新疆天山地區的波速比異常分析

張琳琳 高朝軍

1）新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市北京南路42號 830011

2）新疆巴里坤地震臺，新疆哈密 839200

0 引言

在地殼演化過程中，介質的物理狀態會發生一系列變化。地震波攜帶著大量反映震源和介質變化的信息，當地震波通過地殼介質時，其速度會發生變化，而波速比作為地震波的運動學特征，可用其捕捉中強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物理性質變化的重要依據。通過對地震波波速比變化的研究，發現其與中強震有對應關系，因此，將波速比變化作為監測手段來預測未來較大地震則成為地震分析預測研究的重要方法（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級地震發現，震前存在首波走時異常引起的波速異?，F象（馮德益等，1981）。此后國內外地震工作者對波速異常開展了大量研究，同時多種波速異常研究方法也相繼出現（隗永剛等，2014）。近年來，隨著數字地震學方法的不斷推廣以及數字地震波形資料的積累，對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），同時也獲得了不同研究區內中強地震前波速比的空間分布和時序變化特征等研究成果，為中強地震活動的趨勢研判提供了依據，也進一步檢驗了中強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”地震臺網的建立，臺站密度增大，儀器觀測精度提高，這為新疆波速比研究創造了良好條件。龍海英等（2011a、2011b）分別對新疆烏蘇5.1級及和靜5.6級地震前的波速比異常進行了深入研究，認為地震發生在波速比的一個近似橢圓形低值異常區，同時在低值出現9～10個月之后發震。高朝軍等（2013）采用天山中段數字化地震資料分析了2012年6月30日新源、和靜6.6級地震前后的波速比異常，結果認為地震發生在波速比低值異常區的東北緣。

本文選取2009年1月1日～2014年9月30日新疆區域臺網記錄到的天山地震帶MS≥1.0的地震數據，利用多臺和達法計算了天山地區中小地震波速比實際值和背景值，其中波速比背景值是無中強地震發生時VP與VS的比值，文中將以2009年數據為基礎求解的波速比值作為背景值。實際值即當有較大地震發生時的VP與VS的比值。為突出異常變化，本文計算了波速比的擾動值（實際值相對于背景值的變化），通過對2011年以來4次中強地震前波速比擾動值空間分布變化的分析，得出波速比異常變化與中強地震之間的關系，同時對近1年來新疆天山地區波速比擾動值變化與地震的對應情況進行了分析和討論。

1 新疆天山地區地震地質背景

新疆天山造山帶是全球主要的古生代造山帶之一，包括2個碰撞帶，即1個較老的南部碰撞帶（位于塔里木地塊北側陸緣和中天山南側陸緣之間）和1個較年輕的沿北天山斷層的碰撞帶（肖龍，1999）。該地區地質結構復雜，受印度洋板塊向北推擠和興都庫什地區的擠壓作用，天山地區地殼不斷隆升，并在兩側山前坳陷或前陸盆地內形成多個逆沖-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造帶。研究人員針對新疆天山中東段地區開展了一些波速比研究，20世紀80年代初，一些學者利用模擬地震波資料對新疆部分中強地震前后的波速比異常做了系統研究（王海濤，1989；敖雪明，1987），發現多數中強地震前波速或波速比出現較明顯的變化。近幾年來，龍海英等（2011a、2011b）和高朝軍等（2013）對天山中東段幾次中強地震前波速比異常變化特征進行了分析，中強地震前波速比異常形成不同形狀的低值區，異常出現后1年內在異常區內部或邊緣發生中強地震。自2000年以來新疆區域數字地震臺網逐步建成后，地震監測能力大幅度提高。但由于受臺站布設環境的影響，天山中東段臺網布局相對于南天山西段更為均勻（圖1）。而新疆境內MS≥1.0地震主要集中在天山中東段和南天山西段，且主要沿斷裂帶分布，其中天山中東段烏魯木齊附近區域臺站密度較大，因此，所記錄的小地震數據相對較多，而南天山西段臺站較為稀疏，中強地震活動水平較高，滿足波速比求解標準的地震數據相對于天山中東段略少。為進一步了解新疆天山地區地震波的運動學特征即波速比變化，在滿足技術要求和求解標準的前提下，選擇天山中東段和南天山西段作為本文的研究區域，以捕捉中強地震前的波速比異常信息。

2 研究方法與原理

基于多臺和達法求解波速比的原理，采用新疆天山地區的研究數據，對一個地震以一組臺站i記錄的縱波到時TPi和縱波與橫波間的到時差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）。假設所選研究區為理想的均勻彈性介質，以多臺記錄到的近震直達P波、S波到時TPi、TSi計算波速比γ、相關系數R和標準差S的計算公式為

圖1 新疆天山地區地震臺站分布及研究區域內震中分布圖

式（1）中，n為臺站個數；ΔTi＝TSi-TPi為第i個臺站記錄到的橫波和縱波的到時差，則

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

結合前人對新疆天山地區波速比研究成果，基于新疆地震臺網2009～2014年的地震觀測數據，采用多臺和達法計算天山地區震中周圍多臺（臺站數目不少于4個）平均波速比值，考慮到研究數據波速比計算結果的異常變化并使其更明顯，我們計算了波速比的擾動值（（4）式），同時分析其時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地震之間的關系。

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15543次MS1.0以上地震的觀測數據。依據多臺和達法計算原理，按照地震事件至少被4個臺站記錄到的標準，共選取地震事件9590次，可利用的地震數據占總數據的61.7%。為保證樣本數和數據精度要求，在已選的9590次地震事件中，再參照波速比標準誤差≤0.05、相關系數≥0.98的標準，共選出地震事件1755次。在計算波速比擾動值之前，首先需要計算波速比（包括實際值和背景值），同時參照前人的篩選方式對所選用資料進行篩選和預處理（高朝軍等，2013）。采用前述預處理后的地震數據，首先按照研究區設定范圍參數，將研究區進行0.2°×0.2°網格劃分，并求得每個網格的波速比背景值，背景值主要是基于研究區域內無中強地震發生的時段進行計算；然后選擇2013年以來的地震數據獲取相應波速比實際值，同時求解波速比的擾動值，并對其時空變化特征進行分析；最后，結合2011～2013年4次中強地震前波速比擾動值空間分布情況，分析中強地震前波速比擾動值變化特征。波速比擾動值的計算主要是依據研究區內滿足條件的地震數據，一般為低值負異常。

4 震例回溯

4.1 新疆天山地區波速比背景值

劉文學等（2011）采用修訂后的接收函數H-κ疊加算法估計了新疆及周邊地區90個地震臺站下的波速比，波速比的估計結果為1.61～1.89，均值為1.76。結合前人研究結果，本文采用多臺和達法對新疆天山地區波速比展開研究，結果表明，研究區內波速比為1.65～1.78，均值為1.70左右。

4.2 天山地區的7次震例

為突出研究區內波速比異常的空間分布，將研究區分為天山中東段和南天山西段2個子研究區。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月波速比擾動值空間分布，結果表明，天山中東段的溫泉-新源地區和烏魯木齊南部地區以及南天山西段的柯坪塊體波速比擾動值存在低值異常，其中，新源西部的波速比擾動低值形成一個不規則的橢圓形，而烏魯木齊附近區域和南天山西段的普昌斷裂以西波速比擾動低值變化幅度較大，其輻射范圍相對集中。

圖2 2013年1月～2014年9月天山地區波速比擾動值分布圖

圖3 2013年1月～2014年9月2個擾動值異常區波速比時序圖

通過計算，得到了上述2個區域的波速比時序圖（圖3），其中圖2（a）中2個虛線圈所圈定區域分別與圖3（a）和圖3（b）中的時序圖內容相對應。結合研究區內的3次震例分析，中強地震之前波速比均顯現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出“下降-低值-恢復-發震”變化趨勢，異常持續時間為3個月左右，異常變化幅度為5%左右，尤其是異常上升幅度相對較大，并發生在“低值-回升-發震”過程中，多數地震前出現了“低值-恢復”過程。如烏魯木齊南部地區在2013年3月29日昌吉5.6級地震和8月30日烏魯木齊5.1級地震之前波速比出現低值異常過程（圖3（a），3（b）），波速比高值恢復過程中發震。2013年12月1日柯坪5.3級地震之前柯坪塊體波速比處于低值狀態（圖3（c）），3個子區域時序圖之后的時間內波速比出現低值-恢復狀態，但沒有地震發生，說明此異常對應率并非100%。目前烏魯木齊南部地區、溫泉-新源地區以及柯坪塊體波速比時序曲線呈現出“下降-低值-恢復”變化趨勢，而該現象很可能是中強地震發生前的一種表現，也意味著這3個子區域地下介質應力可能正處于積累的過程中，需要加強關注。

圖4 2009年1月～2011年10月新源附近波速比擾動值分布圖

圖6 2009年1月～2013年3月烏魯木齊附近波速比擾動值分布圖

隨著數字監測臺網密度的增加，局部監測能力逐步提高，研究區內監測到的地震的最小完整性震級降低，尤其是臺站布設相對均勻的天山中東段。新疆天山地區是中強地震頻發區域，2011年以來共發生16次MS5.0以上中強地震。本文分析了2011～2013年4次MS5.0以上中強地震前的波速比擾動值變化，這4次地震分別位于天山中東段和南天山西段。從天山中東段分區的波速比擾動值分布（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級地震發生在波速比擾動的低值異常區域（圖4），自2009年1月～2011年11月1日MS6.0地震前，震中及其附近區域滿足波速比計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的65%。2012年6月30日新源、和靜交界6.6級地震前，新源附近區域波速比擾動值形成不規則的半橢圓形低值區，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，其相應研究區域內共有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的63.5%；2011年11月1日MS6.0地震前該區域的波速比低值異?？赡苋耘c此次MS6.6地震有關。北天山中東段2009年1月～2013年3月波速比擾動值空間變化顯示（圖6），在擾動的低值集中區發生了2013年3月29日烏魯木齊、昌吉交界5.6級地震，2009年1月至此次地震前，其震中及其附近區域共有1318次地震事件滿足波速比的計算要求。2013年1月至MS5.6地震發生的時間段內，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的62%。圖7給出了南天山西段阿合奇西南區2009年1月～2011年7月波速比擾動值的空間變化，在2個波速比擾動低值區的中間位置發生了2011年8月11日阿圖什-伽師5.6級地震。2009年1月至該地震發生前，此地震震中及其附近區域共有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的52.4%。從4次中強地震前波速比擾動值的變化中可以看出，波速比異常多數分布在斷裂帶兩側和不同方向斷裂的交匯部位，多數斷裂具有控震背景，地下介質物理性質較為復雜，波速比低值異常區及其附近區域的地下介質應力積累水平則相對較高，具有發生中強地震的地質構造條件。

圖7 2009年1月～2011年7月阿合奇西南波速比擾動值分布圖

5 結論與討論

本文通過對新疆天山地區2009年以來地震波速比進行計算，得出天山地區波速比擾動值時空變化圖，并結合2011～2013年4次震例分析了波速比擾動值在中強地震前的一些變化，最后得出以下結論：

（1）2009～2014年新疆天山地區波速比平均值為1.70，基本波動范圍為1.65～1.78。結合3次震例分析，中強地震前波速比呈現出一定的異常特征，變化幅度在5%左右，震前總體表現為“下降-低值-恢復-發震”這一變化過程，異常持續時間為3個月左右。綜合分析7次中強地震前波速比值的變化情況，震前震中及其附近區域在一定時間段內波速比低值的地震事件占相應總事件數的比率大于60%，中強地震前波速比低值相對明顯。

（2）結合4次震例，分析2013年以來研究區內波速比擾動值時空變化，可以看出，天山中東段的溫泉-新源、烏魯木齊南部地區以及南天山西段的柯坪塊體區存在波速比擾動的低值異常。這2個子區域地震活動水平較高，地下構造背景復雜，波速比擾動值高低交替分布，分布區域大小以及集中程度與臺站密度和滿足波速比計算條件的地震事件數有關。地震活動性不同的區域，其地下介質應力狀態的變化及應力作用也有所差異，波速比擾動值變化較大的區域其地質構造應力變化也相應較為顯著，應力積累處于一個逐步加強的過程，因而發生中強地震的可能性較大，需要加強對這幾個子區域的波速比以及其他地震學參數變化的進一步跟蹤和研究。4次震例的波速比擾動值時空變化分析發現，多數中強地震發生在波速比擾動的低值集中區域，波速比擾動值異常大多分布在斷裂帶兩側和多條斷裂的交匯部位，相應研究區內地下介質應力變化和相互作用比較顯著，具備發生中強地震的地質構造條件。

（3）由于本文所用數據取自2009年以后，未采用此前模擬記錄的地震數據，因此不能較完整地展現有地震記錄以來新疆天山地區波速比的變化情況，且新疆南天山西段臺站密度相對于天山中東段少，分布不均勻，區域劃分的精度不夠精細，記錄的震例也相對較少，所獲取的結果受資料影響較大。隨著數字化地震數據數量和質量的不斷增加和提高，波速比研究結果的精度和可靠性將會進一步提高。

致謝：新疆地震局提供了研究數據，李志海在波速比擾動值計算方面、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。