利用背景噪聲互相關研究安寧河—則木河斷裂帶周邊地區波速變化

摘要：使用2013—2018年安寧河—則木河斷裂帶周邊地區23個寬頻帶流動臺站的連續波形記錄，通過背景噪聲干涉測量，計算獲取了臺站對之間的相對地震波速變化；計算了5個不同周期的相對波速變化，重點分析了2018年石棉MS4.5地震前后的波速變化。結果顯示：在1～3 s周期，相對波速變化顯示出明顯的季節性變化特征，即每年的6—10月，相對波速變化顯示出緩慢的降低趨勢，誤差也較小，而每年的1—5月的相對波速變化呈現出隨機變化特征，且誤差較大。結合當地氣象數據推測，地震波速變化可能與季節性降水引起的孔隙壓力變化有關。3～8 s周期的波速變化呈離散型分布，更長周期的6～15 s和8～20 s波速變化較弱，在零值線附近波動，表明中下地殼介質處于相對穩定狀態。高頻段1～4 Hz結果顯示，石棉地震后近震源區的部分臺站出現波速降低，而未見震源區地表破裂，推測波速變化可能是由地震動引起淺部裂隙的張開或閉合所致。

關鍵詞：背景噪聲；西昌臺陣；安寧河—則木河斷裂帶；波速變化

中圖分類號：P315.2文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2024）04-0493-10

doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2024.0045

0引言

在地殼演化過程中，介質的物理性質將發生一系列改變，如出現微破裂、擴容、塑性硬化等，因此當地震波通過地殼傳播時，波速也將發生相應的變化，所以通過波速的變化研究地下介質的物性變化是可行的（馮德益，1981）。早在20世紀六七十年代，研究人員就關注到地震前波速會有微小變化，而預期會存在很大變化的結果都爭議較大。地質環境中影響波速走時改變的因素很多，包括潮汐應力（De Fazio et al，1973）、地下水的季節性改變（Sens-Schnfelder，Wegler，2006）、地震或火山活動導致的應力改變（Rubinstein，Beroza，2005；Peng，Ben-Zion，2006）、震前的流體遷移和擴容（Aggarwal et al，1973）等。因此研究地震波速變化對地震監測預報和火山預警等都有重要的意義。

主動源探測技術（Vidale，Li，2003；Wang et al，2008）和重復地震的相似波形（Peng，Ben-Zion，2006；Schaff，Beroza，2004）實現了對地下時變的監測，但它們在時空上的不均勻性使得連續長期的地震波速監測依舊困難重重。近年來，得益于地震背景噪聲技術的發展，使用背景噪聲互相關得到的相似波形推動了連續監測地震波速變化技術的快速發展。已有很多研究利用這一技術來監測地下介質的時間變化，包括地下波速的季節性變化（Sens-Schnfelder，Wegler et al，2006；Wang et al，2017）、與火山噴發相關的波速變化以及與強震相關的波速變化等（Brenguier et al，2008a，b；Chen et al，2010；Hobiger et al，2016；Liu et al，2014；Nimiya et al，2017；Wu et al，2016；楊建文等，2021）。

本文收集了2013—2018年安寧河—則木河斷裂帶周邊地區23個寬頻帶地震儀記錄的連續波形數據，利用背景噪聲互相關技術計算了各臺站對之間的波速變化及時空分布特征，討論了波速變化與信號頻帶之間的聯系、波速變化的可能機理和環境氣候因素等對介質變化的影響。

1數據和方法

西昌臺陣主要布設在鮮水河斷裂帶南段、安寧河—則木河斷裂帶北段，包含36個寬頻帶地震儀，儀器記錄起始于2013年1月。考慮到數據缺失會影響波速變化計算的精度，本文選用了2013—2018年西昌臺陣中23個連續性較好的寬頻帶地震儀（圖1）記錄的連續波形數據。數據預處理參照Liu等（2014）的方式進行：對每天的三分量波形進行10 Hz的重采樣；為了降低地震信號、儀器周邊干擾及其它非穩態噪聲源的影響，得到高質量的單臺背景噪聲記錄，對重采樣波形記錄進行了0.02～1.0 Hz帶通濾波、時域歸一化處理及0.05～1 Hz頻帶譜白化處理。

當臺間距較大時，很難在短時間內穩定地重構出經驗格林函數，因此本文僅對臺間距小于200 km的臺站對做進一步分析。我們計算了4個不同周期（1～3 s，3～8 s，6～15 s及8～20 s）的互相關函數。為了提高信噪比，對于不同周期數據，將各臺站對當天及其前、后15天（共31天）的互相關函數疊加來代表該天的經驗格林函數，而參考經驗格林函數則由各臺站對2013—2018年整個研究時段的互相關函數進行疊加得到。

Froment等（2010）研究發現噪聲源的季節性變化會嚴重影響噪聲互相關的面波信號，而其對尾波的影響則很小，所以本文選用噪聲互相關函數的尾波部分估算地震波速變化。參照Liu等（2018）的測試結果，在1～3 s周期，選取瑞利波到達后30～90 s的時間窗來計算dt；對于3～8 s周期，dt的時間窗為瑞利波到達后的40～130 s；6～15 s及8～20 s周期計算的dt時間窗則分別為瑞利波到達之后的40～160 s和50～200 s。不同周期的dt計算窗口的選擇如圖2所示，圖中白色粗實線為各周期的平均瑞利波走時曲線，兩條白色虛線之間的部分即為該周期計算dt所選擇的信號時窗。

假設地殼介質相對地震波速在空間上是均勻變化的，相對波速變化可以通過測量每天的經驗格林函數與參考經驗格林函數之間的相對走時偏移來獲得，即dv/v=-dt/t（Sens-Schnfelder，Wegler，2006；Snieder et al，2002）。獲取走時偏移的方法主要有兩種：一是頻率域的移動窗互譜方法（Poupinet et al，1984；Brenguier et al，2008a，b；Clarke et al，2011）。它將用于計算的經驗格林函數尾波部分分成若干個相互重疊的窗口，再將每個窗口信號變換到頻率域，通過互相關譜的計算得到走時偏移，進而獲得波速變化；另一種是時間域的壓縮—拉伸方法（Lobkis，Weaver，2003；Sens-Schnfelder，Wegler，2006）。該方法通過適當拉伸或壓縮每天的經驗格林函數，以使經驗格林函數與參考經驗格林函數的相關性達到最大，進而獲得波速相對變化。噪聲的季節性變化會干擾壓縮-拉伸方法的測量結果（劉志坤，黃金莉，2010；Zhan et al，2013）。因此，本文采用移動窗互譜方法計算相對走時偏移dt/t。

2結果分析

2.1不同周期的臺站對波速變化

圖3展示了采用移動窗互譜方法計算出的2013—2018年部分典型臺站對1～3 s周期的相對波速變化。圖3a中各臺站對相對波速變化呈現出明顯的周期性變化：每年6—10月，相對波速變化顯示出緩慢的降低趨勢，計算誤差也較小，這種降低趨勢在圖3b中更加明顯，如紅色矩形框所示。每年的1—5月，相對波速呈現出無規律的隨機變化特征，并且在隨機變化的時段計算誤差相對也較大，如圖3中暖色所示。部分臺站對相對波速出現較大誤差，如圖3中暗紅色標示，經異常核實發現，較大誤差是由于該臺站對在此時間段波形數據缺失，用于當天經驗格林函數疊加計算的天數不足31天，從而導致信噪比較低，計算誤差偏大。

典型臺站對3～8 s周期的相對波速變化如圖4a所示。各臺站對的相對波速變化總體呈現出無規律的隨機性：不同位置的臺站對在不同時間段內，相對波速變化在（-0.4%，+0.4%）范圍內呈彌散性分布。3～8 s周期相對波速變化結果中XC04-XC06部分時間段計算誤差較大，主要是由于XC06臺站缺少波形數據。其它臺站對的相對波速變化的計算誤差較低，表明了該周期相對波速變化計算結果的穩定性。圖4b展示了6～15 s周期的相對波速變化，相比于3～8 s周期的結果，該周期相對波速變化趨于平緩，基本圍繞在零值線附近波動；8～20 s周期的相對波速變化呈現出與6～15 s周期相同的特征。而XC06-XC09臺站對之間出現了誤差較大的相對波速變化異常，經檢驗發現是由XC09臺站部分時段數據缺失所致。

2.2波速變化的空間分布

對于各臺站對的相對波速變化時間序列，我們僅在1～3 s周期觀測到季節性波動，其它3個周期的相對波速變化均未呈現出明顯的規律性分布。為了更好地確認1～3 s周期相對波速變化的季節性變化特征，將2016—2018年每年1—5月和6—10月的各臺站相對波速度變化分別疊加平均，得到各臺站對之間平均波速變化的空間分布（圖5）。圖5a中干季（1—5月）的臺站對平均波速變化顯示整體波速變化的增大或減小都較大，且有一定的空間分界特征：29°N以北的臺站對的平均波速變化以增大為主，29°N以南的臺站對的平均波速變化以減小為主。相比于干季的平均波速變化，濕季各臺站對的平均波速變化明顯減弱，僅有部分臺站對出現微弱的平均波速度增大或減小（圖5b），說明該地區的平均波速變化受氣候影響顯著。

2018年5月16日四川省石棉地區接連發生了3次地震（MS3.3、MS4.5、MS4.3）。為了更好地探究地震對震源區周圍介質的影響范圍，本文以石棉MS4.5地震為例，分別計算了地震前2個月（2018年3月15日—2018年5月15日）和地震后2個月（2018年5月17日—2018年7月17日）各臺站對的平均波速變化（圖6）。圖6a顯示，地震前XC06-XC34、XC02-XC05與XC05-XC08臺站對平均波速明顯增大，而XC04-XC06、XC04-XC07、XC07-XC09與XC07-XC34臺站對波速顯著降低。地震后XC04-XC06與XC07-XC08臺站對出現明顯的波速降低現象，XC07-XC34臺站對的波速繼續降低（圖6b），XC06-XC34臺站對的波速增大現象消失，XC08-XC09臺站對則由震前的波速降低轉變為震后的波速增加。

總體來說，波速變化主要局限在震源區較近范圍內，且隨著臺站對之間距離的增大，波速變化的平均效應增強，即臺間距較大的臺站對呈現相對弱的波速變化。

3討論

3.1降雨對波速變化的影響

前人研究結果表明波速變化可能受季節性變化影響較大（Sens-Schnfelderand，Wegler，2006；Hobiger et al，2016；王俊等，2020）。圖3也顯示1～3 s周期的相對波速變化具有明顯的季節性變化特征。為了更好地研究波速變化與環境因素之間的聯系，將石棉地震震中周邊地區的相對波速變化與漢源氣象站的日降水量數據進行比較，降雨量使用中國氣象局數據中心提供的距離石棉地震區最近的漢源氣象臺數據。對比不同位置的臺站對相對波速變化與降雨量（圖7）可以發現：每年的濕季（6—10月）波速變化平緩，干季（1—5月）波速變化劇烈且隨機。尤其是2018年濕季，降雨量明顯增多，波速降低明顯，濕季過后地震波速開始緩慢回升。

水力作用對地震波速的影響引起了學者的廣泛關注，地下水和降雨會導致地震波速度降低0.01%～0.1%（Sens-Schnfelder，Wegler，2006；Meier et al，2010；Wang et al，2017；Lecocq et al，2017；胡淑芳等，2021）。隨著降雨量的增加，雨水滲透到地下致使地殼最上部數百米深度范圍內孔隙壓力增大，進而導致了剪切模量的降低與地震波速的減小。Wang等（2017）在對日本波速變化的研究中發現了幅度高達10-4的季節性變化，并將這種夏季波速的降低歸因于強降雨導致的地殼流體孔隙壓力的增大。謝凡等（2020）在滑坡監測中也發現降雨導致介質內部的流變特性的改變，特別是其內部顆粒體間含水量的增大，介質內部有效應力的降低，從而導致波速隨彈性模量下降而下降。本文采用Wang等（2017）研究公式計算了石棉地區由于降雨滲流導致的孔隙壓力變化，結果表明孔隙壓力的變化相對降雨量有一定的時間延遲，這是由雨水從地表緩慢滲透到地下一定深度范圍內所導致的。圖7中各臺站對波速降低的極值與降雨量的最大值也有一定的時間延遲，據此我們推測在1～3 s周期觀測到的地震波速度的季節性變化主要受到區域季節性降水影響。

3.2地震對波速變化的影響

大地震的發生往往伴隨震源區的破壞和地表破碎帶的顯現。基于背景噪聲的震源區介質變化研究為探測地殼深部應力的積累與釋放提供了獨特的視角，發現了大量同震波速降低和震后快速恢復的證據（Wegler et al，2009；Brenguier et al，2008a；Chen et al，2010；Cheng et al，2010；趙盼盼等，2012；Froment et al，2013；Liu et al，2014，2018）。研究認為地震導致的波速變化的主要機理為淺部的動態震動（Sleep，2015）和深部介質應力狀態的改變。

為了避免直達面波受噪聲源強烈的季節性變化的影響，本文采用噪聲互相關波形的尾波計算波速變化。噪聲互相關波形尾波的早期部分主要是面波成分，因此可以通過測量不同周期的波速變化來得到不同深度的波速變化（Liu et al，2014；Wu et al，2016）。Froment等（2013）和Liu等（2014）計算了汶川震區內瑞利波對剪切波速度擾動的靈敏度曲線，發現1～3 s周期面波對3 km以上的淺層地殼更為敏感，而3～8 s和6～15 s面波周期則分別對2～10 km 和5～20 km的地殼結構更為敏感。Liu等（2018）采用10年數據對龍門山斷裂帶的波速變化進行了研究，發現1～3 s和3～8 s面波周期均存在明顯的同震波速降低，而在6～15 s和8～20 s周期未觀測到與汶川地震有關的明顯信號。說明同震波速變化在短周期比較明顯，反映地殼淺部物質的狀態變化。本文對安寧河—則木河斷裂帶周邊地區的地震波速變化研究發現，波速變化在1～3 s周期具有明顯的季節性變化特征，在3～8 s周期未發現與地震相關的信號。

使用重復地震和噪聲互相關技術的研究表明，波速瞬時變化主要限制在地殼最上部的幾百米范圍內（Rubinstein，Beroza，2005；Peng，Ben-Zion，2006；Wegler et al，2009；Takagi et al，2012）。地殼最淺部的這種波速變化主要與強震動下裂隙的張開有關，是一種非線性的場地響應。謝凡等（2020）在2～25 Hz的較高頻帶觀測到了四川長寧MS6.0地震后波速的短時下降（約0.5%）以及恢復過程，認為地球表層介質受到地震影響導致顆粒間隙松動，從而使整體彈性模量下降。隨后在重力以及溫度場的共同作用下，介質內部顆粒間隙重新減小，導致波速變化在同震后出現快速下降，而震后介質彈性模量的恢復則促使了地震波速度復原的進程（Niu et al，2008）。為探究地震與震源區周圍介質波速變化之間的聯系，本文將背景噪聲互相關的頻帶提高到1～4 Hz，進一步研究近地表物質的變化情況。結果顯示，距離2018年石棉MS4.5地震震中較近的幾個臺站對均出現了明顯的同震波速降低，隨后迅速恢復的現象（圖8）。隨著震中距的增大，其它較遠的臺站對并未發現同震信號。這說明作為一個中等強度地震，石棉地震的影響范圍有限，一般不會出現明顯的地表破裂帶，地震波速的變化更可能是由地震引起淺部裂隙的張開或閉合所致。

3.3波速變化與測量周期關系

利用背景噪聲互相關技術計算獲得了2013—2018年安寧河—則木河斷裂帶周邊地區相對波速的時空變化。結果表明，僅在1～3 s周期觀測到比較顯著的季節性變化，其它3個周期（3～8 s、6～15 s及8～20 s）的波速變化無明顯信號特征。已有研究表明，1～3 s周期面波反映地殼之上3 km以內的介質特性，相應地，3～8 s和6～15 s周期則分別對地下2～10 km和5～20 km的結構更為敏感（Froment et al，2013；Liu et al，2014）。已有研究成果也證實，地震引起的波速變化主要局限于3～4 km的淺層地殼（Peng，Ben-Zion，2006；Wegler et al，2009），甚至只發生在地表以下數百米的深度（Rubinstein，Beroza，2005），其機制為強震引起地殼淺部裂隙產生及發展而導致介質的物理破壞。研究區近年來中小地震頻發，但未發生造成淺地表的介質嚴重破壞的強震。結合前文降雨量數據的分析，區域季節性降水是在1～3 s周期觀測到相對波速變化的主要原因。

對于更長周期的波速變化測量，Froment等（2013）和Obermann等（2014）利用川西流動地震臺陣數據檢測到12～20 s周期的波速延遲變化，但Liu等（2018）在對龍門山斷裂帶10年尺度的波速變化研究中并未觀測到較長周期（8～20 s）、與地震有關的、可靠的地震波速變化。安寧河—則木河斷裂帶周邊地區小震活動較強，但研究時段內未發生大地震，因而不會造成斷層內部及其周邊巖石的嚴重破壞，也不會導致斷層內部介質結構和應力狀態的強烈變化；另一方面，氣候的季節性變化主要影響淺地表物質，降雨導致的地下孔隙壓力變化也主要作用于地殼淺部。因此，我們僅在反映淺部結構特征的1～3 s周期觀測到相對波速變化的季節性特征，而未能在較長周期的觀測中發現明顯的相對波速變化規律。

4結論

本文利用2013—2018年西昌臺陣記錄的連續波形資料，通過背景噪聲互相關計算了安寧河—則木河斷裂帶及周邊地區23個臺站之間的相對波速變化，得到如下主要結論：

（1）地震波速變化在短周期（1～3 s）呈現出明顯的季節性變化特征，短周期結果主要反映地殼最上部的介質變化，與降雨主要影響地殼最淺部具有較強的一致性，因此認為在1～3 s周期觀測到的相對波速的季節性變化主要受到區域季節性降水影響。其它周期（3～8 s，6～15 s及8～20 s）沒有觀測到明顯的波速變化特征。

（2）2018年5月16日石棉地震發生后，靠近震源區的部分臺站在高頻段（1～4 Hz）出現震后波速降低，而未見震源區地表破裂，推測地震波速的變化可能是由震動引起淺部裂隙的張開或閉合所致。但受觀測數據和數據處理技術等的限制，目前尚未有與石棉MS4.5地震相當震級地震相關的可靠波速變化的報道。

（3）基于背景噪聲互相關方法計算出的地震波速變化是臺站對之間一定范圍內地殼介質狀態的一種平均效應，介質變化的精確時間和空間位置及物理機制都尚未有明確的論斷。本文僅觀測到了反映地殼最上部幾千米的短周期波速變化和地震后靠近震源區部分臺站對的震后波速降低，未見明顯的前震信號或類似火山噴發前的前兆信號，關于介質速度能否對中小地震孕育發生過程產生明顯的響應還需要進一步研究。中國地震局地球物理研究所“中國地震科學探測臺陣數據中心”為本研究提供地震波形數據，漢源氣象臺降雨數據來自于國家氣象科學數據中心（http：//data.cma.cn/site/index.html），審稿專家對本文提出了寶貴的修改意見，在此一并表示感謝。

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Study on the Seismic Wave Velocity Variation around the AnningheZemuhe

Fault Zone by Ambient Noise Cross-correlation

ZHANG Pei1，2，ZHOU Cong1，Wang Wenqing1，Chai Xuchao1，LIU Geng1，SHI Kexu1

（1.The Second Monitoring and Application Center，China Earthquake Administration，Xian 710054，Shaanxi，China）

（2.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

Abstract

We presented the 6-year continuous changes of the seismic wave velocity from 2013 to 2018 around the Anninghe-Zemuhe fault zone.The continuous waveforms recorded by the Xichang array consisting of 23 broadband stations，and ambient noise correlation techniques were used to calculate the wave velocity changes in five different period bands.A significant characteristic of the seasonal variation of the wave velocity changes was observed in the period band of 1-3 s：from June to October each year，the relative wave velocity changes（dv/v）showed a trend of slow decreasing，and the error of the speed change was small.The relative speed change from January to May showed the characteristics of random change with larger errors.Referring to the local meteorological data，we speculated that the wave velocity changes may be related to the pore pressure changes caused by seasonal precipitation.The velocity changes in the 3-8 s period band were discretely distributed，while velocity changes in the period bands 6-15 s and 8-20 s were weaker and fluctuated near the zero line，this indicated that the middle and lower crustal media were in a relatively stable state.In the focal area of the Shimian MS4.5 earthquake，we had also detected wave velocity reduction at some pairedstation in the 1-4 Hz frequency band.Although there were frequent small earthquakes in Shimian region，no surface rupture had been spotted yet.It is more likely that the opening or closing of shallow cracks induced by ground motions contributes to the changes in wave velocity.

Keywords：ambient noise；the Xichang array；the AnningheZemuhe fault zone；wavevelocity variation