2022年云南寧蒗5.5級地震前后波速比變化特征

張?zhí)煊?王光明 劉自鳳 黑賀堂

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224

2 中國地震科學實驗場大理中心，云南省大理市濱海大道，671000

在地震孕育過程中，地下介質的物理性質往往會發(fā)生改變，形成微裂隙并發(fā)生塑性硬化、擴容及相變等。波速比正是利用地震波通過地下介質時波速發(fā)生變化的特性對地下介質物性進行研究。日本地震學家和達清夫[1]提出應用和達法計算波速比，隨后蘇聯(lián)學者發(fā)現(xiàn)地震前伴有波速變化特征，并將地震前波速比異常變化作為地震預報的重要依據之一。20世紀70年代，我國許多學者也發(fā)現(xiàn)大量中強地震前波速比存在異常變化，并對波速比異常變化特征進行詳細分析。部分學者應用單震多臺和達法計算分析中強地震前的波速比變化特征，該方法計算得到的波速比為較大區(qū)域的平均值，會弱化較小區(qū)域的波速比特征，從而降低空間分辨率。而單臺多震和達法可進一步提高波速比的空間分辨率，國內外諸多學者采用該方法對波速比的時空異常變化進行研究[2-4]。

2022-01-02云南寧蒗發(fā)生MS5.5地震，本文采用單臺多震和達法研究震前震源區(qū)波速比是否存在異常，以及異常隨時間的演化趨勢，并應用2020-01-01～2022-01-10云南數字地震臺網記錄到的地震震相到時數據，分析本次寧蒗地震前后序列的波速比時空演化特征。

1 計算原理及數據選取

本研究采用Watati[1]提出的波速比計算方法，利用單臺記錄的地震波資料，以和達法為基礎，應用單臺記錄的多次地震事件的縱波到時以及縱波、橫波到時差，擬合分析得到波速比，計算結果為該臺記錄的多次地震發(fā)生時段內地震至臺站間介質的平均波速比[5]。同時設置約束條件：到時數據個數取100，地震縱波、橫波到時差TS-TP≤12 s，相關系數R≥0.95，誤差γ≤0.05，震中距小于等于100 km。以10個地震為窗長以及1個地震為步長進行數據滑動平均處理，并增加每次參與滑動平均的震相數據量。

本文采用云南數字地震臺網記錄到的2020-01-01～2022-01-01共5 359次ML≥2.0地震、2022-01-02～10共620次ML≥1.0地震的震相到時數據，并且同時被4個臺站所記錄，計算分析臺站數59個，可使定位結果更加可靠和提高走時數據精度，震中與臺站分布如圖1所示。對震相數據進行處理后，采用單臺多震和達法計算滿足約束條件的地震波速比。

基于上述方法分析云南地區(qū)2020年(以下稱為時段Ⅰ)、2021年(以下稱為時段Ⅱ)空間波速比變化特征；分析寧蒗MS5.5地震震中100 km范圍內NLA和LGH臺站，以及震中100 km區(qū)域邊緣LIJ和ZOD臺站記錄到的2020年以來地震的波速比時間變化特征。由于地震發(fā)生在滇西北川滇交界區(qū)域，暫時無法獲取四川地區(qū)臺站記錄到的震后序列震相信息，而ZOD、LIJ兩個臺站在主震發(fā)生后記錄到的地震序列較少，為確保具有充足的樣本量，選取距離震中最近的LGH和NLA臺記錄的主震發(fā)生后地震序列波速比變化進行重點分析。

2 波速比曲線特征分析

2.1 震前波速比空間分布特征

本文采用2020年以來記錄到的ML≥2.0地震震相數據計算59個臺站的波速比，并分析波速比高值和低值臺站的空間分布特征(圖2)。從時段Ⅰ的波速比空間分布來看，2020年底云南低波速比臺站共有9個，分別為DOL、LUQ、WES、XBL、JIG、LIC、LAP、LUS和BAS臺，主要分布在曲靖、昆明、文山以及小滇西至滇西南一帶；高波速比臺站共有5個，分別為ZOD、MLA、LGH、NLA和YYU臺，主要分布在滇西北和滇南地區(qū)。從時段Ⅱ的波速比空間分布來看，2021年底云南地區(qū)低波速比臺站共有11個，分別為ZAT、WES、DOC、LUQ、HLT、JIG、LIC、BAS、LUS、MAS和JIH臺，主要分布在昭通、昆明、文山等地，并且在小滇西-滇西南地區(qū)波速比低值臺站呈帶狀分布；高波速比臺站共有8個，分別為ZOD、LGH、MLA、QKT、WEX、NLA、EYA和HCB臺，主要集中在滇西北川滇交界以及云南中老交界附近區(qū)域。

由圖2可知，2個時間段內滇西北和滇南均屬于波速比高值區(qū)域，當進入時段Ⅱ，滇西北和滇南地區(qū)波速比高值相較于時段Ⅰ在空間上具有擴張趨勢，同時滇中區(qū)域波速比值從時段Ⅰ的低值上升為時段Ⅱ的高值。而本次寧蒗MS5.5地震正好發(fā)生于滇西北波速比高值區(qū)域。

2.2 震前波速比時間變化特征

寧蒗MS5.5地震發(fā)生在滇西北川、滇交界區(qū)域，從圖2可以看出，寧蒗MS5.5地震發(fā)生在波速比高值區(qū)域。為進一步分析地震前波速比時間演化特征，應用單臺多震和達法計算分析寧蒗MS5.5震中100 km范圍內NLA和LGH臺，以及震中100 km區(qū)域邊緣LIJ和ZOD臺記錄到的2020年以來地震的波速比時序圖(圖3)。由圖3可知，距離震中最近的LGH臺記錄到波速比時間變化為下降-回升-高值變化-下降-發(fā)震演化過程，在達到高值穩(wěn)定后轉折下降時波速比值維持在+1倍方差線附近；NLA和ZOD臺記錄到的波速比時間變化均表現(xiàn)為持續(xù)下降-發(fā)震演化過程，波速比值均低于-1倍方差線，這與以往震例研究認為強震前波速比存在下降較為一致[6-8]。而距離震中100 km區(qū)域邊緣的LIJ臺記錄到的波速比時間變化為下降-回升-高值變化-發(fā)震，其波速比值高于+1倍方差線，這似乎與已有的強震前波速比存在下降趨勢的研究結果相悖。但整體分析4個臺站記錄到的波速比變化可知，LGH臺于2020年初由高值狀態(tài)先下降后回升，2021-05再次達到高值狀態(tài)后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢；NLA臺從2020年初處于均值附近，出現(xiàn)下降趨勢后轉折回升到高值狀態(tài)，2020-11開始呈現(xiàn)趨勢下降直到發(fā)震；ZOD臺從2020年初就呈現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài)；LIJ臺從2020年初波速比值維持在均值變化，2020-05出現(xiàn)下降趨勢后回升，于2021-04達到高值，并維持高值變化至發(fā)震，但LIJ臺記錄到的震前高值仍低于其他3個臺站在震前記錄到的波速比呈下降趨勢時的最低值。

從4個臺站的波速比時間變化可以看出，震前波速比呈現(xiàn)明顯下降趨勢或處于低值狀態(tài)，而距離震中最近的LGH臺出現(xiàn)波速比下降趨勢的時間均稍晚于其他3個臺站。這與翁釗強等[9]分析山西地區(qū)3次MS≥4.5地震前波速比變化特征得到的震前遠臺波速比異常出現(xiàn)時間較早，而近臺波速比異常出現(xiàn)時間較晚的結論一致。

蔡靜觀等[10]通過對云南地區(qū)第4強震活躍期6.3級以上強震前波速比異常圖像進行分析發(fā)現(xiàn)，波速比在空間上存在明顯的南北區(qū)域差異，主要表現(xiàn)為在滇西南和中緬交界處4組地震前波速比出現(xiàn)低值異常，而滇西北和滇東地區(qū)3組地震前波速比以高值異常為主。劉自鳳等[11]對云南地區(qū)2013年以來MS≥5.0地震前震中附近臺站的波速比時空演化特征進行研究發(fā)現(xiàn)，滇西北和滇東地區(qū)地震前波速比大多從高值開始轉折下降，或從低值回升至高值狀態(tài)。

2.3 震后波速比時間變化

對2022-01-02寧蒗MS5.5地震震后序列波速比變化進行分析，由于距離震中較遠的ZOD和LIJ臺記錄到的地震數據較少，導致數據分析樣本量少且不可靠，因此主要分析距離震中最近的LGH和NLA臺記錄到的620次ML≥1.0地震的波速比變化情況。結合LGH和NLA臺計算得到的地震序列波速比時間變化趨勢圖和該地震序列M-T以及N-T圖(圖4)可以看出，主震發(fā)生后1 d內記錄到的地震序列較少，且主要以1、2級小震活動為主，此時波速比維持短暫高值；01-03 15:00小震活動增強，頻度增加，波速比出現(xiàn)下降趨勢；01-05 16:00 M3.9最大余震發(fā)生后(圖4(c))，地震活動也上升達到最高日頻次(圖4(d))，而在最大余震發(fā)生之前LGH臺波速比出現(xiàn)突降，NLA臺波速比也呈下降趨勢，這與黎明曉等[12]研究認為強余震發(fā)生前波速比會迅速下降的結論一致。最大余震發(fā)生后序列活動呈現(xiàn)正常的衰減趨勢，波速比也穩(wěn)定維持在-1倍方差線左右變化。

3 可靠性分析

P波和S波到時判讀精度、參與擬合的臺站個數、地震定位精度等都是影響計算結果的重要因素。為了盡量減小上述因素造成的影響，在保證計算樣本量(到時數據個數取100)的基礎上，對參數選取設置約束條件。選擇2020-01-01～2022-01-10震相數據，為確保波形清晰度，便于精確判讀，計算過程中將地震縱波、橫波到時差和震中距設置為12 s和100 km極限值，將判讀精度控制在0.02 s以內。此外，為確保計算結果的可靠性，本文對相關系數R≥0.95和誤差γ≤0.05的計算結果進行分析，統(tǒng)計云南地區(qū)59個臺站各時段的相關系數平均值R和誤差平均值γ，結果表明，R分布在0.96～0.99之間，γ分布在0.021～0.042之間，可見數據相對集中，變化范圍較小。同時本研究計算數據采取以10個地震為窗長、1個地震為步長進行滑動平均處理，通過增加參與計算的震相數據來降低傳播路徑差異和射線分布不均勻造成的影響，提高波速比隨時間變化的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結 語

利用單臺多震和達法計算分析云南地區(qū)59個臺站2020年和2021年兩個時段平均波速比空間變化以及2022-01-02寧蒗MS5.5地震前波速比時間演化特征，并對震后寧蒗地震序列波速比時間變化進行詳細分析，得出以下結論：

1)從震前Ⅰ、Ⅱ兩個時段的波速比空間變化特征來看，寧蒗MS5.5地震發(fā)生在滇西北川滇交界波速比高值區(qū)域，該區(qū)域近兩年來波速比處于高值，且高值區(qū)域隨時間推移仍在擴大。由于在干燥裂隙環(huán)境下地震波傳播速度隨裂隙密度增加而減小，而在水飽和狀態(tài)裂隙中傳播速度隨密度增加而增大[13]；在孕震過程中，應力增加導致地下微裂隙逐漸發(fā)育擴容，地下流體滲入裂縫使其達到水飽和狀態(tài)，并為最終的破裂解鎖創(chuàng)造有利條件[6]。考慮到云南地區(qū)水系較為豐富，可能在孕震過程中地下流體的滲入使微裂隙達到水飽和狀態(tài)，從而導致波速比VP/VS變大，因此對波速比高值變化區(qū)應當引起重視。

2)從震前4個臺站記錄到的波速比時空變化特征可知，在震前LGH、ZOD和NLA臺波速比時間變化呈現(xiàn)大致相似的下降-回升-高值變化-下降-發(fā)震演化過程，這與劉自鳳等[11]對云南地區(qū)2013年以來MS≥5.0地震前震中附近臺站的波速比演化特征較為相似。而距離震中最近的LGH臺波速比下降、回升、達到高值的時間均晚于其他3個臺站，初步分析異常出現(xiàn)的時間可能與臺站震中距呈負相關。

3)結合地震序列M-T和N-T圖可知，震后地震序列波速比變化與余震活動情況具有較好的對應關系，主震發(fā)生后序列波速比呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，當余震序列地震活動增強時，其波速比也呈現(xiàn)相應的波動變化。在最大余震發(fā)生前，波速比出現(xiàn)明顯的突降現(xiàn)象。當序列地震呈現(xiàn)正常衰減時，波速比維持在低值狀態(tài)。但由于震中附近臺站數量較少，可分析的震例有限，該規(guī)律還需要積累更多震例加以驗證。