0 引言

大地震前，受区域应力场变化影响，孕震区域应力增加、应变积累，震源及附近区域地下介质会出现微破裂、塑性硬化、裂相变等现象，地震波在震源区传播过程中，其波速会发生变化（冯德益，1981）。前期诸多学者通过研究国内部分中强地震前后波速比随时间变化特征，得到一些波速比异常信息（戴维乐等，1991；蔡静观等，1996；宋美琴等，2004）。随着各省地震台网的数字化改造，更多学者（龙海英等，2011；姚家骏等，2012；高朝军等，2013；李丽等，2016；张琳琳等，2016；邢康等，2018）基于数字化观测资料研究波速比，积累了更多震例资料。研究发现，波速比异常现象会在强震来临前一定时间内出现，因此可将其作为地震预测预报的一种重要手段。

本文以新源、和静交界M_S 6.6地震（简称主震）为研究对象，综合考虑主震周边地震及台站分布情况，选取北天山部分区域（42°—45°N，83°—87°E）为研究区。运用多台单震和达法和单台多震和达法分析该震前后波速变化信息，将2种方法的计算结果作对比研究，对地震周围台站不同方位地震波速比进行分析，研究发震前后波速比变化特征，为地震趋势预测提供参考。

1 研究方法与原理

和达法最早由日本地震学家和达清夫（Wadati，1928）提出，其原理是，在假定震源区到地表介质为理想均匀弹性的条件下，多次地震事件由单台记录的直达P波、S波到时差与P波走时拟合线性关系得到v_P/v_S波速比值。

单台多震和达法是计算多次地震事件由单台记录的平均波速比（图 1），表征多次地震发生时段内，由多个震源至某个台站直达波穿透路径范围内的平均波速比（李艳娥等，2014），计算公式如下

$ \frac{v_{\mathrm{P}}}{v_{\mathrm{S}}}=1+\frac{n \sum_{i=1}^n \Delta T_i^2-\left(\sum_{i=1}^n \Delta T_i\right)^2}{n \sum_{i=1}^n\left(\Delta T_i \Delta T_{\mathrm{P}_i}\right)-\sum_{i=1}^n \Delta T_{\mathrm{P}_i} \cdot \sum_{i=1}^n \Delta T_i} $

(1)

式中，n为每个地震到时数据个数；T_Pi为P波走时，T_Si为S波走时；ΔTi = T_Si - T_Pi为第i个台站记录的横波和纵波到时差。

相关系数R是描述2个变量间线性相关程度的一种度量结果，其结果越接近1，相关性越强。计算公式如下

$ R=\frac{\sum_{i=1}^n\left(T_{\mathrm{P} i}-\bar{T}_{\mathrm{P}}\right) \cdot\left(\Delta T_i-\Delta \bar{T}\right)}{\sqrt{\sum_{i=1}^n\left(T_i-\bar{T}_{\mathrm{P}}\right)^2-\sum_{i=1}^n\left(\Delta T_i-\Delta \bar{T}\right)^2}} $

(2)

式中，$ \bar{T}_{\mathrm{P}}=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n T_{\mathrm{P}_i}, \quad \Delta \bar{T}_i=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^n \Delta T_i$。

标准差S为各数据值与全体数据值平均数之差平方值的平均数，取平方根用于描述数据的离散程度，公式如下

$ S=\sqrt{\frac{(1-R)^2 \sum_{i=1}^n\left(\Delta T_i-\Delta \bar{T}\right)^2}{n-2}} $

(3)

多台和达法和单台和达法原理相同，公式基本一致，在此不再赘述。

2 资料选取

此次主震发生在台站分布密集的天山中段区域，附近台站波形记录较好。为了获得更多地下介质信息，选取震中附近台站记录进行分析（表 1）。

新疆地区“十五”地震台网改造，观测数据逐渐从模拟记录更新为数字化记录，地震监测能力不断提升，目前对新疆大部分活动断裂带的地震监测能力在1.0—1.5级（尹光华等，2010）。以M_L 1.0为震级下限，资料截取时间统一为2009年1月1日—2013年3月31日，以使尽可能多的观测数据参与计算，观测精度更高。文中仅给出研究区M_L≥2.0地震事件的空间分布，见图 2。

考虑到资料完整性和台站观测数据可靠性，对数据进行以下约束：①事件至少被4个台站记录，筛选直达波数据用于分析；②P波与S波到时差t_S-P≤24 s；③标准差误差严格控制在S≤0.05，且相关系数R≥0.95，线性拟合较差数据予以删除；④采用单台和达法计算波速比值时，以80个地震为1组，即滑动1次需用80次地震联合计算。

3 波速比计算结果 3.1 多台单震和达法计算结果

选取新疆地震台网2009年1月1日—2013年3月30日M_L≥1.0地震直达P波、S波震相，按以上约束原则挑选地震，得到8 909个地震事件，将研究区按0.2°×0.2°进行网格划分，以2009年1月1日—2012年6月30日发震前时刻震前阶段，2012年7月1日—2013年3月30日为震后阶段，采用多台和达法，分段计算震中周边平均波速比，得到区域空间演化图像（图 3），由图 3可知，震前阶段，新源、和静交界M_S 6.6地震周围形成低值区域，波速比平均值1.678 8；震后阶段，低值区域消失，与高朝军等（2013）研究结果基本一致。选取图 3中椭圆区域地震事件进行计算，得到波速比随时间进程曲线，见图 4，图中黑色竖线表示计算误差，蓝色折线为波速比结果，黑色实线为均值线，虚线为1倍标准差，共123个事件参与计算，其中2009年10月—2012年6月29日波速比出现低值异常，该时间段波速比平均值在1.667 7，明显低于整体平均值1.708 1（图 4）；2012年6月30日—2012年7月4日，波速比持续高值突跳（图 4中灰色部分），后恢复至正常活动水平，与龙海英等（2011）的研究结果基本一致。

3.2 单台多震和达法计算结果

考虑到各台站运行环境和数据精度，对表 1中10个台站2009年1月1日—2013年3月30日M_L≥1.0震相数据进行判读，选择连续性较好的8个台站（图 5）数据，得到波速比随时间的变化曲线，其中乌苏台、石场台、石梯子台和新源台波速比出现异常，呼图壁台、石河子台、轮台台、硫磺沟台波速比无异常，见图 6。

图 6中黑色竖线表示计算误差，蓝色曲线为波速比结果，红色曲线为10个点平均滑动结果，黑色实线为均值线，虚线为1倍标准差，标准差上下作为高低值异常，灰色竖线为研究区中强地震，N为参与计算样品数。

3.2.1 波速比异常台站

图 6(a)示出乌苏台、石场台、石梯子台和新源台的波速比变化，这些台站在主震发生前后均出现明显异常。除新源台震级下限为M_L 2.0，其他3个台站震级下限均在M_L 1.5及以上，其余约束条件不变。乌苏台2010年10月至2012年6月初波速比持续低于平均值波动，该时段波速比值为1.683 3，后于波速比曲线急剧下降过程中发生主震，低值异常持续近1个月[图 6(a)灰色部分]。石场台、石梯子台和新源台仅主震前后几天内呈突跳变化。

3.2.2 波速比正常台站

图 6(b)分别给出呼图壁台、石河子台、轮台台、硫磺沟台波速比随时间的变化曲线，到时差t_S-P≤24 s，其余参数与异常台站相同。4个台站波速比变化基本平稳，主震前无明显异常反应。其他台站，如距震中较远的精河、下野地、乌鲁木齐、二宫、巴伦台等台站，在主震前后波速比变化特征与上述4个台站基本相似，且记录地震样本数量较少，因此未做进一步研究。

据现场科学考察，判断此次地震发生在喀什河断裂、那拉提断裂及阿吾勒山南缘断裂交会区（魏芸芸等，2012）。波速比异常的乌苏台、石场台、石梯子台和新源台分布在喀什河断裂西部和北部，距主震震中较近，各台异常形态及持续时间有一定差异。波速比变化正常台站主要分布在喀什河断裂东部和南部，距震中均较远。这说明单台波速比异常反应在时间与空间上表现出一定复杂性，可能与台站分布有关，也可能与震中周边台站记录的中小地震波传播路径有关。

3.2.3 台站波速比变化细化分析

和达法是一种基于平均意义的计算方法，其计算过程受到多种因素的影响，如波速比计算所使用地震的空间分布、时间分布等，均会造成结果的不稳定性和差异性（王林瑛等，2014）。为了核实台站波速比震前异常是否与中强地震的孕震区域有关，对比分析台站不同方位的地震波速比变化特征。

选取波速比异常较为显著的新源台，对其周边不同方位的地震波速比进行研究。该台位于主震以西约114 km处，其周边中小地震分布较均匀，沿NE—SW向将其周边区域划分为A区和B区，其中A区远离此次新源、和静交界M_S 6.6地震孕震区域，对比分析两区内地震波速比变化特征，结果见图 7。

计算结果表明，在远离孕震区域的A区，波速比变化基本稳定，震源区附近的B区，波速比2011年起出现低值异常，该时段波速比平均值为1.688 7，低值持续约1.5年后发震，震后波速比突跳异常持续11天[图 7(b)灰色区域]。波速比经历低值异常—恢复—发震的演变过程。由此证明，波速比震前异常可能与强震孕震区域密切相关。

4 结论与讨论

利用多台单震和达法和单台多震和达法对2012年新源、和静交界M_S 6.6地震前后波速比变化特征进行分析，得到以下结论：

（1）利用多台单震和达法计算，结果显示，在时间进程上，主震前后，波速比经历了正常—低值异常—恢复—发震的过程，波速比空间分布表现为同一变化特征。此类异常可作为强震孕震阶段地震危险性判别的参考手段。

（2）选取8个台站数据，利用单台多震和达法计算波速比，对比结果显示，乌苏台、石场台、石梯子台和新源台波速比异常较为显著，呼图壁台、石河子台、轮台台、硫磺沟台波速比变化较为稳定。分析发现，波速比异常区域与采用多台法分析出现低值异常的强震孕震区域基本一致，表明此次新源、和静交界M_S 6.6地震前，震源区地壳介质出现异常变化。

（3）在单台多震和达法计算过程中，台站位置、数据样本固定，所选震例波的传播路径均为从震源到台站下方，若数据连续性较好，则单台所携带的地壳介质变化信息也更加丰富和可靠。新源台细化分析结果印证了此推测，说明该台地震射线能较好地穿过孕震区。因此，利用单台记录判断强震孕震阶段波速比异常区位置具有一定优势。该研究结果对于判断和圈定未来强震可能发生的空间范围有一定意义，结合使用多台单震和达法，可能更有助于精确判断孕震区域方位。

在新疆地震台网，利用多台单震和达法和单台多震和达法分析数字震相观测资料较为成熟且易于实现，可用于地震观测记录的实时跟踪分析。当然，该方法也受到诸多因素影响，例如：地震定位精度、震相判读误差等，且尚未考虑Pn、Sn震相的存在可能导致对直达P、S波的判读误差。波速比异常现象是客观的，首波对震相判读误差具体产生多大影响，尚需进一步研究。

文中的地震相关数据由新疆地震台网中心提供，程序部分代码由张琳琳和高朝军帮助修改，在此表示衷心的感谢。