蘇金波，楊微，李孝賓，王偉濤，楊軍，陳颙

1 中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081 2 中國(guó)地震局烏魯木齊中亞地震研究所，烏魯木齊 830011 3 中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)大理中心，云南大理 671000 4 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

0 引言

據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心測(cè)定，北京時(shí)間2021年5月21日21時(shí)48分37秒(UTC2021-05-21 13∶48∶37)，在云南省大理白族自治州漾濞彝族自治縣發(fā)生MS6.4地震(震中位置25.67°N，99.87°E，震源深度10 km)，造成3人遇難、28人受傷，大量的建筑物遭到破壞.相關(guān)研究結(jié)果表明，漾濞MS6.4地震的發(fā)震斷裂為與維西—喬后斷裂平行的一條之前未被發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造，其位置在維西—喬后斷裂SW側(cè)，是一條與維西—喬后斷裂具有相似構(gòu)造特性的平行伴生構(gòu)造(圖1).該次地震的最高烈度為Ⅷ度，Ⅵ度以上破壞區(qū)約為6600 km2，破壞區(qū)域涉及大理州6個(gè)縣市，在震后考察中發(fā)現(xiàn)了SN向地表裂縫和抬升(龍鋒等，2021；張克亮等，2021).

大量的研究表明，斷裂帶周圍的地下介質(zhì)地震波速度在地震前后會(huì)發(fā)生變化，這是由于地下介質(zhì)在地震前后經(jīng)歷了地下應(yīng)力調(diào)整，造成斷裂帶巖石中微小裂隙的張開與閉合(Brenguier et al., 2008; Li et al., 2017; Pei et al., 2019).因此，波速變化可以很好地反映地震引起的地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的改變(Niu et al., 2008; Brenguier et al., 2008; 楊微等, 2010).但是，這種應(yīng)力調(diào)整引起的波速變化往往很小，對(duì)觀測(cè)精度要求較高，實(shí)現(xiàn)高精度的波速變化測(cè)量需要采用具有高度可重復(fù)性的震源.

目前，研究地下介質(zhì)波速變化所采用的震源主要包括重復(fù)地震、背景噪聲和人工震源等.重復(fù)地震產(chǎn)生的地震波信號(hào)能量強(qiáng)，但在時(shí)空分布上不可控，且發(fā)生頻次低(王寶善等，2011；陳颙等，2017).背景噪聲技術(shù)在近些年快速發(fā)展，作為一種廉價(jià)的新型天然震源，也被應(yīng)用在地下介質(zhì)波速變化測(cè)量中(Lecocq et al., 2014; Liu et al., 2014, 2018)，但背景噪聲需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的疊加才可以獲得可靠的信號(hào)，且背景噪聲源的變化在一定程度上限制了測(cè)量的精度，導(dǎo)致時(shí)間分辨率和測(cè)量精度均比較有限(Zhan et al., 2013).利用人工震源向地下重復(fù)發(fā)射地震波，可以彌補(bǔ)天然源的不足，是進(jìn)行地下介質(zhì)變化測(cè)量的另一種手段(王寶善等，2016).經(jīng)過十多年的探索和實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，相比于其他類型人工震源，大容量氣槍震源具有能量大、重復(fù)性好、優(yōu)勢(shì)頻率低和綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行區(qū)域地下介質(zhì)波速變化測(cè)量的理想震源(陳颙等，2007；魏斌等，2016；Yang et al., 2018； Wang et al., 2020；楊微等，2021).

2010年，中國(guó)地震局在云南省大理州賓川縣大銀甸水庫(kù)構(gòu)建了基于大容量氣槍震源的地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)，是世界上首個(gè)主動(dòng)向外發(fā)射地震波的地震臺(tái)站(陳颙等，2017).2021年5月21日云南大理發(fā)生了漾濞MS6.4地震，震中位置位于賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)的西南方向約64 km處(圖1).賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)的連續(xù)激發(fā)，為研究該區(qū)域地震前后地下介質(zhì)波速變化提供了豐富的數(shù)據(jù).

1 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)

1.1 賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)

賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)位于云南省大理白族自治州賓川縣境內(nèi)的大銀甸水庫(kù)(王彬等，2016).氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)于2011年正式開始運(yùn)行，配備4支單槍容量為2000 in3的Bolt 1500LL型氣槍陣列.氣槍震源通過水上浮臺(tái)懸掛于水下10 m處，4支氣槍震源同時(shí)激發(fā)產(chǎn)生的地震波能量相當(dāng)于一次0.7級(jí)地震(楊微等，2013).震源信號(hào)具有高度的可重復(fù)性和豐富的低頻成分是氣槍震源的最大特點(diǎn)，地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)激發(fā)信號(hào)的主頻在4 Hz左右(Wang et al., 2020)，低頻信號(hào)在地下介質(zhì)中衰減慢，可以在很大程度上保證探測(cè)距離.

1.2 信號(hào)接收系統(tǒng)

為接收賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)向外發(fā)射的地震波信號(hào)，在周圍共架設(shè)有60個(gè)流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站，與云南省地震局固定臺(tái)網(wǎng)和小孔徑臺(tái)網(wǎng)共同形成氣槍信號(hào)接收系統(tǒng)(圖1).其中流動(dòng)地震觀測(cè)臺(tái)站的觀測(cè)儀器均采用美國(guó)Reftek 130數(shù)據(jù)采集器和英國(guó)Guralp CMG-40T短周期地震儀，采樣率為100 sps(samples per second).從臺(tái)站分布圖中可看出，大部分臺(tái)站位于大理州洱海的東側(cè)，集中在氣槍震源周圍，而在洱海西側(cè)的10多個(gè)臺(tái)站基本都位于漾濞MS6.4地震震中的北側(cè).另外，在距離氣槍震源約50 m的岸邊處架設(shè)了一套流動(dòng)地震儀器，用來觀測(cè)和監(jiān)測(cè)氣槍震源的激發(fā)波形，并在后期數(shù)據(jù)處理中作為近場(chǎng)參考臺(tái)站.

圖1 賓川大容量氣槍震源、漾濞MS6.4地震序列位置及周邊觀測(cè)臺(tái)站分布圖藍(lán)色和紅色三角形分別表示流動(dòng)地震臺(tái)站和固定臺(tái)站的位置分布.黃色五角星為MS6.4主震震中，紅色五角星為賓川大容量氣槍震源位置，黑色實(shí)線為研究區(qū)域內(nèi)的斷裂分布.黑色圓圈為2021年5月1日至5月30日研究區(qū)域內(nèi)1.0級(jí)以上地震震中位置分布(地震目錄數(shù)據(jù)來自蘇金波等，2021).Fig.1 Binchuan large volume airgun source, Yangbi MS6.4 earthquake sequence location and surrounding observation stations distribution mapThe blue and red triangles denote the distribution of temporary and permanent seismic stations, respectively. The yellow star is the epicenter of the MS6.4 main earthquake. The red star is the location of Binchuan large volume airgun source. The black lines represent the faults in the study area. The black circles represent the epicenter of earthquakes with magnitudes above 1.0 in the study area from May 1 to May 30, 2021 (The seismic catalogue data from Su et al., 2021).

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

自2011年9月起，賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)開始正常運(yùn)轉(zhuǎn)，每隔2天進(jìn)行一組激發(fā)，在夜間連續(xù)激發(fā)3～4 h，激發(fā)工作壓力為15 MPa.2021年5月21日漾濞MS6.4地震前一個(gè)月，激發(fā)實(shí)驗(yàn)有兩種工作模式，一是在2021年4月13日至4月27日期間進(jìn)行了24 h連續(xù)激發(fā)，激發(fā)間隔為30 min，共激發(fā)694次.另外一種激發(fā)模式是在2021年5月6日至5月18日，每隔2天激發(fā)一組，凌晨0時(shí)到3時(shí)間隔15 min進(jìn)行激發(fā)，共激發(fā)65次.漾濞MS6.4地震發(fā)生后，從5月21日晚上22時(shí)開始進(jìn)入24 h連續(xù)激發(fā)，截至6月3日，共激發(fā)1042次，圖2a為氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)激發(fā)瞬間的場(chǎng)景.

為檢驗(yàn)氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)激發(fā)產(chǎn)生地震波信號(hào)的重復(fù)性，參照相關(guān)研究人員利用近場(chǎng)臺(tái)站記錄波形互相關(guān)系數(shù)的方法(陳颙等，2007，2017；王彬等，2016；魏斌等，2016；張?jiān)龋?017；Yang et al., 2018; Wang et al., 2020)，對(duì)地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)50 m處的流動(dòng)地震儀的記錄波形進(jìn)行了重復(fù)性分析.首先，將2021年4月13日至5月23日期間激發(fā)產(chǎn)生的800次地震波信號(hào)重疊(圖2b)，氣槍信號(hào)均呈現(xiàn)出極高的一致性；其次，選取其中一次波形信號(hào)作為參考信號(hào)，將所有信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，結(jié)果顯示互相關(guān)系數(shù)幾乎都在0.95以上(圖2c)，與前人分析的結(jié)果完全一致(王彬等，2016；Wang et al., 2020).

另外，結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的大容量氣槍震源的地震波傳播特征，云南賓川(4×2000 in3)、新疆呼圖壁(6×2000 in3)和甘肅張掖(4×2000 in3)等地信號(hào)發(fā)射臺(tái)激發(fā)產(chǎn)生的氣槍信號(hào)經(jīng)過～100次疊加后，分別可在300 km、500 km和400 km距離處的地震臺(tái)站檢測(cè)到氣槍信號(hào)(楊微等，2021)，這與氣槍震源的激發(fā)容量、水體環(huán)境(水深和水面面積等)、周圍地質(zhì)構(gòu)造和人類活動(dòng)等有關(guān)，而受信噪比的限制，用于波速變化分析的臺(tái)站距離也只能到幾十公里(魏蕓蕓等，2016；張?jiān)龋?017；楊建文等，2019；徐亞飛等，2021).在氣槍震源激發(fā)容量相同情況下，云南賓川信號(hào)發(fā)射臺(tái)激發(fā)信號(hào)的傳播距離比甘肅張掖的要近，與云南大理的地質(zhì)構(gòu)造和人類活動(dòng)等有關(guān)，云南賓川氣槍信號(hào)波形需要更多次數(shù)的疊加來提高信噪比，以滿足波速變化高精度探測(cè)的需求.因此，結(jié)合實(shí)際波形數(shù)據(jù)及信噪比情況，本文著重于分析漾濞MS6.4地震前后的波速變化.

圖2 (a) 賓川大容量氣槍震源激發(fā)瞬間； (b) 參考臺(tái)記錄到800次氣槍震源激發(fā)的垂直分量波形； (c) 參考臺(tái)記錄到的震源激發(fā)信號(hào)垂直分量互相關(guān)系數(shù)Fig.2 (a) Excitation moment of Binchuan large volume airgun source; (b) The vertical waveforms of 800 times airgun source excitation signals recorded by the reference station; (c) The cross-correlation coefficient of airgun source signal recorded by the reference station

2 分析方法及流程

2.1 根據(jù)噪聲 RMS水平篩選氣槍信號(hào)

信號(hào)的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)是進(jìn)行走時(shí)變化測(cè)量的重要影響因素.信噪比是信號(hào)的強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，可以定義為信號(hào)振幅的均方根(Root Mean Square，RMS)與噪聲振幅的均方根的比值.由于氣槍信號(hào)的高度重復(fù)性，因此氣槍信號(hào)的RMS值一般在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，當(dāng)氣槍信號(hào)受到地震或者較強(qiáng)干擾時(shí)，其記錄波形的振幅將會(huì)顯著增大，記錄波形的RMS值也會(huì)隨之大幅度增大，使得疊加后的氣槍信號(hào)淹沒在干擾之中(蔣生淼等，2017).

在數(shù)據(jù)處理中，首先對(duì)截取出的氣槍信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理(包括去均值、去線性趨勢(shì))，并計(jì)算信號(hào)振幅的均方根值σ，σ值越大，外界干擾對(duì)信號(hào)的影響越大.然后，對(duì)σ值進(jìn)行升序排列后，將其逐條疊加可以得到一個(gè)動(dòng)態(tài)反映單個(gè)臺(tái)站記錄到氣槍信號(hào)的噪聲水平函數(shù)：

(1)

噪聲水平函數(shù)N隨信號(hào)數(shù)量n的變化形式為類拋物線，存在一個(gè)使得噪聲水平函數(shù)N最小的σmin值.最后，以σmin作為閾值，將信號(hào)振幅的均方根σ小于σmin的波形記錄用于后續(xù)處理.

這種篩選方法可以剔除強(qiáng)噪聲干擾記錄，特別是在地震活動(dòng)性較強(qiáng)、氣槍信號(hào)提取受到干擾較大時(shí)，可以改善和提高氣槍信號(hào)疊加后的信噪比.

2.2 反褶積降低震源變化的影響

氣槍震源激發(fā)后，高壓氣泡在上升過程中產(chǎn)生的往復(fù)振蕩，導(dǎo)致氣槍震源近場(chǎng)波形在時(shí)間上具有一定的持續(xù)性，使得氣槍信號(hào)往往比天然地震更為復(fù)雜.臺(tái)站記錄到的氣槍信號(hào)可以表示為

d(t)=s(t)*g(t)*i(t)+n(t),

(2)

其中，d(t)為臺(tái)站記錄到的信號(hào)，s(t)為震源時(shí)間函數(shù)，g(t)為格林函數(shù)，i(t)為地震儀對(duì)信號(hào)的脈沖響應(yīng)，n(t)為環(huán)境噪聲，*為卷積符號(hào).在數(shù)據(jù)處理中，可以忽略噪聲影響.由于觀測(cè)使用的臺(tái)站儀器均為同一種型號(hào)，且觀測(cè)位置不變，因此可以不考慮儀器響應(yīng)的影響.那么2個(gè)信號(hào)在時(shí)間域中的褶積就等于其在頻率域中的乘積，格林函數(shù)G(ω)可以表示為：

(3)

為了獲得地下介質(zhì)響應(yīng)的格林函數(shù)G(ω)，采用常用的水準(zhǔn)反褶積方法(楊微等，2010；Yang et al., 2018；Wang et al., 2020)，將遠(yuǎn)場(chǎng)臺(tái)站記錄到的信號(hào)與參考臺(tái)記錄到的氣槍信號(hào)進(jìn)行反褶積計(jì)算，即可得到

(4)

2.3 氣槍信號(hào)疊加

通過反褶積處理得到各觀測(cè)臺(tái)站與震源近場(chǎng)參考臺(tái)站之間的格林函數(shù)，在距離氣槍震源較遠(yuǎn)的臺(tái)站，單次激發(fā)無法得到信噪比較高的氣槍信號(hào).依賴于氣槍信號(hào)的高度重復(fù)性，可以利用波形疊加的方法來提高信噪比.考慮到信噪比問題，為獲得可靠的波速變化結(jié)果，本文采用線性疊加和時(shí)頻域相位加權(quán)疊加兩種方式對(duì)反褶積后的氣槍信號(hào)進(jìn)行疊加.

(1)線性疊加

線性疊加是對(duì)多次重復(fù)信號(hào)相加后求平均，可以表示為：

(5)

(2)時(shí)頻域相位加權(quán)疊加

得益于氣槍震源的高度重復(fù)性，信號(hào)的時(shí)頻分布特征比較一致，而噪聲的時(shí)頻域分布特征則呈現(xiàn)隨機(jī)分散分布(顧廟元等，2016).根據(jù)Stockwell等(1996)提出的Stockwell變換的可逆性，Schimmel和Gallart(2007)將時(shí)間域的相位加權(quán)疊加推廣到時(shí)頻域，利用時(shí)頻域相位加權(quán)疊加的方法，提高信號(hào)的信噪比.

Stockwell變換的表達(dá)式為：

(6)

其中f為信號(hào)頻率.w(τ-t,f)為高斯窗口，表達(dá)式為：

(7)

相位加權(quán)系數(shù)Ct f(τ,f)的表達(dá)式為

(8)

其中，Sj(τ,f)為第j次激發(fā)信號(hào)經(jīng)過S變換后的結(jié)果.然后將時(shí)頻域內(nèi)的信號(hào)經(jīng)過線性疊加得到Sls(τ,f)，乘以相位加權(quán)系數(shù)Ct f(τ,f)，再經(jīng)過Stockwell逆變換，得到時(shí)頻域相位加權(quán)疊加后的信號(hào)S(t)為：

S(t)=inv{Ct f(τ,f)γSl s(τ,f)},

(9)

其中，γ為加權(quán)因子.從圖3可以看出，在同樣的疊加數(shù)量下，相比于線性疊加方法(圖3a)，時(shí)頻域相位加權(quán)疊加方法可以獲得信噪比更高的氣槍信號(hào)(圖3b).

2.4 互相關(guān)提取走時(shí)變化

疊加后格林函數(shù)的信噪比得到了較大的改善和提高(圖3).先進(jìn)行2.5～5 Hz的Butterworth帶通濾波，并將地震前的格林函數(shù)作為參考信號(hào)，采用時(shí)間窗長(zhǎng)為0.6 s和滑動(dòng)窗長(zhǎng)為0.3 s的互相關(guān)方法，與地震后的格林函數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到每個(gè)信號(hào)窗口相對(duì)于參考信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)和對(duì)應(yīng)的走時(shí)延遲.由于觀測(cè)儀器的采樣率是100 Hz，即每10 ms進(jìn)行一次采樣，為了獲得更高的走時(shí)變化測(cè)量精度，利用余弦函數(shù)插值擬合的方法(Wang et al.，2008)，以更高的采樣率重建了互相關(guān)函數(shù)，從而得到亞采樣的測(cè)量精度(Niu et al.，2008；王偉濤等，2009；Wang et al.，2008，2020).

由于探測(cè)精度受信噪比和重復(fù)性的影響，在計(jì)算走時(shí)變化時(shí)，為了保證分析結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，選取初至波形最大振幅和互相關(guān)系數(shù)較大、且窗口長(zhǎng)度為0.1 s的余弦插值擬合走時(shí)變化曲線，然后分別將平均值和標(biāo)準(zhǔn)差作為走時(shí)變化值和誤差.圖4給出了53038臺(tái)站計(jì)算走時(shí)變化的過程，圖4a和4b分別是地震前后挑選波形進(jìn)行反褶積、線性疊加和濾波后的格林函數(shù)，再進(jìn)行滑動(dòng)互相關(guān)計(jì)算獲得互相關(guān)系數(shù)(圖4c)和余弦函數(shù)插值擬合后的走時(shí)延遲曲線(圖4d)，在此選取計(jì)算初至P波震相走時(shí)變化曲線的窗口為10.0～10.1 s(圖4d)，得到的走時(shí)變化值和誤差分別是2.8 ms和0.3 ms.

圖3 各臺(tái)站垂直向信號(hào)經(jīng)過反褶積后線性疊加(a)和時(shí)頻域相位加權(quán)疊加 (b)后氣槍信號(hào)剖面圖(信號(hào)經(jīng)過2.5～5 Hz帶通濾波)Fig.3 The vertical profile of airgun signal after deconvolution, linear stacked (a) and phase weighted stacked in time-frequency domain (b), and bandpass filtered with 2.5～5 Hz

圖4 互相關(guān)延時(shí)檢測(cè)方法原理(以53038臺(tái)為例)(a) 地震前信號(hào)； (b) 地震后信號(hào)； (c) 互相關(guān)系數(shù)； (d) 互相關(guān)延遲檢測(cè)得出走時(shí)變化.Fig.4 Principle of cross-correlation delay detection method (take 53038 station as an example)(a) Signal before the earthquake; (b) Signal after the earthquake; (c) Cross-correlation coefficient (CC); (d) Travel-time delay (dt) obtained by cross-correlation delay detection.

3 地震前后波速變化測(cè)量

按照上述分析方法及流程，結(jié)合氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)的位置、漾濞MS6.4地震震源破裂區(qū)域和觀測(cè)臺(tái)站的分布，對(duì)從氣槍震源點(diǎn)往西方向的20多個(gè)臺(tái)站記錄進(jìn)行篩選，并考慮信噪比需要足夠高以滿足探測(cè)精度的要求，最終選定了53258、53037、53038、53250、CHT、EY211、EY213、EY214、EY216共9個(gè)臺(tái)站記錄來分析地震前后的波速變化特征.根據(jù)臺(tái)站的噪聲RMS水平，對(duì)9個(gè)臺(tái)站記錄的地震前2021年4月13日至5月18日期間759次激發(fā)和地震后2021年5月21日至6月3日期間1042次激發(fā)的波形進(jìn)行了篩選，得到了各個(gè)臺(tái)站用于疊加的波形記錄，各臺(tái)站信息和疊加次數(shù)見表1.

將9個(gè)臺(tái)站篩選后的波形記錄進(jìn)行反褶積、疊加和濾波處理，圖5a,5c中給出了篩選后的氣槍信號(hào)進(jìn)行線性疊加和時(shí)頻域相位加權(quán)疊加的走時(shí)剖面圖，地震前后信號(hào)的重復(fù)性較好，特別是初至波震相的一致性較高.然后分別選擇兩種疊加方法得到信號(hào)的初至波震相的0.6 s作為互相關(guān)延時(shí)檢測(cè)的時(shí)間窗，圖5b和5d分別是地震前后兩種疊加方法所選取初至波震相的局部放大圖.

表1 各臺(tái)站位置信息與走時(shí)變化情況Table 1 Basic location information and travel-time delay of each station

圖5 (a) 地震前(黑色)和地震后(紅色)線性疊加得到的波形； (b) 線性疊加后各臺(tái)站初至波信號(hào)局部放大； (c) 地震前(黑色)和地震后(紅色)時(shí)頻域相位加權(quán)疊加得到的波形；(d)時(shí)頻域相位加權(quán)疊加后各臺(tái)站初至波信號(hào)局部放大Fig.5 (a) Waveform obtained by linear stacking before (black) and after (red) earthquake; (b) Local amplification of the first arrival signals of each station waveform after linear stacking; (c) Waveform obtained by phase weighted stacking in time-frequency domain before (black) and after (red) earthquake; (d) Local amplifications of the first arrival signals of each station waveform after phase weighted stacking in time-frequency domain

圖6 (a) 進(jìn)行走時(shí)變化測(cè)量的9個(gè)臺(tái)站的分布圖； (b) 各臺(tái)站的走時(shí)變化隨偏移距的關(guān)系； (c) 震源區(qū)發(fā)生地震在圖(a)中A-A′線上的投影Fig.6 (a) The distribution of 9 stations where travel-time variation measurements were made; (b) The relationship between travel-time delay of each station and offset; (c) The projection of earthquakes occurring in the source region on the A-A′ line shown in figure (a)

通過互相關(guān)延時(shí)檢測(cè)、余弦插值擬合和誤差分析，得到了選取的9個(gè)臺(tái)站(圖6a)在地震前后初至波走時(shí)的相對(duì)變化值(圖6b)，從走時(shí)變化圖上可以明顯的看出，根據(jù)線性疊加和相位加權(quán)疊加后信號(hào)，測(cè)量得到走時(shí)變化曲線趨勢(shì)基本一致.我們將2021年5月1日至5月30日之間，研究區(qū)域發(fā)生的1級(jí)以上地震(數(shù)據(jù)來自蘇金波等，2021)投影到以氣槍震源位置A′作為起始點(diǎn)，向正西方向延伸120 km至A點(diǎn)的A′-A剖面上(圖6c).結(jié)合圖6b和6c可以得出，在漾濞MS6.4地震震源區(qū)附近的53250，CHT和EY211臺(tái)觀測(cè)到的地震前后走時(shí)變化幅度較大，最大變化量達(dá)到14.4 ms(表1)，而距離主震震中距最近的53038臺(tái)觀測(cè)到的走時(shí)變化只有2～3 ms.距離震源區(qū)較遠(yuǎn)其他幾個(gè)臺(tái)站(53258、53037、EY213、EY214和EY216)走時(shí)變化量均小于震源區(qū)附近的臺(tái)站，為2～6 ms.

4 討論

利用賓川地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)激發(fā)的氣槍震源信號(hào)，對(duì)2021年5月21日MS6.4漾濞地震前后的地震波走時(shí)進(jìn)行了測(cè)量，通過對(duì)比地震前后的走時(shí)變化，發(fā)現(xiàn)沿地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)到震源區(qū)域方向的地震波走時(shí)存在著2～14.4 ms的延遲.在主震震中25 km范圍的3個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到氣槍信號(hào)初至波走時(shí)存在7.3～14.4 ms的較大延遲，相對(duì)走時(shí)變化為0.08%～0.12%.相比之下，在遠(yuǎn)離震中臺(tái)站觀測(cè)到地震前后氣槍信號(hào)初至波的走時(shí)變化幅度為2～6 ms.觀測(cè)獲得的地震前后地震波走時(shí)變化與前人在其他地震震源區(qū)所觀測(cè)到的結(jié)果相類似，例如，1989年美國(guó)洛馬MW6.9地震在震源區(qū)周圍觀測(cè)到最大21 ms的同震走時(shí)變化(Rubinstein, 2004)，2008年四川汶川MS8.0地震引起的同震波速相對(duì)變化約為0.4%(Cheng et al., 2010)，2009年四川綿竹MS5.6地震在地震斷裂帶引起的地震直達(dá)波走時(shí)變化為5～9 ms，平均相對(duì)走時(shí)變化約為0.3%，而斷裂帶內(nèi)應(yīng)力調(diào)整引起的相對(duì)走時(shí)變化約為2.0%(楊微等，2010；Yang et al., 2014).

地震同震效應(yīng)引起的地下介質(zhì)波速變化已在多個(gè)區(qū)域被觀測(cè)到，采用的方法包括重復(fù)地震、背景噪聲和人工震源等(Schaff and Beroza, 2004；Cheng et al., 2010；楊微等，2010；Pei et al., 2019).開展介質(zhì)波速變化測(cè)量的影響因素主要有震源的重復(fù)性、測(cè)量系統(tǒng)的時(shí)間服務(wù)精度和測(cè)量方法的計(jì)算誤差等(Niu et al., 2008；Wang et al., 2008，2020；楊微等，2010；Yang et al., 2018).本文采用的是大容量氣槍震源來測(cè)量地下介質(zhì)的波速變化，而大容量氣槍震源具有高度可重復(fù)性(陳颙等，2007)，其產(chǎn)生的波形互相關(guān)系數(shù)高于其他重復(fù)震源(王彬等，2016；Wang et al., 2020).從圖2b和2c中也看出，用于測(cè)量漾濞6.4級(jí)地震前后地震波走時(shí)變化的氣槍震源信號(hào)具有非常好的重復(fù)性，與前人分析的結(jié)果一致，在氣槍震源近場(chǎng)記錄的信號(hào)互相關(guān)系數(shù)幾乎都在0.95以上.另外，在氣槍震源激發(fā)的過程中還會(huì)受到激發(fā)水體水位的影響(欒奕等，2016；楊微等，2020)，在圖2c中的波形互相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，主要受到了水庫(kù)水位變化的影響.在地震波走時(shí)測(cè)量過程中，本文采用常用的波形反褶積方法(Yang et al., 2018; Wang et al., 2020)，來降低激發(fā)水體水位變化對(duì)氣槍震源的影響(楊微等，2020)，以提高走時(shí)變化測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性.

測(cè)量系統(tǒng)時(shí)間服務(wù)精度可通過觀測(cè)儀器的GPS時(shí)鐘校正誤差記錄來分析.沿氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)往西方向，可用于地震波走時(shí)變化測(cè)量的臺(tái)站共9個(gè)，其觀測(cè)儀器均采用GPS連續(xù)授時(shí)的模式.對(duì)觀測(cè)期間的臺(tái)站儀器進(jìn)行了鐘差統(tǒng)計(jì)分析(圖7)，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)儀器具有較好的GPS時(shí)間服務(wù)精度，GPS校正誤差幾乎都在±2 μs以內(nèi)，其中最大的時(shí)間校正誤差為30 μs，也仍遠(yuǎn)小于觀測(cè)到的地震波走時(shí)變化(ms級(jí)).同時(shí)，對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)儀器也進(jìn)行了核查，在用于地震波走時(shí)變化測(cè)量的觀測(cè)期間，地震觀測(cè)儀器未出現(xiàn)故障和更換，9個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到的地震波走時(shí)變化測(cè)量結(jié)果也在側(cè)面上反映了觀測(cè)儀器良好的工作狀態(tài).

圖7 GPS時(shí)鐘漂移分布Fig.7 Distribution of the GPS clock drift

在地震波走時(shí)變化測(cè)量過程中，波形互相關(guān)的計(jì)算誤差(στ)可以用克拉美-羅下限(公式(10))準(zhǔn)則來估算(Niu et al., 2008；Wang et al., 2020).

(10)

其中，f0為震源的主頻率，T為所選窗口的長(zhǎng)度，SNR為信噪比，ρ為波形互相關(guān)系數(shù)，B為信號(hào)頻寬.根據(jù)賓川氣槍震源發(fā)射臺(tái)的信號(hào)特征，公式(10)中f0=4 Hz，B=0.6,ρ≈1，T=0.6 s，且保持不變.因此，走時(shí)變化的計(jì)算誤差主要取決于氣槍信號(hào)的信噪比.用于波速變化測(cè)量的氣槍信號(hào)(疊加后)信噪比范圍在20～50，根據(jù)公式(10)，氣槍信號(hào)的互相關(guān)計(jì)算誤差的理論值約為0.3～0.9 ms，與各個(gè)臺(tái)站實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算走時(shí)變化給出的誤差相當(dāng).而觀測(cè)到的漾濞6.4地震前后在震源區(qū)的地震波走時(shí)變化幅度為7.3～14.4 ms，比理論誤差值大1個(gè)數(shù)量級(jí).另外，Wang等(2020)利用賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)的信號(hào)，觀測(cè)到了P波和S波隨時(shí)間的連續(xù)變化特征，與環(huán)境日變化和半日變化具有較好的相關(guān)性，進(jìn)一步說明了基于賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)的地震波速度變化測(cè)量系統(tǒng)具有較好的探測(cè)精度.

綜上所述，通過賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)觀測(cè)到了漾濞MS6.4級(jí)地震引起的同震波速變化.同震波速變化產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，到目前為止，同震效應(yīng)引起的介質(zhì)波速變化可以解釋為地震時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)地表運(yùn)動(dòng)造成淺層介質(zhì)的裂隙增加(Schaff and Beroza, 2004; Peng and Ben-Zion, 2006；Brenguier et al., 2008； Takagi et al., 2012)，地震斷裂帶的同震破裂(Li et al., 2007；Yang et al., 2014；Liu et al., 2014 )，地震震源區(qū)裂隙的打開和流體作用造成應(yīng)力場(chǎng)的變化(Li et al., 1998，2003; Ikuta and Yamaoka, 2004；Brenguier et al., 2008；Cheng et al., 2010)等，其中淺層介質(zhì)破壞引起波速降低的相對(duì)變化幅度在百分之幾到百分之十幾，而地下應(yīng)力場(chǎng)變化引起的波速變化幅度很小，往往被強(qiáng)地表運(yùn)動(dòng)造成淺層介質(zhì)破壞引起的波速變化幅度所掩蓋(Takagi et al., 2012；Pei et al., 2019).另外，地震同震效應(yīng)引起的地震波速度變化幅度與地震的震級(jí)大小、波速變化觀測(cè)時(shí)間、距離和深度等因素有關(guān).例如，1999年美國(guó)Hector MineMS7.1地震產(chǎn)生的破裂區(qū)，在2000年10月到2001年11月期間，震后恢復(fù)過程中地震P波和S波速度變化增加幅值為15～28 ms和21～36 ms，其相應(yīng)的走時(shí)變化分別為0.7%～1.4%和0.5%～1.0%，而圍巖的波速變化相對(duì)增加較小(Li et al., 2003).2004年美國(guó)ParkfieldMS6.0地震，在寬度約為200 m的地震斷裂帶產(chǎn)生的同震波速變化降低了2.5%(Li et al., 2007).在遠(yuǎn)離日本2000年TottoriMW6.6地震和2001年GeiyoMW6.8地震震中165 km和215 km的Nojima斷裂帶附近，利用ACROSS震源分別觀測(cè)到了S波走時(shí)呈現(xiàn)出0.4%和0.1%的延遲，然后逐漸恢復(fù)的過程(Ikuta and Yamaoka, 2004).

為了進(jìn)一步解釋觀測(cè)到的地震前后波速變化機(jī)理，對(duì)沿地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)往震源區(qū)域方向的觀測(cè)臺(tái)站獲得地震波走時(shí)變化進(jìn)行了對(duì)比分析(圖6).從表1、圖6b和6c可以看出，在漾濞6.4級(jí)地震震源區(qū)附近的臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化比震中距較遠(yuǎn)臺(tái)站的變化幅度要大，且遠(yuǎn)離震源區(qū)的5個(gè)臺(tái)站(53258、53037、EY213、EY214和EY216)觀測(cè)到的走時(shí)變化基本一致，而走時(shí)變化的射線路徑是從氣槍震源點(diǎn)傳播到各個(gè)臺(tái)站.因此，可排除走時(shí)變化是由地下介質(zhì)均勻變化和深部介質(zhì)變化引起的.根據(jù)中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)大理中心的氣象觀測(cè)資料可知，大理州下關(guān)站從2021年4月13日至5月21日的降雨量累計(jì)為3.6 mm，從2021年5月22日至6月3日的降雨量累計(jì)為4.9 mm，在主震前后的降雨量沒有特別大的變化.由此可推得，遠(yuǎn)離震源區(qū)的5個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到地震前后的走時(shí)變化主要是由于地震同震導(dǎo)致強(qiáng)地表運(yùn)動(dòng)造成淺層介質(zhì)的裂隙增加.

在距離主震震中25 km范圍內(nèi)的4個(gè)臺(tái)站(53250、CHT、EY211和53038)，觀測(cè)到的走時(shí)變化呈現(xiàn)著較大差異.53250、CHT和EY211臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化比53038臺(tái)的要大幾倍，且53038臺(tái)觀測(cè)到的走時(shí)變化與遠(yuǎn)離震源區(qū)臺(tái)站的變化幅度相當(dāng).這可能與發(fā)震斷裂帶和臺(tái)站分布的位置有關(guān)，漾濞6.4級(jí)地震發(fā)震斷裂帶產(chǎn)狀與維西—喬后斷裂基本一致，走向與維西—喬后斷裂平行，呈NW-SE走向、高傾角SW傾向節(jié)面(龍鋒等，2021；張克亮等，2021).53250、CHT和EY211臺(tái)站沿發(fā)震斷裂帶分布，而53038臺(tái)站距離發(fā)震斷裂帶略遠(yuǎn)一點(diǎn)，且又在斷裂帶的NE側(cè)，氣槍信號(hào)的傳播射線路徑有可能沒穿過震源區(qū).因此，53038臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化也主要是由地震導(dǎo)致強(qiáng)地表運(yùn)動(dòng)引起的，而53250、CHT和EY211臺(tái)觀測(cè)到的走時(shí)變化不僅限于強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)造成的淺層介質(zhì)破壞.

在沿發(fā)震斷裂帶走向方向的3個(gè)臺(tái)站，我們觀測(cè)到的漾濞MS6.4地震引起氣槍信號(hào)初至波的走時(shí)變化為7.3～14.4 ms，與其他研究人員的觀測(cè)結(jié)果基本一致.例如：Li等(2007)在美國(guó)Parkfield觀測(cè)到MS6.0地震前后，S波和尾波震相穿過發(fā)震斷裂帶產(chǎn)生的走時(shí)變化不低于20 ms；Yang等(2014)在四川綿竹觀測(cè)到MS5.6地震前后，地震直達(dá)P波穿過斷裂帶的走時(shí)變化為5～9 ms.這主要是由于地震波傳播射線路徑穿過了震源區(qū)或發(fā)震斷裂帶的部分區(qū)域，但臺(tái)站分布與發(fā)震斷裂帶的位置不是很明確，且只有賓川氣槍震源一個(gè)信號(hào)發(fā)射點(diǎn)，射線路徑不交叉，觀測(cè)到走時(shí)變化的空間分布還需要有該區(qū)域高精度的速度模型來解釋.同時(shí)，雷興林等(2021)認(rèn)為該地震主震前后的地震活動(dòng)性與潮汐活動(dòng)有著密切的相關(guān)性，表明該次地震序列可能受到了流體運(yùn)移的影響.蘇金波等(2021)基于深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建了漾濞MS6.4地震的高精度地震目錄，發(fā)現(xiàn)地震的觸發(fā)作用可能與流體運(yùn)移有關(guān)，且流體運(yùn)移通道位于主震SE方向，走向與維西—喬后斷裂近平行.由此可推測(cè)，該次地震的流體運(yùn)移通道可能主要沿著發(fā)震斷裂帶走向方向，從圖6a可以看出分布于發(fā)震斷裂帶附近的53250、CHT和EY211臺(tái)，觀測(cè)到的地震前后走時(shí)變化可能是由地震同震破裂和流體運(yùn)移并侵入巖石裂隙共同造成的，而53038臺(tái)位于發(fā)震斷裂帶的NE側(cè)，不在同震破裂和流體侵入的影響區(qū)域.

在走時(shí)變化分析中發(fā)現(xiàn)一個(gè)比較有趣的現(xiàn)象，就是觀測(cè)位置比較靠近的53250和53038臺(tái)站，觀測(cè)到的走時(shí)變化存在明顯的兩極分化，即53250臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化幅度最大，存在著14.4 ms的延遲，而53038臺(tái)站距離53250臺(tái)站約5 km的距離，觀測(cè)到的走時(shí)變化最小，只有2～3 ms.若假設(shè)該區(qū)域P波速度為5.5 km·s-1，在這么小的區(qū)域波速相對(duì)變化為～1.5%.雖然前面解釋與臺(tái)站和發(fā)震斷裂帶的位置分布有關(guān)，53038臺(tái)站的射線路徑未穿過震源破裂或斷裂帶區(qū)，但在這么小的破裂或斷裂帶區(qū)域能否產(chǎn)生這么大的相對(duì)變化值？一次MS6.0地震在震源處產(chǎn)生的同震靜態(tài)應(yīng)力變化量的范圍為30 MPa到70 MPa，根據(jù)應(yīng)力降的估算公式(Niu et al., 2008)，在沿發(fā)震斷裂帶附近中淺層的同震靜態(tài)應(yīng)力變化量為(0.9～2.15)×104Pa.在淺層地表或斷裂帶裂隙較為發(fā)育的區(qū)域，介質(zhì)的應(yīng)力敏感性一般取～10-6/Pa(Wang et al., 2008；Yang et al., 2014)，則可觀測(cè)到的波速變化為0.9%～2.15%，我們觀測(cè)到～1.5%的相對(duì)變化屬于合理范圍.

另外，通過對(duì)臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境進(jìn)行對(duì)比分析(表1)，發(fā)現(xiàn)在發(fā)震斷裂帶附近和遠(yuǎn)離震源臺(tái)站觀測(cè)的走時(shí)變化，都存在著觀測(cè)環(huán)境有基巖出露時(shí)(CHT和53038臺(tái))比架設(shè)在沉積層上的臺(tái)站觀測(cè)到的走時(shí)變化幅度小.表明地震引起強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)造成淺層介質(zhì)疏松，進(jìn)而影響孔隙度的增加導(dǎo)致地震波走時(shí)延遲.Wang 等(2020)也觀測(cè)到了這種在沉積盆地(沉積層)臺(tái)站的走時(shí)變化幅度要比基巖臺(tái)站的大的現(xiàn)象，說明淺地表沉積層的影響在介質(zhì)波速變化監(jiān)測(cè)研究中不可忽視.

5 結(jié)論

本文基于云南賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)及其探測(cè)技術(shù)系統(tǒng)，利用陸地水體氣槍震源的高度可重復(fù)性，對(duì)2021年5月21日漾濞MS6.4地震前后的觀測(cè)資料進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，獲得的初步結(jié)論如下：

(1)賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)激發(fā)產(chǎn)生的地震波信號(hào)具有高度可重復(fù)的特征，可通過多次疊加提高信噪比，為開展區(qū)域介質(zhì)波速變化監(jiān)測(cè)提供了新的技術(shù)途徑.

(2)對(duì)比分析線性疊加和時(shí)頻域相位加權(quán)疊加兩種方法的結(jié)果，9個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到的地震前后氣槍信號(hào)初至波走時(shí)變化趨勢(shì)基本一致.

(3)在沿發(fā)震斷裂帶走向方向附近的3個(gè)臺(tái)站，觀測(cè)到的地震前后氣槍信號(hào)初至波走時(shí)出現(xiàn)了明顯的正向延遲(波速降低)，走時(shí)變化幅度為7.3～14.4 ms，且在射線路徑上的平均相對(duì)變化量為0.08%～0.12%，可能是地震引起的淺地表沉積層疏松、同震破裂造成裂隙的張開和地下流體侵入等共同作用造成的.

(4)遠(yuǎn)離主震震中的臺(tái)站，觀測(cè)到的地震前后氣槍信號(hào)初至波走時(shí)變化具有較好的一致性，與發(fā)震斷裂帶附近臺(tái)站觀測(cè)的變化幅度相比明顯減小，為2～6 ms，可能主要是地震引起的強(qiáng)地表運(yùn)動(dòng)造成淺層介質(zhì)孔隙度增加，進(jìn)而導(dǎo)致波速下降.

此外，由于震后余震較多，氣槍信號(hào)的提取受到嚴(yán)重干擾，各臺(tái)站走時(shí)日變化的相關(guān)研究受信噪比的限制，還有待進(jìn)一步分析.

致謝謹(jǐn)此祝賀陳颙先生從事地球物理教學(xué)科研工作60周年.在賓川氣槍地震信號(hào)發(fā)射臺(tái)的激發(fā)和流動(dòng)地震觀測(cè)過程中，得到中國(guó)地震局地球物理研究所和中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)大理中心等單位相關(guān)人員的大力幫助.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)王寶善教授在數(shù)據(jù)處理中給予了指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝.同時(shí)，感謝三位評(píng)審專家提出的寶貴建議.