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(hào) 050021
地震波攜帶了地球內(nèi)部的大量信息。在地震的孕育過(guò)程中,孕震區(qū)介質(zhì)的物理狀態(tài)會(huì)產(chǎn)生一系列變化,如發(fā)生微破裂、擴(kuò)容、塑性硬化及相變等,地震波通過(guò)震源區(qū)時(shí),波速也會(huì)發(fā)生變化,這是利用波速比異常預(yù)測(cè)地震的重要依據(jù)(馮德益,1981)。
1956年日本地震學(xué)家早川正已(李善邦,1981)首次發(fā)現(xiàn)震前波速比異?,F(xiàn)象,隨后各國(guó)學(xué)者(Semenov et al,1969;Kanamori et al,1976)對(duì)波速比異?,F(xiàn)象進(jìn)行研究并發(fā)現(xiàn)了一些地震的波速比異常實(shí)例,為解釋其變化機(jī)理,Nur等(1972)提出“擴(kuò)容-流體擴(kuò)散”模式解釋波速比變化過(guò)程。但是一些學(xué)者(McEvilly et al,1974;Mogi et al,1985)也提出了相互矛盾的結(jié)果。近年來(lái),隨著觀測(cè)條件的顯著改善和新技術(shù)方法的引入,地震數(shù)據(jù)精度不斷提高,對(duì)中強(qiáng)地震前后波速比變化現(xiàn)象和特征的研究又引起了廣泛關(guān)注(Nakamura et al,2002)。其中,可控震源實(shí)驗(yàn)表明地殼內(nèi)確實(shí)發(fā)生了可測(cè)的波速變化(Korneev et al,2000),而利用“重復(fù)地震”的震相延遲時(shí)間變化也得到了一些強(qiáng)震前震源區(qū)明顯的波速比變化(Schaff et al,2004)資料。在我國(guó),不同學(xué)者對(duì)波速比也開(kāi)展了廣泛研究與討論,得到了不同區(qū)域中強(qiáng)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(duì)波速比異常給予了肯定。
河北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,區(qū)內(nèi)主要包括張家口-渤海地震帶與河北平原地震帶,近年來(lái)隨著河北地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)的不斷完善,地震數(shù)據(jù)的精度不斷提高,為本研究提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資料。本文將研究區(qū)域分為 4部分(圖1),分別為晉冀蒙地區(qū)(38.5°~41.5°N,113°~115.5°E)、京津地區(qū)(38.5°~41.5°N,115.5°~117.5°E)、唐山地區(qū)(39°~41°N,117.5°~119.5°E)以及河北南部地區(qū)(35.5°~38.5°N,113°~116°E),通過(guò)分析這 4個(gè)地區(qū)地震波速比的時(shí)序變化特征,討論其與中強(qiáng)地震之間可能存在的關(guān)系。
圖1 研究區(qū)地震震中分布
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(cè)臺(tái)站總數(shù),Tpi和T(S-P)i分別為第i臺(tái)站的P波觀測(cè)到時(shí)以及S波、P波到時(shí)差。
多臺(tái)觀測(cè)可用最小二乘擬合求K,K為和達(dá)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(jì)算值。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為
本文搜集并整理了河北省地震臺(tái)網(wǎng)2006~2016年2月的地震數(shù)據(jù),選擇最少有4個(gè)臺(tái)站記錄到的、到時(shí)差≤20s的地震走時(shí)數(shù)據(jù),利用多臺(tái)和達(dá)法計(jì)算波速比,為提高波速比的計(jì)算精度及穩(wěn)定性,擇其相關(guān)系數(shù)大于 0.98,誤差小于 0.05的 8033個(gè)地震波速比數(shù)據(jù)(圖 2(a)),這些數(shù)據(jù)基本為 1.65~1.75,均值為 1.708,震級(jí)ML=1.0~2.0,波速比與震級(jí)之間沒(méi)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖2(b));計(jì)算結(jié)果的精度與所選臺(tái)站個(gè)數(shù)有關(guān),臺(tái)站越多,波速比的離散程度越?。?006~2009年波速比的相關(guān)系數(shù)有一定波動(dòng),2009年之后相關(guān)系數(shù)較好。
圖2 波速比與震級(jí)、臺(tái)站個(gè)數(shù)、相關(guān)系數(shù)的關(guān)系
對(duì)唐山地區(qū)的波速比滑動(dòng)曲線的分析如下,對(duì)另外3個(gè)分區(qū)按照同樣的思路進(jìn)行。
1976年唐山發(fā)生7.8級(jí)地震,1995年以后無(wú)5級(jí)以上地震,目前唐山老震區(qū)的余震處于晚期(王想等,2012),自 2006年以來(lái)該區(qū) 4級(jí)以上地震呈現(xiàn)兩年準(zhǔn)周期的活動(dòng)韻律。圖3(a)為唐山地區(qū)波速比數(shù)據(jù)的原始曲線,無(wú)明顯變化?;瑒?dòng)平均是對(duì)動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)序列進(jìn)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(cè)量結(jié)果,也可濾掉頻繁的隨機(jī)誤差。用不同窗口對(duì)波速比數(shù)據(jù)作滑動(dòng)平均,若窗口太大則可能過(guò)濾掉太多有效信息,若窗口太小則得不到較為平滑的結(jié)果,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)最終確定對(duì)ML≥1.0的地震的波速比用 30點(diǎn)滑動(dòng)平均(圖3(b)),對(duì)ML≥1.5的地震波速比用 20點(diǎn)滑動(dòng)平均(圖 3(c)),對(duì)ML≥2.0的地震波速比用 10點(diǎn)滑動(dòng)平均(圖 3(d))。
圖3 唐山地區(qū)不同震級(jí)的波速比時(shí)序曲線
馮德益(1981)提出波速比異常變化的全過(guò)程:地震波速比一般先下降然后回升,當(dāng)再次達(dá)到或略超過(guò)初始值后就發(fā)生主震,震后還有一個(gè)不穩(wěn)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(qū)附近波速比出現(xiàn)類(lèi)似變化過(guò)程。按照這個(gè)異常判定標(biāo)準(zhǔn)對(duì)唐山地區(qū)不同震級(jí)波速比滑動(dòng)曲線進(jìn)行定性討論,可以發(fā)現(xiàn)在唐山地區(qū)ML4.0以上地震發(fā)生前該區(qū)的波速比大都出現(xiàn)了下降-低值-恢復(fù)的變化過(guò)程。2008年3月11日河北盧龍發(fā)生ML4.4地震,該區(qū)ML≥1.0、M≥1.5,M≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線在地震前均出現(xiàn)明顯的下降-低值-恢復(fù)變化形態(tài),持續(xù)時(shí)間半年左右,最終在低值回升階段發(fā)震;2010年3月6日該區(qū)發(fā)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(dòng)曲線在地震前沒(méi)有出現(xiàn)明顯低值異常,但ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線在震前一年出現(xiàn)下降-低值變化,恢復(fù)一段時(shí)間后發(fā)生上述地震;2012年5月28日該區(qū)發(fā)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(dòng)曲線在震前均出現(xiàn)下降-低值變化,尤其是ML≥1.5和ML≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線低值異常明顯,地震發(fā)生后低值恢復(fù);2014年10月14日該區(qū)發(fā)生灤縣ML4.0地震,其ML≥1.0及ML≥2.0地震波速比滑動(dòng)曲線沒(méi)有出現(xiàn)明顯的波速比異常,但是ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線表現(xiàn)出明顯下降,在低值持續(xù)的過(guò)程中發(fā)生該次地震,隨后波速比滑動(dòng)曲線恢復(fù)到均值線附近;2015年9月14日該區(qū)發(fā)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(dòng)曲線在地震發(fā)生半年前均出現(xiàn)下降-低值-恢復(fù)變化。從對(duì)波速比滑動(dòng)曲線的定性分析可見(jiàn)唐山地區(qū)自2006年以來(lái)的幾次中等地震發(fā)生前波速比滑動(dòng)曲線的確存在一定的異常形態(tài),尤其是ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線在這些中等地震發(fā)生前變化明顯。
上面對(duì)不同震級(jí)檔的地震波速比滑動(dòng)平均曲線與唐山地區(qū)ML4.0地震的關(guān)系進(jìn)行了定性討論,下文嘗試對(duì)其進(jìn)行定量分析。由于該區(qū)ML≥1.5地震波速比與中強(qiáng)地震對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,因此著重討論ML≥1.5地震波速比異常的預(yù)報(bào)效能。選取唐山地區(qū)的波速比平均值1.708作為標(biāo)準(zhǔn),波速比滑動(dòng)曲線異常判定指標(biāo)為:①異常從波速比均值附近開(kāi)始下降;②異常持續(xù)時(shí)間超過(guò)3個(gè)月;③異常下降幅度超過(guò)0.010;④異?;厣骄稻€附近結(jié)束。由于唐山地區(qū)不同震級(jí)的滑動(dòng)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(guān),因?yàn)闆](méi)有2006年之前的波速比數(shù)據(jù)無(wú)法得出該次低值的持續(xù)時(shí)間,因此在統(tǒng)計(jì)定量異常時(shí)不予統(tǒng)計(jì)。按照以上限定條件統(tǒng)計(jì)唐山地區(qū)ML≥1.5的地震波速比滑動(dòng)均值共出現(xiàn)4次異常(表1),異常持續(xù)時(shí)間大多在3~6個(gè)月,其中有3次異常出現(xiàn)后發(fā)生ML4.0以上地震,沒(méi)有發(fā)現(xiàn)波速比持續(xù)時(shí)間及異常幅度與地震大小明顯相關(guān),有2次地震發(fā)生在在波速比呈低值期間,有一次地震在異常結(jié)束后4個(gè)月發(fā)生,對(duì)應(yīng)率為75%,結(jié)果是置信水平為97.5%的預(yù)報(bào)效能R(許紹燮,1989)為0.55,總之該區(qū)波速比滑動(dòng)曲線對(duì)中等以上地震有一定反映能力。
下面按照對(duì)唐山地區(qū)波速比的分析思路對(duì)河北地區(qū)的其他3個(gè)分區(qū)進(jìn)行研究,略去對(duì)各個(gè)分區(qū)不同震級(jí)波速比異常的定性研究,結(jié)合每個(gè)分區(qū)的特點(diǎn)重點(diǎn)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(qū)及相鄰區(qū)域的波速比異常判定標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.1 京津地區(qū)的波速比變化特征
該區(qū)位于北京坳陷與大興隆起間,曾發(fā)生1679年三河-平谷8級(jí)大震,最近的地震為2006年7月4日文安5.1級(jí)地震,王林瑛等(2008)通過(guò)對(duì)首都圈波速比研究得出文安地震前附近地區(qū)波速比有異常反應(yīng),2006年該區(qū)的波速比滑動(dòng)平均值明顯偏低(圖4),由于缺少對(duì)文安地震前的較長(zhǎng)時(shí)間段的波速比跟蹤分析,因此對(duì)2006年的低值異常不予統(tǒng)計(jì)。按照唐山地區(qū)波速比異常的判定標(biāo)準(zhǔn),自2006年至今北京地區(qū)的波速比無(wú)明顯異常。2012年8月26日的天津?qū)氎鍹L4.0地震屬于2012年6月18日天津市寶坻區(qū)與河北省玉田縣交界ML4.5地震的余震活動(dòng),該地震位于京津地區(qū)邊緣,屬唐山大地震的晚期余震活動(dòng)。由于波速比滑動(dòng)均值來(lái)自京津地區(qū)地震的震相數(shù)據(jù),但其孕震區(qū)可能不在京津而在唐山地區(qū)(圖3(c)),所以京津地區(qū)的波速比未出現(xiàn)明顯異常。
表1 唐山地區(qū)波速比異常統(tǒng)計(jì)
圖4 京津地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點(diǎn)滑動(dòng)平均曲線
3.2.2 晉冀蒙地區(qū)波速比的變化特征
該區(qū)位于山西地震帶與張渤地震帶的交匯部位,構(gòu)造復(fù)雜,1998年1月10日張北6.2級(jí)地震前京西北地區(qū)出現(xiàn)明顯低值異常(劉繼祿,2000)。定性看該區(qū)ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線在2015年9月6日涿鹿地震前出現(xiàn)下降-低值-回升的異常形態(tài)。若進(jìn)行定量分析(表2),則可看出有3次異常,未對(duì)應(yīng)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(fā)生前該區(qū)均出現(xiàn)3個(gè)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(dá)到異常判定標(biāo)準(zhǔn)的0.01故未被判定為異常,這說(shuō)明依唐山地區(qū)的地震資料統(tǒng)計(jì)出來(lái)的異常定量標(biāo)準(zhǔn)(前文所述的①、②和④)是適用的,而并不適用于晉冀蒙地區(qū)(③),若把異常判定標(biāo)準(zhǔn)的“③異常下降幅度超過(guò)0.010”中的下降幅度適當(dāng)?shù)慕档偷?.007,則該區(qū)波速比的對(duì)應(yīng)率為0.4,預(yù)報(bào)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(qū)自2006年以來(lái)中等地震活動(dòng)均集中在河南范縣,在這幾次地震發(fā)生前該區(qū)ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)均值曲線從形態(tài)上均表現(xiàn)出下降-低值的異常。若進(jìn)行定量分析(表3),則可看出有1次異常,其后半年內(nèi)無(wú)ML4.0以上地震。但從表3也可看出在2010年、2014年、2015年該區(qū)均出現(xiàn)了持續(xù)4~5個(gè)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(jié)束后2~5個(gè)月的時(shí)間內(nèi)河南范縣發(fā)生ML4以上地震。因此若把異常定量標(biāo)準(zhǔn)的下降幅度設(shè)定為0.006,則該區(qū)的地震對(duì)應(yīng)率將大大提高,地震對(duì)應(yīng)率為0.6,R值為 0.35。
表2 晉冀蒙地區(qū)波速比異常統(tǒng)計(jì)
圖5 晉冀蒙地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點(diǎn)滑動(dòng)平均曲線
表3 河北南部地區(qū)波速比異常統(tǒng)計(jì)
圖6 河北南部地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點(diǎn)滑動(dòng)平均曲線
本文通過(guò)和達(dá)法計(jì)算唐山地區(qū)的波速比數(shù)據(jù),用不同窗長(zhǎng)滑動(dòng)得到不同震級(jí)的波速比時(shí)序動(dòng)態(tài)演化曲線。減小了隨機(jī)誤差,得到較為平滑的結(jié)果,但是窗口的選擇至關(guān)重要,若窗口太大則會(huì)過(guò)濾掉很多的有效信息,對(duì)細(xì)節(jié)的反映有所欠缺;若窗口過(guò)小,雖然對(duì)動(dòng)態(tài)變化的細(xì)節(jié)反映更加靈敏,但是對(duì)趨勢(shì)表征不明顯。通過(guò)對(duì)地震前不同震級(jí)檔波速比曲線的形態(tài)特征進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在大部分中等地震發(fā)生前唐山地區(qū)的波速比表現(xiàn)出下降-低值的異常形態(tài),其中ML≥1.5地震波速比滑動(dòng)曲線在地震前其異常形態(tài)表現(xiàn)的更為明顯。通過(guò)對(duì)唐山地區(qū)的ML≥1.5地震的波速比曲線與中等地震關(guān)系的定性討論,提出了該區(qū)波速比異常判定的4個(gè)定量標(biāo)準(zhǔn),即:①波速比異常是波速比自其均值線附近開(kāi)始下降;②異常持續(xù)時(shí)間超過(guò)3個(gè)月;③異常下降幅度超過(guò)0.010;④異?;厣骄稻€附近結(jié)束。這4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的①和②為異常的開(kāi)始和持續(xù)時(shí)間,③為異常下降幅度標(biāo)準(zhǔn),④提供了異常結(jié)束的判定方法。通過(guò)分析可知對(duì)應(yīng)地震多在異常持續(xù)期間或者異常結(jié)束半年內(nèi)發(fā)生,其對(duì)應(yīng)率為75%,R值為0.55,這表明唐山地區(qū)的波速比異常是有一定信度的中短期指標(biāo)。在把唐山地區(qū)波速比異常定量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于河北省的其他3個(gè)分區(qū)的時(shí)候,異常標(biāo)準(zhǔn)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(dá)法計(jì)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(zhì)的橫向不均勻性的局限產(chǎn)生的,本文的研究結(jié)果為特定區(qū)域限定條件內(nèi)的波速比滑動(dòng)平均的結(jié)果,忽略了更小范圍的局部區(qū)域介質(zhì)的各向異性;同時(shí)不同研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以及地震活動(dòng)性不同,地震活動(dòng)頻繁的區(qū)域其波速比數(shù)據(jù)多,其滑動(dòng)曲線能夠?qū)崟r(shí)的、更加真實(shí)的反映該區(qū)波速比的變化特征,相反地震活動(dòng)較弱則波速比數(shù)據(jù)少,其滑動(dòng)曲線則不能實(shí)時(shí)的反映該區(qū)的波速比變化特征。
致謝本文使用中國(guó)地震局地球物理研究所李艷娥老師提供的計(jì)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(jiàn)。