2008年攀枝花6.1級地震前后波速比變化研究*

錢曉東，蘇有錦

(云南省地震局，云南昆明650224)

0 前言

在強震孕育過程中，尤其是在臨震階段較短時間內，震源及其附近地區的地下介質由于區域應力場的增強，孕震區應力的增加和應變的積累，地下介質會產生諸如微破裂、塑性硬化、裂隙密度及飽水層變化，當地震波通過這樣的介質及其周邊地區時，地震波的傳播速度會發生變化。早在1956年，日本地震學家宮本貞夫就發現強震前地震波速度變化異常現象(馮德益，1981)。隨后，前蘇聯、美國地震工作者陸續發現震前波速變化異常，1962年前蘇聯謝苗諾夫利用加爾姆地區微震臺網資料，觀測到了許多3.5～5.5級地震前波速比異常(陸遠忠等，1985)。美國的地震工作者也早已觀測到震前波速比異常變化，Aggarwal等(1975)對紐約蘭山湖一些1～3級小地震的波速比異常進行研究，預報了1973年8月3日蘭山湖2.6級地震，Scholz等(1973)提出膨脹擴容模式解釋大地震前的波速變化及其前兆機理，引起地學界的高度關注。隨著寬頻帶數字化地震臺網的建立和觀測技術手段的提高，波速比觀測與研究有了進一步發展，Nakamara等(2002)研究了中強地震前后波速比變化，Schaff和 Beroza(2004)利用原地重復地震觀測到震前震源區出現明顯波速異常。

我國波速比研究開始于1970年，至今已有很多中強地震前波速比異常變化研究成果，還有一些強震成功預報震例。徐果明和周惠蘭(1982)對1976年松潘—平武7.2級地震提出的預報意見，其主要依據為該區震前出現的波速比異常。1976年11月鹽源—寧蒗6.7級地震前約1年，董頌聲等(1981)對滇西北進行波速比普查并發現異常，于1975年11月向當地政府部門提出了書面預報意見。但是，隨著波速比研究的深入，一些學者發現盡管有些中強地震發生在地震監測臺網比較密集的地區，但有些地震震前并未觀測到波速比異常(McEvilly，Hohnson，1973)。對于同樣一個地震，如1968年5月日本十勝近海7.9級地震，有的學者觀測到波速比異常(Iizuka，1976)，有的卻未觀測到(Ohtake，1973)。因此，震前波速異常是否是一種普遍現象?這還需要進一步深入探索和研究，需要積累更多震例來加以證實，波速比研究具有重要理論和現實意義。筆者利用川滇交界地區數字化觀測臺網記錄的波形資料，詳細研究了2008年8月攀枝花6.1級地震前后波速比變化，發現震前波速比確實出現異常現象，并對地震前后波速比變個臺，地震射線對攀枝花地震孕震區有較好的覆蓋，尤其是主震南部的元謀—綠汁江斷裂附近射線非常密集。

影響波速比可靠性的一個重要因素是地震波記錄質量的好壞，我們應該挑選那些P波和S波到時都容易區分的資料，對于不可靠的P波和S波記錄要放棄，圖2給出幾次地震的原始記錄，從圖中看到P波和S波較容易分辨，由于記錄的采樣率高，實際讀取數據時可以放大，故P波和S波到時是容易讀取且可靠的。

3 結果及分析

3.1 波速比VP/VS直線擬合

從(5)式可知，直達P波到時與S波、P波到時差為通過原點斜率為k的直線，波速比VP/VS為k+1。根據到時差小于20 s及3個以上臺站的挑選地震限定條件，研究區共發生ML≥2.0地震227次，符合條件的為215次:8個以上臺站的為34次，占總數的16%，5個以上臺站的有150次，占70%，最多為12個臺站。由此來看，多數入選地震的到時數據達到5個臺站以上。圖3給出4次地震求波速比的直線擬合情況，以圖3d 2008年12月9日大姚2.5級地震為例，圖中橫坐標為P波到時，縱坐標為S波、P波到時差，有7個臺站同時記錄到清晰的直達P、S波到時，用最小二乘法直線擬合可得斜率k=0.73，波速比VP/VS為1.73。該次地震震源深度為7 km，實測S波、P波到時差最小為2.90 s，為大姚臺記錄，震源距為21 km;實測S波、P波到時差，最大為18.75 s，為易門臺記錄，震源距為153.9 km。從圖中看到，相關系數R=0.998，說明觀測數據與擬合直線較為相關，標準誤差S=0.36，在誤差1.5范圍內，從圖中可以清楚地看到只有2個點(自下而上第5、6個點)與直線有較小偏離，直線與觀測數據整體上吻合較好。

圖1 研究區臺站及震中分布(2004－01～2009－06)Fig.1 Distribution of stations and earthquake epicenters in study area from Jan.，2004 to Jun.，2009

圖3 P波到時與S波、P波到時差關系(a)2004－12－28 20:22:37元謀3.4級地震;(b)2007－02－18 22:26:20武定2.7級地震;(c)2008－01－09 22:11:24永仁2.7級地震;(d)2008－12－09 04:52:06大姚2.5級地震Fig.3 The relationship between arrival time of P-wave and arrival time difference between S and P waves(a)Yuanmou M3.4 earthquake occurred at 20:22:37 on Dec.28，2004;(b)Wuding M2.7 earthquake occurred at 22:26:20 on Feb.18，2007;(c)Yongren M2.7 earthquake occurred at 22:11:24 on Jan.9，2008;(d)Dayao M2.5 earthquake occurred at 04:52:06 on Dec.9，2008

3.2 誤差分析

圖4給出相關系數R和擬合殘差Δy統計，從相關系數R來看(圖4a)，R小于0.9的數據僅有12次，R≥0.96的數據達到197次，占總數的92%，R≥0.98為165次，占77%，R≥0.99為116次，占54%。可見，90%以上的地震其相關系數在0.96以上。

圖4b為擬合殘差Δy統計圖。擬合殘差為觀測值與理論值之差，本文取0.1 s為間隔進行統計，從圖中可以看到，擬合殘差正態分布現象較為明顯，Δy在±0.25 s以內的數據占總數的40%，而Δy在±0.5 s以內的數據則高達70%，可見本文使用的擬合方法是能夠保證絕大多數觀測數據與直線有較為緊密的結合，從而使計算得到的波速比誤差較小。

圖4 相關系數R(a)和擬合殘差Δy(b)統計Fig.4 Statistics of the correlation coefficient R(a)and the fitting residuals Δy(b)

3.3 攀枝花6.1級地震前后波速比變化

圖5給出攀枝花6.1級地震前后波速比VP/VS隨時間的變化，為了消除單點突跳，對波速比進行5點平均，圖中同時給出5點平均1點滑動平均線，3條直線中實線為均值，上下兩條虛線為2倍均方差。從圖5a中看到，波速比最大值為1.88，最小值為1.53，平均值為1.69，大部分在均值上下2倍均方差范圍。2004年至2005年6月，波速比在均值上下隨機波動，高值點多于低值點，2005年6月～2006年8月，波速比出現緩慢下降過程(5點移動平均線更為清楚)，至2006年8月降到最低并出現2個低于1.6的低值異常點。2006年8月～2008年3月，波速比又逐漸恢復至均值附近波動。2008年3～6月，波速比出現劇烈下降，并出現多達7次小于1.6的低值異常，之后在較短時間內回升到均值發生攀枝花6.1級地震，震后至2009年6月波速比在均值附近變化，期間有高值異常點出現，但未出現低于1.6的低值。從整個研究區較大范圍來看，攀枝花6.1級地震前波速比出現2次異常變化，一次開始于震前相對較長的時間(3年)，波速比出現持續時間較長的下降過程，另一次是震前半年，波速比出現持續時間相對較短、急劇下降過程，并伴有群體低值異常出現。

通過分析每次地震得到的標準誤差S可知，平均S=0.66。雖然S的大小反映的是觀測資料的離散程度，S面大意味著觀測數據點較分散，但從另外角度考慮，觀測數據出現分散，有可能是地下介質物理、化學性質發生改變所引起，這種離散現象對地震預測預報研究具有較大意義，因此，我們將標準誤差大于均值0.66的波速比值挑選出來(圖5b)，發現震前低值異常同樣明顯。

圖5 波速比隨時間的變化(a)全部數據;(b)標準誤差大于0.66的數據Fig.5 Curves of wave velocity ratio changed with time(a)all the data;(b)data of standard error greater than 0.66

圖6 不同區域1區(a)、2區(b)、3區(c)、4區(d)、研究區(e)地震波射線空間分布及地震和區域劃分(f)(三角形表示臺站)Fig.6 Spatial distribution of seismic ray path in Region 1(a)、Region 2(b)、Region 3(c)、Region 4(d)、study region(e)，and earthquakes and divison of the region(f)

3.4 波速比分區特征

波速比反映的是地震波通過從震源至接收臺站地下介質時，地震波平均速度變化，而地下介質存在橫向不均勻性，為了盡量減少由于路徑的差異對地震波的傳播帶來的影響，需要對發生地震的區域范圍進行限制，使地震相對集中，計算得到的波速變化才能更好地反映地下介質的物性變化。根據地質構造和地震活動特性，我們將研究區劃分為4塊區域(圖6f)，1區包含楚雄、大姚及附近地區，2區主要為元謀—綠汁江斷裂及周邊地區，3區主要指鹽源、寧蒗地區，4區主要包括巧家、普格及附近地區。從地震波射線分布來看(圖6a～d)，1、3和4區地震射線未穿過攀枝花6.1級地震震區，波速比主要反映震區周邊地下介質物理性質，2區的地震射線穿過震區，射線較為密集的區域主要集中在震區及其南部，波速比變化主要反映震區及元謀—綠汁江斷裂附近地下介質物理性質。圖7給出分區波速比隨時間變化，從圖中看到:

1區(楚雄—大姚):波速比平均值為1.71，震前1年未出現低值，2007年初出現1次單點低值，但絕大多數數據都在均值上下隨機波動，攀枝花6.1級地震前該區波速比異常不明顯。

2區(攀枝花—元謀):波速比平均值為1.68，比整個研究區、1區和3區平均值低，2007年6月以前變化平緩，其后幅度較大，震前1年左右出現低值，震前3個月也出現低值，震后有高值出現，攀枝花6.1級地震前該區波速比異常明顯。

3區(鹽源—寧蒗):波速比平均值為1.71，高于整個研究區、2區和4區平均值，震前2年左右出現單點異常，但震前1年無異常出現，震后波速比高低變化幅度較大，該區攀枝花地震前波速比異常不明顯。

4區(巧家—普格):波速比平均值為1.64，為4個區域中最低值，該區2008年以前地震較少，地震主要集中發生于震前3個月，從圖中看到，震前有低值出現，小于均值的次數較多，震后波速比較高，無低值，攀枝花6.1級地震前該區波速比異常明顯。

總體看來，攀枝花6.1級地震前1年左右波速比VP/VS出現低值異常，震區及元謀—綠汁江斷裂附近低值異常較為明顯，該區整體(平均)波速比低，小于1.7;震區西北部的寧蒗—鹽源地區和西南部的楚雄—大姚地區與震區距離較遠，整體處于高波速比狀態(大于1.7)，震前波速變化不明顯。震區東北部的巧家—普格地區，低波速比異常明顯。

上述討論波速比分區特征，是將研究區按構造和地震活動性劃分為4塊區域，反映的是每一區波速比平均特征，由于每塊區域較大，尤其是區域2包括攀枝花至元謀較廣區域，要反映空間精細特征，則要采用空間圖像方法。圖8給出研究區波速比空間分布，從圖中看到，波速比高低值異常特點雖然與上述分區結論大體一致，但圖中有兩個現象較為突出，一是攀枝花震區較小范圍內未出現低值，低值出現在其南部的元謀附近;二是震區東北部的普格、巧家一帶出現大面積低波速比。攀枝花6.1級地震前的2008年5月12日，四川汶川發生8.0級大地震，發震斷裂北東走向的龍門山斷裂向西南方向延伸即指向這片低值區，從圖中看到低波速比地區似乎顯現出北東向帶狀分布。震區東北部出現的大面積低值異常是否受到汶川大地震及其強余震影響還有待深入研究。

圖7 不同分區1區(a)、2區(b)、3區(c)、4區(d)波速比隨時間的變化Fig.7 Wave velocity ratio changed with time in Region 1(a)、Region 2(b)、Region 3(c)、Region 4(d)

圖8 波速比空間分布Fig.8 Space distribution of wave velocity ratio

4 討論和結論

4.1 討論

真實地殼是多層的，不同巖性的地層常表現出不同的傳播速度。從(1)、(2)式可知，波速比是在一定假設條件下得到的，即地震射線是直線傳播，震源上方介質是均勻和單層的，因此，VP/VS并非真正地震波傳播速度的比值。VP/VS依賴于P波和S波到時數據，是多個臺站資料線性擬合結果，最小二乘線性擬合直線一定通過縱、橫坐標平均值，因此可以認為波速比是各臺數據總體平均結果，是對震源至臺站介質物理性質的綜合反映。波速比表達式為(時振梁等，1990)

式中，σ為泊松比。由式(10)可見，波速比與地下介質的泊松比σ有關，是σ的函數，波速比隨σ的增大而增大。巖石σ一般在0.2～0.4之間，若取σ=1/4=0.25，則正常情況下波速比為1.73。泊松比σ表示巖石受力后橫向與縱向應變之比，反映巖石的完整程度，當孕震區應力場強度增強時，巖石趨向于固結，σ變小，從而波速比變小。隨著應力場強度的不斷增加，巖石臨破裂前微裂隙增多，橫向變形愈加明顯，σ增大，相應波速比增大(波速比增大并非波速增大，巖石中的孔隙越多、巖石越破碎，P波或S波的速度反而下降)。這可能就是我們所觀測到的震前波速比減小而臨震反而回升的原因。地震后，巖體破碎且結構面變軟，隨著余震的不斷發生使震區附近巖體裂紋增多，σ增大，相應波速比增大，可能是攀枝花6.1級地震后波速比不斷出現高值的原因。

本文得到的攀枝花6.1級地震前波速比存在正常→降低→上升(恢復)→發震的異常變化過程，與國內許多學者得到的結論是一致的。都昌庭等(2001)研究了2000年9月青海興海6.6級地震前波速比變化，發現震前波速比下降過程明顯。曾文敬等(2007)研究了2005年11月九江瑞昌5.7級地震主余震波速比變化，由于震區主震前無地震活動，發現余震的強度和頻度有明顯增強之前，波速比會出現下降變化。王林瑛等(2008)研究了2006年7月河北文安5.1級地震前后波速比變化，得到的文安地震前波速比變化特征結論與本文攀枝花地震前變化過程結果較為相似。

4.2 結論

2008年8月30日在川滇交界攀枝花發生6.1級地震，本文利用云南省地震局昆明區域數字臺網波形資料，分析處理了震中及周邊地區24個地震臺，2004年1月～2009年6月2.0級以上地震227次，處理P波、S波震相1 300多個，采用多臺和達法計算了攀枝花6.1級地震前后波速比VP/VS，結果表明:

(1)研究區在研究時段內滿足波速比限定條件的地震達215次，參與計算的數據5個臺以上占70%。

(2)誤差分析表明，計算得到的波速比是可靠的。

(3)攀枝花地震前3年，波速比出現一次持續時間相對較長的下降過程，震前0.5年，波速比又出現一次持續時間相對較短、急劇下降過程，且伴隨有多次異常低值出現，震前2個多月至發震，波速比從低值回升至均值附近。

(4)震后波速比維持在均值上下波動，并伴有高值出現。

(5)震區南部的元謀附近和東北部的巧家—普格一帶波速比異常較為明顯。

董頌聲，葛煥稱，羅榮聯，等.1981.根據波速比變化預報地震的一個實例［J］.地震學報，3(2):21－31.

都昌庭，徐蘭芬，趙承海.2001.興海6.6級地震前后地震波的變化［J］.高原地震，13(1):38－44.

馮德益.1981.地震波速度異常［M］.北京:地震出版社.

國家地震局科技監測司.1990.地震學分析預報方法程式指南［M］.北京:地震出版社.

陸遠忠，陳章立，王碧泉，等.1985.地震預報的地震學方法［M］.北京:地震出版社.

時振梁，張少泉，趙榮國，等.1990.地震工作手冊［M］.北京:地震出版社.

王林瑛，郭永霞，劉芳，等.2008.文安地震前后首都圈分區波速比時變特征［J］.地震學報，30(3):240－253.

徐果明，周惠蘭.1982.地震學原理［M］.北京:科學出版社.

葉中行，王蓉華，徐曉嶺，等.2009.概率論與數理統計［M］.北京:北京大學出版社:406－416.

曾文敬，項月文，鄒水林.2007.九江—瑞昌主—余震的波速比變化初探［J］.華南地震，27(4):73－78.

Aggarwal Y P，Sykes L R，Simpson D W，et al.1975.Spatial and temporal variations in ts/tp and in P wave residuals at Blue Mountain Lake，New York:Application to earthquake prediction［J］.JGR，80(5):718－732.

Iizuka S.1976.Changes in Vp/Vs before the Tokaochi-Oki earthquake of May 16，1968 of NE Japan［J］.Nature，260:415 －417.

McEvilly T V，Hohnson L R.1973.Earthquake of strike-slip type in Central California:evidence on the question of dilatancy［J］.Science，182(4112):581 －584.

Nakamura A，Hasegawa A，Hirata N，et al.2002.Temporal variations of seismic wave velocity associated with 1998 M6.1 Shizukuishi earthquake［J］.Pure Appl Geophys，159:1 183 － 1 204.

Ohtake M.1973.Changes in Vp/Vs ratio related with occurrence of some shallow earthquakes in Japan［J］.J Phys Earth，21:2.

Schaff D P，Beroza G C.2004.Coseismic and postseismic velocity changes measured by repeating earthquakes［J］.J Geophys Res，109:B10302，doi:10.1029/2004JB003011.

Scholz C H，Sykes L R，Aggarwal Y P.1973.Earthquake prediction:A physical basis［J］.Science，181(4102):803 － 809.