廣東新豐江庫區(qū)波速比變化特征研究

王小娜，劉 錦

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

廣東新豐江庫區(qū)波速比變化特征研究

王小娜，劉 錦

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

使用2007年6月— 2017年2月廣東新豐江水庫周圍14個(gè)臺(tái)站記錄的Pg波、Sg波震相數(shù)據(jù)，采用單震多臺(tái)和達(dá)法研究新豐江庫區(qū)波速比變化特征。結(jié)果顯示研究時(shí)段新豐江ML4.0級(jí)以上地震中有3次地震前表現(xiàn)出下降—低值—恢復(fù)—發(fā)震現(xiàn)象。庫區(qū)水位、地震頻度、波速比均表現(xiàn)出分段特性，地震頻度相對(duì)于水位、波速比相對(duì)于地震頻度均有一定的滯后性。蓄水前期波速比主要受水的滲流作用和構(gòu)造應(yīng)力的影響，而蓄水后期庫構(gòu)造應(yīng)力以及水位引起的圍壓變化可能成為波速比變化的主要因素。新豐江ML5.2級(jí)地震及ML5.1級(jí)地震前水庫均處于卸載階段，ML4.2級(jí)地震前水庫處于加載階段，說明庫水位引起的圍壓對(duì)波速比影響有限，地震發(fā)生主要是構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果。

新豐江；單震多臺(tái)和達(dá)法；波速比；分段性；滲流作用；構(gòu)造應(yīng)力

P315.6

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.003

1674-8565（2017）04-0014-07

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（41604055）

2017-07-18

2017-10-07

王小娜（1987-），女，山東省濟(jì)寧市人，畢業(yè)于中國科學(xué)院大學(xué)，博士，工程師，現(xiàn)主要從事地震預(yù)報(bào)研究、地震層析成像和人工地震測(cè)深等方面的工作。E-mail: wangxiaona16@163.com

0 引言

在較大地震發(fā)生前，構(gòu)造應(yīng)力的增大可能會(huì)導(dǎo)致孕震區(qū)內(nèi)的巖石出現(xiàn)微破裂和塑性化、塑性硬化、相變等一系列現(xiàn)象，從而使得孕震區(qū)巖石的波速發(fā)生變化，即出現(xiàn)波速異常。研究波速異常對(duì)于探索地震預(yù)報(bào)途徑和震源孕震過程具有實(shí)際意義，而在波速異常研究初期，波速比問題有很多爭(zhēng)議[1]，需要通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)和檢驗(yàn)才能對(duì)其物理實(shí)質(zhì)取得客觀認(rèn)識(shí)，因而進(jìn)展緩慢[2-4]。近幾年來，隨著數(shù)字地震的發(fā)展，臺(tái)站密度不斷增大、地震定位精度不斷提高、震相資料不斷積累，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得到廣泛應(yīng)用[5-11]，波速比異常方法成為目前地震預(yù)測(cè)常用的方法之一。

水庫對(duì)地震存在誘發(fā)作用[12-14]，廣東新豐江水庫地區(qū)（圖1）是整個(gè)廣東乃至華南地區(qū)地震活動(dòng)最為活躍的地區(qū)之一[15]。水庫主要位于燕山期花崗巖體之上，巖體侵入到古生界和中生界沉積巖系中，巖體東側(cè)與晚白堊紀(jì)—第三紀(jì)斷陷盆地相接[16]，區(qū)內(nèi)主要有三組走向斷裂，NE—NNE向斷裂最為發(fā)育，以逆斷層或逆掩斷層為主，主要有河源斷裂、人字石斷裂和大坪—巖前斷裂；NNW向的石角—新港—白田斷裂在大壩西北最為發(fā)育，由許多小斷裂組成，與其他走向斷裂相切割；NEE向斷裂以陡傾角為主，在地表未形成規(guī)模巨大的斷裂，主要有南山—坳頭斷裂，是地殼深部的主要構(gòu)造。這些斷裂控制了新豐江地區(qū)中強(qiáng)地震的發(fā)生，水庫蓄水前新豐江地區(qū)無明顯地震活動(dòng)，僅于1953年在高塘附近發(fā)生過一次M4?級(jí)地震（圖1），水庫蓄水后一個(gè)月地震活動(dòng)趨于頻繁，1961年3月19日在距離新豐江大壩僅1km處發(fā)生了M6.1級(jí)地震，是目前世界上誘發(fā)M6.0級(jí)以上地震的4個(gè)水庫之一[17]，新豐江6.1級(jí)地震之后水庫地區(qū)中小地震不斷，先后發(fā)生過111次ML4.0以上地震，其中多數(shù)地震集中于水庫大壩，近年來地震活動(dòng)有從庫區(qū)大壩往北西方向擴(kuò)展的趨勢(shì)，2012年至今新豐江庫尾錫場(chǎng)附近共發(fā)生7次ML4.0級(jí)以上地震，因此地球物理學(xué)者對(duì)新豐江水庫地震活動(dòng)性研究日趨迫切[18-20]。

圖1 新豐江地區(qū)地震分布圖Fig.1 Earthquakes distribution map of Xinfengjiang area

前人亦通過波速比方法研究過新豐江的地震活動(dòng)情況，馮銳[21]分析了新豐江6.1級(jí)地震前后（1961年2月—1975年3月）波速比變化特征，認(rèn)為波速比在新豐江地震前出現(xiàn)明顯的波速下降，并在6.1級(jí)地震前一個(gè)半月恢復(fù)正常值，此外，震源附近的深水峽谷區(qū)異常變化幅度最大，異常在時(shí)空上比構(gòu)造地震要小。陳益明[22]對(duì)1975年4月—1983年12月之間的波速比進(jìn)行了分析研究，認(rèn)為1975年之后震前波速比并沒有明顯的異常變化。楊選[23]對(duì)2007年6月—2012年3月橫縱波走時(shí)差tS-tP≤30s的地震波速比進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)2012年2月16日新豐江ML5.2級(jí)地震前波速比異常變化并不明顯，但通過T法校驗(yàn)，在震前7個(gè)月發(fā)現(xiàn)波速比下降現(xiàn)象。以上的新豐江波速比研究工作中，新豐江水庫蓄水前期地震臺(tái)站較為稀少，地震定位精度無法保證，而水庫蓄水后期定位精度雖然提高，但計(jì)算的平均波速比為270km左右范圍內(nèi)的平均波速比，區(qū)域范圍較大，無法反映新豐江庫區(qū)真實(shí)的波速比情況。2012年廣東省地震局對(duì)新豐江水庫臺(tái)網(wǎng)進(jìn)行加密，共有14個(gè)臺(tái)站實(shí)時(shí)記錄地震數(shù)據(jù)，顯著提高了新豐江水庫地震的監(jiān)測(cè)能力。本文使用2007年06月—2017年02月新豐江水庫周圍14個(gè)臺(tái)站記錄的Pg波、Sg波震相數(shù)據(jù)（震中距＜40km），通過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩選后，采用多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算波速比，由此獲得的地震波速比更能反映目前新豐江水庫庫區(qū)的平均波速比。此外，本文通過單震多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算新豐江庫區(qū)波速比，探討地震活動(dòng)性、波速比和水位之間的關(guān)系，從而為該水庫地區(qū)中強(qiáng)地震危險(xiǎn)性提供了科學(xué)依據(jù)。

1 計(jì)算方法與資料

本研究使用單震多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算研究區(qū)域波速比。該方法由日本地震學(xué)家和達(dá)清夫（1928）[1]提出，以和達(dá)圖為基礎(chǔ)，利用震中周圍多臺(tái)資料計(jì)算出來的波速比可稱為平均波速比，雖然這樣計(jì)算出來的平均波速比不同于真波速比的視速度比，但其變化在一定程度上反映了真波速比的變化，因而仍可以作為一種地震前兆指標(biāo)來研究。該方法由地震發(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，其中重復(fù)地震的測(cè)定精度最高。

假定震源區(qū)介質(zhì)為理想均勻彈性，則縱波速度VP和橫波速度VS與介質(zhì)泊松比、揚(yáng)氏模量和介質(zhì)密度ρ之間的關(guān)系為[24]：

式中，VP / VS為介質(zhì)泊松比的函數(shù)，主要反映的是地殼中上層介質(zhì)泊松比的變化，P波和S波的速度則與介質(zhì)的泊松比、楊氏模量E和介質(zhì)密度密切相關(guān)。

在波速比計(jì)算過程中，為保證結(jié)果的穩(wěn)定性，本文進(jìn)行了嚴(yán)格的數(shù)據(jù)篩選，包括初步篩選和精細(xì)篩選。由于影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素主要有震相數(shù)據(jù)精度、臺(tái)站個(gè)數(shù)、地震位置等，因此針對(duì)這些因素，為了最大限度保證結(jié)果的穩(wěn)定性，在初步數(shù)據(jù)篩選時(shí)遵循以下原則：

（1）新豐江庫區(qū)臺(tái)網(wǎng)較為密集，地震最小完備震級(jí)可達(dá)ML0.3，本研究震級(jí)下限設(shè)為ML≥1.5，以保證震相數(shù)據(jù)有足夠的精度;

（2）去除走時(shí)數(shù)據(jù)中離散的震相數(shù)據(jù)（距走時(shí)曲線最佳擬合線2s以外的數(shù)據(jù)）（圖2）；

（3）同一臺(tái)站Sg波和Pg波走時(shí)差計(jì)算出震中距約40km內(nèi)的介質(zhì)平均物性。

經(jīng)過初步篩選共有1420個(gè)地震符合要求。初步篩選后需要對(duì)臺(tái)站記錄的Pg波和Sg波走時(shí)再次進(jìn)行精細(xì)篩選。若一個(gè)臺(tái)站S記錄的一個(gè)地震所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)（tP，?t）偏離和達(dá)直線相當(dāng)遠(yuǎn)，則可能是S臺(tái)站的震相記錄有誤，或震源到S臺(tái)站的波速比與到其他臺(tái)站的平均波速比有明顯差異，此時(shí)S臺(tái)的資料就不能用來計(jì)算平均波速比。假設(shè)地震發(fā)生在未來較大地震孕震區(qū)內(nèi)或其附近，周圍大多數(shù)臺(tái)站記錄到的地震波都不同程度的通過了波速異常區(qū)，即使個(gè)別臺(tái)站記錄到的地震波未通過孕震區(qū)，在計(jì)算波速比時(shí)也可能因偏離和達(dá)直線較遠(yuǎn)而被淘汰掉。

圖2 初步篩選與精細(xì)篩選過程中震相數(shù)據(jù)走時(shí)分布Fig.2 Travel time of phase data in preliminary selection and fine selection

因此，設(shè)地震i共有N個(gè)臺(tái)站記錄到Pg波到時(shí)tPi和Sg波到時(shí)則求解所有臺(tái)的總平均值以及所有

?tj＜t的K個(gè)臺(tái)資料的平均值

本文保證每個(gè)地震至少有4個(gè)臺(tái)站記錄到Pg和Sg走時(shí)數(shù)據(jù)（N≥4）。經(jīng)過精細(xì)篩選，共獲得1253個(gè)地震（圖3）參與計(jì)算，之后

利用最小二乘法計(jì)算波速比γ0、相關(guān)系數(shù)R以及波速比計(jì)算誤差γ：

圖3 用于波速比計(jì)算的地震及射線分布圖Fig.3 Earthquakes and ray distribution used for caculating Vp / V

2 結(jié)果分析

本文選取的波速比計(jì)算誤差γ0≤0.05，對(duì)于波速比相關(guān)系數(shù)R，考慮到孕震體介質(zhì)非均勻性也可能導(dǎo)致波速比和達(dá)曲線彎曲，從而使得誤差增大和相關(guān)性降低，相關(guān)系數(shù)限定過于嚴(yán)格有可能消除孕震體非均勻性引起的波速變化，因此相關(guān)系數(shù)未選擇R≥0.99，而是選擇R≥0.95，最終獲得639個(gè)地震的波速比結(jié)果，共 8,652條Pg和Sg走時(shí)差?t數(shù)據(jù)，由圖4可見，Vp/Vs計(jì)算誤差γ值68%小于0.02，81%小于0.03，相關(guān)系數(shù)R中80%大于0.99，93%大于0.98，可見本文獲取的波速比結(jié)果較為可靠。

圖4 新豐江庫區(qū)波速比計(jì)算誤差γ及相關(guān)系數(shù)R直方圖Fig.4 Histogram of earthquake number versus computation error γ and correlation coefficients R

圖5為新豐江地區(qū)震級(jí)時(shí)間序列、波速比時(shí)間序列及水庫水位圖。由圖可以看出，該地區(qū)波速比多數(shù)位于1.60～1.80之間，平均波速比為1.71，波速比方差為0.04，波速比最低值為2008年2月7日ML2.6級(jí)地震的1.58，該地震發(fā)生時(shí)水庫處于卸載階段。為了減少地震路徑差異和射線分布不均勻的影響，本文采用5次地震滑動(dòng)平均的方法（圖5b紅線）。由于每次地震至少要有4個(gè)臺(tái)記錄到Pg和Sg走時(shí)數(shù)據(jù)，則每個(gè)滑動(dòng)平均的數(shù)據(jù)最少有40個(gè)震相數(shù)據(jù)，因此可基本保證波速比隨時(shí)間變化特征的穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)5次地震滑動(dòng)平均值曲線，整個(gè)區(qū)域共4次波速比趨勢(shì)性下降到1倍均方差（下行線）以下，其中3次處于水庫卸載階段，僅2012年9月2日ML4.2級(jí)地震前的波速比下降位于水庫加載階段。

2012年2月16日新豐江庫尾錫場(chǎng)發(fā)生ML5.2級(jí)地震，地震發(fā)生前波速比呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)：2010年6月波速比達(dá)到高值1.85，這也是本文研究時(shí)段新豐江庫區(qū)波速比最高值，之后波速比出現(xiàn)明顯下降，此下降趨勢(shì)一直持續(xù)到2012年1月，并降低到1倍均方差（下行線）以下，之后波速比迅速回升，當(dāng)恢復(fù)到1倍均方差（下行線）以上后，發(fā)生ML5.2級(jí)地震。此外，2012年9月2日ML4.2級(jí)地震及2013年2月22日ML5.1級(jí)地震之前亦出現(xiàn)波速比下降到1倍均方差（下行線）以下的現(xiàn)象，當(dāng)波速比恢復(fù)到1倍均方差（下行線）以上時(shí)發(fā)生ML4.0級(jí)以上地震，這兩次地震距前一次地震相隔時(shí)間較短，波速比異?，F(xiàn)象相對(duì)于2012年2月16日ML5.2級(jí)地震較弱，但仍能表現(xiàn)出下降—低值—恢復(fù)—發(fā)震現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在許多大地震中都有出現(xiàn)，如永勝、大姚、姚安、施甸地震[5]、汶川地震[11]、蘆山地震[9]、紫坪鋪水庫西南區(qū)[25]和福建仙游水庫[26]。但2013年9月之后新豐江水庫ML4.0級(jí)以上地震前未出現(xiàn)明顯的波速比下降現(xiàn)象。

圖5 新豐江地區(qū)M-T圖（a），波速比變化曲線（b）及水庫水位變化及頻度曲線（c）Fig.5 M-T map(a), VP/VS map(b), water level and seismic frequency （c） in Xinfengjiang area

在本文研究時(shí)間段內(nèi)，水位、地震活動(dòng)性和波速比均表現(xiàn)出明顯的分段性：2011年以前水位位于97～112m之間，平均水位103.42m，而2011年之后水位主要位于104～115m之間，平均水位109.87m，后者平均水位明顯高于前者；2012年開始，新豐江地區(qū)地震活動(dòng)水平明顯升高，特別是2012—2014年地震頻度和強(qiáng)度均明顯增強(qiáng)，期間發(fā)生7次ML4.0級(jí)以上地震，2014年10月后，地震頻度下降，但仍高于2012年之前的地震活動(dòng)水平；2013年9月之前，波速比趨勢(shì)性變化明顯，特別是在中強(qiáng)震前表現(xiàn)出下降—低值—恢復(fù)—發(fā)震這種典型的震前波速比變化特征，但2013年9月之后波速比變化幅度和持續(xù)時(shí)間均降低，基本穩(wěn)定在均值附近作小幅波動(dòng)，其趨勢(shì)性變化不再明顯。

3 討論與結(jié)論

根據(jù)研究時(shí)段新豐江庫區(qū)水位、地震頻度、波速比在時(shí)間上先后表現(xiàn)出的分段特性，認(rèn)為地震頻度相對(duì)于水位、波速比相對(duì)于地震頻度均有一定的滯后性，這種滯后性在水庫蓄水前期和后期均有出現(xiàn)，但蓄水前期和后期滯后性的影響因素不同。

新豐江庫區(qū)有多條斷裂構(gòu)造，但1959年水庫蓄水前該區(qū)域無明顯地震活動(dòng)，僅在1953年發(fā)生過一次M4?級(jí)地震，蓄水后1個(gè)月地震活動(dòng)趨于頻繁，而波速比異常則在蓄水一年半后才出現(xiàn)[21]。并于1961年3月19日在距離新豐江大壩僅1km處發(fā)生了M6.1級(jí)地震，該地震主要是構(gòu)造應(yīng)力的結(jié)果，但庫水的滲流亦起到了重要作用：蓄水改變了庫區(qū)巖石介質(zhì)，巖石強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)水庫水位升高時(shí)，滲流產(chǎn)生的吸附作用和孔隙壓效應(yīng)增強(qiáng)，滲流速度加快，進(jìn)而使得滲流水沖擊斷層裂隙的端部和根部，降低了斷層面上的正應(yīng)力和剪切強(qiáng)度，使得本來就不穩(wěn)定的破裂產(chǎn)生滑動(dòng)從而誘發(fā)微震、小震，而庫水與小震的聯(lián)合作用又觸發(fā)了中強(qiáng)地震，可見蓄水前期（最初5年內(nèi)）水的滲流作用影響較大[27]，波速比變化主要受孔隙度、孔隙水變化（滲流作用）及構(gòu)造應(yīng)力的綜合影響。

新豐江水庫蓄水后期巖石接近飽和，水庫的荷載作用、孔隙水壓效應(yīng)以及庫水對(duì)庫基巖石的物理化學(xué)作用已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，在新的平衡狀態(tài)下，庫水位變化引起的圍壓變化以及構(gòu)造應(yīng)力可能成為波速比變化的主要因素。新豐江庫尾錫場(chǎng)2012年2月16日ML5.2級(jí)地震、2012年9月2日ML4.2級(jí)地震及2013年2月22日ML5.1級(jí)地震之前均出現(xiàn)下降—低值—恢復(fù)—發(fā)震現(xiàn)象，這一現(xiàn)象可以用擴(kuò)容（膨脹）現(xiàn)象來解釋[1]。陳颙實(shí)驗(yàn)[28]顯示飽和花崗巖的波速比隨著有效圍壓的增大而減小，反之亦然，因此水庫加載階段圍壓增加，波速比應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)下降或低值現(xiàn)象，然而新豐江ML5.2級(jí)地震及ML5.1級(jí)地震前水庫均處于卸載階段，說明庫水位變化對(duì)兩次地震無誘發(fā)作用，發(fā)震主要因素是構(gòu)造應(yīng)力的增強(qiáng)。2012年9月2日ML4.2級(jí)地震前水庫處于加載階段，庫水位引起的圍壓對(duì)波速比有一定的影響，但ML4.2級(jí)地震與前一次地震水位僅相差7m，水位的變化產(chǎn)生的圍壓遠(yuǎn)不足以產(chǎn)生0.15的波速比變化，因此此次地震發(fā)生仍然主要是構(gòu)造應(yīng)力作用的結(jié)果。

此外，值得注意的是新豐江水庫水位高值和低值區(qū)小震頻度均明顯增加，2012—2014年這種特征尤為明顯。水庫水位高值區(qū)小震頻度增加可以歸結(jié)于水的滲流和有效圍壓的影響，而水庫水位低值區(qū)小震頻度增加的原因仍需進(jìn)一步探討。

致謝：感謝新豐江地震臺(tái)為本研究提供的水庫水位數(shù)據(jù)。

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Study on Temporal Variation of VP/Vsin Xinfengjiang Area of Guangdong Province

WANG Xiao-na, LIU Jin

（Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangdong Guangzhou 510070, China）

Based on Pg and Sg wave phases data recorded by 14 stations around Xinfengjiang reservoir of Guangdong province from June,2007 to February,2017, this paper does study on temporal variation ofVP/Vsusing Wadati method. The result shows that theVP/Vsvariation shows deline-low value-recoverearthquake phenomenon before 3 earthquakes of Xinfengjiang earthquakes with magnitude larger thanML4.0 in the study period. Water level, seismic frequency andVP/Vsall show segmented feature, the seismic frequency lags behind water level, theVP/Vslags behind seismic frequency. In the early stage of Xinfengjiang reservoir, theVP/VsS is mainly affected by seepage effect and tectonic stress, while in the late stage of Xinfengjiang reservoir, theVP/Vsis mainly affected by tectonic stress and confining pressure variation caused by water level variation. The Xinfengjiang reservoir is discharged beforeML5.2 earthquake andML5.1 earthquake, while the reservoir is impounded beforeML4.2 earthquake, which may show that the confining pressure variation caused by water level variation have limited effect onVP/Vs,the tectonic stress is the major factor of the earthquakes occurrence.

Xinfengjiang; Wadati method of single station and multi-earthquake;VP/Vs; segmented feature; seepage effect; tectonic stress