2010年河津MS4.8地震前后单台波速比变化特征分析

李 丽宋美琴吴昊昱李宏伟1）中国太原030021山西省地震局2）中国山西030025太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站



2010年河津MS4.8地震前后单台波速比变化特征分析

李 丽1), 2)宋美琴1), 2)吴昊昱1), 2)李宏伟1), 2)
1）中国太原030021山西省地震局2）中国山西030025太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站

摘要在收集和整理2001年1月—2014年10月山西地区震相观测报告基础上，以2010 年1月24日河津MS4.8地震前后，山西南部4个记录震相数据连续性较好的地震台站（夏县、临汾、隰县、安泽）数据为研究对象，采用单台多震和达法，对波速比变化特征进行分析。结果显示，震中以北的临汾和安泽地震台，在震前具有持续2—3年的中期波速比低值异常；地震台站不同方位细化分析表明，震前临汾地震台西南方位和隰县地震台正南方位的波速比时间曲线出现短期异常变化。综合分析认为，单台波速比异常与地震台站方位和孕震区范围明显相关，且接收穿透孕震区较好射线的地震台短期异常较明显。

关键词河津MS4.8地震；波速比；孕震区；单台多震和达法

0 引言

在地震孕育过程中，尤其是在临震阶段较短时间内，震源及附近地区由于区域应力增加和应变积累，地下介质的物理状态产生一系列变化，如：出现微破裂、扩容、塑性硬化、裂隙密度及饱水层变化等，地震波通过时，波速相应发生变化（钱晓东等，2013）。早在20世纪50年代，日本地震学家宫本贞夫就发现强震前地震波速度的变化异常现象（冯德益，1981）。1962年前苏联谢苗若夫通过对伽尓姆地区发生的一系列3.5—5.5级地震进行研究，也发现震前波速异常现象（陈远忠等，1985）。1973年美国Aggarwal等（1975）发表了纽约蓝山湖震群中几次小地震（最大地震为3.3级）前波速比的异常变化研究成果，并成功预报1973年8月3日蓝山湖2.6级地震。

中国地震工作者就波速异常研究也得到类似结果，积累了大量震例资料，还有一些强震预报成功震例，如：1976年四川松潘—平武7.2级地震和1979年新疆库车6.0级地震（敖雪明等，1980；徐果明等，1982）。李永莉等（2010）根据云南地区第4强震活跃期内波速比变化规律，总结云南及邻区M≥7.0大震活动特征；姚家骏等（2012）利用数字震相资料，研究玉树MS7.1地震前后波速比时间演化特征；王林瑛等（2014）和李艳娥等（2014）利用单台波速比，分别对芦山7.0和汶川8.0强震前单台波速比变化特征进行研究，结果表明，在强震前存在中长期波速异常，且在一定程度上可以预测孕震体空间尺度。

山西地区对MS≥5.1地震波速比研究较多，如：1989年和1991年大同—阳高6.1级和5.8级地震、1991年忻州5.1级地震、侯马5.1级地震前均出现明显低值异常（戴维乐等，1991；王春云等，1994；刘继禄等，1999；宋美琴等，2004）。那么，震级相对较小的地震在震前是否存在波速比异常变化，单台波速比异常特征能否反映孕震区范围？2010年1月24日山西河津发生MS4.8地震，就此利用单台多震和达法，对该地震进行不同方位分区细化分析，获取发震位置与异常台站之间的时空演化关系，研究中等地震前后波速比变化特征，以期对判定地震危险区域，并认识山西地区中强地震孕育演化过程中介质物性变化提供参考。

1 单台多震波速比原理和计算方法

单台多震和达法计算地震平均波速比源于冯德益（1981） 原理，即由单台记录的多次地震事件进行计算，根据台站周围地区发生的小地震波速变化，判断该台附近是否存在发生较大地震的前兆异常。影响单台多震和达法计算结果的可能因素有：参与计算的地震时空分布不均匀、地震定位精度及发震时刻的误差不同（王林瑛等，2014）。而该方法可以利用一个台站记录的不同时间发生地震的震相数据，参与计算的地震方位和范围可以根据需要进行不同选择，有效避免地震分布不均匀影响，可以较好反映孕震区介质物性变化。

图1中，台站S1位于未来地震孕震区或边缘，孕震体及周边发生多次地震的直达波射线在台站下方集中穿透，与单震多台和达法一次地震的直达波射线在地表多个台站分散穿透比较，空间分辨能力和所含有的孕震介质物性信息明显增加，可以较好地应用在中小地震频发和台站分布相对密集地区（王林瑛等，2014）。

图1　单台多震和达法示意Fig.1 Sketch of Wadati method of singlestation and multi-earthquake

文中波速比由天然地震的直达P波与S波到时差和P波到时和达图线性关系确定，见式（1），线性相关系数R可由式（2）计算。

计算误差γ为

以上公式中，tPi为P波走时，tSi为S波走时，Δti= tSi-tPi，n为每次地震到时数据个数，δt＇Pi= (tPi-t0)-Δti/(vP/vS-1)（冯德益，1981）。

2 资料选取

自2001年以来，“九五”“十五”期间，山西南部的夏县台（XAX）、临汾台（LIF）、阳城台（YAC）、隰县台（XIX）和安泽台(ANZ)进行数字化改造。2008年汶川8.0级地震后，山西地区增加许多测震台站，但监测时间短，无法获取2010年河津MS4.8地震前较长时间的变化特征，阳城台2004年6月—2008年5月停测，故本次研究主要针对其余4个地震台站进行单台波速比计算。

山西南部地震主要分布在临汾盆地、运城盆地和峨眉台地隆起区，两侧山区地震分布较少（图2）。搜集和整理该地区2001—2014年10月震相观测报告，为增加研究结果可靠性，选择相关系数R≥0.95，误差估计γ≤0.05，删除线性拟合较差的数据，采用50次地震为1组数据得到一个波速比值，排除每组数据中离差偏大的震相数据。山西数字地震台网初始地震监控能力为ML≥1.8，确定起算震级下限为1.8，一般取2.0，到时差Δt最小取16 s，最大取24 s，即震中距范围最小约134 km，最大约200 km。

图2　研究区地震台站及震中分布Fig.2 Distribution of earthquakes and stations in the study area

3 单台波速比计算结果

利用山西数字地震台网2001年1月1日—2014年10月31日地震观测报告中直达P波和S波震相数据，分析计算山西南部4个连续性较好地震台站波速比随时间变化曲线。为了避免参与计算的地震空间位置的不稳定性影响单台多震和达法计算结果，在分析河津MS4.8地震前波速比异常时，只对台站固定方位的地震数据进行计算，并考虑单个地震定位精度，确保震相数据样本数量，以提高波速比计算结果的可靠性和稳定性。

3.1 临汾地震台波速比异常分析

图3(a)是以临汾台为中心、半径160 km范围内的地震空间分布，图3(b)为选取（a）图地震进行单台波速比计算的时间变化曲线，计算约束条件为Δt = 20 s，50个地震联合计算，震级下限为2.0级。从图3可见，在2010年河津地震前2年出现明显的波速比低值异常，地震发生前1个月左右出现低值回返，并于1月24日发生河津MS4.8地震，震后半年左右波速比恢复到背景值。

从图3(a)可见，地震主要分布在断陷盆地，呈带状分布，而临汾测震台位于临汾盆地中部，图3(b)中波速计算结果既含有临汾台北部又含有西南方孕震区介质信息，为体现实际孕震区介质物性变化，分别取临汾台北东方向［图3(a)中Ⅰ区］和西南方向［图3(a)中Ⅲ区］的地震震相报告进行波速比计算，约束条件不变，见图4。从图4可见，两个方位的波速比时序曲线明显不同：临汾台北东方向不含孕震区，时序曲线［图4(a)］显示的波速比值低于图3(b)中均值线1.70，在河津4.8级地震前波速值比较稳定；西南方向为孕震区，且台站距主震位置只有80 km，从图4(b)可以见，震前异常持续时间短，波速比急剧下降，在波速降至约1.60发生河津4.8级地震，之后低值持续约1年，波速比回升到一个新的背景值。

图3　临汾台选定地震空间分布及波速比时间变化曲线Fig.3 Distribution of earthquakes and variation of vP/vSwith time for Linfen Seismic Station

图4　图3（a）中Ⅰ区和Ⅲ区波速比时间变化曲线（a）Ⅰ区；（b）Ⅲ区Fig.4 Variation of vP/vSwith time in the area Ⅰ and Ⅲ for Fig.3(a)

注意：震前短时间内波速比急剧下降并不意味着河津地震前单个地震波速比加速下降。在进行单台波速比计算时，若少于50个地震为1组，则波速比值波动较大，得不到趋势变化；若多于50个地震为1组，则消弱一段时间内的变化特征；50个地震作为1个地震震相联合计算，可以有效反映河津4.8级地震前后一段时间内区域地壳介质的物性变化状态。由此可见，在山西地区以50个地震联合计算可以更好提取波速比异常，捕捉中强地震前短临变化。

3.2 安泽地震台波速比异常分析

安泽地震台位于河津4.8级地震北东约160 km处，波速比计算到时差选取24 s，即选取该台周围约200 km范围内的地震，震中分布见图5。选择台站西南方位（图5中Ⅱ区）的地震震相报告进行计算，得到波速比时间变化图像，见图6。从图6(a)可见，河津4.8级地震前出现约3年的低值异常，在持续过程中发震，之后波速比快速回升。图6(b)是以200 km为半径，计算区域内发生的地震波速比时间曲线，尽管安泽台西南方位存在低值异常，但由于地震分布方位不同，得到较大区域的波速比平均结果，因局部范围异常可能受到压制或减弱，造成本次计算的波速比在河津地震前没有反应。

3.3 隰县地震台波速比异常

隰县台位于河津4.8级地震北部约130 km处，计算约束条件为Δt = 23 s，震级下限为2.0级，选取隰县台正南方矩形区域［图7(a)］的地震震相报告进行波速比计算，波速比变化曲线见图7(b)。从图7(b)可见，在河津4.8级地震前有一个波速急剧下降过程，波速比低于1.65发震，震后波速回升，约1年恢复到背景水平。

由于山西西部为少震山区，地壳介质环境较为稳定，而隰县台正南方的地震多位于河津地震附近，表明中小地震直达波穿透孕震体的发震区域，能够反映震源区地壳介质的短临变化，临汾台西南方位的地震波速比亦可印证此推测。

图5　安泽台200 km范围内地震空间分布Fig.5 Distribution of earthquakes in 200 km for Anze Seismic Station

图6　图5中Ⅱ区和全区内波速比变化曲线(a) Ⅱ区；(b)全区Fig.6 Variation of vP/vSwith time in the areaⅡ(a) and all (b) for Fig.5

图7　隰县台200 km范围内地震的空间分布和矩形区域内波速比变化曲线Fig.7 Distribution of earthquakes and variation of vP/vSwith time in 200 km for Xixian Seismic Station

3.4 夏县地震台波速比

夏县台位于太行山断块隆起区，台站西距离中条山北麓断裂0.1 km，与河津地震相距约70 km，在4个地震台中震中距最近。该台附近地震多发生在运城盆地、峨眉地台隆起和临汾盆地（图2）。可能因地震台站所处位置，河津地震前，该区ML≥1.8地震波射线穿透区域主要为非孕震区的峨眉地台和运城盆地，所以夏县台波速比曲线变化在河津地震前并无异常。

4 结论

（1）位于临汾盆地中部的临汾台和东部山区的安泽台，在2010年河津4.8级地震前均存在明显的波速比低值异常现象，持续时间2—3年，且震后快速回升。通过对台站不同方位地震分区细化分析发现，临汾台西南和隰县台正南方位波速比时间曲线在河津4.8级地震前出现短期异常变化，可能与选取的地震射线能很好地穿透孕震区，并携带有益的震源信息有关。而震中距最近的夏县台在震前无明显波速异常，可能与台站位置和孕震区范围有关。

（2）冯德益（1981）总结的波速异常一般形态为：地震前波速比急剧下降，在一定时期内保持在低值变化，回升到背景值一段时间后发生主震。冯德益对35个国外M≥3.1地震波速异常持续时间及异常形态进行总结，发现其中8个地震不同于波速异常一般形态，主要表现是在波速低值异常持续过程中发震，这些地震主要分布在前苏联伽尓姆地区，具有一定的区域特征。另外，对我国19个M≥4.1地震波速比异常震例统计发现，其中3个中强地震也是在波速低值异常持续过程中发震（山西省2015年度地震趋势研究报告，2014）。而2010年河津4.8级地震发生在波速低值异常持续过程中，可能是因多地震联合计算延后波速变化时间所致，也可能由波速异常形态的地区性差异引起。

河津4.8级地震前波速比异常形态可以由扩容模式（Nur A，1972）解释。随着地壳应力增加，岩石扩容裂隙尚未形成时，波速变化不大或缓慢上升；当应力达到一定强度以后，岩石产生大量微裂扩容，且裂隙不饱和，导致波速比明显下降；由于地下水填充裂隙，使得裂隙达到饱和状态，导致波速逐渐回升到正常值。在波速比回升过程中，因不同区域地壳岩性不同，随着孔隙压强增大，有效围压不断降低，促使断层滑动，进而发生地震。

（3）由于单台多震和达法影响波速比变化因素相对较少，空间分辨率较高，故在波速比异常识别上明显优于多台和达法和多震联合法，可以明显识别河津地震前波速异常变化。考虑到台站观测的连续性和震相资料的完整性及可靠性，本研究台站选择受限，震相数据存在一定误差，但不影响结论的适用性。

（4）河津MS4.8地震前波速比异常变化时空演化特征表明，该方法可在一定程度上反映地壳介质的演化过程。由于目前研究和检验实例尚少，对地震孕育复杂的物理过程认识有限，今后需对山西及邻区进行更多震例分析，并改进研究方法，对地震波速异常进行深入、细致地研究。

感谢中国地震局地球物理研究所王林瑛和李艳娥为本研究提供计算方法和计算程序。

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Temporal variation of vP/vSat single seismic station before and after Hejin MS4.8 earthquake in the year 2010

Li Li1), 2)，Song Meiqin1), 2)，Wu Haoyu1), 2)and Li Hongwei1), 2)
1) Earthquake Administration of Shanxi Province， Taiyuan 030021， China 2) National Continental Rift Valley Dynamics Observatory of Taiyuan， Shanxi Province 030025， China

Abstract

Based on the seismic phase report of Shanxi Province from January 2001 to October 2014，the variation of wave velocity ratio before and after Hejin MS4.8 earthquake in the year 2010 is analyzed by using Wadati method of single station and multi-earthquake in this paper. And four stations， those with relatively continuous seismic phase data， were selected. The results showed that the middle wave velocity ratio displayed anomaly for two or three years at Linfen Seismic Station and Anze Seismic Station， which are situated in the northern side of Hejin MS4.8 earthquake’s epicenter. At the same time， the different azimuthal partition result indicated that，the wave velocity ratio curve， which represented southwest of Linfen Seismic Station and south of Xixian Seismic Station， showed short period anomaly before Hejin MS4.8 earthquake. The abnormity had obvious relationship with scope of earthquake pregnancy， the better ray the station accepted， the more obvious anomaly was showed.

Key words:Hejin MS4.8 earthquake，wave velocity ratio，seismogenic zone，Wadati method of single station and multi-earthquake

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 002

基金项目：地震科技星火计划青年项目（XH14010Y）、山西省地震局青年科研项目（SBK-1412）和2016年度震情跟踪定向工作任务（2016010106）联合资助

作者简介：李丽（1981—），女，工程师，主要从事地震活动性和数字地震应用研究工作。E-mail：lilitiaoji@163.com

本文收到日期：2015-06-08