張琳琳 高朝軍

1）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市北京南路42號(hào) 830011

2）新疆巴里坤地震臺(tái)，新疆哈密 839200

0 引言

在地殼演化過程中，介質(zhì)的物理狀態(tài)會(huì)發(fā)生一系列變化。地震波攜帶著大量反映震源和介質(zhì)變化的信息，當(dāng)?shù)卣鸩ㄍㄟ^地殼介質(zhì)時(shí)，其速度會(huì)發(fā)生變化，而波速比作為地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，可用其捕捉中強(qiáng)地震前后的異常變化信息，這也是利用波速比研究地下介質(zhì)物理性質(zhì)變化的重要依據(jù)。通過對(duì)地震波波速比變化的研究，發(fā)現(xiàn)其與中強(qiáng)震有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，將波速比變化作為監(jiān)測(cè)手段來預(yù)測(cè)未來較大地震則成為地震分析預(yù)測(cè)研究的重要方法（馮德益，1981；蔡杏輝，2013；李海兵等，2008；張博等，2013；張洪艷等，2010；韓曉明等，2009；龍海英等，2011a、2011b；張暉等，2014）。

1956年，宮本貞夫通過研究福井7.2級(jí)地震發(fā)現(xiàn)，震前存在首波走時(shí)異常引起的波速異?，F(xiàn)象（馮德益等，1981）。此后國(guó)內(nèi)外地震工作者對(duì)波速異常開展了大量研究，同時(shí)多種波速異常研究方法也相繼出現(xiàn)（隗永剛等，2014）。近年來，隨著數(shù)字地震學(xué)方法的不斷推廣以及數(shù)字地震波形資料的積累，對(duì)波速比變化特征的研究逐漸增多（王林瑛等，2011；韓曉明等，2010；龍海英等，2011a，2011b），同時(shí)也獲得了不同研究區(qū)內(nèi)中強(qiáng)地震前波速比的空間分布和時(shí)序變化特征等研究成果，為中強(qiáng)地震活動(dòng)的趨勢(shì)研判提供了依據(jù)，也進(jìn)一步檢驗(yàn)了中強(qiáng)地震前波速比異常存在的可信度（岳曉媛等，2008；陳俊華等，2007；黎明曉等，2004）。

隨著新疆“十五”地震臺(tái)網(wǎng)的建立，臺(tái)站密度增大，儀器觀測(cè)精度提高，這為新疆波速比研究創(chuàng)造了良好條件。龍海英等（2011a、2011b）分別對(duì)新疆烏蘇5.1級(jí)及和靜5.6級(jí)地震前的波速比異常進(jìn)行了深入研究，認(rèn)為地震發(fā)生在波速比的一個(gè)近似橢圓形低值異常區(qū)，同時(shí)在低值出現(xiàn)9～10個(gè)月之后發(fā)震。高朝軍等（2013）采用天山中段數(shù)字化地震資料分析了2012年6月30日新源、和靜6.6級(jí)地震前后的波速比異常，結(jié)果認(rèn)為地震發(fā)生在波速比低值異常區(qū)的東北緣。

本文選取2009年1月1日～2014年9月30日新疆區(qū)域臺(tái)網(wǎng)記錄到的天山地震帶MS≥1.0的地震數(shù)據(jù)，利用多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算了天山地區(qū)中小地震波速比實(shí)際值和背景值，其中波速比背景值是無中強(qiáng)地震發(fā)生時(shí)VP與VS的比值，文中將以2009年數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)求解的波速比值作為背景值。實(shí)際值即當(dāng)有較大地震發(fā)生時(shí)的VP與VS的比值。為突出異常變化，本文計(jì)算了波速比的擾動(dòng)值（實(shí)際值相對(duì)于背景值的變化），通過對(duì)2011年以來4次中強(qiáng)地震前波速比擾動(dòng)值空間分布變化的分析，得出波速比異常變化與中強(qiáng)地震之間的關(guān)系，同時(shí)對(duì)近1年來新疆天山地區(qū)波速比擾動(dòng)值變化與地震的對(duì)應(yīng)情況進(jìn)行了分析和討論。

1 新疆天山地區(qū)地震地質(zhì)背景

新疆天山造山帶是全球主要的古生代造山帶之一，包括2個(gè)碰撞帶，即1個(gè)較老的南部碰撞帶（位于塔里木地塊北側(cè)陸緣和中天山南側(cè)陸緣之間）和1個(gè)較年輕的沿北天山斷層的碰撞帶（肖龍，1999）。該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受印度洋板塊向北推擠和興都庫什地區(qū)的擠壓作用，天山地區(qū)地殼不斷隆升，并在兩側(cè)山前坳陷或前陸盆地內(nèi)形成多個(gè)逆沖-褶皺帶（高朝軍等，2013），其中天山中段覆蓋了南天山東段和中天山南緣構(gòu)造帶。研究人員針對(duì)新疆天山中東段地區(qū)開展了一些波速比研究，20世紀(jì)80年代初，一些學(xué)者利用模擬地震波資料對(duì)新疆部分中強(qiáng)地震前后的波速比異常做了系統(tǒng)研究（王海濤，1989；敖雪明，1987），發(fā)現(xiàn)多數(shù)中強(qiáng)地震前波速或波速比出現(xiàn)較明顯的變化。近幾年來，龍海英等（2011a、2011b）和高朝軍等（2013）對(duì)天山中東段幾次中強(qiáng)地震前波速比異常變化特征進(jìn)行了分析，中強(qiáng)地震前波速比異常形成不同形狀的低值區(qū)，異常出現(xiàn)后1年內(nèi)在異常區(qū)內(nèi)部或邊緣發(fā)生中強(qiáng)地震。自2000年以來新疆區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)逐步建成后，地震監(jiān)測(cè)能力大幅度提高。但由于受臺(tái)站布設(shè)環(huán)境的影響，天山中東段臺(tái)網(wǎng)布局相對(duì)于南天山西段更為均勻（圖1）。而新疆境內(nèi)MS≥1.0地震主要集中在天山中東段和南天山西段，且主要沿?cái)嗔褞Х植?，其中天山中東段烏魯木齊附近區(qū)域臺(tái)站密度較大，因此，所記錄的小地震數(shù)據(jù)相對(duì)較多，而南天山西段臺(tái)站較為稀疏，中強(qiáng)地震活動(dòng)水平較高，滿足波速比求解標(biāo)準(zhǔn)的地震數(shù)據(jù)相對(duì)于天山中東段略少。為進(jìn)一步了解新疆天山地區(qū)地震波的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征即波速比變化，在滿足技術(shù)要求和求解標(biāo)準(zhǔn)的前提下，選擇天山中東段和南天山西段作為本文的研究區(qū)域，以捕捉中強(qiáng)地震前的波速比異常信息。

2 研究方法與原理

基于多臺(tái)和達(dá)法求解波速比的原理，采用新疆天山地區(qū)的研究數(shù)據(jù)，對(duì)一個(gè)地震以一組臺(tái)站i記錄的縱波到時(shí)TPi和縱波與橫波間的到時(shí)差TSi-TPi為資料作圖，擬合直線求斜率，再加1即為波速比（馮德益，1981）。假設(shè)所選研究區(qū)為理想的均勻彈性介質(zhì)，以多臺(tái)記錄到的近震直達(dá)P波、S波到時(shí)TPi、TSi計(jì)算波速比γ、相關(guān)系數(shù)R和標(biāo)準(zhǔn)差S的計(jì)算公式為

圖1 新疆天山地區(qū)地震臺(tái)站分布及研究區(qū)域內(nèi)震中分布圖

式（1）中，n為臺(tái)站個(gè)數(shù)；ΔTi＝TSi-TPi為第i個(gè)臺(tái)站記錄到的橫波和縱波的到時(shí)差，則

式（4）中，γd為波速比擾動(dòng)值；γa為波速比實(shí)際值；γb為波速比的背景值，有關(guān)實(shí)際值和背景值的概念說明已在引言中給出。

結(jié)合前人對(duì)新疆天山地區(qū)波速比研究成果，基于新疆地震臺(tái)網(wǎng)2009～2014年的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算天山地區(qū)震中周圍多臺(tái)（臺(tái)站數(shù)目不少于4個(gè)）平均波速比值，考慮到研究數(shù)據(jù)波速比計(jì)算結(jié)果的異常變化并使其更明顯，我們計(jì)算了波速比的擾動(dòng)值（（4）式），同時(shí)分析其時(shí)空演變特征以及通過震例回溯探索波速比異常變化與中強(qiáng)地震之間的關(guān)系。

3 資料選取

本文資料來自新疆地震局提供的2009年1月1日～2014年9月30日新疆天山地區(qū)15543次MS1.0以上地震的觀測(cè)數(shù)據(jù)。依據(jù)多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算原理，按照地震事件至少被4個(gè)臺(tái)站記錄到的標(biāo)準(zhǔn)，共選取地震事件9590次，可利用的地震數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的61.7%。為保證樣本數(shù)和數(shù)據(jù)精度要求，在已選的9590次地震事件中，再參照波速比標(biāo)準(zhǔn)誤差≤0.05、相關(guān)系數(shù)≥0.98的標(biāo)準(zhǔn)，共選出地震事件1755次。在計(jì)算波速比擾動(dòng)值之前，首先需要計(jì)算波速比（包括實(shí)際值和背景值），同時(shí)參照前人的篩選方式對(duì)所選用資料進(jìn)行篩選和預(yù)處理（高朝軍等，2013）。采用前述預(yù)處理后的地震數(shù)據(jù)，首先按照研究區(qū)設(shè)定范圍參數(shù)，將研究區(qū)進(jìn)行0.2°×0.2°網(wǎng)格劃分，并求得每個(gè)網(wǎng)格的波速比背景值，背景值主要是基于研究區(qū)域內(nèi)無中強(qiáng)地震發(fā)生的時(shí)段進(jìn)行計(jì)算；然后選擇2013年以來的地震數(shù)據(jù)獲取相應(yīng)波速比實(shí)際值，同時(shí)求解波速比的擾動(dòng)值，并對(duì)其時(shí)空變化特征進(jìn)行分析；最后，結(jié)合2011～2013年4次中強(qiáng)地震前波速比擾動(dòng)值空間分布情況，分析中強(qiáng)地震前波速比擾動(dòng)值變化特征。波速比擾動(dòng)值的計(jì)算主要是依據(jù)研究區(qū)內(nèi)滿足條件的地震數(shù)據(jù)，一般為低值負(fù)異常。

4 震例回溯

4.1 新疆天山地區(qū)波速比背景值

劉文學(xué)等（2011）采用修訂后的接收函數(shù)H-κ疊加算法估計(jì)了新疆及周邊地區(qū)90個(gè)地震臺(tái)站下的波速比，波速比的估計(jì)結(jié)果為1.61～1.89，均值為1.76。結(jié)合前人研究結(jié)果，本文采用多臺(tái)和達(dá)法對(duì)新疆天山地區(qū)波速比展開研究，結(jié)果表明，研究區(qū)內(nèi)波速比為1.65～1.78，均值為1.70左右。

4.2 天山地區(qū)的7次震例

為突出研究區(qū)內(nèi)波速比異常的空間分布，將研究區(qū)分為天山中東段和南天山西段2個(gè)子研究區(qū)。圖2（a）和圖2（b）顯示的是天山中東段和南天山西段2013年1月～2014年9月波速比擾動(dòng)值空間分布，結(jié)果表明，天山中東段的溫泉-新源地區(qū)和烏魯木齊南部地區(qū)以及南天山西段的柯坪塊體波速比擾動(dòng)值存在低值異常，其中，新源西部的波速比擾動(dòng)低值形成一個(gè)不規(guī)則的橢圓形，而烏魯木齊附近區(qū)域和南天山西段的普昌斷裂以西波速比擾動(dòng)低值變化幅度較大，其輻射范圍相對(duì)集中。

圖2 2013年1月～2014年9月天山地區(qū)波速比擾動(dòng)值分布圖

圖3 2013年1月～2014年9月2個(gè)擾動(dòng)值異常區(qū)波速比時(shí)序圖

通過計(jì)算，得到了上述2個(gè)區(qū)域的波速比時(shí)序圖（圖3），其中圖2（a）中2個(gè)虛線圈所圈定區(qū)域分別與圖3（a）和圖3（b）中的時(shí)序圖內(nèi)容相對(duì)應(yīng)。結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的3次震例分析，中強(qiáng)地震之前波速比均顯現(xiàn)出一定的異常變化特征，其中天山中東段的2次地震前波速比總體呈現(xiàn)出“下降-低值-恢復(fù)-發(fā)震”變化趨勢(shì)，異常持續(xù)時(shí)間為3個(gè)月左右，異常變化幅度為5%左右，尤其是異常上升幅度相對(duì)較大，并發(fā)生在“低值-回升-發(fā)震”過程中，多數(shù)地震前出現(xiàn)了“低值-恢復(fù)”過程。如烏魯木齊南部地區(qū)在2013年3月29日昌吉5.6級(jí)地震和8月30日烏魯木齊5.1級(jí)地震之前波速比出現(xiàn)低值異常過程（圖3（a），3（b）），波速比高值恢復(fù)過程中發(fā)震。2013年12月1日柯坪5.3級(jí)地震之前柯坪塊體波速比處于低值狀態(tài)（圖3（c）），3個(gè)子區(qū)域時(shí)序圖之后的時(shí)間內(nèi)波速比出現(xiàn)低值-恢復(fù)狀態(tài)，但沒有地震發(fā)生，說明此異常對(duì)應(yīng)率并非100%。目前烏魯木齊南部地區(qū)、溫泉-新源地區(qū)以及柯坪塊體波速比時(shí)序曲線呈現(xiàn)出“下降-低值-恢復(fù)”變化趨勢(shì)，而該現(xiàn)象很可能是中強(qiáng)地震發(fā)生前的一種表現(xiàn)，也意味著這3個(gè)子區(qū)域地下介質(zhì)應(yīng)力可能正處于積累的過程中，需要加強(qiáng)關(guān)注。

圖4 2009年1月～2011年10月新源附近波速比擾動(dòng)值分布圖

圖6 2009年1月～2013年3月烏魯木齊附近波速比擾動(dòng)值分布圖

隨著數(shù)字監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)密度的增加，局部監(jiān)測(cè)能力逐步提高，研究區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)到的地震的最小完整性震級(jí)降低，尤其是臺(tái)站布設(shè)相對(duì)均勻的天山中東段。新疆天山地區(qū)是中強(qiáng)地震頻發(fā)區(qū)域，2011年以來共發(fā)生16次MS5.0以上中強(qiáng)地震。本文分析了2011～2013年4次MS5.0以上中強(qiáng)地震前的波速比擾動(dòng)值變化，這4次地震分別位于天山中東段和南天山西段。從天山中東段分區(qū)的波速比擾動(dòng)值分布（圖4、5、6）可以看出，2011年11月1日尼勒克和鞏留交界處的6.0級(jí)地震發(fā)生在波速比擾動(dòng)的低值異常區(qū)域（圖4），自2009年1月～2011年11月1日MS6.0地震前，震中及其附近區(qū)域滿足波速比計(jì)算條件的地震事件共894次，而自2011年1月開始，波速比值低于1.71的地震共267次，占MS6.0地震前中小地震事件總數(shù)的65%。2012年6月30日新源、和靜交界6.6級(jí)地震前，新源附近區(qū)域波速比擾動(dòng)值形成不規(guī)則的半橢圓形低值區(qū)，而主震震中位于半橢圓的端部（圖5），2009年1月～2012年6月30日MS6.6地震前，其相應(yīng)研究區(qū)域內(nèi)共有1055次地震事件滿足波速比的求解條件；2011年11月1日MS6.0地震發(fā)生后，波速比值低于1.71的地震共106次，占主震前中小地震事件總數(shù)的63.5%；2011年11月1日MS6.0地震前該區(qū)域的波速比低值異?？赡苋耘c此次MS6.6地震有關(guān)。北天山中東段2009年1月～2013年3月波速比擾動(dòng)值空間變化顯示（圖6），在擾動(dòng)的低值集中區(qū)發(fā)生了2013年3月29日烏魯木齊、昌吉交界5.6級(jí)地震，2009年1月至此次地震前，其震中及其附近區(qū)域共有1318次地震事件滿足波速比的計(jì)算要求。2013年1月至MS5.6地震發(fā)生的時(shí)間段內(nèi)，波速比值低于1.72的地震共23次，占MS5.6地震前中小地震事件總數(shù)的62%。圖7給出了南天山西段阿合奇西南區(qū)2009年1月～2011年7月波速比擾動(dòng)值的空間變化，在2個(gè)波速比擾動(dòng)低值區(qū)的中間位置發(fā)生了2011年8月11日阿圖什-伽師5.6級(jí)地震。2009年1月至該地震發(fā)生前，此地震震中及其附近區(qū)域共有665次地震事件可用來求解波速比。而自2011年1月至MS5.6地震發(fā)生，共有88次地震事件的波速比值低于1.73，占MS5.6地震前中小地震事件總數(shù)的52.4%。從4次中強(qiáng)地震前波速比擾動(dòng)值的變化中可以看出，波速比異常多數(shù)分布在斷裂帶兩側(cè)和不同方向斷裂的交匯部位，多數(shù)斷裂具有控震背景，地下介質(zhì)物理性質(zhì)較為復(fù)雜，波速比低值異常區(qū)及其附近區(qū)域的地下介質(zhì)應(yīng)力積累水平則相對(duì)較高，具有發(fā)生中強(qiáng)地震的地質(zhì)構(gòu)造條件。

圖7 2009年1月～2011年7月阿合奇西南波速比擾動(dòng)值分布圖

5 結(jié)論與討論

本文通過對(duì)新疆天山地區(qū)2009年以來地震波速比進(jìn)行計(jì)算，得出天山地區(qū)波速比擾動(dòng)值時(shí)空變化圖，并結(jié)合2011～2013年4次震例分析了波速比擾動(dòng)值在中強(qiáng)地震前的一些變化，最后得出以下結(jié)論：

（1）2009～2014年新疆天山地區(qū)波速比平均值為1.70，基本波動(dòng)范圍為1.65～1.78。結(jié)合3次震例分析，中強(qiáng)地震前波速比呈現(xiàn)出一定的異常特征，變化幅度在5%左右，震前總體表現(xiàn)為“下降-低值-恢復(fù)-發(fā)震”這一變化過程，異常持續(xù)時(shí)間為3個(gè)月左右。綜合分析7次中強(qiáng)地震前波速比值的變化情況，震前震中及其附近區(qū)域在一定時(shí)間段內(nèi)波速比低值的地震事件占相應(yīng)總事件數(shù)的比率大于60%，中強(qiáng)地震前波速比低值相對(duì)明顯。

（2）結(jié)合4次震例，分析2013年以來研究區(qū)內(nèi)波速比擾動(dòng)值時(shí)空變化，可以看出，天山中東段的溫泉-新源、烏魯木齊南部地區(qū)以及南天山西段的柯坪塊體區(qū)存在波速比擾動(dòng)的低值異常。這2個(gè)子區(qū)域地震活動(dòng)水平較高，地下構(gòu)造背景復(fù)雜，波速比擾動(dòng)值高低交替分布，分布區(qū)域大小以及集中程度與臺(tái)站密度和滿足波速比計(jì)算條件的地震事件數(shù)有關(guān)。地震活動(dòng)性不同的區(qū)域，其地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的變化及應(yīng)力作用也有所差異，波速比擾動(dòng)值變化較大的區(qū)域其地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力變化也相應(yīng)較為顯著，應(yīng)力積累處于一個(gè)逐步加強(qiáng)的過程，因而發(fā)生中強(qiáng)地震的可能性較大，需要加強(qiáng)對(duì)這幾個(gè)子區(qū)域的波速比以及其他地震學(xué)參數(shù)變化的進(jìn)一步跟蹤和研究。4次震例的波速比擾動(dòng)值時(shí)空變化分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)中強(qiáng)地震發(fā)生在波速比擾動(dòng)的低值集中區(qū)域，波速比擾動(dòng)值異常大多分布在斷裂帶兩側(cè)和多條斷裂的交匯部位，相應(yīng)研究區(qū)內(nèi)地下介質(zhì)應(yīng)力變化和相互作用比較顯著，具備發(fā)生中強(qiáng)地震的地質(zhì)構(gòu)造條件。

（3）由于本文所用數(shù)據(jù)取自2009年以后，未采用此前模擬記錄的地震數(shù)據(jù)，因此不能較完整地展現(xiàn)有地震記錄以來新疆天山地區(qū)波速比的變化情況，且新疆南天山西段臺(tái)站密度相對(duì)于天山中東段少，分布不均勻，區(qū)域劃分的精度不夠精細(xì)，記錄的震例也相對(duì)較少，所獲取的結(jié)果受資料影響較大。隨著數(shù)字化地震數(shù)據(jù)數(shù)量和質(zhì)量的不斷增加和提高，波速比研究結(jié)果的精度和可靠性將會(huì)進(jìn)一步提高。

致謝：新疆地震局提供了研究數(shù)據(jù)，李志海在波速比擾動(dòng)值計(jì)算方面、王瓊在震例分析研究上提出了意見和建議，審稿老師提出的意見和建議讓本文增色不少，在此一并致謝。