2022年云南宁蒗5.5级地震前后波速比变化特征

张天宇 王光明 刘自凤 黑贺堂

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148号，650224

2 中国地震科学实验场大理中心，云南省大理市滨海大道，671000

在地震孕育过程中，地下介质的物理性质往往会发生改变，形成微裂隙并发生塑性硬化、扩容及相变等。波速比正是利用地震波通过地下介质时波速发生变化的特性对地下介质物性进行研究。日本地震学家和达清夫[1]提出应用和达法计算波速比，随后苏联学者发现地震前伴有波速变化特征，并将地震前波速比异常变化作为地震预报的重要依据之一。20世纪70年代，我国许多学者也发现大量中强地震前波速比存在异常变化，并对波速比异常变化特征进行详细分析。部分学者应用单震多台和达法计算分析中强地震前的波速比变化特征，该方法计算得到的波速比为较大区域的平均值，会弱化较小区域的波速比特征，从而降低空间分辨率。而单台多震和达法可进一步提高波速比的空间分辨率，国内外诸多学者采用该方法对波速比的时空异常变化进行研究[2-4]。

2022-01-02云南宁蒗发生MS5.5地震，本文采用单台多震和达法研究震前震源区波速比是否存在异常，以及异常随时间的演化趋势，并应用2020-01-01～2022-01-10云南数字地震台网记录到的地震震相到时数据，分析本次宁蒗地震前后序列的波速比时空演化特征。

本研究采用Watati[1]提出的波速比计算方法，利用单台记录的地震波资料，以和达法为基础，应用单台记录的多次地震事件的纵波到时以及纵波、横波到时差，拟合分析得到波速比，计算结果为该台记录的多次地震发生时段内地震至台站间介质的平均波速比[5]。同时设置约束条件：到时数据个数取100，地震纵波、横波到时差TS-TP≤12 s，相关系数R≥0.95，误差γ≤0.05，震中距小于等于100 km。以10个地震为窗长以及1个地震为步长进行数据滑动平均处理，并增加每次参与滑动平均的震相数据量。

本文采用云南数字地震台网记录到的2020-01-01～2022-01-01共5 359次ML≥2.0地震、2022-01-02～10共620次ML≥1.0地震的震相到时数据，并且同时被4个台站所记录，计算分析台站数59个，可使定位结果更加可靠和提高走时数据精度，震中与台站分布如图1所示。对震相数据进行处理后，采用单台多震和达法计算满足约束条件的地震波速比。

基于上述方法分析云南地区2020年(以下称为时段Ⅰ)、2021年(以下称为时段Ⅱ)空间波速比变化特征；
分析宁蒗MS5.5地震震中100 km范围内NLA和LGH台站，以及震中100 km区域边缘LIJ和ZOD台站记录到的2020年以来地震的波速比时间变化特征。由于地震发生在滇西北川滇交界区域，暂时无法获取四川地区台站记录到的震后序列震相信息，而ZOD、LIJ两个台站在主震发生后记录到的地震序列较少，为确保具有充足的样本量，选取距离震中最近的LGH和NLA台记录的主震发生后地震序列波速比变化进行重点分析。

2.1 震前波速比空间分布特征

本文采用2020年以来记录到的ML≥2.0地震震相数据计算59个台站的波速比，并分析波速比高值和低值台站的空间分布特征(图2)。从时段Ⅰ的波速比空间分布来看，2020年底云南低波速比台站共有9个，分别为DOL、LUQ、WES、XBL、JIG、LIC、LAP、LUS和BAS台，主要分布在曲靖、昆明、文山以及小滇西至滇西南一带；
高波速比台站共有5个，分别为ZOD、MLA、LGH、NLA和YYU台，主要分布在滇西北和滇南地区。从时段Ⅱ的波速比空间分布来看，2021年底云南地区低波速比台站共有11个，分别为ZAT、WES、DOC、LUQ、HLT、JIG、LIC、BAS、LUS、MAS和JIH台，主要分布在昭通、昆明、文山等地，并且在小滇西-滇西南地区波速比低值台站呈带状分布；
高波速比台站共有8个，分别为ZOD、LGH、MLA、QKT、WEX、NLA、EYA和HCB台，主要集中在滇西北川滇交界以及云南中老交界附近区域。

由图2可知，2个时间段内滇西北和滇南均属于波速比高值区域，当进入时段Ⅱ，滇西北和滇南地区波速比高值相较于时段Ⅰ在空间上具有扩张趋势，同时滇中区域波速比值从时段Ⅰ的低值上升为时段Ⅱ的高值。而本次宁蒗MS5.5地震正好发生于滇西北波速比高值区域。

2.2 震前波速比时间变化特征

宁蒗MS5.5地震发生在滇西北川、滇交界区域，从图2可以看出，宁蒗MS5.5地震发生在波速比高值区域。为进一步分析地震前波速比时间演化特征，应用单台多震和达法计算分析宁蒗MS5.5震中100 km范围内NLA和LGH台，以及震中100 km区域边缘LIJ和ZOD台记录到的2020年以来地震的波速比时序图(图3)。由图3可知，距离震中最近的LGH台记录到波速比时间变化为下降-回升-高值变化-下降-发震演化过程，在达到高值稳定后转折下降时波速比值维持在+1倍方差线附近；
NLA和ZOD台记录到的波速比时间变化均表现为持续下降-发震演化过程，波速比值均低于-1倍方差线，这与以往震例研究认为强震前波速比存在下降较为一致[6-8]。而距离震中100 km区域边缘的LIJ台记录到的波速比时间变化为下降-回升-高值变化-发震，其波速比值高于+1倍方差线，这似乎与已有的强震前波速比存在下降趋势的研究结果相悖。但整体分析4个台站记录到的波速比变化可知，LGH台于2020年初由高值状态先下降后回升，2021-05再次达到高值状态后呈现缓慢下降趋势；
NLA台从2020年初处于均值附近，出现下降趋势后转折回升到高值状态，2020-11开始呈现趋势下降直到发震；
ZOD台从2020年初就呈现持续下降状态；
LIJ台从2020年初波速比值维持在均值变化，2020-05出现下降趋势后回升，于2021-04达到高值，并维持高值变化至发震，但LIJ台记录到的震前高值仍低于其他3个台站在震前记录到的波速比呈下降趋势时的最低值。

从4个台站的波速比时间变化可以看出，震前波速比呈现明显下降趋势或处于低值状态，而距离震中最近的LGH台出现波速比下降趋势的时间均稍晚于其他3个台站。这与翁钊强等[9]分析山西地区3次MS≥4.5地震前波速比变化特征得到的震前远台波速比异常出现时间较早，而近台波速比异常出现时间较晚的结论一致。

蔡静观等[10]通过对云南地区第4强震活跃期6.3级以上强震前波速比异常图像进行分析发现，波速比在空间上存在明显的南北区域差异，主要表现为在滇西南和中缅交界处4组地震前波速比出现低值异常，而滇西北和滇东地区3组地震前波速比以高值异常为主。刘自凤等[11]对云南地区2013年以来MS≥5.0地震前震中附近台站的波速比时空演化特征进行研究发现，滇西北和滇东地区地震前波速比大多从高值开始转折下降，或从低值回升至高值状态。

2.3 震后波速比时间变化

对2022-01-02宁蒗MS5.5地震震后序列波速比变化进行分析，由于距离震中较远的ZOD和LIJ台记录到的地震数据较少，导致数据分析样本量少且不可靠，因此主要分析距离震中最近的LGH和NLA台记录到的620次ML≥1.0地震的波速比变化情况。结合LGH和NLA台计算得到的地震序列波速比时间变化趋势图和该地震序列M-T以及N-T图(图4)可以看出，主震发生后1 d内记录到的地震序列较少，且主要以1、2级小震活动为主，此时波速比维持短暂高值；
01-03 15:00小震活动增强，频度增加，波速比出现下降趋势；
01-05 16:00 M3.9最大余震发生后(图4(c))，地震活动也上升达到最高日频次(图4(d))，而在最大余震发生之前LGH台波速比出现突降，NLA台波速比也呈下降趋势，这与黎明晓等[12]研究认为强余震发生前波速比会迅速下降的结论一致。最大余震发生后序列活动呈现正常的衰减趋势，波速比也稳定维持在-1倍方差线左右变化。

P波和S波到时判读精度、参与拟合的台站个数、地震定位精度等都是影响计算结果的重要因素。为了尽量减小上述因素造成的影响，在保证计算样本量(到时数据个数取100)的基础上，对参数选取设置约束条件。选择2020-01-01～2022-01-10震相数据，为确保波形清晰度，便于精确判读，计算过程中将地震纵波、横波到时差和震中距设置为12 s和100 km极限值，将判读精度控制在0.02 s以内。此外，为确保计算结果的可靠性，本文对相关系数R≥0.95和误差γ≤0.05的计算结果进行分析，统计云南地区59个台站各时段的相关系数平均值R和误差平均值γ，结果表明，R分布在0.96～0.99之间，γ分布在0.021～0.042之间，可见数据相对集中，变化范围较小。同时本研究计算数据采取以10个地震为窗长、1个地震为步长进行滑动平均处理，通过增加参与计算的震相数据来降低传播路径差异和射线分布不均匀造成的影响，提高波速比随时间变化的稳定性和可靠性。

利用单台多震和达法计算分析云南地区59个台站2020年和2021年两个时段平均波速比空间变化以及2022-01-02宁蒗MS5.5地震前波速比时间演化特征，并对震后宁蒗地震序列波速比时间变化进行详细分析，得出以下结论：

1)从震前Ⅰ、Ⅱ两个时段的波速比空间变化特征来看，宁蒗MS5.5地震发生在滇西北川滇交界波速比高值区域，该区域近两年来波速比处于高值，且高值区域随时间推移仍在扩大。由于在干燥裂隙环境下地震波传播速度随裂隙密度增加而减小，而在水饱和状态裂隙中传播速度随密度增加而增大[13]；
在孕震过程中，应力增加导致地下微裂隙逐渐发育扩容，地下流体渗入裂缝使其达到水饱和状态，并为最终的破裂解锁创造有利条件[6]。考虑到云南地区水系较为丰富，可能在孕震过程中地下流体的渗入使微裂隙达到水饱和状态，从而导致波速比VP/VS变大，因此对波速比高值变化区应当引起重视。

2)从震前4个台站记录到的波速比时空变化特征可知，在震前LGH、ZOD和NLA台波速比时间变化呈现大致相似的下降-回升-高值变化-下降-发震演化过程，这与刘自凤等[11]对云南地区2013年以来MS≥5.0地震前震中附近台站的波速比演化特征较为相似。而距离震中最近的LGH台波速比下降、回升、达到高值的时间均晚于其他3个台站，初步分析异常出现的时间可能与台站震中距呈负相关。

3)结合地震序列M-T和N-T图可知，震后地震序列波速比变化与余震活动情况具有较好的对应关系，主震发生后序列波速比呈现明显的下降趋势，当余震序列地震活动增强时，其波速比也呈现相应的波动变化。在最大余震发生前，波速比出现明显的突降现象。当序列地震呈现正常衰减时，波速比维持在低值状态。但由于震中附近台站数量较少，可分析的震例有限，该规律还需要积累更多震例加以验证。

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