蒙寧交界區(qū)b值時(shí)空變化特征

王耀臨 劉 偉 柴寧嬌 張 帆 張建中 段 昊

1）中國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū) 015323 烏加河地震臺(tái)2）中國(guó)呼和浩特 010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局

0 引言

對(duì)b值的研究源自古登堡—里克特震級(jí)—頻度關(guān)系式：lgN=a－bM。式中：N代表震級(jí)M≥Mc（最小完整性震級(jí)）的所有地震的累積頻度；參數(shù)b表示研究范圍內(nèi)不同大小地震頻度的比例關(guān)系；參數(shù)a表示研究范圍內(nèi)的地震活動(dòng)水平?？茖W(xué)家們利用古登堡—里克特公式中b、a值等地震活動(dòng)性參數(shù)的空間分布特征，研究活動(dòng)斷裂帶積累的相對(duì)應(yīng)力空間分布特征。如：1968 年，Scholz（1968）指出，b值主要代表介質(zhì)內(nèi)部應(yīng)力水平的高低，即隨著介質(zhì)應(yīng)力水平的提高，b值會(huì)減小，b值變化可反映地下介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)；1997 年，茂木青夫（1997）用聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)反駁Scholz 關(guān)于b值由應(yīng)力狀態(tài)決定的觀點(diǎn)，并提出b值由巖石性質(zhì)決定的結(jié)論；1984 年，Aki（1984）根據(jù)雙扭實(shí)驗(yàn)中的巖石聲發(fā)射過程，再次觀測(cè)到b值與應(yīng)力狀態(tài)的依存關(guān)系。

隨著對(duì)b值理論研究的不斷深入，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，頻度—震級(jí)關(guān)系中具有直接物理意義的系數(shù)b具有時(shí)空變化特征。恰當(dāng)選取時(shí)空區(qū)間和起算震級(jí)，可通過b值時(shí)空掃描來跟蹤應(yīng)力的集中和轉(zhuǎn)移，監(jiān)測(cè)破壞性地震的孕育過程（李全林等，1978），而利用低b值空間分布可以判定是否為強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)（謝卓娟等，2015）?？茖W(xué)家們利用統(tǒng)計(jì)地震學(xué)分析復(fù)雜構(gòu)造區(qū)域地震活動(dòng)，監(jiān)測(cè)b值動(dòng)態(tài)變化，尋找可能孕育大震的區(qū)域。在一些主震周邊不同區(qū)域，b值變化形態(tài)具有顯著差異，說明大震前周圍介質(zhì)的性質(zhì)和應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)不同（于軍等，1987）。近年來，韓曉明等（2016）通過研究河套地震帶b值時(shí)空變化特征，張帆等（2018）通過研究鄂爾多斯地塊北緣b值時(shí)空特征及地震預(yù)測(cè)效能，發(fā)現(xiàn)b值時(shí)空變化特征在地震監(jiān)測(cè)中具有較大作用。

1 研究區(qū)構(gòu)造背景及資料選取

1.1 研究區(qū)地質(zhì)和地震活動(dòng)概況

（1）地質(zhì)構(gòu)造。以內(nèi)蒙古與寧夏交界地區(qū)（104°—109°E，36°—41°N）為研究區(qū)，簡(jiǎn)稱蒙寧交界區(qū)，含內(nèi)蒙古烏海市、阿拉善左旗、鄂托克前旗以及寧夏銀川、吳忠、石嘴山等地。研究區(qū)地處南北地震帶北端，斷陷帶規(guī)模大，構(gòu)造復(fù)雜，活動(dòng)強(qiáng)烈。如圖1 所示，研究區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造分布密集，主要有磴口—本井?dāng)嗔选蛷趵缴角皵嗔选鸵艉铺財(cái)嗔?、桌子山西緣斷裂、賀蘭東麓斷裂帶、黃河斷裂、銀川—平羅隱伏斷裂、正誼關(guān)斷裂等。

圖1 蒙寧交界區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geological structure of the Inner Mongolia-Ningxia junction area

（2）地震活動(dòng)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，自1970 年以來，蒙寧交界區(qū)發(fā)生多次中強(qiáng)地震，如：1973年銀川—平羅縣8 級(jí)地震，1976 年阿拉善巴音木仁6.2 級(jí)地震及2015 年內(nèi)蒙古阿拉善左旗5.8 級(jí)地震。由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心地震目錄可知，1970—2019 年，該區(qū)共發(fā)生15 次5.0—5.9 級(jí)地震。

1.2 地震資料選取

使用中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心地震目錄，從中選取1970 年—2019 年蒙寧交界區(qū)ML≥1.0地震目錄，得到14 211 條地震事件（含余震事件），其中6.0 級(jí)以上地震事件1 條，5.0—5.9級(jí)地震事件15 條，4.0—4.9 級(jí)地震事件119 條，3.0—3.9 級(jí)地震事件898 條，2.0—2.9級(jí)地震事件4 264 條，1.0—1.9 級(jí)地震事件8 914 條。

2 地震分布特征

1970—2019年，蒙寧交界區(qū)共發(fā)生ML≥1.0地震14 211次，就地震空間分布及震級(jí)—頻次、時(shí)間—頻次，分析該區(qū)地震分布特征。

（1）空間分布。蒙寧交界區(qū)1970—2019 年ML≥2.0 地震分布見圖2。由圖2 可見：①寧夏北端和內(nèi)蒙古南端交界地區(qū)地震分布密度大，即烏海市和石嘴山市等地。該區(qū)分布有賀蘭東麓斷裂帶、正誼關(guān)斷裂及桌子山西緣斷裂，地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)頻繁，地震頻發(fā)；②寧夏中部地震分布較多，如吳忠市等地。該區(qū)分布有銀川—平羅隱伏斷裂，活動(dòng)較為頻繁，面應(yīng)變表現(xiàn)為擠壓運(yùn)動(dòng)，是造成地震頻繁的重要原因；③研究區(qū)東部，即鄂爾多斯西部等地，無(wú)斷裂分布，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)微弱，地震發(fā)生頻次低，在研究時(shí)段內(nèi)無(wú)中強(qiáng)地震發(fā)生。

圖2 蒙寧交界區(qū)ML ≥2.0 地震分布Fig.2 Distribution of ML ≥2.0 earthquakes in the Inner Mongolia-Ningxia junction area

（2）震級(jí)—頻次分布。蒙寧交界區(qū)1970—2019 年ML≥1.0 地震震級(jí)—頻次直方圖見圖3。由圖3 可見：①震級(jí)區(qū)間在1.0—2.9 的地震較多，說明研究區(qū)內(nèi)1.0—2.9 級(jí)地震發(fā)生頻繁；②3.0 級(jí)及以上地震發(fā)生較少（5.0 級(jí)及以上地震僅發(fā)生16 次）。可見，研究區(qū)中強(qiáng)震較少，小震頻次較高。

圖3 蒙寧交界區(qū)1970—2019 年ML ≥1.0 地震震級(jí)—頻次直方圖Fig.3 Histogram of magnitude-frequency of ML ≥1.0 earthquakes from 1970 to 2019 in the Inner Mongolia-Ningxia junction area

（3）時(shí)間—頻次分布。蒙寧交界區(qū)1970—2019 年ML≥1.0 地震時(shí)間—頻次直方圖見圖4。由圖4 可見：①1970—1994 年，地震頻次變化不大，其中1987—1988 年地震頻次小幅度增加；②1995 年發(fā)生地震852 次，后地震頻次變化較平穩(wěn)，其中2003—2004年地震頻次小幅度增加，2009 年起地震發(fā)生頻繁，且連續(xù)3 年地震頻次在650 次以上；③2012—2019 年，地震頻次變化較平穩(wěn)。

由表3可知，在4、5、6月通過地表撒播方式播種的轉(zhuǎn)基因大豆SHZD32-01、受體材料中豆32、主栽品種皖豆28的覆蓋度在3次調(diào)查中均無(wú)顯著差異。在常規(guī)方式播種下，4月播種的轉(zhuǎn)基因大豆SHZD32-01的覆蓋度在5月的調(diào)查中顯著低于中豆32、皖豆28，但在后2次的調(diào)查中三者間差異不顯著；5月播種的轉(zhuǎn)基因大豆SHZD32-01和皖豆28的覆蓋度在3次調(diào)查中均顯著低于中豆32；6月播種的3種大豆在3次調(diào)查中的覆蓋度均極低，大多低于5%，僅在7月第1次調(diào)查中轉(zhuǎn)基因大豆 SHZD32-01 和皖豆28的覆蓋度顯著低于中豆32，但在后2次調(diào)查中三者間差異不顯著。7月播種的大豆未出苗，覆蓋度為0。

圖4 蒙寧交界區(qū)ML ≥1.0 地震發(fā)生年—頻次直方圖Fig.4 Histogram of occurrence year-frequency of ML ≥1.0 earthquakes in the Inner Mongolia-Ningxia junction area

總體來看，蒙寧交界區(qū)地震的發(fā)生頻率具有一定周期性，地震在平靜十幾年后進(jìn)入頻發(fā)期，按此周期性變化推斷，預(yù)計(jì)下次地震頻發(fā)期在2024 年前后。

3 b 值時(shí)空掃描

選用極大似然法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行b值時(shí)間掃描和空間掃描。1978 年，Utsu（1978）提出采用極大似然法計(jì)算b值，公式如下

式中，lge=0.4343，M0為起算震級(jí)，為起算震級(jí)以上的平均震級(jí)。則b值標(biāo)準(zhǔn)偏差σ為

式中，n為地震總數(shù)。

綜合考慮，將起算震級(jí)M0設(shè)為ML2.0，利用公式（1）和（2），計(jì)算研究區(qū)b值。

3.1 時(shí)間掃描

利用MapSis 軟件，步長(zhǎng)分別設(shè)為1 個(gè)月、3 個(gè)月、6 個(gè)月，窗長(zhǎng)分別設(shè)為2 個(gè)月、6 個(gè)月、一年，計(jì)算蒙寧交界區(qū)1970—2019 年的b值，對(duì)比不同步長(zhǎng)和窗長(zhǎng)下時(shí)間掃描結(jié)果，結(jié)果見圖5，可見b值在0.7 上下波動(dòng)，曲線宏觀趨勢(shì)大致相同，變化較為平穩(wěn)。

圖5 蒙寧交界區(qū)1970—2019 年b 值時(shí)間掃描曲線(a)步長(zhǎng)1 個(gè)月，窗長(zhǎng)2 個(gè)月；(b)步長(zhǎng)3 個(gè)月，窗長(zhǎng)6 個(gè)月；(c)步長(zhǎng)6 個(gè)月，窗長(zhǎng)1 年Fig.5 Time curves of b-value from 1970 to 2019 in the Inner Mongolia-Ningxia junction area

具體體現(xiàn)在：①1970—1993 年，b值處于緩慢上升階段；②1994—2012 年，b值基本在平均值以上；③1990—1993 年和2011—2015 年，b值具有下降到平均值以下后上升的明顯趨勢(shì)，而1993 年8 月29 日巴彥淖爾5.1 級(jí)地震和2015 年4 月15 日阿拉善5.8級(jí)地震即發(fā)生在變化趨勢(shì)結(jié)束后，是否預(yù)示著蒙寧交界區(qū)某些中強(qiáng)震發(fā)生在b值下降到異常水平然后上升的過程中，尚需震例積累。

由圖5 可見，b值時(shí)間掃描的步長(zhǎng)和窗長(zhǎng)越短，曲線上下波動(dòng)越大，尖峰越明顯，有利于分析短期時(shí)間或地震資料較少時(shí)的b值變化；所選掃描步長(zhǎng)和窗長(zhǎng)越長(zhǎng)，曲線整體趨勢(shì)越明顯，有利于分析長(zhǎng)期或地震資料多的b值變化；不同窗長(zhǎng)和步長(zhǎng)的b值范圍略有不同，平均值也有細(xì)微差別。

3.2 空間掃描

利用矩形窗和圓形窗，對(duì)蒙寧交界區(qū)進(jìn)行b值空間掃描，以選取最佳空間掃描結(jié)果。為了控制變量，2 種掃描均以0.2°×0.2°劃分格點(diǎn)，其中，矩形窗掃描：以0.2°×0.2°為步長(zhǎng)，以1°×1°為窗長(zhǎng)；圓形窗掃描：以0.2°×0.2°劃分格點(diǎn)，掃描半徑r=50 km。b值空間掃描結(jié)果見圖6，可見采用矩形窗和圓形窗進(jìn)行b值掃描，結(jié)果有一定相似度，空間分布大致相同。其中：巴彥淖爾地區(qū)和阿拉善地區(qū)b值為1.3，烏海、銀川和石嘴山等地b值為1.1。

圖6 蒙寧交界區(qū)b 值空間分布(a)矩形窗掃描；(b)圓形掃描Fig.6 Spatial distribution of b-value in the Inner Mongolia-Ningxia junction area

（1）烏海地區(qū)b值比周邊地區(qū)低。烏海地區(qū)分布有正誼關(guān)斷裂和桌子山西緣斷裂，應(yīng)力累積較強(qiáng)，地震發(fā)生率較大，雖然1970—2019 年未發(fā)生中強(qiáng)地震，但不排除中強(qiáng)震發(fā)生的可能性。

（2）石嘴山b值低于周邊地區(qū)。石嘴山分布有賀蘭東麓斷裂，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)烈，應(yīng)力不斷積累，有發(fā)生中強(qiáng)震的可能。

（3）銀川地區(qū)b值低于周邊地區(qū)。銀川分布有銀川—平羅隱伏斷裂，歷史上發(fā)生過銀川—平羅8 級(jí)地震。該地在1970—2019 年發(fā)生2 次中強(qiáng)地震（1973 年發(fā)生），且應(yīng)力現(xiàn)今仍在累積，未來具有再次發(fā)生中強(qiáng)地震的可能。

據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)（Wiemer and Wyss，1997），b值低于0.7 視為異常。由圖6 可見，蒙寧交界區(qū)低b值地區(qū)分布在（104°—105°E，36°—38°N）范圍內(nèi)，表明該地為應(yīng)力積累地區(qū)，未來發(fā)生中強(qiáng)地震的可能性比研究區(qū)其他地區(qū)大。

4 研究區(qū)震例回溯

1970—2019 年，蒙寧交界區(qū)共發(fā)生16 次中強(qiáng)震，地震參數(shù)及b值結(jié)果見表1。以其中b值異常地震為例，進(jìn)行震例回溯，b值時(shí)空掃描結(jié)果見圖7（圖中數(shù)字編碼對(duì)應(yīng)表1 中地震序號(hào)，因地震較多，僅列出5 個(gè)b值異常震例的時(shí)空掃描圖），其中紅色區(qū)塊表示異常區(qū)域。

表1 蒙寧交界區(qū)16 次震例回溯Table 1 Retrospective research for 16 earthquakes in the Inner Mongolia-Ningxia junction area

圖7 蒙古和寧夏交界區(qū)5 次b 值異常地震的b 值時(shí)空掃描結(jié)果Fig.7 Spatial-temporal scanning results of b-value for 5 earthquakes with abnormal b-value in the Inner Mongolia-Ningxia junction area

由蒙寧交界區(qū)16 次地震的b值時(shí)空掃描結(jié)果可知：b值為1.5 的附近區(qū)域，對(duì)應(yīng)發(fā)生地震3 次；b值為1.3 的附近區(qū)域，對(duì)應(yīng)發(fā)生地震4 次；b值為1.1 的附近區(qū)域，對(duì)應(yīng)發(fā)生地震4 次；b值為0.7 的附近區(qū)域，對(duì)應(yīng)發(fā)生地震4 次；b值為0.5 的附近區(qū)域，對(duì)應(yīng)發(fā)生地震1 次。由此可見，在低b值區(qū)域發(fā)生地震5 次，在b值＞0.7 區(qū)域發(fā)生地震11 次，表明在蒙寧交界區(qū)，低b值區(qū)域內(nèi)部或者周邊有發(fā)生中強(qiáng)地震的可能，但b值＞0.7 的地區(qū)中強(qiáng)震發(fā)生的可能性也較強(qiáng)。

5 結(jié)論

選取蒙寧交界區(qū)1970—2019 年ML≥1.0 地震目錄，就地震空間分布、震級(jí)—頻次、時(shí)間—頻次關(guān)系進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)：地震多分布在斷裂帶及附近區(qū)域，斷裂活動(dòng)導(dǎo)致應(yīng)力積累，從而有發(fā)生中強(qiáng)震的可能；研究區(qū)中強(qiáng)地震頻次較少，小震發(fā)生頻次較高；蒙寧交界區(qū)地震發(fā)生頻率有一定周期性，每隔十幾年平靜期即有地震頻發(fā)期出現(xiàn)。

利用極大似然法計(jì)算蒙寧交界區(qū)b值，并進(jìn)行時(shí)空掃描，結(jié)果表明，在不同窗長(zhǎng)和步長(zhǎng)條件下，b值時(shí)間掃描曲線變化趨勢(shì)大致相同，有些中強(qiáng)震可能發(fā)生在b值下降到異常水平然后上升過程中；利用矩形窗和圓形窗進(jìn)行掃描，b值空間分布大致相同，在低b值（104°—105°E，36°—38°N）區(qū)域有中強(qiáng)震發(fā)生的可能，研究區(qū)其他區(qū)域分布有斷裂，具有中強(qiáng)震發(fā)生的可能。

在對(duì)研究區(qū)內(nèi)1970—2019 年發(fā)生的16 次中強(qiáng)地震進(jìn)行震例回溯發(fā)現(xiàn)，其中5 次地震發(fā)生在低b值區(qū)域，11 次地震發(fā)生在b值＞0.7 區(qū)域，表明低b值區(qū)域內(nèi)部或者周邊有發(fā)生中強(qiáng)震的可能性，然而b值＞0.7 地區(qū)也不可忽略，謹(jǐn)防中強(qiáng)地震發(fā)生。