利用地震波特征变化与地震关系提取地震前兆信息

郭 杰 郑 杰 雷 宁

(1.河南省濮阳市地震台，河南 濮阳 457000;2.河南省范县地震局，河南 濮阳 457500;3.河南林州地震台，河南 安阳456550)

引言

地震在孕育过程中，存在着应力在未来震源区集中的过程，孕震区域的岩石物理性状可能会出现一系列变化，从而使孕震区小震和地震波经过此地的小震，它们的运动学特征和动力学特征发生变化。这些变化携带着某些大震前兆异常信息可能被仪器记录下来。利用地震学方法中的地震波特征变化提取大震前兆信息是地震预报中最基本、很重要的方法，尤其是在短期预测及大震发生后震情趋势判断更是如此。工作在地震监测预报第一线的台站科技人员能及时获取地震波资料和地震观测报告，利用地震波特征变化一些可行方法，提取中强地震前兆信息，对提高地震预报水平是有益的。

濮阳市地震台位于河南省东北部豫鲁冀交界处(图1)，四周地震带形成井子型，台站东部约40km为东濮拗陷和聊兰断裂带、地震较多，是河南省重点监视区。随着数字观测仪器的使用、观测精度的提高，从而使地震波资料测量精度和可信度大幅度提高。以下是濮阳台利用地震波动力学特征中的P波初动符号、P波初动半周期、振幅比和运动学中的波速比、S波分裂来分析探讨与震例的对应关系，从中找出地震发生的一些规律资料来源是濮阳台2004年1月至2012年9月记录到的地震，范围是震中距:20km≤△＜135km，震级ML≥1.2级所有地震，其中大部分为聊兰断裂带地震。研究范围是北纬34°30'—37°00'，东经113°30'—116°30'。所用对照的震例为2004年1月以后，ML≥3.5、△≤110km的所有地震，另外还有周口太康较强的二次地震，分别是:2010年10月24日ML5.1、2011年3月8日ML4.7，距濮阳台200多公里。

图1 濮阳及邻区地质图

1 地震波速比

地球内部可以传播两种基本类型的地震波-纵波(P波)和横波(S波)。波速是地震波的一种运动学特征，它与传播介质有关。较大地震发生前，孕震区岩石性质的变化，将导致波速变化。因此，研究地震前波速的变化可以提供地震孕育的前兆信息，而波速比变化即是提供这种信息的一种方法。

一般情况下，地壳中纵波和横波平均速度约为6.0KM/S、3.5 KM/S，它们的比值约为1.73.当地应力积累到一定程度时，岩石出现微破裂，从而导致波速比发生一定变化，波速比Vp/Vs相应降低。

1.1 方法原理

设台站处在异常区内，由震源到台站的距离为R，则纵波、横波波速比r=vp/vs，可用下列方法求取r=Vp/Vs=(Vp/ R)/(Vs/R)=Ts/Tp=(ts-To)/(tp-To)式中，ts为S波到时，tp为P波到时，to为发震时刻。以省局地震月报告为准。

1.2 资料处理

(1)选用记录较好的地震资料，量图精确，减少误差。

(2)资料选取范围:震中距20—120km、ML≥1.2

(3)以r为纵轴，以时间为横轴作波速比变化曲线(图2)。若介质为均匀状态，波速比人r为1.73，并作为基线绘在图中。

图2 濮阳台波速比变化曲线

1.3 分析

(1)一般波速比异常特征为低值异常(相对于1.73而言)，临震前可能出现高值回升，图中2008年前地震、发震前约有9—12个月的低值异常，地震大都发生在高值两侧(4个月内)，较好的对应性。

(2)2008年以前主要处于低值区异常，在2008高值附近发震释放较集中。2008年8月至2011年末出现3年高值区，这可能与资料来源误差有关，待以后查实。2011年末我们改用山东地震信息网发布的地震发震时刻为准，图中曲线又重新回到绕基线上下波动。2008年8月—2011年末间震例都发生在高值中。

(3)2012年9月曲线又从低值区回到高值区。根据前面规律，近几月注意聊兰断裂带发生ML3.5级地震。

2 S波分裂

在各项同性均匀介质中，S波可分解为垂直入射面的Sh分量和在入射面内震动的Sv的垂直分量，水平向记录的是Sh分量的合成，垂直向记录的是Sv的垂直分量。在各方面同性介质中，Sv和Sh传播速度是相同的，若震源区介质发生变化，呈现出明显的各向异性，则可能导致S波分裂，即Sv和Sh以不同的速度传播，它们到达地震台三分向地震仪上的时间就出现了误差。

令地震仪垂直向上读取的Sv到时为Tsv，在水平向上S波的到时为Tsh.在正常情况下，Tsv-Tsh＜0.2s，但是，人们发现，某些较大地震(4级左右)前，Tsv-Tsh可达0.8秒，所以，可以把地震S波分裂作为一种地震前兆指标。

2.1 方法、范围

(1)设南北方向S波到时为t1，东西向S波到时t2，垂直向S波到时为t3，在地震图三分上分别量取t1，t2，t3。

(2)令△t2=t3-t*(t*为t1和t2两者早到的一个)。

(3)△＜135km ML≥1.2由于UD向SG前常有不明震相干扰，暂不去做Tsv-Tsh图。以下是△t1=t2-t1图(图3)，即水平向SG到时差，它虽没有△t2=t3-t*曲线波幅大，但异常是一致的。

图3 濮阳台S波分裂变化曲线

2.2 分析

(1)图中可以看到曲线波动与震例有较好的对应性，地震大都处在峰值或峰值两侧，基线零值一下几乎没有地震。

(2)太康两次地震发生在低值区，说明本区域地震与较远地震在曲线上是反向指示作用或无对应。

(3)2012年9月曲线向上致零线上方，注意本区域在今后几月应发生ML3.5级地震。

3 振幅比

探讨地震源孕育过程学者认为，在较大地震孕育期间，孕震区内的地壳介质可能处于某种一定的含裂隙状态，这就是产生地震波动力学特征前兆异常的一种可能原因。P波和S波振幅比基本上与震级无关，与仪器上放大倍数和频率特性关系甚小。研究方法较为简便。一般遵循低值-高值-发震的异常形态。

3.1 资料范围方法

取△＜135km、ML≥1.2级所有地震。量取每次近震的垂直向P波和S波最大振幅APG、ASG，作单台振幅比APG/ASG随时间变化曲线。(图4)

图4 濮阳台振幅比变化曲线

3.2 分析

(1)濮阳台振幅均值为1.56，发震一般都在峰值或峰值两侧。高值前有约一年的低值异常区，但也有例外，如2008年震群就发生在均值基线附近。

(2)2012年3月高值后进入低值区，但曲线没有运行到均值上方，注意聊兰断裂带2013年发生ML≥3.5级地震。

(3)周口太康两次地震对应曲线变化不明显。

4 初动半周期

较大地震发生前后，孕震区介质性质的变化可能是整个地震波型发生变化。根据脆性材料的破裂实验发现，材料破坏前微破裂突然增长，伴随着高频辐射增强。前人曾观测到大地震发生前后可观测到孕震区内微震辐射波谱中出现某种异常特征，高频成份增多的现象。初动半周期分析即是提取这种信息的一种定量方法。根据文献报道，固定台站记录到震，从总体上看，前震以及主震后短期内的余震，其初动半周期较正常活动期的地震和地震后远期的余震要小。

4.1 方法

(1)量取样本要初动清晰、完整的垂直向P波初动半周期。

(2)样本震级1.2≤ML≤3.5，△范围20km＜△＜135km。

(3)以初动半周期为纵轴、做P波初动半周期时序图(图5)。

图5 濮阳台P波出动半周期变化曲线

4.2 分析

(1)濮阳台初动半周期均值约为0.1秒，濮阳台记录PG初动半周期普遍偏低，但也在近震PG初动半周期范围之内。

(2)ML3.5以上例震多发生在峰值两侧，ML4级以上地震发生在峰值处，前面大部分都有不足1秒的低值异常。

(3)2012年9月曲线又处于低值，并且数值较低。濮阳临区在2013年发生ML≥3.5级地震可能性很大。

5 结论与讨论

(1)濮阳台利用五种地震波特征变化方法分析与震例是有一定对应关系的，是有一定规律可循的。工作在地震监测预报第一线的台站技术人员能及时获取地震波资料，将曲线图变化与地震的关系的理解和看法进行交流，为本地区地震预报提供重要参考意见。

(2)为了减少单台计算随机误差和曲线图波动较大的现象，应对一定时期多次地震波特征曲线作算数平均或滑动较好。另外，区域台站已联网，作多台分析是很有必要的。这些都有待于以后改进。

(本文得到了濮阳市地震局总工、教授级高工郭德科的指导和帮助，在此表示感谢)

［1］国家地震局科技监测司.地震观测技术［M］.北京:地震出版社，1995.

［2］中国地震局监测预报司.地震学与地震关测［M］.北京:地震出版社，2007.

［3］王海涛，敖雪明，杨马陵，等.单台测震学地震预报方法的研究［J］.内陆地震，1989(2).