河北邯鄲—邢臺地區(qū)波速比和泊松比分布特征研究①

張小濤，韓麗萍，張新東，張雙鳳，暢國平，尹小兵

（1.吉林大學(xué)，吉林 長春 130026；2.河北省地震局邯鄲中心臺，河北 邯鄲 056001；3.河北省地震局紅山地震臺，河北 隆堯 055350）

0 引言

在地震孕育過程中，孕震區(qū)介質(zhì)性質(zhì)的變化會導(dǎo)致波速的變化，研究波速變化可以提供地震孕育的震兆信息。我國自開展波速比研究以來，已經(jīng)取得了很多成果。刁桂苓、周仕勇等討論了岫巖地震序列的平均波速比前兆異常［1］。劉繼祿等分析了張北6.2級地震前后源區(qū)與場區(qū)波速比的時空變化特征及其異常［2］。梅世蓉、陸遠忠等也有利用波速比異常做出預(yù)測的震例［3－4］。啜永清、宋美琴采用格點嘗試法、和達法分別計算了山西大同盆地的平均波速比，探討了該區(qū)平均波速比在中強震前后的變化規(guī)律，得出山西大同盆地地震波速比在主壓應(yīng)力P軸取向穩(wěn)定的條件下同步降低的負異常與該區(qū)中強地震有一定對應(yīng)關(guān)系的結(jié)論［5］。趙晉明等從實驗上確證巖石在破裂前，波速比會發(fā)生明顯變化［6］。此外，波速比也用來分析地殼和地幔的結(jié)構(gòu)。黎明曉、張曉東計算了首都圈地區(qū)的平均波速比并應(yīng)用多臺法測定了華北地區(qū)地殼的平均波速比［7］。馮建剛等利用和達法計算了青藏高原東北緣平均波速比［8］。本文開展對河北省邯鄲—邢臺地區(qū)波速比和泊松比的空間分布特征研究，能夠?qū)μ崛∫欢ǖ恼鹫仔畔⑻峁┮罁?jù)，對了解該地區(qū)的孕震環(huán)境和地質(zhì)構(gòu)造介質(zhì)狀況也有參考價值。

1 方法及原理

假如震中周圍有n個臺的資料，則以和達法為基礎(chǔ)，利用不同地震臺記錄到的近震直達Pg、Sg波到時TPi、TSi，通過最小二乘法計算平均波速比：

式中ΔTi＝TSi－TPi。

相關(guān)系數(shù)R由下式計算：

根據(jù)求出的波速比γ，由波速比和泊松比之間的關(guān)系，可得到地殼的泊松比值

γ值的增加或減小反映了巖性或者巖性物理狀態(tài)及化學(xué)成分的變化。

2 觀測資料情況

本文研究的區(qū)域范圍為 35.0°～38.0°N，113.0°～116.0°E。研究區(qū)位于中、小地震較為活躍的地震帶，該地區(qū)也是邯鄲地震臺網(wǎng)監(jiān)控最好的地區(qū)。分析了區(qū)域內(nèi)9個遙測臺站所記錄的2001年1月－2008年12月間發(fā)生的535次ML≥1.5地震，震中距都在200km以內(nèi)。要求每個地震保證至少有4個臺站的清晰記錄，去掉波形重疊、難以辨認的地震，經(jīng)過認真篩選后，用于計算的ML≥1.5地震413次，震源深度分布在3～25km范圍內(nèi)，平均深度為11.4km。研究區(qū)震中和斷裂帶分布見圖1，各臺站儀器信息主要參數(shù)見表1。用于分析的地震震源參數(shù)采用雙差精定位結(jié)果［9］。為了研究方便，我們將研究區(qū)按1°×1°分為A1～A9共計9個小區(qū)，計算每個分區(qū)內(nèi)所有地震的波速比，得到該區(qū)的一個平均波速比值。

圖1 研究區(qū)震中與臺站分布圖Fig.1 Distributions of earthquake epicentres and seismic stations in the study area.

3 結(jié)果與分析

研究范圍內(nèi)在A1～A9區(qū)中地震事件全部在6個以上，其中1966年邢臺7.2級大地震震中（37.5°N ，115.1°E）位于 A2區(qū)，1831年磁縣7.5級大地震震中（36.4°N，114.2°E）位于 A5區(qū)，1981年菏澤5.9級地震震中（35.3°°N，115.2°°E）位于 A9區(qū)，這三個區(qū)內(nèi)地震事件較多，最多的小區(qū)A5達到了149個，表2給出各個小區(qū)計算的事件個數(shù)和結(jié)果。9個小區(qū)波速比值在1.696～1.737之間，相關(guān)系數(shù)在0.9883～0.9991之間，研究區(qū)平均波速比值為1.719，略低于地殼的平均波速比1.732。

根據(jù)式（3）計算得到了研究區(qū)內(nèi)的泊松比值的分布特征。平均泊松比值為0.244，波速比值和泊松比值的空間分布見圖2。從圖2可以看出，研究區(qū)內(nèi)波速比和泊松比在37°N兩側(cè)呈現(xiàn)反向的變化，上側(cè)的A1、A2、A3三個小區(qū)內(nèi)，自東向西逐漸減?。幌聜?cè)自東向西逐漸增大，而37°N緯度線把1966年邢臺震區(qū)和1831年磁縣震區(qū)分開，這種分布應(yīng)該與地殼的速度結(jié)構(gòu)和巖石的物理性質(zhì)有關(guān)。研究區(qū)有很多斷裂帶分布，其中包括新河斷裂、磁縣—大名斷裂、林縣斷裂、聊城—蘭考斷裂等發(fā)生過大地震的斷裂帶，這些復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境通過平均波速比和泊松比都有所反映，平均波速比較為客觀的反映了地下介質(zhì)在空間位置上的差異。

表1 使用的數(shù)字地震臺站信息表

表2 各小區(qū)內(nèi)平均波速比及相關(guān)系數(shù)

圖2 研究區(qū)內(nèi)波速比和泊松比的空間分布圖Fig.2 Distributions of wave velocity ratio values and Poisson＇s ratio values in the study areas.

為了直觀地揭示邯鄲－邢臺地區(qū)地殼介質(zhì)變化的空間分布特征，我們利用從9個小區(qū)所得出的均值結(jié)果經(jīng)插值得到該區(qū)波速比和泊松比的等值線分布如圖3所示。從圖3和圖1中地震空間位置分布可以看出研究區(qū)內(nèi)波速比和泊松比分布比較復(fù)雜，存在四個高值區(qū)域，1966年邢臺地震震源區(qū)位于其中的一個高值區(qū)域，1831年的磁縣地震震源區(qū)位于四個高值區(qū)域的交匯處。從等值線的變化程度看出，邢臺震源區(qū)等值線值為1.726，磁縣震區(qū)為1.721，略高于研究區(qū)的均值1.719。由于地震多發(fā)生在地殼18km以上，所以這種變化是上地殼介質(zhì)特性的反映。

圖3 研究區(qū)內(nèi)波速比和泊松比的等值線分布圖Fig.3 The isolines of wave velocity ratio and Poisson＇s ratio in the study areas.

實驗研究表明［10］，對于普通的巖石而言，泊松比的變化范圍是0.20～0.35之間，而且它對巖石的組成特別敏感，地殼平均泊松比的變化可能由許多地球物理和地球化學(xué)因素所致，且?guī)r石的礦物組成對泊松比的變化有著重要影響，其中花崗巖泊松比為0.24，閃長巖為0.27，輝長巖0.30［11］。同樣，部分熔融對P波和S波速度比也有很大的影響，地震波速比值隨著熔融體熔融程度的增加而增大［12］，如部分熔融程度為5% 的花崗巖的泊松比約為0.31，而沒有熔融的花崗巖的泊松比約為0.24。本文研究區(qū)域內(nèi)泊松比平均值0.244，反映平均深度11.4 km，反映了上地殼沒有熔融的介質(zhì)性質(zhì)，本文泊松比計算結(jié)果與研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以花崗巖為主一致。

4 結(jié)論與討論

根據(jù)多臺和達法，利用邯鄲—邢臺地區(qū)9個數(shù)字地震臺的觀測數(shù)據(jù)對該區(qū)波速比和泊松比分布特征進行研究，獲得了具有一定參考價值的結(jié)果：

（1）分析計算了研究區(qū)的波速比和泊松比值的空間分布特征，9個小區(qū)波速比值在1.696～1.737之間，相關(guān)系數(shù)在0.988 3～0.999 1之間，研究區(qū)平均波速比值為1.719，平均泊松比值為0.244，本文泊松比計算結(jié)果與研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以花崗巖為主一致，同時也說明計算結(jié)果是可靠的。

（2）復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造通過平均波速比和泊松比都有所反映，平均波速比和泊松比較為客觀的反映了地下介質(zhì)在空間位置上的差異，研究區(qū)內(nèi)波速比和泊松比變化比較復(fù)雜，這種變化是上地殼介質(zhì)性質(zhì)變化的體現(xiàn)。

［1］刁桂苓，周仕勇，劉杰，等.岫巖地震序列的平均波速比前兆異常［J］.華北地震科學(xué)，2005，23（4）：1－5.

［2］劉繼錄，張從珍，曹肅朝，等.張北6.2級地震前后波速比在源區(qū)與場區(qū)的變化特征［J］.華北地震科學(xué)，2001，19（2）：14－20.

［3］梅世蓉，馮益德，張國民，等.中國地震預(yù)報概論［M］.北京：地震出版社，1993：78－80.

［4］陸遠忠，陳章立.地震預(yù)報的地震學(xué)方法［M］.北京：地震出版社，1985：175－196.

［5］啜永清，宋美琴.山西大同盆地震源機制解矛盾符號比及波速比變化的研究［J］.山西地震，2005，109（2）：1－3.

［6］趙晉明，胡毅力，楊潤海，等.巖石臨破前波速奇異變化的再研究［J］.地震研究，2001，24（2）：136－139.

［7］黎明曉，張曉東.應(yīng)用多臺法測定華北地區(qū)地殼的平均波速比［J］.地震，2004，24（1）：163－169.

［8］馮建剛，代煒，董志平，等.青藏高原東北緣平均波速比的測定及研究［J］.西北地震學(xué)報，2009，31（1）：61－65.

［9］張小濤、呂堅、馬廣慶，等.雙差地震定位法在邯邢地區(qū)地震精確定位中的初步應(yīng)用［J］.地震研究，2008.31（1）：37－41.

［10］Christensen N I，Mooney W D.Seismic velocity structure and composition of the continental crust：aglobal view［J］.J Geophys.Res.，1995，100：9761－9788.

［11］Tarkov A P，Vavakin V V.Poisson＇s ratio behaviour in crystalline rocks：application to the study of the Earth＇s interior［J］.Phys.Earth Planet.Inter.，1982，29：24－29.

［12］Watanabe T.Effects of water an d melt on seismic velocities and their application to characterization of seismic reflectors［J］.Geophys.Res.Lett.，1993，20：2933－2936.