2022年云南寧蒗5.5級(jí)地震前后波速比變化特征

張?zhí)煊?王光明 劉自鳳 黑賀堂

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148號(hào)，650224

2 中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場大理中心，云南省大理市濱海大道，671000

在地震孕育過程中，地下介質(zhì)的物理性質(zhì)往往會(huì)發(fā)生改變，形成微裂隙并發(fā)生塑性硬化、擴(kuò)容及相變等。波速比正是利用地震波通過地下介質(zhì)時(shí)波速發(fā)生變化的特性對(duì)地下介質(zhì)物性進(jìn)行研究。日本地震學(xué)家和達(dá)清夫[1]提出應(yīng)用和達(dá)法計(jì)算波速比，隨后蘇聯(lián)學(xué)者發(fā)現(xiàn)地震前伴有波速變化特征，并將地震前波速比異常變化作為地震預(yù)報(bào)的重要依據(jù)之一。20世紀(jì)70年代，我國許多學(xué)者也發(fā)現(xiàn)大量中強(qiáng)地震前波速比存在異常變化，并對(duì)波速比異常變化特征進(jìn)行詳細(xì)分析。部分學(xué)者應(yīng)用單震多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算分析中強(qiáng)地震前的波速比變化特征，該方法計(jì)算得到的波速比為較大區(qū)域的平均值，會(huì)弱化較小區(qū)域的波速比特征，從而降低空間分辨率。而單臺(tái)多震和達(dá)法可進(jìn)一步提高波速比的空間分辨率，國內(nèi)外諸多學(xué)者采用該方法對(duì)波速比的時(shí)空異常變化進(jìn)行研究[2-4]。

2022-01-02云南寧蒗發(fā)生MS5.5地震，本文采用單臺(tái)多震和達(dá)法研究震前震源區(qū)波速比是否存在異常，以及異常隨時(shí)間的演化趨勢，并應(yīng)用2020-01-01～2022-01-10云南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的地震震相到時(shí)數(shù)據(jù)，分析本次寧蒗地震前后序列的波速比時(shí)空演化特征。

1 計(jì)算原理及數(shù)據(jù)選取

本研究采用Watati[1]提出的波速比計(jì)算方法，利用單臺(tái)記錄的地震波資料，以和達(dá)法為基礎(chǔ)，應(yīng)用單臺(tái)記錄的多次地震事件的縱波到時(shí)以及縱波、橫波到時(shí)差，擬合分析得到波速比，計(jì)算結(jié)果為該臺(tái)記錄的多次地震發(fā)生時(shí)段內(nèi)地震至臺(tái)站間介質(zhì)的平均波速比[5]。同時(shí)設(shè)置約束條件：到時(shí)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)取100，地震縱波、橫波到時(shí)差TS-TP≤12 s，相關(guān)系數(shù)R≥0.95，誤差γ≤0.05，震中距小于等于100 km。以10個(gè)地震為窗長以及1個(gè)地震為步長進(jìn)行數(shù)據(jù)滑動(dòng)平均處理，并增加每次參與滑動(dòng)平均的震相數(shù)據(jù)量。

本文采用云南數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的2020-01-01～2022-01-01共5 359次ML≥2.0地震、2022-01-02～10共620次ML≥1.0地震的震相到時(shí)數(shù)據(jù)，并且同時(shí)被4個(gè)臺(tái)站所記錄，計(jì)算分析臺(tái)站數(shù)59個(gè)，可使定位結(jié)果更加可靠和提高走時(shí)數(shù)據(jù)精度，震中與臺(tái)站分布如圖1所示。對(duì)震相數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，采用單臺(tái)多震和達(dá)法計(jì)算滿足約束條件的地震波速比。

基于上述方法分析云南地區(qū)2020年(以下稱為時(shí)段Ⅰ)、2021年(以下稱為時(shí)段Ⅱ)空間波速比變化特征；分析寧蒗MS5.5地震震中100 km范圍內(nèi)NLA和LGH臺(tái)站，以及震中100 km區(qū)域邊緣LIJ和ZOD臺(tái)站記錄到的2020年以來地震的波速比時(shí)間變化特征。由于地震發(fā)生在滇西北川滇交界區(qū)域，暫時(shí)無法獲取四川地區(qū)臺(tái)站記錄到的震后序列震相信息，而ZOD、LIJ兩個(gè)臺(tái)站在主震發(fā)生后記錄到的地震序列較少，為確保具有充足的樣本量，選取距離震中最近的LGH和NLA臺(tái)記錄的主震發(fā)生后地震序列波速比變化進(jìn)行重點(diǎn)分析。

2 波速比曲線特征分析

2.1 震前波速比空間分布特征

本文采用2020年以來記錄到的ML≥2.0地震震相數(shù)據(jù)計(jì)算59個(gè)臺(tái)站的波速比，并分析波速比高值和低值臺(tái)站的空間分布特征(圖2)。從時(shí)段Ⅰ的波速比空間分布來看，2020年底云南低波速比臺(tái)站共有9個(gè)，分別為DOL、LUQ、WES、XBL、JIG、LIC、LAP、LUS和BAS臺(tái)，主要分布在曲靖、昆明、文山以及小滇西至滇西南一帶；高波速比臺(tái)站共有5個(gè)，分別為ZOD、MLA、LGH、NLA和YYU臺(tái)，主要分布在滇西北和滇南地區(qū)。從時(shí)段Ⅱ的波速比空間分布來看，2021年底云南地區(qū)低波速比臺(tái)站共有11個(gè)，分別為ZAT、WES、DOC、LUQ、HLT、JIG、LIC、BAS、LUS、MAS和JIH臺(tái)，主要分布在昭通、昆明、文山等地，并且在小滇西-滇西南地區(qū)波速比低值臺(tái)站呈帶狀分布；高波速比臺(tái)站共有8個(gè)，分別為ZOD、LGH、MLA、QKT、WEX、NLA、EYA和HCB臺(tái)，主要集中在滇西北川滇交界以及云南中老交界附近區(qū)域。

由圖2可知，2個(gè)時(shí)間段內(nèi)滇西北和滇南均屬于波速比高值區(qū)域，當(dāng)進(jìn)入時(shí)段Ⅱ，滇西北和滇南地區(qū)波速比高值相較于時(shí)段Ⅰ在空間上具有擴(kuò)張趨勢，同時(shí)滇中區(qū)域波速比值從時(shí)段Ⅰ的低值上升為時(shí)段Ⅱ的高值。而本次寧蒗MS5.5地震正好發(fā)生于滇西北波速比高值區(qū)域。

2.2 震前波速比時(shí)間變化特征

寧蒗MS5.5地震發(fā)生在滇西北川、滇交界區(qū)域，從圖2可以看出，寧蒗MS5.5地震發(fā)生在波速比高值區(qū)域。為進(jìn)一步分析地震前波速比時(shí)間演化特征，應(yīng)用單臺(tái)多震和達(dá)法計(jì)算分析寧蒗MS5.5震中100 km范圍內(nèi)NLA和LGH臺(tái)，以及震中100 km區(qū)域邊緣LIJ和ZOD臺(tái)記錄到的2020年以來地震的波速比時(shí)序圖(圖3)。由圖3可知，距離震中最近的LGH臺(tái)記錄到波速比時(shí)間變化為下降-回升-高值變化-下降-發(fā)震演化過程，在達(dá)到高值穩(wěn)定后轉(zhuǎn)折下降時(shí)波速比值維持在+1倍方差線附近；NLA和ZOD臺(tái)記錄到的波速比時(shí)間變化均表現(xiàn)為持續(xù)下降-發(fā)震演化過程，波速比值均低于-1倍方差線，這與以往震例研究認(rèn)為強(qiáng)震前波速比存在下降較為一致[6-8]。而距離震中100 km區(qū)域邊緣的LIJ臺(tái)記錄到的波速比時(shí)間變化為下降-回升-高值變化-發(fā)震，其波速比值高于+1倍方差線，這似乎與已有的強(qiáng)震前波速比存在下降趨勢的研究結(jié)果相悖。但整體分析4個(gè)臺(tái)站記錄到的波速比變化可知，LGH臺(tái)于2020年初由高值狀態(tài)先下降后回升，2021-05再次達(dá)到高值狀態(tài)后呈現(xiàn)緩慢下降趨勢；NLA臺(tái)從2020年初處于均值附近，出現(xiàn)下降趨勢后轉(zhuǎn)折回升到高值狀態(tài)，2020-11開始呈現(xiàn)趨勢下降直到發(fā)震；ZOD臺(tái)從2020年初就呈現(xiàn)持續(xù)下降狀態(tài)；LIJ臺(tái)從2020年初波速比值維持在均值變化，2020-05出現(xiàn)下降趨勢后回升，于2021-04達(dá)到高值，并維持高值變化至發(fā)震，但LIJ臺(tái)記錄到的震前高值仍低于其他3個(gè)臺(tái)站在震前記錄到的波速比呈下降趨勢時(shí)的最低值。

從4個(gè)臺(tái)站的波速比時(shí)間變化可以看出，震前波速比呈現(xiàn)明顯下降趨勢或處于低值狀態(tài)，而距離震中最近的LGH臺(tái)出現(xiàn)波速比下降趨勢的時(shí)間均稍晚于其他3個(gè)臺(tái)站。這與翁釗強(qiáng)等[9]分析山西地區(qū)3次MS≥4.5地震前波速比變化特征得到的震前遠(yuǎn)臺(tái)波速比異常出現(xiàn)時(shí)間較早，而近臺(tái)波速比異常出現(xiàn)時(shí)間較晚的結(jié)論一致。

蔡靜觀等[10]通過對(duì)云南地區(qū)第4強(qiáng)震活躍期6.3級(jí)以上強(qiáng)震前波速比異常圖像進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，波速比在空間上存在明顯的南北區(qū)域差異，主要表現(xiàn)為在滇西南和中緬交界處4組地震前波速比出現(xiàn)低值異常，而滇西北和滇東地區(qū)3組地震前波速比以高值異常為主。劉自鳳等[11]對(duì)云南地區(qū)2013年以來MS≥5.0地震前震中附近臺(tái)站的波速比時(shí)空演化特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，滇西北和滇東地區(qū)地震前波速比大多從高值開始轉(zhuǎn)折下降，或從低值回升至高值狀態(tài)。

2.3 震后波速比時(shí)間變化

對(duì)2022-01-02寧蒗MS5.5地震震后序列波速比變化進(jìn)行分析，由于距離震中較遠(yuǎn)的ZOD和LIJ臺(tái)記錄到的地震數(shù)據(jù)較少，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分析樣本量少且不可靠，因此主要分析距離震中最近的LGH和NLA臺(tái)記錄到的620次ML≥1.0地震的波速比變化情況。結(jié)合LGH和NLA臺(tái)計(jì)算得到的地震序列波速比時(shí)間變化趨勢圖和該地震序列M-T以及N-T圖(圖4)可以看出，主震發(fā)生后1 d內(nèi)記錄到的地震序列較少，且主要以1、2級(jí)小震活動(dòng)為主，此時(shí)波速比維持短暫高值；01-03 15:00小震活動(dòng)增強(qiáng)，頻度增加，波速比出現(xiàn)下降趨勢；01-05 16:00 M3.9最大余震發(fā)生后(圖4(c))，地震活動(dòng)也上升達(dá)到最高日頻次(圖4(d))，而在最大余震發(fā)生之前LGH臺(tái)波速比出現(xiàn)突降，NLA臺(tái)波速比也呈下降趨勢，這與黎明曉等[12]研究認(rèn)為強(qiáng)余震發(fā)生前波速比會(huì)迅速下降的結(jié)論一致。最大余震發(fā)生后序列活動(dòng)呈現(xiàn)正常的衰減趨勢，波速比也穩(wěn)定維持在-1倍方差線左右變化。

3 可靠性分析

P波和S波到時(shí)判讀精度、參與擬合的臺(tái)站個(gè)數(shù)、地震定位精度等都是影響計(jì)算結(jié)果的重要因素。為了盡量減小上述因素造成的影響，在保證計(jì)算樣本量(到時(shí)數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)取100)的基礎(chǔ)上，對(duì)參數(shù)選取設(shè)置約束條件。選擇2020-01-01～2022-01-10震相數(shù)據(jù)，為確保波形清晰度，便于精確判讀，計(jì)算過程中將地震縱波、橫波到時(shí)差和震中距設(shè)置為12 s和100 km極限值，將判讀精度控制在0.02 s以內(nèi)。此外，為確保計(jì)算結(jié)果的可靠性，本文對(duì)相關(guān)系數(shù)R≥0.95和誤差γ≤0.05的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)云南地區(qū)59個(gè)臺(tái)站各時(shí)段的相關(guān)系數(shù)平均值R和誤差平均值γ，結(jié)果表明，R分布在0.96～0.99之間，γ分布在0.021～0.042之間，可見數(shù)據(jù)相對(duì)集中，變化范圍較小。同時(shí)本研究計(jì)算數(shù)據(jù)采取以10個(gè)地震為窗長、1個(gè)地震為步長進(jìn)行滑動(dòng)平均處理，通過增加參與計(jì)算的震相數(shù)據(jù)來降低傳播路徑差異和射線分布不均勻造成的影響，提高波速比隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié) 語

利用單臺(tái)多震和達(dá)法計(jì)算分析云南地區(qū)59個(gè)臺(tái)站2020年和2021年兩個(gè)時(shí)段平均波速比空間變化以及2022-01-02寧蒗MS5.5地震前波速比時(shí)間演化特征，并對(duì)震后寧蒗地震序列波速比時(shí)間變化進(jìn)行詳細(xì)分析，得出以下結(jié)論：

1)從震前Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)時(shí)段的波速比空間變化特征來看，寧蒗MS5.5地震發(fā)生在滇西北川滇交界波速比高值區(qū)域，該區(qū)域近兩年來波速比處于高值，且高值區(qū)域隨時(shí)間推移仍在擴(kuò)大。由于在干燥裂隙環(huán)境下地震波傳播速度隨裂隙密度增加而減小，而在水飽和狀態(tài)裂隙中傳播速度隨密度增加而增大[13]；在孕震過程中，應(yīng)力增加導(dǎo)致地下微裂隙逐漸發(fā)育擴(kuò)容，地下流體滲入裂縫使其達(dá)到水飽和狀態(tài)，并為最終的破裂解鎖創(chuàng)造有利條件[6]。考慮到云南地區(qū)水系較為豐富，可能在孕震過程中地下流體的滲入使微裂隙達(dá)到水飽和狀態(tài)，從而導(dǎo)致波速比VP/VS變大，因此對(duì)波速比高值變化區(qū)應(yīng)當(dāng)引起重視。

2)從震前4個(gè)臺(tái)站記錄到的波速比時(shí)空變化特征可知，在震前LGH、ZOD和NLA臺(tái)波速比時(shí)間變化呈現(xiàn)大致相似的下降-回升-高值變化-下降-發(fā)震演化過程，這與劉自鳳等[11]對(duì)云南地區(qū)2013年以來MS≥5.0地震前震中附近臺(tái)站的波速比演化特征較為相似。而距離震中最近的LGH臺(tái)波速比下降、回升、達(dá)到高值的時(shí)間均晚于其他3個(gè)臺(tái)站，初步分析異常出現(xiàn)的時(shí)間可能與臺(tái)站震中距呈負(fù)相關(guān)。

3)結(jié)合地震序列M-T和N-T圖可知，震后地震序列波速比變化與余震活動(dòng)情況具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主震發(fā)生后序列波速比呈現(xiàn)明顯的下降趨勢，當(dāng)余震序列地震活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)，其波速比也呈現(xiàn)相應(yīng)的波動(dòng)變化。在最大余震發(fā)生前，波速比出現(xiàn)明顯的突降現(xiàn)象。當(dāng)序列地震呈現(xiàn)正常衰減時(shí)，波速比維持在低值狀態(tài)。但由于震中附近臺(tái)站數(shù)量較少，可分析的震例有限，該規(guī)律還需要積累更多震例加以驗(yàn)證。