吉林省前郭5.8级震群前后波速比变化特征

吉林省前郭5.8级震群前后波速比变化特征
张洪艳;苗春兰;卢燕红;康建红;张宇
【摘要】本文选取2001年1月1日-2014年8月31日模拟和数字化地震资料的P波和S波震相,对收集到的数据进行了严格的筛选和限定,利用单台多震和达法和单震多台和达法分别获得了各台站波速比随时间变化曲线以及松原地区波速比空间分布,重点分析了2013年前郭震群发生前后波速比的时空变化特征.结果显示,单台多震和达法得到的净月台、丰满台波速比在2013年前郭震群发生前存在中期异常,2个台站均表现为震前低值中期异常,震后净月台缓慢恢复;单震多台和达法得到的松原地区波速比空间分布显示,松原地区波速比横向不均匀性较强,2013年前郭震群发生前存在椭圆形低值异常区,震后异常区显著缩小.
【期刊名称】《震灾防御技术》
【年(卷),期】2015(010)003
【总页数】10页(P605-614)
【关键词】单台多震和达法;单震多台和达法;前郭震群;波速比
【作者】张洪艳;苗春兰;卢燕红;康建红;张宇
【作者单位】吉林省地震局,长春130117;中国地震台网中心,北京100045;吉林省地震局,长春130117;吉林省地震局,长春130117;吉林省地震局,长春130117【正文语种】中文
在地震孕育过程中，由于应变的不断累积导致了孕震区介质的性质发生了相应的变化，进而造成了地震波速的变化。

而波速比是研究地震波速变化的一种方法，因此
分析地震波速的变化可提供地震孕育的前兆信息。

自20世纪日本首次发现波速比异常后，有关中强地震前确实存在波速比异常的诸多震例已被证实（冯德益，1981；库尔斯克耶夫，2005；高朝军等，2013；李艳娥等，2014）。

同时，国内的地震学者还利用波速比值的长趋势变化，研究了波速比变化的时空演化特征与强震的关系，为探索未来一段时间中强地震的发生地点和时间提供了参考（梅世蓉等，1993；陆远忠等，1985；龙海英等，2011）。

2013年10月31日至11月23日，吉林省前郭地区陆续发生了5次5级以上的震群，其中强震的频度、强度、序列类型等在吉林省地震史上尚属首例。

针对前郭5.8级震群，不同学者（刘莎等，2014；吴微微等，2014）从不同角度分别开展了各向异性、精定位、震源机制解、视应力、活动性分析、烈度调查、前兆追踪等相关研究工作。

同时，对震源区及其邻近地区的宏观和微观地震现象也做了多角度的调研和分析，试图从发震构造、空间位置、前兆异常、测震学异常等方面综合判定此次地震序列，从而为该区域的地震研究积累宝贵的震例分析，以利于后续震情的跟踪。

在参考上述研究成果的基础上，本文针对2013年前郭5.8级震群，分别利用单台多震和单震多台和达法对各地震台站及松原地区的平均波速比进行了计算，试图探寻波速比在震群前后的时间和空间演化特征。

和达法由日本地震学家和达清夫提出（Watati，1928），由于该方法仅依赖P波和S波观测到时而不受限于定位过程中的其它参数，因此在地震定位程序中得到了广泛应用。

其中多台和达法是以和达法为基础，利用震中周围多个台站（不少于4个）记录的纵波到时（TP）和纵横波到时差（TS-P）资料绘图，拟合直线求得斜率，进而求得波速比（傅征祥等，1988）。

式（1）和式（2）分别为计算波速比和相关系数的公式：
式中，为P波走时，为S波走时，，i=1，2，…，n，n为台站总数；相关系数R
主要用来度量纵波到时与纵横波到时差之间的线性关系。

多台和达法计算波速比主要有单台多震和达法、单震多台和达法、多震多台和达法，本文重点采用单台多震和达法和单震多台和达法。

其中，单台多震和达法可反映多次地震事件由单台记录的平均波速比，用以表示多次地震发生时段一定范围内的平均波速比，其优点是可利用1个台站不同时间多个地震记录的震相数据。

在地震
时空分布相对均匀和稳定的情况下，其计算结果稳定性较高，可提高波速比分析的空间分辨能力。

本文利用单台多震和达法计算各台站波速比随时间变化曲线，计算中相关系数，误差估计，计算样本组地震次数N=30—50。

而单震多台和达法可
反映由震源发出的地震波被多个台站接收，用以表示地震发生时刻从震源到多个台站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实测的时间，当地震发生时在一定范围内有震相记录的台站越多时，则波速比计算精度和稳定性越好。

本文利用单震多台和达法计算松原地区空间波速比，考虑到单震多台和达法对震相的判读精度要求较高，为保持和达曲线的稳定，台站选取时尽量避免各个坐标点集成一团，同时还删除了离散度较大的数据，相关系数R控制在0.95以内。

地震波在由震源传至接收台站的地下介质时，由于地下介质的横向不均匀性，因此在计算中应尽量减小路径差异对波速比值的影响，从而使波速比值能够较好地反映地下介质的物性变化（钱晓东等，2013）。

为此在资料选取及计算的过程中，笔
者分别从震相判读、台站的个数以及到时差、参与定位的台站布局、相关系数等方面对资料进行了一定的限定，从而可保证计算结果的可靠性和真实性。

选取2001年1月1日—2014年8月31日吉林省地震台网记录的模拟和数字化资料P波震相和S波震相（见图1）。

为了充分保证震相读取精度，对2008—2014年的数
字化资料重新读取震相，挑选震相清晰、仪器运行稳定的震相数据，并限定单次地震至少被4个以上台站记录到，以最大限度地减小人为误差、仪器误差。

经修正
后的震相数据质量较好，能够较好地满足分析的要求。

同时考虑到吉林地区地震的
样本数量较少，在纵横波到时差（△T）的选取上，选，以保证有足够的样本量参
与计算分析。

针对2001—2014年的天然地震事件，利用单台多震和达法计算了15个震相数据连续性较好的台站波速比。

计算过程中考虑到天然地震分布的不稳定性以及多台和达法本身固有的局限性，一般选取，最大选取，以保证相关系数R和波速比误差
估计参数相一致，计算样本组的地震次数N=30—50。

最终获取了连续性较好且
背景值较稳定的净月台、丰满台和白城台波速比随时间的变化曲线（见图2）。

白城台波速比背景值在1.7—1.75之间浮动，整体变化比较平稳，其在前郭震群发生前后无明显趋势变化。

净月台和丰满台的波速比在前郭震群发生前后存在较明显的异常变化，其中，净月台的波速比正常背景值在2001—2010年一直在1.7—
1.75之间波动，自2011年初波速比出现小幅下降，并跌破均值线，低值异常持
续至群震发生前，异常持续时间约二年半，前郭震群发生后有小幅回升的趋势，波速比变化基本平稳，但仍未恢复至正常背景值；丰满台波速比正常背景值也在
1.7—1.75之间波动，于2012年中期开始出现异常，主要表现为正常-降低-维持
长期低值-发震的阶段性变化特征，但由于丰满台2013年2月后无新的计算结果
补入，因此无法断定震后丰满台波速比是否也同时出现了明显的回升迹象。

虽然丰满台、净月台样本量相对较丰富，中期异常特征明显，但从震中分布图中（图3）可以看出，2个台站附近的松原地区小震丛集现象显著。

为了进一步排除地震空间分布过于集中以及小震丛集短时间频发对波速比值的影响（王林瑛等，2014），笔者将松原地区小震丛集去除，利用单台多震和达法重新获取了丰满台
和净月台的波速比随时间变化曲线（图4），以进一步观察波速比异常的变化形态。

若波速比值受小震丛集的影响，则不作为可靠异常看待；若去除小震丛集影响后，异常仍稳定出现，则该台的异常可靠性较高。

从图4可以看出，当去除小震丛集
对波速比曲线的影响后，净月台和丰满台的异常形态仍然存在，验证了丰满台和净
月台出现的波速比异常受前郭余震影响较小，可认为净月台和丰满台的异常是可信的。

2013年前郭震群发生前，不同台站的前兆测项和波速比分别出现了不同时间、不同形态的中期异常，其中出现前兆中期异常的主要台站有丰满台水氡、丰满台垂直摆倾斜仪、榆树台地电，而异常最早开始于2010年3月。

出现波速比中期异常的台站主要有距离震中约130km和200km左右的净月台和丰满台，2个台在前郭震群发生前存在较为同步的波速比中期低值异常，异常形态较为相似，变化趋势也基本一致，而异常最早开始于2011年。

在前郭震群发生前，出现前兆和波速比的中期异常反映了某种区域特性，如丰满台、净月台和榆树台均位于伊通-舒兰断裂带附近（图5），异常时间主要集中在震群前3—24个月，远场效应显著。

从上述中期异常出现的时间可以看出，前郭震群在孕育与发生过程中反映了地壳介质物象性变化的重要信息，同时也可能与伊通-舒兰断裂带附近未来中强地震的发生存在某种相关性。

利用松原地区2001年1月至2014年8月模拟和数字化地震资料的P波和S波到时（图6），采用单震多台和达法计算每个地震事件的平均波速比，同时采用自然邻点插值法绘图，笔者获取了前郭震群发生前后松原地区的波速比空间分布（图7）。

图7a中的数据时间截止至2013年10月30日，主要反映2013年前郭震群发生前波速比空间分布。

结果显示，2013年前郭震群位于松辽盆地中央凹陷区内，波速比值存在显著的横向差异，高低值变化显著。

其中，北东东的异常方向与该区域内扶余-肇东断裂的方位一致，该断裂带位于波速比高值区和低值区的分界线。

而扶余-肇东断裂带位于松辽盆地中部，西侧为中央凹陷带，东侧为相对隆起区，该断裂两侧地质构造比较复杂。

同时盆地北部区域地壳的纵向分层性和横向不均匀性也比较显著（高君等，2006），它们共同影响着断裂两侧波速比的高、低变化。

图7b中的数据时间截止至2014年8月31日，主要反映2013年前郭震群发生后波速比空间分布。

结果显示，震后波速比空间分布的横向差异性明显减弱，整个区域的波速比值较均匀，高、低值的异常区不显著，扶余-肇东断裂两侧差异性不明显。

对比震前（图7a）和震后（图7b）波速比空间分布显示，在前郭震群发生前，震中附近存在椭圆形波速比低值异常区，即第二松花江、长春-四平、扶余-肇东断裂带所围区域——农安-长岭-公主岭沿线大部分地区，异常区范围较大。

而该异常区在前郭震群发生后，低值区域严重缩小，波速比值普遍回升。

由此可见，2013年前郭震群发生前后，波速比空间差异较明显，存在较明显的震前椭圆形低值异常区。

精确、可靠的波速比值，能够较真实地反映区域介质性质的变化，为地震学研究提供重要的基础数据。

波速比值的大小因不同的地质构造环境，如断裂、岩性、地下水、温度等介质因素而产生差异（黎明晓等，2004；张学民等，2007）。

同时，诸多的客观因素，如台站布局和数量、计算方法、数据来源等又直接影响波速比的精度。

以下对上述影响因素作简要分析。

4.1 台站数量
图8给出了波速比随台站数量的变化情况。

结果显示，波速比的离散度与台站数量关系密切，当地震记录的台站数较少（小于10个）时，波速比的离散度较大；反之，当地震记录的台站数较多（大于10个）时，波速比的离散度较小。

本文用于计算波速比的台站数多数在4—10个之间，约占总数的64%，因此波速比值的离散度较大。

为此笔者建议应加强台站布局的合理性，以减小台站数量对波速比值的影响。

4.2 人为误差
在计算中会出现个别台的资料点偏离和达直线，经对数据重新复核后发现，有部分
偏离点是由于震相的判读误差导致的，有部分偏离点是由于台站仪器非正常运转造成的；而另外的原因是由于参与定位的台站方位角不理想。

4.3 计算方法的局限性
目前计算波速比所使用的方法是建立在理想均匀弹性介质的基础上，而波速比反映的是地壳的介质性质，所以介质的横向不均匀性对计算结果影响较大。

而建立不均匀介质的计算公式比较复杂，为了克服这一弱点，要尽量使用小台网或近台的资料，以保证台站尽量位于孕震区，从而可较真实地反映介质的变化（蔡静观，2000）。

4.4 样本的局限性
研究区内地震样本较少，且分布不均，直接影响到计算精度。

因此需增加样本量，同时还要结合相关介质参数综合分析研究区介质的变化，以得到更为客观的认识。

波速比主要反映地震波由震源传至接收台站路径上的平均波速变化。

考虑到吉林地区地震发生频度低且呈丛集性，以及地下介质的横向不均匀性，因此对多台和达法的计算结果影响较大。

笔者建议应尽量减小由于路径的差异对地震波传播带来的影响，在计算过程中对选取的地震资料首先要进行区域范围的限制，这样得出的波速比变化才能较好地反映地下介质的物性变化（钱晓东等，2013）。

同时，在资料
选取的过程中为了提高计算精度必须综合考虑各方面的影响因素，尽可能地减少各种因素的影响。

应分别从震相的判读、台站的个数及到时差、参与定位的台站布局、相关系数等方面对资料进行一定的限定，将所有的数字化地震事件重新定位，以减小地震震相判读的误差。

鉴于地震样本数据量较少，在纵横波到时差（△T）的选
取上，应选取的地震样本，以保证有足够的样本量参与计算；同时限定单次地震事件至少被4个以上台站记录到，相关系数，误差估计。

另外，多台和达法对震相
的判读精度要求较高，为保持和达曲线的稳定，台站选取时应尽量避免各个坐标点集成一团，应删除离散度较大的数据。

本文针对2013年前郭5.8级震群，分别采用单台多震和达法和单震多台和达法，
利用2001—2014年模拟和数字化地震资料，获取了单台波速比随时间变化曲线和区域波速比空间分布。

结果显示，前郭5.8级震群发生前后，单台和区域波速比值均存在异常现象。

其中，单台结果主要表现为净月台和丰满台波速比震前低值中期异常。

而空间结果显示，松原地区波速比的横向不均匀性较强，扶余-肇东断裂带为波速比高值、低值的过渡带；前郭震群发生前，扶余-肇东断裂带周围存在椭圆形低值异常区，震后异常区显著缩小。

另外，对波速比的不确定性进行了简要的探讨并提出了相应的建议。

致谢：本文是在中国地震局地球物理研究所四室局所合作交流学习时完成的。

在学习的过程中得到了王林瑛研究员和李艳娥老师在原理与程序上的帮助，同时王林瑛还指导了本文的完成，在此深表谢意！同时感谢吉林省地震局高金哲、张晨侠给予的大量帮助！感谢审稿专家提出的宝贵修改意见！
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