河北及鄰區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 050021

0 引言

地震波攜帶了地球內部的大量信息。在地震的孕育過程中，孕震區介質的物理狀態會產生一系列變化，如發生微破裂、擴容、塑性硬化及相變等，地震波通過震源區時，波速也會發生變化，這是利用波速比異常預測地震的重要依據（馮德益，1981）。

1956年日本地震學家早川正已（李善邦，1981）首次發現震前波速比異常現象，隨后各國學者（Semenov et al，1969；Kanamori et al，1976）對波速比異常現象進行研究并發現了一些地震的波速比異常實例，為解釋其變化機理，Nur等（1972）提出“擴容-流體擴散”模式解釋波速比變化過程。但是一些學者（McEvilly et al，1974；Mogi et al，1985）也提出了相互矛盾的結果。近年來，隨著觀測條件的顯著改善和新技術方法的引入，地震數據精度不斷提高，對中強地震前后波速比變化現象和特征的研究又引起了廣泛關注（Nakamura et al，2002）。其中，可控震源實驗表明地殼內確實發生了可測的波速變化（Korneev et al，2000），而利用“重復地震”的震相延遲時間變化也得到了一些強震前震源區明顯的波速比變化（Schaff et al，2004）資料。在我國，不同學者對波速比也開展了廣泛研究與討論，得到了不同區域中強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）并對波速比異常給予了肯定。

1 研究內容與方法

1.1 研究區的選擇

河北地區地質構造復雜，區內主要包括張家口-渤海地震帶與河北平原地震帶，近年來隨著河北地震臺網建設的不斷完善，地震數據的精度不斷提高，為本研究提供了高質量的數據資料。本文將研究區域分為 4部分（圖1），分別為晉冀蒙地區（38.5°～41.5°N，113°～115.5°E）、京津地區（38.5°～41.5°N，115.5°～117.5°E）、唐山地區（39°～41°N，117.5°～119.5°E）以及河北南部地區（35.5°～38.5°N，113°～116°E），通過分析這 4個地區地震波速比的時序變化特征，討論其與中強地震之間可能存在的關系。

圖1 研究區地震震中分布

1.2 應用和達法計算波速比

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為觀測臺站總數，Tpi和T（S-P）i分別為第i臺站的P波觀測到時以及S波、P波到時差。

多臺觀測可用最小二乘擬合求K，K為和達直線的斜率，故波速比可表示為

其誤差為

其中，T′（S－P）i是理論計算值。相關系數的計算公式為

2 數據處理

本文搜集并整理了河北省地震臺網2006～2016年2月的地震數據，選擇最少有4個臺站記錄到的、到時差≤20s的地震走時數據，利用多臺和達法計算波速比，為提高波速比的計算精度及穩定性，擇其相關系數大于 0.98，誤差小于 0.05的 8033個地震波速比數據（圖 2（a）），這些數據基本為 1.65～1.75，均值為 1.708，震級ML＝1.0～2.0，波速比與震級之間沒有明顯的對應關系（圖2（b））；計算結果的精度與所選臺站個數有關，臺站越多，波速比的離散程度越小；2006～2009年波速比的相關系數有一定波動，2009年之后相關系數較好。

圖2 波速比與震級、臺站個數、相關系數的關系

3 結果分析

對唐山地區的波速比滑動曲線的分析如下，對另外3個分區按照同樣的思路進行。

3.1 唐山地區的波速比變化特征

1976年唐山發生7.8級地震，1995年以后無5級以上地震，目前唐山老震區的余震處于晚期（王想等，2012），自 2006年以來該區 4級以上地震呈現兩年準周期的活動韻律。圖3（a）為唐山地區波速比數據的原始曲線，無明顯變化。滑動平均是對動態觀測數據序列進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量結果，也可濾掉頻繁的隨機誤差。用不同窗口對波速比數據作滑動平均，若窗口太大則可能過濾掉太多有效信息，若窗口太小則得不到較為平滑的結果，通過多次實驗最終確定對ML≥1.0的地震的波速比用 30點滑動平均（圖3（b）），對ML≥1.5的地震波速比用 20點滑動平均（圖 3（c）），對ML≥2.0的地震波速比用 10點滑動平均（圖 3（d））。

圖3 唐山地區不同震級的波速比時序曲線

馮德益（1981）提出波速比異常變化的全過程：地震波速比一般先下降然后回升，當再次達到或略超過初始值后就發生主震，震后還有一個不穩定的變化期。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）也表明震前震源區附近波速比出現類似變化過程。按照這個異常判定標準對唐山地區不同震級波速比滑動曲線進行定性討論，可以發現在唐山地區ML4.0以上地震發生前該區的波速比大都出現了下降-低值-恢復的變化過程。2008年3月11日河北盧龍發生ML4.4地震，該區ML≥1.0、M≥1.5，M≥2.0地震波速比滑動曲線在地震前均出現明顯的下降-低值-恢復變化形態，持續時間半年左右，最終在低值回升階段發震；2010年3月6日該區發生灤縣ML4.8以及4月9日豐南ML4.6地震，其ML≥1.0、ML≥2.0地震波速比滑動曲線在地震前沒有出現明顯低值異常，但ML≥1.5地震波速比滑動曲線在震前一年出現下降-低值變化，恢復一段時間后發生上述地震；2012年5月28日該區發生唐山ML5.1及6月18日寶坻ML4.5地震，ML≥1.0、M≥1.5，M≥2.0地震波速比滑動曲線在震前均出現下降-低值變化，尤其是ML≥1.5和ML≥2.0地震波速比滑動曲線低值異常明顯，地震發生后低值恢復；2014年10月14日該區發生灤縣ML4.0地震，其ML≥1.0及ML≥2.0地震波速比滑動曲線沒有出現明顯的波速比異常，但是ML≥1.5地震波速比滑動曲線表現出明顯下降，在低值持續的過程中發生該次地震，隨后波速比滑動曲線恢復到均值線附近；2015年9月14日該區發生昌黎ML4.7以及11月28日豐南ML4.0地震，其ML≥1.0、M≥1.5、M≥2.0地震波速比滑動曲線在地震發生半年前均出現下降-低值-恢復變化。從對波速比滑動曲線的定性分析可見唐山地區自2006年以來的幾次中等地震發生前波速比滑動曲線的確存在一定的異常形態，尤其是ML≥1.5地震波速比滑動曲線在這些中等地震發生前變化明顯。

上面對不同震級檔的地震波速比滑動平均曲線與唐山地區ML4.0地震的關系進行了定性討論，下文嘗試對其進行定量分析。由于該區ML≥1.5地震波速比與中強地震對應關系較好，因此著重討論ML≥1.5地震波速比異常的預報效能。選取唐山地區的波速比平均值1.708作為標準，波速比滑動曲線異常判定指標為：①異常從波速比均值附近開始下降；②異常持續時間超過3個月；③異常下降幅度超過0.010；④異常回升到均值線附近結束。由于唐山地區不同震級的滑動均值曲線在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，因為沒有2006年之前的波速比數據無法得出該次低值的持續時間，因此在統計定量異常時不予統計。按照以上限定條件統計唐山地區ML≥1.5的地震波速比滑動均值共出現4次異常（表1），異常持續時間大多在3～6個月，其中有3次異常出現后發生ML4.0以上地震，沒有發現波速比持續時間及異常幅度與地震大小明顯相關，有2次地震發生在在波速比呈低值期間，有一次地震在異常結束后4個月發生，對應率為75%，結果是置信水平為97.5%的預報效能R（許紹燮，1989）為0.55，總之該區波速比滑動曲線對中等以上地震有一定反映能力。

3.2 其他分區的波速比變化特征

下面按照對唐山地區波速比的分析思路對河北地區的其他3個分區進行研究，略去對各個分區不同震級波速比異常的定性研究，結合每個分區的特點重點分析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及相鄰區域的波速比異常判定標準。

3.2.1 京津地區的波速比變化特征

該區位于北京坳陷與大興隆起間，曾發生1679年三河-平谷8級大震，最近的地震為2006年7月4日文安5.1級地震，王林瑛等（2008）通過對首都圈波速比研究得出文安地震前附近地區波速比有異常反應，2006年該區的波速比滑動平均值明顯偏低（圖4），由于缺少對文安地震前的較長時間段的波速比跟蹤分析，因此對2006年的低值異常不予統計。按照唐山地區波速比異常的判定標準，自2006年至今北京地區的波速比無明顯異常。2012年8月26日的天津寶坻ML4.0地震屬于2012年6月18日天津市寶坻區與河北省玉田縣交界ML4.5地震的余震活動，該地震位于京津地區邊緣，屬唐山大地震的晚期余震活動。由于波速比滑動均值來自京津地區地震的震相數據，但其孕震區可能不在京津而在唐山地區（圖3（c）），所以京津地區的波速比未出現明顯異常。

表1 唐山地區波速比異常統計

圖4 京津地區M L≥1.5地震的V P/V S 20點滑動平均曲線

3.2.2 晉冀蒙地區波速比的變化特征

該區位于山西地震帶與張渤地震帶的交匯部位，構造復雜，1998年1月10日張北6.2級地震前京西北地區出現明顯低值異常（劉繼祿，2000）。定性看該區ML≥1.5地震波速比滑動曲線在2015年9月6日涿鹿地震前出現下降-低值-回升的異常形態。若進行定量分析（表2），則可看出有3次異常，未對應中等地震；但是從表2也可看出山西大同地震及河北涿鹿地震發生前該區均出現3個月左右的波速比低值異常，下降幅度分別為0.0777和0.0078，只是未達到異常判定標準的0.01故未被判定為異常，這說明依唐山地區的地震資料統計出來的異常定量標準（前文所述的①、②和④）是適用的，而并不適用于晉冀蒙地區（③），若把異常判定標準的“③異常下降幅度超過0.010”中的下降幅度適當的降低到0.007，則該區波速比的對應率為0.4，預報效能R為0.15。

3.2.3 河北省南部地震的波速比變化特征

河北省南部地區自2006年以來中等地震活動均集中在河南范縣，在這幾次地震發生前該區ML≥1.5地震波速比滑動均值曲線從形態上均表現出下降-低值的異常。若進行定量分析（表3），則可看出有1次異常，其后半年內無ML4.0以上地震。但從表3也可看出在2010年、2014年、2015年該區均出現了持續4～5個月波速比低值，其低值的最大降幅在0.006～0.007之間，在低值結束后2～5個月的時間內河南范縣發生ML4以上地震。因此若把異常定量標準的下降幅度設定為0.006，則該區的地震對應率將大大提高，地震對應率為0.6，R值為 0.35。

表2 晉冀蒙地區波速比異常統計

圖5 晉冀蒙地區M L≥1.5地震的V P/V S 20點滑動平均曲線

表3 河北南部地區波速比異常統計

圖6 河北南部地區M L≥1.5地震的V P/V S 20點滑動平均曲線

4 結論

本文通過和達法計算唐山地區的波速比數據，用不同窗長滑動得到不同震級的波速比時序動態演化曲線。減小了隨機誤差，得到較為平滑的結果，但是窗口的選擇至關重要，若窗口太大則會過濾掉很多的有效信息，對細節的反映有所欠缺；若窗口過小，雖然對動態變化的細節反映更加靈敏，但是對趨勢表征不明顯。通過對地震前不同震級檔波速比曲線的形態特征進行分析，發現在大部分中等地震發生前唐山地區的波速比表現出下降-低值的異常形態，其中ML≥1.5地震波速比滑動曲線在地震前其異常形態表現的更為明顯。通過對唐山地區的ML≥1.5地震的波速比曲線與中等地震關系的定性討論，提出了該區波速比異常判定的4個定量標準，即：①波速比異常是波速比自其均值線附近開始下降；②異常持續時間超過3個月；③異常下降幅度超過0.010；④異常回升到均值線附近結束。這4個標準中的①和②為異常的開始和持續時間，③為異常下降幅度標準，④提供了異常結束的判定方法。通過分析可知對應地震多在異常持續期間或者異常結束半年內發生，其對應率為75%，R值為0.55，這表明唐山地區的波速比異常是有一定信度的中短期指標。在把唐山地區波速比異常定量標準應用于河北省的其他3個分區的時候，異常標準的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。和達法計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的橫向不均勻性的局限產生的，本文的研究結果為特定區域限定條件內的波速比滑動平均的結果，忽略了更小范圍的局部區域介質的各向異性；同時不同研究區域地質構造以及地震活動性不同，地震活動頻繁的區域其波速比數據多，其滑動曲線能夠實時的、更加真實的反映該區波速比的變化特征，相反地震活動較弱則波速比數據少，其滑動曲線則不能實時的反映該區的波速比變化特征。

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