福建內(nèi)陸中強(qiáng)震前b值空間掃描分析

鄭永通，全建軍，龔 薇，劉愫昀，王紹然，賴福霖

（1. 福建省地震局 龍巖地震監(jiān)測(cè)中心站, 福建 龍巖 364000；2. 福建省地震局 南平地震監(jiān)測(cè)中心站, 福建 南平 353000）

0 引言

b值是用來衡量某地區(qū)地震活動(dòng)水平的一種標(biāo)志，是反映一個(gè)地區(qū)承受平均應(yīng)力和接近強(qiáng)度極限程度的一個(gè)參數(shù)[1]。高國(guó)英認(rèn)為大震前b值異常時(shí)間長(zhǎng)短、異常量值大小與未來強(qiáng)震震級(jí)有關(guān)[2]；王筱榮等認(rèn)為b值判定預(yù)備震源1年內(nèi)是否發(fā)震正確率為75%，2年內(nèi)發(fā)震正確率為92%[3]；鄭福婉等認(rèn)為震前b值存在著不同程度的異常，其變化方式有兩種：一種是震前升高而后下降發(fā)震，一種是震前b值下降后回升時(shí)發(fā)震，多數(shù)震例屬于后者[4]。對(duì)于某個(gè)區(qū)域內(nèi)已發(fā)生的地震，通過b值空間掃描，分析該區(qū)域低b值或高b值異常，來判斷未來該區(qū)域是否存在發(fā)生強(qiáng)震或中強(qiáng)地震的可能提供依據(jù)。本文著重研究福建及其鄰近沿海地區(qū)發(fā)生中強(qiáng)地震前的b值空間掃描圖像特征，探討b值空間掃描異常區(qū)域與中強(qiáng)震之間的關(guān)系，為預(yù)測(cè)地震提供參考借鑒。

1 福建內(nèi)陸地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)概況

福建內(nèi)陸主要有3條NE-NNE向地震構(gòu)造帶，分別是：邵武-河源斷裂帶、政和-海豐斷裂帶、長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶；NW-NNW向主要有4條斷裂帶，分別是：上杭-云霄斷裂帶、九龍江斷裂帶、永安-晉江斷裂帶、閩江斷裂帶，兩組斷裂帶構(gòu)成福建內(nèi)陸縱橫交錯(cuò)的地震地質(zhì)構(gòu)造背景。據(jù)史料記載，歷史上福建內(nèi)陸僅在泉州發(fā)生一次8.0級(jí)大地震（1604年），此次地震破壞較重，分布范圍廣，有感范圍最遠(yuǎn)達(dá)1 000 km。近幾十年來，福建內(nèi)陸中強(qiáng)地震時(shí)有發(fā)生，是東南沿海中強(qiáng)震較為活躍的地區(qū)。

福建內(nèi)陸自1990年至今共發(fā)生11次ML≥4.5地震，其中最大地震為1997年5月31日發(fā)生在永安小陶的ML5.3地震。從地震發(fā)生時(shí)所處的斷裂帶來看，中強(qiáng)震主要發(fā)生在政和-海豐斷裂帶，共發(fā)生7次ML≥4.5地震；其次是長(zhǎng)樂-詔安斷裂帶，共發(fā)生4次ML≥4.5地震（圖1）。

圖1 福建內(nèi)陸主要活動(dòng)斷裂帶及地震活動(dòng)特點(diǎn)

2 b值計(jì)算

2.1 b值的定義

Gutenberg et al[5]在研究世界地震活動(dòng)時(shí)，根據(jù)全球各大地震區(qū)6級(jí)以上地震數(shù)目統(tǒng)計(jì)結(jié)果，提出地震震級(jí)與頻度的關(guān)系：

式（1）亦稱古登堡公式或G-R關(guān)系式。式中：N為震級(jí)M以上地震的頻度；a和b為統(tǒng)計(jì)常數(shù)，a表示區(qū)域內(nèi)的地震活動(dòng)水平，b值代表一個(gè)區(qū)域內(nèi)不同大小地震頻度的比例關(guān)系。b值的計(jì)算主要有線性最小二乘法、極大似然法、非線性最小二乘法、矩估計(jì)方法等4種。就計(jì)算誤差而言，極大似然法最小[6]。因此，本文b值計(jì)算方法選取極大似然法。

2.2 起算震級(jí)的選取

對(duì)范圍較大的空間區(qū)域進(jìn)行b值空間掃描計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力，并參考震級(jí)-頻度關(guān)系式確定整個(gè)研究區(qū)可使用的震級(jí)下限[7]。由于1998年之前，測(cè)震記錄信號(hào)為模擬信號(hào)，地震監(jiān)測(cè)能力比較弱，根據(jù)LgN-M圖的擬合結(jié)果來看（圖2a），起算震級(jí)可選為ML1.9。實(shí)行數(shù)字化改造后，地震監(jiān)測(cè)能力有一定的提高。根據(jù)LgN-M圖的擬合結(jié)果來看（圖2b），起算震級(jí)可選為ML1.7。綜合以上分析結(jié)果認(rèn)為，起始震級(jí)應(yīng)選取ML≥1.9。本文選取ML=2.0為起算震級(jí)，對(duì)福建內(nèi)陸進(jìn)行b值空間掃描。

圖2 福建內(nèi)陸最小完整性震級(jí)的確定

2.3 參數(shù)設(shè)定

本文研究區(qū)域?yàn)楦＝▋?nèi)陸（115°～121°E，23°～29°N），地震目錄選取福建省地震局監(jiān)測(cè)中心提供的1970年1月1日至2021年4月30日ML≥2.0地震目錄，窗長(zhǎng)設(shè)為12個(gè)月，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為1個(gè)月；緯度窗長(zhǎng)為1.0°、步長(zhǎng)為0.5°；經(jīng)度窗長(zhǎng)為1.0°、步長(zhǎng)為0.5°，分別對(duì)福建內(nèi)陸自1970年1月至今發(fā)生的11次中強(qiáng)震震前作b值空間掃描圖像。

2.4 福建內(nèi)陸中強(qiáng)震前b值空間掃描分析

從福建內(nèi)陸1990年以來ML≥4.5地震（表1）可知，福建內(nèi)陸中強(qiáng)震主要集中在1992—1999年、2007—2008年、2013年3個(gè)時(shí)段。其中1992—1999年共發(fā)生中強(qiáng)地震4次，2007—2008年共發(fā)生中強(qiáng)地震4次，2013年共發(fā)生中強(qiáng)地震3次。下面分別對(duì)以上幾個(gè)時(shí)間段發(fā)生的中強(qiáng)震震前進(jìn)行b值空間掃描分析，探討中強(qiáng)震前b值空間掃描異常特征。

表1 1990年以來ML≥4.5地震

2.4.1 1992年11月26日龍巖5.1級(jí)地震前b值空間掃描分析

從b值空間掃描結(jié)果來看，1992年11月26日龍巖發(fā)生ML5.1地震前，從1990年9月開始在震中及其附近出現(xiàn)b值異常，異常值為2.5；之后b值開始下降至1.5左右，異常持續(xù)到1991年10月后結(jié)束，異常持續(xù)時(shí)間為14個(gè)月；在異常結(jié)束12個(gè)月后發(fā)生地震（圖3）。

圖3 1990年9月至1992年11月b值空間掃描圖像

2.4.2 1994年5月24日龍巖4.8級(jí)地震前b值空間掃描分析

1994年5月24日龍巖4.8級(jí)地震前，從1993年1月開始，在震中附近出現(xiàn)b值異常，異常值為1.0，1993年5月異常值開始上升，至1993年6月，震中區(qū)b值異常值達(dá)到最大為1.4；之后開始下降，1993年7月，異常值下降至1.0；1993年8月開始，震中附近異常值消失，在異常結(jié)束9個(gè)月后發(fā)震（圖4）。

圖4 1992年12月至1994年5月b值空間掃描圖像

2.4.3 1997年5月31日永安ML5.3地震前b值空間掃描分析

1997年5月31日永安ML5.3地震前，從1996年4月開始在震中附近出現(xiàn)b值異常，異常值為1.2左右；從1997年1月開始，b值出現(xiàn)下降，1997年2月b值下降至0.6，持續(xù)到發(fā)震，異常持續(xù)時(shí)間為14個(gè)月（圖5）。

圖5 1996 年 5 月至 1997 年 5 月b 值空間掃描圖像

2.4.4 1999年2月13日永安ML4.6地震前b值空間掃描分析

1999年2月13日永安ML4.6地震前，從1997年6月開始在震中附近出現(xiàn)b值空間掃描異常，異常值為0.6左右；從1998年3月開始b值異常值上升至0.9；持續(xù)至1999年2月異常結(jié)束，異常持續(xù)時(shí)間為21個(gè)月（圖6）。

圖6 1997年6月至1999年2月b值空間掃描圖像。

2.4.5 2007—2008年，永春、順昌、古田、長(zhǎng)泰中強(qiáng)震前b值空間掃描分析

2007年8月29日永春ML4.6地震前，從2006年5月開始在震中附近出現(xiàn)b值異常，異常值為0.9；之后異常開始上升，2007年5月b值達(dá)到最大為1.5；2007年6月b值下降，震前震中異常值為0.6。2008年3月6日，古田ML4.8地震前，從2007年10月開始，在震中附近開始出現(xiàn)b值異常，異常值為0.5；異常一直持續(xù)到發(fā)震，異常持續(xù)時(shí)間為6個(gè)月，震前震中b值異常值為0.5～0.6。2008年7月5日長(zhǎng)泰ML4.7地震前，從2007年8月開始在震中附近出現(xiàn)b值異常，異常值為0.4；之后b值開始緩慢上升，2007年12月之后，異常值穩(wěn)定在0.8～0.9之間；一直持續(xù)到發(fā)震，異常持續(xù)時(shí)間為12個(gè)月（圖7）。順昌地震震前未出現(xiàn)b值異常。

圖7 2006年5月至2008年7月b值空間掃描圖像

2.4.6 2013年仙游幾次中強(qiáng)震前b值空間掃描分析

2013年仙游發(fā)生3次中強(qiáng)地震前，從2011年12月開始在震中附近開始出現(xiàn)b值異常，異常值為0.8；之后b值有升有降，異常值范圍在0.6～1.0之間。在仙游陸續(xù)發(fā)生3次中強(qiáng)震期間，異常未結(jié)束（圖8）。2013年8—10月在仙游連續(xù)發(fā)生3次中強(qiáng)震期間，b值變小，異常值僅為0.3～0.4。

圖8 2011年12月至2013年10月b值空間掃描圖像

從福建內(nèi)陸中強(qiáng)震前b值異常情況來看（表2），除2007年3月13日順昌ML4.9地震震前未出現(xiàn)b值空間掃描異常外，其余中強(qiáng)地震震前在震中或附近均出現(xiàn)b值異常，且多數(shù)中強(qiáng)震發(fā)生后，b值異常仍然存在。另外， 2013年8月—10月仙游連續(xù)發(fā)生3次中強(qiáng)地震前，異常持續(xù)時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)。

表2 福建內(nèi)陸中強(qiáng)震前b值異常情況表

3 結(jié)論

通過對(duì)1990年至今發(fā)生在福建內(nèi)陸的中強(qiáng)震震前b值空間掃描分析，得出以下結(jié)論。

1）不同的起始震級(jí)計(jì)算出的b值結(jié)果差別較大，在計(jì)算b值時(shí)，要考慮研究區(qū)域的臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力，選取適合本區(qū)域的起算震級(jí)來計(jì)算b值。

2）1990年至今，發(fā)生在福建內(nèi)陸的中強(qiáng)震震前絕大多數(shù)地震存在b值空間掃描異常，且大部分異常一直持續(xù)到發(fā)震仍然存在。震前b值異常變化有3種形式，即上升、下降或上升-下降交替變化。異常持續(xù)時(shí)間往往與異常范圍1～2年內(nèi)發(fā)生中強(qiáng)震的次數(shù)有關(guān)，若異常范圍內(nèi)發(fā)生的中強(qiáng)震次數(shù)越多，則異常持續(xù)時(shí)間也越長(zhǎng)。

3）當(dāng)某一區(qū)域出現(xiàn)b值空間掃描異常時(shí)，要注意該區(qū)有可能發(fā)生中強(qiáng)地震。由于有些中強(qiáng)震發(fā)生前b值異常已結(jié)束，有些中強(qiáng)震發(fā)生前b值異常仍然存在，所以對(duì)發(fā)震時(shí)間的預(yù)測(cè)，要參考其他前兆儀器的觀測(cè)資料分析結(jié)果來進(jìn)行綜合判定。