利用地震波特征變化與地震關系提取地震前兆信息

郭 杰 鄭 杰 雷 寧

(1.河南省濮陽市地震臺，河南 濮陽 457000;2.河南省范縣地震局，河南 濮陽 457500;3.河南林州地震臺，河南 安陽456550)

引言

地震在孕育過程中，存在著應力在未來震源區(qū)集中的過程，孕震區(qū)域的巖石物理性狀可能會出現(xiàn)一系列變化，從而使孕震區(qū)小震和地震波經過此地的小震，它們的運動學特征和動力學特征發(fā)生變化。這些變化攜帶著某些大震前兆異常信息可能被儀器記錄下來。利用地震學方法中的地震波特征變化提取大震前兆信息是地震預報中最基本、很重要的方法，尤其是在短期預測及大震發(fā)生后震情趨勢判斷更是如此。工作在地震監(jiān)測預報第一線的臺站科技人員能及時獲取地震波資料和地震觀測報告，利用地震波特征變化一些可行方法，提取中強地震前兆信息，對提高地震預報水平是有益的。

濮陽市地震臺位于河南省東北部豫魯冀交界處(圖1)，四周地震帶形成井子型，臺站東部約40km為東濮拗陷和聊蘭斷裂帶、地震較多，是河南省重點監(jiān)視區(qū)。隨著數(shù)字觀測儀器的使用、觀測精度的提高，從而使地震波資料測量精度和可信度大幅度提高。以下是濮陽臺利用地震波動力學特征中的P波初動符號、P波初動半周期、振幅比和運動學中的波速比、S波分裂來分析探討與震例的對應關系，從中找出地震發(fā)生的一些規(guī)律資料來源是濮陽臺2004年1月至2012年9月記錄到的地震，范圍是震中距:20km≤△＜135km，震級ML≥1.2級所有地震，其中大部分為聊蘭斷裂帶地震。研究范圍是北緯34°30'—37°00'，東經113°30'—116°30'。所用對照的震例為2004年1月以后，ML≥3.5、△≤110km的所有地震，另外還有周口太康較強的二次地震，分別是:2010年10月24日ML5.1、2011年3月8日ML4.7，距濮陽臺200多公里。

圖1 濮陽及鄰區(qū)地質圖

1 地震波速比

地球內部可以傳播兩種基本類型的地震波-縱波(P波)和橫波(S波)。波速是地震波的一種運動學特征，它與傳播介質有關。較大地震發(fā)生前，孕震區(qū)巖石性質的變化，將導致波速變化。因此，研究地震前波速的變化可以提供地震孕育的前兆信息，而波速比變化即是提供這種信息的一種方法。

一般情況下，地殼中縱波和橫波平均速度約為6.0KM/S、3.5 KM/S，它們的比值約為1.73.當?shù)貞Ψe累到一定程度時，巖石出現(xiàn)微破裂，從而導致波速比發(fā)生一定變化，波速比Vp/Vs相應降低。

1.1 方法原理

設臺站處在異常區(qū)內，由震源到臺站的距離為R，則縱波、橫波波速比r=vp/vs，可用下列方法求取r=Vp/Vs=(Vp/ R)/(Vs/R)=Ts/Tp=(ts-To)/(tp-To)式中，ts為S波到時，tp為P波到時，to為發(fā)震時刻。以省局地震月報告為準。

1.2 資料處理

(1)選用記錄較好的地震資料，量圖精確，減少誤差。

(2)資料選取范圍:震中距20—120km、ML≥1.2

(3)以r為縱軸，以時間為橫軸作波速比變化曲線(圖2)。若介質為均勻狀態(tài)，波速比人r為1.73，并作為基線繪在圖中。

圖2 濮陽臺波速比變化曲線

1.3 分析

(1)一般波速比異常特征為低值異常(相對于1.73而言)，臨震前可能出現(xiàn)高值回升，圖中2008年前地震、發(fā)震前約有9—12個月的低值異常，地震大都發(fā)生在高值兩側(4個月內)，較好的對應性。

(2)2008年以前主要處于低值區(qū)異常，在2008高值附近發(fā)震釋放較集中。2008年8月至2011年末出現(xiàn)3年高值區(qū)，這可能與資料來源誤差有關，待以后查實。2011年末我們改用山東地震信息網發(fā)布的地震發(fā)震時刻為準，圖中曲線又重新回到繞基線上下波動。2008年8月—2011年末間震例都發(fā)生在高值中。

(3)2012年9月曲線又從低值區(qū)回到高值區(qū)。根據(jù)前面規(guī)律，近幾月注意聊蘭斷裂帶發(fā)生ML3.5級地震。

2 S波分裂

在各項同性均勻介質中，S波可分解為垂直入射面的Sh分量和在入射面內震動的Sv的垂直分量，水平向記錄的是Sh分量的合成，垂直向記錄的是Sv的垂直分量。在各方面同性介質中，Sv和Sh傳播速度是相同的，若震源區(qū)介質發(fā)生變化，呈現(xiàn)出明顯的各向異性，則可能導致S波分裂，即Sv和Sh以不同的速度傳播，它們到達地震臺三分向地震儀上的時間就出現(xiàn)了誤差。

令地震儀垂直向上讀取的Sv到時為Tsv，在水平向上S波的到時為Tsh.在正常情況下，Tsv-Tsh＜0.2s，但是，人們發(fā)現(xiàn)，某些較大地震(4級左右)前，Tsv-Tsh可達0.8秒，所以，可以把地震S波分裂作為一種地震前兆指標。

2.1 方法、范圍

(1)設南北方向S波到時為t1，東西向S波到時t2，垂直向S波到時為t3，在地震圖三分上分別量取t1，t2，t3。

(2)令△t2=t3-t*(t*為t1和t2兩者早到的一個)。

(3)△＜135km ML≥1.2由于UD向SG前常有不明震相干擾，暫不去做Tsv-Tsh圖。以下是△t1=t2-t1圖(圖3)，即水平向SG到時差，它雖沒有△t2=t3-t*曲線波幅大，但異常是一致的。

圖3 濮陽臺S波分裂變化曲線

2.2 分析

(1)圖中可以看到曲線波動與震例有較好的對應性，地震大都處在峰值或峰值兩側，基線零值一下幾乎沒有地震。

(2)太康兩次地震發(fā)生在低值區(qū)，說明本區(qū)域地震與較遠地震在曲線上是反向指示作用或無對應。

(3)2012年9月曲線向上致零線上方，注意本區(qū)域在今后幾月應發(fā)生ML3.5級地震。

3 振幅比

探討地震源孕育過程學者認為，在較大地震孕育期間，孕震區(qū)內的地殼介質可能處于某種一定的含裂隙狀態(tài)，這就是產生地震波動力學特征前兆異常的一種可能原因。P波和S波振幅比基本上與震級無關，與儀器上放大倍數(shù)和頻率特性關系甚小。研究方法較為簡便。一般遵循低值-高值-發(fā)震的異常形態(tài)。

3.1 資料范圍方法

取△＜135km、ML≥1.2級所有地震。量取每次近震的垂直向P波和S波最大振幅APG、ASG，作單臺振幅比APG/ASG隨時間變化曲線。(圖4)

圖4 濮陽臺振幅比變化曲線

3.2 分析

(1)濮陽臺振幅均值為1.56，發(fā)震一般都在峰值或峰值兩側。高值前有約一年的低值異常區(qū)，但也有例外，如2008年震群就發(fā)生在均值基線附近。

(2)2012年3月高值后進入低值區(qū)，但曲線沒有運行到均值上方，注意聊蘭斷裂帶2013年發(fā)生ML≥3.5級地震。

(3)周口太康兩次地震對應曲線變化不明顯。

4 初動半周期

較大地震發(fā)生前后，孕震區(qū)介質性質的變化可能是整個地震波型發(fā)生變化。根據(jù)脆性材料的破裂實驗發(fā)現(xiàn)，材料破壞前微破裂突然增長，伴隨著高頻輻射增強。前人曾觀測到大地震發(fā)生前后可觀測到孕震區(qū)內微震輻射波譜中出現(xiàn)某種異常特征，高頻成份增多的現(xiàn)象。初動半周期分析即是提取這種信息的一種定量方法。根據(jù)文獻報道，固定臺站記錄到震，從總體上看，前震以及主震后短期內的余震，其初動半周期較正常活動期的地震和地震后遠期的余震要小。

4.1 方法

(1)量取樣本要初動清晰、完整的垂直向P波初動半周期。

(2)樣本震級1.2≤ML≤3.5，△范圍20km＜△＜135km。

(3)以初動半周期為縱軸、做P波初動半周期時序圖(圖5)。

圖5 濮陽臺P波出動半周期變化曲線

4.2 分析

(1)濮陽臺初動半周期均值約為0.1秒，濮陽臺記錄PG初動半周期普遍偏低，但也在近震PG初動半周期范圍之內。

(2)ML3.5以上例震多發(fā)生在峰值兩側，ML4級以上地震發(fā)生在峰值處，前面大部分都有不足1秒的低值異常。

(3)2012年9月曲線又處于低值，并且數(shù)值較低。濮陽臨區(qū)在2013年發(fā)生ML≥3.5級地震可能性很大。

5 結論與討論

(1)濮陽臺利用五種地震波特征變化方法分析與震例是有一定對應關系的，是有一定規(guī)律可循的。工作在地震監(jiān)測預報第一線的臺站技術人員能及時獲取地震波資料，將曲線圖變化與地震的關系的理解和看法進行交流，為本地區(qū)地震預報提供重要參考意見。

(2)為了減少單臺計算隨機誤差和曲線圖波動較大的現(xiàn)象，應對一定時期多次地震波特征曲線作算數(shù)平均或滑動較好。另外，區(qū)域臺站已聯(lián)網，作多臺分析是很有必要的。這些都有待于以后改進。

(本文得到了濮陽市地震局總工、教授級高工郭德科的指導和幫助，在此表示感謝)

［1］國家地震局科技監(jiān)測司.地震觀測技術［M］.北京:地震出版社，1995.

［2］中國地震局監(jiān)測預報司.地震學與地震關測［M］.北京:地震出版社，2007.

［3］王海濤，敖雪明，楊馬陵，等.單臺測震學地震預報方法的研究［J］.內陸地震，1989(2).