2022, Vol. 42
当地下介质受到应力作用出现微破裂、扩容、塑性硬化及相变等变化时，通过地壳介质的地震P波速度变化较大，S波速变化很小，从而导致波速比出现变化，这是利用波速比研究介质物性的重要依据[1]。波速比的变化能在一定程度上反映地下介质的变化，也能间接反映构造应力的作用，所以常被用于地震研究。已有震例表明，典型的震前波速比异常呈现下降-回升-发震的变化[2-6]，某些地震前波速比呈现下降-发震的变化[7-9]，也有震例中主震前波速比出现下降-回升-下降-发震的复杂变化[10]。
2013-12-16湖北巴东(110.45°E, 31.1°N)发生MS5.1地震，是三峡水库附近蓄水以来发生的最大地震。前人针对巴东地震的地震类型[11]、发震构造与成因机制[12]等开展了许多研究。早期对三峡库区的波速比研究表明，库区ML2.0~ML3.0地震发生前波速比出现震前降低-震后回升的变化[13]，但目前尚未有针对2013年巴东MS5.1地震前后波速比变化特征的研究。本文分别利用单震多台及单台多震和达法计算波速比，探讨波速比在巴东地震前后的时空演化特征。
1 计算方法假设某个地震被n个台站记录到，通过观测报告提取P波走时tPi和S波走时tSi，计算纵横波到时差Δti=tSi－tPi，对这组tPi和Δti利用最小二乘法拟合直线求得斜率，加上1即可得到波速比。图 1中白色圆为2008~2013年地震，紫色圆为2014~2021年地震，黑色三角为台站，红色线框内为单震多台法选用的地震。整理图 1中2008~2021年的地震观测报告，提取出初至P波、S波的走时数据，参考文献[9]的方法计算波速比VP/VS及相关系数R、计算误差γ等。
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图 1 研究区域及地震分布 Fig. 1 Earthquakes distribution and the study area |
利用单台多震和达法计算研究区内各个台站单台波速比，选取台站周边半径170 km内ML≥1.5地震作为研究资料，选取计算误差γ≥0.05、相关系数R≥0.95、70~90个地震的走时数据为一组资料计算得到1个波速比，在图 2中以黑色空心圆表示；为提高结果的稳定性和可靠性，以10个波速比求平均、1个波速比滑动得到滑动平均值，在图 2中以蓝色线段表示。结果表明，有8个台站的单台波速比出现异常变化，这8个台站分布如图 3中红色三角所示。据已有研究，巴东MS5.1地震为走滑兼逆冲地震，震源机制解如图 3中红色震源球所示。前人得到的震源机制及余震序列展布表明，发震断裂走向为NEE，震源区受到NEE近EW向的水平挤压作用[12]。而从图 3可知，波速比异常台站分布长轴呈近EW向展布，与发震断裂的走向吻合，单台波速比异常台站分布反映了孕震区的大概范围。
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图 2 8个异常台站波速比随时间的变化 Fig. 2 The temporal variations of wave velocity ratio of the 8 abnormal stations |
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图 3 8个异常台站分布 Fig. 3 Distribution of the 8 abnormal stations |
由图 2可见，8个台站波速比在巴东MS5.1地震前变化形态较为相似，但略有差异。波速比随时间呈现明显的下降-回升变化，从2009~2011年主要为下降变化，2012~2013年主要为回升变化。在2017年、2018年2次秭归4级以上地震前波速比也有短时间的小幅下降或者下降-回升过程，但异常幅度和持续时间均不如2013年巴东MS5.1地震前。JIP、SHL、YCH、JIZ、YDU等台站单台波速比在2013年巴东MS5.1地震后短时间内仍持续升高，这可能是因为主震破裂后，库水大面积涌入，造成P波速度恢复，从而导致波速比增大。表 1统计了上述8个台站单台波速比异常变化形态。可以看出，各个单台波速比的变化特征基本一致，均表现为下降-回升-发震，但下降及回升的持续时间有差异，这种差异与震中距的大小没有明显的关系。
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表 1 单台波速比异常特征 Tab. 1 The abnormal characteristic of wave velocity ratio obtained by the single station method |
利用单震多台和达法计算图 1中红色线框区域内ML≥1.0地震的波速比，计算时选取震中距100 km范围内的台站记录到的纵横波走时，计算误差γ ≥0.05，以600 d作为时间窗长计算出波速比平均值，并以30 d作为时间步长滑动，得到研究区内多台波速比随时间的变化特征，如图 4所示，图中虚线为1倍均方差。可以看出，多台波速比的平均值约为1.69，波速比在2009~2013年整体较低，2009年约为1.68，之后开始下降，2012年降至最低水平(约为1.65)，此后2 a波速比一直回升，直至2013-12发生巴东MS5.1地震，波速比升至最高值(约为1.72)。地震后波速比略有下降但仍维持高值，2014-03秭归分别发生MS4.3、MS4.7地震。2015年波速比开始下降，至2016年降至平均值，之后小幅回升，2017-06该区秭归、巴东分别发生MS4.3、MS4.1地震。之后波速比再次出现下降-回升变化，2018-10秭归发生MS4.5、MS4.1地震。此后波速比平稳变化，截至目前研究区内再无显著地震发生。综上，2013年巴东MS5.1地震前研究区内多台波速比呈现明显的2 a下降-2 a回升变化过程，与典型的波速比异常形态较为一致，异常持续时间约为4 a。2017年与2018年2次MS4.0以上地震发生前波速比也经历下降-回升变化过程，但下降幅度及持续时间均小于2013年巴东MS5.1地震前。
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图 4 多台波速比随时间的变化 Fig. 4 The temporal variations of wave velocity ratio obtained by the multi-station method |
根据多台波速比随时间的变化，以0.3°×0.3°为空间窗口、0.1°×0.1°为空间窗长滑动，分3个时段给出图 1中红色线框内波速比的空间分布，如图 5所示。
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图 5 多台波速比空间演化特征 Fig. 5 The spatial evolution characteristic of wave velocity ratio obtained by the multi-station method |
从图 5看出，2008~2009年巴东周边波速比有部分高值，2010~2012年巴东周边波速比在大范围内呈现明显的低值，2014~2015年波速比升至高值，且高于2008~2009年。波速比低值集中分布在巴东MS5.1地震周边区域，反映震中周边地区介质在构造应力作用下产生微裂隙，P波速度下降，从而导致波速比出现大面积低值异常；震后波速比出现大面积高值是因为库水渗透、P波速度恢复所致。
3 讨论波速比在强震前的异常变化一般可分为2种形态，分别是下降-回升-发震和下降-发震，巴东MS5.1地震为前者。波速比在强震前的下降-回升异常现象可通过扩容-流体模式[14-15]解释，这种模式中流体起到关键作用，震中附近构造应力的积累造成微裂隙增加，引发扩容，P波速度下降导致波速比下降，而后期流体渗入裂隙中使P波速度恢复，从而导致波速比升高。
巴东MS5.1地震发生在长江三峡库区，该区岩溶发育，有利于库水持续向地下渗透，地震发生在三峡水库175 m高水位缓慢下降阶段，震中距离长江干流4.3 km。随着构造应力的积累，深部岩石扩容，波速比下降，随着蓄水容量的增加，水向下渗透速度加快，岩石孔隙液压上升，波速比开始明显回升，所以2013年巴东MS5.1地震前波速比才会出现下降-回升的变化形态，异常持续时间约为4 a，变化幅度约为4%。1962年新丰江水库MS6.1地震前波速比也呈现出类似的下降-回升变化[4]，但异常持续时间仅约1 a，变化幅度约为11%。
统计几次强震前波速比的异常变化形态，如表 2所示，可以看出，波速比的异常持续时间、异常幅度与震级大小似乎并不存在相关关系。可能是因为这些地震处于不同的构造区域，区域地下介质物性不同，受到的构造应力作用方式不同，所以反映到波速比上的异常幅度及持续时间也不尽相同。
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表 2 波速比异常总结 Tab. 2 Summary of wave velocity ratio anomalies |
研究区内在2017年、2018年分别发生数次MS4.0以上地震，这些地震前波速异常现象不再显著。新丰江水库6.1级地震后曾发生过数次MS4.0~5.0地震，这些地震前波速比异常也不显著[4]，与本文结果相似。这种现象可能是因为岩石中的裂隙水已经处于饱和或近饱和状态，即使构造应力再次积累，形成新裂隙，库水也能快速注入，所以波速比的异常就不再显著，说明水库地区波速比受库水的影响较大。
4 结语本文采用2008~2021年巴东周边地区地震的纵横直达波走时数据，分别采用单台多震、单震多台和达法计算波速比，分析2013年巴东MS5.1地震前波速比的时空演化特征。多台波速比的空间演化特征表明，震前波速比低值主要分布在巴东MS5.1地震震中周边地区，地震后波速比大范围回升至较高值；时间演化特征表明，巴东MS5.1地震前波速比出现2 a下降-2 a回升的变化形态。2013年巴东MS5.1地震前震中东西两侧8个台站的单台波速比出现不同程度的下降-回升变化。2种方法计算得到的波速比结果随时间的变化形态较为相似，可以相互印证。
| [1] |
冯德益. 地震波速异常[M]. 北京: 地震出版社, 1981 (Feng Deyi. Abnormal Seismic Wave Velocity[M]. Beijing: Seismological Press, 1981)
(  0) |
| [2] |
Whitcomb J H, Garmany J D, Anderson D L. Earthquake Prediction: Variation of Seismic Velocities before the San Francisco Earthquake[J]. Science, 1973, 180(4 086): 632-635
( 0) |
| [3] |
冯锐, 庞庆衍, 傅征祥, 等. 海城地震前后地震波速比的变化[J]. 地球物理学报, 1976, 19(4): 295-305 (Feng Rui, Pang Qingyan, Fu Zhengxiang, et al. Variations of VP/VS before and after the Haicheng Earthquake of 1975[J]. Acta Geophysica Sinica, 1976, 19(4): 295-305)
( 0) |
| [4] |
冯锐. 新丰江6.1级水库地震前后的波速比变化[J]. 地球物理学报, 1977, 20(3): 211-221 (Feng Rui. On the Variations of the Velocity Ratio before and after the Xinfengjiang Reservoir Impounding Earthquake of M=6.1[J]. Acta Geophysica Sinica, 1977, 20(3): 211-221)
( 0) |
| [5] |
王林瑛, 郭永霞, 刘芳, 等. 文安地震前后首都圈分区波速比时变特征[J]. 地震学报, 2008, 30(3): 240-253 (Wang Linying, Guo Yongxia, Liu Fang, et al. Temporal VP/VS Variation Characteristics in Different Zones of China's Capital Area before and after 2006 Wen'an Earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 2008, 30(3): 240-253 DOI:10.3321/j.issn:0253-3782.2008.03.003)
( 0) |
| [6] |
刘自凤, 张天继, 付虹, 等. 2018年云南通海5.0级地震前波速比变化特征[J]. 地震研究, 2018, 41(4): 494-502 (Liu Zifeng, Zhang Tianji, Fu Hong, et al. Characteristics of Wave Velocity Ratio Change before Yunnan Tonghai MS5.0 Earthquake in 2018[J]. Journal of Seismological Research, 2018, 41(4): 494-502 DOI:10.3969/j.issn.1000-0666.2018.04.002)
( 0) |
| [7] |
卢显, 张晓东, 周龙泉, 等. 紫坪铺水库区域地震波速比计算及研究[J]. 中国地震, 2013, 29(2): 236-245 (Lu Xian, Zhang Xiaodong, Zhou Longquan, et al. Calculation and Research on VP/VS Ratio in the Zipingpu Reservoir Area[J]. Earthquake Research in China, 2013, 29(2): 236-245 DOI:10.3969/j.issn.1001-4683.2013.02.006)
( 0) |
| [8] |
李艳娥, 王林瑛, 郑需要. 汶川地震前后波速比变化特征的再研究[J]. 地震学报, 2014, 36(3): 425-432 (Li Yan'e, Wang Linying, Zheng Xuyao. Restudy of the Variation of VP/VS before and after the Wenchuan Earthquake[J]. Acta Seismologica Sinica, 2014, 36(3): 425-432 DOI:10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.008)
( 0) |
| [9] |
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) |
| [10] |
刘继禄, 张从珍, 李雪英, 等. 张北6.2级地震前京西北地区地震波速比的异常变化[J]. 地震地磁观测与研究, 2000, 21(1): 6-11 (Liu Jilu, Zhang Congzhen, Li Xueying, et al. The Abnormal Change of Wave Velocity Ratio in Northwest of Beijing before Zhangbei 6.2 Earthquake[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2000, 21(1): 6-11)
( 0) |
| [11] |
陈蜀俊, 姚运生, 吴建超, 等. 巴东MS5.1地震: 一种新的水库地震类型[J]. 大地测量与地球动力学, 2014, 34(3): 1-5 (Chen Shujun, Yao Yunsheng, Wu Jianchao, et al. Badong MS5.1 Earthquake: A New Type of Reservoir Earthquake[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2014, 34(3): 1-5)
( 0) |
| [12] |
张丽芬, 廖武林, 李井冈, 等. 2013年12月16日巴东M5.1地震序列及发震构造分析[J]. 地震地质, 2016, 38(3): 747-759 (Zhang Lifen, Liao Wulin, Li Jinggang, et al. Analysis on the 2013 Badong M5.1 Earthquake Sequence and the Seismogenic Structure[J]. Seismology and Geology, 2016, 38(3): 747-759)
( 0) |
| [13] |
陈俊华, 王墩, 李垠, 等. 三峡水库二期蓄水以来巴东地区波速比特征分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2007, 27(增1): 28-31 (Chen Junhua, Wang Dun, Li Yin, et al. On Characteristics of Wave Velocity Ratio in Badong Area since Second Impoundment of Three Gorges Reservoir[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2007, 27(S1): 28-31)
( 0) |
| [14] |
Scholz C H, Sykes L R, Aggarwal Y P. Earthquake Prediction: A Physical Basis[J]. Science, 1973, 181(4 102): 803-810
( 0) |
| [15] |
Niu F L, Silver P G, Daley T M, et al. Preseismic Velocity Changes Observed from Active Source Monitoring at the Parkfield SAFOD Drill Site[J]. Nature, 2008, 454(7 201): 204-208
( 0) |