在地壳演化过程中,介质的物理性状将产生一系列变化,如:微破裂、扩容、塑性变化及相变等(蔡静观等,2000)。在地震学领域,地震波作为探测地震及地球内部信息的主要来源,有关专家学者主要对地震体波、面波层析成像、接收函数和波速等进行研究。其中,波速是地震波运动的重要参数。地震波通过地壳介质时,波速相应发生变化,研究波速比及传播介质的性质成为研究地震的重要课题之一。中国自开展波速比研究以来,通过归纳波速比变化的时间、幅度、形态与强震的关系,取得一定成果(冯德益,1981;蔡静观等,2000)。当地震波在地壳介质中传播时,其传播速度是地壳介质各种物理参数的函数。地震时区域应力场发生变化,地壳介质的物理参数随之变化,地震波通过应力变化区时传播速度也会发生变化(李丽等,2016)。在强震发生前,孕震区及邻近区域内介质应力和应变状态会发生相应变化,而其他中小地震的地震波穿过孕震区到达地震台站时,波速会发生异常变化。因此,利用地震台站记录的地震波走时资料,可以研究地震前兆变化(韩晓明等,2015)。
河北北部地区位于中朝地台边缘,燕山褶皱带、山西断隆和华北断陷区交汇处,地质构造较复杂。在中元古代至中生代早期,该区历经相当长且相对稳定时期,中生代燕山运动使整个地区产生褶皱和断裂,新生代以来,仍有相对强烈的地壳运动。张家口—渤海地震带西北段、山西地震带北段和河北地震带在华北地区交汇,导致该区地震记录资料丰富,有历史地震记录以来发生6级以上地震13次,自1978年发生6次4.5级以上地震,多出现在断裂周边及交汇处。本文对河北北部地区波速比进行研究,以期得到波速比变化与相关地震活动的对应关系。
1 资料选取河北北部地区地质构造运动相对活跃,测震台站分布较多,自2006年至今,累积大量连续可靠的数字化波形资料,为研究波速比提供了良好的数据基础。根据波速比时序曲线很难在短时间内判定异常(蔡静观等,2000),为保证所选取地震样本的可靠性,提高波速比值精度,由此选取河北北部地区(38.5°—41°N,114°—120°E)范围内2006年1月—2015年10月累积的震例,为确保波速比值的计算精度和可信度,根据测震台站测定的相关数据,选取ML 2.0地震进行研究,共计987个地震事件参与计算。所选地震及台站分布见图 1。
日本地震学家和达清夫1928年提出计算波速比的和达法,即将S波与P波到时差与P波到时拟合为1条直线(冯德益,1981)。根据4个以上数字地震台记录的清晰直达波Pg和Sg震相到时tP与tS,采用最小二乘法计算波速比,即
$\frac{{{v}_{\text{P}}}}{{{v}_{\text{S}}}}=1+\frac{n\sum\limits_{i=1}^{n}{\Delta t_{i}^{2}}-{{\left( \sum\limits_{i=1}^{n}{\Delta {{t}_{i}}} \right)}^{2}}}{n\sum\limits_{i=1}^{n}{\Delta {{t}_{i}}}{{t}_{\text{P}i}}-\sum\limits_{i=1}^{n}{{{t}_{\text{P}i}}}\sum\limits_{i=1}^{n}{\Delta {{t}_{i}}}}$ | (1) |
式中,n为台站数,Δti = tSi-tPi。则相关系数R为
$R=\frac{\sum\limits_{i=1}^{n}{\left( {{t}_{\text{P}i}}-\overline{{{t}_{\text{P}}}} \right)\left( \Delta {{t}_{i}}-\overline{\Delta {{t}_{i}}} \right)}}{\sqrt{\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( {{t}_{\text{P}i}}-\overline{{{t}_{\text{P}}}} \right)}^{2}}\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( \Delta {{t}_{i}}-\overline{\Delta {{t}_{i}}} \right)}^{2}}}}}}$ | (2) |
误差γ为
$\gamma ={{\left( \frac{{{v}_{\text{P}}}}{{{v}_{\text{S}}}}-1 \right)}^{2}}\sqrt{\left| \frac{n\sum\limits_{i=1}^{n}{{{\left( \delta {{{{t}'}}_{\text{P}i}} \right)}^{2}}}}{\left( n-2 \right)\left[ n\sum{\Delta t_{i}^{2}-{{\left( \sum\limits_{i=1}^{n}{\Delta {{t}_{i}}} \right)}^{2}}} \right]} \right|}$ | (3) |
采用和达法计算波速比,P、S波到时差∆ti的选择至关重要。若∆ti取值过大,则样本数太大,少数地震台观测到的异常信息可能遗漏;若∆ti取值过小,则样本数太少,波速比计算结果误差太大。根据以往研究(韩晓明等,2015),将∆ti控制在0—18 s,波速比计算结果较为适中。
3 数据分析 3.1 计算结果精度限定波速比判定的要点是震相精度和可靠性判定。为考察计算结果的稳定性,根据河北省地震局地震台网2006年至2015年10月的观测报告提供的地震波到时资料,利用波速比公式编制程序,自动读取震相到时,选取研究区域内震相清楚的地震事件。针对每次地震事件,对各地震台站记录的Pg、Sg震相到时进行和达直线检测,对偏离直线的地震台站的震相到时进行校对和修正,删除无法修正、偏离较大的无效数据,统计确定以下限定条件:一个地震至少有4条以上(包含4条)清晰记录,相关系数R≥0.98,选取标准误差γ≤0.05,因研究区域测震台站相对密集,(tP-tS)设定为0—18 s,在此时段内震相到时读取误差小于0.5 s,既可保证样本数足够,也可保证观测数据精度。
3.2 计算结果分析 3.2.1相关系数与震级的关系。由公式(2) 计算相关系数R,得到其平均值为0.997,统计相关系数与地震震级之间的关系,见图 2。统计发现,经过计算相关系数平均值为0.997。R > 0.997的地震事件有682个,占所选地震总数的69.09%;R < 0.997的地震事件有305个,占所有地震事件的30.91%;R > 0.997的地震事件中,震级在2.0—3.0范围内的地震事件有618个,占地震总数的90.61%。地震事件震级偏小,但由于地震台站分布较好,使计算事件的相关性较好。由图 2可知,相关系数与震级无明显关系。
波速比分析。由公式(1),计算河北北部地区所选地震波速比,得到平均波速比为1.71,波动范围1.69—1.73,其中最小值为1.66,最大值为1.76。由此得到2006—2016年该地区五日均值波速比时序曲线,见图 3。
由图 3可见,2006—2008年波速比变化幅度最大,最小值和最大值均出现在此时段,随后波曲线变化趋于平缓;2006年波速比值呈下降趋势,5月出现低值异常,随后回升,于2006年7月4日发生文安地区5.1级地震;2012年波速比曲线出现缓慢下降—低值异常—回升—加速回升状态,于2012年5月28日发生唐山4.8级地震,随后呈缓慢回升状态;2014年4月波速比出现缓慢下降—低值异常—回升形态,于9月6日发生涿鹿4.3级地震。
以2006年文安5.1级地震、2012年唐山4.8级地震及2014年涿鹿4.3级地震为例,具体分析波速比变化与地震异常的关系,波速比变化曲线见图 4。
由图 4(a)可见,2006年1月—2月波速比由1.71缓慢上升至1.72,处于正常范围,之后曲线呈下降趋势,5月出现全年低值,波速比为1.69,差值为0.02,降幅达1.12%,随后波速比曲线呈上升趋势,并于2006年7月4日发生河北文安5.1级地震,该地震前波速比具有较为明显的正常—低值异常—恢复—发震的异常演变过程,与王林瑛等(2008)给出的文安地震前后波速比变化趋势相符合。
由图 4(b)可见,2012年初波速比值为1.71,处于正常范围,随后下降,至年中降至1.70,之后快速回升到1.72,差值为0.03,上升幅度为1.49%,超出正常变化幅度范围,随后于2012年5月28日发生唐山4.8级地震,震前同样显示出低值异常—回升—加速回升—下降趋势,该变化形态与张小涛等(2012)对河北邯郸—邢台地区波速比和泊松比的分析结果相符合。
由图 4(c)可见,2014年9月6日涿鹿4.3级地震前,波速比值明显下降,出现低值开始回升时发生地震,之后波速比数值缓慢回升。与1969年前苏联科学家谢苗诺夫观测加尔姆地区部分ML 3.5—5.5地震前纵波、横波的波速比(走时比)异常过程(冯德益,1981)结论相符合。
通过综合分析3个典型震例波速比计算结果,认为震前波速比存在规律性的地震前兆异常信息,即震前波速比均呈现正常—低值异常—恢复—发震的异常演变过程,可做为地震前兆异常判定的辅助方法。
4 讨论基于河北数字地震台网震相到时报告,使用和达法计算得到2006年1月至2015年10月河北省北部地区平均波速比值为1.71,波动范围为1.69—1.73。由该区3个典型震例波速比结果可知,震前波速比均呈现正常—低值异常—恢复—发震的异常演变过程。
该地区几次中强地震前,均出现波速比低值区域,而持续时间有所不同,可能是不同震例孕震环境不同造成的,具体原因需进一步分析论证。2014年以来该区域波速比趋于平静,未来需对波速比指标进一步分析。
采用和达法计算的波速比稳定性好,精度高,但对于测震台网布局和时间服务精度要求较高,由于河北省地震局“十五”测震台网观测系统运行以来,直接从波速比提取地震前兆信息比较困难,中强地震震例相对较少,仅选取3个典型震例进行分析,今后需积累更多震例分析,以得到相对精确的结果。
蔡静观, 秦嘉政, 苏有锦, 等. 云南姚安6. 5级地震的震中分布图像和孕震环境[R]. 北京: 中国地震学会学术大会, 2000. | |
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