張家口-渤海斷裂帶西段及中西段b值時空掃描1

段美芳 陸麗娜 李瑩甄 李寶君 楊 明 賈建鵬

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張家口-渤海斷裂帶西段及中西段值時空掃描1

段美芳1，2）陸麗娜1）李瑩甄1）李寶君3）楊 明1，4）賈建鵬1）

1）防災科技學院，河北三河 065201 2）云南省地震局洱源地震臺，云南洱源 671200 3）遼寧金州地震臺，遼寧大連116100 4）中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室，北京 100029

張家口-渤海斷裂帶作為華北平原地區重要的活動斷裂帶，地震活動頻繁，是我國地震監測預測重點區域之一。本文選取該斷裂帶西段及中西段1970—2016年的地震目錄，采用最大似然法進行時間掃描，分析顯示研究區值為0.28—1.52，其隨時間變化的特點是在大地震發生前降至最低，震后逐漸恢復；研究區空間掃描結果顯示，該區值的平均值為0.93，其中懷安-萬全盆地北緣斷裂和薊運河斷裂平均值較低，反映該區域應力水平較高。綜合以上結果，本次研究揭示出研究區地震危險性的時間和空間差異，為對研究區地震危險性評價提供基礎數據。

值 張渤斷裂帶西段及中西段 地震危險性

引言

地震作為地球上最具破壞性的自然災害，吸引著人們對其不斷地思考和探索。地震值就是源于前人（Ishimoto等，1939；Gutenberg等，1954）不斷探索的地震研究工作以及他們建立的經驗關系式。在著名的古登堡-里克特關系式中，值是震級和頻度關系中的比例系數，反映區域內不同震級地震的相對分布。國內外眾多學者對值的計算方法（張建中等，1981）、時空變化特征（王輝等，2012；謝卓娟等，2015）、與環境應力的關系（Khan等，2011）、與布格重力異常的關系（Khan等，2007）等方面做了大量研究工作，使得值已經成為衡量區域應力水平的重要指標，亦成為地震危險性評價和未來地震危險性預測的重要參數。一次破壞性地震不是突然爆發的，它要在相當大的空間范圍內，經歷比較長時間的應力積累（李全林等，1978）。因此對于地震參數不斷進行時間和空間掃描，監視和探尋異常區的存在和變化，理應成為地震監測預測的科學手段之一。所以，應用值在地震和活動構造上進行時空特征分析，既有一定的物理學基礎，又符合地震監測預測的基本原理。

張家口-渤海斷裂帶（張渤斷裂帶）西段及中西段是地震頻發區，且經過北京、天津、河北等經濟發達、人口密集的省市。中國東部曾發生過1679年9月2日三河—平谷8級和1976年7月28日唐山7.8級地震，其震中都位于張渤斷裂帶西段及中西段（賴曉玲等，2007）。此外，張渤斷裂帶西段和中西段內常發生不同規模的中、小型地震，嚴重影響著京津唐發達經濟區的可持續發展。武敏捷等（2013）基于多地震活動參數對張渤斷裂帶整體進行地震危險性分析，認為延懷盆地這樣的低值區應為今后監測預測的重點地區。韓孔艷（2009）對張渤斷裂帶的西段、中西段、中東段、東段分別進行了布格重力異常研究。

為了探究張渤斷裂帶西段及中西段值時空分布特征，本文收集1970—2016年近50年地震目錄資料，對張渤斷裂帶西段及中西段值特征進行分析。通過對張渤斷裂帶西段及中西段回溯性地進行值時空掃描，以期對研究區內潛在地震危險性評價提供基礎數據。

1 區域構造背景

張家口-渤海斷裂帶是華北活動地塊和燕山活動地塊邊界一條規模巨大的北西西向活動斷裂帶，長約700km（方穎等，2008；索艷慧等，2013）。斷裂帶西起河北省張北和尚義一帶，經張家口向東南延伸，穿過懷來、順義、三河以及天津等地，再由渤海繼續延伸至蓬萊以北的黃海海域，主要受太平洋板塊北西西向俯沖以及印度洋板塊北北東向俯沖作用，這使得郯廬斷裂、太行山山前斷裂帶發生右旋走滑，從而在渤海灣盆地形成拉分盆地（侯貴廷等，1999）。拉分盆地又導致了張渤斷裂帶發生北北東向的左旋走滑，故新生代渤海灣盆地內的次級斷陷都成雁行排列，且新生代以來一直處于活動中。

研究表明，張渤斷裂帶處于地殼運動活躍地帶，以正斷層為主。前人將張渤斷裂帶按構造特征、斷裂形態等分為4段，分別是：張北-南口段（西段），南口-寧河段（中西段），渤海段（中東段）和蓬萊-煙臺段（東段）（高戰武等，2001；韓孔艷，2009）。本文選取張渤斷裂帶的西段和中西段（圖1）作為研究區。

2 資料和方法

2.1 資料

考慮到張渤斷裂帶西段和中西段的斷裂和地震臺網的分布情況，本文選取斷裂帶內38.5°—41.5°N，114°—118°E為研究區，從西北至東南依次包括張家口斷裂、新保安-沙城斷裂帶、蔚縣盆地南緣斷裂、順義-良鄉斷裂、夏墊斷裂和海西斷裂等。

地震目錄資料來自于國家地震前兆臺網中心。選取的時間段為1970年1月1日至2016年5月4日，共7596個地震目錄（表1）。在我國地震區劃和地震安全性評價工作中，通常使用面波震級S，最新研究表明，面波震級S與近震震級L表示的地震震級基本一致（汪素云等，2009）。由于本文獲得的地震目錄中近震震級L較完整，所以直接采用L進行統計和計算。

根據研究區地震目錄統計，隨著地震震級的增高，發生地震的頻率逐漸降低，且研究區1到2級地震發生頻率較高，5級以上的地震相對較少，說明此區地震活動頻繁，并以小震為主。前人認為小地震復發周期較短，地震活動性較強（陳培善等，2003）。數據顯示，全國1996年之前記錄到的最小震級為2.0級，1996年以后，記錄到的最小震級精確到1.0級，原因可能是由于早期地震臺網分布的不完善、地震分析方法和監測技術具有局限性，導致缺少小地震記錄（任雪梅等，2011；謝卓娟等，2012）。從研究區-圖（圖2）可看出，隨著時間的推移，記錄到的地震次數 逐漸增加，1996年地震目錄總數迅速上升至303條，說明自該年后我國的地震監測水平有了明顯提高。

表1 研究區地震數據統計結果（據國家地震前兆臺網中心測定）

圖2 研究區T-N圖Fig. 2 T-N diagram of the study area

刪除余震可以消除地震之間的相關因素，使地震的發生盡量滿足平穩性，并降低地震之間的相關性，即滿足泊松模型（陳凌等，1998），對值的研究分析起著至關重要的作用。本文選用K-K法（Keilis-Borok等，1980）給出的時空尺度進行去余震處理，刪除的余震有1710個，占全部地震的22.52%。圖3顯示刪除余震后的震級-頻度關系（圖3（b））比刪除余震前（圖3（a））更好地符合G-R關系式。本文采用最大曲率法獲得最小完整震級c，最大曲率處c為2.0（圖3（b））?；谏鲜鲅芯浚疚挠糜谟嬎愕臄祿閯h除余震后的地震目錄，取震級下限為2.0，上限為4.6，共2279個有效地震。表2為刪除余震后研究區L≥5.0的地震基本參數。

表2 研究區ML≥5.0的地震序列（據國家地震前兆臺網中心測定）

圖3 刪除余震前（a）和刪除余震后（b）震級-累計頻次關系圖

2.2 方法

計算地震值最通用的方法是線性最小二乘法和最大似然法（孫文福等，1992）。線性最小二乘法基于1949年Gutenbery-Richter提出的G-R公式，即：

其中，為震級以上地震的頻度，和均為常數，值代表區域內不同大小地震頻度的比例關系。

計算值常用的另外一種方法是最大似然法。值的最大似然估計公式為：

標準偏差為：

空間掃描分析上，我們將研究區以0.5°×0.5°進行大網格劃分，計算得出每個網格的值，刪除地震數目少于20的區域，取步長為0.1，最小值取0.4，最大值取1.5?；诘卣痤A報分析系統，對前文所得的有效地震目錄的全部時段進行空間掃描，并繪制出研究區值等值線圖（圖5）。為了保證掃描結果的可靠性，即每個網格內的有效地震數目應達到20以上，圖5中將地震數小于20的網格處理為空白區域。

3 結果與討論

3.1 b值時間掃描特征

時間掃描結果顯示，1970年以來，研究區值的變化范圍較大，總體在0.28—1.25之間波動。根據擬合曲線計算出值平均值為0.88，以此作為最大似然法值的參考臨界值，將1.25和0.51分別作為高、低值的警戒線。如圖4顯示，張渤斷裂帶值一直處于起伏消長狀，值大小隨時間分布不均勻。值得注意的是，1976年值降到最低（A點），而研究區內歷史上1976年7月28日唐山曾發生4次5級以上地震（包括余震）。從圖中還可以觀察出，B、E、F處，地震值低于平均值，而與之對應的幾年之間5級以上地震頻發，如1980年2月7日，天津寧河縣發生5.2級地震（B點）；1990年7月21日，北京延慶發生5.0級地震（D點）；1998年1月10日河北尚義縣發生6.2級地震（E點）；2006年7月28日河北文安縣發生5.5級地震（F點）。而且這幾次強震發生前值都有一定幅度的下降，震后逐漸回升。2004—2011年間，值都在平均值以上，在相應的地震目錄中，都以小震為主，且復發間隔較小。由此，我們初步判斷，強震的發生與值隨時間的變化趨勢基本吻合，即：強震發生一定時段內，值較??；小震頻發的時段內，值較大。這為根據值分析地震危險性提供了有利依據。

圖4 研究區b值隨時間變化

據劉艷輝等（2015）用汶川地震、蘆山地震驗證，得出大震發生前后值變化規律為“正?！椭怠咧怠芈洹l震—正?！?。通過研究區值隨時間變化（圖4）可以看出，1970—1975年此地區值一直處于平均水平，反映了研究區的孕震狀態，1976年河北唐山豐南一帶（118.2°E，39.6°N）發生了里氏7.8級（W7.5）地震，并引發多次5級以上余震，大震頻發，此年值從高于平均值突降到1970—2016年的最低谷（A點），其后逐漸回升至平均值。1980年2月7日天津寧河縣發生5.2級地震，值降到低于平均值，1年后恢復正常。此震例周期性的特征印證了“正?！椭怠咧怠芈洹l震—正?！钡囊幝?。2010年值達到峰值（1.52），此后一直處于下降水平，2016年降到0.65，已低于平均值，那么在未來的幾年內值是否會繼續下降呢？關于這個問題，還需進行常態化監測。

3.2 b值空間掃描特征

空間掃描是為了研究值在空間上的分布特征，為預測地震提供相應的依據。研究區值隨空間變化圖（圖5）揭示出研究區值分布不均勻，總體在0.4到1.5之間，平均值為0.93，呈現出西北部和東南部相對偏低的特征。張渤斷裂帶西段及中西段的斷裂密集，該帶內大部分地區值達到0.78，低于平均值。結合研究區地震分布特點（圖1），5級以上的地震多位于研究區東南部薊運河斷裂和西北部懷安-萬全盆地北緣斷裂附近，而此地區所對應的值相對較低。這與本文值低異常區的分布是吻合的。

值在空間上的分布可以大致反映應力的積累情況。據統計（表1），此研究區的地震孕震層主要在0—10km，即上地殼。而地殼越厚處值越?。∕aden等，2015）。全面了解區域活動斷裂的發育程度及其活動和構造體系，是開展值危險區研究和大震危險性分析的必要前提（謝卓娟等，2015）。由空間掃描圖像（圖5）結合斷裂帶值分布特征（表3）反映出研究區內值隨斷裂帶的分布有較大的差異，低值區主要分布于西北部的懷安-萬全盆地北緣斷裂和東南部的薊運河斷裂；高值區主要分布在研究區中部的新保安-沙城斷裂、永定河斷裂和廊坊-武清斷裂。

（1）張家口斷裂（F1）：張家口斷裂總體呈北西西向展布，是一條高角度北傾逆沖或南傾正斷的左旋走滑斷層，也是張家口附近一條重要的地質地貌構造分界線，控制著第四紀構造演化和地質發育（周月玲等，2010）。經統計，此斷裂平均值為0.80。1970年以來，張家口斷裂附近發生過38次3級以上地震。結合圖1可看出，該斷裂附近中強震較多，表明目前張家口斷裂平均應力較低，未來發生中強震的可能性較小。

表3 研究區主要活動斷裂和平均b值

（2）新保安-沙城斷裂（F2）：新保安-沙城斷裂西起河北懷來新保安以西的梁家莊附近，向西南經新保安北、良田屯、懷來縣城、土木火車站北，止于官廳水庫西北的八營村附近（盛艷蕊等，2015）。1970年以來在該斷裂附近發生3次L4.0以上地震。該斷裂平均值為0.76，處于高值區。

（3）南口-孫河斷裂（F3）：南口-孫河斷裂是北京平原地區唯一一條北西向的活動斷裂。該斷裂北西端起自昌平縣南口鎮，向南東方向經七間房、百泉莊、東三旗、孫河至通州（張磊等，2014）。平均值為0.78，該斷裂附近3.0—3.9級地震較多，初步推測未來發生小震的可能性較大。

（4）夏墊斷裂（F4）：夏墊斷裂是首都東部地區一條NNE向的巖石圈尺度的區域性深斷裂帶。其形成和演化對北京平原地區的構造演化起著至關重要的作用（何付兵等，2013）。公元1679年在該斷裂帶上曾經發生歷史上最大的一次地震，即三河-平谷8級地震。本文計算得出夏墊斷裂平均值為0.78，結合地震地質簡圖（圖1）可知，該斷裂目前處于低應力狀態，未來發生強震的可能性較小。

（5）薊運河斷裂（F7）：通過統計顯示該斷裂平均值為0.68（表3），是中強震高發區。該段歷史上曾發生108次3級以上地震，1976年7月28日發生了4次5級以上的地震（包括唐山地震的余震）。最大的一次地震是1976年7月28日6.2級（117.78°E，37.45°N）。由此可見，此斷裂應力較為集中，1976年積聚的能量被釋放，很可能產生破裂，其后小震不斷（王熠熙等，2015；劉靜偉等，2016）。

基于由空間掃描獲得的值隨空間變化特征，結合研究區主要活動斷裂帶上值空間分布特征（表3），對張渤斷裂帶西段和中西段的綜合分析認為，未來的短期時間內，小震多發生在研究區中部的高值區，而中強震多發生在低值區。

3.3 b值影響因素的討論

時間掃描（圖4）和空間掃描（圖5）分析顯示，不同時間段有不同的值，研究區內不同地區值亦不相同。而導致這種差異存在的影響因素非常復雜，主要有以下幾個方面：人為因素，主要包括研究區的選擇、地震資料的完整性、計算方法等；自然因素，包括當時的應力狀態、介質的性質、地殼異質性、震源深度、孔隙壓力、地溫梯度和存在構造體等（李紀漢，1987；El-Isa等，2014）。其中介質的性質包括巖石的特性和種類，環境因素包括第四紀覆蓋物較厚等。這一現象的物理機制可以用地殼介質的復雜程度和應力狀態變化來解釋，即在地殼介質相對均勻、巖石靜壓力較高的地殼深處容易成核形成大地震（沈小七等，2010）。

圖5 研究區b值隨空間變化

張渤斷裂帶作為首都圈地殼運動最為活躍的斷裂帶，由于長期處于伸展環境的大型拉分盆地中，導致地殼相對減薄，巖漿活動頻繁（方穎等，2008；劉志宏等，2011）?；讛嗔寻l育，地殼深部速度結構和構造在縱向與橫向上有明顯的不均勻性（王帥軍等，2005）。上述復雜的構造特征導致研究區介質的不均勻、應力的不集中，從而使得值不穩定，波動范圍較大。

4 結論

本文主要基于地震目錄，應用最大似然法獲得張渤斷裂帶西段和中西段的地震值，進而進行時空掃描分析，得出如下結論：

（1）利用最大似然法對地震目錄進行時間掃描，顯示張渤斷裂帶西段及中西段地區的地震值在大震時降至最低，震后逐漸恢復為正常，且中強震發生時段內值較低。

（2）通過對研究區進行空間掃描，得到研究區內值為0.4—1.5，平均值為0.93，呈現出西北部和東南部相對偏低的特征，應力積累程度較高的斷裂附近平均值較低，這可能是受巖石的性質和構造復雜的影響。

（3）綜合以上分析，值在時間上突然下降之處，以及在空間上平均值較低之處，如懷安-萬全盆地北緣斷裂段和薊運河斷裂段（平均值分別為0.56和0.68左右），應作為今后張渤斷裂帶西段及中西段地震監測預測的重點對象。

致謝：感謝防災科技學院地震預測實驗室給予的幫助和支持。感謝盛書中博士、吳萍萍老師在成文過程中給予的指導。審稿專家提出了寶貴意見；編輯老師給予了成文過程中的幫助，在此一并表示感謝。

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The Spatial and Temporal Scanning of the-value in the Western and Mid-western Section of the Zhangjiakou-Bohai Fault Belt

Duan Meifang1, 2）, Lu Lina1）, Li Yingzhen1）, Li Baojun3）,Yang Ming1, 4）and Jia Jianpeng1）

1) Institute of Disaster Prevention, Sanhe 065201, Hebei, China 2) Eryuan Seismic Station of Yunnan Earthquake Agency, Eryuan 671200, Yunnan, China 3) Jinzhou Seismic Station of Liaoning Earthquake Agency, Dalian 116100, Liaoning, China 4) State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

The Zhangjiakou-Bohai fault belt, as one of the important active faults in North China, as well as earthquake-prone area, becomes one of the crucial region to monitor the earthquake activities in China. In this paper we select the western and mid-western section of the Zhangjiakou-Bohai fault belt as the study region, and apply the maximum likelihood as calculating method to conduct analysis of earthquake catalogue during 1970-2016. The temporal analyses indicate that the seismic-value ranges from 0.28 to 1.52 and drops to the lowest before the great earthquake and gradually recovers after the earthquake. The spatial analyses illustrate that the-value shows 0.93 in average, and that in the lower average-value region, such as north rim fault of the Huai 'an–Wanquan basin and Jiyunhe fault shows stronger regional stress level. The spatiotemporal characteristic analyses of the-value, indicates that the degree of seismic risk varies in time and space in the study area. Our results provide basic data for seismic hazard assessment for the Zhangjiakou-Bohai fault belt.

-value;The western and mid-western section of the Zhang-Bo fault belt; Seismic hazard

段美芳，陸麗娜，李瑩甄，李寶君，楊明，賈建鵬，2018．張家口-渤海斷裂帶西段及中西段值時空掃描．震災防御技術，13（1）：138—148．

10.11899/zzfy20180112

防災科技學院教研教改項目（JY2016A01）資助

2016-12-27

段美芳，女，生于1994年。本科生。主要研究方向：地震地質學。E-mail：lulina@cidp.edu.cn

陸麗娜，女，生于1983年。博士，講師。主要從事礦床學和地震地質的教科研工作。E-mail：lulina@cidp.edu.cn