基于氣槍震源信號的云南漾濞MS6.4地震前后波速變化

蘇金波，楊微，李孝賓，王偉濤，楊軍，陳颙

1 中國地震局地球物理研究所，北京 100081 2 中國地震局烏魯木齊中亞地震研究所，烏魯木齊 830011 3 中國地震科學(xué)實驗場大理中心，云南大理 671000 4 南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210023

0 引言

據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心測定，北京時間2021年5月21日21時48分37秒(UTC2021-05-21 13∶48∶37)，在云南省大理白族自治州漾濞彝族自治縣發(fā)生MS6.4地震(震中位置25.67°N，99.87°E，震源深度10 km)，造成3人遇難、28人受傷，大量的建筑物遭到破壞.相關(guān)研究結(jié)果表明，漾濞MS6.4地震的發(fā)震斷裂為與維西—喬后斷裂平行的一條之前未被發(fā)現(xiàn)的構(gòu)造，其位置在維西—喬后斷裂SW側(cè)，是一條與維西—喬后斷裂具有相似構(gòu)造特性的平行伴生構(gòu)造(圖1).該次地震的最高烈度為Ⅷ度，Ⅵ度以上破壞區(qū)約為6600 km2，破壞區(qū)域涉及大理州6個縣市，在震后考察中發(fā)現(xiàn)了SN向地表裂縫和抬升(龍鋒等，2021；張克亮等，2021).

大量的研究表明，斷裂帶周圍的地下介質(zhì)地震波速度在地震前后會發(fā)生變化，這是由于地下介質(zhì)在地震前后經(jīng)歷了地下應(yīng)力調(diào)整，造成斷裂帶巖石中微小裂隙的張開與閉合(Brenguier et al., 2008; Li et al., 2017; Pei et al., 2019).因此，波速變化可以很好地反映地震引起的地下介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)的改變(Niu et al., 2008; Brenguier et al., 2008; 楊微等, 2010).但是，這種應(yīng)力調(diào)整引起的波速變化往往很小，對觀測精度要求較高，實現(xiàn)高精度的波速變化測量需要采用具有高度可重復(fù)性的震源.

目前，研究地下介質(zhì)波速變化所采用的震源主要包括重復(fù)地震、背景噪聲和人工震源等.重復(fù)地震產(chǎn)生的地震波信號能量強，但在時空分布上不可控，且發(fā)生頻次低(王寶善等，2011；陳颙等，2017).背景噪聲技術(shù)在近些年快速發(fā)展，作為一種廉價的新型天然震源，也被應(yīng)用在地下介質(zhì)波速變化測量中(Lecocq et al., 2014; Liu et al., 2014, 2018)，但背景噪聲需要經(jīng)過長時間的疊加才可以獲得可靠的信號，且背景噪聲源的變化在一定程度上限制了測量的精度，導(dǎo)致時間分辨率和測量精度均比較有限(Zhan et al., 2013).利用人工震源向地下重復(fù)發(fā)射地震波，可以彌補天然源的不足，是進行地下介質(zhì)變化測量的另一種手段(王寶善等，2016).經(jīng)過十多年的探索和實驗后發(fā)現(xiàn)，相比于其他類型人工震源，大容量氣槍震源具有能量大、重復(fù)性好、優(yōu)勢頻率低和綠色環(huán)保等優(yōu)點，是進行區(qū)域地下介質(zhì)波速變化測量的理想震源(陳颙等，2007；魏斌等，2016；Yang et al., 2018； Wang et al., 2020；楊微等，2021).

2010年，中國地震局在云南省大理州賓川縣大銀甸水庫構(gòu)建了基于大容量氣槍震源的地震信號發(fā)射臺，是世界上首個主動向外發(fā)射地震波的地震臺站(陳颙等，2017).2021年5月21日云南大理發(fā)生了漾濞MS6.4地震，震中位置位于賓川氣槍地震信號發(fā)射臺的西南方向約64 km處(圖1).賓川氣槍地震信號發(fā)射臺的連續(xù)激發(fā)，為研究該區(qū)域地震前后地下介質(zhì)波速變化提供了豐富的數(shù)據(jù).

1 實驗與數(shù)據(jù)

1.1 賓川氣槍地震信號發(fā)射臺

賓川氣槍地震信號發(fā)射臺位于云南省大理白族自治州賓川縣境內(nèi)的大銀甸水庫(王彬等，2016).氣槍地震信號發(fā)射臺于2011年正式開始運行，配備4支單槍容量為2000 in3的Bolt 1500LL型氣槍陣列.氣槍震源通過水上浮臺懸掛于水下10 m處，4支氣槍震源同時激發(fā)產(chǎn)生的地震波能量相當于一次0.7級地震(楊微等，2013).震源信號具有高度的可重復(fù)性和豐富的低頻成分是氣槍震源的最大特點，地震信號發(fā)射臺激發(fā)信號的主頻在4 Hz左右(Wang et al., 2020)，低頻信號在地下介質(zhì)中衰減慢，可以在很大程度上保證探測距離.

1.2 信號接收系統(tǒng)

為接收賓川氣槍地震信號發(fā)射臺向外發(fā)射的地震波信號，在周圍共架設(shè)有60個流動地震觀測臺站，與云南省地震局固定臺網(wǎng)和小孔徑臺網(wǎng)共同形成氣槍信號接收系統(tǒng)(圖1).其中流動地震觀測臺站的觀測儀器均采用美國Reftek 130數(shù)據(jù)采集器和英國Guralp CMG-40T短周期地震儀，采樣率為100 sps(samples per second).從臺站分布圖中可看出，大部分臺站位于大理州洱海的東側(cè)，集中在氣槍震源周圍，而在洱海西側(cè)的10多個臺站基本都位于漾濞MS6.4地震震中的北側(cè).另外，在距離氣槍震源約50 m的岸邊處架設(shè)了一套流動地震儀器，用來觀測和監(jiān)測氣槍震源的激發(fā)波形，并在后期數(shù)據(jù)處理中作為近場參考臺站.

圖1 賓川大容量氣槍震源、漾濞MS6.4地震序列位置及周邊觀測臺站分布圖藍色和紅色三角形分別表示流動地震臺站和固定臺站的位置分布.黃色五角星為MS6.4主震震中，紅色五角星為賓川大容量氣槍震源位置，黑色實線為研究區(qū)域內(nèi)的斷裂分布.黑色圓圈為2021年5月1日至5月30日研究區(qū)域內(nèi)1.0級以上地震震中位置分布(地震目錄數(shù)據(jù)來自蘇金波等，2021).Fig.1 Binchuan large volume airgun source, Yangbi MS6.4 earthquake sequence location and surrounding observation stations distribution mapThe blue and red triangles denote the distribution of temporary and permanent seismic stations, respectively. The yellow star is the epicenter of the MS6.4 main earthquake. The red star is the location of Binchuan large volume airgun source. The black lines represent the faults in the study area. The black circles represent the epicenter of earthquakes with magnitudes above 1.0 in the study area from May 1 to May 30, 2021 (The seismic catalogue data from Su et al., 2021).

1.3 實驗數(shù)據(jù)

自2011年9月起，賓川氣槍地震信號發(fā)射臺開始正常運轉(zhuǎn)，每隔2天進行一組激發(fā)，在夜間連續(xù)激發(fā)3～4 h，激發(fā)工作壓力為15 MPa.2021年5月21日漾濞MS6.4地震前一個月，激發(fā)實驗有兩種工作模式，一是在2021年4月13日至4月27日期間進行了24 h連續(xù)激發(fā)，激發(fā)間隔為30 min，共激發(fā)694次.另外一種激發(fā)模式是在2021年5月6日至5月18日，每隔2天激發(fā)一組，凌晨0時到3時間隔15 min進行激發(fā)，共激發(fā)65次.漾濞MS6.4地震發(fā)生后，從5月21日晚上22時開始進入24 h連續(xù)激發(fā)，截至6月3日，共激發(fā)1042次，圖2a為氣槍地震信號發(fā)射臺激發(fā)瞬間的場景.

為檢驗氣槍地震信號發(fā)射臺激發(fā)產(chǎn)生地震波信號的重復(fù)性，參照相關(guān)研究人員利用近場臺站記錄波形互相關(guān)系數(shù)的方法(陳颙等，2007，2017；王彬等，2016；魏斌等，2016；張元生等，2017；Yang et al., 2018; Wang et al., 2020)，對地震信號發(fā)射臺50 m處的流動地震儀的記錄波形進行了重復(fù)性分析.首先，將2021年4月13日至5月23日期間激發(fā)產(chǎn)生的800次地震波信號重疊(圖2b)，氣槍信號均呈現(xiàn)出極高的一致性；其次，選取其中一次波形信號作為參考信號，將所有信號與參考信號進行互相關(guān)計算，結(jié)果顯示互相關(guān)系數(shù)幾乎都在0.95以上(圖2c)，與前人分析的結(jié)果完全一致(王彬等，2016；Wang et al., 2020).

另外，結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有的大容量氣槍震源的地震波傳播特征，云南賓川(4×2000 in3)、新疆呼圖壁(6×2000 in3)和甘肅張掖(4×2000 in3)等地信號發(fā)射臺激發(fā)產(chǎn)生的氣槍信號經(jīng)過～100次疊加后，分別可在300 km、500 km和400 km距離處的地震臺站檢測到氣槍信號(楊微等，2021)，這與氣槍震源的激發(fā)容量、水體環(huán)境(水深和水面面積等)、周圍地質(zhì)構(gòu)造和人類活動等有關(guān)，而受信噪比的限制，用于波速變化分析的臺站距離也只能到幾十公里(魏蕓蕓等，2016；張元生等，2017；楊建文等，2019；徐亞飛等，2021).在氣槍震源激發(fā)容量相同情況下，云南賓川信號發(fā)射臺激發(fā)信號的傳播距離比甘肅張掖的要近，與云南大理的地質(zhì)構(gòu)造和人類活動等有關(guān)，云南賓川氣槍信號波形需要更多次數(shù)的疊加來提高信噪比，以滿足波速變化高精度探測的需求.因此，結(jié)合實際波形數(shù)據(jù)及信噪比情況，本文著重于分析漾濞MS6.4地震前后的波速變化.

圖2 (a) 賓川大容量氣槍震源激發(fā)瞬間； (b) 參考臺記錄到800次氣槍震源激發(fā)的垂直分量波形； (c) 參考臺記錄到的震源激發(fā)信號垂直分量互相關(guān)系數(shù)Fig.2 (a) Excitation moment of Binchuan large volume airgun source; (b) The vertical waveforms of 800 times airgun source excitation signals recorded by the reference station; (c) The cross-correlation coefficient of airgun source signal recorded by the reference station

2 分析方法及流程

2.1 根據(jù)噪聲 RMS水平篩選氣槍信號

信號的信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)是進行走時變化測量的重要影響因素.信噪比是信號的強度與噪聲強度的比值，可以定義為信號振幅的均方根(Root Mean Square，RMS)與噪聲振幅的均方根的比值.由于氣槍信號的高度重復(fù)性，因此氣槍信號的RMS值一般在一個很小的范圍內(nèi)波動，當氣槍信號受到地震或者較強干擾時，其記錄波形的振幅將會顯著增大，記錄波形的RMS值也會隨之大幅度增大，使得疊加后的氣槍信號淹沒在干擾之中(蔣生淼等，2017).

在數(shù)據(jù)處理中，首先對截取出的氣槍信號進行預(yù)處理(包括去均值、去線性趨勢)，并計算信號振幅的均方根值σ，σ值越大，外界干擾對信號的影響越大.然后，對σ值進行升序排列后，將其逐條疊加可以得到一個動態(tài)反映單個臺站記錄到氣槍信號的噪聲水平函數(shù)：

(1)

噪聲水平函數(shù)N隨信號數(shù)量n的變化形式為類拋物線，存在一個使得噪聲水平函數(shù)N最小的σmin值.最后，以σmin作為閾值，將信號振幅的均方根σ小于σmin的波形記錄用于后續(xù)處理.

這種篩選方法可以剔除強噪聲干擾記錄，特別是在地震活動性較強、氣槍信號提取受到干擾較大時，可以改善和提高氣槍信號疊加后的信噪比.

2.2 反褶積降低震源變化的影響

氣槍震源激發(fā)后，高壓氣泡在上升過程中產(chǎn)生的往復(fù)振蕩，導(dǎo)致氣槍震源近場波形在時間上具有一定的持續(xù)性，使得氣槍信號往往比天然地震更為復(fù)雜.臺站記錄到的氣槍信號可以表示為

d(t)=s(t)*g(t)*i(t)+n(t),

(2)

其中，d(t)為臺站記錄到的信號，s(t)為震源時間函數(shù)，g(t)為格林函數(shù)，i(t)為地震儀對信號的脈沖響應(yīng)，n(t)為環(huán)境噪聲，*為卷積符號.在數(shù)據(jù)處理中，可以忽略噪聲影響.由于觀測使用的臺站儀器均為同一種型號，且觀測位置不變，因此可以不考慮儀器響應(yīng)的影響.那么2個信號在時間域中的褶積就等于其在頻率域中的乘積，格林函數(shù)G(ω)可以表示為：

(3)

為了獲得地下介質(zhì)響應(yīng)的格林函數(shù)G(ω)，采用常用的水準反褶積方法(楊微等，2010；Yang et al., 2018；Wang et al., 2020)，將遠場臺站記錄到的信號與參考臺記錄到的氣槍信號進行反褶積計算，即可得到

(4)

2.3 氣槍信號疊加

通過反褶積處理得到各觀測臺站與震源近場參考臺站之間的格林函數(shù)，在距離氣槍震源較遠的臺站，單次激發(fā)無法得到信噪比較高的氣槍信號.依賴于氣槍信號的高度重復(fù)性，可以利用波形疊加的方法來提高信噪比.考慮到信噪比問題，為獲得可靠的波速變化結(jié)果，本文采用線性疊加和時頻域相位加權(quán)疊加兩種方式對反褶積后的氣槍信號進行疊加.

(1)線性疊加

線性疊加是對多次重復(fù)信號相加后求平均，可以表示為：

(5)

(2)時頻域相位加權(quán)疊加

得益于氣槍震源的高度重復(fù)性，信號的時頻分布特征比較一致，而噪聲的時頻域分布特征則呈現(xiàn)隨機分散分布(顧廟元等，2016).根據(jù)Stockwell等(1996)提出的Stockwell變換的可逆性，Schimmel和Gallart(2007)將時間域的相位加權(quán)疊加推廣到時頻域，利用時頻域相位加權(quán)疊加的方法，提高信號的信噪比.

Stockwell變換的表達式為：

(6)

其中f為信號頻率.w(τ-t,f)為高斯窗口，表達式為：

(7)

相位加權(quán)系數(shù)Ct f(τ,f)的表達式為

(8)

其中，Sj(τ,f)為第j次激發(fā)信號經(jīng)過S變換后的結(jié)果.然后將時頻域內(nèi)的信號經(jīng)過線性疊加得到Sls(τ,f)，乘以相位加權(quán)系數(shù)Ct f(τ,f)，再經(jīng)過Stockwell逆變換，得到時頻域相位加權(quán)疊加后的信號S(t)為：

S(t)=inv{Ct f(τ,f)γSl s(τ,f)},

(9)

其中，γ為加權(quán)因子.從圖3可以看出，在同樣的疊加數(shù)量下，相比于線性疊加方法(圖3a)，時頻域相位加權(quán)疊加方法可以獲得信噪比更高的氣槍信號(圖3b).

2.4 互相關(guān)提取走時變化

疊加后格林函數(shù)的信噪比得到了較大的改善和提高(圖3).先進行2.5～5 Hz的Butterworth帶通濾波，并將地震前的格林函數(shù)作為參考信號，采用時間窗長為0.6 s和滑動窗長為0.3 s的互相關(guān)方法，與地震后的格林函數(shù)進行計算，得到每個信號窗口相對于參考信號的互相關(guān)系數(shù)和對應(yīng)的走時延遲.由于觀測儀器的采樣率是100 Hz，即每10 ms進行一次采樣，為了獲得更高的走時變化測量精度，利用余弦函數(shù)插值擬合的方法(Wang et al.，2008)，以更高的采樣率重建了互相關(guān)函數(shù)，從而得到亞采樣的測量精度(Niu et al.，2008；王偉濤等，2009；Wang et al.，2008，2020).

由于探測精度受信噪比和重復(fù)性的影響，在計算走時變化時，為了保證分析結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性，選取初至波形最大振幅和互相關(guān)系數(shù)較大、且窗口長度為0.1 s的余弦插值擬合走時變化曲線，然后分別將平均值和標準差作為走時變化值和誤差.圖4給出了53038臺站計算走時變化的過程，圖4a和4b分別是地震前后挑選波形進行反褶積、線性疊加和濾波后的格林函數(shù)，再進行滑動互相關(guān)計算獲得互相關(guān)系數(shù)(圖4c)和余弦函數(shù)插值擬合后的走時延遲曲線(圖4d)，在此選取計算初至P波震相走時變化曲線的窗口為10.0～10.1 s(圖4d)，得到的走時變化值和誤差分別是2.8 ms和0.3 ms.

圖3 各臺站垂直向信號經(jīng)過反褶積后線性疊加(a)和時頻域相位加權(quán)疊加 (b)后氣槍信號剖面圖(信號經(jīng)過2.5～5 Hz帶通濾波)Fig.3 The vertical profile of airgun signal after deconvolution, linear stacked (a) and phase weighted stacked in time-frequency domain (b), and bandpass filtered with 2.5～5 Hz

圖4 互相關(guān)延時檢測方法原理(以53038臺為例)(a) 地震前信號； (b) 地震后信號； (c) 互相關(guān)系數(shù)； (d) 互相關(guān)延遲檢測得出走時變化.Fig.4 Principle of cross-correlation delay detection method (take 53038 station as an example)(a) Signal before the earthquake; (b) Signal after the earthquake; (c) Cross-correlation coefficient (CC); (d) Travel-time delay (dt) obtained by cross-correlation delay detection.

3 地震前后波速變化測量

按照上述分析方法及流程，結(jié)合氣槍地震信號發(fā)射臺的位置、漾濞MS6.4地震震源破裂區(qū)域和觀測臺站的分布，對從氣槍震源點往西方向的20多個臺站記錄進行篩選，并考慮信噪比需要足夠高以滿足探測精度的要求，最終選定了53258、53037、53038、53250、CHT、EY211、EY213、EY214、EY216共9個臺站記錄來分析地震前后的波速變化特征.根據(jù)臺站的噪聲RMS水平，對9個臺站記錄的地震前2021年4月13日至5月18日期間759次激發(fā)和地震后2021年5月21日至6月3日期間1042次激發(fā)的波形進行了篩選，得到了各個臺站用于疊加的波形記錄，各臺站信息和疊加次數(shù)見表1.

將9個臺站篩選后的波形記錄進行反褶積、疊加和濾波處理，圖5a,5c中給出了篩選后的氣槍信號進行線性疊加和時頻域相位加權(quán)疊加的走時剖面圖，地震前后信號的重復(fù)性較好，特別是初至波震相的一致性較高.然后分別選擇兩種疊加方法得到信號的初至波震相的0.6 s作為互相關(guān)延時檢測的時間窗，圖5b和5d分別是地震前后兩種疊加方法所選取初至波震相的局部放大圖.

表1 各臺站位置信息與走時變化情況Table 1 Basic location information and travel-time delay of each station

圖5 (a) 地震前(黑色)和地震后(紅色)線性疊加得到的波形； (b) 線性疊加后各臺站初至波信號局部放大； (c) 地震前(黑色)和地震后(紅色)時頻域相位加權(quán)疊加得到的波形；(d)時頻域相位加權(quán)疊加后各臺站初至波信號局部放大Fig.5 (a) Waveform obtained by linear stacking before (black) and after (red) earthquake; (b) Local amplification of the first arrival signals of each station waveform after linear stacking; (c) Waveform obtained by phase weighted stacking in time-frequency domain before (black) and after (red) earthquake; (d) Local amplifications of the first arrival signals of each station waveform after phase weighted stacking in time-frequency domain

圖6 (a) 進行走時變化測量的9個臺站的分布圖； (b) 各臺站的走時變化隨偏移距的關(guān)系； (c) 震源區(qū)發(fā)生地震在圖(a)中A-A′線上的投影Fig.6 (a) The distribution of 9 stations where travel-time variation measurements were made; (b) The relationship between travel-time delay of each station and offset; (c) The projection of earthquakes occurring in the source region on the A-A′ line shown in figure (a)

通過互相關(guān)延時檢測、余弦插值擬合和誤差分析，得到了選取的9個臺站(圖6a)在地震前后初至波走時的相對變化值(圖6b)，從走時變化圖上可以明顯的看出，根據(jù)線性疊加和相位加權(quán)疊加后信號，測量得到走時變化曲線趨勢基本一致.我們將2021年5月1日至5月30日之間，研究區(qū)域發(fā)生的1級以上地震(數(shù)據(jù)來自蘇金波等，2021)投影到以氣槍震源位置A′作為起始點，向正西方向延伸120 km至A點的A′-A剖面上(圖6c).結(jié)合圖6b和6c可以得出，在漾濞MS6.4地震震源區(qū)附近的53250，CHT和EY211臺觀測到的地震前后走時變化幅度較大，最大變化量達到14.4 ms(表1)，而距離主震震中距最近的53038臺觀測到的走時變化只有2～3 ms.距離震源區(qū)較遠其他幾個臺站(53258、53037、EY213、EY214和EY216)走時變化量均小于震源區(qū)附近的臺站，為2～6 ms.

4 討論

利用賓川地震信號發(fā)射臺激發(fā)的氣槍震源信號，對2021年5月21日MS6.4漾濞地震前后的地震波走時進行了測量，通過對比地震前后的走時變化，發(fā)現(xiàn)沿地震信號發(fā)射臺到震源區(qū)域方向的地震波走時存在著2～14.4 ms的延遲.在主震震中25 km范圍的3個臺站觀測到氣槍信號初至波走時存在7.3～14.4 ms的較大延遲，相對走時變化為0.08%～0.12%.相比之下，在遠離震中臺站觀測到地震前后氣槍信號初至波的走時變化幅度為2～6 ms.觀測獲得的地震前后地震波走時變化與前人在其他地震震源區(qū)所觀測到的結(jié)果相類似，例如，1989年美國洛馬MW6.9地震在震源區(qū)周圍觀測到最大21 ms的同震走時變化(Rubinstein, 2004)，2008年四川汶川MS8.0地震引起的同震波速相對變化約為0.4%(Cheng et al., 2010)，2009年四川綿竹MS5.6地震在地震斷裂帶引起的地震直達波走時變化為5～9 ms，平均相對走時變化約為0.3%，而斷裂帶內(nèi)應(yīng)力調(diào)整引起的相對走時變化約為2.0%(楊微等，2010；Yang et al., 2014).

地震同震效應(yīng)引起的地下介質(zhì)波速變化已在多個區(qū)域被觀測到，采用的方法包括重復(fù)地震、背景噪聲和人工震源等(Schaff and Beroza, 2004；Cheng et al., 2010；楊微等，2010；Pei et al., 2019).開展介質(zhì)波速變化測量的影響因素主要有震源的重復(fù)性、測量系統(tǒng)的時間服務(wù)精度和測量方法的計算誤差等(Niu et al., 2008；Wang et al., 2008，2020；楊微等，2010；Yang et al., 2018).本文采用的是大容量氣槍震源來測量地下介質(zhì)的波速變化，而大容量氣槍震源具有高度可重復(fù)性(陳颙等，2007)，其產(chǎn)生的波形互相關(guān)系數(shù)高于其他重復(fù)震源(王彬等，2016；Wang et al., 2020).從圖2b和2c中也看出，用于測量漾濞6.4級地震前后地震波走時變化的氣槍震源信號具有非常好的重復(fù)性，與前人分析的結(jié)果一致，在氣槍震源近場記錄的信號互相關(guān)系數(shù)幾乎都在0.95以上.另外，在氣槍震源激發(fā)的過程中還會受到激發(fā)水體水位的影響(欒奕等，2016；楊微等，2020)，在圖2c中的波形互相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)出下降的趨勢，主要受到了水庫水位變化的影響.在地震波走時測量過程中，本文采用常用的波形反褶積方法(Yang et al., 2018; Wang et al., 2020)，來降低激發(fā)水體水位變化對氣槍震源的影響(楊微等，2020)，以提高走時變化測量結(jié)果的準確性.

測量系統(tǒng)時間服務(wù)精度可通過觀測儀器的GPS時鐘校正誤差記錄來分析.沿氣槍地震信號發(fā)射臺往西方向，可用于地震波走時變化測量的臺站共9個，其觀測儀器均采用GPS連續(xù)授時的模式.對觀測期間的臺站儀器進行了鐘差統(tǒng)計分析(圖7)，發(fā)現(xiàn)觀測儀器具有較好的GPS時間服務(wù)精度，GPS校正誤差幾乎都在±2 μs以內(nèi)，其中最大的時間校正誤差為30 μs，也仍遠小于觀測到的地震波走時變化(ms級).同時，對觀測系統(tǒng)儀器也進行了核查，在用于地震波走時變化測量的觀測期間，地震觀測儀器未出現(xiàn)故障和更換，9個臺站觀測到的地震波走時變化測量結(jié)果也在側(cè)面上反映了觀測儀器良好的工作狀態(tài).

圖7 GPS時鐘漂移分布Fig.7 Distribution of the GPS clock drift

在地震波走時變化測量過程中，波形互相關(guān)的計算誤差(στ)可以用克拉美-羅下限(公式(10))準則來估算(Niu et al., 2008；Wang et al., 2020).

(10)

其中，f0為震源的主頻率，T為所選窗口的長度，SNR為信噪比，ρ為波形互相關(guān)系數(shù)，B為信號頻寬.根據(jù)賓川氣槍震源發(fā)射臺的信號特征，公式(10)中f0=4 Hz，B=0.6,ρ≈1，T=0.6 s，且保持不變.因此，走時變化的計算誤差主要取決于氣槍信號的信噪比.用于波速變化測量的氣槍信號(疊加后)信噪比范圍在20～50，根據(jù)公式(10)，氣槍信號的互相關(guān)計算誤差的理論值約為0.3～0.9 ms，與各個臺站實際數(shù)據(jù)計算走時變化給出的誤差相當.而觀測到的漾濞6.4地震前后在震源區(qū)的地震波走時變化幅度為7.3～14.4 ms，比理論誤差值大1個數(shù)量級.另外，Wang等(2020)利用賓川氣槍地震信號發(fā)射臺的信號，觀測到了P波和S波隨時間的連續(xù)變化特征，與環(huán)境日變化和半日變化具有較好的相關(guān)性，進一步說明了基于賓川氣槍地震信號發(fā)射臺的地震波速度變化測量系統(tǒng)具有較好的探測精度.

綜上所述，通過賓川氣槍地震信號發(fā)射臺觀測到了漾濞MS6.4級地震引起的同震波速變化.同震波速變化產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，到目前為止，同震效應(yīng)引起的介質(zhì)波速變化可以解釋為地震時產(chǎn)生的強地表運動造成淺層介質(zhì)的裂隙增加(Schaff and Beroza, 2004; Peng and Ben-Zion, 2006；Brenguier et al., 2008； Takagi et al., 2012)，地震斷裂帶的同震破裂(Li et al., 2007；Yang et al., 2014；Liu et al., 2014 )，地震震源區(qū)裂隙的打開和流體作用造成應(yīng)力場的變化(Li et al., 1998，2003; Ikuta and Yamaoka, 2004；Brenguier et al., 2008；Cheng et al., 2010)等，其中淺層介質(zhì)破壞引起波速降低的相對變化幅度在百分之幾到百分之十幾，而地下應(yīng)力場變化引起的波速變化幅度很小，往往被強地表運動造成淺層介質(zhì)破壞引起的波速變化幅度所掩蓋(Takagi et al., 2012；Pei et al., 2019).另外，地震同震效應(yīng)引起的地震波速度變化幅度與地震的震級大小、波速變化觀測時間、距離和深度等因素有關(guān).例如，1999年美國Hector MineMS7.1地震產(chǎn)生的破裂區(qū)，在2000年10月到2001年11月期間，震后恢復(fù)過程中地震P波和S波速度變化增加幅值為15～28 ms和21～36 ms，其相應(yīng)的走時變化分別為0.7%～1.4%和0.5%～1.0%，而圍巖的波速變化相對增加較小(Li et al., 2003).2004年美國ParkfieldMS6.0地震，在寬度約為200 m的地震斷裂帶產(chǎn)生的同震波速變化降低了2.5%(Li et al., 2007).在遠離日本2000年TottoriMW6.6地震和2001年GeiyoMW6.8地震震中165 km和215 km的Nojima斷裂帶附近，利用ACROSS震源分別觀測到了S波走時呈現(xiàn)出0.4%和0.1%的延遲，然后逐漸恢復(fù)的過程(Ikuta and Yamaoka, 2004).

為了進一步解釋觀測到的地震前后波速變化機理，對沿地震信號發(fā)射臺往震源區(qū)域方向的觀測臺站獲得地震波走時變化進行了對比分析(圖6).從表1、圖6b和6c可以看出，在漾濞6.4級地震震源區(qū)附近的臺站觀測到的走時變化比震中距較遠臺站的變化幅度要大，且遠離震源區(qū)的5個臺站(53258、53037、EY213、EY214和EY216)觀測到的走時變化基本一致，而走時變化的射線路徑是從氣槍震源點傳播到各個臺站.因此，可排除走時變化是由地下介質(zhì)均勻變化和深部介質(zhì)變化引起的.根據(jù)中國地震科學(xué)實驗場大理中心的氣象觀測資料可知，大理州下關(guān)站從2021年4月13日至5月21日的降雨量累計為3.6 mm，從2021年5月22日至6月3日的降雨量累計為4.9 mm，在主震前后的降雨量沒有特別大的變化.由此可推得，遠離震源區(qū)的5個臺站觀測到地震前后的走時變化主要是由于地震同震導(dǎo)致強地表運動造成淺層介質(zhì)的裂隙增加.

在距離主震震中25 km范圍內(nèi)的4個臺站(53250、CHT、EY211和53038)，觀測到的走時變化呈現(xiàn)著較大差異.53250、CHT和EY211臺站觀測到的走時變化比53038臺的要大幾倍，且53038臺觀測到的走時變化與遠離震源區(qū)臺站的變化幅度相當.這可能與發(fā)震斷裂帶和臺站分布的位置有關(guān)，漾濞6.4級地震發(fā)震斷裂帶產(chǎn)狀與維西—喬后斷裂基本一致，走向與維西—喬后斷裂平行，呈NW-SE走向、高傾角SW傾向節(jié)面(龍鋒等，2021；張克亮等，2021).53250、CHT和EY211臺站沿發(fā)震斷裂帶分布，而53038臺站距離發(fā)震斷裂帶略遠一點，且又在斷裂帶的NE側(cè)，氣槍信號的傳播射線路徑有可能沒穿過震源區(qū).因此，53038臺站觀測到的走時變化也主要是由地震導(dǎo)致強地表運動引起的，而53250、CHT和EY211臺觀測到的走時變化不僅限于強地面運動造成的淺層介質(zhì)破壞.

在沿發(fā)震斷裂帶走向方向的3個臺站，我們觀測到的漾濞MS6.4地震引起氣槍信號初至波的走時變化為7.3～14.4 ms，與其他研究人員的觀測結(jié)果基本一致.例如：Li等(2007)在美國Parkfield觀測到MS6.0地震前后，S波和尾波震相穿過發(fā)震斷裂帶產(chǎn)生的走時變化不低于20 ms；Yang等(2014)在四川綿竹觀測到MS5.6地震前后，地震直達P波穿過斷裂帶的走時變化為5～9 ms.這主要是由于地震波傳播射線路徑穿過了震源區(qū)或發(fā)震斷裂帶的部分區(qū)域，但臺站分布與發(fā)震斷裂帶的位置不是很明確，且只有賓川氣槍震源一個信號發(fā)射點，射線路徑不交叉，觀測到走時變化的空間分布還需要有該區(qū)域高精度的速度模型來解釋.同時，雷興林等(2021)認為該地震主震前后的地震活動性與潮汐活動有著密切的相關(guān)性，表明該次地震序列可能受到了流體運移的影響.蘇金波等(2021)基于深度學(xué)習(xí)方法構(gòu)建了漾濞MS6.4地震的高精度地震目錄，發(fā)現(xiàn)地震的觸發(fā)作用可能與流體運移有關(guān)，且流體運移通道位于主震SE方向，走向與維西—喬后斷裂近平行.由此可推測，該次地震的流體運移通道可能主要沿著發(fā)震斷裂帶走向方向，從圖6a可以看出分布于發(fā)震斷裂帶附近的53250、CHT和EY211臺，觀測到的地震前后走時變化可能是由地震同震破裂和流體運移并侵入巖石裂隙共同造成的，而53038臺位于發(fā)震斷裂帶的NE側(cè)，不在同震破裂和流體侵入的影響區(qū)域.

在走時變化分析中發(fā)現(xiàn)一個比較有趣的現(xiàn)象，就是觀測位置比較靠近的53250和53038臺站，觀測到的走時變化存在明顯的兩極分化，即53250臺站觀測到的走時變化幅度最大，存在著14.4 ms的延遲，而53038臺站距離53250臺站約5 km的距離，觀測到的走時變化最小，只有2～3 ms.若假設(shè)該區(qū)域P波速度為5.5 km·s-1，在這么小的區(qū)域波速相對變化為～1.5%.雖然前面解釋與臺站和發(fā)震斷裂帶的位置分布有關(guān)，53038臺站的射線路徑未穿過震源破裂或斷裂帶區(qū)，但在這么小的破裂或斷裂帶區(qū)域能否產(chǎn)生這么大的相對變化值？一次MS6.0地震在震源處產(chǎn)生的同震靜態(tài)應(yīng)力變化量的范圍為30 MPa到70 MPa，根據(jù)應(yīng)力降的估算公式(Niu et al., 2008)，在沿發(fā)震斷裂帶附近中淺層的同震靜態(tài)應(yīng)力變化量為(0.9～2.15)×104Pa.在淺層地表或斷裂帶裂隙較為發(fā)育的區(qū)域，介質(zhì)的應(yīng)力敏感性一般取～10-6/Pa(Wang et al., 2008；Yang et al., 2014)，則可觀測到的波速變化為0.9%～2.15%，我們觀測到～1.5%的相對變化屬于合理范圍.

另外，通過對臺站觀測環(huán)境進行對比分析(表1)，發(fā)現(xiàn)在發(fā)震斷裂帶附近和遠離震源臺站觀測的走時變化，都存在著觀測環(huán)境有基巖出露時(CHT和53038臺)比架設(shè)在沉積層上的臺站觀測到的走時變化幅度小.表明地震引起強地面運動造成淺層介質(zhì)疏松，進而影響孔隙度的增加導(dǎo)致地震波走時延遲.Wang 等(2020)也觀測到了這種在沉積盆地(沉積層)臺站的走時變化幅度要比基巖臺站的大的現(xiàn)象，說明淺地表沉積層的影響在介質(zhì)波速變化監(jiān)測研究中不可忽視.

5 結(jié)論

本文基于云南賓川氣槍地震信號發(fā)射臺及其探測技術(shù)系統(tǒng)，利用陸地水體氣槍震源的高度可重復(fù)性，對2021年5月21日漾濞MS6.4地震前后的觀測資料進行了系統(tǒng)的分析，獲得的初步結(jié)論如下：

(1)賓川氣槍地震信號發(fā)射臺激發(fā)產(chǎn)生的地震波信號具有高度可重復(fù)的特征，可通過多次疊加提高信噪比，為開展區(qū)域介質(zhì)波速變化監(jiān)測提供了新的技術(shù)途徑.

(2)對比分析線性疊加和時頻域相位加權(quán)疊加兩種方法的結(jié)果，9個臺站觀測到的地震前后氣槍信號初至波走時變化趨勢基本一致.

(3)在沿發(fā)震斷裂帶走向方向附近的3個臺站，觀測到的地震前后氣槍信號初至波走時出現(xiàn)了明顯的正向延遲(波速降低)，走時變化幅度為7.3～14.4 ms，且在射線路徑上的平均相對變化量為0.08%～0.12%，可能是地震引起的淺地表沉積層疏松、同震破裂造成裂隙的張開和地下流體侵入等共同作用造成的.

(4)遠離主震震中的臺站，觀測到的地震前后氣槍信號初至波走時變化具有較好的一致性，與發(fā)震斷裂帶附近臺站觀測的變化幅度相比明顯減小，為2～6 ms，可能主要是地震引起的強地表運動造成淺層介質(zhì)孔隙度增加，進而導(dǎo)致波速下降.

此外，由于震后余震較多，氣槍信號的提取受到嚴重干擾，各臺站走時日變化的相關(guān)研究受信噪比的限制，還有待進一步分析.

致謝謹此祝賀陳颙先生從事地球物理教學(xué)科研工作60周年.在賓川氣槍地震信號發(fā)射臺的激發(fā)和流動地震觀測過程中，得到中國地震局地球物理研究所和中國地震科學(xué)實驗場大理中心等單位相關(guān)人員的大力幫助.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)王寶善教授在數(shù)據(jù)處理中給予了指導(dǎo)和幫助，在此表示衷心的感謝.同時，感謝三位評審專家提出的寶貴建議.