王林瑛 李艷娥 鄭需要 王生文

(中國北京100081中國地震局地球物理研究所)

蘆山MS7.0強震前單臺波速比變化特征研究*

(中國北京100081中國地震局地球物理研究所)

在搜集和整理中國地震局四川數(shù)字地震臺網(wǎng)2001年1月—2013年7月震相觀測報告的基礎(chǔ)上， 采用單臺多震和達測定法， 重點分析研究了蘆山地震前波速比時空變化特征． 為保證計算結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性， 對所收集到的單臺震相數(shù)據(jù)和計算結(jié)果的精度進行系統(tǒng)的篩選和限定， 同時對出現(xiàn)異常的地震臺， 進行不同臺站方位和距臺站不同空間范圍的波速比時空變化特征的分區(qū)細化對比研究. 根據(jù)其存在的共性和差異， 探討預(yù)測孕震體空間尺度的可能性． 結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 龍門山斷裂帶南段及附近地區(qū)的小金、 蒙頂山、 油罐頂、 花馬寺和五馬坪等5個臺站的波速比在蘆山地震前均存在較明顯的降低過程； 小金、 蒙頂山、 油灌頂和花馬寺等4個臺站的波速比異常降低過程大約持續(xù)了3年半， 震前除小金臺未見明顯回返過程外， 其它3個臺站均在震前1年左右出現(xiàn)回返特征； 峨眉山臺和五馬坪臺的波速比時間演化特征差異性較大， 表現(xiàn)出一定的復(fù)雜性． 從蘆山地震前波速比時間變化特征的動態(tài)跟蹤中還發(fā)現(xiàn)， 強震前波速比異常區(qū)的范圍具有向未來震中及其附近地區(qū)收縮的趨勢．

蘆山MS7.0地震 波速比 孕震區(qū) 單臺多震和達法

引言

地震波速和波速比的研究早在20世紀50年代初就已提出． 到了70年代， 國外學(xué)者開始開展地震孕育物理模式的研究， 其中研究較多的是膨脹-擴散模式． Nur (1972)根據(jù)中強地震前存在波速比異常降低和恢復(fù)的特征， 提出用擴容模式即干巖石破裂模式解釋這種異常特征． Whitcomb等 (1973)針對有水介質(zhì)存在的巖石， 提出含水巖石波速比變化特征的物理解釋． 李善邦(1981)認為: “當震源物理狀態(tài)有了改變時， 震源區(qū)巖石的彈性必然受其影響， 使地震波通過時， 速度發(fā)生改變， 而產(chǎn)生波速異常．”

1980年以后， 國際上根據(jù)重復(fù)地震波形高度相關(guān)的特點， 研究和驗證地震前后波速變化特征， 取得了地震前后波速變化確實存在的研究實例． 由于該方法計算精度高， 分析結(jié)果的可靠性明顯提高(Poupinetetal, 1984； Ratdomopurbo, Poupinet, 1995； Baisch, Bokelmann, 2001； Schaff, Beroza, 2004； Lietal, 2006， 2007)． 隨著美國“帕克菲爾德圣安德烈斯斷層深部探測計劃”更為深入地實施和研究， 在主動源鉆井實驗中， 發(fā)現(xiàn)探測到了波速隨應(yīng)力的變化， 同時發(fā)現(xiàn)了兩次小震前波速異常存在的證據(jù)(Niuetal, 2008)．

在我國， 有關(guān)地震發(fā)生前后波速比變化特征的研究一直在開展, 特別是對我國西部的部分強震和中強震波速比變化特征進行了較為系統(tǒng)的研究(馮德益等， 1980； 顧瑾平， 盛國英， 1983). 馮銳等(1976)研究了1975年海城MS7.0地震前后的波速比變化, 姜秀娥和陳非比(1981)利用四震相法討論了1976年唐山MS7.0大震的波速異常． 戴維樂(1991)對1983年菏澤MS5.9地震前小震波速比時空變化特征進行了研究． 張?zhí)熘械?2000)試圖將震源機制、 尾波Q值與波速比介質(zhì)參數(shù)相結(jié)合， 據(jù)此研究張北地震的孕育發(fā)生過程．

近幾年來， 隨著地震學(xué)觀測技術(shù)的不斷改進， 通過數(shù)字地震觀測儀器的改進和臺站布設(shè)密度的改善和增加， 以及震相數(shù)據(jù)的不斷積累和判讀精度的提高， 有關(guān)利用區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)震相數(shù)據(jù)分析中強地震前后波速比變化特征的研究結(jié)果不斷增多. 例如， 刁桂岺等(2005)探討了1999年岫巖MS5.4地震序列的平均波速比前兆異常． 張小濤等(2006)、 鄒振軒等(2006)和王林瑛等(2008)分別對華北、 華南和首都圈等不同區(qū)域發(fā)生的中強地震和水庫地震進行了波速比變化特征的震例研究． 蔡靜觀和張喜玲(1999)、 黎明曉和劉杰(2006)、 李永莉等(2009)和龍海英等(2011)分別對云南和新疆地區(qū)中強震前后的波速比變化特征進行了分析研究． 姚家駿等(2012)研究了2010年青海玉樹MS7.0地震前后的波速比變化．

上述大量震例研究基本覆蓋了我國西部和東部的大部分多震區(qū)， 不僅加深了研究人員對震前存在波速異常的認知， 而且補充了較多利用數(shù)字化記錄讀取震相數(shù)據(jù)研究的新鮮震例． 但上述研究大部分是利用單震多臺和達法， 部分研究采用了多臺法與固定臺站方法相結(jié)合(黎明曉， 劉杰， 2006)以及單臺單震法(姚家駿等， 2012)等． 對單臺多震和達法在波速比計算中應(yīng)用的研究和討論涉及很少．

2013年4月20日蘆山MS7.0地震是繼2008年5月12日汶川MS8.0巨大地震5年后再次發(fā)生在龍門山斷裂上的又一次強震． 本文利用四川數(shù)字地震臺網(wǎng)的震相數(shù)據(jù)， 在對數(shù)據(jù)進行細致嚴格篩選和多臺分區(qū)細化分析的基礎(chǔ)上， 從多臺多方位約束異常時間變化同步性和空間變化的一致性， 以增加波速比異常判斷的可靠性和真實性． 本研究結(jié)果， 對于深入分析和認知MS8.0巨大地震后孕育動力系統(tǒng)向新的強震孕育演化過程中介質(zhì)物性變化的特征， 無疑具有重要意義．

1 單臺波速比計算方法

1.1 計算方法： 單臺多震和達法

本研究根據(jù)馮德益(1981)原理， 選取單臺多震和達法計算地震平均波速比． 該方法是用多次地震事件由單臺記錄的平均波速比， 表征在多次地震發(fā)生時段內(nèi)， 多次地震震源至某個固定臺站的一定范圍內(nèi)的平均波速比． 其優(yōu)點是可利用一個臺站記錄到的不同時間發(fā)生地震的一組震相數(shù)據(jù)， 計算得到平均波速比值， 其計算結(jié)果的穩(wěn)定性明顯高于單震多臺法， 所得的計算結(jié)果也具有較低的誤差． 該方法是地下孕震層多次地震的直達波射線在臺站下方集中穿透， 與單震多臺和達法的一次地震的直達波射線在地表多個臺站分散穿透比較， 空間分辨能力和所含有的孕震層介質(zhì)物性信息均明顯增加． 該方法在大量中小地震頻發(fā)和臺站分布相對密集的地區(qū)應(yīng)用較為有效．

對該方法計算結(jié)果穩(wěn)定性可能產(chǎn)生影響的非介質(zhì)物性因素為： 每組參與計算的地震空間位置的不穩(wěn)定性、 空間上的叢集性、 地震定位和發(fā)震時刻的精度． 計算選取的樣本量的變化和參與計算的較小地震震相判讀的誤差， 都可能使計算結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的波動．

1.2 計算公式

基于上述方法， 波速比是根據(jù)天然地震的直達P波與S波到時差和P波到時的和達圖的線性關(guān)系確定得出． 該方法可歸結(jié)為確定和達圖的斜率． 根據(jù)P波走時和P波與S波到時差的線性關(guān)系可得到vP/vS波速比值(式(1))， 線性相關(guān)系數(shù)R則根據(jù)式(2)計算得出．

(1)

(2)

式中，tPi為P波走時，tSi為S波走時， Δti=tSi-tPi，i=1， 2, …，n, 其中n為每次地震到時的數(shù)據(jù)個數(shù)． 波速比計算誤差γ為

(3)

1.3 平均波速比的計算精度和約束條件

本方法利用的是天然地震， 但天然地震發(fā)生位置的不穩(wěn)定性和成叢性， 會對單臺多震和達法的計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響． 考慮到地震分布的不穩(wěn)定性， 以及和達法本身固有的局限性， 本研究在tS-P確定的條件下， 一般選取tS-P≤20 s， 最大選取tS-P≤28 s； 計算樣本組地震次數(shù)取40—80; 誤差估計γ≤0.05． 其中考慮了孕震體介質(zhì)非均勻性也可能導(dǎo)致波速比和達曲線彎曲， 使得誤差增大和相關(guān)性降低． 相關(guān)系數(shù)限定過于嚴格， 有可能將孕震體介質(zhì)非均勻性的變化消除， 因此相關(guān)系數(shù)未選擇R≥0.99， 而是選擇R≥0.95． 對于地震震級的選擇， 考慮到在有限的空間區(qū)域內(nèi)，ML≥2.5地震的震相判讀精度高于震級相對更低的地震， 震級更小的地震定位精度有限， 因此震級下限設(shè)為ML≥2.0， 最高設(shè)為ML≥2.7， 同時也可一定程度地排除小震叢短時間頻發(fā)和空間集中分布的影響． 對出現(xiàn)波速比異常的臺站， 進行不同震級檔異常穩(wěn)定性分析時， 如果波速比異常在震級檔大于2.5級后仍穩(wěn)定出現(xiàn)， 則該臺的異?？煽啃暂^高， 異常被認可； 反之， 僅在低震級檔(震級檔小于2.0級)出現(xiàn)的異常， 不作為可靠異?？创?/p>

圖2同時也表明， 小金臺在tS-P≤28 s和震級下限ML≥2.5的條件下， 未經(jīng)離散點篩選符合計算精度要求的震相樣本為3270個， 相關(guān)系數(shù)R為0.989， 斜率為0.660(誤差0.002)； 而經(jīng)過離散點篩除的計算結(jié)果， 符合計算精度要求的震相樣本達到3371個， 相關(guān)系數(shù)R為0.993， 斜率為0.666 (誤差0.001)． 可利用的震相數(shù)據(jù)增加了101個． 為什么在離散點排除的情況下可利用的震相數(shù)據(jù)量有所增加呢？ 因為離散大的點在未經(jīng)篩除的情況下， 部分樣本組由于存在個別離差大的震相數(shù)據(jù)而導(dǎo)致線性擬合時誤差增加， 因此在進行誤差選擇時， 由于不符合誤差小于0.05的要求而被篩除． 因此篩除離差大的點不僅可提高計算精度， 而且也提高了優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)的利用率． 為滿足計算精度和增加計算結(jié)果的可比性， 對所有參與分析的臺站所要求的計算精度約束條件和震相數(shù)據(jù)篩選限定均是一致的．

圖1 蒙頂山臺離散點排除前(a)后(b)滿足計算約束條件的震相數(shù)據(jù)總體和達曲線圖Fig.1 Wadati curves of phase data satisfying the constraint conditions before (a) and after (b) eliminating the discrete points for the station MDS

圖2 小金臺離散點排除前(a)后(b)滿足計算約束條件的震相數(shù)據(jù)總體和達曲線圖Fig.2 Wadati curves of phase data satisfying the constraint conditions before (a) and after (b) eliminating the discrete points for the station XJI

2 利用單臺多震和達法計算的波速比結(jié)果

本研究利用四川數(shù)字地震臺網(wǎng)2001年1月1日—2013年6月30日的四川省地震震相報告中直達P波和S波震相數(shù)據(jù)， 分析計算了36個震相數(shù)據(jù)連續(xù)性較好的地震臺站波速比隨時間的變化值． 圖3給出了四川及鄰區(qū)2001年1月—2013年3月ML≥2.0地震事件震中位置的空間分布． 圖4給出了蘆山地震前波速比異常與正常地震臺的空間分布．

2.1 異常臺站波速比時間變化的共性與差異性

圖5分別給出了蒙頂山臺、 小金臺、 油罐頂臺和花馬寺臺2001年1月—2013年6月30日的波速比時間變化曲線． 上述4個臺站為蘆山地震前波速比出現(xiàn)低值異常過程最為顯著和異常時間最長的臺站． 這4個地震臺的波速比異常降低過程大致同步始于2010年， 異常持續(xù)至2013年蘆山地震發(fā)生， 時間約3年半； 除小金臺無明顯的異?；謴?fù)過程外(圖5b)， 其余3個臺站在震前1年左右均出現(xiàn)異常恢復(fù)過程 (圖5a, c, d)． 計算約束條件為：tS-P≤16 s， 計算樣本組地震次數(shù)N=80， 相關(guān)系數(shù)R≥0.95， 波速比誤差估計γ≤0.05， 震級下限ML≥2.5．

圖3 四川及鄰區(qū)2001年1月—2013年3月地震震中空間分布圖Fig.3 Epicentral distribution of Sichuan Province and its adjacent regions from January 2001 to March 2013

圖6給出了五馬坪臺和峨眉山臺2001年1月—2013年6月的波速比時間變化曲線． 計算的限定條件除峨眉山臺樣本組的樣本為40次地震外， 其它參數(shù)與蒙頂山臺一致． 上述這兩個臺站為蘆山地震前波速比出現(xiàn)低值異常過程差異較大的臺站． 五馬坪臺的波速比異常降低過程大致始于2009年， 首先出現(xiàn)顯著升高過程， 而后維持低值狀態(tài)， 持續(xù)到蘆山地震發(fā)生， 異常持續(xù)4年多， 異?；謴?fù)過程較為緩慢； 峨眉山臺的波速比異常降低過程最短， 大致始于2009年， 2010年下降到最低點后， 2011年異常逐漸恢復(fù)， 震前2年處于波速比顯著高值狀態(tài)．

對比圖5與圖6可見， 蒙頂山臺、 小金臺、 油罐頂臺和花馬寺臺這4個異常臺站的異常起始時間與持續(xù)時間大體一致， 但異常的恢復(fù)特征具有一定的差異； 峨眉山臺和五馬坪臺這種異常特征與上述4個臺差異較大． 蘆山地震前的波速比異常從空間上和時間上具有一定的復(fù)雜性， 這種復(fù)雜性也可能與蘆山地震東西兩側(cè)地質(zhì)構(gòu)造和環(huán)境的差異性有關(guān)．

圖4 蘆山地震前波速比異常臺站和正常臺站的空間分布Fig.4 Distribution of stations with wave velocity ratio decreasing (denoted by red triangles) and those with normal ratio (denoted by blue triangles) before the Lushan MS7.0 earthquake

圖5 蒙頂山臺(a)、 小金臺(b)、 油罐頂臺(c)和花馬寺臺(d)2001年1月—2013年6月波速比時間變化曲線藍色曲線為實際波速比值， 紅色曲線為10個點滑動平均值, 黑色實線為波速比平均值， 黑色虛線為1倍方差值， 灰色豎線為每組數(shù)據(jù)的計算誤差

Fig.5vP/vSversustime curves for the stations MDS (a), XJI (b),YGD (c) and HMS (d) from January 2001 to June 2013 The blue curve denotesvP/vSvalues, the red curve denotes moving average ratio over 10 points, the solid black line denotes the averagevP/vSratio, dashed black lines denote the standard deviation, and the grey vertical bars denote deviation

圖6 五馬坪臺(a)和峨眉山臺(b) 2001年1月—2013年6月波速比時間變化曲線Fig.6 vP/vSversus time curves for the stations WMP (a) and EMS (b) from January 2001 to June 2013

圖7分別給出了雷波臺、 姑咱臺、 成都臺、 道孚臺、 汶川臺和馬爾康臺的波速比時間變化曲線． 滿足計算約束條件為：tS-P≤20 s， 計算樣本組為80次地震， 相關(guān)系數(shù)R≥0.95， 誤差估計γ≤0.05， 震級下限ML≥2.7． 這6個臺站為蘆山地震前波速比變化基本正常的臺站． 從汶川臺波速比的時間變化過程可以看到汶川MS8.0地震前波速比長期低值變化的異常過程(震前波速比平均值為1.671)， 震后緩慢恢復(fù)到平均值1.684左右(圖7e， 表1)． 對比上述6個波速比變化平穩(wěn)的臺站發(fā)現(xiàn)， 其它臺站在蘆山地震前后的變化特征大體與這6個臺基本相似． 從正常平穩(wěn)變化臺站的角度， 也可基本排除上述6個臺站存在的異?？赡芘c2008年后數(shù)字臺網(wǎng)加密改造和定位系統(tǒng)的調(diào)整有關(guān)． 因為如果這種影響因素存在， 相應(yīng)的變化特征應(yīng)具有全局性．

圖7 雷波臺(a)、 姑咱臺(b)、 成都臺(c)、 道孚臺(d)、 汶川臺(e)和馬爾康臺(f) 2001年1月—2013年6月波速比時間變化曲線Fig.7 vP/vSversus time curves for the stations LBO (a), GZA (b), CD2 (c), DFU (d), WCH (e) and MEK (f) from January 2001 to June 2013

2.2 蘆山地震近距離異常臺站波速比時間變化的分區(qū)細化分析

利用單臺多震法， 可對強震附近的多個臺站， 進行波速比異常時間變化過程的準同步性和空間分布的集中性分析(圖2). 該方法不僅可提高異常判別的可靠性， 還可根據(jù)異常集中交匯的特點， 對未來可能的孕震區(qū)分布范圍予以一定的約束．

表1 龍門山斷裂西側(cè)臺站波速比平均值對比表Table 1 Average velocity ratios for the stations in the west of Longmenshan fault zone

該方法假定： 如果在近距離分布的臺站下方或附近區(qū)域存在強震的孕震區(qū)域， 則這些臺站所觀測到的地震波將在某特定方位上不同程度地穿透孕震體， 會在孕震區(qū)存在的方位上觀測到時間空間一致性較好的異常． 為此特別考察了小金、 油灌頂和蒙頂山等3個臺站． 從圖4中可明顯看到這3個臺站波速比異常時間變化特征的同步性， 它們共同表現(xiàn)的異常特征有效地提高了計算結(jié)果的可靠性和真實性． 同時， 這種對比分析也可從某種程度上排除人為判讀震相誤差產(chǎn)生的影響．

圖8給出了小金臺分區(qū)細化的分析結(jié)果. 本研究選取以小金臺為中心、 半徑為168 km的圓域內(nèi)的地震震相數(shù)據(jù)， 滿足計算約束條件tS-P≤20 s， 計算樣本組地震次數(shù)為80， 相關(guān)系數(shù)R≥0.95， 誤差估計γ≤0.05， 震級下限ML≥2.5． 將該圓域以臺站經(jīng)度為中線， 劃分東區(qū)和西區(qū)分別計算波速比的時間變化數(shù)值． 圖8a為以小金臺為中心、 半徑為168 km的圓域內(nèi)入選地震的空間分布及東區(qū)和西區(qū)的空間范圍示意圖； 圖8b, c分別為小金臺東區(qū)和西區(qū)的波速比時間變化曲線．

圖8 小金臺(XJI)選定地震的空間分布圖(a)及東區(qū)(b)和西區(qū)(c)的波速比時間變化曲線Fig.8 The selected epicentral distribution for XJI station (a), vP/vSversus time curves for the east area (b) and west area (c) of the XJI station

從圖8中可見， 小金臺東區(qū)和西區(qū)的波速比時間變化特征在蘆山地震前具有明顯的差異性． 西區(qū)不含有孕震區(qū)， 波速比十分穩(wěn)定； 東區(qū)則明顯不同， 由于含有孕震區(qū)， 波速比在2010年后存在明顯的大幅度低值變化過程．

圖9給出了油罐頂臺分區(qū)細化的分析結(jié)果， 滿足計算約束條件為tS-P≤20 s， 其它限定條件與小金臺相同． 圖9a為以油罐頂臺為中心、 半徑為168 km的圓域內(nèi)入選地震的空間分布及東區(qū)和西區(qū)的空間范圍示意圖； 圖9b, c分別為油罐頂臺東區(qū)和西區(qū)的波速比時間變化曲線．

圖9 油罐頂臺(YGD)選定地震的空間分布圖(a)及東區(qū)(b)和西區(qū)(c)的波速比時間變化曲線

Fig.9 The selected epicentral distribution for the YGD station (a),vP/vSversustime

curves for the east area (b) and west area (c) of the YGD station

由圖9b, c可見， 與小金臺完全相同， 油罐頂臺東區(qū)和西區(qū)的波速比時間變化特征在蘆山地震前也具有明顯的差異性． 由于油罐頂臺位于蘆山地震東側(cè)， 東區(qū)不含有孕震區(qū)， 波速比基本穩(wěn)定. 由于該臺東區(qū)地震很少， 震相數(shù)據(jù)有限， 數(shù)據(jù)的連續(xù)性不夠理想． 但從整體上看， 波速比在較高水平上變化平穩(wěn)(平均值1.685)． 西區(qū)由于含有孕震區(qū)， 波速比變化在2010—2013年存在明顯的大幅度低值變化過程(平均值1.666)．

圖10為蒙頂山臺分區(qū)細化的分析結(jié)果． 分別計算了該圓域中東區(qū)和西區(qū)的波速比時間變化． 圖10a為以蒙頂山臺為中心、 半徑為134 km的圓域內(nèi)入選地震的空間分布及東區(qū)和西區(qū)的空間范圍示意圖, 滿足計算約束條件tS-P≤16 s; 圖10b, c分別為蒙頂山臺中東區(qū)和西區(qū)的波速比時間變化曲線． 由圖10b, c可見， 與上述兩個臺完全相同， 蒙頂山臺中東區(qū)和西區(qū)的波速比時間變化特征在蘆山地震前同樣具有明顯的差異性． 由于蒙頂山臺位于蘆山地震附近， 西區(qū)不含有孕震區(qū)， 波速比基本穩(wěn)定; 中東區(qū)含有孕震區(qū)， 波速比在2009—2013年同樣存在明顯的大幅度長時間低值變化過程．

上述3個臺站的分區(qū)細化研究表明， 小金臺東區(qū)、 蒙頂山臺中東區(qū)和油罐頂臺西區(qū)為異常顯著地區(qū)， 這3個異常交匯區(qū)基本可將蘆山地震的孕震區(qū)范圍圈定出來． 由此可見， 這種近臺異常區(qū)方位的細化對比分析， 對判斷和基本圈定未來可能的強震孕育的空間范圍是有意義的． 上述3個臺站的波速比異常所具有的明顯方位性和時間過程的同步性， 不僅可證明這3個臺站出現(xiàn)波速比異常的部位與蘆山地震的孕震區(qū)密切相關(guān)， 而且也可基本排除上述異常可能存在人為震相判讀誤差所導(dǎo)致的“偽異?！钡目赡苄裕?/p>

圖8a, 9a, 10a所選定的震中分布中包含了部分汶川余震區(qū)的地震． 由于汶川地震余震較多， 有可能上述結(jié)果主要反映的是汶川余震區(qū)附近的變化． 為分析判斷蘆山孕震區(qū)附近地區(qū)是否存在波速比變化， 本文專門選取油榨坪臺和成都臺的西南地區(qū)進行了波速比變化特征的分析計算． 增加這兩個臺站的分區(qū)研究結(jié)果， 一是考慮成都臺為國家基準臺， 數(shù)據(jù)可靠性高； 二是油榨坪臺與蘆山地震震中距離很近， 具有比測意義．

圖10 蒙頂山臺(MDS)選定地震的空間分布圖(a)及中東區(qū)(b)和西區(qū)(c)波速比時間變化曲線Fig.10 The selected epicentral distribution for MDS station (a), vP/vSversus time curves for the middle-east area (b) and west area (c) of the MDS station

圖11和圖12分別給出了油榨坪臺和成都臺的分區(qū)細化分析結(jié)果． 這兩個臺與小金臺、 蒙頂山臺和油罐頂臺不同， 如果選取整個圓域的研究范圍， 在蘆山地震前看不到明顯的波速比異常降低過程． 但是， 如果將研究區(qū)域限定在蘆山地震的方位上， 即在其西南部位， 則可看到在蘆山地震前出現(xiàn)十分顯著的波速比降低過程， 與上述3個臺站的過程相似.

圖11 油榨坪臺(YZP)選定地震的空間分布圖(a)和西南區(qū)波速比時間變化曲線(b)Fig.11 The selected epicentral distribution for YZP station (a) as well as vP/vSversustime curve for the southwest area of YZP station (b)

圖11為油榨坪臺分區(qū)細化的分析結(jié)果. 圖11a為以油榨坪臺為中心、 半徑為201 km的圓域內(nèi)西南區(qū)入選地震的空間分布圖； 圖11b為油榨坪臺西南區(qū)的波速比時間變化曲線． 滿足計算約束條件為tS-P≤24 s， 計算樣本組地震次數(shù)為40， 其它限定條件與小金臺相同． 從該圖中可見蘆山地震前存在與上述異常臺站相似的明顯的波速比異常變化過程．

圖12給出了成都臺分區(qū)細化的分析結(jié)果． 圖12a給出了以成都臺為中心、 半徑為201 km的圓域內(nèi)西南區(qū)入選地震的空間分布； 圖12b給出了成都臺西南區(qū)的波速比時間變化曲線． 滿足計算約束條件為tS-P≤24 s， 計算樣本組地震次數(shù)為40， 其它限定條件與小金臺相同． 從該圖中同樣可以看到蘆山地震前存在與上述異常臺站相似的明顯的波速比異常變化過程． 由于成都臺與油榨坪臺距離很近， 具有很好的比測意義． 這兩個臺站的西南區(qū)出現(xiàn)的波速比異常過程受汶川余震的影響很小．

圖12 成都臺(CD2)選定地震的空間分布圖(a)和西南區(qū)波速比時間變化曲線(b)Fig.12 (a) The selected epicentral distribution for CD2 station; (b) vP/vSversustime curve for the southwest area of CD2 station

上述兩臺在蘆山地震的方位上基本同步出現(xiàn)的波速比異常過程， 進一步驗證了小金、 蒙頂山和油罐頂?shù)?個臺站異常的可靠性． 這5個臺站分別位于蘆山地震的不同方位， 在震前存在的基本同步異常不僅可以增加異常過程的可靠性和真實性， 也可以從多臺方位性驗證的角度， 再次排除了上述異常是由于震相數(shù)據(jù)判讀誤差所造成的假象的可能性．

油榨坪臺和成都臺在蘆山MS7.0地震前的異常僅限于其西南方位， 如果分析全區(qū)波速比時間變化過程， 則看不到明顯的異常變化； 尤其是在汶川MS8.0地震前， 也未看到明顯的異常變化， 這是令人十分困惑和矛盾的問題． 本研究還發(fā)現(xiàn), 在龍門山斷裂帶西側(cè)和東側(cè)的地震臺站， 利用單臺法計算的波速比值的總體背景平均值在汶川地震前存在較大的差異． 選取tS-P≤20 s， 計算樣本組地震次數(shù)為80， 相關(guān)系數(shù)R≥0.95， 誤差估計γ≤0.05， 震級下限ML≥2.5． 將龍門山斷裂帶西側(cè)的黑水臺、 松潘臺、 平武臺、 青川臺和汶川臺與龍門山斷裂帶東側(cè)的仲家溝臺、 安縣臺、 金雞寺臺、 油榨坪臺和成都臺的波速比總平均值分別列于表1與表2， 選取資料時間為2001年1月—2013年7月． 從表1和表2中可見， 龍門山西側(cè)的波速比總平均值偏高， 變化范圍在1.683—1.707之間； 而龍門山東側(cè)的波速比則偏低， 除油榨坪臺為1.675外， 其余4個臺均在1.650—1.666之間． 表1中的5個臺站為龍門山斷裂帶西側(cè)的地震臺站， 汶川地震前處于低值狀態(tài)， 震后明顯升高， 上升幅度在0.013—0.025之間(表1)， 具有震前低震后高的特點． 表2中的5個臺站為龍門山斷裂帶東側(cè)的地震臺站. 這5個臺在汶川地震前后變化較為復(fù)雜， 安縣臺下降0.028， 仲家溝臺上升0.016， 南部的金雞寺臺、 油榨坪臺和成都臺則變化很小， 基本維持穩(wěn)定． 從圖7c和圖7e成都臺與汶川臺的波速比時間變化曲線來看， 總體上兩個臺站的變化趨勢基本一致． 由于成都臺取全區(qū)域的計算結(jié)果， 變化幅度較小， 異常顯著性不高， 因此本文未將其作為汶川地震異常反應(yīng)突出的臺站．

表2 龍門山斷裂東側(cè)臺站波速比平均值對比表Table 2 Average velocity ratios for the stations in the east of Longmenshan fault zone

從總體意義上看， 龍門山西側(cè)臺站的波速比總平均值為1.691， 震后比震前平均值上升了0.020， 上升的幅度較大． 龍門山東側(cè)臺站的波速比總平均值為1.661， 震后比震前平均值反而下降了0.004， 但幅度很小． 可見龍門山斷裂東西兩側(cè)的波速比總背景值確實存在較大差異．

汶川地震異常主要以龍門山斷裂西側(cè)臺站表現(xiàn)最為突出， 且具有持續(xù)時間長的特點． 龍門山斷裂東側(cè)的油榨坪臺和成都臺， 盡管與龍門山斷裂西側(cè)的汶川臺一樣， 距離汶川主震位置都很近， 但由于斷裂兩側(cè)橫向介質(zhì)非均勻性很大， 地質(zhì)環(huán)境差異顯著， 因此計算結(jié)果也存在較大差異性．

2.3 單臺異常波速比不同空間范圍的時間變化特征分析

單臺多震法還可假定， 如果可能的震源體在臺站下方某個部位且具有一定的空間尺度， 則對比不同空間距離波速比變化的共性和差異性， 不僅可以考察異常存在的穩(wěn)定性， 也可為判定可能的震源體尺度提供粗略的判斷依據(jù)．

圖13給出了以蒙頂山臺為中心、 半徑分別為134.4， 168.0， 201.6和235.2 km的圓域內(nèi)的波速比時間變化曲線． 圖13a給出了以蒙頂山臺為中心， 選取235 km(tS-P≤28 s)為半徑的圓域范圍內(nèi)符合入選條件的地震震中分布， 圖中4個同心圓圈從內(nèi)到外分別表示tS-P≤16， 20， 24和28 s的圓域范圍． 蒙頂山臺距離蘆山地震震中約30 km， 為距離蘆山地震震中最近的臺站． 對比圖13b, c, d, e蒙頂山臺波速比的時間變化曲線可見， 在134 km范圍內(nèi)的波速比異常最為顯著， 具有異常幅度大且持續(xù)時間長的特點； 而該臺大于134 km范圍內(nèi)的波速比時間變化隨著研究半徑的增大， 波速比異常幅度逐漸下降， 但其異常過程的基本形態(tài)并未改變． 由此可粗略推斷， 蘆山MS7.0地震的孕震區(qū)范圍可能在百千米左右．

圖14給出了以小金臺為中心， 分別以134.4， 168.0， 201.6和235.2 km為半徑的圓域內(nèi)的波速比時間變化曲線． 圖14a給出了以小金臺為中心， 選取235 km為半徑的圓域范圍內(nèi)符合入選條件的地震震中分布， 圖中4個同心圓圈從內(nèi)到外分別表示tS-P≤16， 20， 24和28 s的圓域范圍． 小金臺距離蘆山MS7.0地震震中約98 km， 為蘆山地震西側(cè)異常反應(yīng)突出的臺站． 與圖13相似， 該臺在134 km圓域范圍內(nèi)的波速比異常最為顯著， 具有異常幅度大且持續(xù)時間長的特點； 大于134 km圓域內(nèi)的波速比時間變化隨著研究范圍的擴大逐漸趨于穩(wěn)定．

圖13 蒙頂山臺(MDS)選定地震的空間分布圖(a)及分別以134.4 km (b)， 168.0 km (c), 201.6 km (d) 和 235.2 km (e)為半徑的圓域內(nèi)的波速比時間變化曲線Fig.13 The selected epicentral distribution for the station MDS (a), vP/vSversus time curves for the MDS station at the radia 134.4 km (b), 168.0 km (c), 201.6 km (d) and 235.2 km (e)

圖14 小金臺(XJI)選定地震的空間分布圖(a)及分別以134.4 km (b)， 168.0 km (c), 201.6 km (d) 和 235.2 km (e)為半徑的圓域內(nèi)的波速比時間變化曲線Fig.14 The selected epicenter distribution for XJI station (a), vP/vSversus time curves for XJI station at the radia 134.4 km (b), 168.0 km (c), 201.6 km (d) and 235.2 km (e)

3 討論與結(jié)論

1) 龍門山斷裂南段及附近地區(qū)的小金、 蒙頂山、 油罐頂、 花馬寺和五馬坪等5個臺站在蘆山地震前均存在較明顯的波速比降低過程． 小金臺、 蒙頂山臺和油榨坪臺在蘆山地震前波速比異常時間均持續(xù)了3年半左右的時間， 震前除小金臺和五馬坪臺未見明顯回返過程外， 蒙頂山臺、 油罐頂臺、 花馬寺臺均在震前1年左右出現(xiàn)回返特征． 從動態(tài)跟蹤蘆山地震前波速比時間變化的特征中還發(fā)現(xiàn)， 強震前波速比異常區(qū)的范圍具有向未來震中區(qū)及其附近收縮的趨勢．

在蘆山地震孕育過程中， 出現(xiàn)異常的單臺波速比隨時間變化的過程， 與以往膨脹-擴容模式描述的孕震不同演化階段的波速比變化特征基本相同． 本文利用現(xiàn)代化數(shù)字地震記錄得到的波速比時間變化特征， 再一次證實了以往孕震模式研究結(jié)果的科學(xué)性．

2) 小金臺、 蒙頂山臺、 油罐頂臺、 油榨坪臺和成都臺為距離蘆山強震較近的5個臺站. 通過對比這5個臺站不同方位波速比的分區(qū)時間變化特征表明， 小金臺東部、 蒙頂山臺中東部、 油罐頂臺西區(qū)、 油榨坪臺和成都臺西南區(qū)為異常最顯著的交匯部位， 這些異常部位的交匯區(qū)基本可將蘆山地震的孕震區(qū)圈定出來， 該震的孕震區(qū)范圍可粗略地判定在百千米尺度內(nèi)． 由此可見， 這種近臺異常區(qū)部位的分區(qū)細化分析， 對判斷和基本圈定未來可能強震孕育的空間范圍是有意義的．

3) 如果可能的孕震體在臺站下方某個部位， 且具有一定的空間尺度， 則根據(jù)單臺不同空間范圍的波速比變化的共性與差異性的對比， 不僅可考察異常過程的穩(wěn)定性， 也可為推測可能的孕震體的空間尺度提供粗略的判斷依據(jù)．

4) 蘆山地震前波速比異常變化時空演化特征表明， 在強震孕育過程中很可能存在地殼介質(zhì)彈性特性的改變． 波速比方法是動態(tài)跟蹤監(jiān)視某區(qū)域地殼介質(zhì)的物性變化， 以及推斷未來強震的孕震動力系統(tǒng)所處演化階段和可能空間范圍的有效手段之一．

本文采用的單臺多震和達法計算波速比為平均意義上的“視波速比”， 盡管試圖利用細化分析和多臺多方位一致性和同步性分析消除和減弱由于該方法本身固有的局限性和可能的非介質(zhì)物性因素導(dǎo)致的“偽異?！?， 但是其影響因素仍是客觀存在的． 對于這些影響因素， 必須在分析方法上進一步改進． 例如相對固定路徑的單臺單震法、 四震相法和重復(fù)地震法等， 都是需要深入研究的方面． 在地震預(yù)測應(yīng)用的研究中， 多方法的聯(lián)合使用可能對于判別異常更為重要和嚴謹．

感謝許忠淮、 張?zhí)熘小?車時和宋曉東教授給予本研究的指導(dǎo)和幫助； 感謝審稿人對本文提出的中肯意見和建議．

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交通銀行金融研究中心高級研究員趙亞蕊認為，銀行理財子公司從提出設(shè)立與最終落地之間，仍有一段長路要走，未來的運行可能會面臨諸多問題?！拔磥磴y行系理財子公司的設(shè)立雖然促使理財業(yè)務(wù)更加市場化，但從中短期來看，還存在投研能力不足、資源獲得能力欠缺等問題，因此其運行的定位或仍在總行體系內(nèi)部，從產(chǎn)品銷售到投資管理等各環(huán)節(jié)還需依托總行的實力?！?/p>

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Temporal variation ofvP/vSat single seismic station before the 2013 LushanMS7.0 earthquake

(InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China)

Based on the seismic phase data recorded by Sichuan Digital Seismic Network from January of 2001 to July of 2013, this study analyzes the spatio-temporal variation of wave velocity ratiovP/vSbefore the LushanMS7.0 earthquake by using Wadati method of single station and multi-earthquake. To ensure the accuracy and stability of the calculated results, we carefully winnow the data. Moreover, we compare the wave velocity ratios calculated by using phase data recorded by the stations with different azimuths and different epicentral distances, so that we discuss the size of potential seismogenic body for future earthquakes. Our results show that, in the southern Longmenshan fault and its surrounding area, there was an obvious decrease in wave velocity ratio at five stations (XJI, MDS, YGD, HMS and WMP) before the LushanMS7.0 earthquake. In particular, for the four stations (XJI, MDS, YGD and HMS), there had been an obviousvP/vSdecrease for 3.5 years before the Lushan earthquake; except the station XJI, at other three stations appeared a recovery ofvP/vSratio one year before the earthquake. The anomalous characteristics are largely different for the stations EMS and WMP, indicating some complexity. Tracing the temporal variations ofvP/vS, it is also found that the extent of the region with anomalous wave velocity ratio tends to concentrate at the future epicenter and its surrounding regions.

LushanMS7.0 earthquake; wave velocity ratio; seismogenic zone; Wadati method of single station and multi-earthquake

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.004.

中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(DQJB11C09)和地震局老專家科研基金“地震波速比時空演化場的分析研究”聯(lián)合資助.

2013-05-16收到初稿， 2013-09-05決定采用修改稿.

e-mail: wang_linying@163.com

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.01.004

P315.72

A

王林瑛, 李艷娥, 鄭需要, 王生文. 2014. 蘆山MS7.0強震前單臺波速比變化特征研究. 地震學(xué)報, 36(1): 42--58.

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