福建仙游震群波速比變化初步分析

楊貴，徐嘉雋，許振棟，曹軼

（1.福建省地震局，福州350003；2.平潭地震臺，福建平潭350400）

福建仙游震群波速比變化初步分析

楊貴1，徐嘉雋1，許振棟2，曹軼1

（1.福建省地震局，福州350003；2.平潭地震臺，福建平潭350400）

應(yīng)用多臺和達(dá)法測定福建仙游震群ML≥1.0地震的平均波速比，在考慮一定震中距及臺站數(shù)計算情況下，測得的波速比值相對穩(wěn)定、可靠，計算的相關(guān)系數(shù)高，剩余標(biāo)準(zhǔn)差小，具有較高的可信度。對波速比值的總體變化特征的分析，結(jié)果顯示：仙游震群波速比變化復(fù)雜，總體經(jīng)歷了高異常值-低異常值-高異常值-相對穩(wěn)定-主震發(fā)生的過程；主震及較大余震發(fā)生后，波速比的高、低異常值增多，且低異常值頻次較高于高異常值。對小區(qū)域的波速比變化分析發(fā)現(xiàn)：不同區(qū)域相對主震前后，異常值變化情況差別較大，從震群波速比整體特征討論波速比變化異常情況，是否范圍過大，有待于更多案例的檢驗(yàn)分析。

福建仙游；震群；和達(dá)法；波速比

0 前言

研究震源及周圍地區(qū)波速比的變化，獲取地震孕育的震兆信息，是許多地震工作者致力的研究課題。自上世紀(jì)50年代初以來，國內(nèi)外許多學(xué)者在這方面的研究工作，已取得了一些有意義的成果。如1980年以來，國際上根據(jù)重復(fù)地震波形高度相關(guān)的特點(diǎn)，研究和驗(yàn)證地震前后波速變化特征，取得了地震前后波速變化確實(shí)存在的研究實(shí)例[1-6]。近幾年我國許多地震工作者[7-16]開展了應(yīng)用數(shù)字地震資料測定地震波速比的工作，他們分別對不同區(qū)域發(fā)生的中強(qiáng)地震前后的波速比變化特征進(jìn)行研究，取得了一定成果。他們的研究成果表明中小以上地震，都可能觀測到波速比的異常變化。隨著數(shù)字地震觀測儀器的改進(jìn)和臺站布局密度的增加，觀測數(shù)據(jù)的精度得到提高，震相記錄資料得到豐富，臺站布局更加合理，所求得的波速比值將更具有可靠性和準(zhǔn)確性。2013年9月4日06時23分，福建仙游發(fā)生了ML5.0地震，此次地震是該地區(qū)自福建臺網(wǎng)有記錄以來記錄的最大地震，福建臺網(wǎng)很好的記錄到此次序列地震。本文應(yīng)用多臺和達(dá)法測定該序列的地震平均波速比值，并對序列的波速比變化進(jìn)行初步的分析。

1 方法及原理

多臺和達(dá)法是日本地震學(xué)家和達(dá)清夫1928年提出的[7]，其原理為：對一個地震以一組臺站記錄的縱波到時和縱橫波到時差的資料作圖，擬合直線求得斜率，再加1即為波速比。

根據(jù)其原理只要有2個以上臺站同時記錄到P、S波就可以求得波速比值，但考慮到要求的是震源及周圍地區(qū)的平均波速比值，除了用相關(guān)系數(shù)和剩余標(biāo)準(zhǔn)差來約束求解外，還應(yīng)考慮到一定震中距范圍內(nèi)，有一定數(shù)量臺站參與計算的值才較能代表該次地震在一定區(qū)域內(nèi)的平均波速比值。

2 資料選取與處理

統(tǒng)計福建臺網(wǎng)自數(shù)字化以來記錄的福建仙游地震，發(fā)現(xiàn)：2005年8月前僅記錄有6個小地震；2005年8月至2010年8月4日，5年時間里未記錄有地震；2010年的8月4日至2014年12月31日，中小震活動較為頻繁，共記錄有3479次地震，其M－T圖見圖1。因此對仙游震群的研究時段取為2010年的8月4日至2014年12月31日。

計算地震波速比的關(guān)鍵要點(diǎn)是震相判讀的精度和可靠性判定[7]。為了得到可靠的震相數(shù)據(jù)用于計算波速比，對所使用的震相數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的條件限制：只使用直達(dá)波PG、SG到時數(shù)據(jù)；在判讀震相數(shù)據(jù)時，震中距120 km附近可能出現(xiàn)了PN波，可能影響到對直達(dá)波震相的判讀精度，因此初步選用震中距小于120 km的臺站記錄；要求臺站記錄都要有直達(dá)波PG、SG的震相數(shù)據(jù)；考慮到地震太小，信噪比差，也可能影響到到時讀數(shù)的判斷，這里要求地震的震級要大于等于ML1.0級；對于雙震疊加的數(shù)據(jù)，可能影響到時讀數(shù)的判斷，舍去不用。這樣對絕大多數(shù)地震來說，震相簡單且易于辨別，能減少判讀震相數(shù)據(jù)的誤差。福建臺網(wǎng)的臺站記錄儀器的采樣率在使用數(shù)據(jù)時段里都為100 Hz，這樣震相數(shù)據(jù)的讀數(shù)精度可達(dá)0.01 s。

圖1 福建仙游震群M-T圖Fig.1 The M-T figure of Xianyou earthquake swarm in Fujian

圖2 不同震中距所擬合的波速比值及所對應(yīng)的計算臺站數(shù)Fig.2 The wave velocity ratios fitted by the different epicentral distances and the number of stations to be calculated

由于和達(dá)法測定的是震源周邊介質(zhì)的平均波速比，與臺站布局及所選用的臺站記錄有關(guān)。仙游整個震群的發(fā)展，經(jīng)歷了福建測震臺網(wǎng)“十五”記錄，到現(xiàn)在運(yùn)行的“十一五”記錄，在震中周邊分布的臺站也是不同的。合理選擇一定震中距范圍內(nèi)的臺站計算波速比值，代表該事件在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的波速比值，尤顯得重要。因此我們在震群中選用較大地震，在較遠(yuǎn)震中距都有較清晰的記錄，選用了十五記錄的2個、十一五記錄的4個較大地震，對包圍震中，由震中距40 km起并每增加10 km，計算一個波速比值，直到震中距150 km，觀測它們的變化及臺站記錄數(shù)的變化，尋找較穩(wěn)定的能代表一定震源圍區(qū)地殼的平均波速比值，及其所對應(yīng)的震中距及臺站數(shù)。由震中距40～150 km，每隔10 km計算一個波速比值，繪的震中距與波速比值如圖2（a），相應(yīng)的震中距所對應(yīng)的臺站數(shù)如圖2（b）。

對6個事件隨震中距遞增計算的波速比值的計算結(jié)果，見表1。

由圖2（a）可見波速比值在震中距80 km前及110 km后變化較大。表1中，編號為1和2的事件為“十五”記錄，其它4個事件為“十一五”記錄事件。6個事件在震中距由40～150 km內(nèi)，每隔10 km一個值，其最大值與最小值的變化率最大為4.56%，最小2.13%，相差較大；如果取較穩(wěn)定的80～110 km部分的值，其變化率最大為0.64%，最小為0.17%。因此我們認(rèn)為對震中距取80～110 km較為合理，其相對應(yīng)的臺站數(shù)最低為9個，見圖2（b）。

表1 6個事件波速比測定值變化率的統(tǒng)計Table 1 Statistics of the change rate of measured value of wave velocity ratio of the six earthquakes

按照上述要求，篩選了570個地震事件，其中主震前264個地震，主震后305個地震，這些地震的震級分布為ML1.0～5.0，震源深度分布為5～21 km，參與計算的臺站數(shù)為9～31個。應(yīng)用和達(dá)法對這570個事件進(jìn)行波速比值計算，在數(shù)值進(jìn)行擬合過程中，對個別顯著偏離回歸直線的臺站記錄值進(jìn)行舍去。計算所用的570個地震事件的震中位置與參與計算的臺站位置見圖3所示。

3 結(jié)果分析

3．1相關(guān)系數(shù)的分析

應(yīng)用和達(dá)法的最小二乘法擬合福建仙游震群的波速比值，其計算的相關(guān)系數(shù)值隨地震序號的變化如圖4所示。圖4中，570個事件的相關(guān)系數(shù)為0.983 9～0.999 8，平均相關(guān)系數(shù)為0.997 7，其中介于0.995 0～0.999 6的事件為526個，占總事件的92.3%，可見所計算事件的相關(guān)性很好。

圖3 570個地震事件震中位置及參與計算的周邊地震臺站分布圖Fig.3 The epicenter location of 570 seismic events and the surrounding seismic stations participated in the calculation

3．2計算誤差統(tǒng)計分布

圖4 相關(guān)系數(shù)隨地震序號變化圖Fig.4 The map of correlation coefficient varying with earthquake sequence

選取震中距110 km內(nèi)，具有9個以上地震臺震相記錄清晰的中小地震，計算出每個地震的波速比的剩余標(biāo)準(zhǔn)差S，對S以0.01的間隔統(tǒng)計地震次數(shù)，見圖5，S值主要分布在0和0.01,它們共占總數(shù)的88.1%，沒有大于0.05的，可見計算的誤差都很小。

圖5 波速比計算剩余標(biāo)準(zhǔn)差統(tǒng)計Fig.5 The residual standard deviation of the velocity ratio

3．3波速比值的分布特征

仙游震群570次地震的波速比最低值為1.658，最高值為1.773，全部波速比的平均值為1.706，見圖6，低于線彈性體的波速比值1.73，波速比值優(yōu)勢集中于1.690～1.720間，為435次，占總數(shù)的76.3%，其相應(yīng)的泊松比為0.231～0.245。據(jù)實(shí)驗(yàn)研究[17]表明，普通巖石泊松比的變化范圍為0.20～0.35，且對巖石組成特別敏感，其中花崗巖泊松比為0.24，閃長巖為0.27，輝長巖為0.30等，結(jié)果與研究區(qū)域位于以晚侏羅－早白堊紀(jì)酸（中酸）性火山巖及燕山期花崗巖類廣泛分布的閩東地體[18]較一致。標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.014 7，相對于平均值的變化率為0.86%，大于表1中優(yōu)選震中距范圍內(nèi)測得的波速比值變化率，這樣以標(biāo)準(zhǔn)差作為異常判定標(biāo)準(zhǔn)具有一定的可靠性。

圖6 不同波速比對應(yīng)的地震次數(shù)Fig.6 Different wave velocity ratio corresponding to the number of earthquakes

3．4總體波速比值的時間變化特征

圖7 波速比隨地震序列時間及地震序號分布圖Fig.7 Distribution of wave velocity ratio varying with the time of the earthquake sequence

根據(jù)研究時段的M－T圖（見圖1）可知震群的發(fā)展呈現(xiàn)較集中的三個時間段，可劃分為：時段I為2010年8月至2011年5月，事件數(shù)69，最大為2011年1月29日ML2.8地震，有31個事件求得波速比值；時段II為2011年12月至2012年8月，事件數(shù)231，最大地震為2012年4月15日ML4.1地震，有101個事件求得波速比值；時段III為2012年11月至2014年12月，事件數(shù)3 179，最大地震為2013年9月4日ML5.0地震，求得的波速比值有438個。以研究時段整個震群的平均波速比為該區(qū)域的平均波速比，以超過1倍的標(biāo)準(zhǔn)差來判定異常值，對整個震群波速比值做時間發(fā)展與地震序號圖，并將三個時段的較大地震標(biāo)注在圖件中進(jìn)行分析（見圖7）。圖7（a）為波速比隨時間進(jìn)程的分布圖，直線為波速比的平均值線，兩條虛線為1倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差線，時間軸為每6個月一個刻度。在時間進(jìn)程里波速比值多點(diǎn)重合在一起，不易于辨識，做波速比隨地震序號的變化圖（見圖7(b)），其中序號1～31為時段I的地震，序號32～132為時段II的地震，133開始為時段III的地震，主震ML5.0地震序號為265。由圖7分析：①時段I中出現(xiàn)8次低異常值，7次高異常值。由高異常值下降到低異常值再回升到高異值時，發(fā)生ML2.8地震，而后又下降到低異常值，再回升到高異常值，整體有經(jīng)歷過W型的變化過程。根據(jù)巖石破裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果[19]及整體地震都較小的情況，可能反應(yīng)時段內(nèi)震源區(qū)應(yīng)力調(diào)整發(fā)生地震初期，介質(zhì)圍壓及裂隙正進(jìn)行反復(fù)調(diào)整變化。②時段II中出現(xiàn)4次低異常值，41次高值異常。在連續(xù)出現(xiàn)20次高異常值后，出現(xiàn)1次低異常值，而后又回升出現(xiàn)高異常值時，發(fā)生ML4.1地震，其后波速比值仍較高，高異常值較多，可能與此時段區(qū)域應(yīng)力調(diào)整時，造成流體對巖體裂縫和孔隙的大量滲入有關(guān)。③時段III中出現(xiàn)55次低異常值，37次高異常值。在2012年11月至2013年2月，波速比由低異常值至高異常值，發(fā)生ML3.8地震，后保持較高頻次的高異常值，可能與震源區(qū)應(yīng)力調(diào)整時水體滲入有關(guān)。2013年3月至2013年10月里發(fā)生4次4級以上地震，它們發(fā)生前常有由低至高異常值回升的情況，ML5.0主震前，出現(xiàn)高、低異常值為3次、7次，整體波速比值相對穩(wěn)定，高、低異常值幅度較小，可能與震源區(qū)水體飽和和震源區(qū)應(yīng)力以震群形式釋放有關(guān)。2013年11月后，波速比出現(xiàn)較高頻次的高、低異常值，次數(shù)分別為14、37次，低異常值頻次較高于高異常值，可能為主破裂后，裂隙較多，且圍壓仍較高有關(guān)。綜合分析認(rèn)為福建仙游震群波速比變化復(fù)雜，總體經(jīng)歷了高異常值-低異常值-高異常值-相對穩(wěn)定-主震發(fā)生的過程；主震及較大余震發(fā)生后，波速比的高、低異常值增多，且低異常值頻次較高于高異常值。

圖8 仙游震中分布圖Fig.8 Distribution of the Xianyou epicenter location

3．5小區(qū)域波速比值的時間變化特征

福建仙游震群震中分布區(qū)域（見圖8a），范圍為：緯度25.543°～25.693°，經(jīng)度118.635°～118.791°，面積約為17×17 km，震源深度分布為3～21 km，在三個不同時段里，地震集中發(fā)生在不同的區(qū)域。對于總體的波速比變化特征，可能受震中分布較廣影響，和所選用包圍震中臺站記錄的影響，使波速比的異常變化變得復(fù)雜起來。通過觀測相近震源位置地震波速比在時間上的變化，或許更能提供準(zhǔn)確的信息。從計算得到的570個地震的震中分布位置及發(fā)生的時間來看（見圖8b），三個時段里震中呈現(xiàn)各自相對集中的區(qū)域，再對比較集中的位置進(jìn)行細(xì)化，把這些震中分為五個小區(qū)域。

五個小區(qū)域劃分情況如下：區(qū)域1，經(jīng)度為118.715°～118.722°，緯度為25.618 2°～25.627 1°，面積約為0.7×0.9 km，有17個地震，再對深度分布進(jìn)行統(tǒng)計，深度分布為8～14 km，取深度優(yōu)勢分布在10～12 km的地震，這樣有11個地震；區(qū)域2，經(jīng)度為118.704°～118.721°，緯度為25.650°～25.668°，面積約1.7×1.9 km，有51個事件，再對深度分布進(jìn)行統(tǒng)計，深度分布為6～19 km，分布較散，取深度優(yōu)勢分布在9～14 km的地震，有38個地震；區(qū)域3，經(jīng)度為118.731°～118.742°，緯度為25.631 5°～25.647 6°，面積約1.1×1.6 km，有257個地震，再對深度分布進(jìn)行統(tǒng)計，深度分布為6～14 km，取深度優(yōu)勢分布在8～11 km的地震，有239個地震；區(qū)域4，經(jīng)度為118.742°～118.753 6°，緯度為25.620 9°～25.64°，面積約為1.2×2.0 km，有126個事件，對深度分布進(jìn)行統(tǒng)計，深度分布為8～19 km，取優(yōu)勢分布的9～11 km的地震，有87個地震；區(qū)域5，經(jīng)度為118.7536°～118.7639°，緯度為25.613 0°～25.628 9°，面積約為1.0×1.6km，有39個地震，對深度分布進(jìn)行統(tǒng)計，深度分布為8～11 km，取優(yōu)勢分布的10～11 km的地震，有35個地震。

圖9 5個小區(qū)域波速比隨地震序列時間及地震序號分布圖Fig.9 The distribution of wave velocity ratio varying with the time of the earthquake sequence in five small regions

對劃分的五個小區(qū)域的波速比變化，理想認(rèn)為是基于同一或震源位置極相近的地震的波速比變化。對各小區(qū)域做波速比隨時間進(jìn)程及地震發(fā)生順序的變化圖（見圖9）。圖中黑實(shí)線為該區(qū)域的地震平均波速比值線，兩條虛線為1倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差線，以超過1倍標(biāo)準(zhǔn)偏差線的值為異常值，各區(qū)域波速比變化圖的縱坐標(biāo)保持一致，并在圖件上標(biāo)注各區(qū)域內(nèi)較大地震。

由圖9（A、a）可見區(qū)域1地震波速比有下降趨勢，且出現(xiàn)4次低異常值，可能顯示了圍壓正在增加，且小區(qū)域的微裂隙也在增加。由圖9（B、b）可見區(qū)域2波速比出現(xiàn)有11次高異常值，在臨近2012年4月15日ML4.1地震發(fā)生時，有一次低異常值，并很快回復(fù)為高異常值，發(fā)生ML4.1地震，其后波速比趨于穩(wěn)定，可能為地下流體大量滲入而后趨于飽和有關(guān)。由圖9（C、c）可見區(qū)域3波速比值在2013年1月至2013年8月份相對穩(wěn)定，有出現(xiàn)4次較小低異常值，2013年11月后，即震群中所有4級地震之后，出現(xiàn)高、低異常值分別為7次、30次，低異常值無論是幅度還是頻次都較高于高異常值。由圖9（D、d）可見區(qū)域4是最大及較大地震發(fā)生的集中區(qū)域，集中了所有4級以上的地震，如2013年8月3日ML4.2、2013年8月23日ML4.5、2013年9月4日ML5.0、2013年10月30日ML4.5地震，在它們之前都有低異常值的出現(xiàn)，在ML5.0主震前有6次低異常值，3次高異常值。由圖9（E、e）可見區(qū)域5波速比出現(xiàn)1次低異常值，3次高異常值，都發(fā)生在ML5.0主震后的時段里。

對五個小區(qū)域波速比的變化分析，我們認(rèn)為，在ML5.0主震前，區(qū)域1的波波速比主要表現(xiàn)為低異常值，區(qū)域2的波速比主要表現(xiàn)為高異常值，區(qū)域3主要表現(xiàn)為較小的低異常值，主震位置的區(qū)域4主要表現(xiàn)為低、高異常值交替，區(qū)域5相對穩(wěn)定；主震后，區(qū)域3主要表現(xiàn)為高、低異常值較多，以低異常值為主，區(qū)域4、5以高異常值為主。不同區(qū)域相對主震前后，異常值變化情況較大。由于各時段里，震中位置的遷移，很難獲得同一位置在各個時段里的波速比值，沒有觀測到同一位置在3個時段里的波速比變化情況。

4 結(jié)語

應(yīng)用多臺和達(dá)法的最小二乘法對福建仙游震群的ML≥1.0地震的波速比進(jìn)行測定，并對波速比的變化進(jìn)行了初步的討論，形成如下一些結(jié)論：

（1）在求震源區(qū)地殼的平均波速比值時，僅通過設(shè)定一定的臺站數(shù)的計算結(jié)果是不合理的，特別是在判斷異常方面是不利的。本文在計算波速比過程中，發(fā)現(xiàn)采用不同震中距內(nèi)所包圍的不同臺站的數(shù)據(jù)擬合的波速比值有較大的差異。在震中距80～110 km內(nèi)，所包圍的臺站數(shù)隨著震中距的增加而增多，求得的波速比值具有穩(wěn)定性好，差異小，其相對應(yīng)的最低臺站數(shù)為9個。在仙游震群序列的波速比值求解過程中，要求選取震中距80～110 km內(nèi)所包圍的臺站數(shù)據(jù)且所參與擬合計算的臺站數(shù)要達(dá)到9個及以上，然后經(jīng)過對震相到時數(shù)據(jù)嚴(yán)格的篩選，使得相關(guān)系數(shù)較高，剩余標(biāo)準(zhǔn)差較小，所計算得到的平均波速比值，應(yīng)能代表相應(yīng)區(qū)域的波速比值，具有較高的可信度。

（2）通過對福建仙游震群波速比隨時間變化特征的分析認(rèn)為：仙游震群波速比變化復(fù)雜，總體經(jīng)歷了高異常值-低異常值-高異常值-相對穩(wěn)定-主震發(fā)生的過程；主震及較大余震發(fā)生后，波速比的高、低異常值增多，且低異常值頻次較高于高異常值。

（3）通過對福建仙游震群小區(qū)域波速比的測定分析認(rèn)為：不同區(qū)域相對主震前后，異常值變化情況差別較大。從震群波速比整體特征討論波速比變化異常情況，是否范圍過大，有待于更多案例的檢驗(yàn)分析。

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Initial Analysis of the Wave Velocity Ratios in Fujian Xianyou Earthquake Swarm

YANG Gui1，XU Jiajun1，XU Zhendong2，CAO Yi1
（1.Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350003，China；2.Pingtan Seismic Station，Pingtan 350100，China）

The paper measured the average wave velocity ratios of earthquakes with ML≥1.0 in Fujian Xianyou earthquake swarm by using multi-station methods.In consideration of certain epicentral distance and the calculation of the number of stations,the measured velocity ratio is relatively stable and reliable，which has high correlation coefficient，small residual standard deviation,and high credibility.The paper analyzed the overall variation of wave velocity ratio.The results show that:the wave velocity ratio changes of Xianyou earthquake swarm is complicated，and experienced the process of high outliers-low outliers-high outliers-relatively stable-the process of the main shock occurred；after the main shock and the large aftershocks，high and low outliers of wave velocity ratio increases，and the frequency of low outliers is higher than the high outliers.Basedon the analysis of the wave velocity ratio in small region，it is found that the outlier changes are different in the different regional before and after the main shock；weather the range is too large for disussing the abnormal variation of the wave velocity ratio by using the overall characteristics of the wave velocity needs more case analysis for the test.

Fujian xianyou；Earthquake swarm；Multi-station methods；wave velocity ratio

P315.7

A

1001-8662（2016）03-0088-10

10.13512/j.hndz.2016.03.013

2015-07-29

楊貴（1978－），男，高級工程師，主要從事地震監(jiān)測與數(shù)字地震應(yīng)用研究。

E-mail：765068979@qq.com.

楊貴，徐嘉雋，許振棟，等.福建仙游震群波速比變化初步分析[J].華南地震，2016，36（3）：88-97.[YANG Gui，XU Jiajun，XU Zhendong，et al.Initial Analysis of the Wave Velocity Ratios in Fujian Xianyou Earthquake Swarm[J].South china journal of seismology，2016，36（3）：88-97.]