安徽及鄰區(qū)中強(qiáng)震前波速比變化研究

徐 鑫，劉東旺，劉澤民

（安徽省地震局，合肥 230031）

0 引言

地震活動與區(qū)域構(gòu)造、地殼應(yīng)力狀態(tài)等有關(guān)，而地震波速或波速比可以反映斷層活動情況及地下介質(zhì)流變性質(zhì)等的改變。在較大地震前，由于區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場的增強(qiáng)，可能會導(dǎo)致震源及其周圍地區(qū)介質(zhì)特性發(fā)生變化；在孕震的中期階段出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象，從而使得該地區(qū)地震波速度發(fā)生變化。因此地震波速及波速比研究一直是地震研究中的重要組成部分［1］。戴維樂等對1976—1987年華東地區(qū)MS5.0級以上地震震前波速比變化情況進(jìn)行了震例總結(jié)并取得了較好的效果［2－3］；刁桂苓等討論了岫巖地震序列的平均波速比前兆異常［4］；張小濤等研究了九江－瑞昌地震序列的波速比特征［5］；王林瑛等研究了文安地震前后首都圈分區(qū)波速比時變特征［6］；林眉等分析了菏澤－濮陽及附近地區(qū)波速比變化特征［7］。這一系列研究都表明部分中強(qiáng)震前存在波速比異常。本文收集了1976年以來安徽及鄰省地震臺網(wǎng)觀測報(bào)告的震相資料，采用和達(dá)法和更多的約束條件，運(yùn)用自編寫的程序計(jì)算了安徽及鄰區(qū)的波速比，重點(diǎn)分析了各種參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響，總結(jié)了該地區(qū)中強(qiáng)震前的波速比變化情況，主要目的是提高計(jì)算結(jié)果的可靠性并論證異常的信度。

1 波速比計(jì)算基本原理

根據(jù)彈性地震波理論，介質(zhì)的彈性特征決定傳播速度，則

其中：VP為縱波速度，VS為橫波速度，σ為泊松比，E為楊氏模量，ρ為介質(zhì)密度。

利用震中周圍多臺資料（不少于4個臺），以和達(dá)圖為基礎(chǔ)，計(jì)算平均波速比。

其中：Tpi為縱波到時，Tsi為橫波到時，ΔTi為縱波與橫波到時差，T0為發(fā)震時刻，n為到時數(shù)據(jù)個數(shù)，γ0為波速比，R為相關(guān)系數(shù)，S為波速比計(jì)算誤差，δtpi′為縱波理論與實(shí)際到時差。

2 波速比計(jì)算參數(shù)、正常值及其范圍的選取

為使波速比計(jì)算的結(jié)果更加可靠，根據(jù)有關(guān)專家研究結(jié)果［1－3］以及穩(wěn)定性分析結(jié)論，結(jié)合波速比計(jì)算各參數(shù)的物理含義及安徽及鄰區(qū)的實(shí)際情況，本項(xiàng)研究中波速比計(jì)算各參數(shù)的閾值分別為：臺站個數(shù)NS≥4，相關(guān)系數(shù)R≥0.99，波速比計(jì)算誤差S≤0.05，縱橫波到時差Ts－p≤23s，震相精選δTp≤1.0s；波速比正常值來源于李敏莉等的研究成果［8］，正常值范圍取研究區(qū)域內(nèi)地震相對平靜期間波速比的變化范圍。

3 穩(wěn)定性分析

為了準(zhǔn)確計(jì)算每個地震的波速比，充分了解波速比計(jì)算參數(shù)對計(jì)算結(jié)果的影響，分析計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性，主要研究分析了大小臺網(wǎng)、臺網(wǎng)布局、研究區(qū)域范圍大小選擇對波速比計(jì)算結(jié)果的影響。

3.1 大小臺網(wǎng)對波速比計(jì)算結(jié)果的影響

一般情況下，在Ts－p≤15s，即小臺網(wǎng)范圍內(nèi)，直達(dá)波震相記錄清晰且易于識別，而在Ts－p≤23s，即大臺網(wǎng)范圍內(nèi)，由于Sn波的出現(xiàn)，此時S波列震相變得較為復(fù)雜，Sg的判讀可能會出現(xiàn)一個周期誤差［2］。為了驗(yàn)證Sg波判讀是否有誤，本文分別根據(jù)小臺網(wǎng)與大臺網(wǎng)內(nèi)的震相計(jì)算了安徽及鄰區(qū)2001—2010年的波速比，時間進(jìn)程如圖1?？梢?，大小臺網(wǎng)對波速比計(jì)算的結(jié)果影響較小，為取得盡可能多的樣本，本項(xiàng)研究采用大臺網(wǎng)計(jì)算波速比，即Ts－p≤23s。

圖1 安徽及鄰區(qū)大、小臺網(wǎng)波速比時間進(jìn)程圖

3.2 臺網(wǎng)布局對波速比計(jì)算結(jié)果的影響

安徽霍山地區(qū)很多小震都是近臺震相，在計(jì)算波速比時，從數(shù)學(xué)的角度其相關(guān)系數(shù)、計(jì)算誤差均滿足條件，但其震相存在叢集現(xiàn)象，誤差較大，而加入遠(yuǎn)近臺到時差比值可以有效避免這種情況。圖2為安徽及鄰區(qū)2001—2010年不考慮和考慮遠(yuǎn)近臺比值兩種情況下計(jì)算出的波速比時間進(jìn)程圖。加入遠(yuǎn)近臺波速比值限制后，波速比變化范圍有很大程度的減小（由1.579～1.835 縮小到1.634～1.782），異常時間段也更為清晰，說明計(jì)算結(jié)果更科學(xué)。因此，在資料允許的情況下，在安徽地區(qū)計(jì)算波速比時，需加入遠(yuǎn)近臺到時差比值限制。

3.3 研究區(qū)域范圍大小選擇對波速比計(jì)算結(jié)果的影響

圖3為選取1995年蒼山地震前震中附近不同范圍內(nèi)1990—1999年10年間地震震相分別計(jì)算出的波速比時間進(jìn)程圖?？梢姡?dāng)研究區(qū)域選取過小時，可能異常就無法在時間進(jìn)程圖上反映出來，過大可能又會導(dǎo)致異常信息被掩蓋，因此選取合適的研究區(qū)域是很重要的。通過大量的震例計(jì)算表明，華東地區(qū)MS5.5級左右地震選取震中附近3°×3°范圍內(nèi)地震計(jì)算波速比、MS4.5級左右地震選取震中附近2°×2°范圍內(nèi)地震計(jì)算波速比相對比較合理，與相應(yīng)強(qiáng)度地震的孕震范圍較為吻合。

圖2 安徽及鄰區(qū)無、含遠(yuǎn)近臺到時差比值波速比時間進(jìn)程圖

圖3 蒼山地震前震中不同范圍內(nèi)波速比時間進(jìn)程圖

4 震例分析

根據(jù)穩(wěn)定性分析的結(jié)果，本文對安徽及鄰區(qū)1979年以來的部分中強(qiáng)地震震前波速比變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)（表1）和分析。

由表1可見：在7次震例中，有5次地震前均出現(xiàn)了波速比低值異常，異常持續(xù)時間不等；在時間特征上，其中3例表現(xiàn)為中期，2例為短期。地震基本都發(fā)生于異?；謴?fù)之后，僅2005年九江MS5.7地震發(fā)生于異常期內(nèi)，且震后波速比低值異常持續(xù)了大約2年。

5 結(jié)論與討論

本文總結(jié)了1979年以來安徽及鄰區(qū)部分中強(qiáng)地震震前的波速比變化情況，并分析了波速比計(jì)算的穩(wěn)定性，得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

（1）安徽及鄰區(qū)中強(qiáng)震前波速比低值異?，F(xiàn)象較為普遍。

（2）2005年九江MS5.7地震震后有多次較大余震發(fā)生，這可能是導(dǎo)致九江地震發(fā)生于波速比低值異常期內(nèi)且震后異常持續(xù)大約2年時間的原因，同時也表明較大余震前有可能出現(xiàn)波速比低值異常。

（3）2006年定遠(yuǎn)和隨州2次MS4.2級地震前波速比無明顯低值異常，而這2次地震都是緊隨2005年九江地震之后發(fā)生且強(qiáng)度相對不大，震前無波速比異常出現(xiàn)，可能與其受九江地震影響且孕震時間短有關(guān)。

（4）在條件允許的情況下，在安徽地區(qū)計(jì)算波速比應(yīng)加入遠(yuǎn)近臺到時差比值，采用大臺網(wǎng)并選取合適研究區(qū)域的震相數(shù)據(jù)。

表1 1979年以來安徽及鄰區(qū)部分中強(qiáng)地震震前波速比特征

［1］ 馮德益.地震波速異常［M］.北京：地震出版社，1981.

［2］ 許紹燮，陸遠(yuǎn)忠，朱傳鎮(zhèn)，等.地震學(xué)專輯［M］.北京：學(xué)術(shù)書刊出版社，1989：379－394.

［3］ 國家地震局科技監(jiān)測司.地震學(xué)分析預(yù)報(bào)方法程式指南［M］.北京：地震出版社，1990：45－47.

［4］ 刁桂苓，周仕勇，劉杰，等.岫巖地震序列的平均波速比前兆異常［J］.華北地震科學(xué)，2005，23（4）：1－5.

［5］ 張小濤，呂堅(jiān)，馬廣慶，等.九江－瑞昌地震序列的波速比特征研究［J］.華北地震科學(xué)，2006，24（4）：36－40.

［6］ 王林瑛，郭永霞，劉芳，等.文安地震前后首都圈分區(qū)波速比時變特征［J］.地震學(xué)報(bào)，2008，30（3）：240－253.

［7］ 林眉，王洪水，冀東普，等.菏澤—濮陽及附近地區(qū)震源深度及波速比變化［J］.華北地震科學(xué)，2010，（1）：31－35.

［8］ 李敏莉，劉東旺，劉澤民，等.安徽及鄰區(qū)平均波速比的測定及研究［J］.地震地磁觀測與研究，2005，26（1）：22－27.