大同盆地與晉冀蒙三省交界地區(qū)在區(qū)域中強(qiáng)地震前b值時(shí)間變化特征淺析

張登科

(山西大同市地震局，山西 大同 037008)

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大同盆地與晉冀蒙三省交界地區(qū)在區(qū)域中強(qiáng)地震前b值時(shí)間變化特征淺析

張登科

(山西大同市地震局，山西 大同 037008)

利用晉冀蒙三省交界地區(qū)1972—2000年地震資料 ，用最小二乘法進(jìn)行b值時(shí)間掃描計(jì)算 ，研究得出晉冀蒙三省交界區(qū)b值背景值在0.263～0.861之間，平均值為0.429；大同盆地b值背景值在0.229～0.931之間，平均值為0.493。區(qū)域發(fā)生的中強(qiáng)地震與2個(gè)研究區(qū)的b值時(shí)序曲線異常有4種對(duì)應(yīng)關(guān)系。在研究時(shí)段內(nèi)的幾個(gè)震例中，地震與b值的時(shí)間關(guān)系以先高值異常，異常結(jié)束后發(fā)震為主要特征。

晉冀蒙三省交界地區(qū)；b值；時(shí)間掃描

0 引言

b值是震級(jí)和頻度關(guān)系式中的比例系數(shù)，代表一定區(qū)域內(nèi)不同大小地震頻數(shù)的比例關(guān)系。近年來(lái)，隨著對(duì)b值研究的深入和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，b值在地震預(yù)測(cè)方面的作用逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。如陳學(xué)忠等[1]研究認(rèn)為，中國(guó)大陸地震活躍期的b值比地震平靜期的b值明顯低；蔡靜觀等[2]討論了b值作為地震學(xué)的常規(guī)方法，認(rèn)為某些地區(qū)低b值異常對(duì)應(yīng)地震較好，而有些地區(qū)卻是高b值異常對(duì)應(yīng)較好。該文將晉冀蒙三省交界地區(qū)1972—2000年的地震資料進(jìn)行整理，分成大同盆地與晉冀蒙三省交界區(qū)2個(gè)研究區(qū)進(jìn)行b值時(shí)間掃描，將掃描結(jié)果與區(qū)域內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)地震間的關(guān)系進(jìn)行探討分析，得出中強(qiáng)地震前2個(gè)研究區(qū)的b值變化規(guī)律。

1 研究區(qū)地震活動(dòng)概況

晉冀蒙三省交界區(qū)(38°～42°，110°～116°)位于山西構(gòu)造帶與陰山—燕山構(gòu)造帶的交匯部位，受兩大地震帶的雙重作用，具有發(fā)生強(qiáng)震的構(gòu)造條件，歷史上中強(qiáng)地震活躍。大同盆地(39°～41°，112°～114.5°)總面積約120 km2，在上個(gè)世紀(jì)八九十年代中強(qiáng)地震活躍，是晉冀蒙三省交界區(qū)(以下簡(jiǎn)稱三省交界區(qū))的應(yīng)力敏感區(qū)。

上世紀(jì)七十年代到世紀(jì)末，三省交界區(qū)的地震活動(dòng)具有顯著的活躍與平靜交替的時(shí)間特征?；钴S時(shí)段為5級(jí)以上地震最大時(shí)間間隔在兩年之內(nèi)，平靜時(shí)段以連續(xù)3年未發(fā)生5級(jí)以上地震，按此標(biāo)準(zhǔn)，劃分為四個(gè)相對(duì)活躍時(shí)段和四個(gè)相對(duì)平靜時(shí)段，各時(shí)段內(nèi)的地震活動(dòng)情況如表1所示。

表1 晉冀蒙三省交界區(qū)地震活動(dòng)活躍時(shí)段和平靜時(shí)段劃分

2 數(shù)據(jù)與研究方法

b值是由地震目錄用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算的，與目錄資料的完整性、可靠性、樣本的起始震級(jí)等都有一定的關(guān)系。在統(tǒng)計(jì)計(jì)算b值前，采用K-K法[3]對(duì)三省交界區(qū)1972-2000年ML≥5.0地震進(jìn)行刪除余震處理。采用“震級(jí)—序號(hào)法”[4]得到研究區(qū)目錄的最小完整性震級(jí)。

2.1 地震目錄的最小完整性震級(jí)確定

采用“震級(jí)—序號(hào)法”，按地震發(fā)生的先后排序，考察不同震級(jí)的地震數(shù)密度分布來(lái)定性分析MC，地震數(shù)密度較大的位置對(duì)應(yīng)的震級(jí)即是最小完整性震級(jí)。使用地震序號(hào)而不是地震發(fā)生時(shí)間，可避免“叢集事件”的影響[5]。選取三省交界區(qū)1972-2000年地震事件，采用K-K法刪除余震后，用“震級(jí)—序號(hào)法”計(jì)算出該地區(qū)的最小完整性。由圖1可知，1970-1989年主要集中在2.0～2.4級(jí)之間；1990-2000年，M≤2.0地震明顯增多，主要集中在1.1～2.0級(jí)之間，1970-2000年，三省交界區(qū)目錄的最小完整性震級(jí)MC可以選為2.0級(jí)，與該區(qū)域的地震監(jiān)測(cè)水平基本相符。

圖1 1970-2000年晉冀蒙三省交界區(qū)地震事件的震級(jí)一序號(hào)圖Fig.1 Magnitude-Number chart of earthquake events in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces from 1970 to 2000

2.2 b值時(shí)間掃描

G—R關(guān)系是統(tǒng)計(jì)地震學(xué)中最基本的定律之一，表明地震震級(jí)和頻次之間的關(guān)系。古登堡發(fā)現(xiàn)在一定的震級(jí)區(qū)間，其頻度N與震級(jí)M有如下關(guān)系：

LogN=a-bM。

在這個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式中，a和b是2個(gè)參數(shù)，可根據(jù)一定地區(qū)、時(shí)期的地震目錄用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算。文中b值時(shí)間掃描采用線性最小二乘法，考慮以下幾點(diǎn)影響因素：一是臺(tái)網(wǎng)地震監(jiān)測(cè)能力；二是研究區(qū)最小完整性震級(jí)的確定；三是所采用的地震目錄時(shí)間尺度；四為合理的時(shí)間窗、空間窗及相應(yīng)掃描步長(zhǎng)的確定。

3 b值背景

把研究區(qū)不同時(shí)段的b值均值作為當(dāng)時(shí)該區(qū)的b值背景值，對(duì)1972-2000年三省交界區(qū)、大同盆地b值時(shí)間掃描得出，三省交界區(qū)b值背景值在0.263～0.861之間，平均值為0.429；大同盆地b值背景值在0.229～0.931之間，平均值為0.493。地震活躍時(shí)段的b值比平靜時(shí)段的要相對(duì)高些，大同盆地b值背景值高于三省交界區(qū)的(見(jiàn)圖2、圖3)。

圖2 晉冀蒙三省交界區(qū)1972-2000年b值時(shí)序曲線Fig.2 Time-sequence curve of b value in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces from 1972 to 2000

圖3 “大同窗口”1972-2000年b值時(shí)序曲線Fig.3 Time-sequence curve of b value in “Datong Window” from 1972 to 2000

4 大同盆地與晉冀蒙三省交界區(qū)b值時(shí)序曲線分析

(1) 1976年4月6日內(nèi)蒙古和林格爾6.3級(jí)地震。

1972-1976年，大同盆地 b值均值高于三省交界區(qū)的(見(jiàn)第13頁(yè)圖4、圖5)，二者b值時(shí)序曲線有相對(duì)一致的時(shí)段(1972年-1974年11月)，此時(shí)段三省交界區(qū)處于1970年以來(lái)的第一平靜時(shí)段，無(wú)5級(jí)以上地震發(fā)生。二者b值相對(duì)一致性較高，1972年都出現(xiàn)高值異常，持續(xù)時(shí)間為1～1.5個(gè)月；1973、1974年的前4個(gè)月，b值都位于相對(duì)高值，后8個(gè)月都位于均值線下的相對(duì)低值。1974年12月至震時(shí)為b值時(shí)序曲線形態(tài)完全不同的時(shí)段。三省交界區(qū)b值的時(shí)間變化過(guò)程是“高值—低值—高值—低值發(fā)震”，大同盆地則是“低值—高值—低值—高值發(fā)震”，二者的變化過(guò)程截然相反。和林格爾6.3級(jí)地震前，三省交界區(qū)b值異常主要表現(xiàn)為震前4個(gè)月出現(xiàn)持續(xù)幾天異常高值，高值結(jié)束3個(gè)月發(fā)震。大同盆地則為震前1年內(nèi)出現(xiàn)2次異常高值，各持續(xù)約2個(gè)月，在第二次異常高值處發(fā)震。

圖4 內(nèi)蒙古和林格爾6.3級(jí)地震前晉冀蒙三省交界區(qū)b值時(shí)序曲線Fig.4 Time-sequence curve of b value in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces before Helingeer 6.3 earthquake in Inner Mongolia

圖5 內(nèi)蒙古和林格爾6.3級(jí)地震前大同盆地b值時(shí)序曲線Fig.5 Time-sequence curve of b value in Datong Basin before Helingeer 6.3 earthquake in Inner Mongolia

(2) 1981年8月13日內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級(jí)地震。

1981-1983年的第二活躍時(shí)段，三省交界區(qū)發(fā)生內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級(jí)地震，圖6、圖7為地震前2個(gè)區(qū)域的b值時(shí)間變化過(guò)程。大同盆地的b值均值更低些。1980年11月即震前9個(gè)月，二者的b值都從均值線處快速升到異常高值，三省交界區(qū)的異常高值持續(xù)2個(gè)半月，大同盆地的持續(xù)3個(gè)月，之后迅速下降，到均值線以下時(shí)發(fā)震。內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級(jí)地震前，2個(gè)區(qū)域b值異常主要表現(xiàn)為震前9個(gè)月出現(xiàn)持續(xù)約2～3個(gè)月的b值高值異常后，快速降到相對(duì)低值，在低值處發(fā)震。

(3) 1989-1991年大同—陽(yáng)高地震。

內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級(jí)地震后7年，三省交界區(qū)中強(qiáng)地震相對(duì)平靜。在第三活躍時(shí)段，大同—陽(yáng)高一帶發(fā)生一系列5級(jí)以上地震(統(tǒng)稱為大同—陽(yáng)高地震)。三省交界區(qū)與大同盆地b值時(shí)序曲線具有準(zhǔn)同步特征(見(jiàn)圖8、第14頁(yè)圖9)，整個(gè)變化過(guò)程都經(jīng)歷2次高值異常，1989年大同—陽(yáng)高地震時(shí)都處于相對(duì)低值異常。1991年大同—陽(yáng)高地震前，2個(gè)區(qū)域的b值經(jīng)歷一次高值異常變化過(guò)程，震時(shí)b值又同處于均值線以上。三省交界區(qū)b值高值異常出現(xiàn)在震前12個(gè)月，持續(xù)1個(gè)月；大同盆地的則在震前9個(gè)月，持續(xù)1個(gè)半月。此變化過(guò)程說(shuō)明了二者處于相似的應(yīng)力狀態(tài)。

圖6 內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級(jí)地震前晉冀蒙三省交界b值時(shí)序曲線Fig.6 Time-sequence curve of b value in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces before Fengzhen 5.8 earthquake in Inner Mongolia

圖7 內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)5.8級(jí)地震前大同盆地b值時(shí)序曲線Fig.7 Time-sequence curve of b value in Datong Basin before Fengzhen 5.8 earthquake in Inner Mongolia

圖8 1989年、1991年大同—陽(yáng)高地震前晉冀蒙三省交界b值時(shí)序曲線Fig.8 Time-sequence curve of b value in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces before Datong-Yanggao earthquakes in 1989 and 1991

圖9 1989年、1991年大同—陽(yáng)高地震前大同盆地b值時(shí)序曲線Fig.9 Time-sequence curve of b value in Datong Basin before Datong-Yanggao earthquakes in 1989 and 1991

(4) 1998年1月10日河北尚義6.2級(jí)地震。

1998年河北尚義6.2級(jí)地震前，2個(gè)區(qū)域的b值時(shí)序曲線如圖10、圖11所示。1996年，b值同時(shí)出現(xiàn)異常高值，三省交界區(qū)的于震前18個(gè)月出現(xiàn)并持續(xù)3個(gè)月，結(jié)束后的14個(gè)月發(fā)震，發(fā)震時(shí)b值正常；大同盆地則于震前15個(gè)月出現(xiàn)先高值后低值的異常變化過(guò)程，高值異常持續(xù)幾天，低值異常持續(xù)1個(gè)月，異常結(jié)束后10個(gè)月發(fā)震，地震時(shí)b值正常。

圖10 河北尚義6.2級(jí)地震前晉冀蒙三省交界b值時(shí)序曲線Fig.10 Time scanning curve of b value in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces before Shangyi 6.2 earthquake in Hebei

圖11 河北尚義6.2級(jí)地震前大同盆地b值時(shí)序曲線Fig.11 Time-sequence curve of b value in Datong Basin before Shangyi 6.2 earthquake in Hebei

(5) 1999年3月11日河北張北5.6級(jí)地震。

1998年河北尚義6.2級(jí)地震后14個(gè)月，三省交界區(qū)再次發(fā)生1999年河北張北5.6級(jí)地震。 1996-1997年，b值受1998年6.2級(jí)地震的影響不再作分析。1998年3月至震時(shí)，三省交界區(qū)與大同盆地b值時(shí)序變化都經(jīng)歷一次高值異常。三省交界區(qū)的異常出現(xiàn)在震前7個(gè)月，持續(xù)1個(gè)半月，地震時(shí)，b值略低于高值異常標(biāo)準(zhǔn)線的相對(duì)高位；大同盆地高值異常出現(xiàn)在震前近4個(gè)月，持續(xù)3個(gè)月，地震時(shí)，b值略低于高值異常標(biāo)準(zhǔn)線的相對(duì)高位(見(jiàn)圖11、圖12)。

(6) 1999年11月1日大同—陽(yáng)高5.6級(jí)地震。

1999年11月1日大同—陽(yáng)高5.6級(jí)地震前，三省交界區(qū)與大同盆地b值時(shí)序曲線表現(xiàn)形態(tài)基本相似(見(jiàn)圖12、圖13)。地震前半年，b值均處于均值線下的相對(duì)低值，震前2個(gè)月，迅速下滑，在出現(xiàn)低值異常時(shí)發(fā)震。

圖12 河北張北5.6級(jí)、大同—陽(yáng)高5.6級(jí)地震前晉冀蒙三省交界b值時(shí)間掃描曲線Fig.12 Time-sequence curve of b value in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces before Zhangbei 5.6 earthquake in Hebei and Datong-Yanggao 5.6 earthquake

圖13 河北張北5.6級(jí)、大同—陽(yáng)高5.6級(jí)地震前大同盆地b值時(shí)序曲線Fig.13 Time variation characteristics of b value variation in Datong Basin before Zhangbei 5.6 earthquake in Hebei and Datong-Yanggao 5.6 earthquake

5 結(jié)語(yǔ)

由上述分析得出：

(1) 1972年以來(lái)，三省交界區(qū)b值背景值在0.263～0.861之間，平均值為0.429；大同盆地b值背景值在0.229～0.931之間，平均值為0.493；大同盆地b值背景值高于三省交界區(qū)的；地震活躍時(shí)段的b值比平靜時(shí)段的要高。

(2) 區(qū)域發(fā)生的中強(qiáng)地震與2個(gè)研究區(qū)的b值時(shí)序曲線異常有4種關(guān)系：高值異常時(shí)發(fā)震；先高值異常，異常結(jié)束后發(fā)震；先高值異常，后低值異常，異常結(jié)束后發(fā)震；震前無(wú)異常，低值異常出現(xiàn)同時(shí)發(fā)震。在研究時(shí)段內(nèi)的震例，地震與b值的關(guān)系主要以先高值異常，異常結(jié)束后發(fā)震為主。

(3) 研究時(shí)段內(nèi)，三省交界b值異常多出現(xiàn)在震前4～18個(gè)月，大同盆地多出現(xiàn)在震前4～15個(gè)月。同一地震前，2個(gè)研究區(qū)b值時(shí)序曲線出現(xiàn)異常的起始時(shí)間較為接近，相差多在3個(gè)月以內(nèi)。

(4) 研究時(shí)段內(nèi)發(fā)生的多次大同—陽(yáng)高地震前，2個(gè)研究區(qū)的b值異常形態(tài)較一致。

山西省地震局王霞工程師為本文提供了計(jì)算程序，在此深表感謝！

[1] 陳學(xué)忠，呂曉健，王慧敏.中國(guó)大陸地震活躍期和平靜期的b值與地震趨勢(shì)研究[J].地震,2001,21(1):59-62.

[2] 蔡靜觀，許昭永.b值空間掃描圖像場(chǎng)源關(guān)系初探[J].華南地震,1999,19(1):16-21.

[3] Keilis-Borok V I,Knopoff L.Bursts of aftershock of strong earthquakes[J].Nature，1980，283(P5744)：259-263.

[4] 王 霞，宋美琴，李 麗，等.山西地區(qū)不同時(shí)段地震目錄最小完整性震級(jí)研究[J].山西地震，2014(2)：82-87.

Time variation characteristics of b Value before Regional Medium Strong Earthquakes in Datong Basin and Juncture Area of Shanxi,Hebei and Inner Mongolia

ZHANG Deng-ke

(Earthquake Administration of Datong City, Datong, Shanxi 037008, China)

By using the earthquake data in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces from 1972 to 2000, time scanning of b value is calculated by least square method. The study shows that the b value of background value in juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia provinces is between 0.263-0.861, the average value is 0.429. And the b value of background value in Datong Basin is between 0.229-0.931, the average value is 0.493. Regional medium strong earthquakes and time-sequence curve anomalies of b value in the two regions have 4 corresponding relations. Several examples in the study period indicate that the relationship of earthquake and the b value is high value anomaly before earthquake.

Juncture area of Shanxi, Hebei and Inner Mongolia; b value; Time scanning

1000-6265(2016)04-0011-05

2016-03-19；

2016-08-17

張登科(1976— )，女，山西大同市人。2005年畢業(yè)于南開(kāi)大學(xué)，工程師。

P315.6

A