2013-12-16巴東MS5.1地震前后波速比異常特征

陳麗娟 吳紹宇 董 蕾 魏紅梅

1 重慶市地震局，重慶市紅黃路339號，401147

當?shù)叵陆橘|(zhì)受到應力作用出現(xiàn)微破裂、擴容、塑性硬化及相變等變化時，通過地殼介質(zhì)的地震P波速度變化較大，S波速變化很小，從而導致波速比出現(xiàn)變化，這是利用波速比研究介質(zhì)物性的重要依據(jù)[1]。波速比的變化能在一定程度上反映地下介質(zhì)的變化，也能間接反映構(gòu)造應力的作用，所以常被用于地震研究。已有震例表明，典型的震前波速比異常呈現(xiàn)下降-回升-發(fā)震的變化[2-6]，某些地震前波速比呈現(xiàn)下降-發(fā)震的變化[7-9]，也有震例中主震前波速比出現(xiàn)下降-回升-下降-發(fā)震的復雜變化[10]。

2013-12-16湖北巴東(110.45°E,31.1°N)發(fā)生MS5.1地震，是三峽水庫附近蓄水以來發(fā)生的最大地震。前人針對巴東地震的地震類型[11]、發(fā)震構(gòu)造與成因機制[12]等開展了許多研究。早期對三峽庫區(qū)的波速比研究表明，庫區(qū)ML2.0～ML3.0地震發(fā)生前波速比出現(xiàn)震前降低-震后回升的變化[13]，但目前尚未有針對2013年巴東MS5.1地震前后波速比變化特征的研究。本文分別利用單震多臺及單臺多震和達法計算波速比，探討波速比在巴東地震前后的時空演化特征。

1 計算方法

假設某個地震被n個臺站記錄到，通過觀測報告提取P波走時tPi和S波走時tSi，計算縱橫波到時差Δti=tSi-tPi，對這組tPi和Δti利用最小二乘法擬合直線求得斜率，加上1即可得到波速比。圖1中白色圓為2008～2013年地震，紫色圓為2014～2021年地震，黑色三角為臺站，紅色線框內(nèi)為單震多臺法選用的地震。整理圖1中2008～2021年的地震觀測報告，提取出初至P波、S波的走時數(shù)據(jù)，參考文獻[9]的方法計算波速比VP/VS及相關系數(shù)R、計算誤差γ等。

圖1 研究區(qū)域及地震分布Fig.1 Earthquakes distribution and the study area

2 計算結(jié)果

2.1 單臺多震和達法波速比

利用單臺多震和達法計算研究區(qū)內(nèi)各個臺站單臺波速比，選取臺站周邊半徑170 km內(nèi)ML≥1.5地震作為研究資料，選取計算誤差γ≥0.05、相關系數(shù)R≥0.95、70～90個地震的走時數(shù)據(jù)為一組資料計算得到1個波速比，在圖2中以黑色空心圓表示；為提高結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，以10個波速比求平均、1個波速比滑動得到滑動平均值，在圖2中以藍色線段表示。結(jié)果表明，有8個臺站的單臺波速比出現(xiàn)異常變化，這8個臺站分布如圖3中紅色三角所示。據(jù)已有研究，巴東MS5.1地震為走滑兼逆沖地震，震源機制解如圖3中紅色震源球所示。前人得到的震源機制及余震序列展布表明，發(fā)震斷裂走向為NEE，震源區(qū)受到NEE近EW向的水平擠壓作用[12]。而從圖3可知，波速比異常臺站分布長軸呈近EW向展布，與發(fā)震斷裂的走向吻合，單臺波速比異常臺站分布反映了孕震區(qū)的大概范圍。

圖2 8個異常臺站波速比隨時間的變化Fig.2 The temporal variations of wave velocity ratio of the 8 abnormal stations

圖3 8個異常臺站分布Fig.3 Distribution of the 8 abnormal stations

由圖2可見， 8個臺站波速比在巴東MS5.1地震前變化形態(tài)較為相似，但略有差異。波速比隨時間呈現(xiàn)明顯的下降-回升變化，從2009～2011年主要為下降變化，2012～2013年主要為回升變化。在2017年、2018年2次秭歸4級以上地震前波速比也有短時間的小幅下降或者下降-回升過程，但異常幅度和持續(xù)時間均不如2013年巴東MS5.1地震前。JIP、SHL、YCH、JIZ、YDU等臺站單臺波速比在2013年巴東MS5.1地震后短時間內(nèi)仍持續(xù)升高，這可能是因為主震破裂后，庫水大面積涌入，造成P波速度恢復，從而導致波速比增大。表1統(tǒng)計了上述8個臺站單臺波速比異常變化形態(tài)?？梢钥闯觯鱾€單臺波速比的變化特征基本一致，均表現(xiàn)為下降-回升-發(fā)震，但下降及回升的持續(xù)時間有差異，這種差異與震中距的大小沒有明顯的關系。

表1 單臺波速比異常特征

2.2 單震多臺和達法波速比

利用單震多臺和達法計算圖1中紅色線框區(qū)域內(nèi)ML≥1.0地震的波速比，計算時選取震中距100 km范圍內(nèi)的臺站記錄到的縱橫波走時，計算誤差γ≥0.05，以600 d作為時間窗長計算出波速比平均值，并以30 d作為時間步長滑動，得到研究區(qū)內(nèi)多臺波速比隨時間的變化特征，如圖4所示，圖中虛線為1倍均方差?？梢钥闯?，多臺波速比的平均值約為1.69，波速比在2009～2013年整體較低，2009年約為1.68，之后開始下降，2012年降至最低水平(約為1.65)，此后2 a波速比一直回升，直至2013-12發(fā)生巴東MS5.1地震，波速比升至最高值(約為1.72)。地震后波速比略有下降但仍維持高值，2014-03秭歸分別發(fā)生MS4.3、MS4.7地震。2015年波速比開始下降，至2016年降至平均值，之后小幅回升，2017-06該區(qū)秭歸、巴東分別發(fā)生MS4.3、MS4.1地震。之后波速比再次出現(xiàn)下降-回升變化， 2018-10秭歸發(fā)生MS4.5、MS4.1地震。此后波速比平穩(wěn)變化，截至目前研究區(qū)內(nèi)再無顯著地震發(fā)生。綜上，2013年巴東MS5.1地震前研究區(qū)內(nèi)多臺波速比呈現(xiàn)明顯的2 a下降-2 a回升變化過程，與典型的波速比異常形態(tài)較為一致，異常持續(xù)時間約為4 a。2017年與2018年2次MS4.0以上地震發(fā)生前波速比也經(jīng)歷下降-回升變化過程，但下降幅度及持續(xù)時間均小于2013年巴東MS5.1地震前。

圖4 多臺波速比隨時間的變化Fig.4 The temporal variations of wave velocity ratio obtained by the multi-station method

根據(jù)多臺波速比隨時間的變化，以0.3°×0.3°為空間窗口、0.1°×0.1°為空間窗長滑動，分3個時段給出圖1中紅色線框內(nèi)波速比的空間分布，如圖5所示。

圖5 多臺波速比空間演化特征Fig.5 The spatial evolution characteristic of wave velocity ratio obtained by the multi-station method

從圖5看出，2008～2009年巴東周邊波速比有部分高值，2010～2012年巴東周邊波速比在大范圍內(nèi)呈現(xiàn)明顯的低值，2014～2015年波速比升至高值，且高于2008～2009年。波速比低值集中分布在巴東MS5.1地震周邊區(qū)域，反映震中周邊地區(qū)介質(zhì)在構(gòu)造應力作用下產(chǎn)生微裂隙，P波速度下降，從而導致波速比出現(xiàn)大面積低值異常；震后波速比出現(xiàn)大面積高值是因為庫水滲透、P波速度恢復所致。

3 討 論

波速比在強震前的異常變化一般可分為2種形態(tài)，分別是下降-回升-發(fā)震和下降-發(fā)震，巴東MS5.1地震為前者。波速比在強震前的下降-回升異?，F(xiàn)象可通過擴容-流體模式[14-15]解釋，這種模式中流體起到關鍵作用，震中附近構(gòu)造應力的積累造成微裂隙增加，引發(fā)擴容，P波速度下降導致波速比下降，而后期流體滲入裂隙中使P波速度恢復，從而導致波速比升高。

巴東MS5.1地震發(fā)生在長江三峽庫區(qū)，該區(qū)巖溶發(fā)育，有利于庫水持續(xù)向地下滲透，地震發(fā)生在三峽水庫175 m高水位緩慢下降階段，震中距離長江干流4.3 km。隨著構(gòu)造應力的積累，深部巖石擴容，波速比下降，隨著蓄水容量的增加，水向下滲透速度加快，巖石孔隙液壓上升，波速比開始明顯回升，所以2013年巴東MS5.1地震前波速比才會出現(xiàn)下降-回升的變化形態(tài)，異常持續(xù)時間約為4 a，變化幅度約為4%。1962年新豐江水庫MS6.1地震前波速比也呈現(xiàn)出類似的下降-回升變化[4]，但異常持續(xù)時間僅約1 a，變化幅度約為11%。

統(tǒng)計幾次強震前波速比的異常變化形態(tài)，如表2所示，可以看出，波速比的異常持續(xù)時間、異常幅度與震級大小似乎并不存在相關關系。可能是因為這些地震處于不同的構(gòu)造區(qū)域，區(qū)域地下介質(zhì)物性不同，受到的構(gòu)造應力作用方式不同，所以反映到波速比上的異常幅度及持續(xù)時間也不盡相同。

表2 波速比異?？偨Y(jié)

研究區(qū)內(nèi)在2017年、2018年分別發(fā)生數(shù)次MS4.0以上地震，這些地震前波速異?，F(xiàn)象不再顯著。新豐江水庫6.1級地震后曾發(fā)生過數(shù)次MS4.0～5.0地震，這些地震前波速比異常也不顯著[4]，與本文結(jié)果相似。這種現(xiàn)象可能是因為巖石中的裂隙水已經(jīng)處于飽和或近飽和狀態(tài)，即使構(gòu)造應力再次積累，形成新裂隙，庫水也能快速注入，所以波速比的異常就不再顯著，說明水庫地區(qū)波速比受庫水的影響較大。

4 結(jié) 語

本文采用2008～2021年巴東周邊地區(qū)地震的縱橫直達波走時數(shù)據(jù)，分別采用單臺多震、單震多臺和達法計算波速比，分析2013年巴東MS5.1地震前波速比的時空演化特征。多臺波速比的空間演化特征表明，震前波速比低值主要分布在巴東MS5.1地震震中周邊地區(qū)，地震后波速比大范圍回升至較高值；時間演化特征表明，巴東MS5.1地震前波速比出現(xiàn)2 a下降-2 a回升的變化形態(tài)。2013年巴東MS5.1地震前震中東西兩側(cè)8個臺站的單臺波速比出現(xiàn)不同程度的下降-回升變化。2種方法計算得到的波速比結(jié)果隨時間的變化形態(tài)較為相似，可以相互印證。