2017～2018年山東長島震群雙差波速比特征分析

趙 瑞 鄭建常 崔華偉 張正帥

1 山東省地震局，濟南市港西路2066號，250104

諸多研究表明，在大震發生前，孕震區附近地殼應力逐漸集中并導致地下介質物理性質發生變化。當地殼應力積累到一定程度時，巖石可能會出現微破裂和塑性化、塑性硬化、相變等一系列現象，從而引起不同類型地震波傳播速度的變化。因此，地震波波速比通常被地球物理學家用來研究地殼介質的物性[1-5]。關于波速比變化的研究，傳統方法往往是收集地震觀測得到的海量P波、S波到時數據，比如通過和達法比對擬合得到波速比信息[6]，其結果反映的是記錄臺站到震中這段距離的地殼介質的平均波速比情況。同時，臺站分布對傳統方法計算結果有較大影響，當地震臺站分布不均勻、包圍性差時，只能計算出局部區域的波速比值，難以準確反映震中集中區地下介質情況。

雙差波速比的計算思路是限定震群集中活動區域，將距離同一臺站相近的2個地震組成地震對，基于P波、S波到時雙差，扣除地震射線的相同路徑，從而獲得震群型地震震中集中區波速比值的理想結果[7-9]。2017-02-14開始，長島地區出現小震密集活動，并逐漸形成爆發式震群活動，截至2018-09長島震群共記錄到可定位地震2 800余次。本文以2017～2018年長島震群為研究對象，選取ML2.0以上地震波形和震相數據，采用雙差波速比方法對該區域波速比值進行計算，并開展特征分析。

1 方法原理

雙差波速比計算方法是在一個小的震群集中區內，采用多次地震事件來測定波速比的方法。對于一對地震事件(地震1和地震2)，震中位置很近，有N個地震臺站同時記錄到該地震對，且該對地震的距離相對于臺站震中距來說足夠小，則認為地震速度局部恒定，地震波波前近似于平面，該地震對到集中區外同一地震臺站的射線路徑是一致的[7,9]，如圖1所示。P波、S波走時差可表示為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，t01、t02分別為地震事件1和2的發震時刻。則式(3)可表示為：

(5)

將式(5)轉化成P波、S波到時差的關系式：

(6)

根據式(6)，同一對地震針對不同地震臺站可以得到一組公式，平均值為：

(7)

由式(6)和式(7)可以得到：

(8)

(9)

2 數據資料

長島地區地處環渤海區域，地質結構復雜，以西側的郯廬斷裂帶營口-濰坊段為界，與渤海灣盆地相鄰[10]，主要受到NNE向郯廬斷裂帶及其分支NW向張家口-蓬萊斷裂帶2個方向上的構造控制[11-12]。2017-02-14長島地區出現一輪密集地震活動，2017-03-03突然爆發，2017-08-29在震群活動有明顯減弱的基礎上，小震活動再次爆發形成新的震群，新震中集中區較原震群南遷數千米，為便于區分，分別稱其為長島北震群及長島南震群。截至2018-09-05，2個震群區域內的小震活動基本趨于背景活動水平。根據山東臺網給出的定位目錄，長島北震群共記錄到可定位地震2 499次，其中3.0～3.9級地震42次，4.0～4.9級地震4次，最大為2017-03-03發生的4.5級主震；長島南震群共記錄到可定位地震308次，其中2.0～2.9級地震27次，3.0～3.9級地震1次，最大為2017-11-20發生的3.0級地震。參考整個震群的震級-頻度關系結果(圖2(a))，取最小完整性震級為ML2.0，2個震群2.0級以上地震的震中分布和M-T分別如圖2(b)和圖3所示。

為保證雙差波速比值計算精度，地震事件選取遵循以下限定條件：

1)震中距選取范圍為50～130 km，至少有4個相同地震臺站清晰記錄到P波和S波震相的地震事件。如果震中距小于50 km，當扣除同一地震臺站記錄的一組地震的相同射線路徑時，誤差會較大；而震中距大于130 km，在山東地區會出現Pn、Sn等復雜震相，對Pg、Sg波到時的拾取有較大影響。長島震群發生在海域，最近的3個臺BHC、CHD、LYTA都位于海島上，海浪噪聲較大，且LYTA臺是震后臨時架設的流動臺，臺基未作處理，如果一次事件僅有這3個臺記錄到，其震級水平不高，震相到時可能有較大誤差。

2)在雙差波速比計算中，震中集中區的直徑也是影響計算結果的一個關鍵參數。直徑越大，理論上產生的雙差范圍就越大，對誤差的包容性也越強，但需要的可靠震例也越多；直徑太小，影響波速比計算范圍。考慮到長島震群的真實情況，長島北震群選取地震集中區的直徑限定在8 km左右，長島南震群限定在4 km左右，如圖2(b)圓圈所示。

經過篩選，北、南震群符合條件的地震事件分別為202個、14個，觸發地震臺站有龍口(LOK)、北隍城(BHC)、煙臺(YTA)、萊州棲霞(LZH)、大連(DL2)、萊陽(LAY)、招遠(ZHY)、牟平(MUP)、萊州(LAIZ)、威海(WEH)。經過震例選取及預處理后，長島地區兩個震群的參數如表1所示。

表1 長島地區南北震群ML2.0以上地震參數

在后續波速比值計算中，為減小到時誤差，增強可信度，需要作數據預處理。首先利用和達直線進行檢驗，對一些偏離直線的臺站震相進行震相重新標注；然后重新進行地震定位，對殘差較大且無法校正的震相進行刪除。

3 誤差分析及處理

計算長島震群波速比值前，對雙差波速比方法進行到時敏感性分析，從而更好地理解計算誤差范圍。選取長島北震群中202個震例數據進行誤差檢測，震例震源深度為5～15 km，均處于康拉德界面以上。設計Pg波速度為6 km/s，波速比為1.73，根據設計參數，模擬計算得到Pg、Sg波到時；然后加入隨機誤差，驗證到時敏感性。具體結果如圖4和表2所示。

當沒有設定隨機值誤差時，擬合直線斜率(波速比值)為1.730 2，約等于設定值1.73，可以認為回歸了設定的波速比值，驗證了程序的正確性(圖4(a))。當Pg波到時無誤差，Sg波到時以0.10 s的間距增大隨機誤差時(圖4(b)～4(d))，擬合結果與設定值之間誤差百分比逐漸增大；當Sg波加入一個較大誤差0.30 s時，波速比誤差百分比達到4.57%，可見影響較大。當Pg波到時以0.01 s的間距增大隨機誤差，Sg波到時無誤差時(圖4(e)～4(h))，誤差百分比逐漸增大；當Pg波到時加入0.03 s的隨機誤差時，波速比誤差百分比達到3.69%。可見Pg波誤差對結果的敏感性要高于Sg波誤差。

表2 雙差波速比誤差

為驗證最大可接受的誤差范圍，圖4(i)～4(l)分別增加Pg波、Sg波的隨機誤差，圖4(i)模擬Pg波、Sg波的誤差分別設定為0.01 s和0.10 s的情況，圖4(j)模擬Pg波、Sg波的誤差分別為0.02 s和0.20 s的情況，當Pg波誤差范圍在0.02 s以內、Sg波誤差范圍在0.20 s以內時，誤差百分比約為1%；當加入更大的誤差，圖4(k)模擬Pg波、Sg波的隨機誤差分別為0.02 s和0.30 s，圖4(l)模擬Pg波、Sg波的隨機誤差分別為0.03 s和0.30 s時，對波速比值影響較大。由此可見，雙差法計算波速比值產生的誤差與震群集中區的直徑有關，觀測震相誤差、觸發臺站的間距不等、臺網布局不合理，也是誤差的來源。

4 計算結果及分析

4.1 時差數據對

對長島地區北、南震群的數據進行雙差波速比計算，北、南震群地震事件分別有202個和14個，最終組成Pg波、Sg波到時差數據對分別有17 363對、377對(圖5)。

4.2 計算結果及討論

因長島地區2個震群的數據量有很大差別，所以采用不同的方式進行窗口掃描，開展雙差波速比值的計算。在長島北震群以步長1周、窗長1個月、窗內至少5個以上震例為條件進行滑動，以時間掃描的形式開展實驗；長島南震群數據量較小，故采用2個震例為步長、窗長為8個震例的條件進行滑動，計算結果分別如圖6和圖7所示，圖中給出掃描的中心時間。波速比值隨時間的變化如圖8所示，并以誤差棒的形式給出每個點的計算誤差。

從計算結果來看，波速比的時空分布具有如下特征：

1)2017～2018年長島震群波速比值范圍為1.69～1.78，大部分時段都高于該地區2002～2012年間平均波速比值1.708[13-14]。

2)長島北震群中小地震活動較強，波速比值隨時間呈現較大起伏；南震群波速比值的波動變化幅度不大，與北震群相比，波速比值稍低，可能與2組震群的活動強弱有關。

3)2017-03、04、06正是長島北震群活躍且3.0～4.0級地震多發時期，特別是2017-03-21的4.1級、03-27的4.3級、04-08的4.0級、06-18的4.1級地震發震前，波速比相應呈低值狀態。2017-11-20長島南震群發生3.0級地震時，波速比值也呈現低值狀態，較大余震前波速比值的變化應當與震群活動過程中震源區應力的擾動變化有關。

4)2017-03-03長島4.5級主震前的波速比值處于較高狀態，分析可能有2個方面的原因：一是計算的時間窗內包含了本次4.5級地震后短時間的余震；二是在震群爆發活動前，震源處的巖石處于受壓初期，波速比隨著壓力的增大而增大，震群爆發后，隨著大量小震的密集活動，巖石裂隙增加，導致波速比下降。

5)2018年中小地震活動減弱時，2個震群波速比值呈現回升，沒有出現低值異常。

分析認為，2017～2018年長島震群波速比的變化過程與震群活動過程密切相關，表明波速比變化與震源區巖石介質的物性變化之間具有較好的關聯性。

4.3 誤差分析

圖9給出計算波速比時的標準誤差，誤差集中分布在0.01～0.05。圖9(a)給出在長島北震群以時間窗口滑動時震例個數與標準誤差之間的關系，可以看出，隨著符合條件的震例數據的增多，標準誤差變小。因長島南震群震例數少，所以圖9(b)給出了Pg波、Sg波到時差數據對與標準誤差之間的關系，可以看出，隨著數據對的增多，標準誤差值變小。此規律與蔡靜觀[6]和李霞等[14]的統計結果相同，說明波速比值計算精度與記錄臺站數據密切相關，觸發臺站數目越多，數據的線性相關度越高，波速比計算誤差就越小。從數據精度來看，長島地區位于近海地區，由于臺網布局包圍性不好，得到的標準誤差也會較內陸地區的大。

5 結 語

本文以2017～2018年長島震群為研究對象，采用雙差波速比方法對該區域波速比值進行計算，測算震相數據誤差影響，并開展波速比值變化特征分析，得到如下認識：

1)雙差波速比方法對震相到時，特別是Pg波到時較敏感，需要在資料處理時將Pg波、Sg波拾取誤差控制在0.02 s及0.20 s以內。

2)長島震群波速比值波動范圍為1.69～1.78，波速比的波動變化與震群活動過程密切相關。

3)長島震群4.0級以上余震發生前，波速比都處于低值狀態。2017-03-03的4.5級主震和后續4.0級以上余震前的波速比變化差異，可能反映震群主震與余震發震機理有所不同。

致謝：感謝陳時軍研究員在論文修改過程中給予指導和幫助。