运用尾波干涉技术监测2005年江西九江—瑞昌MS5.7地震后地壳介质变化

郭雨帆，罗 丽，查小惠，董非非，吕 坚，汤兰荣

（江西省地震局，南昌 330039）

0 引言

江西九江—瑞昌地区位于赣皖鄂三省交界处，断裂和水体较为发育（图1）：其东北为郯城—庐江断裂带，西北为襄樊—广济断裂，两条断裂向南延伸，它们的隐伏断裂可能经过九江—瑞昌地区；其北临中国第一大河流——长江、南接中国第一大淡水湖——鄱阳湖，区域内水资源丰富。2005年11 月26 日8 时49 分在江西九江—瑞昌发生了MS5.7地震，造成13人死亡、65万人受灾和超过30亿元的国民经济损失，成为中国大陆中东部地区进入21 世纪以来震级最高、灾害最严重、损失最大的地震。之后九江—瑞昌及邻区地震活动依旧较活 跃：2011 年9 月10 日和2015 年6 月17 日，依次发生了江西瑞昌—阳新MS4.6 地震和江西九江MS3.7地震。吕坚等[1]认为赣北及邻区5级以上地震存在时间上的成组活动特点。目前江西九江—瑞昌MS5.7 地震（简称MS5.7 地震）的成组地震尚未出现，应引起高度重视。

研究MS5.7 地震后的地壳介质变化具有重要意义，前人利用尾波干涉技术在监测震后地壳介质动态变化方面已有一定探索。Pandolfi 等[2]应用尾波干涉技术监测波速变化与1999 年维苏威火山M3.6地震的关系；肖卓[3]利用重复地震和尾波干涉技术监测青藏高原东北缘和2014 年云南盈江双震期间的地壳介质动态变化，发现震前、震后以及不同季节地壳介质变化规律相异；汪建等[4]运用尾波干涉技术研究2017年重庆武隆MS5.0地震后震源区地壳介质动态变化，认为S波早期尾波段走时延迟随流逝时间呈线性变化。总体来说，前人关于使用尾波干涉技术研究震后地壳介质变化的成果较缺乏。本文利用双差重定位法对MS5.7 地震序列进行重定位，采用波形互相关法识别地震序列中的重复地震对，在此基础上，运用尾波干涉技术监测MS5.7 地震后地壳介质动态变化。本次研究将有助于震情研判，进而为年度危险区确定和中强地震预测提供科学依据。

1 数据和方法

1.1 数据

江西和湖北地震台网为本次研究提供地震波形数据和观测报告，九江地震监测中心站为本次研究提供降雨量及气压数据。

图1 研究区地形、台站位置、水体分布、断裂展布及MS5.7主震震中平面图Fig.1 The distribution map of regional topography，seismic stations，waters，fractures and the MS5.7 earthquake

MS5.7 地震序列中，同时满足以下三个条件的地震共计228 个：①发震时间：2005-11-26—2006-06-30；②震级大小：ML≥1.0；③记录台站数≥4 个，整理它们的事件波形数据及观测报告，其中涉及十三个台站，其中六个固定台站：武汉台（WHN）、九江台（JUJ）、修水台（XIS）、南昌台（NNC）、上饶台（SHR）和宜春台（YIC），以及七个流动台：黄梅台（HMT）、武穴台（WXT）、丁家山台（DJS）、武皎台（WJT）、涌泉台（YQT）、范镇台（FZT）和狮子洞台（SZD）。

1.2 HypoDD双差重定位法

HypoDD 双差重定位法由Waldhauser 等[5]提出，目前广泛应用于地震重定位领域。地震事件i和j对于接收点k的到时残差之差，即双差，表示为：

式（1）中的rik和tjk分别为地震事件i 和j 到接收点k的到时残差，（tik-tjk）obs为走时差的观测值，而（tiktjk）cal则为走时差的理论值。

本次双差重定位使用的地壳速度结构模型见表1。

表1 区域地壳速度模型[6-7]Table 1 Regional crustal velocity model[6-7]

1.3 利用波形互相关法挑选重复地震

波形互相关技术用于识别天然重复地震已有较长历史。尽管重复地震具有不同的定义，但不同定义的基本特点就是波形具有高度相似性，因此主要通过计算波形互相关系数（Cross-correlation，简称cc）来识别重复地震[8]：

1.4 尾波干涉法

尾波传播路径长，在放大、叠加等作用下，能对地下介质微小变化产生反应。Snieder 等[9]在前人研究的基础上，系统提出并阐释了尾波干涉法。Snieder 等[10]研究发现：假设地下介质是均匀的，若地震波速随着时间流逝而上升或下降，则走时延迟也会随着时间流逝而线性下降或上升。

设原始波速为v，波速变化为δv，则走时偏移τ与δv的关系如下式[11]：

走时偏移τ 误差下限στ由Cramer-Rao Lower Bound法则[12-13]计算：

式（4）中，f0为信号主频，B为信号的频宽与主频之比，T 为窗口长度，ρ 为波形互相关系数，SNR 为信噪比。

2 结果及其初步分析

2.1 HypoDD双差重定位结果

双差重定位前后震中位置平面和深度对比依次见图2、表2。如图2b，重定位后的224 个地震大多呈NW 向展布，少数呈NE 向展布，它们的平面分布位置较重定位前更集中、震间距变小。据罗丽等[14]，MS5.7 主震的发震构造可能是NW 向的洋鸡山—武山—通江岭断裂、MS4.8 最大余震的发震构造可能是NEE向的刘家—范家铺—城门山断裂。由表2，重定位后震源深度依旧以10～12 km 为主（45.98%），92.85%的地震集中在8～14 km深度。

2.弊端：（1）获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关；（2）目前相对于火力发电，发电成本高；（3）光伏板制造过程中要消耗大量化石能源并造成污染。

2.2 重复地震挑选结果

重复地震挑选具体步骤：①将地震事件波形数据由EVT 格式转换为SAC 格式；②使用0.5～10 Hz带通滤波进行预处理[15]；③利用波形互相关技术，设置计算长度为四倍Sg 和Pg 到时差[15-16]，找出同时被范镇台（FZT）和九江台（JUJ）记录且cc≥0.940的地震对，作为相似地震对[3-4]；④使用经过HpyoDD 双差重定位后的震源信息，筛选出组间距≤0.5 km的相似地震对作为重复地震对[17]。

图2 MS5.7地震序列重定位前后震中位置平面对比图Fig.2 The comparison map of the epicenter location before and after the MS5.7 earthquake sequence relocation

表2 MS5.7地震序列重定位前后震源深度对比Table 2 The comparison of focal depth before and after the MS5.7 earthquake sequence relocation

本次研究最终筛选出两组重复地震对（图3、表3）：两重地震对D1（2005-11-29 09：13 ML2.0 和2005-12-02 04：54 ML1.9）和三重地震对D2（2005-12-02 23：49 ML2.2、2005-12-06 16：58 ML1.7 和2006-03-24 06：24 ML2.4）。为了方便后续研究，将D2拆分为两组两重地震对：D2-1（2005-12-02 23：49 ML2.2和2006-03-24 06：24 ML2.4）和D2-2（2005-12-06 16：58 ML1.7和2006-03-24 06：24 ML2.4）。

2.3 尾波干涉结果

结合前人经验[15-16]，选取四倍Sg 与Pg 到时差作为尾波干涉测量窗长，移动窗长为1 s，移动步长为0.05 s。

由于范镇台（FZT）和九江台（JUJ）与MS5.7 主震相距较近、记录的地震波形数据质量好且观测时间长，因此将重复地震对D1、D2-1 和D2-2 分别在这两个台站记录到的波形数据按照上述参数进行设置以进行尾波干涉处理，计算误差均在允许范围内，结果及初步分析如图4～6。

2.3.1 重复地震对D1尾波干涉结果及其初步分析

（1）如图4a，范镇台（FZT）记录到的P 波尾波部分（1.00～2.90 s）走时延迟较为平缓，波速无明显变化；S 波振幅较大部分（2.90～4.85 s）走时延迟呈下降趋势，表明波速有所增加；S 波早期尾波部分（4.85～5.95 s）走时延迟线性下降趋势更加明显，挑选此时段计算相对波速变化，为4.28‰。

图3 MS5.7地震及双台记录重复地震对位置图Fig.3 The location map of the MS5.7 earthquake and repeated earthquakes recorded by 2 stations

表3 MS5.7地震及双台记录重复地震对信息统计表Table 3 Statistics of the MS5.7 earthquake and repeated earthquakes recorded by 2 stations

2.3.2 重复地震对D2-1尾波干涉结果及其初步分析

（1）如图5a，范镇台（FZT）记录到的P 波尾波部分（1.00～2.80 s）走时延迟基本无变化，波速变化不明显；S 波振幅较大部分（2.80～5.95 s）走时延迟有抬头的趋势，波速小幅降低；S 波早期尾波部分（5.95～6.15 s）走时延迟迅速增至0.0087 s，相对波速降幅达39.60‰，但此时段内有效值较少，且不相关系数升高，因此该结果可信度较低，后续讨论中不使用此结果作为支撑结论的依据。

（2）如图5b，九江台（JUJ）记录到的P波尾波部分（1.00～3.40 s）走时延迟变化较为复杂，总体呈下降趋势，表明波速有所增加；S 波振幅较大部分（3.40～6.30 s）走时延迟降低，表明波速增加；S 波早期尾波部分（6.30～7.95 s）走时延迟线性上升，最大走时延迟可达0.0312 s，表明波速下降，选取该时段计算相对波速变化，降幅为5.08‰。

图4 范镇台（a）和九江台（b）D1波形记录、不相关系数及走时延迟随时间变化图Fig.4 The waveform records，de-correlation coefficient and travel time delay of repeated earthquake D1 recorded by FZT（a）and JUJ（b）changing with time

图5 范镇台（a）和九江台（b）D2-1波形记录、不相关系数及走时延迟随时间变化图Fig.5 The waveform records，de-correlation coefficient and travel time delay of repeated earthquake D2-1 recorded by FZT（a）and JUJ（b）changing with time

2.3.3 重复地震对D2-2尾波干涉结果及其初步分析

（1）如图6a，范镇台（FZT）记录到的P 波尾波部分（1.00～2.80 s）走时延迟有轻微上升的趋势，即波速略微下降；S 波振幅较大部分（2.80～5.40 s）走时延迟有上升趋势，表明波速可能下降；S 波早期尾波部分（5.40～6.50 s）走时延迟线性上升趋势显著，最大走时延迟达0.012 s，该时段内相对波速降幅为8.26‰，波速降幅较大。

（2）如图6b，九江台（JUJ）记录到的P波尾波部分（1.00～3.40 s）走时延迟总体呈下降趋势，表明波速增大；S 波振幅较大部分（3.40～6.20 s）走时延迟变化较复杂：早期为上升、后期为下降，表明波速可能先降低后升高；S 波早期尾波部分（6.20～7.75 s）走时延迟上升，波速降低，其相对波速降幅为2.91‰。

图6 范镇台（a）和九江台（b）D2-2波形记录、不相关系数及走时延迟随时间变化图Fig.6 The waveform records，de-correlation coefficient and travel time delay of repeated earthquake D2-2 recorded by FZT（a）and JUJ（b）changing with time

3 地壳介质变化讨论

据图4～6，可知S 波及其早期尾波段走时延迟随流逝时间呈线性变化。选取S波早期尾波段，总结该时间段内相对波速变化特征（表4、图7）。

据表4 和图7，在MS5.7 主震发生后，2005 年11 月29 日至12 月2 日，S 波早期尾波相对波速均为正值（D1 重复地震对相对波速变化：FZT 为4.28±0.29‰、JUJ 为6.48±0.48‰），意味着波速增加。据刘志坤[18]，孔隙弹性回弹是影响震后断层区地壳介质波速的主要因素之一，波速在震后几十天内呈现快速恢复的态势。本次研究中S波早期尾波波速在震后第三至第六天增加与前人研究结果相吻合，表明本次研究结果可靠。

据表4 和图7，在MS5.7 主震发生后，不管是从2005 年12 月2 日（冬季）至2006 年3 月24 日（春季），还是从2005年12月6日（冬季）至2006年3月24 日（春季），S 波早期尾波相对波速均为负值（D2-1 重复地震对相对波速变化：JUJ 为-5.08±0.35‰，D2-2 重复地震对相对波速变化：FZT 为-8.26±0.16‰、JUJ 为-2.91±0.42‰），意味着波速减小。研究区北临长江、南依鄱阳湖，水资源丰富，需特别关注降雨和气压对波速变化的影响。九江台自2008 年开始正式产出降雨量和气压数据，通过整理九江台2008 年12 月至2013 年3 月降雨量和气压数据、计算它们的多年日平均值（表5），以推测2005 年11 月26 日九江——瑞昌5.7 级地震后、2005 年12 月至2006 年3 月降雨量和气压数据变化趋势。据表5，发现12 月至来年3 月，降雨量日平均值先减小后升高，总体呈增加趋势。Xie 等[19]和刘志坤[18]认为水体对波速变化在震后影响更显著，原因是震后断裂更加发育、裂隙更大，岩石渗透性和水的流动性显著增强。Martini 等[20]和肖卓[3]发现波速和降雨量、水体水位季节变化有密切联系，从冬季到春季S 波早期尾波波速会随着降雨量增大、水体水位升高而降低；如表5，MS5.7 主震后气压日平均值从12 月至第二年3 月先升高后降低，总体呈降低趋势。据前人经验[21]，震后波速变化与气压变化呈正相关。因此可以推断：在MS5.7 地震后，震区S 波早期尾波波速从2005 年12 月2 日（冬季）至2006 年3 月24 日（春季）减小的主要原因与该地区震后裂隙发育更好，且从冬季到春季降雨增多、长江水位上升、鄱阳湖蓄水量增大及气压降低有关。

4 结论

本文基于MS5.7 地震序列228 个事件波形数据及其观测报告、水体分布、降雨量和气压等资料，采用双差重定位法获得224个地震重定位结果，使用波形互相关技术挑选出符合要求的重复地震对，利用尾波干涉技术分析重复地震对的走时延迟变化，最终可以得到以下几点收获：

表4 范镇台和九江台记录的重复地震对S波早期尾波相对波速变化Table 4 The variation of the relative velocity of the early coda wave of S wave after repeated earthquakes recorded by FZT and JUJ

图7 范镇台（a）和九江台（b）记录的重复地震对S波早期尾波相对波速变化Fig.7 Early S coda’s relative wave velocity variation of repeating earthquakes at FZT（a）and JUJ（b）

表5 九江台（JUJ）降雨量和气压统计Table 5 Statistics of rainfall and pressure at JUJ

筛选出了两组重复地震对。这两组重复地震对同时被范镇台（FZT）和九江台（JUJ）记录、波形互相关系数≥0.940 且组间距≤0.5 km，分别为：两重地震对D1（2005-11-29 09：13 ML2.0 和2005-12-02 04：54 ML1.9）和三重地震对D2（2005-12-02 23：49 ML2.2、2005-12-06 16：58 ML1.7和2006-03-24 06：24 ML2.4）。

MS5.7地震后短期内（2005年11月29日至12月2 日）S 波早期尾波波速呈增加的态势。D1 重复地震对：范镇台（FZT）相对波速变化为4.28±0.29‰、九江台（JUJ）相对波速变化为6.48±0.48‰，可能与孔隙弹性回弹有关。

MS5.7 地震后几个月时间内（2005 年12 月2 日至2006 年3 月24 日）S 波早期尾波波速呈减小的趋势。D2-1重复地震对：九江台（JUJ）相对波速变化为-5.08±0.35‰，D2-2 重复地震对：范镇台（FZT）相对波速变化为-8.26±0.16‰、九江台（JUJ）相对波速变化为-2.91±0.42‰，可能与震后裂隙发育程度变高，且从冬季（2005 年12 月2 日）至春季（2006年3 月24 日）该地区降雨量升高、长江水位上升、鄱阳湖蓄水量增大及气压降低有关。

致谢：感谢重庆市地震局汪建工程师和江西省地震局陈浩高级工程师的倾情指导和热情帮助，感谢匿名审稿专家们提供的宝贵修改意见！