河北及鄰區(qū)平均波速比變化特征分析

王亞茹 王想 宮猛 郭蕾 劉曉丹

河北省地震局，石家莊市槐中路262號(hào) 050021

0 引言

地震波攜帶了地球內(nèi)部的大量信息。在地震的孕育過(guò)程中，孕震區(qū)介質(zhì)的物理狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一系列變化，如發(fā)生微破裂、擴(kuò)容、塑性硬化及相變等，地震波通過(guò)震源區(qū)時(shí)，波速也會(huì)發(fā)生變化，這是利用波速比異常預(yù)測(cè)地震的重要依據(jù)（馮德益，1981）。

1956年日本地震學(xué)家早川正已（李善邦，1981）首次發(fā)現(xiàn)震前波速比異?，F(xiàn)象，隨后各國(guó)學(xué)者（Semenov et al，1969；Kanamori et al，1976）對(duì)波速比異?，F(xiàn)象進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)了一些地震的波速比異常實(shí)例，為解釋其變化機(jī)理，Nur等（1972）提出“擴(kuò)容-流體擴(kuò)散”模式解釋波速比變化過(guò)程。但是一些學(xué)者（McEvilly et al，1974；Mogi et al，1985）也提出了相互矛盾的結(jié)果。近年來(lái)，隨著觀測(cè)條件的顯著改善和新技術(shù)方法的引入，地震數(shù)據(jù)精度不斷提高，對(duì)中強(qiáng)地震前后波速比變化現(xiàn)象和特征的研究又引起了廣泛關(guān)注（Nakamura et al，2002）。其中，可控震源實(shí)驗(yàn)表明地殼內(nèi)確實(shí)發(fā)生了可測(cè)的波速變化（Korneev et al，2000），而利用“重復(fù)地震”的震相延遲時(shí)間變化也得到了一些強(qiáng)震前震源區(qū)明顯的波速比變化（Schaff et al，2004）資料。在我國(guó)，不同學(xué)者對(duì)波速比也開(kāi)展了廣泛研究與討論，得到了不同區(qū)域中強(qiáng)地震前后地震波速變化的震例（蔡靜觀等，2000；刁桂苓等，2005；黎明曉等，2006；王林瑛等，2014）并對(duì)波速比異常給予了肯定。

1 研究?jī)?nèi)容與方法

1.1 研究區(qū)的選擇

河北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)內(nèi)主要包括張家口-渤海地震帶與河北平原地震帶，近年來(lái)隨著河北地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，地震數(shù)據(jù)的精度不斷提高，為本研究提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資料。本文將研究區(qū)域分為 4部分（圖1），分別為晉冀蒙地區(qū)（38.5°～41.5°N，113°～115.5°E）、京津地區(qū)（38.5°～41.5°N，115.5°～117.5°E）、唐山地區(qū)（39°～41°N，117.5°～119.5°E）以及河北南部地區(qū)（35.5°～38.5°N，113°～116°E），通過(guò)分析這 4個(gè)地區(qū)地震波速比的時(shí)序變化特征，討論其與中強(qiáng)地震之間可能存在的關(guān)系。

圖1 研究區(qū)地震震中分布

1.2 應(yīng)用和達(dá)法計(jì)算波速比

地震的縱波與橫波的速度之比即為波速比，用Vp/Vs表示，平均波速比可由（1）式求得，式中，n為觀測(cè)臺(tái)站總數(shù)，Tpi和T（S-P）i分別為第i臺(tái)站的P波觀測(cè)到時(shí)以及S波、P波到時(shí)差。

多臺(tái)觀測(cè)可用最小二乘擬合求K，K為和達(dá)直線的斜率，故波速比可表示為

其誤差為

其中，T′（S－P）i是理論計(jì)算值。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為

2 數(shù)據(jù)處理

本文搜集并整理了河北省地震臺(tái)網(wǎng)2006～2016年2月的地震數(shù)據(jù)，選擇最少有4個(gè)臺(tái)站記錄到的、到時(shí)差≤20s的地震走時(shí)數(shù)據(jù)，利用多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算波速比，為提高波速比的計(jì)算精度及穩(wěn)定性，擇其相關(guān)系數(shù)大于 0.98，誤差小于 0.05的 8033個(gè)地震波速比數(shù)據(jù)（圖 2（a）），這些數(shù)據(jù)基本為 1.65～1.75，均值為 1.708，震級(jí)ML＝1.0～2.0，波速比與震級(jí)之間沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖2（b））；計(jì)算結(jié)果的精度與所選臺(tái)站個(gè)數(shù)有關(guān)，臺(tái)站越多，波速比的離散程度越?。?006～2009年波速比的相關(guān)系數(shù)有一定波動(dòng)，2009年之后相關(guān)系數(shù)較好。

圖2 波速比與震級(jí)、臺(tái)站個(gè)數(shù)、相關(guān)系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)果分析

對(duì)唐山地區(qū)的波速比滑動(dòng)曲線的分析如下，對(duì)另外3個(gè)分區(qū)按照同樣的思路進(jìn)行。

3.1 唐山地區(qū)的波速比變化特征

1976年唐山發(fā)生7.8級(jí)地震，1995年以后無(wú)5級(jí)以上地震，目前唐山老震區(qū)的余震處于晚期（王想等，2012），自 2006年以來(lái)該區(qū) 4級(jí)以上地震呈現(xiàn)兩年準(zhǔn)周期的活動(dòng)韻律。圖3（a）為唐山地區(qū)波速比數(shù)據(jù)的原始曲線，無(wú)明顯變化?；瑒?dòng)平均是對(duì)動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行平滑處理的一種十分重要的方法（趙娟等，2005），既可得出較平滑的測(cè)量結(jié)果，也可濾掉頻繁的隨機(jī)誤差。用不同窗口對(duì)波速比數(shù)據(jù)作滑動(dòng)平均，若窗口太大則可能過(guò)濾掉太多有效信息，若窗口太小則得不到較為平滑的結(jié)果，通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)最終確定對(duì)ML≥1.0的地震的波速比用 30點(diǎn)滑動(dòng)平均（圖3（b）），對(duì)ML≥1.5的地震波速比用 20點(diǎn)滑動(dòng)平均（圖 3（c）），對(duì)ML≥2.0的地震波速比用 10點(diǎn)滑動(dòng)平均（圖 3（d））。

圖3 唐山地區(qū)不同震級(jí)的波速比時(shí)序曲線

馮德益（1981）提出波速比異常變化的全過(guò)程：地震波速比一般先下降然后回升，當(dāng)再次達(dá)到或略超過(guò)初始值后就發(fā)生主震，震后還有一個(gè)不穩(wěn)定的變化期。一系列的震例研究（劉繼祿等，2000；王林瑛等，2008、2011、2014；龍海英等，2011）也表明震前震源區(qū)附近波速比出現(xiàn)類(lèi)似變化過(guò)程。按照這個(gè)異常判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)唐山地區(qū)不同震級(jí)波速比滑動(dòng)曲線進(jìn)行定性討論，可以發(fā)現(xiàn)在唐山地區(qū)ML4.0以上地震發(fā)生前該區(qū)的波速比大都出現(xiàn)了下降-低值-恢復(fù)的變化過(guò)程。2008年3月11日河北盧龍發(fā)生ML4.4地震，該區(qū)ML≥1.0、M≥1.5，M≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線在地震前均出現(xiàn)明顯的下降-低值-恢復(fù)變化形態(tài)，持續(xù)時(shí)間半年左右，最終在低值回升階段發(fā)震；2010年3月6日該區(qū)發(fā)生灤縣ML4.8以及4月9日豐南ML4.6地震，其ML≥1.0、ML≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線在地震前沒(méi)有出現(xiàn)明顯低值異常，但ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線在震前一年出現(xiàn)下降-低值變化，恢復(fù)一段時(shí)間后發(fā)生上述地震；2012年5月28日該區(qū)發(fā)生唐山ML5.1及6月18日寶坻ML4.5地震，ML≥1.0、M≥1.5，M≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線在震前均出現(xiàn)下降-低值變化，尤其是ML≥1.5和ML≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線低值異常明顯，地震發(fā)生后低值恢復(fù)；2014年10月14日該區(qū)發(fā)生灤縣ML4.0地震，其ML≥1.0及ML≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波速比異常，但是ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線表現(xiàn)出明顯下降，在低值持續(xù)的過(guò)程中發(fā)生該次地震，隨后波速比滑動(dòng)曲線恢復(fù)到均值線附近；2015年9月14日該區(qū)發(fā)生昌黎ML4.7以及11月28日豐南ML4.0地震，其ML≥1.0、M≥1.5、M≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線在地震發(fā)生半年前均出現(xiàn)下降-低值-恢復(fù)變化。從對(duì)波速比滑動(dòng)曲線的定性分析可見(jiàn)唐山地區(qū)自2006年以來(lái)的幾次中等地震發(fā)生前波速比滑動(dòng)曲線的確存在一定的異常形態(tài)，尤其是ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線在這些中等地震發(fā)生前變化明顯。

上面對(duì)不同震級(jí)檔的地震波速比滑動(dòng)平均曲線與唐山地區(qū)ML4.0地震的關(guān)系進(jìn)行了定性討論，下文嘗試對(duì)其進(jìn)行定量分析。由于該區(qū)ML≥1.5地震波速比與中強(qiáng)地震對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，因此著重討論ML≥1.5地震波速比異常的預(yù)報(bào)效能。選取唐山地區(qū)的波速比平均值1.708作為標(biāo)準(zhǔn)，波速比滑動(dòng)曲線異常判定指標(biāo)為：①異常從波速比均值附近開(kāi)始下降；②異常持續(xù)時(shí)間超過(guò)3個(gè)月；③異常下降幅度超過(guò)0.010；④異?；厣骄稻€附近結(jié)束。由于唐山地區(qū)不同震級(jí)的滑動(dòng)均值曲線在2006～2007年都處于較低水平，該低值可能與2006年7月4日河北文安5.1地震有關(guān)，因?yàn)闆](méi)有2006年之前的波速比數(shù)據(jù)無(wú)法得出該次低值的持續(xù)時(shí)間，因此在統(tǒng)計(jì)定量異常時(shí)不予統(tǒng)計(jì)。按照以上限定條件統(tǒng)計(jì)唐山地區(qū)ML≥1.5的地震波速比滑動(dòng)均值共出現(xiàn)4次異常（表1），異常持續(xù)時(shí)間大多在3～6個(gè)月，其中有3次異常出現(xiàn)后發(fā)生ML4.0以上地震，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)波速比持續(xù)時(shí)間及異常幅度與地震大小明顯相關(guān)，有2次地震發(fā)生在在波速比呈低值期間，有一次地震在異常結(jié)束后4個(gè)月發(fā)生，對(duì)應(yīng)率為75%，結(jié)果是置信水平為97.5%的預(yù)報(bào)效能R（許紹燮，1989）為0.55，總之該區(qū)波速比滑動(dòng)曲線對(duì)中等以上地震有一定反映能力。

3.2 其他分區(qū)的波速比變化特征

下面按照對(duì)唐山地區(qū)波速比的分析思路對(duì)河北地區(qū)的其他3個(gè)分區(qū)進(jìn)行研究，略去對(duì)各個(gè)分區(qū)不同震級(jí)波速比異常的定性研究，結(jié)合每個(gè)分區(qū)的特點(diǎn)重點(diǎn)分析ML≥1.5地震的波速比曲線異常特征，嘗試得出可用于河北地區(qū)及相鄰區(qū)域的波速比異常判定標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.1 京津地區(qū)的波速比變化特征

該區(qū)位于北京坳陷與大興隆起間，曾發(fā)生1679年三河-平谷8級(jí)大震，最近的地震為2006年7月4日文安5.1級(jí)地震，王林瑛等（2008）通過(guò)對(duì)首都圈波速比研究得出文安地震前附近地區(qū)波速比有異常反應(yīng)，2006年該區(qū)的波速比滑動(dòng)平均值明顯偏低（圖4），由于缺少對(duì)文安地震前的較長(zhǎng)時(shí)間段的波速比跟蹤分析，因此對(duì)2006年的低值異常不予統(tǒng)計(jì)。按照唐山地區(qū)波速比異常的判定標(biāo)準(zhǔn)，自2006年至今北京地區(qū)的波速比無(wú)明顯異常。2012年8月26日的天津?qū)氎鍹L4.0地震屬于2012年6月18日天津市寶坻區(qū)與河北省玉田縣交界ML4.5地震的余震活動(dòng)，該地震位于京津地區(qū)邊緣，屬唐山大地震的晚期余震活動(dòng)。由于波速比滑動(dòng)均值來(lái)自京津地區(qū)地震的震相數(shù)據(jù)，但其孕震區(qū)可能不在京津而在唐山地區(qū)（圖3（c）），所以京津地區(qū)的波速比未出現(xiàn)明顯異常。

表1 唐山地區(qū)波速比異常統(tǒng)計(jì)

圖4 京津地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點(diǎn)滑動(dòng)平均曲線

3.2.2 晉冀蒙地區(qū)波速比的變化特征

該區(qū)位于山西地震帶與張渤地震帶的交匯部位，構(gòu)造復(fù)雜，1998年1月10日張北6.2級(jí)地震前京西北地區(qū)出現(xiàn)明顯低值異常（劉繼祿，2000）。定性看該區(qū)ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線在2015年9月6日涿鹿地震前出現(xiàn)下降-低值-回升的異常形態(tài)。若進(jìn)行定量分析（表2），則可看出有3次異常，未對(duì)應(yīng)中等地震；但是從表2也可看出山西大同地震及河北涿鹿地震發(fā)生前該區(qū)均出現(xiàn)3個(gè)月左右的波速比低值異常，下降幅度分別為0.0777和0.0078，只是未達(dá)到異常判定標(biāo)準(zhǔn)的0.01故未被判定為異常，這說(shuō)明依唐山地區(qū)的地震資料統(tǒng)計(jì)出來(lái)的異常定量標(biāo)準(zhǔn)（前文所述的①、②和④）是適用的，而并不適用于晉冀蒙地區(qū)（③），若把異常判定標(biāo)準(zhǔn)的“③異常下降幅度超過(guò)0.010”中的下降幅度適當(dāng)?shù)慕档偷?.007，則該區(qū)波速比的對(duì)應(yīng)率為0.4，預(yù)報(bào)效能R為0.15。

3.2.3 河北省南部地震的波速比變化特征

河北省南部地區(qū)自2006年以來(lái)中等地震活動(dòng)均集中在河南范縣，在這幾次地震發(fā)生前該區(qū)ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)均值曲線從形態(tài)上均表現(xiàn)出下降-低值的異常。若進(jìn)行定量分析（表3），則可看出有1次異常，其后半年內(nèi)無(wú)ML4.0以上地震。但從表3也可看出在2010年、2014年、2015年該區(qū)均出現(xiàn)了持續(xù)4～5個(gè)月波速比低值，其低值的最大降幅在0.006～0.007之間，在低值結(jié)束后2～5個(gè)月的時(shí)間內(nèi)河南范縣發(fā)生ML4以上地震。因此若把異常定量標(biāo)準(zhǔn)的下降幅度設(shè)定為0.006，則該區(qū)的地震對(duì)應(yīng)率將大大提高，地震對(duì)應(yīng)率為0.6，R值為 0.35。

表2 晉冀蒙地區(qū)波速比異常統(tǒng)計(jì)

圖5 晉冀蒙地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點(diǎn)滑動(dòng)平均曲線

表3 河北南部地區(qū)波速比異常統(tǒng)計(jì)

圖6 河北南部地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點(diǎn)滑動(dòng)平均曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)和達(dá)法計(jì)算唐山地區(qū)的波速比數(shù)據(jù)，用不同窗長(zhǎng)滑動(dòng)得到不同震級(jí)的波速比時(shí)序動(dòng)態(tài)演化曲線。減小了隨機(jī)誤差，得到較為平滑的結(jié)果，但是窗口的選擇至關(guān)重要，若窗口太大則會(huì)過(guò)濾掉很多的有效信息，對(duì)細(xì)節(jié)的反映有所欠缺；若窗口過(guò)小，雖然對(duì)動(dòng)態(tài)變化的細(xì)節(jié)反映更加靈敏，但是對(duì)趨勢(shì)表征不明顯。通過(guò)對(duì)地震前不同震級(jí)檔波速比曲線的形態(tài)特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在大部分中等地震發(fā)生前唐山地區(qū)的波速比表現(xiàn)出下降-低值的異常形態(tài)，其中ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線在地震前其異常形態(tài)表現(xiàn)的更為明顯。通過(guò)對(duì)唐山地區(qū)的ML≥1.5地震的波速比曲線與中等地震關(guān)系的定性討論，提出了該區(qū)波速比異常判定的4個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn)，即：①波速比異常是波速比自其均值線附近開(kāi)始下降；②異常持續(xù)時(shí)間超過(guò)3個(gè)月；③異常下降幅度超過(guò)0.010；④異?；厣骄稻€附近結(jié)束。這4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的①和②為異常的開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間，③為異常下降幅度標(biāo)準(zhǔn)，④提供了異常結(jié)束的判定方法。通過(guò)分析可知對(duì)應(yīng)地震多在異常持續(xù)期間或者異常結(jié)束半年內(nèi)發(fā)生，其對(duì)應(yīng)率為75%，R值為0.55，這表明唐山地區(qū)的波速比異常是有一定信度的中短期指標(biāo)。在把唐山地區(qū)波速比異常定量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于河北省的其他3個(gè)分區(qū)的時(shí)候，異常標(biāo)準(zhǔn)的①、②和④能夠起到很好的約束作用，而③即異常下降幅度卻各有差別。和達(dá)法計(jì)算波速比是基于地殼中上層均勻單層模型，其不確定性主要是由介質(zhì)的橫向不均勻性的局限產(chǎn)生的，本文的研究結(jié)果為特定區(qū)域限定條件內(nèi)的波速比滑動(dòng)平均的結(jié)果，忽略了更小范圍的局部區(qū)域介質(zhì)的各向異性；同時(shí)不同研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以及地震活動(dòng)性不同，地震活動(dòng)頻繁的區(qū)域其波速比數(shù)據(jù)多，其滑動(dòng)曲線能夠?qū)崟r(shí)的、更加真實(shí)的反映該區(qū)波速比的變化特征，相反地震活動(dòng)較弱則波速比數(shù)據(jù)少，其滑動(dòng)曲線則不能實(shí)時(shí)的反映該區(qū)的波速比變化特征。

致謝本文使用中國(guó)地震局地球物理研究所李艷娥老師提供的計(jì)算程序，在此表示衷心感謝。衷心感謝審稿老師提出的中肯意見(jiàn)。