2006年后天山中段积累了丰富的连续可靠的数字化地震波形资料,为研究该地区波速比异常提供了条件。笔者选取天山中段85.1°E以西作为研究区域,所采用的数字化地震台略微向东延伸2°(图1)。图1标注了研究区域数字化台网分布及数字化地震资料的起始时间。

图1 研究区域数字化地震台网分布及资料的起始时间
Fig.1 Distribution of digital seismological stations and the original time of their data in the study area

波速比是反映地壳介质性质的参数,其不确定性主要由介质的横向不均匀性和计算方法的局限性造成。对不均匀介质建立波速比的计算公式是比较复杂的,为此应尽量使用小台网或近台的资料,使所选台站都位于孕震区,从而较真实地反映介质的变化(蔡静观,2000)。

对乌苏5.1级地震震例的研究,笔者选取天山中段85.1°E以西M_L 2.5以上地震资料,并且全部重新查阅中小地震的直达P和S波到时,以提高基础资料的准确度和精度。

考虑到新疆天山中段的西端台站乌苏、石梯子、呼图壁、硫磺沟和柳树沟台数字化资料起始时间是2000年9月,温泉、库尔勒、乌什和克拉玛依台数字化资料起始时间是2001年,其它多数台站数字化资料起始时间是2006年以后,笔者选取天山中段2006年1～12月236次M_L 2.5以上地震,其中计算结果较好(即波速比误差较小、相关系数较高)的地震152次; 选取2007年1～8月116次M_L 2.5以上地震,其中计算结果较好的地震105次(图2)。可以看出,2006年选取的地震与计算结果较好的比例(64.4%)明显低于2007年(90.5%),这与天山中段的西端数字地震观测的起始时间存在一定关系。

通过对天山中段发生的2006年乌苏5.1级地震、2007年特克斯5.9级地震和2008年和静5.6级地震的震例研究,笔者认为新疆天山中段取波速比值1.74作为高、低值的分界线比较合适,这与王桂岭等(1979)的研究结果一致。

图2 2006年1月～2007年8月ML2.5以上地震的分布
Fig.2 Distribution of earthquakes with ML>2.5 from Jan.2006 to Aug.2007

图3 乌苏5.1级地震前后波速比高、低值平面分布
(a)2006年1～12月;(b)2007年1～8月
Fig.3 Plane distribution of high- and low- value of wave velocities ratio before and after Wusu MS5.1 earthquake(a)Jan.to Dec.,2006;(b)Jan.to Aug.,2007

月20日特克斯5.9级地震和2008年8月30日和静5.6级地震,因此可能存在大区域的低值异常,这也由特克斯5.9级地震震例研究得到证实,即在乌苏5.1级地震还未发生时,特克斯5.9级地震就开始孕育了。乌苏5.1级地震前,空间范围上,波速比异常区为一个近似椭圆形的区域(图3a),且椭圆长半轴约70 km,短半轴约55 km,椭圆走向NW,乌苏5.1级地震就发生在该椭圆区域的西北部边缘(图3a),椭圆形区域中有两个高值点,分别是2月16日M_L 2.9和11月24日M_L 3.0地震产生的波速比高值点。考虑到所选区域数字化资料多是在2006年后的,因此无法获得该区域2006年之前的数字化波速比值,但可继续延长资料至2007年8月,由后续资料可看出乌苏5.1级地震后异常区波速比值既存在高值分布也存在低值分布(图3b)。

对图3中波速比低值异常区的波速比值做时间序列研究(图4)可以看出,2006年2月16日后波速比出现低值异常,11月23日乌苏5.1级地震前未出现高值突跳,但地震后出现高值。这种现象在前人所做波速比异常震例总结中也是存在的,且震后仍有一段时间为低值异常,这与顾瑾平等(1989)所得结果基本一致。

由图3b以及图4可见,乌苏5.1级地震后划定的异常区域中出现波速比高、低值波动变化,这表明乌苏5.1级地震后,该区域波速比值恢复到正常状态。

图4 乌苏5.1级地震前后异常区波速比时序曲线
Fig.4 Time-sequence curve of wave velocity ratio before and after Wusu MS5.1 earthquake in the anomalous area

计算过程中,所选区域的波速比值计算误差严格控制在0.05之内,且相关系数高于99.0%。低值异常区域中的波速比值平均计算误差为0.018 2,最大误差不超过0.035,相关系数达99.5%以上。

异常区的波速比值计算误差如图5所示,由图5可见,处于低值异常的值,在计算误差范围内仍为低值,说明这些低值异常是真实可靠的。

图5 乌苏5.1级地震前后异常区波速比计算误差曲线
Fig.5 Error curve of wave velocity ratio before and after Wusu MS5.1 earthquake in the anomalous area

(1)空间分布上,乌苏5.1级地震前,波速比形成一个近似椭圆形低值异常区,且椭圆长半轴约70 km,短半轴约55 km,椭圆走向NW,乌苏地震就发生在该椭圆区域的西北部边缘。地震后,该异常区波速比高、低值均有分布。

(2)在时间进程上,乌苏5.1级地震前大约出现近9个月的波速比低值异常,地震前未出现明显的高值突跳点。波速比形成正常—降低—发震的模式。乌苏地震后,波速比出现一段时间的低值,2007年以后,波速比值发生高、低值起伏变化。

乌苏5.1级地震前存在较明显的波速由正常—降低—发震的异常变化过程,解释这种波速比异常的模式主要有两种:“扩容—进水”模式和“裂缝不稳定”模式(冯德益,1981)。根据岩石样品破裂实验结果,在岩石受压初期,波速比却随压力的增大而增大。但在岩石破裂前,当压力超过岩石强度的50%左右以后,波速比却随压力的增大而明显下降。这种现象的一般解释是由于介质结构发生变化并出现微破裂所致,随之伴有体积膨胀(或称“扩容”)现象(冯德益,1981; 王林瑛等,2008)。对岩石破裂之后的变化,专家的看法就出现分歧,一种观点认为由于地下水的渗入,水肿作用提高了孔压力,岩石弹性模量增大,波速比又回升。由于水渗流很慢,波速需要一定时间才能恢复正常,达到发震阶段(李善邦,1981)。另一种观点认为,当大部分体积内的裂隙达到一定的临界平均密度时,裂隙的数量和大小迅速增大,即为“雪崩”阶段,这时,介质的总形变速率急剧增加,性质发生突变。由于平行于未来主断层的小断裂的增加和集中,便有一些相对较大的裂隙形成,他们局限在一个不稳定的形变狭带上,逐步串通成主断层; 与此同时,不稳定形变过程的发生,又会导致狭带外围应力普遍减小,使裂隙停止发展,狭带内的形变速率减小,岩石的原有性质得以恢复(冯德益,1981)。