吳忠—靈武地區MS≥5.0地震前波速比變化特征分析

李文君 曾憲偉 任雪梅 許英才 朱鵬濤 李自芮 馬小軍

（中國銀川750001 寧夏回族自治區地震局）

0 引言

地震波在傳播過程中攜帶了地球內部的大量信息，可為研究地下介質變化提供基礎數據。在地震孕育過程中，尤其是在臨震階段較短時間內，震源及其附近地區的地下介質由于區域應力場增強、孕震區應力增加和應變積累，會出現諸如微破裂、塑性硬化、裂隙密度及飽水層變化等現象，當地震波通過該介質及周邊區域時，地震波的傳播速度會發生變化。早在1956 年，日本地震學家宮本貞夫就發現了強震前地震波速度變化的異常現象（馮德益，1981）。李艷娥等（2014）研究發現，汶川MS8.0 地震前波速比顯著變化臺站的分布范圍與孕震區范圍基本一致，為確定此次地震前震源區是否存在地殼介質的顯著時空變化提供了有利證據；王林瑛等（2014）對蘆山MS7.0 地震前波速比變化進行回溯性分析，發現部分臺站出現波速比低值異常隨時間變化的現象，該研究結果對于判定未來強震孕育可能的展布空間具有指示意義。

近年來，隨著數字地震臺站逐漸增多，吳忠—靈武地區積累了大量中小地震數字化觀測資料。值得關注的是，該區2020 年接連發生5 次ML3.0 以上地震（分別是3 月24 日吳忠ML3.0 地震，4 月5 日靈武ML3.8 地震，5 月8 日靈武ML3.2 地震，6 月12 日青銅峽ML4.0 和ML3.4 地震），2021 年7 月11 日出現小震群活躍現象，11 月18 日發生ML4.5 地震，震情形勢嚴峻。鑒于此，有必要對吳忠、靈武地區開展波速比和地震危險性研究工作。

為此，筆者利用寧夏地區數字化地震觀測臺網記錄的中小地震波形資料，采用單臺多震和達法，分析1980—2008 年吳忠—靈武地區MS≥5.0 地震前波速比變化，以期為當前震情趨勢研判提供參考。

1 計算方法與約束條件

1.1 單臺多震和達法

單臺多震和達法由日本地震學家和達清夫1928 年提出。在假定震源區到地表介質為理想均勻彈性的條件下，縱波速度vP和橫波速度vS與介質泊松比σ、彈性模量E、介質密度ρ之間的關系（李善邦，1981）為

由式（3）可見，vP/vS為介質泊松比σ的函數，主要反映地殼中上層介質泊松比的變化。P 波和S 波的速度則與介質的泊松比σ、彈性模量E 和介質密度ρ密切相關。根據P 波走時與P 波、S 波到時差的線性關系，可得vP/vS波速比值計算公式，即

線性相關系數R為

計算誤差γ為

式中，tPi為P 波走時，tSi為S 波走時，n為每次地震到時數據個數，馮德益，1981）。該方法示意圖見圖1。

圖1 單臺多震和達法示意圖（據李艷娥等，2014）Fig.1 Schematic diagram of the Wadati method of single station multi earthquakes(according to Li et al,2014)

1.2 約束條件

資料質量對利用和達法求多臺波速比的影響眾所周知。單臺波速比異常與地震臺站方位和孕震區范圍明顯相關，且接收穿透孕震區較好射線的地震臺短期異常較明顯（李 麗 等，2016）。其可能影響因素為：①每組參與計算的地震空間位置可能不穩定；②單次地震發生時刻誤差不同。因此，在地震時空分布相對均勻且穩定、每次參與計算的數據量基本相同情況下，其計算結果的可靠性和穩定性較高。

在研究過程中，由于不同研究者在計算波速比時選取的最大震中距、相關系統數、計算誤差及最小完整性震級不同，為了使得計算結果更加合理，文中統計分析多個文獻中關于參數的設定及適用范圍（表1），并據前人經驗，取震中距200 km 范圍內的記錄資料進行分析，以確保震相數據的科學性與合理性。

表1 不同文獻中波速比計算的參數設置及適用范圍Table1 Parameter settings and application scopes for the calculation of wave velocity ratio used by different researchers

2 資料選取

吳忠—靈武地區位于銀川盆地南部，區內主要發育黃河斷裂靈武段、銀川隱伏斷裂南段、新華橋斷裂、牛首山斷裂等（圖2），1970 年以來中小地震頻發，據寧夏地震臺網地震目錄，共發生ML≥0 地震1 213 次，其中：ML0—0.9 地震71 次，ML1.0—1.9 地震277 次，ML2.0—2.9 地震671 次，ML3.0—3.9 地震166 次，ML4.0—4.9 地震23 次，MS≥5.0 地震5 次。部分地震臺站及1980 年以來4 級以上地震分布見圖2。

利用寧夏地震臺網1980 年1 月—2008 年12 月記錄的中小地震數據，采用單臺多震和達法，研究該區中強地震前波速比變化特征。考慮到ML＜2.0 的小地震一般背景噪聲干擾大、信號弱，讀取的P 波和S 波到時誤差大，故震級下限取為ML2.0。1980—2008年研究區共發生4 次MS≥5.0 地震，其中3 次地震發生在1987—1988 年，時間間隔小，故作為一次地震叢事件來進行回溯分析。

由于天然地震發生位置的不穩定性和成叢性，會對單臺多震和達法計算結果產生較大影響，考慮到地震分布的不穩定性，以及和達法自身固有的局限性，本研究在tS-P確定條件下，取tS-P≤20，計算樣本組地震數取50，誤差估計γ≤0.05，其中考慮了孕震體介質非均勻性也可導致波速比和達曲線的誤差增大和相關性降低的因素。誤差分析表明，計算得到的波速比是可靠的。

3 波速比時序變化分析

以1984 年11 月23 日靈武MS5.2 地震和1987—1988 年MS≥5.0 地震叢事件為例，利用發震前后10 年內臺站周邊200 km 范圍內多次地震波形到時數據，回溯分析2 次震例發生前震中周邊200 km 范圍內地震臺站記錄波速比變化。掃描結果使用不同顏色的三角形表示：紅色三角形示意震前存在波速比異常；橘色三角形示意震前波速比雖有下降，但未降至均值線以下；綠色三角形表示震前波速比無異常變化；灰色三角形表示研究時段該臺站無震相數據資料。

3.1 1984 年11 月23 日靈武MS 5.2 地震

計 算1984 年11 月23 日 靈 武MS5.2 地震前波速比變化，結果顯示：靈武臺（LWT）、中衛臺（ZW1）和寺口子臺（SKZ）在此次地震發生前出現波速比異常現象，3 個臺站呈三角形展布，與震中位置分別相距約13 km、120 km、200 km，震中位于三角形邊緣（圖3）。

圖3 靈武MS 5.2 地震前波速比異常臺站分布Fig.3 The distribution of stations with wave velocity ratio anomalies before Lingwu MS 5.2 earthquake

選取此次靈武MS5.2 地震發生前后10 年內，3 個臺站周邊中小地震（圖4）長周期和短周期記錄，分析波速比vP/vS隨時間的變化，結果見圖5。為了消除單點突跳，對波速比進行5 點平均，圖5 中同時給出5 點平均1 點滑動平均線，3 條直線中實線為均值，上下2 條虛線為1.5 倍均方差。

圖4 LWT、ZW1、SKZ 臺站參與波速比計算的地震空間分布Fig.4 Spatial distribution maps of earthquakes that are used in the calculations at LWT,ZW1 and SKZ stations

圖5 1984 年11 月23 日靈武MS 5.2 地震前后波速比異常時序Fig.5 Time sequence diagram of wave velocity ratio anomaly before and after Lingwu MS 5.2 earthquake on November 23,1984

由圖5 可見：寺口子臺（SKZ）波速比1982 年4 月開始下降，1984 年1 月達最低點，于恢復過程中發生地震，即震前21 個月出現波速比下降，震前10 個月達波速比值最低點，后緩慢恢復；中衛臺（ZW1）波速比1982 年3 月開始下降，1984 年1 月達最低點，后出現轉折，并于恢復過程中發生地震。即震前22 個月出現波速比下降，震前10 個月達波速比值最低點，后緩慢恢復；靈武臺（LWT）波速比1982年10月開始下降，1983年7月達最低點，后緩慢恢復，并于恢復過程中發生地震。

3.2 1987—1988 年地震叢

1987—1988 年期間，吳忠—靈武地區共發生8 次4.3 級以上地震（5 級以上地震3 次），分別是1987 年8 月10 日5.4 級地震、1987 年8 月10 日4.3 級地震、1987 年8 月10 日2 次4.4級地震、1988 年1 月4 日5.4 級地震、1988 年1 月8 日4.3 級地震、1988 年1 月10 日5.0級地震和1988 年4 月12 日4.3 級地震（表2）。由于發震間隔較小，作為一次地震叢事件進行波速比回溯分析。該區多震型地震多發，此次地震叢即為一次多震型地震序列。

表2 1978—1988 年MS 4.0 以上地震三要素統計Table2 Statistics of MS ≥4.0 earthquakes from 1978 to 1988

此次地震叢半徑約7.7 km，空間分布較為集中。從地震臺站波速比異常掃描結果可知，震前未出現明顯波速比異常變化，其中銀川臺（YCH）、靈武臺（LWT）、中衛臺（ZW2）和同心臺（TXT）震前波速比稍有下降，且圍繞地震叢呈四邊形均勻展布[圖6(a)]。從波形結果來看，銀川臺（YCH）、靈武臺（LWT）波速比下降幅度較大。

將發震時段定義為1987 年8 月10 日至1988 年1 月10 日，選取銀川臺（YCH）、靈武臺（LWT）、中衛臺（ZW2）和同心臺（TXT）發震前后記錄的中小地震[圖6(b)]，分析該地震叢波速比異常時序變化，結果見圖7。由圖7 可見，4 個臺站波速比分別于1985 年9 月、1986 年4 月、1985 年3 月、1985 年9 月出現下降，其中銀川臺（YCH）、中衛臺（ZW2）和同心臺（TXT）波速比在下降過程中出現反彈后繼續下降。波速比計算結果顯示，震區北部的銀川地區和靈武一帶波速比異常較為明顯。

圖6 1987—1988 年地震叢發生前波速比異常臺站分布（a）及參與波速比計算的地震分布（b）Fig.6 Distribution of stations with wave velocity ratio anomalies before the occurrence of earthquake clusters in 1987-1988(a) and distribution of earthquakes involved in the wave velocity ratio calculation (b)

圖7 1987—1988 年地震叢波速比異常時序Fig.7 Time sequence diagram of wave velocity ratio anomaly before earthquakes from 1987 to 1988

3.3 近期波速比掃描結果

選取2015 年1 月—2021 年12 月吳忠—靈武地區發生的中小地震，對該區波速比進行掃描，結果發現，僅海原臺（HYU）出現波速比異常（圖8）。分析該時段海原臺波速比時序變化，結果見圖9，可見：2019 年7 月開始，該臺波速比急速下降，至2021 年1 月達低值點，后恢復轉平，且轉平過程中，臺站周邊200 km 范圍內至今無地震發生。

圖8 2015—2021 年研究區地震臺波速比異常分布（a）及參與波速比計算的地震分布（b）Fig.8 Distribution of seismic stations with wave velocity ratio anomalies in the study area from 2015 to 2021 (a) and distribution of earthquakes involved in the wave velocity ratio calculation (b)

圖9 近年來海原臺波速比時序Fig.9 Time sequence diagram of wave velocity ratio in recent years at HYU Seismic Station

從波速比空間掃描結果來看，未來短期內，需要重點關注寧夏南部及鄰區震情形勢變化。從動力學角度來看，此次波速比值低值點后轉折上升的變化，可能與區域應力調整有關。追溯歷史地震發現，1990 年4 月26 日青海共和MS7.0 地震發生后一年內，寧夏固原地區受區域應力調整的影響，小震群活動較為活躍。與此類似，2021 年5 月22 日青海瑪多地震發生后，6 月11 日至7 月1 日寧夏固原市原州區中河鄉發生小震叢集活動，共記錄可定位地震348 次，震群分布范圍約610 km2，這是否意味著海原臺波速比低值異常對應此次青海瑪多地震仍有待研究。

4 結論

利用單臺多震和達法，對吳忠—靈武地區波速比進行分析，結合已有研究成果，得到如下結論：

（1）文中僅對研究區掃描了2 組MS≥5.0 地震事件，其中1 組為3 次MS≥5.0 地震叢事件，但從波速比計算結果來看，2 組地震前波速比異常具有共性特點，即震中周圍分布的多個臺站出現不同程度的波速比值下降變化。震中位置分布于波速比下降或異常臺站多邊形連線邊緣或內部。當然，由于該區域震例較少，其結論不具有普適性，有待積累資料予以論證。

（2）吳忠—靈武地區MS≥5.0 地震前波速比存在正常→降低→上升（恢復）→發震的異常變化過程，與國內諸多學者所得結論一致（蔡杏輝，2013；翁釗強，2015；李艷娥，2016）。該研究結果對于判斷和圈定未來強震孕育的可能空間范圍具有一定指示意義。然而，該方法依然受到地震定位精度及震相到時判讀精度的影響，波速及波速比變化的可靠性仍需波形相關等技術的進一步深入研究予以確認。

（3）根據對研究區近期中小地震掃描結果來看，海原臺（HYU）波速比異常較顯著，需密切關注寧夏南部及鄰區地球物理異常變化。

文中分析使用了中國地震局地球物理研究所李艷娥提供的計算程序，且審稿專家提出諸多中肯意見，在此一并表示衷心感謝。