2018年云南通海5.0級地震前波速比變化特征*

劉自鳳，張?zhí)炖^，付 虹，李智蓉，王光明，趙小艷，余達(dá)遠(yuǎn)

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.玉溪市防震減災(zāi)局，云南 玉溪 653100)

0 引言

在地殼演化的過程中，介質(zhì)的物性將產(chǎn)生一系列變化，如微破裂、擴容、塑性硬化及相變等，地震波通過地殼介質(zhì)時，波速也會相應(yīng)發(fā)生變化，這是利用波速比研究介質(zhì)物性的重要依據(jù)(馮德益，1981)。我國老一輩地震學(xué)者在這方面做了大量工作，對大量中強地震前后波速比的變化特征作了較為系統(tǒng)的分析(馮德益等，1974，1978)?！笆濉睌?shù)字化測震臺網(wǎng)運行以來，數(shù)字地震觀測儀器的有效改進(jìn)、臺站布局的合理改善和布設(shè)密度的優(yōu)化，積累了大量震相資料，觀測精度也得到大幅提高，這些條件保證了利用數(shù)字地震資料分析中強地震前后波速變化的可靠性。很多學(xué)者使用這些高精度數(shù)據(jù)進(jìn)行了波速比研究，黎明曉和劉杰(2006)利用多臺法計算了2000年姚安6.5級、2001年施甸5級、2001年永勝6.0級、2003年大姚6.2和6.1級4個地震序列的波速比，發(fā)現(xiàn)在主震發(fā)生后、強余震發(fā)生前波速比出現(xiàn)趨勢性下降；王林瑛等(2008)關(guān)于文安和唐山附近地區(qū)地震波速比的計算結(jié)果表明，震前波速比異常的演化過程為正?！档汀謴?fù)—發(fā)震；鄒振軒等(2006)在水庫地震前也監(jiān)測到同樣的變化形態(tài)，即波速比存在下降—回升—發(fā)震的發(fā)展過程。不同學(xué)者通過研究不同區(qū)域中強地震前后、地震序列強余震前和水庫地震波速比變化特征，對震前存在波速異常予以了肯定。但這些研究主要是使用單震多臺和達(dá)法開展的，得到的波速比是較大范圍地震的平均結(jié)果，求取了平均，因此可能會弱化小區(qū)域的局部波速比異常，從而降低空間分辨率。

為提高波速比空間分布特征的空間分辨率，不少學(xué)者開始采用單臺多震和達(dá)法研究特定區(qū)域的臺站波速。李艷娥等(2014)利用該方法研究了汶川地區(qū)自2001年以來波速比變化特征，發(fā)現(xiàn)汶川地震前波速比顯著變化的臺站基本分布在孕震區(qū)范圍內(nèi)；王林瑛等(2014)研究結(jié)果表明，蘆山MS7.0地震前部分臺站也隨時間變化出現(xiàn)了波速比低值異?，F(xiàn)象；翁釗強等(2015)提出2010年以來山西3次MS≥4.5地震前遠(yuǎn)臺波速比異常出現(xiàn)時間較早，而近臺波速比異常出現(xiàn)時間相對較晚，因此可通過遠(yuǎn)臺、近臺所圍限的范圍來縮小地震預(yù)測地點。上述研究結(jié)果為研究震前震源區(qū)是否存在地殼介質(zhì)的顯著時空變化提供了有利證據(jù)。

2018年8月13，14日在云南省玉溪市通?？h先后發(fā)生2次5.0級地震，為了研究地震前震源區(qū)臺站波速比是否出現(xiàn)異常，異常如何演化，筆者利用云南數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的2011年1月1日至2018年7月31日ML≥2.0地震震相到時數(shù)據(jù)，采用單臺多震和達(dá)法計算震中附近臺站的波速比，分析地震前波速比的時空演化特征。

1 研究方法

日本地震學(xué)家Watati(1928)提出了波速比計算方法(傅征祥，程燕，1988)。即在假定震源區(qū)到地表介質(zhì)為理想均勻彈性的條件下，對于理想的均勻彈性介質(zhì)，縱波波速vP和橫波波速vS與介質(zhì)泊松比σ、楊氏模量E和介質(zhì)密度ρ之間的關(guān)系為(李善邦，1981)：

(1)

(2)

(3)

式中：波速比vP/vS為介質(zhì)的泊松比的函數(shù)，反映的是地殼上層介質(zhì)泊松比的變化。

利用震相報告獲得直達(dá)波到時數(shù)據(jù)，計算出P波走時和P波、S波到時差，再根據(jù)它們的線性關(guān)系得到的vP/vS，見式(4)，根據(jù)式(5)計算得出線性相關(guān)系數(shù)R，根據(jù)式(6)估算誤差γ。

(4)

(5)

(i=1，…，n)

(6)

(7)

式中：TPi為P波走時；TSi為S波走時；ΔTi=TSi-TPi；Di為震中距；n為每個地震到時數(shù)據(jù)個數(shù)；T0為發(fā)震時刻。

為了盡量減小每次參與計算的地震震中位置的不穩(wěn)定性、時間服務(wù)的不穩(wěn)定性和精度對計算結(jié)果穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響，本研究設(shè)置約束條件為：到時數(shù)據(jù)個數(shù)取50；TS-P≤12 s；相關(guān)系數(shù)R≥0.95；誤差γ≤0.05；震中距≤100 km。在研究vP/vS的時間變化特征時，為了降低路徑差異和分布不均勻的射線對計算結(jié)果的影響，本研究對計算結(jié)果進(jìn)行10個地震滑動平均處理，這樣每次滑動平均所參與計算的震相數(shù)據(jù)大量增加，可有效地提高vP/vS隨時間變化特征的穩(wěn)定性和可靠性。

2 資料選取及預(yù)處理

本文通過全國編目網(wǎng)收集了云南地區(qū)(20°～30°N，97°～106°E)2011年1月1日至2018年7月31日(即測震臺網(wǎng)“十五”數(shù)字化改造且運行基本穩(wěn)定后)19 946次ML≥2.0地震的正式觀測報告。進(jìn)行初步挑選(挑選原則為只保留至少被4個臺站記錄到的地震)，最后得到18 340次地震的到時數(shù)據(jù)，震中分布如圖1a所示。經(jīng)過臺網(wǎng)改造，包括川滇交界的部分臺站，臺站數(shù)增至56個(表1)，這使得定位結(jié)果更加可靠，走時數(shù)據(jù)精度提高。震中距≤100 km地震的P波和S波走時曲線如圖1b所示，剔除了顯著離散的少量震相數(shù)據(jù)后，P波、S波走時曲線易于分辨且震相離散度小，這表明研究采用的震相數(shù)據(jù)精確性較高，確保了波速比變化結(jié)果的可靠性。

利用預(yù)處理后震相數(shù)據(jù)，采用單臺多震和達(dá)法計算滿足約束條件(到時數(shù)據(jù)個數(shù)取50；TS-P≤12 s；相關(guān)系數(shù)R≥0.95；誤差γ≤0.05；震中距≤100 km)地震的波速比。由于XUW，LOP，GOS，F(xiàn)UN和KMI臺附近地震較少、滿足計算條件的地震更少等原因，計算出的波速比不可用，故本文共計算了其它51個臺站2011年1月1日至2017年12月31日(下稱Ⅰ時段)和2011年1月1日至2018年7月31日(下稱Ⅱ時段)2個時段的波速比。研究中波速比高于+1倍方差線或略低于+1倍方差線稱高值；相反，低于-1倍方差線或略高于-1倍方差線稱低值。

序號臺站名臺站代碼序號臺站名臺站代碼序號臺站名臺站代碼序號臺站名臺站代碼1黑龍?zhí)禜LT15團(tuán)山TUS29宣威XUW43華坪HUP2通海TOH16保山BAS30大姚DAY44富寧FUN3彌勒MIL17云縣YUX31羅平LOP45勐臘MLA4馬龍MAL18景洪JIH32麻栗坡MLP46孟連MEL5易門YIM19中甸ZOD33金平JIP47昆明KMI6祿勸LUQ20畹町WAD34建水JIS48鎮(zhèn)沅ZHY7楚雄CUX21文山WES35元江YUJ49箐口QKT8永勝YOS22昭通ZAT36景谷JIG50熱海RHT9麗江LIJ23個舊GEJ37瀾滄LAC51新華XHT10云龍YUL24洱源EYA38臨滄LIC52寧蒗NIL11鶴慶HEQ25騰沖TNC39永德YOD53瀘沽湖LGH12東川DOC26元謀YUM40芒市MAS54鄉(xiāng)城XCE13滄源CAY27鹽津YAJ41瀘水LUS55鹽源YYU14思茅SIM28巧家QIJ42貢山GOS56雷波LBO

3 波速比特征分析

3.1 空間分布特征

本文分別利用Ⅰ，Ⅱ時段ML≥2.0地震震相數(shù)據(jù)計算51個臺站的波速比，并分析高波速比和低波速比臺站的空間分布特征。從短期來看，2017年年底云南地區(qū)低波速比臺站共有13個，分別為LGH，NIL，BAS，RHT，XHT，YOD，LIC，CAY，SIM，MLA，WES，YIM和CUX臺，高波速比臺站有7個，分別為YYU、YOS、MIL、TOH、JIS、YUJ和GEJ臺(圖2a)。圖2a顯示，這20個臺站主要在滇西北川滇交界、滇南和小滇西—滇西南地區(qū)，其中低波速比臺站在瀾滄江斷裂以西的小滇西—滇西南地區(qū)呈帶狀分布，而高波速比臺站則集中分布在玉溪市和紅河州交界地區(qū)(此次地震震中附近)；2018年7月底低波速比臺站減少至8個，分別為YUL、TUS、XHT、LIC、SIM、ZHY、YIM和QIJ臺，這8個臺站分布地區(qū)較廣，在大理、德宏、臨滄和普洱等地區(qū)均有分布，而高波速比臺站數(shù)量無變化，且依然集中分布在滇南地區(qū)(圖2b)。

2018年通海2次5.0級地震發(fā)生在短期內(nèi)高波速比臺站相對集中的滇南地區(qū)，以往關(guān)于解釋震前波速異常的模式很多，“擴容-進(jìn)水”的DD模式機制可解釋在波速上所表現(xiàn)出明顯的降低—上升—發(fā)震的異常過程。波速在干燥裂隙的環(huán)境下，隨裂隙密度的增加而減小，在水飽和裂隙的情況下卻隨之增加而增大(馮德益，1981)。孕震過程中，隨著應(yīng)力增加，介質(zhì)密度隨之增加，微裂隙也在斷裂帶附近逐漸發(fā)育和集中，微裂隙擴容后地下流體的滲入，為最終的破裂解鎖創(chuàng)造有利條件(王林瑛等，2009)。據(jù)此分析認(rèn)為，通海地震前短時間內(nèi)波速比以高值變化為主要特征可能是因為此次地震孕育過程后期有流體滲入，流體的參與使微裂隙達(dá)到了水飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致波速比vP/vS變大?？梢姡ㄋ俦认陆怠厣蟮母咧底兓瘏^(qū)域應(yīng)該引起關(guān)注。

3.2 時間變化特征

分析高、低波速比臺站數(shù)變化情況和空間分布特征可知，滇南地區(qū)波速比高值臺站較為集中，為了詳細(xì)分析地震前波速比的時間演化特征，本文給出了2011年1月1日至2018年7月31日震中附近6個臺站的波速比時序圖(圖3)。

由圖3可見，震前較短時間內(nèi)僅YIM臺的波速比下降，其余5個臺站均表現(xiàn)為高值變化，其中TOH，JIS，MIL和GEJ臺波速比均高于+1倍方差線，YUJ臺在+1倍方差線附近波動。這似乎與已有的研究結(jié)果相悖，因為強震前波速比存在下降現(xiàn)象在以往震例中已得到較好驗證(鄒振軒等，2006；王林瑛等，2008，2014；李艷娥等，2014)，且部分強余震發(fā)生前波速比也會迅速下降(黎明曉，劉杰，2006)。但從長期來看，此次地震前TOH，JIS，YUJ和GEJ臺的波速比表現(xiàn)出下降—低值變化—回升—高值變化—發(fā)震的演化過程，與已有研究結(jié)果是相吻合的。TOH臺波速比于2015年年初開始下降并達(dá)低值，2015年年中開始持續(xù)回升，2017年下半年達(dá)高值；JIS臺波速比于2013年年底開始下降，2014年年初低于-1倍方差線后回升，2014年年中至2016年年初一直在均值附近波動，2016年年中以來在+1倍方差線附近變化；YUJ臺波速比于2013年年中開始持續(xù)下降，2014年年中達(dá)低值后開始回升，2016年年底達(dá)高值并在+1倍方差線附近波動；GEJ臺波速比于2012年年中開始緩慢下降，2014年年初達(dá)-1倍方差線，2015年年中開始回升，2016年以來以高值變化為主要特征。從這4個臺發(fā)生轉(zhuǎn)折變化的時間不難看出，距離震中較近的TOH臺波速比開始下降、回升和達(dá)到高值的時間都要晚于稍遠(yuǎn)的JIS，YUJ和GEJ臺。翁釗強等(2015)分析了2010年以來山西地區(qū)3次MS≥4.5地震前波速比變化特征得到了震前波速比出現(xiàn)下降變化，且遠(yuǎn)臺波速比異常出現(xiàn)時間較早，而近臺波速比異常出現(xiàn)時間相對較晚的結(jié)論。

為了回溯云南地區(qū)MS≥5.0地震前波速比的變化特征，筆者對2013年以來云南省內(nèi)10組14次MS≥5.0地震前震中100 km范圍內(nèi)臺站的波速比變化進(jìn)行了詳細(xì)梳理，結(jié)果見表2。由于2013年香格里拉地震震中100 km范圍內(nèi)僅有中甸臺，且符合約束條件的地震較少，在此不做討論。另外9組地震前，震中附近臺站波速比都出現(xiàn)過下降現(xiàn)象，但地震發(fā)生時段存在較大差異，有的在波速比下降過程中發(fā)生地震，有的在下降后回升過程中發(fā)震，也有在下降后回升至高值水平才發(fā)震的。通海地震前震中附近有4個臺站波速比經(jīng)歷了下降—回升—高值的演化過程?；厮莸?組震例中(表2)，震中附近也有臺站的波速比在震前短時間內(nèi)回升至高值。如2013年洱源地震前YUL和TUS臺、2014年永善5.0級地震和2014年魯?shù)榈卣鹎癥AJ臺、2014年景谷地震前JIG和LIC臺、2015年滄源地震前YOD臺、2015年昌寧地震前LUS和BAS臺、2016年云龍地震前YUL臺、2017年漾濞地震前YUL和BAS臺的波速比都在震前短時間內(nèi)上升，并達(dá)到了+1倍方差線或在其附近波動。

表2 2013年以來云南MS≥5.0地震前震中100 km范圍內(nèi)臺站波速比變化特征統(tǒng)計表

蔡靜觀等(1999)對云南地區(qū)第4強震活躍期6.3級以上強震前波速比異常圖像進(jìn)行了動態(tài)追蹤，發(fā)現(xiàn)波速比存在明顯的南北差異，具體表現(xiàn)為滇西南和中緬交界處的4組地震前波速比出現(xiàn)低值異常，而滇西北和滇東的3組地震前震源區(qū)以高值異常為主。分析表2發(fā)現(xiàn)，2013年以來云南地區(qū)MS≥5.0地震前震中附近臺站的波速比也表現(xiàn)出類似特征，滇西北和滇東地區(qū)的地震前波速比從高值開始轉(zhuǎn)折下降或已從低值回升至高值狀態(tài)的臺站居多，而小滇西—滇西南地區(qū)的地震前多數(shù)臺站的波速比以下降后轉(zhuǎn)折回升為主要特征。

3.3 波速比變化量分析

為了研究通海地震前較短時間內(nèi)波速比的變化特征，筆者計算了2018年1—7月51個臺站的波速比均值變化量△vP/vS，空間分布如圖4a所示，該時段波速比變化量在滇南的曲靖、昆明和玉溪交界地區(qū)和滇西的大理、怒江和保山交界地區(qū)顯著升高，在紅河地區(qū)和楚雄—臨滄一帶則表現(xiàn)為波速比降低。圖4a顯示2018年8月13日，14日通海2次5.0級地震發(fā)生在2018年1—7月波速比正變化區(qū)域邊緣，毗鄰楚雄—臨滄一帶和紅河地區(qū)波速比降低區(qū)域，可見此次地震發(fā)生在波速比正負(fù)變化區(qū)域的過渡地帶，且震源區(qū)震前波速比變化較劇烈。楊志高和張雪梅(2016)研究震源區(qū)的地殼厚度和波速比特征時得到相同結(jié)論，1927年甘肅古浪大地震和2016年門源地震就發(fā)生在泊松比變化強烈且偏向于低泊松比區(qū)域。

本文分別計算了2014，2015和2016年波速比均值年變化量，計算結(jié)果見圖4b～d。2015年昌寧MS5.1和滄源MS5.5地震發(fā)生在2014年波速比均值正負(fù)變化的交界地區(qū)；2016年云龍MS5.0地震發(fā)生在2015年波速比均值降低的滇西北地區(qū)；2017年漾濞MS5.1地震發(fā)生在波速比均值年變化量正、負(fù)變化區(qū)域之間。綜上，2015年以來4次MS≥5.0地震的震中均位于波速比均值降低或正負(fù)變化交界地區(qū)，此次地震也遵從了上述規(guī)律。

4 計算結(jié)果可靠性分析

影響波速計算精度的主要因素有：直達(dá)P波和S波的到時判讀精度、參與擬合的臺站個數(shù)、地震定位精度。為了盡量減小上述因素對計算結(jié)果的影響，在保證計算樣本量的基礎(chǔ)上，設(shè)置了較為嚴(yán)苛的約束條件，即：到時數(shù)據(jù)個數(shù)取50；TS-P≤12 s；相關(guān)系數(shù)R≥0.95；誤差γ≤0.05；震中距≤100 km。

本文選擇2011年1月1日至2018年7月31日的震相數(shù)據(jù)，在計算前對震相數(shù)據(jù)作了預(yù)處理，挑選至少被4個臺站記錄到的地震參與計算，初步剔除了走時數(shù)據(jù)離散度較大的地震。由于云南水系較為豐富(展布有金沙江、怒江、瀾滄江、元江和南盤江等)，波速比受地下流體影響較大，為了盡量減小河流對波速比的影響，計算時對TS-P和震中距的限制較為嚴(yán)格，分別設(shè)置了12 s和100 km的界限。在TS-P≤12 s的情況下，一方面可基本保證波形具有較高的清晰度，便于精確判讀，判讀精度一般在0.02 s以內(nèi)；另一方面選取范圍相對有限，每個地震計算出的波速比基本代表了距地震震中半徑 100 km范圍內(nèi)地下介質(zhì)的平均物性，能弱化一些客觀因素造成的顯著隨機變化。

在分析vP/vS值的時間變化特征時，為了降低路徑差異和射線不均勻分布對計算結(jié)果的影響，本文采取10個地震滑動平均處理，這樣每次滑動平均所參與計算的震相數(shù)據(jù)大量增加，能有效地提高vP/vS值隨時間變化特征的穩(wěn)定性和可靠性。

綜上，經(jīng)過挑選后的震相數(shù)據(jù)在較為嚴(yán)苛的約束條件下平滑處理得到的結(jié)果誤差小、相關(guān)系數(shù)大，具有較好可靠性和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論與討論

采用2011年1月1日至2018年7月31日云南地震臺網(wǎng)提供的ML≥2.0地震的震相到時數(shù)據(jù)，利用單臺多震和達(dá)法計算了51個臺站2011年1月至2017年12月和2011年1月至2018年7月2個時段的平均波速比和均值變化量，分析了2018年8月13，14日通海2次5.0級地震前波速比時空演化特征。主要得出如下結(jié)論：

(1)從近期變化趨勢來看，地震前震中附近6個臺站中有5個呈高值變化，但從長期變化來分析，5個高值臺站中有4個臺站(TOH，JIS，YUJ和GEJ)經(jīng)歷了下降—回升—高值—發(fā)震的變化過程。通過分析歷史震例，發(fā)現(xiàn)2013年以來云南省內(nèi)9組震例前震中附近都有臺站的波速比呈現(xiàn)類似變化趨勢，這與已有研究結(jié)果也相一致(黎明曉，2006；鄒振軒等，2006；王林瑛等，2008，2014；李艷娥等，2014)。波速比下降是由于孕震過程中震源區(qū)應(yīng)力積累導(dǎo)致微裂隙增加從而引起vp降低造成的，而回升至高值的階段則可解釋為在孕震過程的后期，隨著微裂隙擴容后地下流體的滲入使微裂隙達(dá)到了水飽和狀態(tài)引起S波速度降低，從而導(dǎo)致波速比vP/vS變大?？梢姡ㄋ俦认陆祷厣蟮母咧底兓瘏^(qū)域也應(yīng)該引起關(guān)注。

(2)從震前變化趨勢較為一致的4個臺站波速比發(fā)生轉(zhuǎn)折變化的時間看出，距離震中較近的TOH臺波速比開始下降、回升和達(dá)到高值的時間都要晚于稍遠(yuǎn)的JIS，YUJ和GEJ臺，可見異常出現(xiàn)時間的早晚與震中距有一定關(guān)系。

(3)2015—2017年云南4次MS5.0地震的震中均位于一年波速比均值降低或正負(fù)變化交界地區(qū)，此次通海地震也遵從了上述規(guī)律，震中在2018年1—7月波速比升高(曲靖、昆明和玉溪交界處)和降低區(qū)域(楚雄—臨滄一帶、文山地區(qū))的交匯地帶。但由于資料限制，可分析的震例少，此規(guī)律還需要積累更多震例加以驗證。

本文數(shù)據(jù)處理運用了中國地震局地球物理研究所王林瑛研究員等編寫的計算程序，研究過程中得到付虹研究員的耐心指導(dǎo)，在此表示衷心感謝。