吉林省前郭5.8級震群前后波速比變化特征1

張洪艷 苗春蘭 盧燕紅 康建紅 張 宇

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吉林省前郭5.8級震群前后波速比變化特征1

張洪艷1）苗春蘭2）盧燕紅1）康建紅1）張 宇1）

1）吉林省地震局，長春 130117?2）中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

本文選取2001年1月1日—2014年8月31日模擬和數(shù)字化地震資料的P波和S波震相，對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格的篩選和限定，利用單臺多震和達(dá)法和單震多臺和達(dá)法分別獲得了各臺站波速比隨時間變化曲線以及松原地區(qū)波速比空間分布，重點(diǎn)分析了2013年前郭震群發(fā)生前后波速比的時空變化特征。結(jié)果顯示，單臺多震和達(dá)法得到的凈月臺、豐滿臺波速比在2013年前郭震群發(fā)生前存在中期異常，2個臺站均表現(xiàn)為震前低值中期異常，震后凈月臺緩慢恢復(fù)；單震多臺和達(dá)法得到的松原地區(qū)波速比空間分布顯示，松原地區(qū)波速比橫向不均勻性較強(qiáng)，2013年前郭震群發(fā)生前存在橢圓形低值異常區(qū)，震后異常區(qū)顯著縮小。

單臺多震和達(dá)法 單震多臺和達(dá)法 前郭震群 波速比

引言

在地震孕育過程中，由于應(yīng)變的不斷累積導(dǎo)致了孕震區(qū)介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生了相應(yīng)的變化，進(jìn)而造成了地震波速的變化。而波速比是研究地震波速變化的一種方法，因此分析地震波速的變化可提供地震孕育的前兆信息。自20世紀(jì)日本首次發(fā)現(xiàn)波速比異常后，有關(guān)中強(qiáng)地震前確實(shí)存在波速比異常的諸多震例已被證實(shí)（馮德益，1981；庫爾斯克耶夫，2005；高朝軍等，2013；李艷娥等，2014）。同時，國內(nèi)的地震學(xué)者還利用波速比值的長趨勢變化，研究了波速比變化的時空演化特征與強(qiáng)震的關(guān)系，為探索未來一段時間中強(qiáng)地震的發(fā)生地點(diǎn)和時間提供了參考（梅世蓉等，1993；陸遠(yuǎn)忠等，1985；龍海英等，2011）。

2013年10月31日至11月23日，吉林省前郭地區(qū)陸續(xù)發(fā)生了5次5級以上的震群，其中強(qiáng)震的頻度、強(qiáng)度、序列類型等在吉林省地震史上尚屬首例。針對前郭5.8級震群，不同學(xué)者（劉莎等，2014；吳微微等，2014）從不同角度分別開展了各向異性、精定位、震源機(jī)制解、視應(yīng)力、活動性分析、烈度調(diào)查、前兆追蹤等相關(guān)研究工作。同時，對震源區(qū)及其鄰近地區(qū)的宏觀和微觀地震現(xiàn)象也做了多角度的調(diào)研和分析，試圖從發(fā)震構(gòu)造、空間位置、前兆異常、測震學(xué)異常等方面綜合判定此次地震序列，從而為該區(qū)域的地震研究積累寶貴的震例分析，以利于后續(xù)震情的跟蹤。

在參考上述研究成果的基礎(chǔ)上，本文針對2013年前郭5.8級震群，分別利用單臺多震和單震多臺和達(dá)法對各地震臺站及松原地區(qū)的平均波速比進(jìn)行了計(jì)算，試圖探尋波速比在震群前后的時間和空間演化特征。

1 計(jì)算方法及資料選取

和達(dá)法由日本地震學(xué)家和達(dá)清夫提出（Watati，1928），由于該方法僅依賴P波和S波觀測到時而不受限于定位過程中的其它參數(shù)，因此在地震定位程序中得到了廣泛應(yīng)用。其中多臺和達(dá)法是以和達(dá)法為基礎(chǔ)，利用震中周圍多個臺站（不少于4個）記錄的縱波到時（P）和縱橫波到時差（S-P）資料繪圖，擬合直線求得斜率，進(jìn)而求得波速比（傅征祥等，1988）。式（1）和式（2）分別為計(jì)算波速比和相關(guān)系數(shù)的公式：

（2）

多臺和達(dá)法計(jì)算波速比主要有單臺多震和達(dá)法、單震多臺和達(dá)法、多震多臺和達(dá)法，本文重點(diǎn)采用單臺多震和達(dá)法和單震多臺和達(dá)法。其中，單臺多震和達(dá)法可反映多次地震事件由單臺記錄的平均波速比，用以表示多次地震發(fā)生時段一定范圍內(nèi)的平均波速比，其優(yōu)點(diǎn)是可利用1個臺站不同時間多個地震記錄的震相數(shù)據(jù)。在地震時空分布相對均勻和穩(wěn)定的情況下，其計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定性較高，可提高波速比分析的空間分辨能力。本文利用單臺多震和達(dá)法計(jì)算各臺站波速比隨時間變化曲線，計(jì)算中相關(guān)系數(shù)，誤差估計(jì)，計(jì)算樣本組地震次數(shù)=30—50。而單震多臺和達(dá)法可反映由震源發(fā)出的地震波被多個臺站接收，用以表示地震發(fā)生時刻從震源到多個臺站一定范圍內(nèi)的平均波速比，其優(yōu)點(diǎn)是由地震發(fā)生的時間控制波速比實(shí)測的時間，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時在一定范圍內(nèi)有震相記錄的臺站越多時，則波速比計(jì)算精度和穩(wěn)定性越好。本文利用單震多臺和達(dá)法計(jì)算松原地區(qū)空間波速比，考慮到單震多臺和達(dá)法對震相的判讀精度要求較高，為保持和達(dá)曲線的穩(wěn)定，臺站選取時盡量避免各個坐標(biāo)點(diǎn)集成一團(tuán)，同時還刪除了離散度較大的數(shù)據(jù)，相關(guān)系數(shù)控制在0.95以內(nèi)。

地震波在由震源傳至接收臺站的地下介質(zhì)時，由于地下介質(zhì)的橫向不均勻性，因此在計(jì)算中應(yīng)盡量減小路徑差異對波速比值的影響，從而使波速比值能夠較好地反映地下介質(zhì)的物性變化（錢曉東等，2013）。為此在資料選取及計(jì)算的過程中，筆者分別從震相判讀、臺站的個數(shù)以及到時差、參與定位的臺站布局、相關(guān)系數(shù)等方面對資料進(jìn)行了一定的限定，從而可保證計(jì)算結(jié)果的可靠性和真實(shí)性。選取2001年1月1日—2014年8月31日吉林省地震臺網(wǎng)記錄的模擬和數(shù)字化資料P波震相和S波震相（見圖1）。為了充分保證震相讀取精度，對2008—2014年的數(shù)字化資料重新讀取震相，挑選震相清晰、儀器運(yùn)行穩(wěn)定的震相數(shù)據(jù)，并限定單次地震至少被4個以上臺站記錄到，以最大限度地減小人為誤差、儀器誤差。經(jīng)修正后的震相數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，能夠較好地滿足分析的要求。同時考慮到吉林地區(qū)地震的樣本數(shù)量較少，在縱橫波到時差（△）的選取上，選，以保證有足夠的樣本量參與計(jì)算分析。

2 單臺波速比變化

針對2001—2014年的天然地震事件，利用單臺多震和達(dá)法計(jì)算了15個震相數(shù)據(jù)連續(xù)性較好的臺站波速比。計(jì)算過程中考慮到天然地震分布的不穩(wěn)定性以及多臺和達(dá)法本身固有的局限性，一般選取，最大選取，以保證相關(guān)系數(shù)和波速比誤差估計(jì)參數(shù)相一致，計(jì)算樣本組的地震次數(shù)=30—50。最終獲取了連續(xù)性較好且背景值較穩(wěn)定的凈月臺、豐滿臺和白城臺波速比隨時間的變化曲線（見圖2）。白城臺波速比背景值在1.7—1.75之間浮動，整體變化比較平穩(wěn)，其在前郭震群發(fā)生前后無明顯趨勢變化。凈月臺和豐滿臺的波速比在前郭震群發(fā)生前后存在較明顯的異常變化，其中，凈月臺的波速比正常背景值在2001—2010年一直在1.7—1.75之間波動，自2011年初波速比出現(xiàn)小幅下降，并跌破均值線，低值異常持續(xù)至群震發(fā)生前，異常持續(xù)時間約二年半，前郭震群發(fā)生后有小幅回升的趨勢，波速比變化基本平穩(wěn)，但仍未恢復(fù)至正常背景值；豐滿臺波速比正常背景值也在1.7—1.75之間波動，于2012年中期開始出現(xiàn)異常，主要表現(xiàn)為正常-降低-維持長期低值-發(fā)震的階段性變化特征，但由于豐滿臺2013年2月后無新的計(jì)算結(jié)果補(bǔ)入，因此無法斷定震后豐滿臺波速比是否也同時出現(xiàn)了明顯的回升跡象。

雖然豐滿臺、凈月臺樣本量相對較豐富，中期異常特征明顯，但從震中分布圖中（圖3）可以看出，2個臺站附近的松原地區(qū)小震叢集現(xiàn)象顯著。為了進(jìn)一步排除地震空間分布過于集中以及小震叢集短時間頻發(fā)對波速比值的影響（王林瑛等，2014），筆者將松原地區(qū)小震叢集去除，利用單臺多震和達(dá)法重新獲取了豐滿臺和凈月臺的波速比隨時間變化曲線（圖4），以進(jìn)一步觀察波速比異常的變化形態(tài)。若波速比值受小震叢集的影響，則不作為可靠異?？创?；若去除小震叢集影響后，異常仍穩(wěn)定出現(xiàn)，則該臺的異常可靠性較高。從圖4可以看出，當(dāng)去除小震叢集對波速比曲線的影響后，凈月臺和豐滿臺的異常形態(tài)仍然存在，驗(yàn)證了豐滿臺和凈月臺出現(xiàn)的波速比異常受前郭余震影響較小，可認(rèn)為凈月臺和豐滿臺的異常是可信的。

2013年前郭震群發(fā)生前，不同臺站的前兆測項(xiàng)和波速比分別出現(xiàn)了不同時間、不同形態(tài)的中期異常，其中出現(xiàn)前兆中期異常的主要臺站有豐滿臺水氡、豐滿臺垂直擺傾斜儀、榆樹臺地電，而異常最早開始于2010年3月。出現(xiàn)波速比中期異常的臺站主要有距離震中約130km和200km左右的凈月臺和豐滿臺，2個臺在前郭震群發(fā)生前存在較為同步的波速比中期低值異常，異常形態(tài)較為相似，變化趨勢也基本一致，而異常最早開始于2011年。在前郭震群發(fā)生前，出現(xiàn)前兆和波速比的中期異常反映了某種區(qū)域特性，如豐滿臺、凈月臺和榆樹臺均位于伊通-舒蘭斷裂帶附近（圖5），異常時間主要集中在震群前3—24個月，遠(yuǎn)場效應(yīng)顯著。從上述中期異常出現(xiàn)的時間可以看出，前郭震群在孕育與發(fā)生過程中反映了地殼介質(zhì)物象性變化的重要信息，同時也可能與伊通-舒蘭斷裂帶附近未來中強(qiáng)地震的發(fā)生存在某種相關(guān)性。

3 區(qū)域波速比變化

利用松原地區(qū)2001年1月至2014年8月模擬和數(shù)字化地震資料的P波和S波到時（圖6），采用單震多臺和達(dá)法計(jì)算每個地震事件的平均波速比，同時采用自然鄰點(diǎn)插值法繪圖，筆者獲取了前郭震群發(fā)生前后松原地區(qū)的波速比空間分布（圖7）。

圖7a中的數(shù)據(jù)時間截止至2013年10月30日，主要反映2013年前郭震群發(fā)生前波速比空間分布。結(jié)果顯示，2013年前郭震群位于松遼盆地中央凹陷區(qū)內(nèi)，波速比值存在顯著的橫向差異，高低值變化顯著。其中，北東東的異常方向與該區(qū)域內(nèi)扶余-肇東斷裂的方位一致，該斷裂帶位于波速比高值區(qū)和低值區(qū)的分界線。而扶余-肇東斷裂帶位于松遼盆地中部，西側(cè)為中央凹陷帶，東側(cè)為相對隆起區(qū)，該斷裂兩側(cè)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜。同時盆地北部區(qū)域地殼的縱向分層性和橫向不均勻性也比較顯著（高君等，2006），它們共同影響著斷裂兩側(cè)波速比的高、低變化。

圖7b中的數(shù)據(jù)時間截止至2014年8月31日，主要反映2013年前郭震群發(fā)生后波速比空間分布。結(jié)果顯示，震后波速比空間分布的橫向差異性明顯減弱，整個區(qū)域的波速比值較均勻，高、低值的異常區(qū)不顯著，扶余-肇東斷裂兩側(cè)差異性不明顯。

對比震前（圖7a）和震后（圖7b）波速比空間分布顯示，在前郭震群發(fā)生前，震中附近存在橢圓形波速比低值異常區(qū)，即第二松花江、長春-四平、扶余-肇東斷裂帶所圍區(qū)域——農(nóng)安-長嶺-公主嶺沿線大部分地區(qū)，異常區(qū)范圍較大。而該異常區(qū)在前郭震群發(fā)生后，低值區(qū)域嚴(yán)重縮小，波速比值普遍回升。由此可見，2013年前郭震群發(fā)生前后，波速比空間差異較明顯，存在較明顯的震前橢圓形低值異常區(qū)。

4 不確定性分析

精確、可靠的波速比值，能夠較真實(shí)地反映區(qū)域介質(zhì)性質(zhì)的變化，為地震學(xué)研究提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。波速比值的大小因不同的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境，如斷裂、巖性、地下水、溫度等介質(zhì)因素而產(chǎn)生差異（黎明曉等，2004；張學(xué)民等，2007）。同時，諸多的客觀因素，如臺站布局和數(shù)量、計(jì)算方法、數(shù)據(jù)來源等又直接影響波速比的精度。以下對上述影響因素作簡要分析。

4.1 臺站數(shù)量

圖8給出了波速比隨臺站數(shù)量的變化情況。結(jié)果顯示，波速比的離散度與臺站數(shù)量關(guān)系密切，當(dāng)?shù)卣鹩涗浀呐_站數(shù)較少（小于10個）時，波速比的離散度較大；反之，當(dāng)?shù)卣鹩涗浀呐_站數(shù)較多（大于10個）時，波速比的離散度較小。本文用于計(jì)算波速比的臺站數(shù)多數(shù)在4—10個之間，約占總數(shù)的64%，因此波速比值的離散度較大。為此筆者建議應(yīng)加強(qiáng)臺站布局的合理性，以減小臺站數(shù)量對波速比值的影響。

4.2 人為誤差

在計(jì)算中會出現(xiàn)個別臺的資料點(diǎn)偏離和達(dá)直線，經(jīng)對數(shù)據(jù)重新復(fù)核后發(fā)現(xiàn)，有部分偏離點(diǎn)是由于震相的判讀誤差導(dǎo)致的，有部分偏離點(diǎn)是由于臺站儀器非正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成的；而另外的原因是由于參與定位的臺站方位角不理想。

4.3 計(jì)算方法的局限性

目前計(jì)算波速比所使用的方法是建立在理想均勻彈性介質(zhì)的基礎(chǔ)上，而波速比反映的是地殼的介質(zhì)性質(zhì)，所以介質(zhì)的橫向不均勻性對計(jì)算結(jié)果影響較大。而建立不均勻介質(zhì)的計(jì)算公式比較復(fù)雜，為了克服這一弱點(diǎn)，要盡量使用小臺網(wǎng)或近臺的資料，以保證臺站盡量位于孕震區(qū)，從而可較真實(shí)地反映介質(zhì)的變化（蔡靜觀，2000）。

4.4 樣本的局限性

研究區(qū)內(nèi)地震樣本較少，且分布不均，直接影響到計(jì)算精度。因此需增加樣本量，同時還要結(jié)合相關(guān)介質(zhì)參數(shù)綜合分析研究區(qū)介質(zhì)的變化，以得到更為客觀的認(rèn)識。

波速比主要反映地震波由震源傳至接收臺站路徑上的平均波速變化。考慮到吉林地區(qū)地震發(fā)生頻度低且呈叢集性，以及地下介質(zhì)的橫向不均勻性，因此對多臺和達(dá)法的計(jì)算結(jié)果影響較大。筆者建議應(yīng)盡量減小由于路徑的差異對地震波傳播帶來的影響，在計(jì)算過程中對選取的地震資料首先要進(jìn)行區(qū)域范圍的限制，這樣得出的波速比變化才能較好地反映地下介質(zhì)的物性變化（錢曉東等，2013）。同時，在資料選取的過程中為了提高計(jì)算精度必須綜合考慮各方面的影響因素，盡可能地減少各種因素的影響。應(yīng)分別從震相的判讀、臺站的個數(shù)及到時差、參與定位的臺站布局、相關(guān)系數(shù)等方面對資料進(jìn)行一定的限定，將所有的數(shù)字化地震事件重新定位，以減小地震震相判讀的誤差。鑒于地震樣本數(shù)據(jù)量較少，在縱橫波到時差（△）的選取上，應(yīng)選取的地震樣本，以保證有足夠的樣本量參與計(jì)算；同時限定單次地震事件至少被4個以上臺站記錄到，相關(guān)系數(shù)，誤差估計(jì)。另外，多臺和達(dá)法對震相的判讀精度要求較高，為保持和達(dá)曲線的穩(wěn)定，臺站選取時應(yīng)盡量避免各個坐標(biāo)點(diǎn)集成一團(tuán)，應(yīng)刪除離散度較大的數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本文針對2013年前郭5.8級震群，分別采用單臺多震和達(dá)法和單震多臺和達(dá)法，利用2001—2014年模擬和數(shù)字化地震資料，獲取了單臺波速比隨時間變化曲線和區(qū)域波速比空間分布。結(jié)果顯示，前郭5.8級震群發(fā)生前后，單臺和區(qū)域波速比值均存在異?，F(xiàn)象。其中，單臺結(jié)果主要表現(xiàn)為凈月臺和豐滿臺波速比震前低值中期異常。而空間結(jié)果顯示，松原地區(qū)波速比的橫向不均勻性較強(qiáng)，扶余-肇東斷裂帶為波速比高值、低值的過渡帶；前郭震群發(fā)生前，扶余-肇東斷裂帶周圍存在橢圓形低值異常區(qū)，震后異常區(qū)顯著縮小。另外，對波速比的不確定性進(jìn)行了簡要的探討并提出了相應(yīng)的建議。

致謝：本文是在中國地震局地球物理研究所四室局所合作交流學(xué)習(xí)時完成的。在學(xué)習(xí)的過程中得到了王林瑛研究員和李艷娥老師在原理與程序上的幫助，同時王林瑛還指導(dǎo)了本文的完成，在此深表謝意！同時感謝吉林省地震局高金哲、張晨俠給予的大量幫助！感謝審稿專家提出的寶貴修改意見！

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Zhang Hongyan1), Miao Chunlan2), Lu Yanhong1), Kang Jianhong1)and Zhang Yu1)

1) Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130117, China?2) China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China

The P and S wave data of simulated and digital events from Jan. 2001 to Aug. 2014, was selected in order to obtain the wave velocity ratio of the temporal variation for each station by using Wadati method of single station with multi-earthquake and the spatial variation for Songyuan area by using Wadati method of single earthquake with multi-station. We focuses on the temporal and spatial variation before and after Qianguo earthquake swarm. The results show that the temporal variation of Jingyue and Fengman station with single station and multi-earthquake method exist medium-term anomaly, two station all show low value anomaly before earthquake, the wave velocity ratio of Jingyue station recover slowly after earthquake. The spatial variation of Songyuan area with single earthquake and multi-station method show that there exist strong lateral heterogeneity and low value anomaly zone of the oval before Qianguo earthquake swarm in 2013, and the anomaly area significantly reduced after earthquake.

Wadati method of single station and multi-earthquake; Wadati method of single earthquake and multi-station; Qianguo earthquake swarm; Wave velocity ratio

中國地震局監(jiān)測、預(yù)測、科研三結(jié)合課題（150704）；測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)（20140307）；吉林省地震局合同制科研課題（201521）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目（20140623010TC）

2014-12-17

張洪艷，女，生于1979年。工程師。主要從事地震編目及地震學(xué)相關(guān)工作。E-mail：56617347@qq.com