1 研究背景

波速比是特征化描述岩石成分和流体饱和度的重要参数，可用来反映地下介质性质改变以及间接反映断层活动情况。波速比研究是地震学领域重要的研究方向，常用多台或者多震方法计算平均波速比（黎明晓等，2004；张小涛等，2012；王林瑛等，2014）。但在震群活动过程中，震中较为集中，传统波速比计算方法不能准确反映震源区地下介质情况。Lin等（2007）提出，基于P波、S波的双差思想，将距离同一台站相近的2个地震组成一组，通过扣除这2个地震射线的相同路径，获得震群震源区波速比。该方法首次讨论和检验了应用2次差分来计算震源区波速比的可行性，随后诸多学者做了相关研究（Dahmet al，2014；Bachura et al，2016；贾漯昭等，2017；郑建常等，2018）。双差波速比方法是，基于误差分布和概率密度，借鉴双差定位程序中2次差分技术，使用台站S与P震相到时差和台站对的2次差分，扣除地震射线相同路径, 实现震群活动波速比值求解。

据历史地震资料，1976年2—3月期间，在庙岛群岛的大黑山岛和砣矶岛附近记录到2次震群活动。有研究认为，2次震群可能是1976年唐山M_S 7.8强震的“前兆性震群”（魏光兴等，1980）。2017年2月14日山东长岛发生震群活动，且地震活动频度和强度大于唐山地震前长岛地区地震活动水平，因此有必要对此次震群活动开展深入研究。鉴于长岛地区地震台站分布相对不均匀，包围性差，利用二维高斯分布的概率密度函数拟合来估计震源区波速比，不依赖震源区外介质速度变化，不仅能真实反映震群集中区波速比分布特征，丰富数据量，而且可充分利用不同事件、不同台站之间的到时差信息。本文尝试应用双差波速比方法研究此次长岛震群震源区波速比变化，以期真实反映长岛地区介质特性，提供地震孕育的震兆信息。

2 研究内容

2017年2月14日长岛震群开始活动，且发展迅速，3—6月地震活动密集，10月以来频次与强度均有所减弱，震群活动呈起伏性衰减。此次长岛震群共记录到2 466次可定位地震活动，其中M_L 4.0—4.9地震4次，M_L 3.0—3.9地震40次，最大地震为3月3日M_L 4.5地震。该震群是长岛地区有记录以来活动强度最高、发震频次最多的一次震群活动。

考虑到观测数据的连续性及信噪比等，震中过近（≤50 km）的台站数据不予选用，最终选取震中距150 km以内的12个台站记录资料进行分析。为保证Pg、Sg震相数量及记录可靠性，按以下原则选取震例：震级M_L≥1.5，P、S波震相清晰，至少被4个台站清晰记录。基于此，得到522次地震事件，采用双差波速比方法，求取震源区介质波速比。使用双差方法重新定位发现，长岛震群集中分布在较小破裂范围内，破裂区优势长度不超过8 km，其共轭方向的破裂长度约4 km，震源位置集中，相对震源到台站的传播路径，震群的震源区尺度很小，因此可以使用双差波速比方法来求取震源区的介质波速比变化。

3 研究结果

使用0.01 s×0.01 s网格进行统计，得到可用{$\widehat{\delta}$T^P, $\widehat{\delta}$T^S}数据对451 592个，方便起见，在下文中，使用ddtp和ddts分别代替$\widehat{\delta}$T^P和$\widehat{\delta}$T^S，因不同统计单元的数据对数量差距较大，将每个统计单元的数据对个数取对数，得到长岛震群定位误差分布图像，结果见图 1(a)，可以看出，震相数据对的误差空间分布图像良好。对图 1(a)所示误差进行二维高斯分布拟合，得到图 1(b)，图中等值线为拟合函数概率密度分布，红色实线为误差椭圆长轴，其斜率即为长岛震群震源区波速比值r，可得r =1.731 8，平均拟合相关系数为0.876。

长岛震群活动具有阶段性特征，按M_L 4.0地震活动发生时间，将震群划分为5个时间段，计算各时段震源波速比，结果见表 1。

分析发现，主震发生前，震源区波速比处于低值状态，2017年2月、3月为震群活跃时期，3月4级以上地震密集发生，分析认为波速比低值或许与震群较大地震孕育有关。随后，波速比呈上升变化，6月18日M_L 4.0地震发生前再次出现低值现象，震后再次上升，可能是因为，随着震群活动的持续，地下流体向震源区裂隙渗透，震源区介质含水趋于饱和，波速比显示高值变化（周惠兰等，1982）。长岛震群自2017年8月起，地震发生次数明显减少，波速比值相对处于高值状态。小震重新定位结果显示，2017年8月起小震分布区域逐渐向外围扩散。分析发现，震源区波速比的波动变化与震群活动过程密切相关，能较好反映序列活动的阶段性特征。

使用单震多台法计算长岛震群平均波速比（图 2），以便与传统波速比计算结果进行比较。由图 2可见：在长岛震群活动期间，从整体看，在震群活动初期，平均波速比由低值逐渐升高，后在均值线（蓝线）附近波动，无明显转折变化，除个别点外，整体位于均值1.719附近2倍标准差（绿线）范围内；长岛震群前，3次较大地震的波速比出现相对低值，但2017年6月18日M_L 4.0地震前未出现明显低值异常，与本研究所得震源波速比变化结果不一致。相对于传统平均波速比，采用双差波速比方法得到的震源波速比，波动变化与震群活动过程对应效果更好，更能真实反映震源区介质性质。

4 讨论与结论

应用双差波速比方法研究长岛震群震源区介质特性，得到以下认识：

（1）计算得到长岛震群震源区波速比值为1.731 8，略低于以往研究结果所得研究区波速比理论值（约1.732），基本处于均值水平。震群集中区附近断裂错综分布，地壳应力积累略高于周边地区，致使小震频发。从波速比变化来看，该区域存在应力调整，但未出现较大低值异常，不支持该区发生5级以上地震。相应地，该区域近几年未发生5级以上中强震，与本研究计算结果一致。

（2）根据长岛震群活动特性，将震源区波速比划分为5个时间段进行对比，结果显示，震群中较大地震发生前，震源区波速比具有由低值逐渐升高的现象，分析认为，可能与介质破碎流体侵入使得P波波速增加有关。Lin等（2016）认为，波速比值对地下介质温度和压力的变化不敏感，而对流体存在与否更敏感。基于此，若长岛震群震源区存在流体作用，则计算所得震源区波速比变化可以较好地匹配震群活动过程。

（3）运用双差波速比方法，可以有效弥补震源区因台站数量或地震数量少导致数据样本不足、计算不可靠的缺陷。该方法的可靠性可从理论上得到检验，但其仍受到多种因素制约和影响，如台站布局、震相读取误差、震级下限选取等导致的计算误差等，后续研究将进一步优化观测数据，尽可能减小数据质量不佳造成的影响。

郑建常研究员为本研究提供原始计算程序，在此表示感谢。