陳佳+葉泵+高瓊+王軍+李孝賓+楊軍

摘要：以2016年5月18日云南云龍MS5.0地震為例，選取距震中較近的3個臺站和較遠(yuǎn)的5個臺站記錄的2016年1—9月的氣槍震源信號，使用互相關(guān)檢測技術(shù)得到地震前后這8個臺站各自穩(wěn)定震相走時變化特征。結(jié)果表明：云龍地震前，各臺均存在不同程度的走時異常變化。離震中較近的3臺站中，震中西側(cè)和東側(cè)臺站走時變化有一定差別，但都在地震前的3、4月變化較大；而離地震較遠(yuǎn)的5個臺站則變化趨勢特征一致，幅度略有差別；離地震較近臺站走時變化幅度明顯大于離地震較遠(yuǎn)臺站；地震前小于0.7 m的水位變化并未對各臺走時變化產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。同時對比了云龍臺FSQ水管傾斜的形變觀測數(shù)據(jù)，監(jiān)測到同一時段地下應(yīng)力發(fā)生變化。

關(guān)鍵詞：氣槍震源；互相關(guān)檢測技術(shù)；走時變化；云龍MS5.0地震

中圖分類號：P315.31文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1000-0666（2017）04-0550-07

0引言

地震波在地球介質(zhì)中傳播，帶來了豐富的介質(zhì)信息，為探索地球介質(zhì)的動態(tài)變化提供了天然條件。在地震孕育的過程中，伴隨著介質(zhì)的應(yīng)力改變，由于很難直接測量地球應(yīng)力變化，很多地球物理學(xué)家通過監(jiān)測地震波速的改變來研究地球介質(zhì)的變化（Birch，1960，1961；Aggarwal et al，1973；Reasenberg，Aki，1974）。Li等（2007）采用重復(fù)地震和爆破記錄分析了圣安德列斯斷層在2004年帕克菲爾德6級地震前后地震波波速變化，發(fā)現(xiàn)寬200 m、深6 km的斷層帶內(nèi)地震波速降低達(dá)2.5%。王偉濤等（2009）利用電動落錘作為主動源，監(jiān)測汶川地震余震時2次面波波速異常變化，變化幅度最高達(dá)到2%。魏蕓蕓等（2016）利用氣槍震源波形，得到新疆2次中強(qiáng)地震前相對走時變化幅度約為0.1%～0.26%。楊微等（2010）等對精密控制的人工震源進(jìn)行連續(xù)試驗(yàn)，在棉竹M5.6地震前后觀測到5～9 ms的地下介質(zhì)波速的微弱變化?？梢姼櫡治龅叵陆橘|(zhì)波速變化對地震監(jiān)測研究及減輕地震災(zāi)害有重要的意義。

氣槍震源最初被應(yīng)用于海洋石油勘探和海洋結(jié)構(gòu)探測（丘學(xué)林等，2007）。經(jīng)過大量專家學(xué)者在中國大陸開展了多次試驗(yàn)（陳颙，朱日祥，2007；Chen et al，2008；Wang，2010），陳颙院士將氣槍震源從海中借鑒到內(nèi)陸湖來使用，至此大容量氣槍震源已經(jīng)在中國大陸南北開始了大量的試驗(yàn)，并取得了很多卓有成效的結(jié)果。賓川的大容量氣槍發(fā)射臺是“云南省陳颙院士工作站”在國內(nèi)最早投入運(yùn)行的發(fā)射臺，這一固定氣槍震源的建設(shè)及激發(fā)，為連續(xù)跟蹤地下介質(zhì)變化提供了可靠的數(shù)據(jù)來源。

云南賓川氣槍主動源自2012年年底開始持續(xù)激發(fā)信號，目前已運(yùn)行4年多，本文以2016年5月18日云龍MS5.0地震（26.1°N，99.53°E）為樣本，主要截取離云龍地震較近的和較遠(yuǎn)的8個臺站接收到的氣槍激發(fā)信號，選擇各臺站的穩(wěn)定震相進(jìn)行走時的初步分析，得到各個震相在云龍地震前后的走時變化特征，從而分析地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的時空演變。

1云南賓川氣槍發(fā)射臺及觀測情況

云南賓川大容量氣槍發(fā)射臺始建于2011年，2012年正式投入運(yùn)行，其位于20世紀(jì)70年代末至80年初建成的滇西地震預(yù)報(bào)實(shí)驗(yàn)場內(nèi)，大容量氣槍發(fā)射臺在此處建立與當(dāng)時建場的科學(xué)思路不謀而合，即為了集中各種觀測手段，進(jìn)行地震學(xué)基礎(chǔ)理論和地震前兆機(jī)制研究。從區(qū)域構(gòu)造上講，此發(fā)射臺位于著名的紅河斷裂帶和程海斷裂帶交匯區(qū)域，屬于地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)。

賓川大容量氣槍激發(fā)水體為當(dāng)?shù)卮筱y甸水庫，位于賓川縣牛井鎮(zhèn)西南8 km處，是一座中型水庫，屬金沙江水系，海拔1 488 m。水體下的發(fā)射氣槍組由4支單槍容量為2 000 in3的Bolt Longlife型氣槍組成，4支氣槍的工作深度為浮臺下10 m左右。

云南賓川主動源激發(fā)基地，在建臺之初是以達(dá)到常規(guī)觀測為目的。氣槍激發(fā)信號的日常主要觀測系統(tǒng)由滇西實(shí)驗(yàn)場區(qū)原有5個臺站、云南測震臺網(wǎng)46個臺站和40個流動臺組成，固定臺站地震計(jì)以BBVS-60和KS 2000為主，數(shù)據(jù)采集器為EDAS-24IP。流動臺地震計(jì)為Guralp-40T，數(shù)據(jù)采集器為Reftek130B，每個臺每日的觀測數(shù)據(jù)約為24 M。在這4年的觀測當(dāng)中，夏季為枯水期，不適宜激發(fā)實(shí)驗(yàn)，其他時段除了儀器檢修都開展激發(fā)實(shí)驗(yàn)。圖1給出了2013—2016年每日激發(fā)情況。2013—2015年由于水庫在每年5—8月經(jīng)歷旱季枯水期，不符合激發(fā)條件。2016年水庫在枯水期仍然有15 m以上的水位，故除了在儀器保養(yǎng)維護(hù)期間，都能獲得激發(fā)數(shù)據(jù)，整個2016年，每天激發(fā)次數(shù)都保持在13槍左右，因此本文選取了2016年1—9月共8個臺站的數(shù)據(jù)，激發(fā)數(shù)據(jù)基本連續(xù)，為分析云龍地震前后各臺站震相走時變化提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)資料。

2數(shù)據(jù)處理方法

氣槍在水中激發(fā)，其激發(fā)波形不但攜帶了有用的地下介質(zhì)信息，還攜帶了水體、水位、激發(fā)條件等信息。要得到真實(shí)的地下介質(zhì)信息，必須消除水體、激發(fā)條件不同等因素的影響。Wang等（2008）探索出了尾波干涉技術(shù)來處理氣槍震源波，從而得到介質(zhì)的波速變化。尾波干涉技術(shù)將氣槍震源激發(fā)的近場記錄近似為震源時間函數(shù)，通過反卷積的方法將遠(yuǎn)場記錄波形中的震源特性扣除，從而得到近似由震源到臺站的格林函數(shù)（王寶善等，2012；翟秋實(shí)等，2016）。對近似格林函數(shù)，再采用波形互相關(guān)的方法得到不同震相的高精度走時變化。由于每個臺站信噪比不同，在得到每個臺站的走時變化前，需要用不同疊加的方法來增加信號的信噪比。

本文數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。每個臺站氣槍激發(fā)波形會攜帶儀器零漂、臺基不穩(wěn)等一些信息。因此，在做相關(guān)干涉之前，首先要對波形去均值、去趨勢、去傾斜，及濾波分析；第二步，手動挑選波形。在日常分析主動源數(shù)據(jù)工作中，可以手動去除一些干擾較大數(shù)據(jù)，這樣可以提高數(shù)據(jù)的信噪比；在氣槍源50 m附近架設(shè)了一個參考臺，可以近似為源的信息，上文中提到通過對此參考臺進(jìn)行反卷積可以得到源到臺站之間路徑上的格林函數(shù)，在做反卷積之前對波形進(jìn)行2～5 Hz的濾波，因?yàn)闅鈽屩黝l集中在2～5 Hz（陳佳等，2016）。通過濾波及反卷積之后的波形，震相更清晰，有利于相關(guān)干涉來提取震相走時變化；考慮到距離較遠(yuǎn)臺站一槍的數(shù)據(jù)不能清楚地看到震相，在分析時，將一天激發(fā)約13次的波形疊加作為每一個單點(diǎn)來分析走時變化；第三步進(jìn)行波形互相關(guān)計(jì)算精確走時變化時，需要一個對比的參考模板，將2015年后半年的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，作為對比的參考模板，如何得到要對比的每日波形與參考模板之間的時間延遲結(jié)果，劉自鳳等（2015）給出了比較細(xì)致的講解，這里不再贅述。endprint

3云龍MS5.0地震前后走時變化特征及影響因素分析

3.1各臺站走時變化特征分析2016年5月18日在大理白族自治州云龍縣發(fā)生MS5.0地震，震源深度15 km，該地震震中位置距離主動源激發(fā)源102 km。本文共選取了8個臺站來分析云龍地震前后各震相走時變化。從圖3可以看出，距離云龍地震較近臺有云龍臺（YuL）、洱源臺（ErY），EY16臺。其中洱源臺距離云龍MS5.0地震震中最近，為7 km，云龍臺、洱源臺為固定臺站，分別距離震中8 km、41 km。離震中較遠(yuǎn)的5個臺站為主動源臺，分別為53254、53258、53266、53268和53272臺，震中距在90～129 km之間。

通過波形互相關(guān)干涉法得到這8個臺站的走時變化，每個臺站都選取了相關(guān)系數(shù)最大的時間窗。圖4、5分別給出了離云龍地震較近的3個臺站及較遠(yuǎn)的5個臺站在2016年1—9月走時變化曲線。從圖4、5看出，走時變化幅度為10-5～10-2，精度達(dá)到10-4。

圖4給出2016年1—9月距離震中較近的云龍、EY16和洱源3個臺站各自穩(wěn)定震相走時變化曲線，這3個臺站距離賓川氣槍源大于60 km。從走時變化趨勢圖上看，EY16臺和云龍臺在地震前變化趨勢一致，而洱源臺則相反，這和EY16臺位于震中西側(cè)、洱源臺位于震中東側(cè)有關(guān)。我們對5月18日云龍MS5.0地震前走時變化情況，分3個時段進(jìn)行分析：第一時段：1—2月，云龍臺走時變化有一抬升過程，變化幅度為0.01 s；洱源臺則相對較平穩(wěn)；EY16是臨時臺站，架設(shè)在2月，剛開始有記錄。第二時段：3月10日—4月25日，這一時段這3個臺站走時均出現(xiàn)劇烈變化，特別是在4月3—18日之間，水位相對一致情況下，云龍和洱源臺波速變化劇烈。整個時段內(nèi)云龍和EY16臺變化一致，這是因?yàn)檫@2個臺站離震中最近，同在震中西側(cè)，應(yīng)力場相對一致，變化趨勢則一致。在這一時段內(nèi)，EY16臺走時相對變化達(dá)8.84×10-3 s，云龍臺為6.24×10-3 s，洱源臺為1.14×10-2 s。在第二時段中共有2次水位下降變化，3月31日—4月3日下降0.56 m，4月18—20日下降0.68 m，雖然這2個時間段的水位下降深度相差不大，但波速變化相差很大，4月18—20日水位下降更多，但走時變化卻相對沒有那么大，可見在水位變化不大時，并不能對走時變化產(chǎn)生影響。第三時段：5月3—17日，各臺相對走時變化相比于第二個時段，變化幅度略小，而比第一個時段變化幅度要大。在接近地震發(fā)生的過程中，越接近發(fā)震時間，地下應(yīng)力變化越復(fù)雜。云龍地震后，洱源臺和EY16臺波速變化仍然劇烈，說明地震后地下應(yīng)力需要一個調(diào)整過程，一直到6月底7月初，走時變化才趨于穩(wěn)定。由于云龍臺波形數(shù)據(jù)較少，誤差較大，本文不做分析。

圖5為2016年1—9月53266、53258、53272、53268、53254臺共5個離震中較遠(yuǎn)臺站初至波的走時變化曲線，這5個臺分布在賓川氣槍激發(fā)源的不同方位，且距離云龍地震震中從近到遠(yuǎn)分別為90、92、97、97、129 km，且除53254臺離賓川氣槍源較遠(yuǎn)，超過30 km，其他4個臺站均在離氣槍源30 km范圍內(nèi)，這5個臺站記錄激發(fā)波形清楚，信噪比高。對在云龍MS5.0地震前各臺站走時變化情況，同樣分3個時段進(jìn)行分析：第一時段為1月—2月22日，5個臺走時變化較為平穩(wěn)，除了53268臺有一抬升過程，其余4個臺走時變化差別不大，53268臺可能對地殼應(yīng)力改變響應(yīng)更明顯。第二階段為3月17日—4月26日，各臺站走時變化趨勢一致，但變化幅度不同，53272臺走時變化幅度最小，為1.13×10-3 s，53268臺走時變化幅度最大，為5.16×10-3 s。在這一時間段，各臺站走時變化一致性較好，分析其原因可能和區(qū)域應(yīng)力場應(yīng)力加載有關(guān)。從變化幅度上看，離震中較近臺站為走時變化達(dá)6.24×10-3～1.14×10-2 s，變化幅度較大的53268臺走時變化幅度明顯小于離震中較近臺站。第三時段：5月1—17日，相比于第一個時段，這個時段各臺站走時變化波動較大，地下應(yīng)力場較第二個時段已經(jīng)發(fā)生改變。這3個時段內(nèi)，相對水位基本一致，1月31日—2月2日，水位從22.66 m變化為22.25 m，下降0.41 m。3月31日—4月3日，水位從21.27 m下降到20.71 m，下降0.56 m。5月4—7日有一水位突升和突降過程，從19.54 m降到18.85 m再升至19.7 m。這3個時段中，無論是水位3～4天的緩慢下降還是突然的下降上升，并未引起每個臺站一致的走時變化或者很大波動，而且這5個臺離激發(fā)水庫較近，可見不到1 m的水位上升或下降并未對走時變化產(chǎn)生很大的影響，反而地震之前區(qū)域應(yīng)力場的變化可能成為走時變化一致性的主導(dǎo)。

從5月18日地震發(fā)生后走時變化的情況看，離地震震中較近的臺站如洱源臺受地殼應(yīng)力改變的影響較大，5月底其走時變化波動仍較大，到7月才恢復(fù)至平穩(wěn)變化。離震中較遠(yuǎn)臺站，由于離賓川激發(fā)源較近，這時地震已經(jīng)發(fā)生，應(yīng)力得到釋放，而水庫水位也發(fā)生了相對于地震前較大的變化，從5月26日的17.17 m下降到6月9日的14.25 m再上升至8月24日的20.26 m，最大變化幅度達(dá)6 m，之后比較平穩(wěn)。地震后水位變化劇烈，再加上震后區(qū)域應(yīng)力場調(diào)整，引起了走時變化相對較大的波動，但是并未出現(xiàn)震前多個臺走時變化趨勢一致情況?？梢娺@一時間走時變化可能是由區(qū)域應(yīng)力場和水庫水位雙重作用的結(jié)果。

3.2主動源激發(fā)波形一致性分析

測量波速的微小變化，要求所選擇的震源具有較高的重復(fù)性。本文使用的氣槍震源前人已經(jīng)做過很多一致性分析（林建民等，2008；張?jiān)?016），已經(jīng)被證實(shí)為是可重復(fù)性好、可控性強(qiáng)的、性能卓越的人工震源。因?yàn)樗饕芗ぐl(fā)水體的影響，氣槍激發(fā)對水體及周圍環(huán)境幾乎沒有影響，氣槍震源在同一地點(diǎn)進(jìn)行多次重復(fù)激發(fā)時產(chǎn)生的信號波形具有高度可重復(fù)性。endprint

洱源臺離賓川氣槍源64 km，我們以此臺為例，說明主動源激發(fā)波形的重復(fù)性。圖6給出了洱源臺主動源激發(fā)波形單天事件疊加和模板相關(guān)性分析圖。圖6a為2016年7月8日13槍數(shù)據(jù)疊加波形，圖6b是對比模板，圖6c為單天疊加數(shù)據(jù)和模板波形相關(guān)性分析的相關(guān)系數(shù)。從圖中可看出，整個波形從始至終相關(guān)系數(shù)都在1.0附近，我們選擇20.4～20.7之間的穩(wěn)定震相，把每天的疊加波形與模版進(jìn)行相關(guān)性分析，且相關(guān)系數(shù)大于0.9的波形進(jìn)行最終走時計(jì)算。其余各臺站在計(jì)算走時變化前，我們都會參照這個參數(shù)來對數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍，這樣可以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3水位對走時影響

地震發(fā)生前的2016年1月至5月18日時間段內(nèi)，水庫水位總體呈下降趨勢，8個臺站走時變化并未像預(yù)期的那樣，朝一定趨勢性方向發(fā)展。特別是的5月1—17日，水位相對一致，而各臺走時變化波動很大，這主要與震前地殼介質(zhì)應(yīng)力變化有關(guān)，可見與水位對走時變化影響相比，各臺走時變化更易響應(yīng)地殼介質(zhì)應(yīng)力變化。5月19日—9月17日，水位先下降后上升，特別是水位從6月9日的14.25 m上升至8月24日的20.26 m，之后才趨于穩(wěn)定，這一時間段內(nèi)，水位下降上升幅度明顯比震前大，但各臺走時并未表現(xiàn)出一致性趨勢，可見水庫水位變化對走時變化影響還需要進(jìn)行更深入的研究。

4云龍臺形變資料分析

云龍地震臺位于大理州云龍縣城石門南山，海拔1 710 m，1970年建臺，屬國家級形變臺站。臺基巖性為侏羅紀(jì)細(xì)砂巖，巖性完整而且比較堅(jiān)硬。地震臺有300 m的儀器觀測洞室，1987年12月架設(shè)高精度FSQ自記水管傾斜儀。此地震臺觀測洞室深、覆蓋層較厚、干擾源少、儀器觀測精度高、故其資料可信度高。圖7給出了2013年至2017年3月初的云龍臺水管傾斜日均值走勢圖。從圖7a來看，2014、2015年水管傾斜NS分量有明顯的年變趨勢，而從2016年年初開始，年變趨勢改變，一路向下，一直持續(xù)到5月18日發(fā)生了云龍地震。而圖5也顯示3、4月走時變化呈現(xiàn)明顯上升趨勢，可見地下應(yīng)力場的改變影響水管NS分量變化。從圖7b可以看出，從2013年年底開始，其表現(xiàn)為向西傾斜，2016年年初則表現(xiàn)為相對平穩(wěn)趨勢，之后發(fā)生云龍地震。即云龍臺水管傾斜2個分量變化趨勢在云龍地震之前有明顯改變，可以與走時變化相互印證。

5討論與結(jié)論

本文將2016年1—9月氣槍激發(fā)信號去均值、去趨勢、濾波并剔除質(zhì)量差波形，通過對參考臺作反卷積來消除震源影響，再采用波形互相關(guān)的方法得到不同震相的高精度走時變化。通過分析2016年5月18日云龍MS5.0地震前后走時變化特征，得到以下結(jié)論：

（1）本文使用的氣槍震源，可控性強(qiáng)，從離激發(fā)源64 km的洱源臺單天13槍疊加波形和2015年后半年疊加模板相關(guān)性分析看，激發(fā)波形重復(fù)性高，為我們監(jiān)測地下介質(zhì)波速變化提供了可能。

（2）不論是離地震震中較近還是較遠(yuǎn)的臺站，在地震發(fā)生前，都存在不同程度的走時變化。3個距離地震較近的臺站走時變化最大，達(dá)（0.624～1.14）×10-2 s，另外5個距離較遠(yuǎn)臺站最大的走時變化為（1.13～5.16）×10-3 s?？梢娋嚯x地震較近的臺走時異常變化幅度大于較遠(yuǎn)臺站。

（3）云龍地震臺水管傾斜走勢圖分析顯示，NS向分量在地震前有破年變現(xiàn)象，EW向分量從2014年開始產(chǎn)生西傾，于2016年初出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，均指示這一地區(qū)地殼應(yīng)力變化。從時間上看，2016年1—5月開始水管傾斜NS和EW向分量有大的變化；對于走時變化，2016年1—2月部分臺站出現(xiàn)走時的明顯變化，一直到3—4月多數(shù)臺站走時明顯變化。可見不論是水管傾斜記錄變化還是走時變化均與此次地震應(yīng)力積累相關(guān)。

（4）在地震前應(yīng)力積累過程中，有短期2～3 d的水位變化，但水位變化并未對走時變化產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響，一是本文中數(shù)據(jù)處理已經(jīng)利用對參考臺的反褶積消除激發(fā)震源影響；二是在地震前每次水位變化不足0.7 m；三是對比了多次水位變化，并未同時影響多個臺站產(chǎn)生一致的走時變化，相比于水位下降較小的時間段，水位下降較大的那一時間段，走時變化反而更小。

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