基于沈陽臺的遼寧省地區波速比變化研究

方禹心，顧強強，荊 濤，包秀敏

（沈陽地震基準臺，遼寧 沈陽110061）

0 引言

當地震波通過地殼介質時，其速度會隨介質物理性質變化而發生變化，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介質的異常變化信息，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［1］。在地震發生時，地震波會在地殼內迅速傳播，地殼介質和傳播速度之間會形成準確的函數關系，當地震的傳播速度發生變化時，地殼介質的所有物理參數也會發生變化，因地震形成的區域應力場也會隨之發生改變。因為P 波以及S 波和地殼介質物理參數的函數關系不一樣，因此當地震發生時， P 波以及S 波的反應狀態也各不相同。在現代化的地震監測技術中，監測P 波以及S 波的變化來進性地震險情預警已經成為一種十分常見的預警手段［2-3］。

近年來，隨著數字地震觀測儀器的改進和地震臺站密度的增加，有關利用區域數字地震臺網震相數據分析地震前后波速比變化特征的研究也不斷增多。例如：龍海英等［4］研究了新疆烏蘇5.1級地震前后波速比變化，發現震前波速比呈現正常—降低—發震模式；錢曉東等［5］研究了攀枝花6.1級地震前后波速比變化，發現地震發生前3年波速比持續長時間下降，震前2個多月回升至均值上下發震。此外，其他學者在研究地震前后波速比變化特征時，同樣發現了震前波速比降低的異常現象（王林瑛等［6］，李艷娥等［7］，陳麗娟等［8］， 邢康等［9］）。由此可見，震前波速比異常可以作為地震預測預報的一種指標。

進入信息化以來，隨著互聯網技術的不斷發展，數字化水平也在不斷的提高。經過國內專家學者的不懈努力，我國的數字地震波資料庫已經初步建立起來，可以隨時隨地調取不同區域發生中強地震前波速比變化特征研究成果，本文利用沈陽地震臺的數字化地震記錄，對遼寧地區中強震前的波速比變化進行研究。

1 遼寧省地區地質背景

遼寧地區的大部分地震震源深度都在10km到20km 之間，多分布在丘陵、斷裂盆地、斷裂帶以及結構變異帶上面，在整個華北地區屬于地震活動的中等水平。地震活動在時間、空間分布上都表現出非均勻特征，時間上表現成叢的特征，空間上表現相對集中特征。遼寧地區地震活動主要分布在營海老震區和張渤地震帶附近。

遼寧測震臺網是由5個國家數字測震臺和30 個區域數字測震臺及2 個背景場項目新建臺組成，并通過中國地震臺網中心實時波形數據流服務器接入鄰省14個臺站。測震臺比較均勻的分布在遼寧省各地，平均臺站間距為70km，遼寧中部地區臺站分布較密集。本研究基于遼寧省數字地震臺網中心提供的地震目錄，收集并整理2008—2018年的地震震相數據。

2 研究方法

一般情況下，波速比的計算方法大都采用和達法，把S 波與P 波到時差與P 波到時擬合為1條直線。兩種計算方法運用的計算原理都是一樣的，將兩組數據Tpt和T（s-p）i其中的一個當做自變量，將另一個數據當做因變量，根據兩者之間的函數關系進行分析，計算出某一節點上的斜率即波速比。然后可以參考地震統計局監測到的直達波Pg和Sg震相的到時Tp與Ts，根據下列公式用最小二乘法計算波速比：

其中n為每次地震到時的數據個數。

相比于直接將地震預測的波速比篩選出來，運用這種計算方法計算出的波速比值準確度較高，并且可以保持相對的穩定性，不過這種計算方法的對網絡監測布局以及時間服務精度要求極高。

3 資料選取

在接收到由遼寧省數字化網絡監測到的地震監測報告后，應立刻將信息資料進行科學的篩選和處理，從橫向和縱向兩個方面對監測數據進行全面的分析比較，計算出精準的地震波速比，以及沈陽臺的到時記錄。為了方便篩選查看及判定未來可能發生地震的區域，以沈陽臺為中心劃分為四個象限進行討論（圖1），由于第三象限發生中強震比較多且確有案例可以說明，故選其為研究對象。為了保證計算結果的可靠性，篩選并重讀以沈陽臺為中心的第三象限地震數據記錄，按地震發生的頻次，以10個點為窗長逐點依次進行平均波速比計算，計算所得結果根據以下異常判別條件劃分：≥1.71為正常；=1.67～1.71為正常偏低；≤1.66即存在異常現象，所以在篩選數據時，對誤差大于0.05的單點進行了數據重新讀取或剔除。

圖1 四象限劃分震中分布圖Fig.1Four-quadrant epicentral distribution map

4 計算結果

四個象限波速比變化如圖2所示，可以看出第三象限在海城地區地震前有較明顯的低值異常變化，因此重點對第三象限進行討論并編制出波速比前后隨著時間變化而發生變化的函數曲線。由圖1我們能夠清楚地得出，重讀后監測到的地震事件為115例，平均波速比值為1.71。由圖3能夠得出，大部分的地震波速比值都集中在1.65到1.75之間，并且隨著地震強度的不斷減小，波速比的離散狀況更加明顯。由圖4能夠得出，第三象限內低值異常呈現持續走低趨式；圖5為燈塔5.1級地震前出現的大約1年的波速比異常，震前半年出現明顯的高值攀升，波速比形成正常—降低—高值攀升—發震的模式，中強地震前波速比會出現下降，之后回升到一定程度發生主震；海城4.4級地震前一年半左右波速比持續走低直至發震到達最低值（圖6）。這些特征與顯著地震前后波速比變化的一般特征比較一致。

圖2 四象限波速比平滑Fig.2Four-quadrant wavevelocity ratiosmooth

圖5 燈塔5.1級震前變化Fig.5Thebefore TheDengta M5.1earthquake

5 結果與討論

從上面的分析中,我們可以得到以下結論：

（1）遼寧西南部地區的平均波速比為1.71；

（2）通過分析第三象限波速比的時間變化趨勢，能夠清楚地發現波速比與地震強度之間存在緊密的聯系，因此認真研究波速比的發展變化，對于準確的預報地震險情有著重要意義。由上圖的數據表明，波速比的整體比值在過去的十年間呈現出不斷下降的趨勢，這也意味著該地區的地殼運動十分活躍，未來發生中強度地震的幾率較高；

（3）在過去的幾年間，海域地區發生中強地震之前，該海域的波速比值都維持在一個較低的水平，不過每次維持的時間都不相同，也許是孕震環境的不同導致這樣的結果產生，這種現象還需進一步考察驗證；

（4）由過去十年間的波速比監測結果來看，如果沒有中強地震的發生，這一時間段的波速比也會發生異常變動，不過這種現象持續的時間較短，并且沒有準確的統計記錄，所以將波速比的狀況與發生中強地震的必然性聯系起來是有待商榷的。不過這一數值可以作為遼寧地區的一種參考依據，結合其他多種手段進行綜合監測。

本文通過運用單臺多震和達法來計算波速比，將數字化信息進行細化處理，實現信息的同步性和一致性，消除了這種方法本身存在的局限性，保證數據的真實完整。不過從整體情況來看，這一研究方法還是會存在一定程度的誤差，這就要求我們進一步改進分析方法，全面系統的分析各項數據，運用不同先進的科學研究手段進行綜合判斷，使整個監測過程變得更加細致精準。