山西地区的波速比(VP/VS)特征研究

梁向军，刘林飞，李 丽，孟晓琴

(山西省地震局，太原 030021)

山西地区的波速比(VP/VS)特征研究

梁向军，刘林飞，李 丽，孟晓琴

(山西省地震局，太原 030021)

利用山西台网的数字地震观测资料，采用单震多台和达法、多震多台联合测定法，对山西北部、中部和南部地区波速比进行分析研究，结果表明：在2010年1月24日的河津万荣4.8级地震、4月4日的大同4.5级地震和6月5日阳曲4.6级地震前均存在波速比下降现象，其中前2次地震发生在波速比下降过程中，第3次地震则发生在波速比异常恢复阶段。之后山西中部和北部的波速比处于低值，尤其是山西北部的波速比低值持续，说明山西省北部是比较危险的区域。

波速比；介质性质；山西地区

0 引言

在地壳演化的过程中，介质的物理性状将产生一系列变化，如出现微破裂、扩容、塑性硬化及相变等，地震波通过地壳介质时，波速也会相应发生变化，这是利用波速比研究介质物性的重要依据[1]。地震波速和波速比的研究早在上世纪50年代初就已提出：一些强震前，震源区存在波速异常[2]，更有利用波速比异常预报地震的震例[3-5]。但几十年来，国际上对震前是否存在地震波速异常一直存在争议。中国的地震学者一直致力于该方面的研究，但由于受地震台网观测技术所限，大震前后波速比变化特征的研究一度发展缓慢。近几年来，随着数字地震观测仪器的改进、台站布局的改善和台站密度的增加，以及震相资料的不断积累和观测精度的提高， 有关利用数字地震资料分析中强地震前后地震波速变化特征的研究结果逐渐增多，如：黎明晓[6]通过计算施甸地震序列的波速比，发现在主震发生后，强余震发生前也出现波速比的趋势下降特征；张小涛[7]发现九江—瑞昌5.7级地震之后，2005年12月3日ML3.9级余震前波速比连续超出警戒线的高值异常回落到平均值以下时地震发生；邹振轩[8]通过研究发现，水库地震前的波速比异常明显形成下降—回升—发震的过程；王林瑛[9]发现文安地震前，在文安和唐山附近地区地震波速比出现正常—降低—恢复—发震的异常演变过程。研究人员分别对不同区域发生的中强地震前后和水库地震进行了波速比变化特征的震例研究，对震前存在波速异常给予了肯定[10]。

山西地震带是一条深切地壳的右旋剪切-拉张的张扭性断裂性地震带，北端经怀来盆地、延庆盆地后和燕山横向隆起构造带复合，南端经渭河盆地后和秦岭横向构造带复合。巨大的横向隆起产生牵制作用，使得南北两端的断陷盆地走向变为NNE，整个断陷带呈“S”型展布，属于典型的张扭性构造带。在青藏高原、蒙古和华北板块构造力的联合作用下，山西带的地壳上地幔构造活动非常活跃，并使得该区域地震活动强度大、频度高、破坏性严重，成为一条全国重要的地震带，因此研究这个区域的速度结构及波速比差异可以使我们对地下介质的分布以及介质的性质有更清楚的认识，而且无论在地震学还是地球物理学方面都很有意义。

1 研究方法

本研究采用单震多台和达法及单震多台和达法基础上的多震联合测定法。波速比计算方法由日本地震学家和达清夫1928年提出，主要利用P波和S波到时数据。在假定震源区到地表介质为理想均匀弹性的条件下，对于理想的均匀弹性介质，纵波速度和横波速度与介质泊松比、杨氏模量和介质密度之间的关系为[2]：

(1)

(2)

(3)

式(2)中，VP/VS为介质泊松比σ的函数，主要反映的是地壳上层介质泊松比的变化，P波和S波的速度与介质的泊松比σ、杨氏模量E和介质密度ρ密切相关。本文在计算波速比的同时也计算了P波和S波的视速度。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2 研究区域及资料选取

和达法假定的理想环境是分层介质均匀，研究时可不考虑地震的差异性，但是在实际的研究中，不同地区介质特性的横向差异客观存在，是导致波速计算结果变化的重要因素之一。为尽可能减少地震波传播路径的差异，又能保证一定的样本量，本文根据山西地震带的构造特点以及山西区域地震活动情况，将山西分为北部(大同地区)、中部(太原地区)和南部(临汾、运城地区)3个区域，分别探讨不同区域内波速比的时空变化特征。

山西台网从2001年1月—2011年12月台网运行稳定，其中2001年1月-2008年5月为“九五”数字化运行资料，波速比计算结果变化稳定。2008 年，山西地震数字台网进行了“十五”改造，台站数目增加到47个(包括外省台站)，于2009 年前后基本完成。2008年5月后的震相数据由于包含了邻省台网台站数据，震相到时数据较之前显著增加，定位精度也有所提高，使用事件如图1所示。

图1 参与计算波速比的地震及台站分布图

3 山西地区波速比计算结果分析

3.1 单震多台法结果分析

单震多台和达法为一次地震事件多台记录的平均波速比，表征地震发生时刻一定范围内的平均波速比。其优点是由地震发生的时间控制波速比测定的时间，地震发生越集中，有震相记录的台站越多，则波速比计算精度和稳定性越好。以重复地震测定精度为最高。影响计算结果不稳定的因素主要有：(1)每次拟合计算的震相数据判读精度不同；(2)每次拟合计算的台站个数是变化的；(3)每次拟合计算的地震位置是变化的；(4)每次计算的结果为多个台站所圈定的相对较大范围的平均结果；因此空间分辨率较低。

利用2001 —2011年的数据，计算山西地区(34°～41°N；110°～115°E)北部、中部和南部3个区域的波速比。为了消除单点波速比跳动影响，采用等地震数(5次地震)滑动平均方法，来分析地震前波速比的趋势变化特征，如图2～图4所示(蓝色线为均值线，红色曲线为滑动平均值)。

由图2可以看出：大同地区2002年7月—2003年7月出现低值异常，在低值回到均值附近时发生了2003年8月26日原平地震；2009年7月31日再次出现低值异常，在异常持续过程中发生了2010年4月4日大同阳高4.5级地震，2010年7月低值异常结束。但在同年9月再次低值异常，一直持续到现在。据前人研究，地震一般是在异常结束之后，且异常持续时间与未来震级存在一定的关系，但是大同阳高地震正好发生在异常持续阶段，如果我们将这2次异常看作是1次持续异常，那么是否意味着大同地区孕育着中等以上地震？有待进一步研究。

图2 大同地区的波速比Vp/Vs值随时间变化曲线

从图3可以看出：太原地区从2009年4月波速比开始下降，2010年3月开始上升，于同年6月5日发生了阳曲4.8级地震，地震发生在异常恢复阶段。于同年7月恢复正常，一直保持至今。

图3 太原地区的波速比Vp/Vs值随时间变化曲线

从图4可以看出：临汾、运城地区于2009年9月曲线开始下降，在波速比下降过程中发生了2010年1月24日河津4.8级地震，2010年7月异常结束。

图4 临汾、运城地区的波速比Vp/Vs值随时间变化曲线

对比图2～图4，大同地区最早出现异常，而中南部2个区域的波速比异常将近结束，但大同地区的波速比仍低于均值。根据前人的研究成果，波速比异常一般在未来地震危险区外围先结束[1]，再向震源区收缩，因此可以说明大同地区危险程度较高。

3.2 多震联合测定法结果分析

为改善和提高计算结果的稳定性，提高优质震相数据的利用率，本研究在多台和达法计算的基础上，采用多震多台联合测定法可有效地增加每次线性拟合计算的到时数据总个数，以提高计算结果的稳定性和降低线性拟合的误差。该方法是将时间相邻的数个地震的走时合并为一次联合地震事件，对联合的到时数据用同样的选择条件进行离差程度的筛选，选择计算限定条件的联合地震，入选的联合地震时间以参与联合的地震组中最后一个地震的时间代表该组地震的发生时间。

图5 山西地区的多震联合法时序曲线

本文采用20个地震联合计算波速比。图5为山西大同、太原和临汾—运城地区多地震联合计算波速比时序曲线。图5中，蓝线为均值线，红色曲线为10次联合地震事件的滑动平均值，可以看出：大同地区最早出现低值，紧接着太原和临汾—运城地区低值异常出现，目前大同和太原地区仍处于低值异常阶段，临汾—运城地区的时序曲线正在恢复阶段。大同和临汾—运城地区的时序曲线在下降过程中发生了2010年4月4日的大同4.5级地震和1月24日的河津万荣4.8级地震，6月5日阳曲4.6级地震发生在曲线回复阶段。

4 山西地区波速比空间变化特征分析

从1998—2009年，山西北部相对于波速比的背景场降低区(图6)明显扩大，绿色的区域表明波速比值较低。山西带地震样本丰富，结果的信度较高，空间变化特征和时间变化特征也具有很好的一致性。从图中可以看出：波速比值在1.65～1.76之间，绿色代表波速比低值，红色代表波速比高值，在波速比低值时，发生了2010年的3次地震，这充分说明波速比低的地区发生地震的可能性较大。而且波速低值范围还是山西北部和山西中部，与山西前面波速比时序曲线的结论一致。

图6 山西地区的空间波速比分布图

5 结论

(1)采用单震多台法对山西地区的波速比进行分析，得出：2010年的3次地震前均有波速比低值异常现象，2010年1月24日的河津万荣4.8级地震和4月4日的大同4.5级地震发生在波速比下降过程中，6月5日阳曲4.6级地震发生在曲线回复阶段地震结束后，中南部2个区域的波速比异常将近结束，但大同地区的波速比仍低于均值。根据前人的研究成果，波速比异常一般在未来地震危险区外围先结束，再向震源区收缩，因此表明大同地区是比较危险的区域。

(2)采用单震多台和达法基础上的多震联合测定法测算山西地区的波速比，结果也可以看出：大同和临汾—运城地区的时序曲线在下降过程中发生了2010年1月24日的河津万荣4.8级地震和4月4日的大同4.5级地震，6月5日阳曲4.6级地震发生在曲线恢复阶段。震后大同和太原地区的波速比仍处于低值异常阶段，临汾—运城地区的时序曲线处于恢复阶段。

(3)从山西地区波速比空间变化特征分析可以看出：波速低值范围为山西北部和山西中部，尤其是山西北部，与前面波速比时序曲线的结论一致。

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[3]梅世蓉，冯德益，张国民，等．中国预报地震概论[M]．北京：地震出版社,1993：78-80．

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AStudyofSeismicWaveVelocityRatio(VP/VS)ofShanxiArea

LIANG Xiang-jun, LIU Lin-fei, LI Li, MENG Xiao-qin

(Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan 030021, China)

On basis of digital seismic observation data in Shanxi province, using single earthquake multi-station Wadati method and multi-earthquake and multi-station joint method, this paper calculated the velocity ratio of seismic waves (VP/VS) in northern, central and southern Shanxi area. Analytical investigation shows that: before Hejin-wanrong 4.8 earthquake on January 24, 2010, the Datong 4.5 earthquake on June 5, and Yangqu 4.6 earthquake, there is wave velocity ratio drop phenomenon. The top 2 earthquakes occurred in the process of wave velocity ratio decline, and the third earthquake occurred in the recovery phase. Then, wave velocity ratio in central and northern Shanxi keeps in low condition, especially the northern Shanxi area, which indicates that the northern Shanxi area is in risk of earthquake.

seismic wave velocity ratio; medium property; Shanxi area

2013-12-04

中国地震局星火计划项目(项目编号：XH12008Y)；星火计划项目(项目编号：XH14010Y)；中国地震局青年骨干专项(项目编号：20140305)

梁向军(1978—)，女(汉族)，山西孝义人，工程师，主要从事地震监测与分析工作.E-mail:liang_xj2005@163.com

P315.31

A

1003-1375(2014)02-0020-05