2016年1月9日懷來震群精細分析

岳曉媛 武安緒 胡樂銀 馮 剛

（中國北京100080北京市地震局）

2016年1月9日懷來震群精細分析

岳曉媛 武安緒 胡樂銀 馮 剛

（中國北京100080北京市地震局）

2016年1月9日河北省懷來縣發生ML3.4震群，據歷史記載，該區曾發生多次MS5以上地震，地震活動強烈。為了進一步判斷該區后續地震活動趨勢，采取地震序列、視應力及波速比方法，對此次震群進行精細分析，結果表明，此次震群為非前兆震群，應力水平較低。

懷來震群；精細分析；活動趨勢

0 引言

眾所周知，震群活動可以反映周邊區域應力場變化，當區域構造應力增強時，在介質薄弱部位會發生顯著地震或震群活動。中國較早采用傳統方法分析震群活動，如：柯龍生等（1977）將較大地震的前震資料與巖石破裂、波速異常等實驗和觀測資料作對比，研究了前震序列的活動規律及與一般小震群的區別；劉正榮等（1979，1984，1986）在研究有前震的地震預報問題時，給出計算地震頻度衰減系數h值，并據此進行序列類型判斷的方法；王振聲等（1984a）利用應力強度因子對山西帶小震群的活動特征進行分析以利區別；朱傳鎮等（1989）對如何判定前兆震群提出了歸一化熵值K；林邦慧等（1994）研究了b、U、K等判別前震序列與前兆震群、非前兆震群的方法；郭大慶等（1998）開展了地震序列類型特征的研究。隨著數字地震學的發展，越來越多的地震學者采用數字地震學方法開展序列研究工作，如：劉紅桂等（2006）利用云南地區地震序列中的地震視應力識別序列的前兆表現；張小濤等（2006）通過對九江—瑞昌地震序列的波速比特征研究，提取了一定震兆信息；Yang Xin（2008）對1997—2003年新疆—巴楚強震群活動判別性質和指標進行了系統研究；曹鳳娟等（2015）計算1999年岫巖地震序列的地震視應力，分析了震源區介質的破裂狀態。

目前，在測震學分析預報工作中，越來越注重將傳統方法與數字地震學方法相結合進行分析研究，首先對地震的發震構造、序列時空分布特征、序列參數、序列類型進行分析，然后應用震源機制解、地震精定位、視應力或應力降等數字地震學方法對后續預測等進行分析，最后對地震危險性進行綜合判斷。因此，將多種方法相結合比單一方法更具有預測意義。本文采用地震序列、地震視應力及地震波速比方法，對2016年1月9日懷來ML3.4震群進行精細分析，即將傳統方法和數字地震學方法相結合，綜合分析此次震群活動對所屬分區及周邊地區的后續地震活動趨勢。

1 震群背景

2016年1月9日在河北懷來縣境內（40.48°N，115.57°E）發生ML3.4震群活動，距北京僅17 km。此次震群活動持續時間長、地震頻次高，在所屬震型分區（懷來、赤城、宣化地區）內活動顯著。所屬震型分區（懷來、赤城、宣化地區）位于山西斷陷東北部，包括部分延懷盆地，發育的活動斷裂主要有NE走向的懷涿盆地西北緣斷裂、NE走向的延礬盆地西北緣斷裂及NW 走向的新保安—沙城斷裂（圖1）。該區地震活動強烈，有歷史記錄以來共發生MS5以上地震7次，其中MS6.5以上地震2次，最大為1720年7月12日懷來MS6.8地震，最近1次顯著地震為2014年9月6日涿鹿MS4.3地震，最近1次顯著震群為2002年8月3日河北懷來MS3.9震群。

據中國小震正式目錄統計，2016年懷來震群共發生地震181次，其中ML0.0—0.9地震155次，ML1.0—1.9地震28次，ML2.0—2.9地震2次，ML3.0—3.9地震1次，最大地震震級為ML3.4。此次懷來震群序列M—T圖見圖2，可見此次震群具有頻次高、持續時間長、“密集—平靜”等特點。

圖1 懷來震群及周邊斷裂分布Fig.1 Distribution of Huailai earthquake swarm and fractures surrounding the swarm

圖2 2016年1月懷來震群M—TFig.2M—Tdiagram of Huailai earthquake swarm

2 震群前兆性質識別

震群性質一般采用常規統計特征進行識別，主要根據U、K、ρ、h和b等具有一定物理意義的參數，判定震群的前兆性質。據圖2顯示，懷來震群地震密集時間為1月9日—25日，1月25日后震群逐漸衰減至正常活動水平，意味著震群活動基本結束。在此采用h值、b值及U—K—ρ組合判定此次懷來震群前兆性質。

（1）h值。通常認為，h≤1時，所發生的地震序列為前震序列；h＞1時，一般為余震序列。通過計算，此次懷來震群序列的h值為1.1，認為該序列為主余型序列的可能性較大（圖3）。

（2）b值。b值是震級和頻度關系式中的比例系數，代表一定區域內不同大小地震頻數的比例關系，是表示序列特征的一個重要參數，古登堡等認為參數b對于各個地區具有不同的數值。一般認為，當序列處于前震狀態時，介質所受到的構造應力較強，b值隨之降低，據此判斷該序列是否為前震序列，此結論已被眾多地震學者的震例研究所驗證。此次震群b值為1.02，與所屬震型分區的背景b值相差不大，震群序列不屬于前震序列，為正常的序列衰減（圖3）。

（3）U—K—ρ組合。利用多項指標判定前兆震群的效果一般優于單項指標。U值表征震群序列釋放應變能的方式，稱為能量釋放度；K值表征震群中地震能量分布的均勻度；ρ值表征序列在時間上的叢集程度。通過計算，此次震群U=0.4535，小于0.5，為非前兆震群；ρ=0.4842，小于0.55，為前兆震群；k=0.0782，小于0.7，為非前兆震群。

圖3 懷來震群h值和b值Fig.3 Thehvalue andbvalue of Huailai earthquake swarm

由懷來震群的序列活動特征及序列常規統計參數計算結果表明，本次震群不具有前震序列特征，為前震序列的可能性不大，判定為非典型前兆震群。

3 視應力分析

一次地震的孕育可能伴隨著地殼應力變化，分析研究與地殼應力有關的地震參數變化特征，可以得到地殼應力的變化信息，加強對地震發震機理的認識，為地震預測研究提供依據。曹鳳娟等（2005）、秦嘉政等（2006）、李艷娥等（2007）、梁向軍等（2014）、康建紅等（2016）對視應力在震前的變化特征進行相關分析，發現震前視應力有顯著升高過程并伴有高值異常。

3.1 樣本選取

選用首都圈數字遙測地震臺網地震波形資料，利用近震源Brune模式，計算此次懷來震群序列ML1.0以上地震視應力值。為保證計算結果的精度和可靠性，對樣本數據進行以下限制：①選取震中距150 km以內的地震臺波形記錄；②為了保證樣本量充足，要求至少16個地震臺參與計算。同時，因地震波輻射存在方向性效應，為避免因臺站非均勻分布而可能產生的誤差，選擇的地震臺站盡量分布均勻，且較好包圍地震；③選取信噪比較高、記錄較清晰的波形數據。

為驗證所選地震是否滿足上述限制條件，繪制震源參數地震能量和地震矩與震級的線性關系圖，見圖4。由圖可見，地震能量和地震矩與震級之間的線性關系較好，相對系數較高，分別為0.82和0.83，由此增加了計算結果的可靠性。

圖4 震源參數與震級關系(a) 地震能量與震級之間的關系； (b) 地震矩與震級之間的關系Fig.4 The relation between the source parameter and magnitude

3.2 視應力特征

計算懷來震群樣本視應力，并繪制首都圈地區3.0≤ML＜4.0地震視應力分布圖（其中灰色方塊為懷來主震視應力值），與此次懷來震群ML3.4主震視應力進行對比，發現此次主震視應力為0.736 MPa，與同震級視應力值相比偏低（圖5）。懷來震群ML1.0以上地震視應力時序曲線見圖6(a)，可見ML3.4主震發生后，后續地震視應力值快速降低，未出現高值起伏，保持平穩低值變化，客觀反映了震源區的應力得到一定釋放，并趨于穩定。

計算2002年以來此次懷來震群附近區域（39.5°—42°N，114°—117°E）發生的小震視應力值，時序曲線見圖6(b)，圖中灰色曲線為視應力原始曲線，黑色曲線為視應力平滑曲線，黑色虛線為異常閾值），可見2002年以來，5次中等地震前有4次（蔚縣、大同、陽高和涿鹿地震）地震出現顯著的高值異常，異常形態為下降—低值—（回升）發震，涿鹿地震后該地區視應力一直處于高值水平，此次2016年1月懷來震群并未抬高研究區域整體的應力水平。

圖5 首都圈地區3.0≤ML＜4.0地震視應力Fig.5 Apparent stress of earthquake with magnitude 3.0≤ML＜4.0 in Capital circle

圖6 懷來震群及附近區域視應力時序變化曲線Fig.6 Changes in apparent stress of Huailai earthquake swarm and nearby regions with time

4 波速比分析

在地震孕育過程中，震源區及附近介質會發生如微破裂、擴容、塑性硬化及相變等變化，從而使通過的地震波速度也發生改變，因此，研究波速異常變化可以得到震源區介質物理狀態改變的信息，即地震前兆信息，是波速異常用來作為地震預測方法的物理基礎。中國學者對地震波速比的研究工作始于20世紀70年代，并取得大量研究成果，如光春云等（1994）、王林瑛等（2008）、李永莉等（2009）、韓曉明等（2015）進行波速比研究，認為震前震源區附近區域波速比有顯著下降并出現低值異常過程。

4.1 數據可靠性

采用多臺和達法，利用首都圈地區高精度、高密度的數字地震資料，分析懷來震群及附近區域（39.5°—42°N，114°—117°E）波速比的時序變化（5點滑動），以期為該地區地震危險性分析提供依據。限制條件如下：①計算結果的誤差與地震臺站數目多少密切相關（張學民等，2007），要求對1次地震事件至少有4個臺站參與計算；②鑒于首都圈地區臺站分布比較密集，設定S波、P波到時差范圍為0—20 s；③相關系數R≥0.97；④計算誤差γ≤0.05。

為驗證所選震群地震數據是否滿足上述限制條件，繪制參與波速比計算的數據信度分析圖，見圖7，其中圖7(a)為計算波速比均值的相關系數與對應地震次數統計，可知波速比相關系數R＞0.97的比例達97%；圖7(b)為計算誤差統計圖，其中γ≤0.05的占88%。由圖7可知，所選震群數據滿足以上對擬合數據的限制，既提高波速比計算結果的實際精度，又保證了分析結果的可靠性。

圖7 計算數據信度分析(a) 相關系數與地震次數統計； (b) 計算誤差與地震次數統計Fig.7 Computed data reliability analysis

4.2 結果分析

經計算得到懷來震群及附近區域2002年以來地震（5次ML4.0以上地震）波速比結果，時序曲線見圖8，圖8(b)中圖中灰色曲線為波速比原始曲線，黑色曲線為波速比平滑曲線，黑色虛線為異常閾值）。由計算結果可知，該震群波速比均值為1.717，與趙明淳等（2005）計算的首都圈地區平均波速比結果接近，均略低于線彈性體的波速比值1.73。由圖8(a)可見，懷來ML3.4主震發生后，序列波速比未出現趨勢性下降，基本在均值以上波動，偶爾出現的幾個單點低值作為異常并不可靠。此次懷來震群未出現持續的低值異常，反映了震源區的介質狀態比較穩定。由圖8(b)可見，蔚縣ML4.0、大同ML5.0和陽高ML4.1地震前，波速比均出現顯著下降變化并形成低值異常，異常形態為下降—低值—（回升）發震，懷來震群發生后懷來震群及附近區域地震波速比曲線尚未出低值異常。

圖8 懷來震群及附近區域波速比時序曲線(a)懷來震群； (b)附近區域Fig.8 Temporal curve of velocity ratio (vP/vS) in Huailai earthquake swarm and nearby regions

5 結論

本文采取傳統和數字地震學相結合的方法，對2016年1月9日懷來ML3.4震群序列活動進行精細分析，得出以下結論：①序列參數計算顯示，本次震群為前震序列的可能性不大；②常規統計特征識別認為，震群為非典型前兆震群；③懷來ML3.4主震相對同震級地震視應力水平低，屬于低應力釋放；懷來震群附近區域高應力水平是背景應力狀態，此次震群并未抬高懷來震群附近區域應力水平；④震群本身波速比變化較平穩，所在區域地震波速比也尚為出現顯著低值異常。

感謝中國地震局地球物理研究所陳學忠研究小組為本研究提供視應力計算程序。

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Precise analysis of Huailai earthquake swarm on Jan.9, 2016

Yue Xiaoyuan，Wu Anxu，Hu Leyin and Feng Gang
(Earthquake Administration of Beijing Municipality,Beijing100080,China)

On January 9th, 2016, anML3.1 earthquake occurred on Huailai County of Hebei Province.The area is an active area for earthquakes, where many earthquakes of magnitude greater thanMS5 have been recorded in history, to further judge earthquake activity trend in the future, the earthquake swarm is precise analyzed on earthquake sequence, seismic activity, apparent stress and velocity ratio.The result shows that, the earthquake swarm was not a precursory one, the stress level was low.

Huailai earthquake swarm，precise analysis，activity trend

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.002

岳曉媛（1981—），女，工程師，主要從事地震活動性、數字地震研究工作。E-mail： yxy@bjseis.gov.cn

北京市地震局科技項目青年專項

本文收到日期：2016-03-30