扎蘭屯地區測震學指標分析

高 源，張 帆，王 鑫，張 輝

(1.東勝地震臺，內蒙古 鄂爾多斯 017000；2.內蒙古自治區地震局，內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

地震預測在防震減災工作中具有重要作用，地震活動圖像和地震目錄的統計分析是目前我國地震活動研判的主要手段之一。空區、條帶、b值、地震矩加速釋放現象、PI算法等已在實際工作中取得一定的研究成果，表明地震活動性資料中蘊含著一定的震兆信息。

扎蘭屯地區處于大興安嶺隆起北段，大興安嶺隆起帶為內蒙古東部地區主要構造，走向NEE，新構造期以來，大興安嶺北段構造運動表現為隆升背景下的差異性活動[1]，是內蒙古東部地區中小地震活動性較高的區域。此區域是NNE向的大興安嶺主脊斷裂和多條NW向斷裂交匯處，歷史上發生過1956年扎蘭屯5.3級、1980年和1981年博克圖5.6級和5.1級、2008年鄂倫春自治旗5.2級等多次5級以上地震，具有5級以上地震的發震背景，其地震獲得的起伏變化受到關注。韓曉明等[2]對扎蘭屯地區b值的時空計算結果顯示，區域b值變化范圍為0.4～1.8，b值分布的優勢范圍為0.9～1.4，低b值區域位于阿倫河斷裂中北段，即扎蘭屯與阿榮旗交界地區，b值大致分布在0.5～0.7，表明此區域地殼介質處于高水平應力積累狀態。張暉等[3]對內蒙古東部地區波速比的分析發現，內蒙古東部地區在中等地震前后波速比時間變化存在顯著異常，符合“下降一低值一恢復一發震”的規律且存在震后異常期的變化；在對此區域波速比繪制空間等值線后，發現此區域波速比高值主要是沿著大興安嶺分布，其空間分布基本呈現東低西高、北低南高的態勢。

1 數據資料

文章選用內蒙古地震臺網2008年至2017年的觀測資料，選取扎蘭屯地區(44°～52°N,118°～124°E)包含的1 764條地震。地震在空間上覆蓋研究區域，分布較不均勻，大興安嶺山脊地區中小地震較為活躍(見第2頁圖1)。

2 b值分析

地震活動性參數b值是震級-頻度經驗關系(簡稱G-R關系)中的系數[4]：

lgN=a-bM，

式中：M為震級；N為震級M≥Mc(最小完整性震級)的地震累積頻度；a、b為常數，與區域結構特征有關。

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。b值與其所對應的區域應力狀態、地殼破裂強度有關,不同的地震區或帶有不同的震級—頻度關系,即具有不同的b值。b值時間變化與構造應力的加載過程有關，b值“持續降低-快速回升”反映了構造應力作用下局部介質從“彈性變形-應變弱化”過程的轉變。

常用的b值估算方法包括極大似然法和最小二乘法。最大似然法計算簡便，不受個別較大地震的影響，對所有地震的震級用同樣的權重求平均，就相當于給數量眾多的小地震信息加權，一定程度上排除了因個別較大地震的發生引起的b值突然變化。因此，文章選用最大似然法計算b值。

圖1 扎蘭屯地區地震分布圖Fig.1 The distribution of earthquakes in Zhalantun area

若Ni服從泊松分布，考慮到對數概率分布和最大真值原理，宇津德治提出最大似然估計b值[5]：

(1)

(2)

b值搜索半徑r的設置應該與地震數據的集中分

布程度相當，才可能使掃描得到的b值更加可靠，由于中小地震分布的集中程度具有一定的不均勻性，其大小值有所差別。一般情況下，r取值較小時，結果較可靠；r值越大，所求取的b值涉及的范圍越大，但是b值參數間的細微差異變化不突出[6]。參考已有的研究經驗[7]，文章在時空掃描中按0.2°×0.2°劃分格點，每個格點使用半徑0.5°范圍內，在標的時間點之前10年間的地震事件計算，最小地震數設置為30。

使用1點步長，20點滑動，應用最大似然法和最小二乘法，分析扎蘭屯地區b值的時序特征，兩種方法結果比較一致。從空間分布圖2所示，額爾古納和阿榮旗地區為低b值區域。

圖2 扎蘭屯地區b值空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of b value in Zhalantun area

使用最大似然法和最小二乘法分析研究區域b值隨時間的變化時序圖表明，2008年鄂倫春自治旗Ms5.2地震前，扎蘭屯地區b值呈現先升高后降低的變化，2013年莫力達瓦5.0級地震前也有此現象，目前在均值附近波動(見圖3)。

圖3 扎蘭屯及交界地區b值時序圖Fig.3 Time sequence of b value in Zhalantun and its border area

為評估b值空間掃描地震的預測效果，繪制內蒙古東部中強地震前5年的b值空間分布圖(見圖4)，結果顯示2004年3月24日東烏珠穆沁旗5.9級、2008年6月10日鄂倫春自治旗5.2級、2013年4月22日科左后旗5.3級和2013年10月31日吉林前郭5.7級4次地震均發生在低b值區域，表明低b值具有一定的震兆意義。

圖4 b值震例回溯Fig.4 The earthquake case backtracking of b value

3 波速比分析

地震波是探測地球內部信息的主要來源和途徑,觀測區地殼介質存在各向異性,導致各地波速也不一致。地震波速和波速比的研究早在20世紀50年代初提出，到70年代,國外學者開始開展地震孕育物理模式的研究,其中研究較多的是膨脹-擴散模式。馮德益等[8]總結出在地殼演化過程中介質的物理性狀將產生一系列變化,如出現微破裂、擴容,地震波通過地殼介質時,波速也會相應發生變化。多臺和達法由和達清夫提出,在假定震源區到地表為理想均勻彈性介質的條件下,縱波速度VP、橫波速度VS與介質泊松比σ、楊氏模量E和介質密度ρ之間的關系。單臺多震和達法[8]是用多次地震事件由單臺記錄的平均波速比，表征在多次地震發生時段內,多次地震震源至某個固定臺站一定范圍內的平均波速比。此方法在大量中小地震頻發和臺站分布相對密集的地區應用較為有效。

運用扎蘭屯地區(120°～124°E，46°～51°N)2008年7月至2017年4月的地震觀測報告，選取4個臺以上記錄的地震，使用多臺單震和達法計算波速比，繪制平均波速比的時序圖和空間分布圖。

空間分布圖5所示，牙克石一帶為波速比低值區域，波速比在空間上表現出橫向不均勻性，特征為西北側高、東南側低。

第4頁時序圖6所示，2008年7月至2017年4月，牙克石-扎蘭屯波速比在1.5～2.0之間變化，平均波速比維持在1.6～1.8。波速變化比較平穩，在均值線附近波動。

圖5 扎蘭屯地區平均波速比空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of average wave velocity ratio in Zhalantun area

根據已有研究，內蒙古東部4次中強地震前的波速比異常持續時間長短不同,持續時段從1～6個月到1～2年不等,可以把波速異常作為地震發生的中期和短期指標。

使用單臺多震波速比方法計算牙克石-扎蘭屯地震的單臺波速比(見第4頁圖7)，結果顯示，位于叢集相同方向的臺站單臺波速比有相似的變化，GNH、HLR和MDG三個臺站的單臺波速比表現為2010至2014年下降、2014至2015年回升、2015至2017年下降；ZLT、CHR和HJT三個臺站的波速比在2012年上半年出現下降后回升。相近臺站波速比的相似性驗證了波速比結果的可靠性；不同方位臺站波速比變化的差異，反映出波速比的橫向不均勻性和各向異性。

圖6 扎蘭屯地區平均波速時序圖Fig.6 Time sequence of average wave velocity in Zhalantun area

圖7 扎蘭屯地震叢集單臺波速比Fig.7 Single wave velocity ratio of seismic cluster in Zhalantun area

4 結論和討論

(1) 運用內蒙古地震臺網觀測資料，對扎蘭屯地區的b值、波速比分析，探討地震活動性特征和測震學指標的震兆意義。

(2) 用最小二乘法對扎蘭屯地區b值進行空間掃描，結果顯示額爾古納和阿榮旗地區為低b值區域。

(3) 用最大似然法和最小二乘法，分析扎蘭屯地區b值的時序特征，兩種方法結果較一致。額爾古納和阿榮旗地區為低b值區域,2008年鄂倫春自治旗Ms5.2地震前，扎蘭屯地區b值呈現升高后降低的變化。2014至2017年上半年b值呈緩慢上升趨勢。

(4) 使用多臺單震和達法計算波速比，繪制平均波速比的時序圖和空間分布圖，牙克石一帶為波速比低值區域，波速比在空間上表現出橫向不均勻性，特征為西北側高、東南側低。

(5) 使用單臺多震波速比方法計算牙克石-扎蘭屯地震的單臺波速比，相近臺站波速比的相似性驗證了波速比結果的可靠性，不同方位臺站波速比變化的差異反映了波速比的橫向不均勻性和各向異性。