)；星火計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：XH14010Y)；中國(guó)地震局青年骨干專(zhuān)項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào)：20140305)

梁向軍(1978—)，女(漢族)，山西孝義人，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)與分析工作.E-mail:liang_xj2005@163.com

P315.31

A

1003-1375(2014)02-0020-05