2019, Vol. 39
2. 云南省临沧市地震局, 云南省临沧市世纪路350号, 677000;
3. 临沧市临翔区地震局, 云南省临沧市白塔路101号, 677000;
4. 云南省地震局形变测量中心, 昆明市知春路249号, 650041;
5. 云南省双江县水利局, 云南省临沧市双江县北回归大道30号, 677300
研究表明，强震在孕育过程中，尤其是在临震阶段，由于孕震区应力增加和应变积累，震源及其附近地区的地下介质会产生一系列物理变化，地震发生后，向四周传播的地震波会穿透这些介质区域，传播速度会发生改变。20世纪70年代，我国地震工作者开始对波速比进行研究，取得了许多研究成果，尤其是在中强地震前波速比异常变化方面，根据地震前波速比异常现象还成功预报了一些强震[1-4]。
2011-03-24缅甸境内7.2级地震开启了云南地区第5个地震活跃期，特别是2013年以来滇西至滇西南地区5 a内连续发生了一系列5级以上地震，呈现出中强震时空密集的情况[5]。本文利用云南区域数字地震台网记录资料, 用单台多震和达法，对滇西地区(23°~28°N、98°~102°E)至滇西南地区(21°~23°N、99°~102°E)2010年以来的波速比演化进行动态追踪，分析滇西至滇西南地区MS≥5.5地震前的波速比异常变化特征，探讨其与地震孕育过程的关系；再对MS≥5.5地震进行不同方位波速比异常对比分析，总结发震位置与异常台站之间的时空演化关系，以期对判定地震危险区域、认识滇西及滇西南地区中强地震孕育演化过程中介质物性变化提供参考。
1 资料和计算 1.1 资料选取滇西至滇西南地区是地震发生较为频繁的地区，该区主要活动断裂带有怒江断裂带、红河断裂带、程海-宾川断裂带、大盈江断裂带、龙陵-瑞丽断裂带、澜沧江断裂带、无量山断裂带、哀牢山断裂带、南汀河断裂带等，是5级以上地震的多发区[6]。选取滇西和滇西南地区共22个地震监测台站的波形数据(图 1)，搜集和整理研究区2010~2017-10震相观测报告，为使研究结果可靠，针对单台多震法计算波速比的特点，本文采用以下参数作为约束条件：1)地震数据个数N=80(1个滑动)，即采用80次地震为一组数据得到一个波速比值；2)Δt < 20 s，即最大的震中距范围为168 km；3)排除每组数据中离差偏差大的震相数据；4)相关系数R≥0.95，误差估计γ≤0.05，删除线性拟合较差的数据；5)选择震级ML≥2.5，主要考虑小地震测定精度较差，容易在时间和空间上形成小的丛集，所以选择定位精度较好的地震参与计算[7]。
|
图 1 滇西至滇西南地区台站和MS≥5.5地震震中空间分布 Fig. 1 Distribution of stations and epicentral distribution of west and southwest in Yunnan province |
在假定震源区到地表介质为理想均匀弹性的条件下，纵波速度vP和横波速度vS与介质泊松比σ、弹性模量E、介质密度ρ之间的关系为[8]：
| $ {v_{\rm{P}}} = {\rm{ }}\sqrt {\frac{E}{\rho }{\rm{ }}\left( {1 + {\rm{ }}\frac{{2{\sigma ^2}}}{{1 - \sigma - 2{\sigma ^2}}}} \right)} $ | (1) |
| $ {v_{\rm{S}}} = {\rm{ }}\sqrt {\frac{E}{\rho }{\rm{ }}\frac{1}{{2\left( {1 + \sigma } \right)}}} $ | (2) |
| $ \frac{{{v_{\rm{P}}}}}{{{v_{\rm{S}}}}} = {\rm{ }}\sqrt {\frac{{2\left( {1 - \sigma } \right)}}{{1 - 2\sigma }}} $ | (3) |
由式(3)可知，vP/vS为介质泊松比σ的函数，主要反映地壳中上层介质泊松比的变化，纵波和横波的速度则与介质的泊松比σ、弹性模量E、介质密度ρ密切相关。根据纵波走时与纵波、横波到时差的线性关系得到vP/vS波速比值为：
| $ \frac{{{v_{\rm{P}}}}}{{{v_{\rm{S}}}}} = 1 + {\rm{ }}\frac{{n\sum\limits_{i = 1}^n {\varDelta t_i^2} - {{\left( {\sum\limits_{i = 1}^n {\varDelta t_i^{}} } \right)}^2}}}{{n\sum\limits_{i = 1}^n {\varDelta t_i^{}{t_{{{\rm{P}}_i}}}} - \sum\limits_{i = 1}^n {{t_{{{\rm{P}}_i}}}} \sum\limits_{i = 1}^n {\varDelta t_i^{}} }} $ |
线性相关系数R为:
| $ R = {\rm{ }}\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{t_{{{\rm{P}}_i}}} - \overline {{t_{\rm{P}}}} } \right) - {\rm{ }}\left( {\varDelta {t_i} - \varDelta \overline {{t_i}} } \right)} }}{{\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {\left( {{t_{{{\rm{P}}_i}}} - \overline {{t_{\rm{P}}}} } \right)} {\rm{ }}{^2}\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {\varDelta {t_i} - \varDelta \overline {{t_i}} } \right)}^2}} } }}{\rm{ }} $ |
计算误差为：
| $ \gamma = {\rm{ }}{\left( {\frac{{{v_{\rm{P}}}}}{{{v_{\rm{S}}}}} - 1} \right)^2}\sqrt {\left| {\frac{{n\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {\delta {t^\prime }_{{{\rm{P}}_i}}} \right)}^2}} }}{{\left( {n - 2} \right){\rm{ }}\left[ {n\sum\limits_{i = 1}^n {\varDelta t_i^2 - {\rm{ }}{{\left( {\sum\limits_{i = 1}^n {\varDelta t} } \right)}^2}} {\rm{ }}} \right]}}} \right|} $ |
式中，tPi为纵波走时，Δt=ΔtSi－ ΔtPi，tSi为横波走时，n为每次地震到时数据的个数，δt′Pi=(tPi－t0)－Δti/(vP/vS－1)。
2 单台波速比计算结果 2.1 波速比的动态演化图像 2.1.1 2011-03-10盈江5.8级地震由图 2可知，以震中为圆心、半径为160 km的范围内有畹町台、芒市台、保山台和永德台。在盈江地震前，4个台站的波速比都出现短期和中期异常，其中畹町台和芒市台波速比异常最为显著，持续时间最长。畹町台波速比2010-04~2011-01持续了10个月的低值，最小值达1.7，后转折上升达到均值继续升高，在高值回返过程中发生地震，震后逐渐下降恢复至正常值；芒市台波速比从2010-06左右开始上升，2010-12出现短期的低值返回，1个月后转折上升，最高值达1.76，超过均值，临震回升现象显著，震后逐渐下降至正常值附近；保山台和永德台波速比2010-12处于高值，即在震前4个月表现为高值异常，2011-01、2011-02震前3个月内变为低值异常，2个台波速比异常趋势一致，过程大致同步。
|
图 2 滇西、滇西南22个台站2010~2017-10波速比时间变化曲线 Fig. 2 Wave velocity versus time curves of 22 stations in west and southwest Yunnan from 2010 to October 2017 |
由图 2可知，距离震中160 km范围内有洱源、云龙、鹤庆、泸水、保山、永胜和丽江8个台站。其中，洱源台波速比2012-03~2012-11持续了9个月的低值异常，最低达1.66，震前3个月恢复到平均值；云龙台波速比在2012-08~2012-12处于高值，最高达1.77，高于理想弹性体的1.73，然后开始加速下降至平均值附近，短临异常不明显；鹤庆台波速比2010-01~2011-03维持了15个月的低值，而后逐渐恢复到均值，直到地震发生；泸水台波速比异常大致始于2011-05，2012-05出现显著升高，而后维持低值；保山台波速比低值异常持续1 a左右，震前2个月有升高趋势；永胜台波速比异常始于2010-12，2012-07~2012-10突然增高，后下降维持低值趋势直到发震；丽江台波速比在2010-01~2011-05处于低值，2011-06~2012-07比较稳定，维持在均值附近，震前3个月出现升高-下降的台阶式异常。
2.1.3 2013-08-31中甸5.9级地震由于中甸地震周边地区海拔高、台站密度低等客观原因，满足距离条件的只有中甸和贡山2个台站，且贡山台数据从2014年开始才可用。由图 2可知，中甸台波速比从2012-07开始急剧上升，至2013-05达到最高值1.77，6月有下降趋势，但仍维持在高值水平，地震发生后返回低值，2016~2017-10波速比稳定性较好，在平均值附近波动。
2.1.4 2014-05-24、05-30盈江5.6级、6.1级地震由图 2可知，畹町台和芒市台波速比低值异常比较显著，畹町台波速比在2012~2014年持续了2 a的低值，震前1个月出现高值返回，高值突跳值为1.79；芒市台波速比从2012-08开始处于低值，持续到2014-01，震前3个月也有高值返回，单点高值达1.75；保山台和泸水台波速比异常持续时间相对较短，震前5个月才从平均值附近开始加速上升；泸水台波速比在震前3个月出现突然升高现象。
2.1.5 2014-10-07和12-06景谷6.6级和5.9级、5.8级地震由图 2可知，景谷台波速比自2011-10开始下降，持续到2012-12，2013-01~2014-02在均值上下随机波动，低值点多于高值点，2014-03~2014-10波速比出现缓慢上升趋势；临沧台波速比2012-06~2014-10持续低值，震前10 d出现显著高值回返现象；思茅台波速比2010-01~2012-03呈低值-回升-均值附近波动的趋势，2012-04~2012-10急速下降，到达最低值1.6，之后在较短时间内回升到均值附近，2013-05又剧烈下降到1.63，而后回升，2014-01再次逐渐下降直到地震发生，震后至今波速比在均值之上变化；澜沧台波速比2010~2012年持续低值，2013~2014-03变为高值，2014-04转折缓慢下降至均值以下后发生地震；云县台波速比2011-06~2013-03在均值偏下变化，2013-04突然加速下降，最低值到1.66；沧源台波速比2011-03~2012-03持续了1 a的低值，于4月缓慢上升突破均值，保持两个月的高值，7月突然下降，2012-08~2013-012又持续低值，2014-01开始高值回升，至震前2个月达最高值1.75；永德台波速比在2011~2014-10一直处于低值；孟连台波速比在震前10个月出现逐渐加速减小的现象；景洪台波速比2010-09~2012-06持续了约2 a的低值异常，然后突跳上升在均值以上波动，震前2 a异常不明显。
2.1.6 2015-03-01沧源5.5级地震由图 2可知，景谷MS6.6地震后沧源台波速比由近年来的最高值1.75突然下降至最低值1.63，在震前2个月出现转折上升的现象，震后逐渐上升，回返至均值附近；永德台波速比在2011~2014-10一直处于低值，震后突跳上升，持续高值3个月，直到地震发生；畹町台波速比在景谷MS6.6地震后并没有趋于稳定，反而下降至1.69的低值，震前3个月一直持续低值状态；临沧台波速比2012-06~2014-10持续低值，景谷MS6.6地震后波速比突跳较多，整体趋势是由低值逐渐向均值回升，然后发生地震；孟连台波速比2014-01~2014-10处于低值，11月返回高值，持续到地震发生；澜沧台和云县台波速比在地震前3个月表现为高值异常。
综上所述，滇西至滇西南地区近期几次中强地震前震中距160 km范围内的各台站波速比变化特征虽然有许多不同之处，但整体看来有以下几个共同特征：
1) 在中强地震前出现高、低波速比异常特征。滇西至滇西南地区为中强震多发区，其深部构造以高速层地壳为主，同时上地壳底部存在一低速层[9]。波速比数值由于地震波所经途径的不同而异[10]，因此滇西至滇西南地区在中强地震前出现的高、低波速比异常特征，与其地下构造是密切相关的。
2) 波速比异常过程在时间演化进程上出现的形态特征主要有：下降-持续异常-回升-发震、正常-降低-上升(恢复)-发震、低值持续-急剧上升-发震、正常-上升-高值持续-发震、低值-回升-均值附近-发震、高值-低值回返-均值附近-发震等。
3) 波速比异常开始时间和持续时间主要有3个月的短临异常、4个月~1 a的中期异常、2~3 a的中长期异常，持续时间最长的有3 a多，最短的仅几天。
4) 地震前后平均波速比围绕理想弹性体波速比值起伏，临震回升现象明显。
2.2 波速比分区特征分别对盈江MS5.8、洱源MS5.5、盈江MS6.1、景谷MS6.6地震前出现异常的地震台站围绕震源进行不同空间范围的波速比变化特征对比分析，结果见图 3(蓝色为震前异常持续时间较长、变化幅度大、临震有回升现象的台站；黄色为震前异常时间较短、变化幅度小、趋势稳定的台站)，这4次地震前不同台站波速比异常的时空变化特征具有同步性和差异性。2次盈江地震前，位于震源东南部的畹町台、沧源台、永德台波速比存在明显的大幅度低值变化，持续时间1 a以上；洱源地震前波速比异常显著区域分布在震源东部的洱源台、鹤庆台、永胜台和丽江台，可能与台站处的地下介质动态变化及震区构造活动密切相关；景谷地震前，在震源西北部的波速比异常持续时间长、变化幅度大，值得注意的是，异常明显区域与震区被澜沧江断裂隔开，分属于不同的活动断裂带。这几次地震前波速比异常变化时空演化特征表明，在中强地震孕育过程中，很可能存在地壳介质弹性特性的改变[11]，这种改变具有明显的方位性和时间过程的同步性。
|
图 3 地震前出现波速比异常现象的台站 Fig. 3 The seismic stations with vP/vS abnormal before earthquake |
1) 利用单台多震和达法计算波速比，对滇西至滇西南地区近期几次中强地震前震中距160 km范围内的各台站波速比变化特征进行动态跟踪分析，发现中强震前波速比存在异常现象，异常形态表现为：下降-持续异常-回升-发震、正常-降低-上升(恢复)-发震、低值持续-急剧上升-发震、正常-上升-高值持续-发震、低值-回升-均值附近-发震、高值-低值回返-均值附近-发震等。
2) 波速比异常持续时间最长达3 a多、最短为几天，表现出明显的中期和短临异常特征，中期特征主要有低值异常、高值异常、低值-高值-低值、高值-正常4种形态，短临异常特征主要有低值-高值回返、高值持续、低值持续3种形态。
3) 分别对盈江MS5.8、洱源MS5.5、盈江MS6.1、景谷MS6.6地震前出现波速比异常的地震台站进行波速比异常时间变化过程的准同步性和空间分布的集中性分析发现，2次盈江地震前，异常明显区域均位于震源东南部，洱源地震前异常突出区域位于震源的东北部。从地质构造上看，这3次地震的震区与异常显著区域距离较近，处于同一构造带或不同构造带的交汇区域。景谷地震前异常显著区域位于澜沧江断裂西北部的临沧地区，与景谷地震不在同一构造带上，而与其同在澜沧江断裂带以东的思茅台在震前波速比异常表现为在均值附近高低起伏交替变化，没有长时间的异常持续现象，这可能是由于断裂两侧横向介质均匀性很大，地质环境差异较小，应力场作用相当。因在澜沧江断裂以东的台站较少，无法进行更多的数据对比，该现象有待进一步研究。
| [1] |
钱晓东, 苏有锦. 2008年攀枝花6.1级地震前后波速比变化研究[J]. 地震研究, 2013, 36(1): 15-23 (Qian Xiaodong, Su Youjin. Variation Research of Wave Velocity Ratio before and after Panzhihua MS6.1 Earthquake[J]. Journal of Seismological Research, 2013, 36(1): 15-23 DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2013.01.003)
(  0) |
| [2] |
董颂声, 葛焕称, 罗荣联, 等. 根据波速比变化预报地震的一个实例[J]. 地震研究, 1978(3): 21-31 (Dong Songsheng, Ge Huancheng, Luo Ronglian, et al. An Example of Earthquake Prediction Based on Variation of Wave Velocity Ratio[J]. Journal of Seismological Research, 1978(3): 21-31)
( 0) |
| [3] |
李永莉, 毛慧玲, 苏有锦. 滇西地区近期强震前的波速比异常演化[J]. 地震研究, 2009, 32(1): 6-10 (Li Yongli, Mao Huiling, Su Youjin. Evolution of Wave Velocity Ratio Anomaly before Current Strong Earthquakes in West Yunnan[J]. Journal of Seismological Research, 2009, 32(1): 6-10 DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2009.01.002)
( 0) |
| [4] |
王林瑛, 李艳娥, 郑需要, 等. 芦山MS7.0强震前单台波速比变化特征研究[J]. 地震学报, 2014, 36(1): 42-58 (Wang Linying, Li Yan'e, Zheng Xuyao, et al. Temporal Variation of vP/vS at Single Seismic Station before the 2013 Lushan MS7.0 Earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 2014, 36(1): 42-58 DOI:10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.004)
( 0) |
| [5] |
何应文, 曹白伦, 匡福江, 等. 滇西南地区地震活动特征分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2016, 37(5): 19-27 (He Yingwen, Cao Bailun, Kuang Fujiang, et al. Analysis of Seismic Characteristics in Southwest of Yunnan Province[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2016, 37(5): 19-27)
( 0) |
| [6] |
何应文, 段元泽, 赵文舟, 等. 景谷MS6.6地震前后区域尾波QC值变化特征研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2017, 37(增4): 19-23 (He Yingwen, Duan Yuanze, Zhao Wenzhou, et al. Study on Variation Characteristics of Regional Coda QC Values before and after Jinggu MS6.6 Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2017, 37(S4): 19-23)
( 0) |
| [7] |
徐鑫, 刘东旺, 刘泽民. 安徽及邻区中强震前波速比变化研究[J]. 华北地震科学, 2013, 31(1): 16-19 (Xu Xin, Liu Dongwang, Liu Zemin. Study on Seismic Velocity Ratio Changing before Moderate-Strong Earthquake in Anhui Province and Its Surrounding Area[J]. North China Earthquake Sciences, 2013, 31(1): 16-19 DOI:10.3969/j.issn.1003-1375.2013.01.003)
( 0) |
| [8] |
姚家骏, 王培玲, 刘文邦. 玉树7.1级地震前后波速比变化特征分析[J]. 高原地震, 2012, 24(3): 6-10 (Yao Jiajun, Wang Peiling, Liu Wenbang. Analysis on the Variation of Wave Velocity Ratio before and after Yushu MS7.1 Earthquake[J]. Plateau Earthquake Research, 2012, 24(3): 6-10 DOI:10.3969/j.issn.1005-586X.2012.03.002)
( 0) |
| [9] |
阚荣举, 韩源.云南地学断面[C].中国地球物理学会第六届学术年会, 武汉, 1990 (Kan Rongju, Han Yuan. Geological Section of Yunnan[C].6th Annual Conference of Chinese Geophysical Society, Wuhan, 1990) http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGDW199010001085.htm
( 0) |
| [10] |
张晖.内蒙古地区波速比变化特征的研究[D].兰州: 中国地震局兰州地震研究所, 2013 (Zhang Hui, Study on Wave Velocity Ratio in Inner Monglia[D]. Lanzhou: Lanzhou Institute of Seismology, CEA, 2013) http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-85403-1014227759.htm
( 0) |
| [11] |
李丽, 宋美琴, 吴昊昱, 等. 2010年河津MS4.8地震前后单台波速比变化特征分析[J]. 地震地磁观测与研究, 2016, 37(1): 8-14 (Li Li, Song Meiqin, Wu Haoyu, et al. Temporal Variation of vP/vS at Single Seismic Station before and after Hejin MS4.8 Earthquake in the Year 2010[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2016, 37(1): 8-14)
( 0) |
2. Lincang Earthquake Agency of Yunnan Province, 350 Shiji Road, Lincang 677000, China;
3. Linxiang District Earthquake Agency of Yunnan Province, 101 Baita Road, Lincang 677000, China;
4. Deformation Measurement Center, Yunnan Earthquake Agency, 249 Zhichun Road, Kunming 650041, China;
5. Shuangjiang Water Conservancy Bureau of Yunnan Province, 30 North-Huigui Road, Shuangjiang, Lincang 677300, China