廣東新豐江庫區波速比變化特征研究

王小娜，劉 錦

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

廣東新豐江庫區波速比變化特征研究

王小娜，劉 錦

（廣東省地震局，廣東 廣州 510070）

使用2007年6月— 2017年2月廣東新豐江水庫周圍14個臺站記錄的Pg波、Sg波震相數據，采用單震多臺和達法研究新豐江庫區波速比變化特征。結果顯示研究時段新豐江ML4.0級以上地震中有3次地震前表現出下降—低值—恢復—發震現象。庫區水位、地震頻度、波速比均表現出分段特性，地震頻度相對于水位、波速比相對于地震頻度均有一定的滯后性。蓄水前期波速比主要受水的滲流作用和構造應力的影響，而蓄水后期庫構造應力以及水位引起的圍壓變化可能成為波速比變化的主要因素。新豐江ML5.2級地震及ML5.1級地震前水庫均處于卸載階段，ML4.2級地震前水庫處于加載階段，說明庫水位引起的圍壓對波速比影響有限，地震發生主要是構造應力作用的結果。

新豐江；單震多臺和達法；波速比；分段性；滲流作用；構造應力

P315.6

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.003

1674-8565（2017）04-0014-07

國家自然科學基金青年科學基金項目（41604055）

2017-07-18

2017-10-07

王小娜（1987-），女，山東省濟寧市人，畢業于中國科學院大學，博士，工程師，現主要從事地震預報研究、地震層析成像和人工地震測深等方面的工作。E-mail: wangxiaona16@163.com

0 引言

在較大地震發生前，構造應力的增大可能會導致孕震區內的巖石出現微破裂和塑性化、塑性硬化、相變等一系列現象，從而使得孕震區巖石的波速發生變化，即出現波速異常。研究波速異常對于探索地震預報途徑和震源孕震過程具有實際意義，而在波速異常研究初期，波速比問題有很多爭議[1]，需要通過反復實驗和檢驗才能對其物理實質取得客觀認識，因而進展緩慢[2-4]。近幾年來，隨著數字地震的發展，臺站密度不斷增大、地震定位精度不斷提高、震相資料不斷積累，利用數字地震資料分析中強地震前后地震波速變化特征的研究得到廣泛應用[5-11]，波速比異常方法成為目前地震預測常用的方法之一。

水庫對地震存在誘發作用[12-14]，廣東新豐江水庫地區（圖1）是整個廣東乃至華南地區地震活動最為活躍的地區之一[15]。水庫主要位于燕山期花崗巖體之上，巖體侵入到古生界和中生界沉積巖系中，巖體東側與晚白堊紀—第三紀斷陷盆地相接[16]，區內主要有三組走向斷裂，NE—NNE向斷裂最為發育，以逆斷層或逆掩斷層為主，主要有河源斷裂、人字石斷裂和大坪—巖前斷裂；NNW向的石角—新港—白田斷裂在大壩西北最為發育，由許多小斷裂組成，與其他走向斷裂相切割；NEE向斷裂以陡傾角為主，在地表未形成規模巨大的斷裂，主要有南山—坳頭斷裂，是地殼深部的主要構造。這些斷裂控制了新豐江地區中強地震的發生，水庫蓄水前新豐江地區無明顯地震活動，僅于1953年在高塘附近發生過一次M4?級地震（圖1），水庫蓄水后一個月地震活動趨于頻繁，1961年3月19日在距離新豐江大壩僅1km處發生了M6.1級地震，是目前世界上誘發M6.0級以上地震的4個水庫之一[17]，新豐江6.1級地震之后水庫地區中小地震不斷，先后發生過111次ML4.0以上地震，其中多數地震集中于水庫大壩，近年來地震活動有從庫區大壩往北西方向擴展的趨勢，2012年至今新豐江庫尾錫場附近共發生7次ML4.0級以上地震，因此地球物理學者對新豐江水庫地震活動性研究日趨迫切[18-20]。

圖1 新豐江地區地震分布圖Fig.1 Earthquakes distribution map of Xinfengjiang area

前人亦通過波速比方法研究過新豐江的地震活動情況，馮銳[21]分析了新豐江6.1級地震前后（1961年2月—1975年3月）波速比變化特征，認為波速比在新豐江地震前出現明顯的波速下降，并在6.1級地震前一個半月恢復正常值，此外，震源附近的深水峽谷區異常變化幅度最大，異常在時空上比構造地震要小。陳益明[22]對1975年4月—1983年12月之間的波速比進行了分析研究，認為1975年之后震前波速比并沒有明顯的異常變化。楊選[23]對2007年6月—2012年3月橫縱波走時差tS-tP≤30s的地震波速比進行了分析研究，發現2012年2月16日新豐江ML5.2級地震前波速比異常變化并不明顯，但通過T法校驗，在震前7個月發現波速比下降現象。以上的新豐江波速比研究工作中，新豐江水庫蓄水前期地震臺站較為稀少，地震定位精度無法保證，而水庫蓄水后期定位精度雖然提高，但計算的平均波速比為270km左右范圍內的平均波速比，區域范圍較大，無法反映新豐江庫區真實的波速比情況。2012年廣東省地震局對新豐江水庫臺網進行加密，共有14個臺站實時記錄地震數據，顯著提高了新豐江水庫地震的監測能力。本文使用2007年06月—2017年02月新豐江水庫周圍14個臺站記錄的Pg波、Sg波震相數據（震中距＜40km），通過嚴格的數據篩選后，采用多臺和達法計算波速比，由此獲得的地震波速比更能反映目前新豐江水庫庫區的平均波速比。此外，本文通過單震多臺和達法計算新豐江庫區波速比，探討地震活動性、波速比和水位之間的關系，從而為該水庫地區中強地震危險性提供了科學依據。

1 計算方法與資料

本研究使用單震多臺和達法計算研究區域波速比。該方法由日本地震學家和達清夫（1928）[1]提出，以和達圖為基礎，利用震中周圍多臺資料計算出來的波速比可稱為平均波速比，雖然這樣計算出來的平均波速比不同于真波速比的視速度比，但其變化在一定程度上反映了真波速比的變化，因而仍可以作為一種地震前兆指標來研究。該方法由地震發生的時間控制波速比測定的時間，地震發生越集中、有震相記錄的臺站越多，則波速比計算精度和穩定性越好，其中重復地震的測定精度最高。

假定震源區介質為理想均勻彈性，則縱波速度VP和橫波速度VS與介質泊松比、揚氏模量和介質密度ρ之間的關系為[24]：

式中，VP / VS為介質泊松比的函數，主要反映的是地殼中上層介質泊松比的變化，P波和S波的速度則與介質的泊松比、楊氏模量E和介質密度密切相關。

在波速比計算過程中，為保證結果的穩定性，本文進行了嚴格的數據篩選，包括初步篩選和精細篩選。由于影響數據質量的因素主要有震相數據精度、臺站個數、地震位置等，因此針對這些因素，為了最大限度保證結果的穩定性，在初步數據篩選時遵循以下原則：

（1）新豐江庫區臺網較為密集，地震最小完備震級可達ML0.3，本研究震級下限設為ML≥1.5，以保證震相數據有足夠的精度;

（2）去除走時數據中離散的震相數據（距走時曲線最佳擬合線2s以外的數據）（圖2）；

（3）同一臺站Sg波和Pg波走時差計算出震中距約40km內的介質平均物性。

經過初步篩選共有1420個地震符合要求。初步篩選后需要對臺站記錄的Pg波和Sg波走時再次進行精細篩選。若一個臺站S記錄的一個地震所對應的點（tP，?t）偏離和達直線相當遠，則可能是S臺站的震相記錄有誤，或震源到S臺站的波速比與到其他臺站的平均波速比有明顯差異，此時S臺的資料就不能用來計算平均波速比。假設地震發生在未來較大地震孕震區內或其附近，周圍大多數臺站記錄到的地震波都不同程度的通過了波速異常區，即使個別臺站記錄到的地震波未通過孕震區，在計算波速比時也可能因偏離和達直線較遠而被淘汰掉。

圖2 初步篩選與精細篩選過程中震相數據走時分布Fig.2 Travel time of phase data in preliminary selection and fine selection

因此，設地震i共有N個臺站記錄到Pg波到時tPi和Sg波到時則求解所有臺的總平均值以及所有

?tj＜t的K個臺資料的平均值

本文保證每個地震至少有4個臺站記錄到Pg和Sg走時數據（N≥4）。經過精細篩選，共獲得1253個地震（圖3）參與計算，之后

利用最小二乘法計算波速比γ0、相關系數R以及波速比計算誤差γ：

圖3 用于波速比計算的地震及射線分布圖Fig.3 Earthquakes and ray distribution used for caculating Vp / V

2 結果分析

本文選取的波速比計算誤差γ0≤0.05，對于波速比相關系數R，考慮到孕震體介質非均勻性也可能導致波速比和達曲線彎曲，從而使得誤差增大和相關性降低，相關系數限定過于嚴格有可能消除孕震體非均勻性引起的波速變化，因此相關系數未選擇R≥0.99，而是選擇R≥0.95，最終獲得639個地震的波速比結果，共 8,652條Pg和Sg走時差?t數據，由圖4可見，Vp/Vs計算誤差γ值68%小于0.02，81%小于0.03，相關系數R中80%大于0.99，93%大于0.98，可見本文獲取的波速比結果較為可靠。

圖4 新豐江庫區波速比計算誤差γ及相關系數R直方圖Fig.4 Histogram of earthquake number versus computation error γ and correlation coefficients R

圖5為新豐江地區震級時間序列、波速比時間序列及水庫水位圖。由圖可以看出，該地區波速比多數位于1.60～1.80之間，平均波速比為1.71，波速比方差為0.04，波速比最低值為2008年2月7日ML2.6級地震的1.58，該地震發生時水庫處于卸載階段。為了減少地震路徑差異和射線分布不均勻的影響，本文采用5次地震滑動平均的方法（圖5b紅線）。由于每次地震至少要有4個臺記錄到Pg和Sg走時數據，則每個滑動平均的數據最少有40個震相數據，因此可基本保證波速比隨時間變化特征的穩定性和可靠性。根據5次地震滑動平均值曲線，整個區域共4次波速比趨勢性下降到1倍均方差（下行線）以下，其中3次處于水庫卸載階段，僅2012年9月2日ML4.2級地震前的波速比下降位于水庫加載階段。

2012年2月16日新豐江庫尾錫場發生ML5.2級地震，地震發生前波速比呈現明顯的下降趨勢：2010年6月波速比達到高值1.85，這也是本文研究時段新豐江庫區波速比最高值，之后波速比出現明顯下降，此下降趨勢一直持續到2012年1月，并降低到1倍均方差（下行線）以下，之后波速比迅速回升，當恢復到1倍均方差（下行線）以上后，發生ML5.2級地震。此外，2012年9月2日ML4.2級地震及2013年2月22日ML5.1級地震之前亦出現波速比下降到1倍均方差（下行線）以下的現象，當波速比恢復到1倍均方差（下行線）以上時發生ML4.0級以上地震，這兩次地震距前一次地震相隔時間較短，波速比異常現象相對于2012年2月16日ML5.2級地震較弱，但仍能表現出下降—低值—恢復—發震現象。這種現象在許多大地震中都有出現，如永勝、大姚、姚安、施甸地震[5]、汶川地震[11]、蘆山地震[9]、紫坪鋪水庫西南區[25]和福建仙游水庫[26]。但2013年9月之后新豐江水庫ML4.0級以上地震前未出現明顯的波速比下降現象。

圖5 新豐江地區M-T圖（a），波速比變化曲線（b）及水庫水位變化及頻度曲線（c）Fig.5 M-T map(a), VP/VS map(b), water level and seismic frequency （c） in Xinfengjiang area

在本文研究時間段內，水位、地震活動性和波速比均表現出明顯的分段性：2011年以前水位位于97～112m之間，平均水位103.42m，而2011年之后水位主要位于104～115m之間，平均水位109.87m，后者平均水位明顯高于前者；2012年開始，新豐江地區地震活動水平明顯升高，特別是2012—2014年地震頻度和強度均明顯增強，期間發生7次ML4.0級以上地震，2014年10月后，地震頻度下降，但仍高于2012年之前的地震活動水平；2013年9月之前，波速比趨勢性變化明顯，特別是在中強震前表現出下降—低值—恢復—發震這種典型的震前波速比變化特征，但2013年9月之后波速比變化幅度和持續時間均降低，基本穩定在均值附近作小幅波動，其趨勢性變化不再明顯。

3 討論與結論

根據研究時段新豐江庫區水位、地震頻度、波速比在時間上先后表現出的分段特性，認為地震頻度相對于水位、波速比相對于地震頻度均有一定的滯后性，這種滯后性在水庫蓄水前期和后期均有出現，但蓄水前期和后期滯后性的影響因素不同。

新豐江庫區有多條斷裂構造，但1959年水庫蓄水前該區域無明顯地震活動，僅在1953年發生過一次M4?級地震，蓄水后1個月地震活動趨于頻繁，而波速比異常則在蓄水一年半后才出現[21]。并于1961年3月19日在距離新豐江大壩僅1km處發生了M6.1級地震，該地震主要是構造應力的結果，但庫水的滲流亦起到了重要作用：蓄水改變了庫區巖石介質，巖石強度出現下降趨勢，當水庫水位升高時，滲流產生的吸附作用和孔隙壓效應增強，滲流速度加快，進而使得滲流水沖擊斷層裂隙的端部和根部，降低了斷層面上的正應力和剪切強度，使得本來就不穩定的破裂產生滑動從而誘發微震、小震，而庫水與小震的聯合作用又觸發了中強地震，可見蓄水前期（最初5年內）水的滲流作用影響較大[27]，波速比變化主要受孔隙度、孔隙水變化（滲流作用）及構造應力的綜合影響。

新豐江水庫蓄水后期巖石接近飽和，水庫的荷載作用、孔隙水壓效應以及庫水對庫基巖石的物理化學作用已達到穩定狀態，在新的平衡狀態下，庫水位變化引起的圍壓變化以及構造應力可能成為波速比變化的主要因素。新豐江庫尾錫場2012年2月16日ML5.2級地震、2012年9月2日ML4.2級地震及2013年2月22日ML5.1級地震之前均出現下降—低值—恢復—發震現象，這一現象可以用擴容（膨脹）現象來解釋[1]。陳颙實驗[28]顯示飽和花崗巖的波速比隨著有效圍壓的增大而減小，反之亦然，因此水庫加載階段圍壓增加，波速比應當出現下降或低值現象，然而新豐江ML5.2級地震及ML5.1級地震前水庫均處于卸載階段，說明庫水位變化對兩次地震無誘發作用，發震主要因素是構造應力的增強。2012年9月2日ML4.2級地震前水庫處于加載階段，庫水位引起的圍壓對波速比有一定的影響，但ML4.2級地震與前一次地震水位僅相差7m，水位的變化產生的圍壓遠不足以產生0.15的波速比變化，因此此次地震發生仍然主要是構造應力作用的結果。

此外，值得注意的是新豐江水庫水位高值和低值區小震頻度均明顯增加，2012—2014年這種特征尤為明顯。水庫水位高值區小震頻度增加可以歸結于水的滲流和有效圍壓的影響，而水庫水位低值區小震頻度增加的原因仍需進一步探討。

致謝：感謝新豐江地震臺為本研究提供的水庫水位數據。

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Study on Temporal Variation of VP/Vsin Xinfengjiang Area of Guangdong Province

WANG Xiao-na, LIU Jin

（Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangdong Guangzhou 510070, China）

Based on Pg and Sg wave phases data recorded by 14 stations around Xinfengjiang reservoir of Guangdong province from June,2007 to February,2017, this paper does study on temporal variation ofVP/Vsusing Wadati method. The result shows that theVP/Vsvariation shows deline-low value-recoverearthquake phenomenon before 3 earthquakes of Xinfengjiang earthquakes with magnitude larger thanML4.0 in the study period. Water level, seismic frequency andVP/Vsall show segmented feature, the seismic frequency lags behind water level, theVP/Vslags behind seismic frequency. In the early stage of Xinfengjiang reservoir, theVP/VsS is mainly affected by seepage effect and tectonic stress, while in the late stage of Xinfengjiang reservoir, theVP/Vsis mainly affected by tectonic stress and confining pressure variation caused by water level variation. The Xinfengjiang reservoir is discharged beforeML5.2 earthquake andML5.1 earthquake, while the reservoir is impounded beforeML4.2 earthquake, which may show that the confining pressure variation caused by water level variation have limited effect onVP/Vs,the tectonic stress is the major factor of the earthquakes occurrence.

Xinfengjiang; Wadati method of single station and multi-earthquake;VP/Vs; segmented feature; seepage effect; tectonic stress