在地震孕育过程中,孕震区介质的物理性状将产生一系列变化,地震波通过地壳介质时,波速也会发生相应变化,研究波速变化可以得到地震孕育的震兆信息。中国已有很多学者做了相关研究,冯德益等(1976)系统研究了我国西部强震及中强震前后波速比异常变化,讨论了根据近震直达波资料计算波速比确定孕震区的方法,并探讨了孕震区的一些基本特性,得出波速比可以作为研究介质物性的重要依据的结论(冯德益,1981,1988)。近年来,我国很多学者研究了不同地区平均波速比及中强震前后波速比变化。冯建刚等(2009)研究得出青藏高原东北缘的平均波速比为1.706,刘文邦等(2014)基于直达波震相数据利用多台和达法计算了青海东北部上地壳的分区域平均波速比分布在1.685～1.709,李永华等(2006)基于波形利用接收函数方法研究了青藏高原地壳厚度和地壳平均波速比。王林瑛等(2011,2014)利用多台和达法和多震联合测定得出汶川8.0级地震前波速比低值异常持续2年多,且幅度小持续时间较短; 还利用单台多震法研究发现位于龙门山断裂中北段西侧的4个台站,震前出现了长达7年左右的中长期波速比低值异常,发现芦山地震前部分台站也存在较明显的降低过程,并探讨了不同方法影响波速比变化的因素,空间分辨率等在波速比异常识别上的不同。

2016年1月21日,青海省海北州门源县发生6.4级地震,对当地造成了巨大的影响和财产损失,该地区属青藏块体东北缘,属青藏高原监测能力较好地区,积累了一定的数字化地震资料。为了进一步做好震例总结工作,鉴于以上学者的研究方法和思路,本文分别利用多台和达法和单台法研究门源6.4级地震前后门源地区波速比变化特征。

采用的计算方法是多台和达法。该方法由和达清夫提出,在假定震源区到地表为理想均匀弹性介质的条件下,纵波速度V_P、横波速度V_S与介质泊松比σ、杨氏模量E和介质密度ρ之间的关系(李善邦,1981)为

V_P=(E/ρ(1+(2σ²)/(1-σ-2σ²)))^1/2,(1)

V_S=(E/ρ 1/(2(1+σ)))^1/2,(2)

(V_P)/(V_S)=((2(1-σ))/(1-2σ))^1/2.(3)

由式(3)可知,V_P/V_S为介质泊松比σ的函数,主要反映地壳上层介质泊松比变化。

根据P波走时和P波、S波到时差的线性关系,得到波速比值V_P/V_S,线型相关系数R,由此可计算误差γ,具体公式为

(V_P)/(V_S)=1+(n∑ⁿ_i=1Δt²_i-(∑ⁿ_i=1Δt_i)²)/(n∑ⁿ_i=1Δt_it_Pi-∑ⁿ_i=1t_Pi∑ⁿ_i=1Δt_i).(4)

R=(∑ⁿ_i=1(t_Pi-t_Pi^-)(Δt_i-Δt_i^-))/([∑ⁿ_i=1(t_Pi-t_Pi^-)²∑ⁿ_i=1(Δt_i-Δt_i^-)²]^1/2).(5)

γ=((V_P)/(V_S)-1)²〖JB<5{〗〖JB<4*|〗(n∑ⁿ_i=1(δt'_Pi)²)/((n-2)[n∑ⁿ_i=1Δt²_i-(∑ⁿ_i=1Δt_i)²])〖JB>4*|〗〖JB>5}〗^1/2.(6)

式(4)～(6)中,t_Pi为P波走时,t_Si为S波走时,Δt_i=t_Si-t_Pi,n为每个地震的到时数据个数,γ为波速比计算误差,δt'_Pi=(t_Pi-t₀)-Δt_i((V_P)/(V_S)-1)(冯德益,1981)。

青海省门源县位于青藏高原东北缘,其监测能力较好,门源6.4级地震震中位于甘青交界地区,2省震中附近台站对本次地震都有较好记录。本研究多台法计算使用了青海省台网给出的距离门源6.4级地震震中180 km范围内台站,单台法计算挑选了门源主震附近的门源台、铧尖台、龙王山台和祁连台。门源6.4级地震发生在冷龙岭断裂,震前该断层附近中小震不多,计算时样本量太少。为了进一步增加中小震的样本量,计算时采用了其北东向甘肃境内昌马—俄博断裂附近的中小震,近年来该断裂附近发生的中小震较多,可以大幅提高研究样本量。从图1可以看出,震中附近台站分布不均匀,门源主震震中南部和西部台站较多,这些台站记录的冷龙岭附近及昌马—俄博断裂的中小震正好可以较好覆盖门源地震震源区。综合考虑了地震射线路径对门源6.4级震源区的覆盖及研究地震样本量,笔者选定(37°～38°N,101°～103°E)范围内地震为研究对象,通过控制S波和P波到时差调整研究台站的范围。图1中实心三角形为青海地震台网及临省部分地震台,空心三角形为2014年初并入青海省地震台网的临时台阵。图2为研究区的地震射线路径分布图,射线路径较好的覆盖了研究区。

图1 研究区台站分布
Fig.1 Distribution of seismic stations in the study area

图2 研究区地震射线空间分布图
Fig.2 Spatial distribution of seismic rays in the study area

本文利用多台法和单台法计算了门源6.4级地震前后震源周边地区的波速比值。多台和达法计算结果显示,在门源6.4级地震前一年,波速比存在降低之后回返的过程,但相对整个研究时段内波速比的起伏变化,异常并不明显。单台法计算的结果显示,门源单台波速比从2014年初开始至门源地震前存在一段时间波速比低值异常,其它台站波速比变化稳定或异常不明显。分析认为:由于地震和台站分布的不均匀,并且计算需要一定的地震样本量,多台法计算使用的地震射线路径无法很好地覆盖门源6.4级地震的孕震区域,各地震射线路径存在差异,多台平均计算方法的平均效应将异常减弱,导致异常不显著。而门源单台与研究区绝大部分地震的路径覆盖了门源地震震源区,且离主震距离较近,可以较好反映震源区地壳介质物性变化。

本研究基于青海省台网给出的震相报告分析了门源6.4级地震前后波速比变化,研究结果受到多方面因素的影响:首先是研究区的选取及地震射线路径覆盖范围的影响; 其次也会受到地震定位精度、震相读取误差等因素的制约。虽然在研究过程中对数据进行了筛选,结果还是通过统计平均的方法得到。对于得到的结果,仍需利用数字地震学,从实际记录到的波形中找到更为确凿的波速变化证据。