李艷娥 王林瑛 鄭需要

(中國北京100081中國地震局地球物理研究所)

汶川地震前后波速比變化特征的再研究*

(中國北京100081中國地震局地球物理研究所)

收集整理了四川省地震臺網(wǎng)1990—2012年產(chǎn)出的地震直達波震相數(shù)據(jù),利用單臺多震和達法對2008年汶川MS8.0地震前后四川地區(qū)的波速比變化特征進行了分析研究(共篩選出13個數(shù)據(jù)量較為豐富、 連續(xù)性較好的臺站)． 結(jié)果顯示： 其中位于龍門山斷裂中北段西側(cè)的4個臺站,震前出現(xiàn)長達7年左右的中長期波速比低值異常； 其它9個臺站的波速比震前變化基本穩(wěn)定． 震前波速比出現(xiàn)異常的4個臺站的分布與汶川MS8.0地震孕震區(qū)范圍大體一致,從而為研究汶川MS8.0地震前是否存在地殼介質(zhì)特性的時間變化過程,提供了有力的判定依據(jù)．

2008年汶川MS8.0地震 波速比 單臺多震和達法 地殼介質(zhì)特性

引言

2008年5月12日汶川MS8.0地震發(fā)生后,為研究汶川地震前后波速比和視速度時間變化特征,王林瑛等(2011)曾以龍門山斷裂及其附近地區(qū)的地震震相報告提供的數(shù)據(jù)為基礎,利用單震多臺和達法研究了龍門山斷裂及其附近地區(qū)的波速比和視速度在汶川地震前的低值異常過程． 研究表明,汶川地震前,在龍門山斷裂及其附近地區(qū)雖然存在波速比的低值異常,但異常幅度并不顯著； 然而,其視速度的低值異常過程顯著,且異常持續(xù)時間長達3—4年左右(王林瑛等,2011)． 該研究采用的單震多臺和達法由于會受到單次地震使用臺站分布的影響,存在較大范圍數(shù)據(jù)的平均效應,局部范圍的異?？赡軙艿綁褐坪蜏p弱． 另外,上述研究僅限于龍門山斷裂及其附近地區(qū),沒有利用整個四川省及鄰區(qū)地震震相數(shù)據(jù),無法進行龍門山斷裂附近與外圍地區(qū)波速比變化特點的對比研究． 因此,對余震區(qū)附近與外圍地區(qū)波速比變化特征的差異性研究受到限制,難以給出汶川地震余震區(qū)附近臺站出現(xiàn)的波速比異常是否唯一與汶川地震的發(fā)生具有密切關(guān)聯(lián)性的證據(jù)．

為此,本文首先收集了四川省地震局2001—2012年數(shù)字地震臺網(wǎng)產(chǎn)出的地震直達波震相數(shù)據(jù),對汶川地震前后四川省波速比的變化特征再次進行了系統(tǒng)的研究分析． 考慮到汶川地震為MS8.0巨大地震,震前波速比的異常過程有可能達到數(shù)年甚至10年以上,僅2001年1月—2012年6月的數(shù)據(jù)可能無法全面反映巨大地震前地殼介質(zhì)特性整體異常變化的全過程． 因此,又進一步補充搜集和整理了1990年1月—2000年12月四川省地震臺網(wǎng)的模擬數(shù)字地震儀臺網(wǎng)記錄的震相數(shù)據(jù),將地震震相數(shù)據(jù)從2001年向前擴展至1990年,研究數(shù)據(jù)總計時間長達22年. 其中含有122811次地震事件,891430對直達波震相數(shù)據(jù),且獲取的地震震相數(shù)據(jù)連續(xù)性很好．

1 單臺多震波速比vP/vS計算方法和使用資料

單臺多震和達法計算得到的是多次地震事件由單臺記錄的平均波速比(圖1),表征多次地震發(fā)生時段內(nèi),由多個震源至某個臺站直達波穿透路徑范圍內(nèi)的平均波速比．

圖1 單臺多震和達法示意圖Fig.1 Sketch of Wadati method of single-station and multi-earthquake

本研究采用的計算方法為單臺多震和達法,該方法由日本地震學家和達清夫1928年提出. 在假定震源區(qū)到地表介質(zhì)為理想均勻彈性的條件下,縱波速度vP和橫波速度vS與介質(zhì)泊松比σ、 彈性模量E、 介質(zhì)密度ρ之間的關(guān)系為(李善邦,1981)

(1)

(2)

(3)

由式(3)可見,vP/vS為介質(zhì)的泊松比σ的函數(shù),主要反映的是地殼中上層介質(zhì)泊松比的變化. P波和S波的速度則與介質(zhì)的泊松比σ、 彈性模量E和介質(zhì)密度ρ密切相關(guān)．

根據(jù)P波走時與P波、 S波到時差的線性關(guān)系得到vP/vS波速比值如下：

(4)

線性相關(guān)系數(shù)R為

(5)

計算誤差γ為

(6)

式中,tPi為P波走時,tSi為S波走時,Δti=tSi-tPi,n為每次地震到時數(shù)據(jù)的個數(shù),δt′Pi=(tPi-t0)-Δti/(vP/vS-1)(馮德益,1981)．

單臺多震和達法計算結(jié)果的可能影響因素為： ① 每組參與計算的地震空間位置可能不穩(wěn)定； ② 單次地震發(fā)震時刻的誤差不同． 因此在地震時空分布相對均勻和穩(wěn)定、 每次參與計算的數(shù)據(jù)量基本相同的情況下,其計算結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性較高．

四川地區(qū)是地震發(fā)生較為頻繁的地區(qū),積累了大量的數(shù)據(jù),為我們的研究篩選出質(zhì)量較高的數(shù)據(jù)提供了保障． 為了使研究結(jié)果可靠,針對單臺多震法計算波速比的特點,本文采用以下參數(shù)作為約束條件：

1) 地震數(shù)據(jù)個數(shù)N=80 (1個滑動),即采用80次地震為一組數(shù)據(jù)得到一個波速比值.

2) Δt≤20 s,即最大的震中距范圍為168 km.

3) 排除每組數(shù)據(jù)中離差偏大的震相數(shù)據(jù).

4) 相關(guān)系數(shù)R≥0.95,誤差估計γ≤0.05,刪除線性擬合較差的數(shù)據(jù).

5) 選擇震級ML≥2.7,主要考慮小地震測定精度可能會較差,容易在時間空間上形成小的叢集,所以選擇定位精度較好的地震參與計算．

2 波速比異常計算結(jié)果

四川省地震臺網(wǎng)運行可分為1990—2000年四川省模擬數(shù)字化地震記錄的運行時段和2001—2012年數(shù)字地震儀地震記錄的運行時段． 圖2為四川省及其鄰區(qū)1990年1月—2012年6月地震震中的空間分布圖.

考慮到臺網(wǎng)運行環(huán)境和分析判讀震相精度的一致性,首先分析了四川省數(shù)字地震臺網(wǎng)中上述13個地震臺站2001年1月—2012年6月的地震震相數(shù)據(jù),結(jié)果表明其中9個臺站的波速比在汶川地震之前基本穩(wěn)定,另外4個臺站的波速比在汶川地震之前出現(xiàn)低值異常,且已持續(xù)7年左右． 為提高分析結(jié)果的連續(xù)性和可靠性,又補充整理了1990年1月—2000年12月四川省地震臺網(wǎng)的模擬數(shù)字化臺網(wǎng)記錄的震相數(shù)據(jù),重點對波速比出現(xiàn)異常的4個臺站進行分析．

圖2 四川省及其鄰區(qū)1990年1月—2012年6月地震的震中空間分布圖

Fig.2 Distribution of earthquakes in Sichuan Province and its surrounding areas from January of 1990 to June of 2012

圖3 四川地區(qū)2001—2012年13個數(shù)據(jù)連續(xù)性好的地震臺站空間分布圖 Fig.3 Distribution of 13 digital seismic stations with good quality recording in Sichuan Province from 2001 to 2012

青川(QCH)、 平武(PWU)、 汶川(WCH)和黑水(HSH)等4個臺站為汶川地震前波速比出現(xiàn)低值異常過程的臺站． 圖4給出了這4個臺站1990年1月—2012年6月波速比隨時間的變化曲線,其中由于數(shù)據(jù)質(zhì)量問題平武臺使用的數(shù)據(jù)時間為1995年1月—2012年6月．

圖4 汶川(WCH),青川(QCH),黑水(HSH)和平武(PWU)臺波速比隨時間的變化曲線

圖中數(shù)字表示相應時間段內(nèi)的波速比平均值. 灰色豎線為計算誤差,藍色曲線為波速比結(jié)果，紅色曲線為10個點平均滑動結(jié)果,黑色實線為平均值,虛線為標準差

Fig.4 Variation ofvP/vSwith time for the stations WCH,QCH,HSH,and PWU

The numbers in the fig. denote the averagevP/vSratios at corresponding time intervals. Grey vertical bars denote error bars ofvP/vSratio,blue curve denotesvP/vSvalue,red curve denotes moving average ratio over 10 points,black solid line denotes averagevP/vSratio， dashed line denotes the standard deviation

圖中波速比穩(wěn)定段—低值異常段平均值結(jié)果顯示,這4個臺站的波速比隨時間變化的形態(tài)基本一致,從2000年開始波速比出現(xiàn)降低,低值持續(xù)了大概7年時間； 但在臨震前波速比的變化特征不明顯,其原因可能是由于選取80次地震作為一組計算結(jié)果,從時間上不足以分辨波速比的變化； 如果改為40次地震或者30次地震作為一組數(shù)據(jù),臨震前即可看到波速比的恢復形態(tài)． 由于資料原因,本研究重點分析波速比穩(wěn)定且持續(xù)時間長的低值異常．

油榨坪(YZP)、 道孚(DFU)、 姑咱(GZA)、 九龍(JLO)、 蒙頂山(MDS)、 馬爾康(MEK)、 壤塘(RTA)、 五馬坪(WMP)和成都(CD2)等9個臺站波速比在汶川地震前變化基本平穩(wěn)． 圖5給出了上述9個臺站2001年1月—2012年6月波速比隨時間的變化曲線．

采用單臺多震和達法研究結(jié)果表明,沿龍門山斷裂帶汶川、 青川、 黑水和平武等4個地震臺的波速比出現(xiàn)明顯的正?！档汀S持長期低值—發(fā)震的階段性異常變化過程. 汶川MS8.0地震發(fā)生后,上述4個臺站的波速比伴隨著余震活動強度的逐漸衰減快速恢復到震前的背景水平． 分布在鮮水河斷裂帶、 龍門山斷裂帶南段、 安寧河—則木河斷裂帶以及圖5所示的9個臺站,汶川地震前后的波速比變化基本平穩(wěn)．

下面以黑水臺為例對不同方位波速比進行研究,對異常的主要區(qū)域進一步加以判斷和分析. 和達法是基于一種平均意義的計算結(jié)果,其計算過程中會受到多種因素,諸如計算波速比所使用的地震空間分布、 時間分布等影響,這會造成結(jié)果的不穩(wěn)定性和差異性． 當某個臺站出現(xiàn)波速比異常時,如何判斷是否與未來強震相關(guān)？ 能否從波速比異常的方位得到一些信息？ 假如波速比低值異常與強震相關(guān),那么出現(xiàn)異常的區(qū)域應與強震的孕震區(qū)大體一致； 相反,在遠離孕震區(qū)的方位波速比變化則基本穩(wěn)定． 圖6給出了黑水臺不同方位

圖5 油榨坪(YZP)、 道孚(DFU)、 姑咱(GZA)、 九龍(JLO)、 蒙頂山(MDS)、 馬爾康(MEK)、 壤塘(RTA)、 五馬坪(WMP)和成都(CD2)等臺2001年1月—2012年6月單臺波速比隨時間的變化曲線灰色豎線為計算誤差,藍色曲線為波速比結(jié)果,紅色曲線為10個點平均滑動結(jié)果，黑色實線為平均值,虛線為標準差的波速比變化特征的對比分析,將參與計算的地震以圖中的直線分為A區(qū)和B區(qū)．

Fig.5 Variation ofvP/vSwith time for the stations YZP,DFU,GZA,JLO，MDS,MEK,RTA,WMP and CD2 from January of 2001 to June of 2012

Grey vertical bars denote error bars ofvP/vSratio,blue curve denotesvP/vSvalue，red curve denotes moving average ratio over 10 points,black solid line denotesaveragevP/vSratio,dashed line denotes the standard deviation

圖6 計算黑水臺(HSH)波速比所使用地震的空間分布. 綠色直線為A區(qū)與B區(qū)的分界線Fig.6 Distribution of earthquakes used for calculating vP/vS ratio of the station HSH where the green line divides the subareas A and B

圖7給出了A區(qū)和B區(qū)波速比隨時間的變化． 結(jié)果表明,在遠離斷裂帶的A區(qū)波速比變化基本穩(wěn)定,而在斷裂帶附近區(qū)域的B區(qū)波速比低值異常顯著． 由此證明,波速比的異常很可能與強震的孕震區(qū)密切相關(guān)．

譯語文化譯者規(guī)模的拓展是一個漸進的過程。當譯語文化處于中心地位時，翻譯場域在譯語文化場域中一般處于邊緣地位，譯語文化譯者數(shù)量較少。當一定歷史語境下，翻譯場域地位有所提高，譯者能通過翻譯積累資本時，參與翻譯的知識分子人數(shù)會有所增加。此外，如果源語文化的傳播利于促進譯語文化場域的建構(gòu)，將會從深層次激發(fā)譯語文化譯者參與翻譯的積極性和主動性。

3 分析與討論

本文利用單臺多震和達法對汶川地震前波速比變化進行了分析,得到以下結(jié)論：

1) 通過對四川地區(qū)所篩選出的13個臺站在汶川地震前后波速比變化特征的對比分析,結(jié)果顯示其中4個臺站出現(xiàn)波速比顯著異常,其它9個臺站波速比變化穩(wěn)定． 通過對比波速比變化顯著臺站和變化穩(wěn)定臺站的空間分布,發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)波速比異常的區(qū)域與孕震區(qū)范圍大體一致,為確定震源區(qū)是否存在地殼介質(zhì)的顯著時空變化提汶川MS8.0地震前震源區(qū)是否存在地殼介質(zhì)的顯著時空變化提供了有利證據(jù)．

“掌握說”是把宗教視為人類掌握世界的一種特殊方式，從人類掌握世界的活動中認識宗教，從而獲得更具根本性的宗教本質(zhì)。[5]“生活說”強調(diào)馬克思是立足于現(xiàn)實生活維度追問宗教的根源。離開人的生活世界，離開生活的本質(zhì)，任何宗教都必然喪失其存在根據(jù)，一切基于宗教自身的觀念和學說都將變成空洞抽象的“邏輯幻覺”。[6]不難看出，無論是“掌握說”還是“生活說”，其結(jié)論的得出都是立足于馬克思對人的本質(zhì)認識和主體性地位的確認，都是從人的角度生成著對于馬克思宗教本質(zhì)的現(xiàn)實性認識成果，其差異則來自于致思理路的不同。

圖7 黑水臺根據(jù)A區(qū)(a)和B區(qū)(b)地震數(shù)據(jù)所得到的波速比隨時間的變化灰色豎線為計算誤差,藍色曲線為波速比結(jié)果,紅色曲線為10個點平均滑動結(jié)果，黑色實線為平均值,虛線為標準差

Fig.7 Variation ofvP/vSwith time for the station HSH obtained from the data of two subareasA(a) andB(b) Grey vertical bars denote error bars ofvP/vSratio,blue curve denotesvP/vSvalue， red curve denotes moving average ratio over 10 points,black solid line denotes averagevP/vSratio,dashed line denotes the standard deviation

2) 從本文分析結(jié)果看,汶川MS8.0地震在震源區(qū)存在明顯的波速比中長期異常過程． 汶川MS8.0地震在震源區(qū)存在明顯的波速比正常穩(wěn)定變化階段(2001年以前)和波速比出現(xiàn)波動變化并降低,繼而在低值處持續(xù)了近7年(2001—2007年)時間,這一現(xiàn)象可以作為汶川MS8.0地震前波速比變化的中長期特征. 這一特征與Nur(1972)、Whitcomb等(1973)、 Scholz等(1973)、 馮德益(1981)、 梅世蓉(1993)等觀點比較吻合．

3) 利用單臺多震和達法,可以清晰地識別出汶川地震前青川、 平武、 汶川和黑水等臺平均波速比出現(xiàn)顯著異常變化． 對比單震多臺和達法與單臺多震和達法可看出,由于單臺多震和達法和達曲線擬合的數(shù)據(jù)樣本給定,臺站位置固定,地震射線是從多個地震震源到臺站下方集中穿透,只要地震分布位置隨時間變化基本穩(wěn)定,便可較好地提高平均波速比的計算精度和空間分辨能力,所攜帶的多個震源附近至臺站下方地殼介質(zhì)變化的信息也更為豐富和可靠．

單震多臺和達法計算結(jié)果顯示, 波速比震前低值變化不顯著,其原因一是本研究所采用的地震樣本的空間范圍僅限于龍門山斷裂附近,所使用資料的時間長度有限； 二是由于多震多臺法選擇的地震分布范圍很大,包括部分汶川地震南部波速變化很小的地區(qū). 同時由于汶川MS8.0地震的北部震源區(qū)很長,不同部位受力方式的差異性導致波速比變化過程差異較大,多臺平均計算方法的平均效應可將異常減弱,導致異常的顯著性不突出． 由此可見,對于汶川MS8.0巨大地震,利用和達法研究其波速比的時間變化特征,單臺和達法由于其影響波速比變化因素相對較少,空間分辨率較高,在波速比異常的識別上,計算結(jié)果的可靠性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于單(多)震多臺和達法． 根據(jù)GPS研究結(jié)果,在波速比異常進入中長期和中短期階段,存在構(gòu)造塊體推擠運動過程加劇的觀測事實(中國地震局監(jiān)測預報司,2009)．

本研究是基于大量的震相報告數(shù)據(jù)進行分析得到的結(jié)果,使用的方法成熟且易于實現(xiàn),能夠利用地震臺網(wǎng)產(chǎn)出的海量數(shù)據(jù)進行分析,實現(xiàn)準實時跟蹤研究. 其缺點是這一方法受多種因素的制約和影響,諸如地震定位精度、 震相讀取誤差等. 在研究過程中對使用數(shù)據(jù)進行篩選,盡量排除由于數(shù)據(jù)質(zhì)量帶來的影響． 但是盡管如此,數(shù)據(jù)質(zhì)量存在的問題仍不可完全避免． 對于所得到的結(jié)論,仍需利用數(shù)字地震學,如重復地震的方法,從實際記錄到的波形中找到更為確鑿的波速變化證據(jù). 在今后的工作中將采用精確的波形相關(guān)技術(shù)推進和深化這方面的研究．

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Restudy of the variation ofvP/vSbefore and after the Wenchuan earthquake

(InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China)

Based on the seismic phase data recorded by Sichuan Digital Network from 1990 to 2012, this paper analyzes the variation of wave velocity ratiovP/vSbefore and after the 2008 WenchuanMS8.0 earthquake by using Wadati method of single station and multi-earthquake. We carefully winnow the date and select 13 stations with relatively abundant and continuous data. The results show that the wave velocity ratio obviously decreased at four stations before the Wenchuan earthquake in the western side of middle-northern Longmenshan fault, which lasts for almost seven years; while the ratio did not show abnormal varaiton at the other nine stations. The position of the four stations with anomalous wave velocity ratio are consistent with Wenchuan earthquake seismogenic zone, providing sufficient evidence for whether the temporal variation process of crustal media characteristics exists before the Wenchuan earthquake.

2008 WenchuanMS8.0 earthquake; wave velocity ratio; Wadati method of single station and multi-earthquake; characteristic of crustal media

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.008.

國家自然科學基金(41090292)和中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務專項(DQJB12C06)聯(lián)合資助.

2013-02-06收到初稿,2013-12-25決定采用修改稿.

e-mail: wang_linying@163.com

10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.008

P315.72

A

李艷娥,王林瑛,鄭需要. 2014. 汶川地震前后波速比變化特征的再研究. 地震學報, 36(3): 425--432.

Li Y E, Wang L Y, Zheng X Y. 2014. Restudy of the variation ofvP/vSbefore and after the Wenchuan earthquake.ActaSeismologicaSinica, 36(3): 425--432. doi:10.3969/j.issn.0253-3782.2014.03.008.