基于沈阳台的辽宁省地区波速比变化研究

方禹心，顾强强，荆 涛，包秀敏

（沈阳地震基准台，辽宁 沈阳110061）

0 引言

当地震波通过地壳介质时，其速度会随介质物理性质变化而发生变化，波速比作为地震波的运动学特征，可用其捕捉中强地震前后介质的异常变化信息，这也是利用波速比研究地下介质物理性质变化的重要依据［1］。在地震发生时，地震波会在地壳内迅速传播，地壳介质和传播速度之间会形成准确的函数关系，当地震的传播速度发生变化时，地壳介质的所有物理参数也会发生变化，因地震形成的区域应力场也会随之发生改变。因为P 波以及S 波和地壳介质物理参数的函数关系不一样，因此当地震发生时， P 波以及S 波的反应状态也各不相同。在现代化的地震监测技术中，监测P 波以及S 波的变化来进性地震险情预警已经成为一种十分常见的预警手段［2-3］。

近年来，随着数字地震观测仪器的改进和地震台站密度的增加，有关利用区域数字地震台网震相数据分析地震前后波速比变化特征的研究也不断增多。例如：龙海英等［4］研究了新疆乌苏5.1级地震前后波速比变化，发现震前波速比呈现正常—降低—发震模式；钱晓东等［5］研究了攀枝花6.1级地震前后波速比变化，发现地震发生前3年波速比持续长时间下降，震前2个多月回升至均值上下发震。此外，其他学者在研究地震前后波速比变化特征时，同样发现了震前波速比降低的异常现象（王林瑛等［6］，李艳娥等［7］，陈丽娟等［8］， 邢康等［9］）。由此可见，震前波速比异常可以作为地震预测预报的一种指标。

进入信息化以来，随着互联网技术的不断发展，数字化水平也在不断的提高。经过国内专家学者的不懈努力，我国的数字地震波资料库已经初步建立起来，可以随时随地调取不同区域发生中强地震前波速比变化特征研究成果，本文利用沈阳地震台的数字化地震记录，对辽宁地区中强震前的波速比变化进行研究。

1 辽宁省地区地质背景

辽宁地区的大部分地震震源深度都在10km到20km 之间，多分布在丘陵、断裂盆地、断裂带以及结构变异带上面，在整个华北地区属于地震活动的中等水平。地震活动在时间、空间分布上都表现出非均匀特征，时间上表现成丛的特征，空间上表现相对集中特征。辽宁地区地震活动主要分布在营海老震区和张渤地震带附近。

辽宁测震台网是由5个国家数字测震台和30 个区域数字测震台及2 个背景场项目新建台组成，并通过中国地震台网中心实时波形数据流服务器接入邻省14个台站。测震台比较均匀的分布在辽宁省各地，平均台站间距为70km，辽宁中部地区台站分布较密集。本研究基于辽宁省数字地震台网中心提供的地震目录，收集并整理2008—2018年的地震震相数据。

2 研究方法

一般情况下，波速比的计算方法大都采用和达法，把S 波与P 波到时差与P 波到时拟合为1条直线。两种计算方法运用的计算原理都是一样的，将两组数据Tpt和T（s-p）i其中的一个当做自变量，将另一个数据当做因变量，根据两者之间的函数关系进行分析，计算出某一节点上的斜率即波速比。然后可以参考地震统计局监测到的直达波Pg和Sg震相的到时Tp与Ts，根据下列公式用最小二乘法计算波速比：

其中n为每次地震到时的数据个数。

相比于直接将地震预测的波速比筛选出来，运用这种计算方法计算出的波速比值准确度较高，并且可以保持相对的稳定性，不过这种计算方法的对网络监测布局以及时间服务精度要求极高。

3 资料选取

在接收到由辽宁省数字化网络监测到的地震监测报告后，应立刻将信息资料进行科学的筛选和处理，从横向和纵向两个方面对监测数据进行全面的分析比较，计算出精准的地震波速比，以及沈阳台的到时记录。为了方便筛选查看及判定未来可能发生地震的区域，以沈阳台为中心划分为四个象限进行讨论（图1），由于第三象限发生中强震比较多且确有案例可以说明，故选其为研究对象。为了保证计算结果的可靠性，筛选并重读以沈阳台为中心的第三象限地震数据记录，按地震发生的频次，以10个点为窗长逐点依次进行平均波速比计算，计算所得结果根据以下异常判别条件划分：≥1.71为正常；=1.67～1.71为正常偏低；≤1.66即存在异常现象，所以在筛选数据时，对误差大于0.05的单点进行了数据重新读取或剔除。

图1 四象限划分震中分布图Fig.1Four-quadrant epicentral distribution map

4 计算结果

四个象限波速比变化如图2所示，可以看出第三象限在海城地区地震前有较明显的低值异常变化，因此重点对第三象限进行讨论并编制出波速比前后随着时间变化而发生变化的函数曲线。由图1我们能够清楚地得出，重读后监测到的地震事件为115例，平均波速比值为1.71。由图3能够得出，大部分的地震波速比值都集中在1.65到1.75之间，并且随着地震强度的不断减小，波速比的离散状况更加明显。由图4能够得出，第三象限内低值异常呈现持续走低趋式；图5为灯塔5.1级地震前出现的大约1年的波速比异常，震前半年出现明显的高值攀升，波速比形成正常—降低—高值攀升—发震的模式，中强地震前波速比会出现下降，之后回升到一定程度发生主震；海城4.4级地震前一年半左右波速比持续走低直至发震到达最低值（图6）。这些特征与显著地震前后波速比变化的一般特征比较一致。

图2 四象限波速比平滑Fig.2Four-quadrant wavevelocity ratiosmooth

图5 灯塔5.1级震前变化Fig.5Thebefore TheDengta M5.1earthquake

5 结果与讨论

从上面的分析中,我们可以得到以下结论：

（1）辽宁西南部地区的平均波速比为1.71；

（2）通过分析第三象限波速比的时间变化趋势，能够清楚地发现波速比与地震强度之间存在紧密的联系，因此认真研究波速比的发展变化，对于准确的预报地震险情有着重要意义。由上图的数据表明，波速比的整体比值在过去的十年间呈现出不断下降的趋势，这也意味着该地区的地壳运动十分活跃，未来发生中强度地震的几率较高；

（3）在过去的几年间，海域地区发生中强地震之前，该海域的波速比值都维持在一个较低的水平，不过每次维持的时间都不相同，也许是孕震环境的不同导致这样的结果产生，这种现象还需进一步考察验证；

（4）由过去十年间的波速比监测结果来看，如果没有中强地震的发生，这一时间段的波速比也会发生异常变动，不过这种现象持续的时间较短，并且没有准确的统计记录，所以将波速比的状况与发生中强地震的必然性联系起来是有待商榷的。不过这一数值可以作为辽宁地区的一种参考依据，结合其他多种手段进行综合监测。

本文通过运用单台多震和达法来计算波速比，将数字化信息进行细化处理，实现信息的同步性和一致性，消除了这种方法本身存在的局限性，保证数据的真实完整。不过从整体情况来看，这一研究方法还是会存在一定程度的误差，这就要求我们进一步改进分析方法，全面系统的分析各项数据，运用不同先进的科学研究手段进行综合判断，使整个监测过程变得更加细致精准。