從波速比變化看汶川與蘆山地震的孕震過(guò)程

李艷娥 王林瑛 宋美卿 陳麗娟

1 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號(hào)，100081 2 山西省地震局，太原市晉祠路二段69號(hào)，030021

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從波速比變化看汶川與蘆山地震的孕震過(guò)程

李艷娥1王林瑛1宋美卿2陳麗娟1

1 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號(hào)，100081 2 山西省地震局，太原市晉祠路二段69號(hào)，030021

為研究汶川和蘆山地震的孕育過(guò)程，利用單臺(tái)單震法，將地震叢發(fā)區(qū)內(nèi)發(fā)生的地震粗略視為“廣義重復(fù)地震”，系統(tǒng)分析龍門(mén)山斷裂帶及附近區(qū)域1990～2015年波速比時(shí)空變化過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，波速比在汶川地震前降低，蘆山地震后明顯恢復(fù)。對(duì)于龍門(mén)山斷裂帶北段的地震叢發(fā)區(qū)，大部分臺(tái)站波速比的同步時(shí)間變化過(guò)程可分為兩個(gè)階段：一是在汶川地震前，2000年～2008-05波速比出現(xiàn)異常降低-回返-發(fā)震過(guò)程，低值異常持續(xù)時(shí)間約8 a。汶川地震后，波速比快速回升。二是2010年開(kāi)始再次顯現(xiàn)波速比持續(xù)性穩(wěn)定下降，在2013-04降至最低點(diǎn)，發(fā)生蘆山地震，震后波速比再次快速回升到正常值。對(duì)于龍門(mén)山斷裂帶南段及附近的地震叢發(fā)區(qū)，大部分臺(tái)站波速比的同步時(shí)間變化從2000年～2013-04波速比維持長(zhǎng)時(shí)間的異常低值狀態(tài)，低值持續(xù)時(shí)間約13 a，直至2013-04蘆山地震后波速比快速回升。不論是龍門(mén)山南段還是北段，均可看到波速比基本一致的變化，2000～2013年的異常降低-恢復(fù)過(guò)程，顯示了汶川8級(jí)地震與蘆山7級(jí)地震的整體性和差異性，孕震過(guò)程長(zhǎng)達(dá)14 a。由此可見(jiàn)，汶川地震和蘆山地震很可能是同一動(dòng)力學(xué)過(guò)程孕育的兩次先后發(fā)生的強(qiáng)震。

汶川地震；蘆山地震；波速比；單臺(tái)單震法；重復(fù)地震

我國(guó)四川省境內(nèi)龍門(mén)山斷裂帶2008-05-12發(fā)生了汶川8.0級(jí)巨震，5 a后的2013-04-20在其南段又發(fā)生了蘆山7.0級(jí)地震。兩次強(qiáng)震孕震過(guò)程的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性研究成為關(guān)注的熱點(diǎn)。單斌等[1]認(rèn)為，汶川地震可能有效地促進(jìn)了蘆山地震的發(fā)生；杜方等[1]認(rèn)為，蘆山地震和汶川地震雖然在發(fā)震構(gòu)造上有聯(lián)系，但兩次地震是相對(duì)獨(dú)立的地震事件；徐錫偉等[3]也認(rèn)為它們是兩次獨(dú)立的地震破裂事件。此外，兩次強(qiáng)震發(fā)生后，龍門(mén)山斷裂帶的強(qiáng)震危險(xiǎn)性也受到研究者的高度重視。陳運(yùn)泰等[4]研究顯示，汶川地震留下了龍門(mén)山斷裂帶西南段大約120 km的地震危險(xiǎn)區(qū)。然而，西南段并沒(méi)有發(fā)生一次性破裂，而是在其中“攔腰”發(fā)生了蘆山地震。汶川地震后，陳運(yùn)泰等[4]曾對(duì)汶川地震最大余震的震級(jí)估計(jì)為MW6.7～7.3，蘆山地震的能量?jī)H達(dá)到估計(jì)值的下限，即蘆山地震的發(fā)生并未解除龍門(mén)山斷裂帶的強(qiáng)震危險(xiǎn)性。

上述研究從不同方面對(duì)汶川和蘆山兩次強(qiáng)震的關(guān)聯(lián)性以及龍門(mén)山斷裂帶今后的強(qiáng)震危險(xiǎn)性進(jìn)行了討論，而深入研究龍門(mén)山斷裂及其附近地區(qū)地震孕育過(guò)程，可為防震減災(zāi)提供預(yù)測(cè)依據(jù)。地震孕育過(guò)程中可能會(huì)有地殼應(yīng)力和介質(zhì)物性的變化，通過(guò)地震波的手段可以開(kāi)展研究工作。

隨著數(shù)字觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)密度的增加以及地震數(shù)字資料處理技術(shù)的進(jìn)步，利用波形相關(guān)技術(shù)研究大震前后的波速和波速比變化成為可能。但是，受到各種因素的影響，利用波形相關(guān)技術(shù)對(duì)7級(jí)以上強(qiáng)震孕育過(guò)程地殼介質(zhì)物性長(zhǎng)時(shí)間變化特征的研究仍不多見(jiàn)。我們利用單臺(tái)多震和達(dá)法，分別研究過(guò)汶川[5]和蘆山[6]地震前波速比時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)這兩次強(qiáng)震前在震源區(qū)附近存在中長(zhǎng)期波速比低值異常。為了更好地利用震相報(bào)告數(shù)據(jù)，本文參考重復(fù)地震的思路，利用單臺(tái)單震法考察汶川和蘆山兩次強(qiáng)震前的波速比時(shí)空變化特征，獲取汶川、蘆山及其附近地區(qū)地殼介質(zhì)物性的時(shí)間變化信息，探討汶川地震和蘆山地震的孕育過(guò)程，跟蹤監(jiān)視8級(jí)強(qiáng)震前后地球物理場(chǎng)的調(diào)整過(guò)程。

1 波速比計(jì)算方法與可靠性分析

1.1 波速比計(jì)算方法的選定

地震波速比的計(jì)算方法較多，如單震多臺(tái)和達(dá)法和單臺(tái)多震和達(dá)法等，但每種方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性[5-6]。本研究基于重復(fù)地震的研究思路，利用地震發(fā)生率較高的地震叢發(fā)區(qū)，將該叢發(fā)區(qū)發(fā)生的地震視為“廣義重復(fù)地震”。由于這類地震空間分布相對(duì)密集和時(shí)間頻發(fā)，可計(jì)算其周邊單臺(tái)單震波速比，從而避開(kāi)了和達(dá)法樣本量的局限，計(jì)算結(jié)果可靠性的影響因素僅剩下發(fā)震時(shí)刻的確定誤差和臺(tái)站相對(duì)地震叢的距離。在計(jì)算中，選擇地震定位震相數(shù)據(jù)較多的地震，可有效降低發(fā)震時(shí)刻的確定誤差。由于該方法計(jì)算簡(jiǎn)便快捷，在地震頻發(fā)率較高的叢發(fā)區(qū)，可根據(jù)震相報(bào)告快速跟蹤監(jiān)測(cè)波速比的時(shí)間變化過(guò)程。汶川和蘆山地震恰好位于地震活躍的龍門(mén)山斷裂之上，該帶在兩次強(qiáng)震前后均有較高的地震活動(dòng)水平，為本研究提供了有利條件。

本研究計(jì)算方法采用單臺(tái)單震測(cè)定法，選擇小震活躍且在研究時(shí)段內(nèi)連續(xù)性較好的區(qū)域作為地震叢發(fā)區(qū)，在龍門(mén)山斷裂帶及附近地區(qū)選擇了14個(gè)地震叢發(fā)區(qū)(圖1)。

圖1 龍門(mén)山斷裂帶及附近地區(qū)14個(gè)地震叢發(fā)區(qū)的地震空間分布Fig.1 Epicenter distribution of 14 earthquake cluster in Longmenshan fault and its adjacent regions

1.2 計(jì)算公式

本研究采用的計(jì)算方法為單臺(tái)單震法。已知多臺(tái)確定的發(fā)震時(shí)刻t0，Si臺(tái)的單臺(tái)波速比的計(jì)算公式為[7]:

(1)

1.3 計(jì)算方法的約束條件和可靠性分析

對(duì)單臺(tái)單震波速比計(jì)算影響最大的因素為發(fā)震時(shí)刻的判定精度。本文以汶川叢和蘆山叢為例，分析不同震相數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)所計(jì)算的波速比的方差變化。

表1和表2分別為汶川地震叢對(duì)于汶川臺(tái)(平均距離27 km)和蘆山地震叢對(duì)于汶川臺(tái)(平均距離146 km)在每個(gè)參與計(jì)算的地震必須滿足定位震相數(shù)據(jù)4、6、8和10個(gè)以上時(shí)所計(jì)算的波速比結(jié)果的方差變化表。

表1 汶川地震叢對(duì)于汶川臺(tái)選取不同震相數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)所計(jì)算的波速比平均值和方差變化

表2 蘆山地震叢對(duì)于汶川臺(tái)選取不同震相數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)所計(jì)算的波速比平均值和方差變化

從表1、2可見(jiàn)，汶川和蘆山地震叢內(nèi)的2級(jí)以上地震在地震定位時(shí)，98%以上地震的臺(tái)站個(gè)數(shù)在6個(gè)以上，對(duì)于汶川叢-汶川臺(tái)的臺(tái)站個(gè)數(shù)在8個(gè)以上的占95%，對(duì)于蘆山叢-汶川臺(tái)的臺(tái)站個(gè)數(shù)在8個(gè)以上的占97%。在波速比計(jì)算中，選取每個(gè)地震時(shí)，規(guī)定定位震相數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)汶川叢最少8個(gè)臺(tái)站，蘆山叢最少6個(gè)臺(tái)站，一般地震叢集區(qū)至少4個(gè)臺(tái)站。

正常情況下，最適宜于觀測(cè)單臺(tái)單震波速比的震中距范圍大致在30～100 km，而波速隨著地殼深度的增加而加大。因此對(duì)于一個(gè)選定的地震叢發(fā)區(qū)，相對(duì)于其周邊不同距離和方位的臺(tái)站，臺(tái)站距離越近(尤其是距離小于30 km)，由于震源深度導(dǎo)致的波速增加的影響也逐漸突顯，深度對(duì)單臺(tái)波速比的影響相對(duì)較大[7]。由不同方位臺(tái)站平均距離和波速比方差相關(guān)圖(圖2)可見(jiàn)，兩個(gè)叢不同方位臺(tái)站平均距離和相應(yīng)的波速比時(shí)間變化的方差呈現(xiàn)非常好的相關(guān)性，可為判斷可能存在的波速比異常區(qū)域范圍提供依據(jù)和參考。本研究選取臺(tái)站距地震叢的距離限定在20～160 km。

圖2 汶川叢、安縣叢不同方位臺(tái)站平均距離與波速比方差的關(guān)系圖Fig.2 Average distance and Vp/Vs deviation of different azimuth stations to Wenchuan and Anxian cluster

2 汶川、蘆山地震前后單臺(tái)單震波速比時(shí)間變化和空間變化特征

2.1 單臺(tái)單震波速比時(shí)間變化特征

1)汶川叢

汶川地震叢空間范圍為31.0°～31.4°N、103.4°～103.8°E，選取13個(gè)分布不同方位的地震臺(tái)站。汶川地震叢和周邊13個(gè)臺(tái)站的波速比平均值、方差和平均距離等參數(shù)列于表3。由表可見(jiàn)，地震臺(tái)站與汶川叢的最大平均距離為156 km，最小平均距離為27 km，入選的地震數(shù)最多為2 960個(gè)，最少為841個(gè)。

表3 汶川叢周邊不同方位臺(tái)站的波速比總平均值、方差、平均距離等參數(shù)表

圖3為計(jì)算數(shù)據(jù)時(shí)間連續(xù)性長(zhǎng)、變化同步性好的6個(gè)臺(tái)站1990-01～2015-04單臺(tái)單震波速比的時(shí)間變化曲線。由圖可見(jiàn)，2001年開(kāi)始，波速比開(kāi)始同步下降，異常低值過(guò)程8 a左右；汶川地震發(fā)生后，波速比快速回升；隨著時(shí)間的發(fā)展，波速比再次快速下降，下降到最低點(diǎn)，發(fā)生蘆山地震；蘆山地震后快速回升，目前維持平穩(wěn)變化。距離近的汶川和安縣臺(tái)異常特征最為顯著，遠(yuǎn)距離臺(tái)站異常變化幅度相對(duì)減小。

圖3 平武、汶川、松潘、小金、安縣和黑水臺(tái)波速比時(shí)間變化曲線(1990-01～2015-04,相對(duì)于汶川叢)Fig.3 Vp/Vs versus time curves for the station PWU,WCH,SPA,XJI,AXI,HSH to Wenchuan cluster form January 1990 to April 2015

2)蘆山叢

蘆山地震叢空間分布范圍為30.0°～30.4°N、102.7°～103.1°E，選取13個(gè)不同方位分布的地震臺(tái)站。蘆山叢地震和周邊13個(gè)臺(tái)站的波速比平均值、方差和平均距離等參數(shù)列于表4。從表中可見(jiàn)，周邊臺(tái)站距離蘆山叢的最遠(yuǎn)平均距離為195 km，最小平均距離為26 km，入選的地震數(shù)最多為1 293個(gè)，最少為122個(gè)。

圖4為時(shí)間連續(xù)性較好的6個(gè)臺(tái)站1990-01～2015-04波速比的時(shí)間變化曲線，可清晰地看到蘆山叢周邊臺(tái)站在汶川和蘆山地震前后基本同步的時(shí)間變化過(guò)程。在1990～2000年期間，6個(gè)臺(tái)中除黑水臺(tái)以外，波速比均在1.68以上平穩(wěn)變化。2001年開(kāi)始，波速比同步下降，維持1.67以下的異常低值過(guò)程近8 a。汶川地震發(fā)生后，波速比仍未恢復(fù)，波速比保持持續(xù)低值和緩慢回返狀態(tài)。在大部分臺(tái)站逐漸恢復(fù)的過(guò)程中，發(fā)生蘆山地震。震后波速比快速回升，目前維持接近均值的平穩(wěn)變化狀態(tài)。與汶川叢類似，距離近的姑咱臺(tái)和油榨坪臺(tái)異常特征最為顯著，臺(tái)站距離越遠(yuǎn)，異常變化幅度相對(duì)越小。還可以看到，蘆山叢和汶川叢單臺(tái)單震波速比低值異常大致開(kāi)始于2001年前后，時(shí)間上具有較好的同步性(圖3和圖4)。

表4 蘆山叢周邊不同方位臺(tái)站的波速比總平均值、方差、平均距離等參數(shù)表

龍門(mén)山斷裂中北段汶川、安縣、北川和青川等地震叢波速比過(guò)程基本一致。對(duì)于蘆山叢和鮮水河、則木河斷裂附近的地震叢，波速比過(guò)程基本一致。龍門(mén)山斷裂附近地震叢的差異受汶川地震發(fā)生的影響，在汶川地震后出現(xiàn)快速回升和再次下降的過(guò)程(圖3、圖5)。而鮮水河和則木河斷裂附近的地震叢，波速比低值過(guò)程可能未受汶川地震的影響，在蘆山地震發(fā)生前基本維持由低值緩慢回升的狀態(tài)(圖4)。距離龍門(mén)山斷裂帶較遠(yuǎn)的地震叢，未見(jiàn)到這種在兩次強(qiáng)震前不同方位的多臺(tái)同步性變化特征，如馬爾康、巧家、木里和筠連叢。

圖4 姑咱、九龍、汶川、五馬坪、油榨坪和油灌頂臺(tái)波速比的時(shí)間變化曲線(1990-01～2015-04，相對(duì)于蘆山叢)Fig.4 Vp/Vs versus time curves for the station GZA,JLO,WCH,WMP,YZP,and YGD to Lushan cluster form January 1990 to April 2015

圖5 龍門(mén)山斷裂帶及附近地區(qū)14個(gè)地震叢至周邊臺(tái)站單臺(tái)波速比平均值的空間分布Fig.5 Spatial distribution of average Vp/Vs by single-station and single earthquake method at Longmenshan fault and its adjacent district

2.2 波速比Vp/Vs值時(shí)空變化特征

根據(jù)上述14個(gè)地震叢不同方位臺(tái)站單臺(tái)單震波速比在汶川地震和蘆山地震前后的變化特征分析，可將波速比的異常同步變化過(guò)程大致分為以下4個(gè)階段：1)1990～2000年為基本正常的平穩(wěn)變化階段；2)2001～2008-05-11為汶川地震前低值變化的異常階段；3)2008-05-12～2013-04-19為蘆山地震前低值變化階段；4)2013-04-20～2015-04為蘆山地震后快速回升的平穩(wěn)變化階段。

由圖5可見(jiàn)，在汶川地震和蘆山地震前均存在大范圍、長(zhǎng)時(shí)間的單臺(tái)波速比低值異常。汶川地震前，波速比低值范圍不僅分布在龍門(mén)山斷裂附近，而且在鮮水河和則木河斷裂附近也有分布。汶川地震后，龍門(mén)山斷裂東側(cè)的低值逐漸升高，在安寧河斷裂南部的低值范圍相應(yīng)縮小。但是，在龍門(mén)山斷裂西側(cè)、鮮水河斷裂和則木河斷裂低值狀態(tài)仍然持續(xù)。蘆山地震后，各叢集區(qū)大部分臺(tái)站的波速比出現(xiàn)同步回升。從圖5(d)可見(jiàn)，蘆山地震發(fā)生后，龍門(mén)山斷裂東部臺(tái)站的波速比平均值由1.68以上上升到1.70以上，安寧河斷裂以南的臺(tái)站也大部分上升到1.68以上。目前僅在石棉、康定、小金、汶川、黑水臺(tái)的方位上恢復(fù)并不顯著，2013-04后這些臺(tái)的波速比平均值仍在1.67以下，但與汶川和蘆山地震前不同的是，波速比低于1.67的射線已明顯減少。

3 結(jié) 語(yǔ)

龍門(mén)山斷裂及其附近的地震叢發(fā)區(qū)，均可在地震叢與臺(tái)站之間的不同方位上看到波速比在汶川地震前同步降低、蘆山震后明顯恢復(fù)的變化過(guò)程。對(duì)于龍門(mén)山中北段的地震叢發(fā)區(qū)，大部分臺(tái)站波速比的同步時(shí)間變化過(guò)程可分為兩個(gè)階段：第一階段是在汶川地震前，2000～2008-05波速比低值異常持續(xù)時(shí)間約8 a。汶川震后，波速比快速回升。第二階段，2010年開(kāi)始再次顯現(xiàn)波速比持續(xù)穩(wěn)定下降過(guò)程，直至2013-04降到最低點(diǎn)，發(fā)生蘆山地震，之后波速比再次快速回升到正常值。對(duì)于龍門(mén)山中南段及其附近地震叢發(fā)區(qū)，大部分臺(tái)站波速比的同步時(shí)間變化為2000～2013-04，波速比維持長(zhǎng)時(shí)間的異常低值狀態(tài)，低值持續(xù)時(shí)間約13 a，直至2013-04蘆山地震發(fā)生，蘆山地震后波速比快速回升。不論是龍門(mén)山斷裂的北段還是南段，均可看到基本一致的波速比從2000年開(kāi)始至2013年后的整體降低-恢復(fù)過(guò)程，顯示了汶川8級(jí)和蘆山7級(jí)地震孕育過(guò)程的整體性和差異性。由此可見(jiàn)，汶川地震和蘆山地震很可能是同一孕震過(guò)程中的兩次先后發(fā)生的強(qiáng)震事件。對(duì)于8級(jí)巨大強(qiáng)震在孕育-發(fā)生-調(diào)整過(guò)程中，震源體及附近區(qū)域地殼介質(zhì)物性異常變化不僅時(shí)間過(guò)程相當(dāng)漫長(zhǎng)，且空間尺度也十分廣闊。從時(shí)間尺度上看，波速比的結(jié)果與短水準(zhǔn)資料結(jié)果[8]是一致的。蘆山地震后，大部分臺(tái)站的波速比表現(xiàn)出大范圍同步恢復(fù)的過(guò)程。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)，可能是巴顏喀拉塊體向東推擠的統(tǒng)一動(dòng)力過(guò)程進(jìn)入后期調(diào)整性活動(dòng)階段的標(biāo)志。

綜上所述，汶川地震和蘆山地震之間的關(guān)聯(lián)用“一奶同胞”來(lái)形容可能更為貼切。利用區(qū)域臺(tái)網(wǎng)快速產(chǎn)出的震相報(bào)告進(jìn)行波速比跟蹤分析，也為我們實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)叢發(fā)區(qū)內(nèi)和周邊區(qū)域波速比的時(shí)間變化提供了新的方便快捷的思路。然而，這種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要波形相關(guān)等技術(shù)的進(jìn)一步深入研究予以確認(rèn)。

致謝：宋曉東教授和許忠淮教授對(duì)本研究給予悉心指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝！

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About the first author:LI Yan’e，associate researcher，majors in digital seismology and earthquake prediction or forecast,E-mail:liyane05@cea-igp.ac.cn.

Study of the Seismogenic Process from Wenchuan to the Lushan Earthquake Based on Wave Velocity Ratio Temporal Variation

LIYan’e1WANGLinying1SONGMeiqing2CHENLijuan1

1 Institute of Geophysics, CEA, 5 South-Minzudaxue Road,Beijing 100081, China 2 Earthquake Administration of Shanxi Province,69 2th Segment of Jinci Road,Taiyuan 030021,China

Based on seismic phase date recorded by Sichuan digital seismic network, this study analyzes the spatial and temporal variations. In this study, we employ the idea of repeat earthquakes, select seismic active area as generalized repeat earthquakes, and analyze the velocity ratio of the cluster zone to different stations around. The results show that the velocity ratio obviously decreased before the Wenchuan earthquake and increased after the Lushan earthquake. These changes can be observed both north and south of Longmenshan fault. The temporal changes of velocity ratio from 2000 to 2013 show the integrity and difference between Wenchuan MS8.0 and Lushan MS7.0. It seems that it was the same dynamic process, the two large earthquakes occurred in this process.

Wenchuan earthquake；Lushan earthquake；wave velocity ratio；single station-single earthquake method；repeat earthquake

Special Fund for Earthquake Research of CEA,No.201508020.

2015-09-30

項(xiàng)目來(lái)源：中國(guó)地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)(201508020)。

李艷娥,副研究員，主要從事數(shù)字地震學(xué)及地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等研究，E-mail:liyane05@cea-igp.ac.cn。

10.14075/j.jgg.2016.11.011

1671-5942(2016)010-0991-07

P315

A