南京及邻区数字地震波速比变化特征分析

侯跃伟，杨 云，郑建华

(1.南京市地震监测预警中心，江苏 南京 210019；2.江苏省地震局，江苏 南京 210014；3.南京市地震局，江苏 南京 210019)

0 引言

波速是地震波的一种运动特性。地震发生前，孕震区内岩石的波速可能出现某种变化，通常称为波速异常[1]。地震波速度和波速比的变化在一定程度上反映了地下岩石状态的变化，岩石破裂试验证明了在破裂孕育过程中主断裂面上纵波速度形态的变化。通过对波速比变化的时间、幅度、形态的研究，可以找出波速比异常与地震序列的对应关系。对于探索地震预报途径和震源孕育过程来说，研究波速异常具有重要意义。

国外对地震前波速比的测定与研究起源于20世纪20年代，在理论和实践上都取得了较大的进展。1956年,宫本贞夫发表了福井7.2级大地震前在震中距400～600km上的首波走时异常达到±2～3秒的观测结果,第一次观测到大地震前的波速异常现象[1]。20世纪70年代苏联、美国等国家也相继发现了许多地震前的波速异常，并提出用 DD 模式解释波速异常。近几年来，随着数字地震观测仪器的改进、台站布局的改善和台站密度的增加，以及震相资料的不断积累和观测精度的提高，国内学者在中强地震研究领域开展了大量工作并取得了一系列成果，如冯德益[1]系统地研究了中国西部部分强震、中强震前波速比变化特征。隗永刚等[2]利用芦山7.0地震震中周边台站近震资料进行了波速比分析，发现长达两年明显的波速低值异常现象；李艳娥等[3]采用单台多震和达法对汶川MS8.0地震前波速比的时空变化进行了分析；岳晓媛等[4]选用首都圈测震台网观测报告，采用多台和达法计算首都圈波速比值时空变化特征，结果发现，在中强地震前，出现了多次波速比低值异常。此外，在水库地震波速比[5]、区域地震波速比方面也开展了广泛研究[6-10]。本文采用单台多震和单震多台方法，对2010年1月—2017年9月南京及邻区(30.5°～33°N，117.5°～120°E)波速比时空趋势变化特征进行分析。

1 波速比原理和计算方法

根据弹性地震波理论，假设所选研究区域为理想的均匀弹性介质，以多台记录到的近震直达P、S波到时计算波速比，计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Vp为纵波速度，Vs为横波速度，σ为泊松比，E为杨氏模量，ρ为介质密度。式(3)中可见，波速比随泊松比σ的增大而增大。

根据P波走时和P、S波到时差的线性关系得到γ0波速比值：

(6)

线性相关系数R为:

(5)

计算误差S为：

(6)

纵波理论与时间到时差：

(7)

式中:tpi为纵波到时，Tsi为横波到时，ΔTi为纵波与横波到时差，T0为发震时刻。对于理想液体和气体，Vs=0，波速比γ=∞，泊松比σ=0.5。对于地壳岩石，波速比γ=1.63～1.87，泊松比σ=0.2 ～ 0.3。

2 资料选取及计算

自2009年南京市实施《南京市数字地震前兆台网建设项目》以来，对辖区内六合台(JSLH)、浦口台(JSPK)、江宁台(JSJN)、溧水台(JSLIS)和高淳台(JSGC)进行了数字化改造，通过专用光纤线路将全部数字地震观测数据实时传输到前兆台网中心，数据采样达到分钟采样或秒采样，实现仪器设备的实时监控，使南京市现有的测震观测项目100%实现数字化，各项技术指标达到国家地震台站观测技术规范要求。为了使数据更加全面可对比，加入了省属南京台(JSNJ2)数据，搜集整理了2010年1月—2017年9月6个台站震相观测报告，分析计算南京及邻区(30.5°～33°N，117.5°～120°E)波速比时空变化特征。

本文地震目录从国家地震台网中心下载，对辖区内震中距小于等于150km(tSg-Pg≈17.8s)范围内、定位精度Ⅰ类或Ⅱ类(根据监控能力)的台站资料进行整理和分析，图1是南京及邻区2010—2017年地震震中及台站分布图。由图1可知，2010—2017年南京地区地震以4级以下小震为主，地震频度相对一般，其中3～4级地震10次，图2给出了地震丛发区的地震射线分布。

图1 2010年1月-2017年9月南京及邻区地震震中及台站分布图Fig.1 Distributon of earthquakes from Jan.，2010 to Sep.，2017 and stations in Nanjing and its adjacent area

图2 南京市地震台站及射线分布Fig.2 Distribution of stations and ray coverage in Nanjing area

3 单台多震波速比计算结果

单台多震和达法是单台记录到的多个地震事件的平均波速比。该方法的优点是利用一个台站不同时间记录的震相数据，在地震时空分布相对均匀和稳定的情况下，计算出的平均波速比和波速值稳定性较高，可在一定程度上提高结果的空间分辨能力，利用近距离分布的多个台站的波速比和波速的时间变化的同步性或准同步性，可有效提高计算结果的客观性和可靠性[10]，该方法在中小地震频发和台站分布相对密集的地区应用较为有效[11]。计算思路如下：

(1)挑选震中距Δ≤150km(tSg-Pg≈17.8s)、定位精度Ⅰ类或Ⅱ类(根据监控能力)的资料；

(2)对直达Pg波，速度满足5.0

(3)对指定时窗内的Pg和Sg走时随震源距的变化分别进行线性拟合，去除拟合残差≥2倍标准差的观测数据；

(4)对符合上述条件的地震进行空间均匀化分布分析。将震中距平均分为N等分，每个震中距范围内的所有地震用一个震源距重心和走时重心来表示，通过对N个震源距重心和走时重心点进行直线拟合得到地震波速度值。若地震空间分布不合理，局部震中距范围内无地震发生段落超过一定比例，则认为不满足计算波速比的条件；

(5)选择时窗24个月的窗口，逐月滑动时间窗，计算得到波速比r随时间的变化。

表1是2010年1月—2017年9月6个台站波速比平均值等参数表，溧水台背景值最低，南京台(JSNJ2)背景值最高。2010年1月—2017年9月各台站最低值出现时间不同，其中六合台、江宁台和南京台波速比最低值出现在2016年；浦口、溧水、和高淳台波速比最低值出现在2011年；最低值为浦口台1.6340，最高值为南京台1.7007。

表1 波速比平均值等参数表

2016年1月27日，江苏南京发生ML2.9地震，南京市部分地区有感。此后2月6日-26日，南京六合区与扬州仪征交界地区发生一次小规模的震群(南京小震群)，最大地震为2月26日ML1.8地震；图3是2010年1月—2017年9月6个台站波速比随时间曲线变化图，结果表明：

(1)六合台在这2次地震事件之前2年，波速比一直处于低值水平波动(低于平均值1.7090)；2015年5月17日，六合台附近发生安徽天长ML3.6地震，六合台波速比在2015年5月左右达到近7年最低值1.6588，然后在一段时间内保持在低值附近波动，波速比回升后发生主震。

(2)浦口和江宁台在2次地震事件前2年内出现2次低值区，在2015年5月左右第二次低值区出现后，2个台站波速比均直线回升，然后发生地震。江宁台波速比值均处于低值水平波动。

(3)溧水和高淳台波速比最低值出现在2011年，2012年5月22日，溧水、高淳台周边发生江苏溧阳ML3.4地震。

(4)南京台在2次地震前2年波速比在均值附近波动，然后出现下降→小幅度上升→然后下降过程，之后在回升过程中发生地震。

大量实验结果表明：对于同样物性的岩石，波速随密度的增大而增大。由于密度与孔隙度有关，孔隙度也是影响波速变化的因素之一。无论是干孔隙岩石还是液体饱和孔隙岩石，VP和VS均随孔隙度的增大而线性下降，干岩石较湿岩石波速下降更快。岩石样品破裂实验结果：在岩石受压初期，波速随压力增大而增加，但在岩石破裂前，当压力超过岩石强度的50%左右以后，波速随压力的增大而明显下降，岩石结构出现微裂隙，伴之体积膨涨或称出现“扩容”现象[1]，因而各台站波速比出现不同的变化特征。

图3 各台站波速比时间曲线变化图(2010年1月—2017年9月)Fig.3 The wave velocity ratios of each stations (from Jan.，2010 to Sep.，2017)

从地理空间变化来看，2次地震事件中，六合、江宁和南京台波速比在地震发生前2年大幅度下降，然后在一段时间内保持在低值附近波动，波速比回升后发生主震。浦口、溧水和高淳台在波速比下降区发生地震，变化趋势不明显。

图4反映了2016年2次地震前2年及震后1年南京地区波速比空间分布。结果表明，2次地震发生前2年(2014—2016年)(图4a)，震区附近出现明显的波速比低值异常区，高低值变化显著。震后1年(图4b)波速比空间分布的差异性明显减弱，整个区域的波速比值较均匀，高、低值的异常区不显著。

图4 2016年两次地震前2年(a)和地震后1年(b)南京地区波速比变化图Fig.4 Distribution map of the average wave velocity ratio before (a) and after (b) two earthquakes in 2016

4 单震多台波速比计算结果分析

单震多台和达法为一次地震事件多台记录的平均波速比，表征地震发生时刻一定范围内的平均波速比。其优点是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[6]。一个地震被多个台站记录，反映的是这个地震和记录到这个地震的台站所包围区域的波速比情况，地震的发生时刻比较清楚，所以在做分析的时候，更容易确定什么时间段波速比发生了变化；但是地震地点比较随机，因此空间上不太容易把握，此方法的约束条件：(1)挑选震相精选:δtp≤1.0；(2)选择误差S≤0.05；(3)选取相关系R≥0.99；(4)台站个数:Ns≥4；(5)Ts-p≤23s。

图5是2010年1月—2017年9月南京及邻区(30.5°～33°N，117.5°～120°E)波速比时间变化进程图，结果表明：南京及邻区波速比随时间变化基本较稳定，2016年江苏南京ML2.9地震和南京ML1.8前2年半左右出现2次波速比低值：第一次低值出现在2013年7月，持续时间约半年左右；第二次波速比低值出现在震前半年内，然后发震。这与图2中六合、江宁和南京台反映的情况一致。

图5 南京及邻区波速比时间进程图Fig.5 Time course diagram of the wave velocity ratio of Nanjing area

5 结论

利用单台多震波速比和单震多台波速比对南京及邻区波速比进行分析，结果表明：

(1)单台多震波速比计算结果显示：2016年江苏南京ML2.9地震和南京ML1.8小震群前，南京区域6个台站波速比变化不同。六合、江宁和南京台波速比在地震发生前2年，波速比大幅度下降，然后在一段时间内保持在低值附近波动，波速比回升后，发生主震。浦口、溧水和高淳台在波速比下降区发生地震，变化趋势不明显。

(2)2次地震前、后波速比空间分布的差异性明显，区域内的波速比值不均匀，高、低值的异常区显著。

(3)精确、可靠的波速比值，能够较真实地反映区域介质性质的变化，为地震学研究提供重要的基础数据[10]。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南京及邻区波速比的变化情况，且研究区地震样本少，震级低和分布不均等客观因素对波速比计算精度等具有一定的影响。

致谢:本文使用了刘希强老师和王林瑛老师的波速比计算程序，江苏省地震局王维和广东省地震局王小娜博士在绘图方面提供了指导，在此一并致谢。