广东新丰江库区波速比变化特征研究

王小娜，刘 锦

（广东省地震局，广东 广州 510070）

广东新丰江库区波速比变化特征研究

王小娜，刘 锦

（广东省地震局，广东 广州 510070）

使用2007年6月— 2017年2月广东新丰江水库周围14个台站记录的Pg波、Sg波震相数据，采用单震多台和达法研究新丰江库区波速比变化特征。结果显示研究时段新丰江ML4.0级以上地震中有3次地震前表现出下降—低值—恢复—发震现象。库区水位、地震频度、波速比均表现出分段特性，地震频度相对于水位、波速比相对于地震频度均有一定的滞后性。蓄水前期波速比主要受水的渗流作用和构造应力的影响，而蓄水后期库构造应力以及水位引起的围压变化可能成为波速比变化的主要因素。新丰江ML5.2级地震及ML5.1级地震前水库均处于卸载阶段，ML4.2级地震前水库处于加载阶段，说明库水位引起的围压对波速比影响有限，地震发生主要是构造应力作用的结果。

新丰江；单震多台和达法；波速比；分段性；渗流作用；构造应力

P315.6

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.04.003

1674-8565（2017）04-0014-07

国家自然科学基金青年科学基金项目（41604055）

2017-07-18

2017-10-07

王小娜（1987-），女，山东省济宁市人，毕业于中国科学院大学，博士，工程师，现主要从事地震预报研究、地震层析成像和人工地震测深等方面的工作。E-mail: wangxiaona16@163.com

0 引言

在较大地震发生前，构造应力的增大可能会导致孕震区内的岩石出现微破裂和塑性化、塑性硬化、相变等一系列现象，从而使得孕震区岩石的波速发生变化，即出现波速异常。研究波速异常对于探索地震预报途径和震源孕震过程具有实际意义，而在波速异常研究初期，波速比问题有很多争议[1]，需要通过反复实验和检验才能对其物理实质取得客观认识，因而进展缓慢[2-4]。近几年来，随着数字地震的发展，台站密度不断增大、地震定位精度不断提高、震相资料不断积累，利用数字地震资料分析中强地震前后地震波速变化特征的研究得到广泛应用[5-11]，波速比异常方法成为目前地震预测常用的方法之一。

水库对地震存在诱发作用[12-14]，广东新丰江水库地区（图1）是整个广东乃至华南地区地震活动最为活跃的地区之一[15]。水库主要位于燕山期花岗岩体之上，岩体侵入到古生界和中生界沉积岩系中，岩体东侧与晚白垩纪—第三纪断陷盆地相接[16]，区内主要有三组走向断裂，NE—NNE向断裂最为发育，以逆断层或逆掩断层为主，主要有河源断裂、人字石断裂和大坪—岩前断裂；NNW向的石角—新港—白田断裂在大坝西北最为发育，由许多小断裂组成，与其他走向断裂相切割；NEE向断裂以陡倾角为主，在地表未形成规模巨大的断裂，主要有南山—坳头断裂，是地壳深部的主要构造。这些断裂控制了新丰江地区中强地震的发生，水库蓄水前新丰江地区无明显地震活动，仅于1953年在高塘附近发生过一次M4¾级地震（图1），水库蓄水后一个月地震活动趋于频繁，1961年3月19日在距离新丰江大坝仅1km处发生了M6.1级地震，是目前世界上诱发M6.0级以上地震的4个水库之一[17]，新丰江6.1级地震之后水库地区中小地震不断，先后发生过111次ML4.0以上地震，其中多数地震集中于水库大坝，近年来地震活动有从库区大坝往北西方向扩展的趋势，2012年至今新丰江库尾锡场附近共发生7次ML4.0级以上地震，因此地球物理学者对新丰江水库地震活动性研究日趋迫切[18-20]。

图1 新丰江地区地震分布图Fig.1 Earthquakes distribution map of Xinfengjiang area

前人亦通过波速比方法研究过新丰江的地震活动情况，冯锐[21]分析了新丰江6.1级地震前后（1961年2月—1975年3月）波速比变化特征，认为波速比在新丰江地震前出现明显的波速下降，并在6.1级地震前一个半月恢复正常值，此外，震源附近的深水峡谷区异常变化幅度最大，异常在时空上比构造地震要小。陈益明[22]对1975年4月—1983年12月之间的波速比进行了分析研究，认为1975年之后震前波速比并没有明显的异常变化。杨选[23]对2007年6月—2012年3月横纵波走时差tS-tP≤30s的地震波速比进行了分析研究，发现2012年2月16日新丰江ML5.2级地震前波速比异常变化并不明显，但通过T法校验，在震前7个月发现波速比下降现象。以上的新丰江波速比研究工作中，新丰江水库蓄水前期地震台站较为稀少，地震定位精度无法保证，而水库蓄水后期定位精度虽然提高，但计算的平均波速比为270km左右范围内的平均波速比，区域范围较大，无法反映新丰江库区真实的波速比情况。2012年广东省地震局对新丰江水库台网进行加密，共有14个台站实时记录地震数据，显著提高了新丰江水库地震的监测能力。本文使用2007年06月—2017年02月新丰江水库周围14个台站记录的Pg波、Sg波震相数据（震中距＜40km），通过严格的数据筛选后，采用多台和达法计算波速比，由此获得的地震波速比更能反映目前新丰江水库库区的平均波速比。此外，本文通过单震多台和达法计算新丰江库区波速比，探讨地震活动性、波速比和水位之间的关系，从而为该水库地区中强地震危险性提供了科学依据。

1 计算方法与资料

本研究使用单震多台和达法计算研究区域波速比。该方法由日本地震学家和达清夫（1928）[1]提出，以和达图为基础，利用震中周围多台资料计算出来的波速比可称为平均波速比，虽然这样计算出来的平均波速比不同于真波速比的视速度比，但其变化在一定程度上反映了真波速比的变化，因而仍可以作为一种地震前兆指标来研究。该方法由地震发生的时间控制波速比测定的时间，地震发生越集中、有震相记录的台站越多，则波速比计算精度和稳定性越好，其中重复地震的测定精度最高。

假定震源区介质为理想均匀弹性，则纵波速度VP和横波速度VS与介质泊松比、扬氏模量和介质密度ρ之间的关系为[24]：

式中，VP / VS为介质泊松比的函数，主要反映的是地壳中上层介质泊松比的变化，P波和S波的速度则与介质的泊松比、杨氏模量E和介质密度密切相关。

在波速比计算过程中，为保证结果的稳定性，本文进行了严格的数据筛选，包括初步筛选和精细筛选。由于影响数据质量的因素主要有震相数据精度、台站个数、地震位置等，因此针对这些因素，为了最大限度保证结果的稳定性，在初步数据筛选时遵循以下原则：

（1）新丰江库区台网较为密集，地震最小完备震级可达ML0.3，本研究震级下限设为ML≥1.5，以保证震相数据有足够的精度;

（2）去除走时数据中离散的震相数据（距走时曲线最佳拟合线2s以外的数据）（图2）；

（3）同一台站Sg波和Pg波走时差计算出震中距约40km内的介质平均物性。

经过初步筛选共有1420个地震符合要求。初步筛选后需要对台站记录的Pg波和Sg波走时再次进行精细筛选。若一个台站S记录的一个地震所对应的点（tP，∆t）偏离和达直线相当远，则可能是S台站的震相记录有误，或震源到S台站的波速比与到其他台站的平均波速比有明显差异，此时S台的资料就不能用来计算平均波速比。假设地震发生在未来较大地震孕震区内或其附近，周围大多数台站记录到的地震波都不同程度的通过了波速异常区，即使个别台站记录到的地震波未通过孕震区，在计算波速比时也可能因偏离和达直线较远而被淘汰掉。

图2 初步筛选与精细筛选过程中震相数据走时分布Fig.2 Travel time of phase data in preliminary selection and fine selection

因此，设地震i共有N个台站记录到Pg波到时tPi和Sg波到时则求解所有台的总平均值以及所有

∆tj＜t的K个台资料的平均值

本文保证每个地震至少有4个台站记录到Pg和Sg走时数据（N≥4）。经过精细筛选，共获得1253个地震（图3）参与计算，之后

利用最小二乘法计算波速比γ0、相关系数R以及波速比计算误差γ：

图3 用于波速比计算的地震及射线分布图Fig.3 Earthquakes and ray distribution used for caculating Vp / V

2 结果分析

本文选取的波速比计算误差γ0≤0.05，对于波速比相关系数R，考虑到孕震体介质非均匀性也可能导致波速比和达曲线弯曲，从而使得误差增大和相关性降低，相关系数限定过于严格有可能消除孕震体非均匀性引起的波速变化，因此相关系数未选择R≥0.99，而是选择R≥0.95，最终获得639个地震的波速比结果，共 8,652条Pg和Sg走时差∆t数据，由图4可见，Vp/Vs计算误差γ值68%小于0.02，81%小于0.03，相关系数R中80%大于0.99，93%大于0.98，可见本文获取的波速比结果较为可靠。

图4 新丰江库区波速比计算误差γ及相关系数R直方图Fig.4 Histogram of earthquake number versus computation error γ and correlation coefficients R

图5为新丰江地区震级时间序列、波速比时间序列及水库水位图。由图可以看出，该地区波速比多数位于1.60～1.80之间，平均波速比为1.71，波速比方差为0.04，波速比最低值为2008年2月7日ML2.6级地震的1.58，该地震发生时水库处于卸载阶段。为了减少地震路径差异和射线分布不均匀的影响，本文采用5次地震滑动平均的方法（图5b红线）。由于每次地震至少要有4个台记录到Pg和Sg走时数据，则每个滑动平均的数据最少有40个震相数据，因此可基本保证波速比随时间变化特征的稳定性和可靠性。根据5次地震滑动平均值曲线，整个区域共4次波速比趋势性下降到1倍均方差（下行线）以下，其中3次处于水库卸载阶段，仅2012年9月2日ML4.2级地震前的波速比下降位于水库加载阶段。

2012年2月16日新丰江库尾锡场发生ML5.2级地震，地震发生前波速比呈现明显的下降趋势：2010年6月波速比达到高值1.85，这也是本文研究时段新丰江库区波速比最高值，之后波速比出现明显下降，此下降趋势一直持续到2012年1月，并降低到1倍均方差（下行线）以下，之后波速比迅速回升，当恢复到1倍均方差（下行线）以上后，发生ML5.2级地震。此外，2012年9月2日ML4.2级地震及2013年2月22日ML5.1级地震之前亦出现波速比下降到1倍均方差（下行线）以下的现象，当波速比恢复到1倍均方差（下行线）以上时发生ML4.0级以上地震，这两次地震距前一次地震相隔时间较短，波速比异常现象相对于2012年2月16日ML5.2级地震较弱，但仍能表现出下降—低值—恢复—发震现象。这种现象在许多大地震中都有出现，如永胜、大姚、姚安、施甸地震[5]、汶川地震[11]、芦山地震[9]、紫坪铺水库西南区[25]和福建仙游水库[26]。但2013年9月之后新丰江水库ML4.0级以上地震前未出现明显的波速比下降现象。

图5 新丰江地区M-T图（a），波速比变化曲线（b）及水库水位变化及频度曲线（c）Fig.5 M-T map(a), VP/VS map(b), water level and seismic frequency （c） in Xinfengjiang area

在本文研究时间段内，水位、地震活动性和波速比均表现出明显的分段性：2011年以前水位位于97～112m之间，平均水位103.42m，而2011年之后水位主要位于104～115m之间，平均水位109.87m，后者平均水位明显高于前者；2012年开始，新丰江地区地震活动水平明显升高，特别是2012—2014年地震频度和强度均明显增强，期间发生7次ML4.0级以上地震，2014年10月后，地震频度下降，但仍高于2012年之前的地震活动水平；2013年9月之前，波速比趋势性变化明显，特别是在中强震前表现出下降—低值—恢复—发震这种典型的震前波速比变化特征，但2013年9月之后波速比变化幅度和持续时间均降低，基本稳定在均值附近作小幅波动，其趋势性变化不再明显。

3 讨论与结论

根据研究时段新丰江库区水位、地震频度、波速比在时间上先后表现出的分段特性，认为地震频度相对于水位、波速比相对于地震频度均有一定的滞后性，这种滞后性在水库蓄水前期和后期均有出现，但蓄水前期和后期滞后性的影响因素不同。

新丰江库区有多条断裂构造，但1959年水库蓄水前该区域无明显地震活动，仅在1953年发生过一次M4¾级地震，蓄水后1个月地震活动趋于频繁，而波速比异常则在蓄水一年半后才出现[21]。并于1961年3月19日在距离新丰江大坝仅1km处发生了M6.1级地震，该地震主要是构造应力的结果，但库水的渗流亦起到了重要作用：蓄水改变了库区岩石介质，岩石强度出现下降趋势，当水库水位升高时，渗流产生的吸附作用和孔隙压效应增强，渗流速度加快，进而使得渗流水冲击断层裂隙的端部和根部，降低了断层面上的正应力和剪切强度，使得本来就不稳定的破裂产生滑动从而诱发微震、小震，而库水与小震的联合作用又触发了中强地震，可见蓄水前期（最初5年内）水的渗流作用影响较大[27]，波速比变化主要受孔隙度、孔隙水变化（渗流作用）及构造应力的综合影响。

新丰江水库蓄水后期岩石接近饱和，水库的荷载作用、孔隙水压效应以及库水对库基岩石的物理化学作用已达到稳定状态，在新的平衡状态下，库水位变化引起的围压变化以及构造应力可能成为波速比变化的主要因素。新丰江库尾锡场2012年2月16日ML5.2级地震、2012年9月2日ML4.2级地震及2013年2月22日ML5.1级地震之前均出现下降—低值—恢复—发震现象，这一现象可以用扩容（膨胀）现象来解释[1]。陈颙实验[28]显示饱和花岗岩的波速比随着有效围压的增大而减小，反之亦然，因此水库加载阶段围压增加，波速比应当出现下降或低值现象，然而新丰江ML5.2级地震及ML5.1级地震前水库均处于卸载阶段，说明库水位变化对两次地震无诱发作用，发震主要因素是构造应力的增强。2012年9月2日ML4.2级地震前水库处于加载阶段，库水位引起的围压对波速比有一定的影响，但ML4.2级地震与前一次地震水位仅相差7m，水位的变化产生的围压远不足以产生0.15的波速比变化，因此此次地震发生仍然主要是构造应力作用的结果。

此外，值得注意的是新丰江水库水位高值和低值区小震频度均明显增加，2012—2014年这种特征尤为明显。水库水位高值区小震频度增加可以归结于水的渗流和有效围压的影响，而水库水位低值区小震频度增加的原因仍需进一步探讨。

致谢：感谢新丰江地震台为本研究提供的水库水位数据。

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Study on Temporal Variation of VP/Vsin Xinfengjiang Area of Guangdong Province

WANG Xiao-na, LIU Jin

（Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangdong Guangzhou 510070, China）

Based on Pg and Sg wave phases data recorded by 14 stations around Xinfengjiang reservoir of Guangdong province from June,2007 to February,2017, this paper does study on temporal variation ofVP/Vsusing Wadati method. The result shows that theVP/Vsvariation shows deline-low value-recoverearthquake phenomenon before 3 earthquakes of Xinfengjiang earthquakes with magnitude larger thanML4.0 in the study period. Water level, seismic frequency andVP/Vsall show segmented feature, the seismic frequency lags behind water level, theVP/Vslags behind seismic frequency. In the early stage of Xinfengjiang reservoir, theVP/VsS is mainly affected by seepage effect and tectonic stress, while in the late stage of Xinfengjiang reservoir, theVP/Vsis mainly affected by tectonic stress and confining pressure variation caused by water level variation. The Xinfengjiang reservoir is discharged beforeML5.2 earthquake andML5.1 earthquake, while the reservoir is impounded beforeML4.2 earthquake, which may show that the confining pressure variation caused by water level variation have limited effect onVP/Vs,the tectonic stress is the major factor of the earthquakes occurrence.

Xinfengjiang; Wadati method of single station and multi-earthquake;VP/Vs; segmented feature; seepage effect; tectonic stress