南京及鄰區(qū)數(shù)字地震波速比變化特征分析

侯躍偉，楊 云，鄭建華

(1.南京市地震監(jiān)測預(yù)警中心，江蘇 南京 210019；2.江蘇省地震局，江蘇 南京 210014；3.南京市地震局，江蘇 南京 210019)

0 引言

波速是地震波的一種運(yùn)動特性。地震發(fā)生前，孕震區(qū)內(nèi)巖石的波速可能出現(xiàn)某種變化，通常稱為波速異常[1]。地震波速度和波速比的變化在一定程度上反映了地下巖石狀態(tài)的變化，巖石破裂試驗(yàn)證明了在破裂孕育過程中主斷裂面上縱波速度形態(tài)的變化。通過對波速比變化的時間、幅度、形態(tài)的研究，可以找出波速比異常與地震序列的對應(yīng)關(guān)系。對于探索地震預(yù)報(bào)途徑和震源孕育過程來說，研究波速異常具有重要意義。

國外對地震前波速比的測定與研究起源于20世紀(jì)20年代，在理論和實(shí)踐上都取得了較大的進(jìn)展。1956年,宮本貞夫發(fā)表了福井7.2級大地震前在震中距400～600km上的首波走時異常達(dá)到±2～3秒的觀測結(jié)果,第一次觀測到大地震前的波速異?，F(xiàn)象[1]。20世紀(jì)70年代蘇聯(lián)、美國等國家也相繼發(fā)現(xiàn)了許多地震前的波速異常，并提出用 DD 模式解釋波速異常。近幾年來，隨著數(shù)字地震觀測儀器的改進(jìn)、臺站布局的改善和臺站密度的增加，以及震相資料的不斷積累和觀測精度的提高，國內(nèi)學(xué)者在中強(qiáng)地震研究領(lǐng)域開展了大量工作并取得了一系列成果，如馮德益[1]系統(tǒng)地研究了中國西部部分強(qiáng)震、中強(qiáng)震前波速比變化特征。隗永剛等[2]利用蘆山7.0地震震中周邊臺站近震資料進(jìn)行了波速比分析，發(fā)現(xiàn)長達(dá)兩年明顯的波速低值異?，F(xiàn)象；李艷娥等[3]采用單臺多震和達(dá)法對汶川MS8.0地震前波速比的時空變化進(jìn)行了分析；岳曉媛等[4]選用首都圈測震臺網(wǎng)觀測報(bào)告，采用多臺和達(dá)法計(jì)算首都圈波速比值時空變化特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在中強(qiáng)地震前，出現(xiàn)了多次波速比低值異常。此外，在水庫地震波速比[5]、區(qū)域地震波速比方面也開展了廣泛研究[6-10]。本文采用單臺多震和單震多臺方法，對2010年1月—2017年9月南京及鄰區(qū)(30.5°～33°N，117.5°～120°E)波速比時空趨勢變化特征進(jìn)行分析。

1 波速比原理和計(jì)算方法

根據(jù)彈性地震波理論，假設(shè)所選研究區(qū)域?yàn)槔硐氲木鶆驈椥越橘|(zhì)，以多臺記錄到的近震直達(dá)P、S波到時計(jì)算波速比，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Vp為縱波速度，Vs為橫波速度，σ為泊松比，E為楊氏模量，ρ為介質(zhì)密度。式(3)中可見，波速比隨泊松比σ的增大而增大。

根據(jù)P波走時和P、S波到時差的線性關(guān)系得到γ0波速比值：

(6)

線性相關(guān)系數(shù)R為:

(5)

計(jì)算誤差S為：

(6)

縱波理論與時間到時差：

(7)

式中:tpi為縱波到時，Tsi為橫波到時，ΔTi為縱波與橫波到時差，T0為發(fā)震時刻。對于理想液體和氣體，Vs=0，波速比γ=∞，泊松比σ=0.5。對于地殼巖石，波速比γ=1.63～1.87，泊松比σ=0.2 ～ 0.3。

2 資料選取及計(jì)算

自2009年南京市實(shí)施《南京市數(shù)字地震前兆臺網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目》以來，對轄區(qū)內(nèi)六合臺(JSLH)、浦口臺(JSPK)、江寧臺(JSJN)、溧水臺(JSLIS)和高淳臺(JSGC)進(jìn)行了數(shù)字化改造，通過專用光纖線路將全部數(shù)字地震觀測數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)角罢着_網(wǎng)中心，數(shù)據(jù)采樣達(dá)到分鐘采樣或秒采樣，實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的實(shí)時監(jiān)控，使南京市現(xiàn)有的測震觀測項(xiàng)目100%實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國家地震臺站觀測技術(shù)規(guī)范要求。為了使數(shù)據(jù)更加全面可對比，加入了省屬南京臺(JSNJ2)數(shù)據(jù)，搜集整理了2010年1月—2017年9月6個臺站震相觀測報(bào)告，分析計(jì)算南京及鄰區(qū)(30.5°～33°N，117.5°～120°E)波速比時空變化特征。

本文地震目錄從國家地震臺網(wǎng)中心下載，對轄區(qū)內(nèi)震中距小于等于150km(tSg-Pg≈17.8s)范圍內(nèi)、定位精度Ⅰ類或Ⅱ類(根據(jù)監(jiān)控能力)的臺站資料進(jìn)行整理和分析，圖1是南京及鄰區(qū)2010—2017年地震震中及臺站分布圖。由圖1可知，2010—2017年南京地區(qū)地震以4級以下小震為主，地震頻度相對一般，其中3～4級地震10次，圖2給出了地震叢發(fā)區(qū)的地震射線分布。

圖1 2010年1月-2017年9月南京及鄰區(qū)地震震中及臺站分布圖Fig.1 Distributon of earthquakes from Jan.，2010 to Sep.，2017 and stations in Nanjing and its adjacent area

圖2 南京市地震臺站及射線分布Fig.2 Distribution of stations and ray coverage in Nanjing area

3 單臺多震波速比計(jì)算結(jié)果

單臺多震和達(dá)法是單臺記錄到的多個地震事件的平均波速比。該方法的優(yōu)點(diǎn)是利用一個臺站不同時間記錄的震相數(shù)據(jù)，在地震時空分布相對均勻和穩(wěn)定的情況下，計(jì)算出的平均波速比和波速值穩(wěn)定性較高，可在一定程度上提高結(jié)果的空間分辨能力，利用近距離分布的多個臺站的波速比和波速的時間變化的同步性或準(zhǔn)同步性，可有效提高計(jì)算結(jié)果的客觀性和可靠性[10]，該方法在中小地震頻發(fā)和臺站分布相對密集的地區(qū)應(yīng)用較為有效[11]。計(jì)算思路如下：

(1)挑選震中距Δ≤150km(tSg-Pg≈17.8s)、定位精度Ⅰ類或Ⅱ類(根據(jù)監(jiān)控能力)的資料；

(2)對直達(dá)Pg波，速度滿足5.0

(3)對指定時窗內(nèi)的Pg和Sg走時隨震源距的變化分別進(jìn)行線性擬合，去除擬合殘差≥2倍標(biāo)準(zhǔn)差的觀測數(shù)據(jù)；

(4)對符合上述條件的地震進(jìn)行空間均勻化分布分析。將震中距平均分為N等分，每個震中距范圍內(nèi)的所有地震用一個震源距重心和走時重心來表示，通過對N個震源距重心和走時重心點(diǎn)進(jìn)行直線擬合得到地震波速度值。若地震空間分布不合理，局部震中距范圍內(nèi)無地震發(fā)生段落超過一定比例，則認(rèn)為不滿足計(jì)算波速比的條件；

(5)選擇時窗24個月的窗口，逐月滑動時間窗，計(jì)算得到波速比r隨時間的變化。

表1是2010年1月—2017年9月6個臺站波速比平均值等參數(shù)表，溧水臺背景值最低，南京臺(JSNJ2)背景值最高。2010年1月—2017年9月各臺站最低值出現(xiàn)時間不同，其中六合臺、江寧臺和南京臺波速比最低值出現(xiàn)在2016年；浦口、溧水、和高淳臺波速比最低值出現(xiàn)在2011年；最低值為浦口臺1.6340，最高值為南京臺1.7007。

表1 波速比平均值等參數(shù)表

2016年1月27日，江蘇南京發(fā)生ML2.9地震，南京市部分地區(qū)有感。此后2月6日-26日，南京六合區(qū)與揚(yáng)州儀征交界地區(qū)發(fā)生一次小規(guī)模的震群(南京小震群)，最大地震為2月26日ML1.8地震；圖3是2010年1月—2017年9月6個臺站波速比隨時間曲線變化圖，結(jié)果表明：

(1)六合臺在這2次地震事件之前2年，波速比一直處于低值水平波動(低于平均值1.7090)；2015年5月17日，六合臺附近發(fā)生安徽天長ML3.6地震，六合臺波速比在2015年5月左右達(dá)到近7年最低值1.6588，然后在一段時間內(nèi)保持在低值附近波動，波速比回升后發(fā)生主震。

(2)浦口和江寧臺在2次地震事件前2年內(nèi)出現(xiàn)2次低值區(qū)，在2015年5月左右第二次低值區(qū)出現(xiàn)后，2個臺站波速比均直線回升，然后發(fā)生地震。江寧臺波速比值均處于低值水平波動。

(3)溧水和高淳臺波速比最低值出現(xiàn)在2011年，2012年5月22日，溧水、高淳臺周邊發(fā)生江蘇溧陽ML3.4地震。

(4)南京臺在2次地震前2年波速比在均值附近波動，然后出現(xiàn)下降→小幅度上升→然后下降過程，之后在回升過程中發(fā)生地震。

大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對于同樣物性的巖石，波速隨密度的增大而增大。由于密度與孔隙度有關(guān)，孔隙度也是影響波速變化的因素之一。無論是干孔隙巖石還是液體飽和孔隙巖石，VP和VS均隨孔隙度的增大而線性下降，干巖石較濕巖石波速下降更快。巖石樣品破裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果：在巖石受壓初期，波速隨壓力增大而增加，但在巖石破裂前，當(dāng)壓力超過巖石強(qiáng)度的50%左右以后，波速隨壓力的增大而明顯下降，巖石結(jié)構(gòu)出現(xiàn)微裂隙，伴之體積膨漲或稱出現(xiàn)“擴(kuò)容”現(xiàn)象[1]，因而各臺站波速比出現(xiàn)不同的變化特征。

圖3 各臺站波速比時間曲線變化圖(2010年1月—2017年9月)Fig.3 The wave velocity ratios of each stations (from Jan.，2010 to Sep.，2017)

從地理空間變化來看，2次地震事件中，六合、江寧和南京臺波速比在地震發(fā)生前2年大幅度下降，然后在一段時間內(nèi)保持在低值附近波動，波速比回升后發(fā)生主震。浦口、溧水和高淳臺在波速比下降區(qū)發(fā)生地震，變化趨勢不明顯。

圖4反映了2016年2次地震前2年及震后1年南京地區(qū)波速比空間分布。結(jié)果表明，2次地震發(fā)生前2年(2014—2016年)(圖4a)，震區(qū)附近出現(xiàn)明顯的波速比低值異常區(qū)，高低值變化顯著。震后1年(圖4b)波速比空間分布的差異性明顯減弱，整個區(qū)域的波速比值較均勻，高、低值的異常區(qū)不顯著。

圖4 2016年兩次地震前2年(a)和地震后1年(b)南京地區(qū)波速比變化圖Fig.4 Distribution map of the average wave velocity ratio before (a) and after (b) two earthquakes in 2016

4 單震多臺波速比計(jì)算結(jié)果分析

單震多臺和達(dá)法為一次地震事件多臺記錄的平均波速比，表征地震發(fā)生時刻一定范圍內(nèi)的平均波速比。其優(yōu)點(diǎn)是由地震發(fā)生的時間控制波速比測定的時間，地震發(fā)生越集中，有震相記錄的臺站越多，則波速比計(jì)算精度和穩(wěn)定性越好[6]。一個地震被多個臺站記錄，反映的是這個地震和記錄到這個地震的臺站所包圍區(qū)域的波速比情況，地震的發(fā)生時刻比較清楚，所以在做分析的時候，更容易確定什么時間段波速比發(fā)生了變化；但是地震地點(diǎn)比較隨機(jī)，因此空間上不太容易把握，此方法的約束條件：(1)挑選震相精選:δtp≤1.0；(2)選擇誤差S≤0.05；(3)選取相關(guān)系R≥0.99；(4)臺站個數(shù):Ns≥4；(5)Ts-p≤23s。

圖5是2010年1月—2017年9月南京及鄰區(qū)(30.5°～33°N，117.5°～120°E)波速比時間變化進(jìn)程圖，結(jié)果表明：南京及鄰區(qū)波速比隨時間變化基本較穩(wěn)定，2016年江蘇南京ML2.9地震和南京ML1.8前2年半左右出現(xiàn)2次波速比低值：第一次低值出現(xiàn)在2013年7月，持續(xù)時間約半年左右；第二次波速比低值出現(xiàn)在震前半年內(nèi)，然后發(fā)震。這與圖2中六合、江寧和南京臺反映的情況一致。

圖5 南京及鄰區(qū)波速比時間進(jìn)程圖Fig.5 Time course diagram of the wave velocity ratio of Nanjing area

5 結(jié)論

利用單臺多震波速比和單震多臺波速比對南京及鄰區(qū)波速比進(jìn)行分析，結(jié)果表明：

(1)單臺多震波速比計(jì)算結(jié)果顯示：2016年江蘇南京ML2.9地震和南京ML1.8小震群前，南京區(qū)域6個臺站波速比變化不同。六合、江寧和南京臺波速比在地震發(fā)生前2年，波速比大幅度下降，然后在一段時間內(nèi)保持在低值附近波動，波速比回升后，發(fā)生主震。浦口、溧水和高淳臺在波速比下降區(qū)發(fā)生地震，變化趨勢不明顯。

(2)2次地震前、后波速比空間分布的差異性明顯，區(qū)域內(nèi)的波速比值不均勻，高、低值的異常區(qū)顯著。

(3)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)[10]。本文所用數(shù)據(jù)取自2009 年以后，未采用此前模擬記錄的地震數(shù)據(jù)，因此不能較完整地展現(xiàn)有地震記錄以來南京及鄰區(qū)波速比的變化情況，且研究區(qū)地震樣本少，震級低和分布不均等客觀因素對波速比計(jì)算精度等具有一定的影響。

致謝:本文使用了劉希強(qiáng)老師和王林瑛老師的波速比計(jì)算程序，江蘇省地震局王維和廣東省地震局王小娜博士在繪圖方面提供了指導(dǎo)，在此一并致謝。