首都圈北部地區波速比變化分析

張環曦， 劉 靜， 王亞茹， 李 鳳， 尹宏偉， 董 博， 張 蕾， 周安聘

(1.河北省地震局石家莊中心臺，河北 石家莊 050000；2. 河北省地震局預測研究中心，河北 石家莊 050000)

首都圈北部地區波速比變化分析

張環曦1， 劉 靜1， 王亞茹2， 李 鳳1， 尹宏偉1， 董 博1， 張 蕾1， 周安聘1

(1.河北省地震局石家莊中心臺，河北 石家莊 050000；2. 河北省地震局預測研究中心，河北 石家莊 050000)

本文選取首都圈臺網記錄的地震波數據，根據基于最小二乘法的波速比公式編制程序，自動讀取震相到時，計算研究區的平均波速比。通過分析波速比與震級、時間的關系，認為其變化與地震活動有較明顯的對應關系，對波速比變化的研究對未來地震的預測有一定的應用價值。

波速比；首都圈北部地區；前兆變化；最小二乘法

當地震波在地殼介質中傳播時，其傳播速度是地殼介質各種物理參數的函數。地震時區域應力場會發生變化，地殼介質的物理參數隨之變化，地震波通過應力變化區時傳播速度也會發生變化。由于P波和S波對地殼介質物理參數的響應程度不同，因此P波和S波速度的變化也不同，兩者的比值即波速比就會發生變化。應用P波和S波比值可以探測地殼介質應力狀態，這已發展成為一種重要的分析預報地震的方法。

我國自開展波速比研究以來，已經取得了一定成果，并通過一批震例，試圖歸納波速比變化的時間、幅度、形態與強震的關系，其中不乏有預測成功的事例。蔡靜觀等展開了波速比變化在云南強震預測中的應用研究[1-2]；刁桂苓等討論了岫巖地震序列的平均波速比前兆異常[3]；劉繼祿等分析了張北6.2 級地震前后源區與場區波速比的時空變化特征及其異常[4]；梅世蓉、陸遠忠等也有利用波速比異常做出預測的震例[5-8]；啜永清等采用格點嘗試法、和達法分別計算了山西大同盆地的平均波速比，探討了該區平均波速比在中強震前后的變化規律，得出山西大同盆地地震波速比在主壓應力P 軸取向穩定的條件下同步降低的負異常與該區中強地震有一定對應關系的結論[9-10]；趙晉明等從實驗上證實巖石在破裂前，波速比會發生明顯變化。此外，波速比也用來分析地殼和地幔的結構。張成科等、祝治平等[11-12]匯總了多條人工地震剖面資料，分析了首都圈及其鄰近地區速度結構特征；黎明曉計算了首都圈地區的平均波速比和應用多臺法測定了華北地區地殼的平均波速比[13]。近年來，隨著數字地震波形資料的積累，國內利用數字地震資料研究波速比變化特征逐漸增多，獲得了不同區域發生的中強地震波速比變化特征研究成果。

1 研究數據

研究區位于首都圈北部(38.5°-41°N，114°-120°E)，該區地質構造復雜，主要斷裂帶有山西斷陷帶、燕山構造帶西段和陰山構造帶東段。自1978年以來曾發生過6次ML≧4.5級地震，并伴隨大量前兆異常現象，多出現在這些斷裂周邊和交匯處。本文收集了2006年1月至2015年10月研究區ML2.0以上地震目錄與到時數據。為降低震相到時拾取誤差的影響，我們挑選其中P、S震相清晰的記錄來計算波速比。圖1為研究區的斷裂帶與震中分布，圖2為研究區地震臺站分布。

圖1 首都圈北部地區斷裂帶與震中分布

圖2 首都圈臺站分布

2 研究方法

波速比的計算通常使用和達法，即將S波與P波到時差與P波到時擬合為1條直線。其中，計算公式有兩種，但原理是一致的，都是利用同樣兩組數據tpt和t(s-p)i，分別以它們其一為自變量，另一個參量為因變量擬合直線，并求斜率得到波速比值。根據4個以上數字地震臺記錄到的清晰直達波Pg和Sg震相的到時Tp與Ts，根據下列公式用最小二乘法計算波速比：

式中，n為臺站個數，ΔTi

用和達法計算波速比時，P、S波的到時差的ΔTi選擇至關重要。若ΔTi太大，則樣本量太大，少數臺站觀測到的異常信息可能會被抹掉；若ΔTi太小，則樣本量太少，算得的波速比誤差太大，最好將ΔTi控制在15～20 s內。該方法的優點是所計算的波速比穩定性好，精度高。但不足之處在于對臺網布局和時間服務精度要求較高。由于直接從波速比選取震兆信息比較困難，而且誤差較大，因此，利用波速比變化進行計算的方法是可行的。

3 結果分析

利用波速比公式編制程序，自動讀取震相倒時，計算選取地震的波速比。為了保證計算結果的可靠性，從一個地震事件選取3個或者3個以上臺站記錄的地震記錄，并繪制出波速比隨時間關系曲線和五日均線波速比時序曲線。該區域所選時間段內，記錄到2.0級以上地震事件987個，平均波速比均值為1.713387。圖3給出了地震的震級—時間關系，從圖上可以看出，2006年至2015年，研究區的中小地震活動頻繁，絕大多數地震分布在2～3級之間，5級以上地震記錄到2次；圖4給出了波速比—震級關系，從圖上可以看出，研究區絕大多數地震的波速比分布在1.6～1.8區間內，且震級越小，波速比的分布越離散，這可能是由于小震的震相到時拾取誤差比較大造成的；圖5給出了五日均線波速比時序曲線，從圖上可以看出，在2008年汶川地震前后，區內平均波速比呈現出上升—下降—上升的變化趨勢；2006年河北文安5.1級地震波速比下降，隨后開始上升；2012年唐山4.8級地震，波速比回落。這些特征與顯著地震前后波速比變化的一般特征比較一致。

圖3 震級—時間關系

圖4 波速比—震級關系

圖5 五日均線波速比時序曲線

4 結論

基于本文的分析，主要可以得到以下幾個結論：(1)首都圈北部地區的平均波速比為1.71，這與現有的研究成果比較一致。(2)通過分析波速比的時間變化趨勢，確認了其與顯著地震的對應關系，說明波速比對地震預測有一定的應用價值。從該區五日均線和時間的關系可以看出，2008～2009年波速比整體值的變化趨勢為從低到高，這可能與汶川地震對該地區介質應力狀態產生的影響有關。而波速比異常可能表明該地區地殼介質處于不穩定狀態，這可能預示著未來有發生地震的危險。(3)該地區幾次中強地震之前，出現了波速比低值區域，但是每次低值區域持續時間各有不同。這種現象出現的原因可能是由于孕震環境不同，但還需要進一步論證。

[1] 蔡靜觀,秦嘉政,蘇有錦,付虹.云南姚安6.5級地震的震中分布圖像和孕震環境[A].中國地震學會.中國地震學會第八次學術大會論文摘要集[C].中國地震學會,2000:1.

[2] 陳立德,羅平,傅紅,蔡靜觀,劉翔,楊杰英,李永強,雷素華,沈斌,劉仲全.1995年7月12日云南孟連中緬邊界7.3級地震中、短、臨預報及前兆異常特征[J].地震,1997(1):1-13.

[3] 刁桂苓,吳培稚,李延興,張宏志.首都圈地區應力場、形變場、地脈動場的對比分析[A].中國地震學會地震預報專業委員會.地震海嘯與地震預報實驗場學術研討會摘要集[C].中國地震學會地震預報專業委員會,2005:1.

[4] 劉繼祿,張從珍,李雪英,杜迎春,董孝平.張北6.2級地震前京西北地區地震波速比的異常變化[J].地震地磁觀測與研究,2000(1):8-12.

[5] 梅世蓉,莊燦濤,許昭永,楊洪滄,包一峰.真三軸壓縮時巖石破裂孕育過程中微破裂分布圖象的時空變化[A].中國巖石力學與工程學會.第四屆全國構造物理、第二屆全國高溫高壓聯合學術討論會論文摘要[C].中國巖石力學與工程學會,1989:1.

[6] 馮德益,舒立德,劉喜蘭,梅世蓉.華北北部地震前兆場時空演化模型的研究[A].中國地震學會.中國地震學會第五次學術大會論文摘要集[C].中國地震學會,1994:2.

[7] 陸遠忠.基于GIS的地震分析預報軟件系統的研制和應用[A].中國地質學會、國土資源部地質勘查司.“十五”重要地質科技成果暨重大找礦成果交流會材料二——“十五”地質行業獲獎成果資料匯編[C].中國地質學會、國土資源部地質勘查司,2006:1.

[8] 胡勐乾,鄧志輝,陸遠忠.汶川地震對華北地區影響的數值模擬研究[A].中國地球物理學會.中國地球物理·2009[C].中國地球物理學會,2009:1.

[9] 啜永清.山西地區非彈性衰減系數、場地響應和震源參數的研究[A].中國地震學會第六屆地震預報專業委員會.新方法和新技術在地震預報中的應用暨中國東部地區震情研討會論文摘要集[C].中國地震學會第六屆地震預報專業委員會,2004:1.

[10] 啜永清,劉巍.山西地區非彈性衰減系數、場地響應和震源參數的研究[A].中國地震學會.中國地震學會第十次學術大會論文摘要專集[C].中國地震學會,2004:1.

[11] 嘉世旭,張成科,趙金仁,方盛明,劉志.華北東北部裂陷盆地與燕山隆起地殼構造[A].中國地球物理學會.中國地球物理學會第二十四屆年會論文集[C].中國地球物理學會,2008:2.

[12] 祝治平,蓋玉杰,聶文英,石金虎,張建獅,張成科.邢臺震源區及相鄰地區地殼上地幔速度結構研究[A].中國地球物理學會.1993年中國地球物理學會第九屆學術年會論文集[C].中國地球物理學會,1993:1.

[13] 黎明曉,張曉東.應用多臺法測定華北地區地殼的平均波速比[J].地震,2004(1):163-169.

Analyses of Average Wave Velocity in Northern Capital Region

ZHANG Huanxi1, LIU Jing1, WANG Yaru2, LI Feng1, YIN Hongwei1,DONG Bo1, ZHANG Lei1, ZHOU Anpin1

(1.Shijiazhuang Central Station of Seismological Bureau of Hebei Province, Hebei Shijiazhuang 050000；2.Earthquake Administration of Hebei, Hebei Shijiazhuang 050021,China)

This paper investigates the geological data of northern capital region. The data measured is selected to perform the analyses. Since seismic wave velocity rate will change before the earthquake, the program based on least square method (LSM) is compiled to read seismic phase automatically and calculate the seismic wave velocity rate. The results reflect the actual situation of earthquake well. This paper can contribute to the further investigation of the earthquake prediction.

seismic wave velocity rate; northern capital region; precursory changes; least square method

2016-01-28

張環曦(1982-)，男，河北省邢臺市人，工程師.

河北省地震科技星火計劃項目(DZ20140709027).

P315.31

B

1001-8115(2017)02-0019-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.02.005