2) 中国云南 657800 水富市防震减灾局
2) Bureau of Earthquake Prevention and Disaster Reduction of Shuifu County, Yunnan Province 657800, China
诸多学者认为,在地震发生前,未来震源区存在应力集中过程,称为孕震过程或地震准备过程。当这一过程发展到一定阶段时,孕震区内的岩石可能会出现微破裂、塑性化、塑性硬化和相变等一系列现象,从而导致波速发生一定变化,此为利用波速异常预报地震的依据(冯德益,1981)。目前,国内外探索波速异常主要有波速、波速比、虚波速度、P波走时残差和直达波到时残差等方法,其中P波、S波的波速比方法应用广泛。该方法根据P波和S波震相到时数据来获得波速比,进而探索波速比时间变化与较强地震之间的关系。早在20世纪七八十年代,国内不少学者就已在强震和中强地震前发现了波速比的异常现象(冯锐等,1976;冯德益等,1980;顾瑾平等,1983)。
近年来,随着各省地震台网密度的增加、地震监测能力的提升和观测资料的不断积累,关于地震前后波速比变化特征的研究不断增多。如:王林瑛等(2014)在研究2013年芦山地震前波速比变化特征时发现,龙门山断裂带南段及附近地区的5个台站(油罐顶台、五马坪台、蒙顶山台、小金台和花马寺台)波速比出现明显的降低过程;李艳娥等(2014)在研究2008年汶川地震前后波速比变化特征时发现,龙门山断裂带中北段西侧的4个台站(青川台、平武台、汶川台和黑水台)波速比约连续7年呈低值异常;张洪艳等(2015)在研究2013年前郭震群前波速比变化特征时发现,2个台站(丰满台和净月台)波速比呈中期低值异常。此外,其他研究人员在研究较强和强震前波速比变化特征时同样观测到波速比降低的异常现象(刘文邦等,2016;张天宇等,2022;陈丽娟等,2023)。因此,开展波速比研究,不失为探寻地震前兆信息的一种手段,尤其在大震频发地区,探寻波速比异常台站,对地震预测预报将具有重要参考价值。
2023年12月18日,地处甘东南活动构造区的临夏州积石山县发生MS 6.2地震,造成大量人员伤亡和财产损失。震中及周边地区地震监测能力较好,有一定数字化地震资料积累。鉴于上述研究方法和思路,收集整理甘肃及邻省地震台网2015年1月—2023年12月产出的震相观测报告,采用单台多震和达法,分析此次积石山MS 6.2地震前震中附近地区地震台站波速比变化特征。
1 计算方法原理单台多震和达法由日本地震学家和达清夫(Wadati,1928)提出,其原理是,假设震源区和地表介质之间是理想均匀弹性的,则vP/vS波速比值可由一个单台记录的多个地震事件的P波走时与P波、S波到时差拟合的线性关系得到。计算公式如下
$ \frac{v_{\mathrm{P}}}{v_{\mathrm{S}}}=1+\frac{n \sum\limits_{i=1}^n \Delta t_i^2-\left(\sum\limits_{i=1}^n \Delta t_i\right)^2}{n \sum\limits_{i=1}^n \Delta t_i t_{\mathrm{P} i}-\sum\limits_{i=1}^n t_{\mathrm{P} i} \sum\limits_{i=1}^n \Delta t_i} $ | (1) |
线性相关系数R和波速比计算误差γ的计算公式分别为
$ R=\frac{\sum\limits_{i=1}^n\left(t_{\mathrm{P} i}-\overline{t_{\mathrm{p}}}\right)-\left(\Delta t_i-\Delta \overline{t_i}\right)}{\sqrt{\sum\limits_{i=1}^n\left(t_{\mathrm{P} i}-\overline{t_{\mathrm{p}}}\right)^2 \sum\limits_{i=1}^n\left(\Delta t_i-\Delta \overline{t_i}\right)^2}} $ | (2) |
$ \gamma=\left(\frac{v_{\mathrm{P}}}{v_{\mathrm{S}}}-1\right)^2 \sqrt{\left|\frac{n \sum\limits_{i=1}^n\left(\delta t_{\mathrm{P} i}^{\prime}\right)^2}{(n-2)\left[n \sum\limits_{i=1}^n \Delta t_i^2-\left(\sum\limits_{i=1}^n \Delta t_i\right)^2\right]}\right|} $ | (3) |
式中:vP和vS分别为P波和S波速度;tPi和tSi分别为P波和S波走时;Δti为P波和S波走时差;n为计算一个波速比值所用的地震个数;
为研究震中附近单台波速比在2023年12月18日积石山MS 6.2地震前的变化特征,收集整理甘肃及邻省地震台网2015年1月—2023年12月记录的震相观测报告数据,并按以下4个约束条件对研究所用震级、震中位置和台站等进行严格把控。
(1)选取ML≥1.5地震。考虑到选取震级更大地震会影响研究所用样本数量,选取震级更小地震,虽然地震数量增加了,但其震相读取误差相对较大,且定位精度有限,故综合考虑,采用ML≥1.5地震参与研究。
(2)研究区地震分布均匀,若不均匀会影响计算结果的可靠性和稳定性。
(3)剔除小震丛集,可在一定程度上降低地震空间集中带来的影响。
(4)选取震相数据连续性较好且数据量丰富的台站。
基于以上筛选条件,获得9 120个震中分布基本均匀的ML≥1.5地震(图 1),并得到6个连续性较好且数据量相对丰富的台站(图 2)。所选台站均分布在震中附近地区,其中:民和(MIH)台位于青海省,震中距74 km;兰州(LZH)、白银(BYT)、渭源(WYT)、合作(HZT)和岷县(MXT)台均位于甘肃省,震中距分别为104 km、155 km、140 km、78 km和180 km。
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图 1 研究区地震分布 Fig.1 Distribution of earthquakes in the study area |
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图 2 研究区台站分布 Fig.2 Distribution of stations in the study area |
针对甘肃及邻省地震台网2015年1月—2023年12月记录的ML≥1.5地震震相到时数据,采用单台多震和达法,计算民和、兰州、白银、渭源、合作和岷县台波速比。为确保计算结果稳定可靠,按以下4个约束条件对参与计算的参数进行严格把控。
(1)N = 120,即每获得一个波速比值需有120个地震参与计算。因本研究只关注波速比稳定且相对长时间的异常变化,故选取120个地震为一组参与波速比计算。
(2)P波和S波到时差Δt≤20 s。
(3)保留离散值|δtPi|<1.5 s的震相数据,剔除|δtPi|>1.5 s的震相数据。前人研究表明,剔除离散较大的震相数据,对波速比值计算精度有较好的提升效果(王林瑛等,2014)。
(4)为剔除线性拟合中拟合相对较差的震相数据,确保波速比计算结果的稳定可靠,线性相关系数R≥0.95,波速比误差估计γ≤0.05。
民和、兰州、白银、渭源、合作和岷县台线性相关系数R和波速比计算误差γ的时间变化曲线见图 3,单台波速比时间变化曲线见图 4(图中蓝色圆圈、红色曲线、黑色竖线、黑色横实线、黑色横虚线和灰色竖线分别代表波速比值、波速比10点平均滑动结果、波速比计算误差、波速比平均值、标准差和积石山MS 6.2地震发震时刻)。
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图 3 所选6个台站线性相关系数及波速比计算误差的时间变化曲线 Fig.3 Variation of correlation coefficient and vP/vS error with time forthe selected six stations |
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图 4 所选6个台站波速比时间变化曲线 Fig.4 Variation of vP/vS ratio with time for the selected six stations |
由图 3可见:6个台站线性相关系数R均在0.992—1.0,远高于给定的0.95,说明单台记录的多个地震事件P波走时与P波、S波到时差拟合较好;6个台站波速比计算误差γ均在0.006—0.018,且大部分在0.015以下,远低于给定的0.05,表明波速比计算结果稳定、可靠。
由图 4可见,6个台站波速比均值变化范围在1.671—1.709,且渭源、合作和岷县台波速比均值明显高于民和、兰州和白银台,其中民和、兰州台波速比在震前出现低值异常现象,而白银、渭源、合作和岷县台波速比在震前变化基本平稳。具体特征如下:①民和(MIH)台:波速比整体均值为1.671。其中2016年3月至2019年9月,波速比均值为1.681,高于整体均值,波速比出现先升高再降低到整体均值的趋势;2019年9月至2023年12月,波速比均值为1.661,低于整体均值,该阶段波速比于2019年9月开始下降,至2022年3月达最低值,持续约2.5年,后波速比回升,持续约1.5年,直至发生积石山MS 6.2地震,此时波速比值仍未回升至整体均值水平。②兰州(LZH)台:波速比整体均值为1.677。其中2017年9月至2022年5月,波速比均值为1.680,高于整体均值,该时段波速比变化较平稳;2022年5月至2023年12月,波速比均值为1.671,低于整体均值,该阶段波速比于2022年5月下降,直至积石山MS 6.2地震发生。③白银、渭源、合作和岷县台波速比整体均值分别为1.673、1.689、1.709和1.708,且在积石山MS 6.2地震前变化基本平稳,未发现波速比异常现象。
4 讨论与结论利用单台多震和达法,对2023年积石山MS 6.2地震前震中附近单台波速比变化特征进行分析,得到以下结论:
(1)民和、兰州台波速比在震前表现出低值异常现象,其他4个台站波速比震前变化基本平稳。民和、兰州台波速比变化异常特征表现为降低—回返—发震(民和台)和降低—发震(兰州台),可见2个台站震前波速比低值异常形态具有一定差异性,说明此次积石山MS 6.2地震前波速比异常在时间和空间上具有一定复杂性。这种不同形态的低值异常变化特征在前人研究(王林瑛等,2014;李艳娥等,2014)中同样有所体现,与以往膨胀—扩容模式描述的孕震不同演化阶段的波速比变化特征基本相同(王林瑛等,2014)。分析认为,民和、兰州台波速比低值异常可能与2个台站地震射线较好穿过积石山地震孕震区有关。通过对比波速比变化异常台站和正常台站的空间分布发现,出现波速比异常的民和、兰州台位于震中以北和北东方向,因此2个台站震前波速比低值异常对判定震中以北和北东方向可能存在孕震体具有重要参考价值。
(2)通过对比6个台站波速比均值发现,渭源、合作和岷县台波速比均值明显高于民和、兰州和白银台,结合台站分布发现,波速比均值明显偏高的3个台站位于震中以南地区,波速比均值偏低的3个台站位于震中以北地区,从而揭示了震中附近单台波速比具有南高北低的分布特征。
尽管本研究采用各种约束条件来保障波速比计算结果的稳定性、可靠性,但仍不可避免地会受到震相误差读取(人为因素)、地震时空分布不均和地震定位精度有限等影响。因此对于研究结果,仍需借助其他研究方法进行佐证,以便找到震前波速比变化更为确凿的证据。
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