張環(huán)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(tái)，河北 石家莊 050000；2. 河北省地震局預(yù)測(cè)研究中心，河北 石家莊 050000)

首都圈北部地區(qū)波速比變化分析

張環(huán)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(tái)，河北 石家莊 050000；2. 河北省地震局預(yù)測(cè)研究中心，河北 石家莊 050000)

本文選取首都圈臺(tái)網(wǎng)記錄的地震波數(shù)據(jù)，根據(jù)基于最小二乘法的波速比公式編制程序，自動(dòng)讀取震相到時(shí)，計(jì)算研究區(qū)的平均波速比。通過(guò)分析波速比與震級(jí)、時(shí)間的關(guān)系，認(rèn)為其變化與地震活動(dòng)有較明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)波速比變化的研究對(duì)未來(lái)地震的預(yù)測(cè)有一定的應(yīng)用價(jià)值。

波速比；首都圈北部地區(qū)；前兆變化；最小二乘法

當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘貧そ橘|(zhì)中傳播時(shí)，其傳播速度是地殼介質(zhì)各種物理參數(shù)的函數(shù)。地震時(shí)區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化，地殼介質(zhì)的物理參數(shù)隨之變化，地震波通過(guò)應(yīng)力變化區(qū)時(shí)傳播速度也會(huì)發(fā)生變化。由于P波和S波對(duì)地殼介質(zhì)物理參數(shù)的響應(yīng)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(huì)發(fā)生變化。應(yīng)用P波和S波比值可以探測(cè)地殼介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)，這已發(fā)展成為一種重要的分析預(yù)報(bào)地震的方法。

我國(guó)自開(kāi)展波速比研究以來(lái)，已經(jīng)取得了一定成果，并通過(guò)一批震例，試圖歸納波速比變化的時(shí)間、幅度、形態(tài)與強(qiáng)震的關(guān)系，其中不乏有預(yù)測(cè)成功的事例。蔡靜觀等展開(kāi)了波速比變化在云南強(qiáng)震預(yù)測(cè)中的應(yīng)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(jí)地震前后源區(qū)與場(chǎng)區(qū)波速比的時(shí)空變化特征及其異常[4]；梅世蓉、陸遠(yuǎn)忠等也有利用波速比異常做出預(yù)測(cè)的震例[5-8]；啜永清等采用格點(diǎn)嘗試法、和達(dá)法分別計(jì)算了山西大同盆地的平均波速比，探討了該區(qū)平均波速比在中強(qiáng)震前后的變化規(guī)律，得出山西大同盆地地震波速比在主壓應(yīng)力P 軸取向穩(wěn)定的條件下同步降低的負(fù)異常與該區(qū)中強(qiáng)地震有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的結(jié)論[9-10]；趙晉明等從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)巖石在破裂前，波速比會(huì)發(fā)生明顯變化。此外，波速比也用來(lái)分析地殼和地幔的結(jié)構(gòu)。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(qū)速度結(jié)構(gòu)特征；黎明曉計(jì)算了首都圈地區(qū)的平均波速比和應(yīng)用多臺(tái)法測(cè)定了華北地區(qū)地殼的平均波速比[13]。近年來(lái)，隨著數(shù)字地震波形資料的積累，國(guó)內(nèi)利用數(shù)字地震資料研究波速比變化特征逐漸增多，獲得了不同區(qū)域發(fā)生的中強(qiáng)地震波速比變化特征研究成果。

1 研究數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于首都圈北部(38.5°-41°N，114°-120°E)，該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，主要斷裂帶有山西斷陷帶、燕山構(gòu)造帶西段和陰山構(gòu)造帶東段。自1978年以來(lái)曾發(fā)生過(guò)6次ML≧4.5級(jí)地震，并伴隨大量前兆異?，F(xiàn)象，多出現(xiàn)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(qū)ML2.0以上地震目錄與到時(shí)數(shù)據(jù)。為降低震相到時(shí)拾取誤差的影響，我們挑選其中P、S震相清晰的記錄來(lái)計(jì)算波速比。圖1為研究區(qū)的斷裂帶與震中分布，圖2為研究區(qū)地震臺(tái)站分布。

圖1 首都圈北部地區(qū)斷裂帶與震中分布

圖2 首都圈臺(tái)站分布

2 研究方法

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

式中，n為臺(tái)站個(gè)數(shù)，ΔTi

用和達(dá)法計(jì)算波速比時(shí)，P、S波的到時(shí)差的ΔTi選擇至關(guān)重要。若ΔTi太大，則樣本量太大，少數(shù)臺(tái)站觀測(cè)到的異常信息可能會(huì)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(nèi)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是所計(jì)算的波速比穩(wěn)定性好，精度高。但不足之處在于對(duì)臺(tái)網(wǎng)布局和時(shí)間服務(wù)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(jìn)行計(jì)算的方法是可行的。

3 結(jié)果分析

利用波速比公式編制程序，自動(dòng)讀取震相倒時(shí)，計(jì)算選取地震的波速比。為了保證計(jì)算結(jié)果的可靠性，從一個(gè)地震事件選取3個(gè)或者3個(gè)以上臺(tái)站記錄的地震記錄，并繪制出波速比隨時(shí)間關(guān)系曲線和五日均線波速比時(shí)序曲線。該區(qū)域所選時(shí)間段內(nèi)，記錄到2.0級(jí)以上地震事件987個(gè)，平均波速比均值為1.713387。圖3給出了地震的震級(jí)—時(shí)間關(guān)系，從圖上可以看出，2006年至2015年，研究區(qū)的中小地震活動(dòng)頻繁，絕大多數(shù)地震分布在2～3級(jí)之間，5級(jí)以上地震記錄到2次；圖4給出了波速比—震級(jí)關(guān)系，從圖上可以看出，研究區(qū)絕大多數(shù)地震的波速比分布在1.6～1.8區(qū)間內(nèi)，且震級(jí)越小，波速比的分布越離散，這可能是由于小震的震相到時(shí)拾取誤差比較大造成的；圖5給出了五日均線波速比時(shí)序曲線，從圖上可以看出，在2008年汶川地震前后，區(qū)內(nèi)平均波速比呈現(xiàn)出上升—下降—上升的變化趨勢(shì)；2006年河北文安5.1級(jí)地震波速比下降，隨后開(kāi)始上升；2012年唐山4.8級(jí)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(jí)—時(shí)間關(guān)系

圖4 波速比—震級(jí)關(guān)系

圖5 五日均線波速比時(shí)序曲線

4 結(jié)論

基于本文的分析，主要可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：(1)首都圈北部地區(qū)的平均波速比為1.71，這與現(xiàn)有的研究成果比較一致。(2)通過(guò)分析波速比的時(shí)間變化趨勢(shì)，確認(rèn)了其與顯著地震的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明波速比對(duì)地震預(yù)測(cè)有一定的應(yīng)用價(jià)值。從該區(qū)五日均線和時(shí)間的關(guān)系可以看出，2008～2009年波速比整體值的變化趨勢(shì)為從低到高，這可能與汶川地震對(duì)該地區(qū)介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生的影響有關(guān)。而波速比異常可能表明該地區(qū)地殼介質(zhì)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，這可能預(yù)示著未來(lái)有發(fā)生地震的危險(xiǎn)。(3)該地區(qū)幾次中強(qiáng)地震之前，出現(xiàn)了波速比低值區(qū)域，但是每次低值區(qū)域持續(xù)時(shí)間各有不同。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可能是由于孕震環(huán)境不同，但還需要進(jìn)一步論證。

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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(huán)曦(1982-)，男，河北省邢臺(tái)市人，工程師.

河北省地震科技星火計(jì)劃項(xiàng)目(DZ20140709027).

P315.31

B

1001-8115(2017)02-0019-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.02.005