2018年云南通海5.0级地震前波速比变化特征*

刘自凤，张天继，付 虹，李智蓉，王光明，赵小艳，余达远

(1.云南省地震局，云南 昆明 650224；2.玉溪市防震减灾局，云南 玉溪 653100)

0 引言

在地壳演化的过程中，介质的物性将产生一系列变化，如微破裂、扩容、塑性硬化及相变等，地震波通过地壳介质时，波速也会相应发生变化，这是利用波速比研究介质物性的重要依据(冯德益，1981)。我国老一辈地震学者在这方面做了大量工作，对大量中强地震前后波速比的变化特征作了较为系统的分析(冯德益等，1974，1978)。“十五”数字化测震台网运行以来，数字地震观测仪器的有效改进、台站布局的合理改善和布设密度的优化，积累了大量震相资料，观测精度也得到大幅提高，这些条件保证了利用数字地震资料分析中强地震前后波速变化的可靠性。很多学者使用这些高精度数据进行了波速比研究，黎明晓和刘杰(2006)利用多台法计算了2000年姚安6.5级、2001年施甸5级、2001年永胜6.0级、2003年大姚6.2和6.1级4个地震序列的波速比，发现在主震发生后、强余震发生前波速比出现趋势性下降；王林瑛等(2008)关于文安和唐山附近地区地震波速比的计算结果表明，震前波速比异常的演化过程为正常—降低—恢复—发震；邹振轩等(2006)在水库地震前也监测到同样的变化形态，即波速比存在下降—回升—发震的发展过程。不同学者通过研究不同区域中强地震前后、地震序列强余震前和水库地震波速比变化特征，对震前存在波速异常予以了肯定。但这些研究主要是使用单震多台和达法开展的，得到的波速比是较大范围地震的平均结果，求取了平均，因此可能会弱化小区域的局部波速比异常，从而降低空间分辨率。

为提高波速比空间分布特征的空间分辨率，不少学者开始采用单台多震和达法研究特定区域的台站波速。李艳娥等(2014)利用该方法研究了汶川地区自2001年以来波速比变化特征，发现汶川地震前波速比显著变化的台站基本分布在孕震区范围内；王林瑛等(2014)研究结果表明，芦山MS7.0地震前部分台站也随时间变化出现了波速比低值异常现象；翁钊强等(2015)提出2010年以来山西3次MS≥4.5地震前远台波速比异常出现时间较早，而近台波速比异常出现时间相对较晚，因此可通过远台、近台所围限的范围来缩小地震预测地点。上述研究结果为研究震前震源区是否存在地壳介质的显著时空变化提供了有利证据。

2018年8月13，14日在云南省玉溪市通海县先后发生2次5.0级地震，为了研究地震前震源区台站波速比是否出现异常，异常如何演化，笔者利用云南数字地震台网记录的2011年1月1日至2018年7月31日ML≥2.0地震震相到时数据，采用单台多震和达法计算震中附近台站的波速比，分析地震前波速比的时空演化特征。

1 研究方法

日本地震学家Watati(1928)提出了波速比计算方法(傅征祥，程燕，1988)。即在假定震源区到地表介质为理想均匀弹性的条件下，对于理想的均匀弹性介质，纵波波速vP和横波波速vS与介质泊松比σ、杨氏模量E和介质密度ρ之间的关系为(李善邦，1981)：

(1)

(2)

(3)

式中：波速比vP/vS为介质的泊松比的函数，反映的是地壳上层介质泊松比的变化。

利用震相报告获得直达波到时数据，计算出P波走时和P波、S波到时差，再根据它们的线性关系得到的vP/vS，见式(4)，根据式(5)计算得出线性相关系数R，根据式(6)估算误差γ。

(4)

(5)

(i=1，…，n)

(6)

(7)

式中：TPi为P波走时；TSi为S波走时；ΔTi=TSi-TPi；Di为震中距；n为每个地震到时数据个数；T0为发震时刻。

为了尽量减小每次参与计算的地震震中位置的不稳定性、时间服务的不稳定性和精度对计算结果稳定性产生的影响，本研究设置约束条件为：到时数据个数取50；TS-P≤12 s；相关系数R≥0.95；误差γ≤0.05；震中距≤100 km。在研究vP/vS的时间变化特征时，为了降低路径差异和分布不均匀的射线对计算结果的影响，本研究对计算结果进行10个地震滑动平均处理，这样每次滑动平均所参与计算的震相数据大量增加，可有效地提高vP/vS随时间变化特征的稳定性和可靠性。

2 资料选取及预处理

本文通过全国编目网收集了云南地区(20°～30°N，97°～106°E)2011年1月1日至2018年7月31日(即测震台网“十五”数字化改造且运行基本稳定后)19 946次ML≥2.0地震的正式观测报告。进行初步挑选(挑选原则为只保留至少被4个台站记录到的地震)，最后得到18 340次地震的到时数据，震中分布如图1a所示。经过台网改造，包括川滇交界的部分台站，台站数增至56个(表1)，这使得定位结果更加可靠，走时数据精度提高。震中距≤100 km地震的P波和S波走时曲线如图1b所示，剔除了显著离散的少量震相数据后，P波、S波走时曲线易于分辨且震相离散度小，这表明研究采用的震相数据精确性较高，确保了波速比变化结果的可靠性。

利用预处理后震相数据，采用单台多震和达法计算满足约束条件(到时数据个数取50；TS-P≤12 s；相关系数R≥0.95；误差γ≤0.05；震中距≤100 km)地震的波速比。由于XUW，LOP，GOS，FUN和KMI台附近地震较少、满足计算条件的地震更少等原因，计算出的波速比不可用，故本文共计算了其它51个台站2011年1月1日至2017年12月31日(下称Ⅰ时段)和2011年1月1日至2018年7月31日(下称Ⅱ时段)2个时段的波速比。研究中波速比高于+1倍方差线或略低于+1倍方差线称高值；相反，低于-1倍方差线或略高于-1倍方差线称低值。

序号台站名台站代码序号台站名台站代码序号台站名台站代码序号台站名台站代码1黑龙潭HLT15团山TUS29宣威XUW43华坪HUP2通海TOH16保山BAS30大姚DAY44富宁FUN3弥勒MIL17云县YUX31罗平LOP45勐腊MLA4马龙MAL18景洪JIH32麻栗坡MLP46孟连MEL5易门YIM19中甸ZOD33金平JIP47昆明KMI6禄劝LUQ20畹町WAD34建水JIS48镇沅ZHY7楚雄CUX21文山WES35元江YUJ49箐口QKT8永胜YOS22昭通ZAT36景谷JIG50热海RHT9丽江LIJ23个旧GEJ37澜沧LAC51新华XHT10云龙YUL24洱源EYA38临沧LIC52宁蒗NIL11鹤庆HEQ25腾冲TNC39永德YOD53泸沽湖LGH12东川DOC26元谋YUM40芒市MAS54乡城XCE13沧源CAY27盐津YAJ41泸水LUS55盐源YYU14思茅SIM28巧家QIJ42贡山GOS56雷波LBO

3 波速比特征分析

3.1 空间分布特征

本文分别利用Ⅰ，Ⅱ时段ML≥2.0地震震相数据计算51个台站的波速比，并分析高波速比和低波速比台站的空间分布特征。从短期来看，2017年年底云南地区低波速比台站共有13个，分别为LGH，NIL，BAS，RHT，XHT，YOD，LIC，CAY，SIM，MLA，WES，YIM和CUX台，高波速比台站有7个，分别为YYU、YOS、MIL、TOH、JIS、YUJ和GEJ台(图2a)。图2a显示，这20个台站主要在滇西北川滇交界、滇南和小滇西—滇西南地区，其中低波速比台站在澜沧江断裂以西的小滇西—滇西南地区呈带状分布，而高波速比台站则集中分布在玉溪市和红河州交界地区(此次地震震中附近)；2018年7月底低波速比台站减少至8个，分别为YUL、TUS、XHT、LIC、SIM、ZHY、YIM和QIJ台，这8个台站分布地区较广，在大理、德宏、临沧和普洱等地区均有分布，而高波速比台站数量无变化，且依然集中分布在滇南地区(图2b)。

2018年通海2次5.0级地震发生在短期内高波速比台站相对集中的滇南地区，以往关于解释震前波速异常的模式很多，“扩容-进水”的DD模式机制可解释在波速上所表现出明显的降低—上升—发震的异常过程。波速在干燥裂隙的环境下，随裂隙密度的增加而减小，在水饱和裂隙的情况下却随之增加而增大(冯德益，1981)。孕震过程中，随着应力增加，介质密度随之增加，微裂隙也在断裂带附近逐渐发育和集中，微裂隙扩容后地下流体的渗入，为最终的破裂解锁创造有利条件(王林瑛等，2009)。据此分析认为，通海地震前短时间内波速比以高值变化为主要特征可能是因为此次地震孕育过程后期有流体渗入，流体的参与使微裂隙达到了水饱和状态，从而导致波速比vP/vS变大。可见，波速比下降—回升后的高值变化区域应该引起关注。

3.2 时间变化特征

分析高、低波速比台站数变化情况和空间分布特征可知，滇南地区波速比高值台站较为集中，为了详细分析地震前波速比的时间演化特征，本文给出了2011年1月1日至2018年7月31日震中附近6个台站的波速比时序图(图3)。

由图3可见，震前较短时间内仅YIM台的波速比下降，其余5个台站均表现为高值变化，其中TOH，JIS，MIL和GEJ台波速比均高于+1倍方差线，YUJ台在+1倍方差线附近波动。这似乎与已有的研究结果相悖，因为强震前波速比存在下降现象在以往震例中已得到较好验证(邹振轩等，2006；王林瑛等，2008，2014；李艳娥等，2014)，且部分强余震发生前波速比也会迅速下降(黎明晓，刘杰，2006)。但从长期来看，此次地震前TOH，JIS，YUJ和GEJ台的波速比表现出下降—低值变化—回升—高值变化—发震的演化过程，与已有研究结果是相吻合的。TOH台波速比于2015年年初开始下降并达低值，2015年年中开始持续回升，2017年下半年达高值；JIS台波速比于2013年年底开始下降，2014年年初低于-1倍方差线后回升，2014年年中至2016年年初一直在均值附近波动，2016年年中以来在+1倍方差线附近变化；YUJ台波速比于2013年年中开始持续下降，2014年年中达低值后开始回升，2016年年底达高值并在+1倍方差线附近波动；GEJ台波速比于2012年年中开始缓慢下降，2014年年初达-1倍方差线，2015年年中开始回升，2016年以来以高值变化为主要特征。从这4个台发生转折变化的时间不难看出，距离震中较近的TOH台波速比开始下降、回升和达到高值的时间都要晚于稍远的JIS，YUJ和GEJ台。翁钊强等(2015)分析了2010年以来山西地区3次MS≥4.5地震前波速比变化特征得到了震前波速比出现下降变化，且远台波速比异常出现时间较早，而近台波速比异常出现时间相对较晚的结论。

为了回溯云南地区MS≥5.0地震前波速比的变化特征，笔者对2013年以来云南省内10组14次MS≥5.0地震前震中100 km范围内台站的波速比变化进行了详细梳理，结果见表2。由于2013年香格里拉地震震中100 km范围内仅有中甸台，且符合约束条件的地震较少，在此不做讨论。另外9组地震前，震中附近台站波速比都出现过下降现象，但地震发生时段存在较大差异，有的在波速比下降过程中发生地震，有的在下降后回升过程中发震，也有在下降后回升至高值水平才发震的。通海地震前震中附近有4个台站波速比经历了下降—回升—高值的演化过程。回溯的9组震例中(表2)，震中附近也有台站的波速比在震前短时间内回升至高值。如2013年洱源地震前YUL和TUS台、2014年永善5.0级地震和2014年鲁甸地震前YAJ台、2014年景谷地震前JIG和LIC台、2015年沧源地震前YOD台、2015年昌宁地震前LUS和BAS台、2016年云龙地震前YUL台、2017年漾濞地震前YUL和BAS台的波速比都在震前短时间内上升，并达到了+1倍方差线或在其附近波动。

表2 2013年以来云南MS≥5.0地震前震中100 km范围内台站波速比变化特征统计表

蔡静观等(1999)对云南地区第4强震活跃期6.3级以上强震前波速比异常图像进行了动态追踪，发现波速比存在明显的南北差异，具体表现为滇西南和中缅交界处的4组地震前波速比出现低值异常，而滇西北和滇东的3组地震前震源区以高值异常为主。分析表2发现，2013年以来云南地区MS≥5.0地震前震中附近台站的波速比也表现出类似特征，滇西北和滇东地区的地震前波速比从高值开始转折下降或已从低值回升至高值状态的台站居多，而小滇西—滇西南地区的地震前多数台站的波速比以下降后转折回升为主要特征。

3.3 波速比变化量分析

为了研究通海地震前较短时间内波速比的变化特征，笔者计算了2018年1—7月51个台站的波速比均值变化量△vP/vS，空间分布如图4a所示，该时段波速比变化量在滇南的曲靖、昆明和玉溪交界地区和滇西的大理、怒江和保山交界地区显著升高，在红河地区和楚雄—临沧一带则表现为波速比降低。图4a显示2018年8月13日，14日通海2次5.0级地震发生在2018年1—7月波速比正变化区域边缘，毗邻楚雄—临沧一带和红河地区波速比降低区域，可见此次地震发生在波速比正负变化区域的过渡地带，且震源区震前波速比变化较剧烈。杨志高和张雪梅(2016)研究震源区的地壳厚度和波速比特征时得到相同结论，1927年甘肃古浪大地震和2016年门源地震就发生在泊松比变化强烈且偏向于低泊松比区域。

本文分别计算了2014，2015和2016年波速比均值年变化量，计算结果见图4b～d。2015年昌宁MS5.1和沧源MS5.5地震发生在2014年波速比均值正负变化的交界地区；2016年云龙MS5.0地震发生在2015年波速比均值降低的滇西北地区；2017年漾濞MS5.1地震发生在波速比均值年变化量正、负变化区域之间。综上，2015年以来4次MS≥5.0地震的震中均位于波速比均值降低或正负变化交界地区，此次地震也遵从了上述规律。

4 计算结果可靠性分析

影响波速计算精度的主要因素有：直达P波和S波的到时判读精度、参与拟合的台站个数、地震定位精度。为了尽量减小上述因素对计算结果的影响，在保证计算样本量的基础上，设置了较为严苛的约束条件，即：到时数据个数取50；TS-P≤12 s；相关系数R≥0.95；误差γ≤0.05；震中距≤100 km。

本文选择2011年1月1日至2018年7月31日的震相数据，在计算前对震相数据作了预处理，挑选至少被4个台站记录到的地震参与计算，初步剔除了走时数据离散度较大的地震。由于云南水系较为丰富(展布有金沙江、怒江、澜沧江、元江和南盘江等)，波速比受地下流体影响较大，为了尽量减小河流对波速比的影响，计算时对TS-P和震中距的限制较为严格，分别设置了12 s和100 km的界限。在TS-P≤12 s的情况下，一方面可基本保证波形具有较高的清晰度，便于精确判读，判读精度一般在0.02 s以内；另一方面选取范围相对有限，每个地震计算出的波速比基本代表了距地震震中半径 100 km范围内地下介质的平均物性，能弱化一些客观因素造成的显著随机变化。

在分析vP/vS值的时间变化特征时，为了降低路径差异和射线不均匀分布对计算结果的影响，本文采取10个地震滑动平均处理，这样每次滑动平均所参与计算的震相数据大量增加，能有效地提高vP/vS值随时间变化特征的稳定性和可靠性。

综上，经过挑选后的震相数据在较为严苛的约束条件下平滑处理得到的结果误差小、相关系数大，具有较好可靠性和稳定性。

5 结论与讨论

采用2011年1月1日至2018年7月31日云南地震台网提供的ML≥2.0地震的震相到时数据，利用单台多震和达法计算了51个台站2011年1月至2017年12月和2011年1月至2018年7月2个时段的平均波速比和均值变化量，分析了2018年8月13，14日通海2次5.0级地震前波速比时空演化特征。主要得出如下结论：

(1)从近期变化趋势来看，地震前震中附近6个台站中有5个呈高值变化，但从长期变化来分析，5个高值台站中有4个台站(TOH，JIS，YUJ和GEJ)经历了下降—回升—高值—发震的变化过程。通过分析历史震例，发现2013年以来云南省内9组震例前震中附近都有台站的波速比呈现类似变化趋势，这与已有研究结果也相一致(黎明晓，2006；邹振轩等，2006；王林瑛等，2008，2014；李艳娥等，2014)。波速比下降是由于孕震过程中震源区应力积累导致微裂隙增加从而引起vp降低造成的，而回升至高值的阶段则可解释为在孕震过程的后期，随着微裂隙扩容后地下流体的渗入使微裂隙达到了水饱和状态引起S波速度降低，从而导致波速比vP/vS变大。可见，波速比下降回升后的高值变化区域也应该引起关注。

(2)从震前变化趋势较为一致的4个台站波速比发生转折变化的时间看出，距离震中较近的TOH台波速比开始下降、回升和达到高值的时间都要晚于稍远的JIS，YUJ和GEJ台，可见异常出现时间的早晚与震中距有一定关系。

(3)2015—2017年云南4次MS5.0地震的震中均位于一年波速比均值降低或正负变化交界地区，此次通海地震也遵从了上述规律，震中在2018年1—7月波速比升高(曲靖、昆明和玉溪交界处)和降低区域(楚雄—临沧一带、文山地区)的交汇地带。但由于资料限制，可分析的震例少，此规律还需要积累更多震例加以验证。

本文数据处理运用了中国地震局地球物理研究所王林瑛研究员等编写的计算程序，研究过程中得到付虹研究员的耐心指导，在此表示衷心感谢。