利用背景噪聲研究通海5.0級(jí)、墨江5.9級(jí)地震震源區(qū)波速變化

楊建文 葉泵 高瓊 王軍 陳佳

摘要：利用2017年1月31日-2019年12月1日云南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的寬頻帶連續(xù)波形資料，基于背景噪聲互相關(guān)方法，提取了14個(gè)臺(tái)站對(duì)當(dāng)天經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)與參考經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的直達(dá)瑞利波走時(shí)偏移來(lái)研究2018年通海5.0級(jí)、墨江5.9級(jí)地震震源區(qū)的波速變化特征。結(jié)果表明，通海5.0級(jí)和墨江5.9級(jí)地震都在一定程度上造成了震源區(qū)地殼介質(zhì)速度的變化。地震發(fā)生前后，穿過(guò)地震震中和震中附近的部分臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移在地震發(fā)生前的20余天表現(xiàn)出明顯的異常特征，且短期內(nèi)走時(shí)變化具有較好的同步性，但異常幅度大小和異常持續(xù)時(shí)間存在一定差異，異常臺(tái)站對(duì)走時(shí)偏移變化形態(tài)為“V”或雙“V”型結(jié)構(gòu)，兩次地震都發(fā)生在了第1個(gè)“V”型的前端。多臺(tái)站對(duì)組合的平均走時(shí)偏移結(jié)果顯示，兩次地震造成的震源區(qū)波速的異常持續(xù)時(shí)間大概都為260d（通海地震略長(zhǎng)于墨江地震），但墨江地震造成的最初的走時(shí)偏移變化量和持續(xù)時(shí)間均高于通海地震。

關(guān)鍵詞：背景噪聲;波形互相關(guān);經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù);波速變化

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.3??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2021）04-0529-12

0引言

地震的孕育和發(fā)生往往伴隨著地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而引起地震波速的變化，監(jiān)測(cè)這種波速變化，對(duì)地震預(yù)測(cè)以及余震趨勢(shì)的判斷具有重要意義（王偉濤等，2009）。近年來(lái)，隨著背景噪聲層析成像技術(shù)的發(fā)展，從該方法中獲取的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)也被應(yīng)用于研究地殼內(nèi)部地震波速度的時(shí)空變化特征。如Brenguier等（2008）分析富爾奈斯火山21個(gè)臺(tái)站背景噪聲得到的波速變化，發(fā)現(xiàn)火山噴發(fā)前波速出現(xiàn)了約0.1%的降低，且在火山噴發(fā)期間逐漸恢復(fù)正常。Stehly等（2016）利用2008年汶川地震震中區(qū)域21個(gè)臺(tái)站的背景噪聲，發(fā)現(xiàn)主震當(dāng)天有0.07%的波速下降。劉志坤和黃金莉（2010）發(fā)現(xiàn)2008年汶川地震造成了震源區(qū)地震波速度的急劇降低，最大降幅達(dá)0.4%。宮猛等（2017）通過(guò)提取直達(dá)的瑞利波走時(shí)偏移發(fā)現(xiàn)在2015年9月14日昌黎M4.7地震前部分臺(tái)站對(duì)的瑞利波速出現(xiàn)上升變化，而震后隨著時(shí)間的流逝又慢慢恢復(fù)到在背景值附近波動(dòng)。Liu等（2018）通過(guò)三分量地震背景噪聲干涉測(cè)量技術(shù)，對(duì)龍門(mén)山斷裂帶10年地震波速變化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在1～3s和3～8s周期，汶川M7.9地震造成了斷層區(qū)附近急劇的同震波速降低，降幅為0.04%～0.06%，2013年蘆山M6.6地震造成了1～3s周期的微小但較為可靠的波速降低，幅度約為0.01%。溫?fù)P茂等（2019）利用雙臺(tái)站2年的連續(xù)背景噪聲數(shù)據(jù)分析了2017年墨西哥M7.1地震震源區(qū)的地震波速變化特征，發(fā)現(xiàn)震源區(qū)淺部5～10km的地震波速在地震中上升約0.77%，而在2～5km的地震波速則有約0.05%的下降趨勢(shì)。地震背景噪聲分布廣且不依賴(lài)于特定震源，非常適合于跟蹤地殼內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物性變化。

2018年8月13、14日云南省玉溪市通?？h（24.19°N，102.71°E）相繼發(fā)生了2次5.0級(jí)地震，震源深度分別為7km和6km（本文將這兩次地震合在一起進(jìn)行研究，稱(chēng)為“通海5.0級(jí)地震”）。9月8日，云南省普洱市墨江縣（23.26°N，101.53°E）又發(fā)生5.9級(jí)地震，震源深度為11km。地震發(fā)生后，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了一系列的研究，主要包括：地震前的視應(yīng)力（彭關(guān)靈等，2018，2020）、波速比（劉自鳳等，2018）、地震精定位和發(fā)震構(gòu)造討論（王光明等，2018）以及地震前后的GNSS面應(yīng)變時(shí)空演化特征（楊建文等，2020a、b）等。其中的GNSS研究表明，2組地震前后，震中區(qū)域附近存在較為明顯的應(yīng)變場(chǎng)演化過(guò)程（面應(yīng)變顯著積累——短期內(nèi)面應(yīng)變快速反向調(diào)整——調(diào)整過(guò)程中相繼發(fā)生通海和墨江地震）（楊建文等，2020a，b）。

地震前后明顯的應(yīng)變場(chǎng)變化會(huì)引起地下介質(zhì)波速的變化，因此，本文基于2018年通海5.0級(jí)、墨江5.9級(jí)地震震中附近區(qū)域固定臺(tái)站記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，采用背景噪聲波速測(cè)定方法，開(kāi)展震源區(qū)波速變化研究。

1數(shù)據(jù)和方法

1.1觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)

本文從云南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)中選用震中周邊7個(gè)臺(tái)站（圖1）記錄的2017年1月31日—2019年12月1日垂直分量連續(xù)波形資料。經(jīng)檢測(cè)，在該研究時(shí)間范圍內(nèi)，所有臺(tái)站的數(shù)據(jù)連續(xù)性都很好，因此基本能夠反映該時(shí)段內(nèi)的介質(zhì)波速變化。數(shù)據(jù)處理分為三步：①對(duì)單臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，得到地震背景噪聲;②通過(guò)計(jì)算臺(tái)站對(duì)間背景噪聲的互相關(guān)函數(shù)來(lái)提取經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù);③計(jì)算不同時(shí)段的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)與參考經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的走時(shí)偏移，獲取地震波速度變化。

1.2單臺(tái)站數(shù)據(jù)預(yù)處理

在獲取各臺(tái)站的連續(xù)波形數(shù)據(jù)后，為消除天然地震和儀器本身異常信號(hào)的影響，需要先對(duì)單臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以獲取高質(zhì)量的地震背景噪聲（劉志坤，黃金莉，2010;溫?fù)P茂等，2019）。數(shù)據(jù)預(yù)處理過(guò)程為：①將連續(xù)波形數(shù)據(jù)按天截取，采用1Hz對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣，以降低數(shù)據(jù)采樣率;②去除儀器響應(yīng)、去均值、去趨勢(shì)及帶通濾波處理;③對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)域平均，以去除地震事件的影響;④頻譜白化處理后得到背景噪聲。

1.3背景噪聲互相關(guān)及數(shù)據(jù)疊加

單臺(tái)數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對(duì)研究范圍內(nèi)各臺(tái)站對(duì)每天的背景噪聲在相同時(shí)間內(nèi)作互相關(guān)計(jì)算，其結(jié)果即為臺(tái)站對(duì)間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)（劉志坤，黃金莉，2010;Shapiro et al ，2005）。本文基于7個(gè)臺(tái)站可獲取21個(gè)臺(tái)站對(duì)每天的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)。當(dāng)臺(tái)間距較大時(shí)，很難在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定地重構(gòu)出經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)（Liu et al ，2018），因此本文僅對(duì)臺(tái)間距小于200km的臺(tái)站對(duì)作進(jìn)一步分析。經(jīng)過(guò)篩選，共挑選出14個(gè)臺(tái)站對(duì)，臺(tái)站對(duì)分布如圖1所示。

背景噪聲的來(lái)源及能量的差異，會(huì)極大影響經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的形態(tài)（王偉濤等，2009）。Stehly等（2006）首次基于噪聲互相關(guān)函數(shù)對(duì)噪聲源的性質(zhì)進(jìn)行分析，研究指出，對(duì)任意兩個(gè)地震臺(tái)站記錄到的背景噪聲進(jìn)行互相關(guān)處理，理論上得到的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)中都有一正、一負(fù)兩個(gè)分支，分別表示臺(tái)站對(duì)路徑上的因果和非因果信號(hào)。當(dāng)臺(tái)站兩側(cè)的噪聲源分布均勻時(shí)，因果信號(hào)和非因果信號(hào)的到時(shí)一致、振幅相同。而當(dāng)噪聲源分布不均勻時(shí)，兩個(gè)方向的信號(hào)到時(shí)相同、但振幅不同，在噪聲源能量較強(qiáng)的一側(cè)產(chǎn)生的信號(hào)振幅較大（圖2a）。為了在一定程度上消除噪聲源能量分布不均對(duì)波速測(cè)量結(jié)果的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)數(shù)據(jù)的信噪比，以0為界線(xiàn)，把經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的“負(fù)支”反號(hào)后與“正支”進(jìn)行對(duì)稱(chēng)疊加，形成“疊加分量”（圖2b）。

由于受噪聲源的不均勻分布和噪聲成分的不確定性等因素的影響，加上臺(tái)間距較大，臺(tái)站對(duì)間的單日經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的信噪比普遍較低，很難分辨地震波形態(tài)（溫?fù)P茂等，2019）。為了提高信噪比，將各臺(tái)站對(duì)當(dāng)天前、后各30d（共61d）的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)進(jìn)行疊加，作為當(dāng)天經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)一步的滑動(dòng)疊加，可獲取2017年1月31日—2019年12月1日的當(dāng)天經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)（數(shù)據(jù)開(kāi)始和結(jié)尾的各30d因?yàn)榀B加數(shù)據(jù)不足61d，因此不參與進(jìn)一步的分析）。

為了獲得臺(tái)站對(duì)間經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)隨時(shí)間變化的定量信息，須確定各臺(tái)站對(duì)（劉志坤，黃金莉，2010;溫?fù)P茂等，2019;Liu et al ，2018）。Stehly等（2006）研究發(fā)現(xiàn)背景噪聲源的季節(jié)性變化會(huì)引起由互相關(guān)方法重構(gòu)的面波信號(hào)的走時(shí)變化，因此建議盡量采用較長(zhǎng)時(shí)間范圍（至少1年）的資料來(lái)確定參考經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)。本文將各臺(tái)站對(duì)2017年1月—2019年12月的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)進(jìn)行疊加作為各自的參考經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)（圖3）。從圖3可以看到清晰的直達(dá)瑞利面波和尾波，根據(jù)瑞利波信號(hào)的到達(dá)時(shí)間與臺(tái)站對(duì)的間距，可估算其面波速度約為3km/s，符合瑞利波理論值范圍（2～4km/s）。這也間接地反映了本文數(shù)據(jù)處理的正確性。

1.4走時(shí)偏移提取

對(duì)臺(tái)站對(duì)間的當(dāng)天經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)和參考格林函數(shù)作互相關(guān)計(jì)算，獲取相似波形窗口的互相關(guān)系數(shù)（圖4），互相關(guān)系數(shù)最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲就是這兩段相似波形窗口的走時(shí)偏移，為了提高精度，對(duì)計(jì)算結(jié)果余弦插值后提取更高精度的走時(shí)偏移。

由圖4b、c可知，在43～60s的波形窗口內(nèi)，YUJ-SIM臺(tái)站對(duì)的當(dāng)天經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)和參考經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的互相關(guān)系數(shù)都在0.9以上，表示在該時(shí)窗內(nèi)的兩波形具有較高的相似性。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算后，14個(gè)臺(tái)站對(duì)的瑞利波部分的互相關(guān)系數(shù)基本都在0.9以上。鑒于此，以互相關(guān)系數(shù)0.9以上為約束，通過(guò)提取直達(dá)的瑞利波中的部分震相（圖4b、c中的陰影部分，震相窗長(zhǎng)約15s，不同臺(tái)站對(duì)取值存在較小差異）的走時(shí)偏移來(lái)計(jì)算臺(tái)站對(duì)間的瑞利波速度變化。

由圖5a可以看到，YUJ-SIM臺(tái)站對(duì)瑞利波走時(shí)偏移變化曲線(xiàn)存在明顯的年變成分。為消除年變成分對(duì)走時(shí)偏移的影響，本文采用傅立葉滑動(dòng)去年周期方法去除其中的年變成分，以獲取長(zhǎng)趨勢(shì)變化背景下隱含的波速變化特征。

1.5傅立葉滑動(dòng)去年周期

傅立葉滑動(dòng)去年周期的主要目的是排除瑞利波走時(shí)偏移中的年變周期成分。主要方法概要為（蔣駿等，2000）：

假設(shè)某臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移時(shí)間序列為y={y1，y2，…，yn}，，其中年變周期長(zhǎng)度用T表示，即一年中等間隔均值序列有T個(gè)觀(guān)測(cè)值;年變序列成分的序列用x={x1，x2，…，xn}表示。利用三角級(jí)數(shù)公式由y序列中的T個(gè)觀(guān)測(cè)值{yn-r+1，y-r+2，…，yn}計(jì)算出xn;由{yn-T+2，ya-T+3，…，y+1}計(jì)算出xn+1，按這樣的思路，相應(yīng)的計(jì)算公式為：

排除年變化的新序列為：

由式（1）和（2）計(jì)算出的an和bn是隨年變強(qiáng)弱而動(dòng)態(tài)變化的。對(duì)y序列中前T-1個(gè)數(shù)據(jù)通過(guò)基波擬合求得x1，x2，…，x7-1，然后利用式（4）計(jì)算出G0，G1，…，G7_1。本文是在臺(tái)站對(duì)日均值瑞利波走時(shí)偏移時(shí)間序列上排除年變化，因此，T=365。

本文采用傅立葉滑動(dòng)去年周期方法對(duì)圖5a進(jìn)行處理，分別得到傅立葉滑動(dòng)去年變趨勢(shì)的周期估計(jì)值（圖5b）及去除年變成分后的走時(shí)偏移（修正后的走時(shí)偏移）（圖5c），從圖5b、c中可以看到Y(jié)UJ-SIM臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移在通海5.0級(jí)和墨江5.9級(jí)地震前、后（特別是震后）存在明顯的異常特征。在后面的分析中，筆者對(duì)所有的臺(tái)站對(duì)都進(jìn)行了傅立葉滑動(dòng)去年變趨勢(shì)處理。

2結(jié)果與分析

本文計(jì)算了2017年1月31日—2019年12月1日通海5.0級(jí)、墨江5.9級(jí)地震震中周邊14個(gè)臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移。

2.1異常臺(tái)站對(duì)空間分布

對(duì)14個(gè)臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移變化曲線(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，TOH-YIM、YIM-JIS、YUJ-SIM、JIS-SIM臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移在通海5.0級(jí)和墨江5.9級(jí)地震前、后存在明顯的異常特征。TOH-JIS、YIM-JIG臺(tái)站對(duì)走時(shí)偏移在整個(gè)時(shí)段內(nèi)波動(dòng)較大，無(wú)法分辨異常信息，其余8個(gè)臺(tái)站對(duì)走時(shí)偏移在地震前、后無(wú)明顯異常特征。圖6為部分臺(tái)站對(duì)2017年1月31日—2019年12月1日的瑞利波走時(shí)偏移變化曲線(xiàn)。

從圖1的走時(shí)偏移異常臺(tái)站對(duì)空間分布來(lái)看，4個(gè)異常臺(tái)站對(duì)中TOH-YIM、YIM-JIS臺(tái)站對(duì)分布于通海5.0級(jí)地震震中及鄰近區(qū)域（TOH-YIM臺(tái)站對(duì)穿過(guò)了通海5.0級(jí)地震的震中區(qū)域），推測(cè)其走時(shí)偏移異常主要受通海地震過(guò)程的影響;YUJ-SIM、JIS-SIM臺(tái)站對(duì)分布于墨江5.9級(jí)地震震中及鄰近區(qū)域（YUJ-SIM臺(tái)站對(duì)穿過(guò)了墨江5.9級(jí)地震的震中區(qū)域），推測(cè)其走時(shí)偏移異常主要受墨江地震過(guò)程的影響。

2.2異常臺(tái)站對(duì)走時(shí)偏移的時(shí)變特征

為了更好地分析通海5.0級(jí)、墨江5.9級(jí)地震的震源區(qū)的波速變化情況，本文分別采用單臺(tái)站對(duì)和多臺(tái)站對(duì)組合平均的方法對(duì)走時(shí)偏移的時(shí)變特征進(jìn)行分析。

（1）單臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移

考慮到4個(gè)異常臺(tái)站對(duì)的空間分布情況，將TOH-YIM、YIM-JIS分為一組（圖7），YUJ-SIM、JIS-SIM分為另一組（圖8），系統(tǒng)分析各臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移的時(shí)變特征。

由圖7可知，在通海5.0級(jí)地震過(guò)程中（震前-震中-震后過(guò)程），TOH-YIM和YIM-JIS臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移變化形態(tài)，存在較好的相似性，存在明顯的“V”或雙“V”型變化形態(tài)，通海5.0級(jí)地震發(fā)生在第1個(gè)“V”型的前端。從2018年7月20日左右（通海5.0級(jí)地震前20余天）開(kāi)始，兩個(gè)臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移開(kāi)始同步下降。TOH-YIM臺(tái)站對(duì)的下降過(guò)程一直持續(xù)了約180d（走時(shí)偏移在墨江地震前、后存在輕微的波動(dòng)），該臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移從11月6日開(kāi)始上升（上升過(guò)程持續(xù)了約61d），2019年1月5日之后又開(kāi)始下降（下降過(guò)程持續(xù)了約55d），此后恢復(fù)平穩(wěn)，其間存在輕微的波動(dòng)（圖7a）。YIM-JIS臺(tái)站對(duì)的下降過(guò)程持續(xù)了約42d，走時(shí)偏移從8月29日開(kāi)始上升（上升過(guò)程持續(xù)了約136d），2019年1月11日之后又再次下降（下降過(guò)程持續(xù)了約56d），從2019年3月7日開(kāi)始，短期內(nèi)存在快速恢復(fù)（走時(shí)偏移上升）的過(guò)程，至2019年4月中旬開(kāi)始恢復(fù)平穩(wěn)，其間存在輕微的波動(dòng)（圖7b）。

由圖8可知，在墨江5.9級(jí)地震過(guò)程中（震前-震中-震后過(guò)程），YUJ-SIM和JIS-SIM臺(tái)站對(duì)的瑞利波變化形態(tài)存在較好的相似性，走時(shí)偏移存在明顯的“V”或雙“V”型變化形態(tài)，墨江5.9級(jí)地震發(fā)生在第1個(gè)“V”型的前端。從2018年8月15日左右（墨江5.9地震前20余天）開(kāi)始，兩個(gè)臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移開(kāi)始同步下降。YUJ-SIM臺(tái)站對(duì)的下降過(guò)程一直持續(xù)了約111d，該臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移從12月4日開(kāi)始上升（上升過(guò)程持續(xù)了約60d），2019年2月1日之后又開(kāi)始下降（下降過(guò)程持續(xù)了約83d），此后開(kāi)始緩慢地恢復(fù)平穩(wěn)（圖8a）。JIS-SIM臺(tái)站對(duì)的下降過(guò)程持續(xù)了約102d，該臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移從11月24日開(kāi)始上升（上升過(guò)程持續(xù)了約55d，上升過(guò)程走時(shí)偏移存在輕微的波動(dòng)），2019年1月17日開(kāi)始之后又再次下降（下降過(guò)程持續(xù)了約20d），此后恢復(fù)平穩(wěn)（圖8b）。

TOH-YIM和YUJ-SIM臺(tái)站對(duì)分別穿過(guò)了通海5.0級(jí)和墨江5.9級(jí)地震的震中區(qū)域（圖1），二者的走時(shí)偏移可能反映震中附近振動(dòng)最劇烈、破壞比也最嚴(yán)重的極震區(qū)的波速變化特征。對(duì)比圖7a、8a發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移均在地震前的20d左右開(kāi)始下降，且下降過(guò)程均持續(xù)110d左右（TOH-YIM臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移變化量為-0.44s，YUJ-SIM臺(tái)為-0.47s），此后又都以60d左右進(jìn)行了恢復(fù)（TOH-YIM臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移變化量為0.33s，YUJ-SIM臺(tái)為0.51s）。接著又分別在約55d和83d內(nèi)再次下降（TOH-YIM臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移變化量為-0.32s，YUJ-SIM臺(tái)為-0.25s）。最后二者的走時(shí)偏移均恢復(fù)平穩(wěn)?？v觀(guān)整個(gè)過(guò)程，二者的走時(shí)偏移時(shí)變特征具有較高的相似性。

（2）多臺(tái)站對(duì)組合的平均走時(shí)偏移

考慮到基于單臺(tái)站對(duì)測(cè)量的走時(shí)偏移可能不太穩(wěn)定，將震中附近的臺(tái)站對(duì)的結(jié)果進(jìn)行平均來(lái)代表地震震源區(qū)的波速變化。根據(jù)圖1的異常臺(tái)站對(duì)分布，將TOH-YIM和YIM-JIS臺(tái)站對(duì)分為一組（記為：第一組），將YUJ-SIM和JIS-SIM臺(tái)站對(duì)分為另一組（記為：第二組），對(duì)兩組雙臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移分別進(jìn)行組合平均，以分別表示通海5.0級(jí)（圖9a）、墨江5.9級(jí)地震（圖9b）震源區(qū)波速變化。

與單臺(tái)站對(duì)走時(shí)偏移（圖7、8）進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)組合平均后的走時(shí)偏移變化趨勢(shì)更加的穩(wěn)定。表1為兩組臺(tái)站對(duì)在地震過(guò)程中不同階段的走時(shí)瑞利波走時(shí)偏移變化情況。

由圖9a可知，第一組臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移在通海5.0級(jí)地震前后存在明顯的雙“V”型變化特征，通海5.0級(jí)地震發(fā)生在第1個(gè)“V”型的前端。結(jié)合表1可知，第一組臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移在通海5.0級(jí)地震前約20d（2018年7月22日）開(kāi)始下降，下降過(guò)程持續(xù)了約71d，變化量為-0.34s，由于受墨江5.9級(jí)地震的影響，下降過(guò)程中存在輕微的波動(dòng)。從2018年9月30日開(kāi)始，走時(shí)偏移開(kāi)始上升，上升過(guò)程持續(xù)了約99d，變化量為0.32s，從2019年1月6日開(kāi)始又再次下降，下降過(guò)程持續(xù)了約61d，變化量為-0.39s，此后在約38d內(nèi)又上升了0.21s。經(jīng)歷明顯的雙“V”型變化后，該組合臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移恢復(fù)平穩(wěn)，其間存在一定幅度的波動(dòng)。

由圖9b可知，第二組臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移在墨江5.9級(jí)地震前后存在明顯的“V”型變化特征，墨江5.9級(jí)地震發(fā)生在“V”型的前端。結(jié)合表1可知，第二組臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移在墨江5.9級(jí)地震前約20d（2018年8月15日）開(kāi)始下降，下降過(guò)程持續(xù)了約108d，變化量為-0.39s，略高于通海5.0級(jí)地震。從2018年11月30日開(kāi)始，走時(shí)偏移開(kāi)始上升，上升過(guò)程持續(xù)了約49d，變化量為0.38s，從2019年1月17日之后的約98d內(nèi)存在一定幅度的下降，變化量為-0.22s。此后該組合臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移恢復(fù)平穩(wěn)。

對(duì)比兩組合臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移發(fā)現(xiàn)，兩次地震造成的震源區(qū)及周邊波速的異常持續(xù)時(shí)間大概為260d（通海地震異常持續(xù)時(shí)間略高于墨江地震），但墨江地震造成的最初的走時(shí)偏移變化量和持續(xù)時(shí)間均高于通海地震。

本文多臺(tái)站對(duì)組合平均走時(shí)偏移主要采用的是震中附近地震前后存在明顯異常的臺(tái)站對(duì)，其他臺(tái)站對(duì)因?yàn)闆](méi)出現(xiàn)異常，且距離較遠(yuǎn)，因此未參與計(jì)算。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，將震中附近的其他臺(tái)站對(duì)也加入到組合平均中（通海5.0級(jí)地震附近采用TOH-YIM、YIM-JIS、TOH-MIL、YIM-MIL、MIL-JIS臺(tái)站對(duì)進(jìn)行組合平均（圖10a），墨江5.9級(jí)地震附近采用YUJ-SIM、JIS-SIM、YUJ-JIG、JIG-SIM臺(tái)站對(duì)進(jìn)行組合平均（圖10b），以獲取更大范圍的組合平均走時(shí)偏移。

分別對(duì)比圖9a和圖10a、圖9b和圖10b，發(fā)現(xiàn)采用更多臺(tái)站對(duì)進(jìn)行組合平均獲得的瑞利波走時(shí)偏移時(shí)間序列的變化形態(tài)與原有的雙臺(tái)站對(duì)的具有較高的相似性。區(qū)別在于利用更多臺(tái)站對(duì)獲得的組合平均走時(shí)偏移在同一時(shí)段內(nèi)變化量相對(duì)較小，究其原因可能是因?yàn)樾录尤氲呐_(tái)站對(duì)走時(shí)偏移變化平穩(wěn)，且離震中相對(duì)較遠(yuǎn)，在組合平均的過(guò)程中對(duì)原有存在明顯異常的臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移變化起到了抑制作用，但未改變?cè)械淖兓螒B(tài)。因此認(rèn)為利用震中附近走時(shí)偏移存在明顯異常的臺(tái)站對(duì)獲取的組合平均走時(shí)偏移結(jié)果更能體現(xiàn)震源區(qū)的波速變化。

3討論

本文震相提取過(guò)程中主要考慮的是信噪比和數(shù)據(jù)可靠性，因此以互相關(guān)系數(shù)作為約束（互相關(guān)系數(shù)要求在0.9以上），提取了經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)中直達(dá)的瑞利波的走時(shí)偏移（計(jì)算的是瑞利波波速變化）。本文測(cè)量波速變化采用的周期范圍是2～10s，瑞利波走時(shí)偏移反映的是震源區(qū)中上地殼物性介質(zhì)隨時(shí)間的變化特征。

研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)由于受噪聲源的不均勻分布和噪聲成分的不確定性等因素的影響，大部分的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)都存在左右分支不對(duì)稱(chēng)的現(xiàn)象（兩個(gè)方向的信號(hào)到時(shí)相同，但振幅不同，在噪聲源能量較強(qiáng)的一側(cè)產(chǎn)生的信號(hào)振幅較大），因此在進(jìn)行滑動(dòng)疊加前先對(duì)經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)進(jìn)行了“左右疊加”，形成“疊加分量”，這在一定程度上可以消除噪聲源分布不均等因素對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。在獲得瑞利面波走時(shí)偏移后，發(fā)現(xiàn)大部分臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移都存在明顯的年變趨勢(shì)，為消除年變成分對(duì)走時(shí)偏移的影響，獲取長(zhǎng)趨勢(shì)變化背景下的波速變化情況，采用傅立葉滑動(dòng)去年周期方法對(duì)臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移進(jìn)行了處理，研究表明該方法理論基礎(chǔ)嚴(yán)密，是一種穩(wěn)定、可靠的周期分析方法。

根據(jù)互相關(guān)時(shí)延計(jì)算的原理，本文所提取的是當(dāng)天經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)相對(duì)于參考經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的走時(shí)偏移，當(dāng)走時(shí)偏移為正時(shí)，表示波速變慢，當(dāng)走時(shí)偏移為負(fù)時(shí)，表示波速加快。研究發(fā)現(xiàn)，震源區(qū)相關(guān)臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移分別在地震發(fā)生前的20余天開(kāi)始大幅度的下降且一直持續(xù)到地震發(fā)生后的很長(zhǎng)一段時(shí)間，這表明該過(guò)程中，震源區(qū)的波速在加快。陳立德和付虹（2003）提出的“震源硬化模型”指出：巖石在受力過(guò)程中在其失穩(wěn)源區(qū)存在“硬化”現(xiàn)象，硬化過(guò)程中其1介質(zhì)的剛度會(huì)增加，剛度增加可能導(dǎo)致速度增加，從而使走時(shí)縮短。相關(guān)臺(tái)站對(duì)瑞利波走時(shí)偏移的大幅下降過(guò)程可用“震源硬化模型”以解釋?zhuān)蟮淖邥r(shí)偏移的“上升-下降-再上升”過(guò)程可能與震后的區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)調(diào)整有關(guān)。

TOH-YIM和YUJ-SIM臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移分別在通海5.0級(jí)和墨江5.9級(jí)地震過(guò)程中表現(xiàn)出最為明顯的走時(shí)異常特征，這可能與這兩個(gè)臺(tái)站對(duì)分別穿越了震中附近振動(dòng)最劇烈、破壞比也最嚴(yán)重的極震區(qū)有關(guān)。

通過(guò)背景噪聲互相關(guān)方法得到的地震波速度變化反映了臺(tái)站對(duì)間較大范圍內(nèi)地殼介質(zhì)狀態(tài)及屬性的變化（劉志坤，黃金莉，2010），這種變化的準(zhǔn)確空間位置和物理機(jī)制目前還不太清楚。GNSS應(yīng)變場(chǎng)的相關(guān)研究表明，通海5.0級(jí)和墨江5.9級(jí)地震前后，震中區(qū)域附近的面應(yīng)變（面應(yīng)變參數(shù)能直接反映區(qū)域擠壓（收縮）或拉張（膨脹）強(qiáng)弱特性）分布存在較為明顯的異常特征（楊建文等，2020b）。對(duì)于應(yīng)變狀態(tài)改變與波速異常特征之間的關(guān)系有待更進(jìn)一步的研究。

4結(jié)論

本文基于云南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的寬頻帶連續(xù)波形資料，采用波形互相關(guān)方法提取了2017年1月31日—2019年12月1日14個(gè)臺(tái)站對(duì)的直達(dá)瑞利波走時(shí)偏移來(lái)研究通海5.0級(jí)、墨江5.9級(jí)地震震源區(qū)的波速變化特征，得到以下主要結(jié)論：

（1）2次地震前后，穿過(guò)地震震中和震中附近的部分臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移表現(xiàn)出了明顯的異常，這表明兩次地震都在一定程度上造成了震源區(qū)地殼介質(zhì)速度的變化。

（2）通過(guò)對(duì)臺(tái)站對(duì)的走時(shí)偏移時(shí)變特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，兩次地震發(fā)生前后異常臺(tái)站對(duì)的瑞利波走時(shí)偏移都表現(xiàn)出明顯的“V”或雙“V”型變化特征，且地震都發(fā)生在了第1個(gè)“V”型的前端，且短期內(nèi)相關(guān)臺(tái)站對(duì)走時(shí)偏移變化具有較好的同步性，但異常幅度大小和異常持續(xù)時(shí)間存在一定差異。

（3）考慮到基于單臺(tái)站對(duì)測(cè)量的走時(shí)偏移可能不太穩(wěn)定，所以將震中及附近的異常臺(tái)站對(duì)的結(jié)果進(jìn)行平均來(lái)代表震源區(qū)的波速變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通海5.0級(jí)和墨江5.9級(jí)地震造成的震源區(qū)波速的異常持續(xù)時(shí)間大概都為260d（通海地震異常持續(xù)時(shí)間略高于墨江地震），但墨江地震造成的最初的走時(shí)偏移變化量和持續(xù)時(shí)間均高于通海地震。

本文研究所用連續(xù)波形資料來(lái)源于云南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)，背景噪聲互相關(guān)計(jì)算程序由中國(guó)地震局地球物理研究所地球物理先導(dǎo)技術(shù)研究室王偉濤研究員提供，審稿專(zhuān)家提出了建設(shè)性修改意見(jiàn)，在此表示衷心感謝。

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Study of the Wave Velocity Changes in the Focal Area of the Tonghai M<5.0 Earthquake and the Mojiang ms5.9 Earthquake by Ambient Noise

YANG Jianwen， YE Beng2， GAO Qiong2， WANG Jun. ， CHEN Jia'2

（1. Dali Center of China Earthquake Science Experimental Site， Dali 671000， Yunnan， China）

（2. Field Scientific Observation and Research Station on Crustal Tectonic Activities in DaliNorthwest Yunnan， Dali 671000， Yunnan， China）

Abstract

Based on the ambient noise cross-correlation method. we extract the travel time shift of the direct rayleigh wave of the daily empirical Green's function and the referential empirical Greens function of 14 station pairs to study the characteristics of the wave velocity changes in the source region of the TonghaiM， 5.0 earthquake and the Mojiang M5.9 earthquake by using continuous seismic data recorded by the broadband stations of the Yunnan Dig-ital Seismic Network from January 2017 to December 2019. The results show that the seismic velocity are changed in the source region by the Tonghai M5.0 earthquake and the Mojiang M5.9 earthquake in 2018 to a certain ex-tent. Before and after the two earthquakes， the travel time shift of the Rayleigh wave of the station pairs passing through the epicenters and their vicinity shows obvious abnormal characteristics about 20 days before the earth-quakes， and the travel-time changes are synchronous in the short term but there are some differences between the amplitude and the lasting-time of the anomaly of the two earthquakes. The abnormal travel-time shift of the station pairs is V-shaped or double V-shaped， and both earthquakes occurred before the appearance of the first V-shape. The average travel-time shift of multi-station pairs show that the seismic velocity changes in the source region caused by the Tonghai Ms5.0 and the Mojiang Ms5.9 earthquakes both last about 260 days. The anomaly of the Tonghai earthquake last longer than the one of the Mojiang earthquake， but in the early stage the travel-time shift is more obvious and the lasting - time of the anomaly caused by the Mojiang earthquake is longer than those caused by the Tonghai earthquake

Keywords： ambient noise; waveform cross-correlation; the empirical Green's function; wave velocity change