图3展示了采用移动窗互谱方法计算出的2013—2018年部分典型台站对1～3 s周期的相对波速变化。图3a中各台站对相对波速变化呈现出明显的周期性变化:每年6—10月,相对波速变化显示出缓慢的降低趋势,计算误差也较小,这种降低趋势在图3b中更加明显,如红色矩形框所示。每年的1—5月,相对波速呈现出无规律的随机变化特征,并且在随机变化的时段计算误差相对也较大,如图3中暖色所示。部分台站对相对波速出现较大误差,如图3中暗红色标示,经异常核实发现,较大误差是由于该台站对在此时间段波形数据缺失,用于当天经验格林函数叠加计算的天数不足31天,从而导致信噪比较低,计算误差偏大。

典型台站对3～8 s周期的相对波速变化如图4a所示。各台站对的相对波速变化总体呈现出无规律的随机性:不同位置的台站对在不同时间段内,相对波速变化在(-0.4%,+0.4%)范围内呈弥散性分布。3～8 s周期相对波速变化结果中XC04-XC06部分时间段计算误差较大,主要

图3 采用移动窗互谱方法计算出的2013—2018年(a)及2016—2018年(b)典型台站对1～3 s周期的相对波速变化
Fig.3 Relative changes of the wave-velocity of typical station pairs in the period 1-3 s obtained through the moving-window cross spectrum(MWCS)method during 2013—2018(a)and 2016—2018(b)

图4 两个较长周期3-8 s(a)和6-15 s(b)的典型台站对相对波速变化
Fig.4 Relative wave-velocity changes of the typical station pairs in two periods:3-8 s(a)and 6-15 s(b)

是由于XC06台站缺少波形数据。其它台站对的相对波速变化的计算误差较低,表明了该周期相对波速变化计算结果的稳定性。图4b展示了6～15 s周期的相对波速变化,相比于3～8 s周期的结果,该周期相对波速变化趋于平缓,基本围绕在零值线附近波动; 8～20 s周期的相对波速变化呈现出与6～15 s周期相同的特征。而XC06-XC09台站对之间出现了误差较大的相对波速变化异常,经检验发现是由XC09台站部分时段数据缺失所致。

对于各台站对的相对波速变化时间序列,我们仅在1～3 s周期观测到季节性波动,其它3个周期的相对波速变化均未呈现出明显的规律性分布。为了更好地确认1～3 s周期相对波速变化的季节性变化特征,将2016—2018年每年1—5月和6—10月的各台站相对波速度变化分别叠加平均,得到各台站对之间平均波速变化的空间分布(图5)。图5a中干季(1—5月)的台站对平均波速变化显示整体波速变化的增大或减小都较大,且有一定的空间分界特征:29°N以北的台站对的平均波速变化以增大为主,29°N以南的台站对的平均波速变化以减小为主。相比于干季的平均波速变化,湿季各台站对的平均波速变化明显减弱,仅有部分台站对出现微弱的平均波速度增大或减小(图5b),说明该地区的平均波速变化受气候影响显著。

2018年5月16日四川省石棉地区接连发生了3次地震(M_S3.3、M_S4.5、M_S4.3)。为了更好地探究地震对震源区周围介质的影响范围,本文以石棉M_S4.5地震为例,分别计算了地震前2个月(2018年3月15日—2018年5月15日)和地震后2个月(2018年5月17日—2018年7月17日)各台站对的平均波速变化(图6)。图6a显示,地震前XC06-XC34、XC02-XC05与XC05-XC08台站对平均波速明显增大,而XC04-XC06、XC04-XC07、XC07-XC09与XC07-XC34台站对波速显著降低。地震后XC04-XC06与XC07-XC08台站对出现明显的波速降低现象,XC07-XC34台站对的波速继续降低(图6b),XC06-XC34台站对的波速增大现象消失,XC08-XC09台站对则由震前的波速降低转变为震后的波速增加。

总体来说,波速变化主要局限在震源区较近范围内,且随着台站对之间距离的增大,波速变化的平均效应增强,即台间距较大的台站对呈现相对弱的波速变化。

图5 2016—2018年台站对1～3 s周期干(a)、湿(b)季平均波速变化空间分布
Fig.5 The spatial distribution of the mean values of relative wave-velocity changes in 1-3 s period in the dry(a)and wet(b)seasons from 2016 to 2018

图6 石棉MS4.5地震前(a)、后(b)两个月内平均地震波波速变化的空间分布
Fig.6 The spatial distribution of the mean values of relative wave-velocity changes two months before(a)and after(b)the Shimian MS4.5 earthquake

前人研究结果表明波速变化可能受季节性变化影响较大(Sens-Schönfelderand,Wegler,2006; Hobiger et al,2016; 王俊等,2020)。图3也显示1～3 s周期的相对波速变化具有明显的季节性变化特征。为了更好地研究波速变化与环境因素之间的联系,将石棉地震震中周边地区的相对波速变化与汉源气象站的日降水量数据进行比较,降雨量使用中国气象局数据中心提供的距离石棉地震区最近的汉源气象台数据。对比不同位置的台站对相对波速变化与降雨量(图7)可以发现:每年的湿季(6—10月)波速变化平缓,干季(1—5月)波速变化剧烈且随机。尤其是2018年湿季,降雨量明显增多,波速降低明显,湿季过后地震波速开始缓慢回升。

水力作用对地震波速的影响引起了学者的广泛关注,地下水和降雨会导致地震波速度降低0.01%～0.1%(Sens-Schönfelder,Wegler,2006; Meier et al,2010; Wang et al,2017; Lecocq et al,2017; 胡淑芳等,2021)。随着降雨量的增加,雨水渗透到地下致使地壳最上部数百米深度范围内孔隙压力增大,进而导致了剪切模量的降低与地震波速的减小。Wang等(2017)在对日本波速变化的研究中发现了幅度高达10^-4的季节性变化,并将这种夏季波速的降低归因于强降雨导致的地壳流体孔隙压力的增大。谢凡等(2020)在滑坡监测中也发现降雨导致介质内部的流变特性的改变,特别是其内部颗粒体间含水量的增大,介质内部有效应力的降低,从而导致波速随弹性模量下降而下降。本文采用Wang等(2017)研究公式计算了石棉地区由于降雨渗流导致的孔隙压力变化,结果表明孔隙压力的变化相对降雨量有一定的时间延迟,这是由雨水从地表缓慢渗透到地下一定深度范围内所导致的。图7中各台站对波速降低的极值与降雨量的最大值也有一定的时间延迟,据此我们推测在1～3 s周期观测到的地震波速度的季节性变化主要受到区域季节性降水影响。

图7 2016—2018年石棉MS4.5地震区周边台站对相对波速变化与降水量分布
Fig.7 The relative wave-velocity changes of the station-pairs around the Shimian MS4.5 earthquake from 2016 to 2018

大地震的发生往往伴随震源区的破坏和地表破碎带的显现。基于背景噪声的震源区介质变化研究为探测地壳深部应力的积累与释放提供了独特的视角,发现了大量同震波速降低和震后快速恢复的证据(Wegler et al,2009; Brenguier et al,2008a; Chen et al,2010; Cheng et al,2010; 赵盼盼等,2012; Froment et al,2013; Liu et al,2014,2018)。研究认为地震导致的波速变化的主要机理为浅部的动态震动(Sleep,2015)和深部介质应力状态的改变。

为了避免直达面波受噪声源强烈的季节性变化的影响,本文采用噪声互相关波形的尾波计算波速变化。噪声互相关波形尾波的早期部分主要是面波成分,因此可以通过测量不同周期的波速变化来得到不同深度的波速变化(Liu et al,2014; Wu et al,2016)。Froment等(2013)和Liu等(2014)计算了汶川震区内瑞利波对剪切波速度扰动的灵敏度曲线,发现1～3 s周期面波对3 km以上的浅层地壳更为敏感,而3～8 s和6～15 s面波周期则分别对2～10 km 和5～20 km的地壳结构更为敏感。Liu等(2018)采用10年数据对龙门山断裂带的波速变化进行了研究,发现1～3 s和3～8 s面波周期均存在明显的同震波速降低,而在6～15 s和8～20 s周期未观测到与汶川地震有关的明显信号。说明同震波速变化在短周期比较明显,反映地壳浅部物质的状态变化。本文对安宁河—则木河断裂带周边地区的地震波速变化研究发现,波速变化在1～3 s周期具有明显的季节性变化特征,在3～8 s周期未发现与地震相关的信号。

使用重复地震和噪声互相关技术的研究表明,波速瞬时变化主要限制在地壳最上部的几百米范围内(Rubinstein,Beroza,2005; Peng,Ben-Zion,2006; Wegler et al,2009; Takagi et al,2012)。地壳最浅部的这种波速变化主要与强震动下裂隙的张开有关,是一种非线性的场地响应。谢凡等(2020)在2～25 Hz的较高频带观测到了四川长宁M_S6.0地震后波速的短时下降(约0.5%)以及恢复过程,认为地球表层介质受到地震影响导致颗粒间隙松动,从而使整体弹性模量下降。随后在重力以及温度场的共同作用下,介质内部颗粒间隙重新减小,导致波速变化在同震后出现快速下降,而震后介质弹性模量的恢复则促使了地震波速度复原的进程(Niu et al,2008)。为探究地震与震源区周围介质波速变化之间的联系,本文将背景噪声互相关的频带提高到1～4 Hz,进一步研究近地表物质的变化情况。结果显示,距离2018年石棉M_S4.5地震震中较近的几个台站对均出现了明显的同震波速降低,随后迅速恢复的现象(图8)。随着震中距的增大,其它较远的台站对并未发现同震信号。这说明作为一个中等强度地震,石棉地震的影响范围有限,一般不会出现明显的地表破裂带,地震波速的变化更可能是由地震引起浅部裂隙的张开或闭合所致。

利用背景噪声互相关技术计算获得了2013—2018年安宁河—则木河断裂带周边地区相对波速的时空变化。结果表明,仅在1～3 s周期观测到比较显著的季节性变化,其它3个周期(3～8 s、6～15 s及8～20 s)的波速变化无明显信号特征。已有研究表明,1～3 s周期面波反映地壳之上3 km以内的介质特性,相应地,3～8 s和6～15 s周期则分别对地下2～10 km和5～20 km的结构更为敏感(Froment et al,2013; Liu et al,2014)。已有研究成果也证实,地震引起的波速变化主要局限于3～4 km的浅层地壳(Peng,Ben-Zion,2006; Wegler et al,2009),甚至只发生在地表以下数百米的深度(Rubinstein,Beroza,2005),其机制为强震引起地壳浅部裂隙产生及发展而导致

图8 邻近石棉MS4.5地震震中的典型台站对在1～4 Hz频段的相对波速变化
Fig.8 Wave-velocity changes of some typical station paris in the frequency band of 1-4 Hz around the Shimian MS4.5 earthquake

介质的物理破坏。研究区近年来中小地震频发,但未发生造成浅地表的介质严重破坏的强震。结合前文降雨量数据的分析,区域季节性降水是在1～3 s周期观测到相对波速变化的主要原因。

对于更长周期的波速变化测量,Froment等(2013)和Obermann等(2014)利用川西流动地震台阵数据检测到12～20 s周期的波速延迟变化,但Liu等(2018)在对龙门山断裂带10年尺度的波速变化研究中并未观测到较长周期(8～20 s)、与地震有关的、可靠的地震波速变化。安宁河—则木河断裂带周边地区小震活动较强,但研究时段内未发生大地震,因而不会造成断层内部及其周边岩石的严重破坏,也不会导致断层内部介质结构和应力状态的强烈变化; 另一方面,气候的季节性变化主要影响浅地表物质,降雨导致的地下孔隙压力变化也主要作用于地壳浅部。因此,我们仅在反映浅部结构特征的1～3 s周期观测到相对波速变化的季节性特征,而未能在较长周期的观测中发现明显的相对波速变化规律。