从波速比变化看汶川与芦山地震的孕震过程

李艳娥 王林瑛 宋美卿 陈丽娟

1 中国地震局地球物理研究所，北京市民族大学南路5号，100081 2 山西省地震局，太原市晋祠路二段69号，030021



从波速比变化看汶川与芦山地震的孕震过程

李艳娥1王林瑛1宋美卿2陈丽娟1

1 中国地震局地球物理研究所，北京市民族大学南路5号，100081 2 山西省地震局，太原市晋祠路二段69号，030021

为研究汶川和芦山地震的孕育过程，利用单台单震法，将地震丛发区内发生的地震粗略视为“广义重复地震”，系统分析龙门山断裂带及附近区域1990～2015年波速比时空变化过程。结果发现，波速比在汶川地震前降低，芦山地震后明显恢复。对于龙门山断裂带北段的地震丛发区，大部分台站波速比的同步时间变化过程可分为两个阶段：一是在汶川地震前，2000年～2008-05波速比出现异常降低-回返-发震过程，低值异常持续时间约8 a。汶川地震后，波速比快速回升。二是2010年开始再次显现波速比持续性稳定下降，在2013-04降至最低点，发生芦山地震，震后波速比再次快速回升到正常值。对于龙门山断裂带南段及附近的地震丛发区，大部分台站波速比的同步时间变化从2000年～2013-04波速比维持长时间的异常低值状态，低值持续时间约13 a，直至2013-04芦山地震后波速比快速回升。不论是龙门山南段还是北段，均可看到波速比基本一致的变化，2000～2013年的异常降低-恢复过程，显示了汶川8级地震与芦山7级地震的整体性和差异性，孕震过程长达14 a。由此可见，汶川地震和芦山地震很可能是同一动力学过程孕育的两次先后发生的强震。

汶川地震；芦山地震；波速比；单台单震法；重复地震

我国四川省境内龙门山断裂带2008-05-12发生了汶川8.0级巨震，5 a后的2013-04-20在其南段又发生了芦山7.0级地震。两次强震孕震过程的内在关联性研究成为关注的热点。单斌等[1]认为，汶川地震可能有效地促进了芦山地震的发生；杜方等[1]认为，芦山地震和汶川地震虽然在发震构造上有联系，但两次地震是相对独立的地震事件；徐锡伟等[3]也认为它们是两次独立的地震破裂事件。此外，两次强震发生后，龙门山断裂带的强震危险性也受到研究者的高度重视。陈运泰等[4]研究显示，汶川地震留下了龙门山断裂带西南段大约120 km的地震危险区。然而，西南段并没有发生一次性破裂，而是在其中“拦腰”发生了芦山地震。汶川地震后，陈运泰等[4]曾对汶川地震最大余震的震级估计为MW6.7～7.3，芦山地震的能量仅达到估计值的下限，即芦山地震的发生并未解除龙门山断裂带的强震危险性。

上述研究从不同方面对汶川和芦山两次强震的关联性以及龙门山断裂带今后的强震危险性进行了讨论，而深入研究龙门山断裂及其附近地区地震孕育过程，可为防震减灾提供预测依据。地震孕育过程中可能会有地壳应力和介质物性的变化，通过地震波的手段可以开展研究工作。

随着数字观测台网密度的增加以及地震数字资料处理技术的进步，利用波形相关技术研究大震前后的波速和波速比变化成为可能。但是，受到各种因素的影响，利用波形相关技术对7级以上强震孕育过程地壳介质物性长时间变化特征的研究仍不多见。我们利用单台多震和达法，分别研究过汶川[5]和芦山[6]地震前波速比时空变化特征，发现这两次强震前在震源区附近存在中长期波速比低值异常。为了更好地利用震相报告数据，本文参考重复地震的思路，利用单台单震法考察汶川和芦山两次强震前的波速比时空变化特征，获取汶川、芦山及其附近地区地壳介质物性的时间变化信息，探讨汶川地震和芦山地震的孕育过程，跟踪监视8级强震前后地球物理场的调整过程。

1 波速比计算方法与可靠性分析

1.1 波速比计算方法的选定

地震波速比的计算方法较多，如单震多台和达法和单台多震和达法等，但每种方法都有各自的优点和局限性[5-6]。本研究基于重复地震的研究思路，利用地震发生率较高的地震丛发区，将该丛发区发生的地震视为“广义重复地震”。由于这类地震空间分布相对密集和时间频发，可计算其周边单台单震波速比，从而避开了和达法样本量的局限，计算结果可靠性的影响因素仅剩下发震时刻的确定误差和台站相对地震丛的距离。在计算中，选择地震定位震相数据较多的地震，可有效降低发震时刻的确定误差。由于该方法计算简便快捷，在地震频发率较高的丛发区，可根据震相报告快速跟踪监测波速比的时间变化过程。汶川和芦山地震恰好位于地震活跃的龙门山断裂之上，该带在两次强震前后均有较高的地震活动水平，为本研究提供了有利条件。

本研究计算方法采用单台单震测定法，选择小震活跃且在研究时段内连续性较好的区域作为地震丛发区，在龙门山断裂带及附近地区选择了14个地震丛发区(图1)。

图1 龙门山断裂带及附近地区14个地震丛发区的地震空间分布Fig.1 Epicenter distribution of 14 earthquake cluster in Longmenshan fault and its adjacent regions

1.2 计算公式

本研究采用的计算方法为单台单震法。已知多台确定的发震时刻t0，Si台的单台波速比的计算公式为[7]:

(1)

1.3 计算方法的约束条件和可靠性分析

对单台单震波速比计算影响最大的因素为发震时刻的判定精度。本文以汶川丛和芦山丛为例，分析不同震相数据个数所计算的波速比的方差变化。

表1和表2分别为汶川地震丛对于汶川台(平均距离27 km)和芦山地震丛对于汶川台(平均距离146 km)在每个参与计算的地震必须满足定位震相数据4、6、8和10个以上时所计算的波速比结果的方差变化表。

表1 汶川地震丛对于汶川台选取不同震相数据个数所计算的波速比平均值和方差变化

表2 芦山地震丛对于汶川台选取不同震相数据个数所计算的波速比平均值和方差变化

从表1、2可见，汶川和芦山地震丛内的2级以上地震在地震定位时，98%以上地震的台站个数在6个以上，对于汶川丛-汶川台的台站个数在8个以上的占95%，对于芦山丛-汶川台的台站个数在8个以上的占97%。在波速比计算中，选取每个地震时，规定定位震相数据的个数汶川丛最少8个台站，芦山丛最少6个台站，一般地震丛集区至少4个台站。

正常情况下，最适宜于观测单台单震波速比的震中距范围大致在30～100 km，而波速随着地壳深度的增加而加大。因此对于一个选定的地震丛发区，相对于其周边不同距离和方位的台站，台站距离越近(尤其是距离小于30 km)，由于震源深度导致的波速增加的影响也逐渐突显，深度对单台波速比的影响相对较大[7]。由不同方位台站平均距离和波速比方差相关图(图2)可见，两个丛不同方位台站平均距离和相应的波速比时间变化的方差呈现非常好的相关性，可为判断可能存在的波速比异常区域范围提供依据和参考。本研究选取台站距地震丛的距离限定在20～160 km。

图2 汶川丛、安县丛不同方位台站平均距离与波速比方差的关系图Fig.2 Average distance and Vp/Vs deviation of different azimuth stations to Wenchuan and Anxian cluster

2 汶川、芦山地震前后单台单震波速比时间变化和空间变化特征

2.1 单台单震波速比时间变化特征

1)汶川丛

汶川地震丛空间范围为31.0°～31.4°N、103.4°～103.8°E，选取13个分布不同方位的地震台站。汶川地震丛和周边13个台站的波速比平均值、方差和平均距离等参数列于表3。由表可见，地震台站与汶川丛的最大平均距离为156 km，最小平均距离为27 km，入选的地震数最多为2 960个，最少为841个。

表3 汶川丛周边不同方位台站的波速比总平均值、方差、平均距离等参数表

图3为计算数据时间连续性长、变化同步性好的6个台站1990-01～2015-04单台单震波速比的时间变化曲线。由图可见，2001年开始，波速比开始同步下降，异常低值过程8 a左右；汶川地震发生后，波速比快速回升；随着时间的发展，波速比再次快速下降，下降到最低点，发生芦山地震；芦山地震后快速回升，目前维持平稳变化。距离近的汶川和安县台异常特征最为显著，远距离台站异常变化幅度相对减小。

图3 平武、汶川、松潘、小金、安县和黑水台波速比时间变化曲线(1990-01～2015-04,相对于汶川丛)Fig.3 Vp/Vs versus time curves for the station PWU,WCH,SPA,XJI,AXI,HSH to Wenchuan cluster form January 1990 to April 2015

2)芦山丛

芦山地震丛空间分布范围为30.0°～30.4°N、102.7°～103.1°E，选取13个不同方位分布的地震台站。芦山丛地震和周边13个台站的波速比平均值、方差和平均距离等参数列于表4。从表中可见，周边台站距离芦山丛的最远平均距离为195 km，最小平均距离为26 km，入选的地震数最多为1 293个，最少为122个。

图4为时间连续性较好的6个台站1990-01～2015-04波速比的时间变化曲线，可清晰地看到芦山丛周边台站在汶川和芦山地震前后基本同步的时间变化过程。在1990～2000年期间，6个台中除黑水台以外，波速比均在1.68以上平稳变化。2001年开始，波速比同步下降，维持1.67以下的异常低值过程近8 a。汶川地震发生后，波速比仍未恢复，波速比保持持续低值和缓慢回返状态。在大部分台站逐渐恢复的过程中，发生芦山地震。震后波速比快速回升，目前维持接近均值的平稳变化状态。与汶川丛类似，距离近的姑咱台和油榨坪台异常特征最为显著，台站距离越远，异常变化幅度相对越小。还可以看到，芦山丛和汶川丛单台单震波速比低值异常大致开始于2001年前后，时间上具有较好的同步性(图3和图4)。

表4 芦山丛周边不同方位台站的波速比总平均值、方差、平均距离等参数表

龙门山断裂中北段汶川、安县、北川和青川等地震丛波速比过程基本一致。对于芦山丛和鲜水河、则木河断裂附近的地震丛，波速比过程基本一致。龙门山断裂附近地震丛的差异受汶川地震发生的影响，在汶川地震后出现快速回升和再次下降的过程(图3、图5)。而鲜水河和则木河断裂附近的地震丛，波速比低值过程可能未受汶川地震的影响，在芦山地震发生前基本维持由低值缓慢回升的状态(图4)。距离龙门山断裂带较远的地震丛，未见到这种在两次强震前不同方位的多台同步性变化特征，如马尔康、巧家、木里和筠连丛。

图4 姑咱、九龙、汶川、五马坪、油榨坪和油灌顶台波速比的时间变化曲线(1990-01～2015-04，相对于芦山丛)Fig.4 Vp/Vs versus time curves for the station GZA,JLO,WCH,WMP,YZP,and YGD to Lushan cluster form January 1990 to April 2015

图5 龙门山断裂带及附近地区14个地震丛至周边台站单台波速比平均值的空间分布Fig.5 Spatial distribution of average Vp/Vs by single-station and single earthquake method at Longmenshan fault and its adjacent district

2.2 波速比Vp/Vs值时空变化特征

根据上述14个地震丛不同方位台站单台单震波速比在汶川地震和芦山地震前后的变化特征分析，可将波速比的异常同步变化过程大致分为以下4个阶段：1)1990～2000年为基本正常的平稳变化阶段；2)2001～2008-05-11为汶川地震前低值变化的异常阶段；3)2008-05-12～2013-04-19为芦山地震前低值变化阶段；4)2013-04-20～2015-04为芦山地震后快速回升的平稳变化阶段。

由图5可见，在汶川地震和芦山地震前均存在大范围、长时间的单台波速比低值异常。汶川地震前，波速比低值范围不仅分布在龙门山断裂附近，而且在鲜水河和则木河断裂附近也有分布。汶川地震后，龙门山断裂东侧的低值逐渐升高，在安宁河断裂南部的低值范围相应缩小。但是，在龙门山断裂西侧、鲜水河断裂和则木河断裂低值状态仍然持续。芦山地震后，各丛集区大部分台站的波速比出现同步回升。从图5(d)可见，芦山地震发生后，龙门山断裂东部台站的波速比平均值由1.68以上上升到1.70以上，安宁河断裂以南的台站也大部分上升到1.68以上。目前仅在石棉、康定、小金、汶川、黑水台的方位上恢复并不显著，2013-04后这些台的波速比平均值仍在1.67以下，但与汶川和芦山地震前不同的是，波速比低于1.67的射线已明显减少。

3 结 语

龙门山断裂及其附近的地震丛发区，均可在地震丛与台站之间的不同方位上看到波速比在汶川地震前同步降低、芦山震后明显恢复的变化过程。对于龙门山中北段的地震丛发区，大部分台站波速比的同步时间变化过程可分为两个阶段：第一阶段是在汶川地震前，2000～2008-05波速比低值异常持续时间约8 a。汶川震后，波速比快速回升。第二阶段，2010年开始再次显现波速比持续稳定下降过程，直至2013-04降到最低点，发生芦山地震，之后波速比再次快速回升到正常值。对于龙门山中南段及其附近地震丛发区，大部分台站波速比的同步时间变化为2000～2013-04，波速比维持长时间的异常低值状态，低值持续时间约13 a，直至2013-04芦山地震发生，芦山地震后波速比快速回升。不论是龙门山断裂的北段还是南段，均可看到基本一致的波速比从2000年开始至2013年后的整体降低-恢复过程，显示了汶川8级和芦山7级地震孕育过程的整体性和差异性。由此可见，汶川地震和芦山地震很可能是同一孕震过程中的两次先后发生的强震事件。对于8级巨大强震在孕育-发生-调整过程中，震源体及附近区域地壳介质物性异常变化不仅时间过程相当漫长，且空间尺度也十分广阔。从时间尺度上看，波速比的结果与短水准资料结果[8]是一致的。芦山地震后，大部分台站的波速比表现出大范围同步恢复的过程。这种现象的出现，可能是巴颜喀拉块体向东推挤的统一动力过程进入后期调整性活动阶段的标志。

综上所述，汶川地震和芦山地震之间的关联用“一奶同胞”来形容可能更为贴切。利用区域台网快速产出的震相报告进行波速比跟踪分析，也为我们实时跟踪监测丛发区内和周边区域波速比的时间变化提供了新的方便快捷的思路。然而，这种方法依然受到地震定位精度及震相到时判读精度的影响，波速及波速比变化的可靠性仍需要波形相关等技术的进一步深入研究予以确认。

致谢：宋晓东教授和许忠淮教授对本研究给予悉心指导和帮助，在此表示衷心的感谢！

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About the first author:LI Yan’e，associate researcher，majors in digital seismology and earthquake prediction or forecast,E-mail:liyane05@cea-igp.ac.cn.

Study of the Seismogenic Process from Wenchuan to the Lushan Earthquake Based on Wave Velocity Ratio Temporal Variation

LIYan’e1WANGLinying1SONGMeiqing2CHENLijuan1

1 Institute of Geophysics, CEA, 5 South-Minzudaxue Road,Beijing 100081, China 2 Earthquake Administration of Shanxi Province,69 2th Segment of Jinci Road,Taiyuan 030021,China

Based on seismic phase date recorded by Sichuan digital seismic network, this study analyzes the spatial and temporal variations. In this study, we employ the idea of repeat earthquakes, select seismic active area as generalized repeat earthquakes, and analyze the velocity ratio of the cluster zone to different stations around. The results show that the velocity ratio obviously decreased before the Wenchuan earthquake and increased after the Lushan earthquake. These changes can be observed both north and south of Longmenshan fault. The temporal changes of velocity ratio from 2000 to 2013 show the integrity and difference between Wenchuan MS8.0 and Lushan MS7.0. It seems that it was the same dynamic process, the two large earthquakes occurred in this process.

Wenchuan earthquake；Lushan earthquake；wave velocity ratio；single station-single earthquake method；repeat earthquake

Special Fund for Earthquake Research of CEA,No.201508020.

2015-09-30

项目来源：中国地震局地震行业科研专项(201508020)。

李艳娥,副研究员，主要从事数字地震学及地震预测预报等研究，E-mail:liyane05@cea-igp.ac.cn。

10.14075/j.jgg.2016.11.011

1671-5942(2016)010-0991-07

P315

A