新疆天山地区的波速比异常分析

张琳琳 高朝军

1）新疆维吾尔自治区地震局，乌鲁木齐市北京南路42号 830011

2）新疆巴里坤地震台，新疆哈密 839200

0 引言

在地壳演化过程中，介质的物理状态会发生一系列变化。地震波携带着大量反映震源和介质变化的信息，当地震波通过地壳介质时，其速度会发生变化，而波速比作为地震波的运动学特征，可用其捕捉中强地震前后的异常变化信息，这也是利用波速比研究地下介质物理性质变化的重要依据。通过对地震波波速比变化的研究，发现其与中强震有对应关系，因此，将波速比变化作为监测手段来预测未来较大地震则成为地震分析预测研究的重要方法（冯德益，1981；蔡杏辉，2013；李海兵等，2008；张博等，2013；张洪艳等，2010；韩晓明等，2009；龙海英等，2011a、2011b；张晖等，2014）。

1956年，宫本贞夫通过研究福井7.2级地震发现，震前存在首波走时异常引起的波速异常现象（冯德益等，1981）。此后国内外地震工作者对波速异常开展了大量研究，同时多种波速异常研究方法也相继出现（隗永刚等，2014）。近年来，随着数字地震学方法的不断推广以及数字地震波形资料的积累，对波速比变化特征的研究逐渐增多（王林瑛等，2011；韩晓明等，2010；龙海英等，2011a，2011b），同时也获得了不同研究区内中强地震前波速比的空间分布和时序变化特征等研究成果，为中强地震活动的趋势研判提供了依据，也进一步检验了中强地震前波速比异常存在的可信度（岳晓媛等，2008；陈俊华等，2007；黎明晓等，2004）。

随着新疆“十五”地震台网的建立，台站密度增大，仪器观测精度提高，这为新疆波速比研究创造了良好条件。龙海英等（2011a、2011b）分别对新疆乌苏5.1级及和静5.6级地震前的波速比异常进行了深入研究，认为地震发生在波速比的一个近似椭圆形低值异常区，同时在低值出现9～10个月之后发震。高朝军等（2013）采用天山中段数字化地震资料分析了2012年6月30日新源、和静6.6级地震前后的波速比异常，结果认为地震发生在波速比低值异常区的东北缘。

本文选取2009年1月1日～2014年9月30日新疆区域台网记录到的天山地震带MS≥1.0的地震数据，利用多台和达法计算了天山地区中小地震波速比实际值和背景值，其中波速比背景值是无中强地震发生时VP与VS的比值，文中将以2009年数据为基础求解的波速比值作为背景值。实际值即当有较大地震发生时的VP与VS的比值。为突出异常变化，本文计算了波速比的扰动值（实际值相对于背景值的变化），通过对2011年以来4次中强地震前波速比扰动值空间分布变化的分析，得出波速比异常变化与中强地震之间的关系，同时对近1年来新疆天山地区波速比扰动值变化与地震的对应情况进行了分析和讨论。

1 新疆天山地区地震地质背景

新疆天山造山带是全球主要的古生代造山带之一，包括2个碰撞带，即1个较老的南部碰撞带（位于塔里木地块北侧陆缘和中天山南侧陆缘之间）和1个较年轻的沿北天山断层的碰撞带（肖龙，1999）。该地区地质结构复杂，受印度洋板块向北推挤和兴都库什地区的挤压作用，天山地区地壳不断隆升，并在两侧山前坳陷或前陆盆地内形成多个逆冲-褶皱带（高朝军等，2013），其中天山中段覆盖了南天山东段和中天山南缘构造带。研究人员针对新疆天山中东段地区开展了一些波速比研究，20世纪80年代初，一些学者利用模拟地震波资料对新疆部分中强地震前后的波速比异常做了系统研究（王海涛，1989；敖雪明，1987），发现多数中强地震前波速或波速比出现较明显的变化。近几年来，龙海英等（2011a、2011b）和高朝军等（2013）对天山中东段几次中强地震前波速比异常变化特征进行了分析，中强地震前波速比异常形成不同形状的低值区，异常出现后1年内在异常区内部或边缘发生中强地震。自2000年以来新疆区域数字地震台网逐步建成后，地震监测能力大幅度提高。但由于受台站布设环境的影响，天山中东段台网布局相对于南天山西段更为均匀（图1）。而新疆境内MS≥1.0地震主要集中在天山中东段和南天山西段，且主要沿断裂带分布，其中天山中东段乌鲁木齐附近区域台站密度较大，因此，所记录的小地震数据相对较多，而南天山西段台站较为稀疏，中强地震活动水平较高，满足波速比求解标准的地震数据相对于天山中东段略少。为进一步了解新疆天山地区地震波的运动学特征即波速比变化，在满足技术要求和求解标准的前提下，选择天山中东段和南天山西段作为本文的研究区域，以捕捉中强地震前的波速比异常信息。

2 研究方法与原理

基于多台和达法求解波速比的原理，采用新疆天山地区的研究数据，对一个地震以一组台站i记录的纵波到时TPi和纵波与横波间的到时差TSi-TPi为资料作图，拟合直线求斜率，再加1即为波速比（冯德益，1981）。假设所选研究区为理想的均匀弹性介质，以多台记录到的近震直达P波、S波到时TPi、TSi计算波速比γ、相关系数R和标准差S的计算公式为

图1 新疆天山地区地震台站分布及研究区域内震中分布图

式（1）中，n为台站个数；ΔTi＝TSi-TPi为第i个台站记录到的横波和纵波的到时差，则

式（4）中，γd为波速比扰动值；γa为波速比实际值；γb为波速比的背景值，有关实际值和背景值的概念说明已在引言中给出。

结合前人对新疆天山地区波速比研究成果，基于新疆地震台网2009～2014年的地震观测数据，采用多台和达法计算天山地区震中周围多台（台站数目不少于4个）平均波速比值，考虑到研究数据波速比计算结果的异常变化并使其更明显，我们计算了波速比的扰动值（（4）式），同时分析其时空演变特征以及通过震例回溯探索波速比异常变化与中强地震之间的关系。

3 资料选取

本文资料来自新疆地震局提供的2009年1月1日～2014年9月30日新疆天山地区15543次MS1.0以上地震的观测数据。依据多台和达法计算原理，按照地震事件至少被4个台站记录到的标准，共选取地震事件9590次，可利用的地震数据占总数据的61.7%。为保证样本数和数据精度要求，在已选的9590次地震事件中，再参照波速比标准误差≤0.05、相关系数≥0.98的标准，共选出地震事件1755次。在计算波速比扰动值之前，首先需要计算波速比（包括实际值和背景值），同时参照前人的筛选方式对所选用资料进行筛选和预处理（高朝军等，2013）。采用前述预处理后的地震数据，首先按照研究区设定范围参数，将研究区进行0.2°×0.2°网格划分，并求得每个网格的波速比背景值，背景值主要是基于研究区域内无中强地震发生的时段进行计算；然后选择2013年以来的地震数据获取相应波速比实际值，同时求解波速比的扰动值，并对其时空变化特征进行分析；最后，结合2011～2013年4次中强地震前波速比扰动值空间分布情况，分析中强地震前波速比扰动值变化特征。波速比扰动值的计算主要是依据研究区内满足条件的地震数据，一般为低值负异常。

4 震例回溯

4.1 新疆天山地区波速比背景值

刘文学等（2011）采用修订后的接收函数H-κ叠加算法估计了新疆及周边地区90个地震台站下的波速比，波速比的估计结果为1.61～1.89，均值为1.76。结合前人研究结果，本文采用多台和达法对新疆天山地区波速比展开研究，结果表明，研究区内波速比为1.65～1.78，均值为1.70左右。

4.2 天山地区的7次震例

为突出研究区内波速比异常的空间分布，将研究区分为天山中东段和南天山西段2个子研究区。图2（a）和图2（b）显示的是天山中东段和南天山西段2013年1月～2014年9月波速比扰动值空间分布，结果表明，天山中东段的温泉-新源地区和乌鲁木齐南部地区以及南天山西段的柯坪块体波速比扰动值存在低值异常，其中，新源西部的波速比扰动低值形成一个不规则的椭圆形，而乌鲁木齐附近区域和南天山西段的普昌断裂以西波速比扰动低值变化幅度较大，其辐射范围相对集中。

图2 2013年1月～2014年9月天山地区波速比扰动值分布图

图3 2013年1月～2014年9月2个扰动值异常区波速比时序图

通过计算，得到了上述2个区域的波速比时序图（图3），其中图2（a）中2个虚线圈所圈定区域分别与图3（a）和图3（b）中的时序图内容相对应。结合研究区内的3次震例分析，中强地震之前波速比均显现出一定的异常变化特征，其中天山中东段的2次地震前波速比总体呈现出“下降-低值-恢复-发震”变化趋势，异常持续时间为3个月左右，异常变化幅度为5%左右，尤其是异常上升幅度相对较大，并发生在“低值-回升-发震”过程中，多数地震前出现了“低值-恢复”过程。如乌鲁木齐南部地区在2013年3月29日昌吉5.6级地震和8月30日乌鲁木齐5.1级地震之前波速比出现低值异常过程（图3（a），3（b）），波速比高值恢复过程中发震。2013年12月1日柯坪5.3级地震之前柯坪块体波速比处于低值状态（图3（c）），3个子区域时序图之后的时间内波速比出现低值-恢复状态，但没有地震发生，说明此异常对应率并非100%。目前乌鲁木齐南部地区、温泉-新源地区以及柯坪块体波速比时序曲线呈现出“下降-低值-恢复”变化趋势，而该现象很可能是中强地震发生前的一种表现，也意味着这3个子区域地下介质应力可能正处于积累的过程中，需要加强关注。

图4 2009年1月～2011年10月新源附近波速比扰动值分布图

图6 2009年1月～2013年3月乌鲁木齐附近波速比扰动值分布图

随着数字监测台网密度的增加，局部监测能力逐步提高，研究区内监测到的地震的最小完整性震级降低，尤其是台站布设相对均匀的天山中东段。新疆天山地区是中强地震频发区域，2011年以来共发生16次MS5.0以上中强地震。本文分析了2011～2013年4次MS5.0以上中强地震前的波速比扰动值变化，这4次地震分别位于天山中东段和南天山西段。从天山中东段分区的波速比扰动值分布（图4、5、6）可以看出，2011年11月1日尼勒克和巩留交界处的6.0级地震发生在波速比扰动的低值异常区域（图4），自2009年1月～2011年11月1日MS6.0地震前，震中及其附近区域满足波速比计算条件的地震事件共894次，而自2011年1月开始，波速比值低于1.71的地震共267次，占MS6.0地震前中小地震事件总数的65%。2012年6月30日新源、和静交界6.6级地震前，新源附近区域波速比扰动值形成不规则的半椭圆形低值区，而主震震中位于半椭圆的端部（图5），2009年1月～2012年6月30日MS6.6地震前，其相应研究区域内共有1055次地震事件满足波速比的求解条件；2011年11月1日MS6.0地震发生后，波速比值低于1.71的地震共106次，占主震前中小地震事件总数的63.5%；2011年11月1日MS6.0地震前该区域的波速比低值异常可能仍与此次MS6.6地震有关。北天山中东段2009年1月～2013年3月波速比扰动值空间变化显示（图6），在扰动的低值集中区发生了2013年3月29日乌鲁木齐、昌吉交界5.6级地震，2009年1月至此次地震前，其震中及其附近区域共有1318次地震事件满足波速比的计算要求。2013年1月至MS5.6地震发生的时间段内，波速比值低于1.72的地震共23次，占MS5.6地震前中小地震事件总数的62%。图7给出了南天山西段阿合奇西南区2009年1月～2011年7月波速比扰动值的空间变化，在2个波速比扰动低值区的中间位置发生了2011年8月11日阿图什-伽师5.6级地震。2009年1月至该地震发生前，此地震震中及其附近区域共有665次地震事件可用来求解波速比。而自2011年1月至MS5.6地震发生，共有88次地震事件的波速比值低于1.73，占MS5.6地震前中小地震事件总数的52.4%。从4次中强地震前波速比扰动值的变化中可以看出，波速比异常多数分布在断裂带两侧和不同方向断裂的交汇部位，多数断裂具有控震背景，地下介质物理性质较为复杂，波速比低值异常区及其附近区域的地下介质应力积累水平则相对较高，具有发生中强地震的地质构造条件。

图7 2009年1月～2011年7月阿合奇西南波速比扰动值分布图

5 结论与讨论

本文通过对新疆天山地区2009年以来地震波速比进行计算，得出天山地区波速比扰动值时空变化图，并结合2011～2013年4次震例分析了波速比扰动值在中强地震前的一些变化，最后得出以下结论：

（1）2009～2014年新疆天山地区波速比平均值为1.70，基本波动范围为1.65～1.78。结合3次震例分析，中强地震前波速比呈现出一定的异常特征，变化幅度在5%左右，震前总体表现为“下降-低值-恢复-发震”这一变化过程，异常持续时间为3个月左右。综合分析7次中强地震前波速比值的变化情况，震前震中及其附近区域在一定时间段内波速比低值的地震事件占相应总事件数的比率大于60%，中强地震前波速比低值相对明显。

（2）结合4次震例，分析2013年以来研究区内波速比扰动值时空变化，可以看出，天山中东段的温泉-新源、乌鲁木齐南部地区以及南天山西段的柯坪块体区存在波速比扰动的低值异常。这2个子区域地震活动水平较高，地下构造背景复杂，波速比扰动值高低交替分布，分布区域大小以及集中程度与台站密度和满足波速比计算条件的地震事件数有关。地震活动性不同的区域，其地下介质应力状态的变化及应力作用也有所差异，波速比扰动值变化较大的区域其地质构造应力变化也相应较为显著，应力积累处于一个逐步加强的过程，因而发生中强地震的可能性较大，需要加强对这几个子区域的波速比以及其他地震学参数变化的进一步跟踪和研究。4次震例的波速比扰动值时空变化分析发现，多数中强地震发生在波速比扰动的低值集中区域，波速比扰动值异常大多分布在断裂带两侧和多条断裂的交汇部位，相应研究区内地下介质应力变化和相互作用比较显著，具备发生中强地震的地质构造条件。

（3）由于本文所用数据取自2009年以后，未采用此前模拟记录的地震数据，因此不能较完整地展现有地震记录以来新疆天山地区波速比的变化情况，且新疆南天山西段台站密度相对于天山中东段少，分布不均匀，区域划分的精度不够精细，记录的震例也相对较少，所获取的结果受资料影响较大。随着数字化地震数据数量和质量的不断增加和提高，波速比研究结果的精度和可靠性将会进一步提高。

致谢：新疆地震局提供了研究数据，李志海在波速比扰动值计算方面、王琼在震例分析研究上提出了意见和建议，审稿老师提出的意见和建议让本文增色不少，在此一并致谢。