波速比作为地震波的运动学特征之一,在一定程度上反映了大地震前后地下介质速度结构变化信息,研究波速比的演化特征,逐渐成为寻求大震前兆信息的一种手段。近年来,数字化地震记录全面取代了模拟记录,由于数字波形可以在计算机屏幕拉伸放大,可以比较准确判断震相到时,减少了读数误差,计算波速比的精度有了很大的提高。

本文利用玉树地震震中周边3个台站的数字震相观测报告及波形资料研究了玉树地震前后波速速比变化特征,发现玉树M_S4.7前震的波速比特

图2 玉树7.1级地震及MS4.7前震及周边地震台站分布图
Fig.2 Distribution of seismic Stations of surrounding area of the Yushu MS7.1 earthquake and MS4.7 foreshock and its

图3显示玉树M_S7.1地震前后玉树地震台波速比演化过程,其中粗实线为5次平滑曲线,虚线为数据平均值,虚点线为数据标准差。由图3可以看出:平均波速比震前为1.720,震后为1.740,地震前后平均波速比围绕理想弹性体波速比值起伏; 2009年底波速比开始下降,至2010年2月11日降至1.666后缓慢升高,3月26日升至1.755,而在M_S4.7前震发生时,波速比跳跃至2.032,可见玉树地震台波速比临震回升现象显著。曲玛莱、杂多两个地震台M_S4.7前震之前波速比的演化如图4所示。

自2009年12月底开始玉树、杂多、曲玛莱3

个地震台站波速比,在时间演化进程上同时出现较明显的异常过程:下降—持续异常—回升—发震。M_S4.7前震发生时,3个台站波速比相对于

图3 玉树地震前(a)、后(b)玉树地震台波速比演化曲线
Fig.3 The evolution curve of wave velocity ratio at Yushu Station before(a)and after(b)the Yushu MS7.1 earthquake

图4 曲玛莱(a)、杂多(b)地震台波速比变化曲线
Fig.4 The evolution curve of wave velocity ratio at Qumalai(a)and Zaduo(b)stations before the Yushu MS7.1 earthquake

2010年3月底均有大幅升高,其中玉树地震台由3月底的1.721升至2.032,为该台自2009年1月以来最高值,杂多地震台由1.727升至1.833,曲玛莱地震台则在4月13日增至1.822(该值也为2009年1月以来最高值),前震发生时变成1.734。

3个台站波速比升高的步调基本一致,相关性比较高,可见在M_S4.7前震时,震源区周围波速比高值回升现象是显著的。关于波速比高值回返与大震的关系,也是地震学家研究的焦点之一,目前的一种解释是:利用岩石破裂实验研究岩石波速变化,当岩石承受的压力达70%～90%破裂应力时,其波速会下降,下降幅度在未来断裂面的垂直方向较大,平行方向较小。如果岩石特征刚度与压机系统刚度相近,在逼近破裂时波速比就会回升(赵晋明等,1996),即临震时可能出现高波速比突变。由于该区震前大范围的地震平静,地壳应力处于闭锁状态,M_S4.7前震时波速比的突变是否反映出地壳应力的快速解锁?需要进一步

探讨与研究。

利用青海地震台网数字波形记录,反演了玉树地震序列的应力降等震源参数。首先对EW、NS向速度波形记录进行波形旋转、滤波、去除仪器响应等处理,分别得到SH分量的观测位移谱与噪音谱,然后挑选部分记录较好、信噪比高的数据,采用Atkinson方法(Atkinson,Mereu,1992)、Moya方法(Moya,Aguirre,2000)反演玉树地区地震波衰减因子Q(f)及玉树、杂多、曲麻莱3个地震台站的场地响应。

图5给出了按上述方法得到的玉树地区Q值和频率f的关系以及场地响应曲线。玉树地区地震波衰减因子Q(f)=108.72f^0.615,其中Q₀值为108.72(即f为1 Hz时的Q值),介质的吸收系数η=0.615。玉树、杂多、曲麻莱3个地震台站的场地响应均有高频衰减特征(图5b、c、d)。

Q值的物理含义(华卫,2007)表示Q₀值的

图5 玉树地区地震波衰减模型(a)及玉树(b)、杂多(c)和曲玛莱(d)地震台的场地响应特征
Fig.5 Seismic wave attenuation model in Yushu Region(a)and site response characteristic of Yushu(b)、Zaduo(c)and Qumalai(d)Stations

大小与介质的均匀程度相关联,Q₀值较低的区域介质均匀程度低,地震波经过时,能量耗损大,衰减较快,构造活动强烈; Q₀值较高则情况反之。η值与Q₀值含义相反,介质均匀程度较低的地区,Q值与频率的依赖关系较强,η值可能较大,介质均匀程度较高的地区,Q值与频率的依赖关系较弱,η值可能较小。

赵翠萍等(2010)用同样的方法研究中国大陆各区域地震波的衰减特征,发现不同地区的地震波衰减特征不同,Q₀值在190～700之间,η值在0.3～0.7之间。本文研究的玉树地区Q₀值较低,η值则较大,反映该区地壳上部介质均匀程度较低,该现象应与2010年玉树M_S7.1地震强构造活动有关。

在获得Q值与台北场地响应的基础上,在频率域内对每个台站记录的每个中小地震进行几何衰减、非弹性衰减、场地响应等校正,求其平均值以消除方向性效应,最终反演得到包括前震在内的玉树地震序列44个M_L≥3.0中小地震的震源参数,图6显示了这些地震应力降的变化曲线。

图6 玉树地震序列中小震应力降变化曲线(a)及对应的M-T图(b)
Fig.6 The variation curve of stress drop(a)and its M-T diagram of small and medium earthquakes in Yushu earthquake sequence

关于前震应力降较高的原因,齐国英和郭亚平(1975)认为在M_L≥6.0大地震之前,介质中的应力背景很高,因而前震的应力降较大; Jones和Helmberger(1998)在研究美国加州东部剪切带多个地震序列的震源参数时,认为高应力降地震可能与断层存在的高剪应力背景有关。根据上述观点,玉树M_S4.7前震应力降较高的物理原因可解释为:震前甘孜—玉树断裂玉树段储存了高剪应力应变,前震的发生未能释放断层的应变能,应力降很高,主震的发生释放了震源区储存的大部分剪应力应变能,因此,余震序列中相近震级地震的应力降相对于前震大幅度减少,而高剪应力背景的假设与后来测定玉树地震序列以走滑为主的结果有很好的相符。