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  地震地磁观测与研究  2017, Vol. 38 Issue (5): 33-38  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.05.006
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引用本文  

王霞, 宋美琴, 李宏伟, 等. 大同窗视应力时变特征浅析[J]. 地震地磁观测与研究, 2017, 38(5): 33-38. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.05.006.
Wang Xia, Song Meiqin, Li Hongwei, et al. Analysis on time-variation characteristics of the apparent stress of Datong window[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2017, 38(5): 33-38. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.05.006.

基金项目

山西省地震局2016年科研项目(项目编号:SBK-1608);2016年度震情跟踪青年课题(项目编号:2016010114)

通信作者

宋美琴(1968-), 女, 研究员, 主要从事地震活动性、综合预报等研究工作

作者简介

王霞(1987-), 女, 工程师, 2012年毕业于中国地质大学(北京)矿产普查与勘探专业, 主要从事测震学及地震综合预报等研究工作

文章历史

本文收到日期:2016-11-16
大同窗视应力时变特征浅析
王霞 , 宋美琴 , 李宏伟 , 李丽 , 吴昊昱     
中国太原 030021 山西省地震局
摘要:利用山自皂、恒山和阳原地震台记录,计算大同窗2001年至2015年6月小震波形视应力,并消除震级影响,获得大同窗小震差视应力随时间的变化结果。结果显示,在山西带和张渤带10次ML 5左右地震前,差视应力震前5-517天出现明显的高值异常,震后恢复到背景应力水平。结合山自皂台(SZZ)记录的介质品质因子Qm数值,差视应力和介质品质因子Qm在10次ML 5左右地震前呈现超出1倍均方差的准同步高值变化,可见区域应力和介质变化对中强地震孕育有一定反映。
关键词差视应力    介质品质因子    大同窗    
Analysis on time-variation characteristics of the apparent stress of Datong window
Wang Xia, Song Meiqin, Li Hongwei, Li Li, Wu Haoyu     
Shanxi Earthquake Agency, Taiyuan 030021, China
Abstract: In the paper, the apparent stress of Datong window through SZZ, HSH and YAY stations is calculated and the differential apparent stress after eliminating the influence of magnitude is obtained, using the waveform data of small earthquakes from 2001 to June, 2015. The results show that:the obvious high value anomalies of differential apparent stress occurred 10 times before 5 days to 517 days of ML 5 earthquakes in Shanxi seismic belt and Zhangjiakou-Bohai seismic belt, and then recovered to background stress level after the shocks. Combined with the results of medium quality factor (Qm) recorded by SZZ station, the differential apparent stress and medium quality factor(Qm) presented the synchronous high value process which were the high values over 1 times mean square error. The variation of regional stress and medium probably reflects the mid-strong earthquakes preparation process.
Key Words: differential apparent stress    medium quality factor    Datong window    
0 引言

地震窗又称前兆敏感点或窗口、窗,王泽皋(1979)首次提出“窗口”,认为邢台余震频度增高可作为华北地区大震活动的前兆,并讨论了余震活动区可作为监视区域构造应力场增减情况的“窗口”。目前,针对窗口的研究已积累了大量成果,研究方法较为全面,如:王泽皋(1986)姜秀娥等(1989)宋俊高等(1989)对“地震窗”的物理意义、预报方法和预测能力以及震群活动的特征参数等开展了较为系统的探索和研究;姜秀娥等(1981, 1982)、王泽皋(1986)王桂岭等(1987)苏鸾声(1997)郑兆苾等(1999)王培玲等(2004)指出,以往频度的变化是窗口较为典型的应用实例,包含丰富的地震前兆信息,具有较高短期预报效能;王想等(2016)以应变能作为预测指标来反映地震窗对周边中强震的指示意义。近年来,围绕“地震窗”开展的工作已明显转向数字化地震学研究,如:陈宇卫等(2007)研究窗内小震序列的构造背景应力和视应力变化特征;李发等(2013)研究窗内中小地震的地震波衰减特征;洪德全等(2013)研究窗内重复地震尾波Qc值的变化等。

自1989年10月19日大同—阳高6.1级震群发生以来,该区域余震不断,啜永清(1999)认为此地可作为监视华北北部地区地震活动的“窗口”,下文简称“大同窗”(吕芳等,2013吕睿等,2014王霞等, 2014, 2015)。啜永清等(1995, 1999, 1999)通过普遍应用的月、日频次起伏变化和中强震对应关系进行地震预测研究,本文利用数字化地震观测记录,对大同窗2001年以来的小震活动进行视应力计算,结合P波衰减频散的介质品质因子Qm值等结果,尝试从数字地震学方面获得大同窗在近场区2002年大同ML 4.0、2010年大同ML 5.0、2013年大同ML 4.1及山西带、张渤带ML 5左右地震前后的变化特征。

1 方法和资料

地震视应力σappWyss M et al,1968)为地震效率与平均应力的乘积,是平均应力的下限,表示单位地震矩的震源辐射出的地震波能量,可以作为当地绝对应力水平的一个间接估计(吴忠良等,2002)。其定义为

$ {\sigma _{{\rm{app}}}} = \mu \frac{{{E_{\rm{S}}}}}{{{M_0}}} $ (1)

其中: ES为地震波辐射能量;M0为地震矩;μ为震源区介质剪切模量,通常取3.0×104MPa。ESM0之比表示单位地震矩辐射出的地震波能量。σapp值越高,表明震源区应力水平越高。

在近震源条件下,选取震中距200 km以内的地震台站记录。根据各台站波形记录的质量,选取信噪比较高、记录较清晰的波形数据,并对其进行去倾和仪器响应校正处理,并选取S波波段1.0—20 Hz的波形进行震源谱计算。

选取大同窗2001年—2015年6月ML≥1.5地震中信噪比较高、记录较清晰的地震波形,计算地震视应力。符合条件的地震记录有101条,其中:ML 1.5—1.9地震68次,ML 2.0—2.9地震30次,ML 3.0—3.9地震3次。由于山自皂台(SZZ)、阳原台(YAY)、恒山台(HSH)震中距均小于30 km且很好地包围大同窗(图 1),为了降低因仪器响应、传播路径和介质衰减校正不确定性造成的影响,利用3个地震台记录计算其视应力。为了消除震级对视应力的影响,利用差视应力来分析研究区应力状态变化。

图 1 大同窗附近地震台及小震分布 Fig.1 The distribution of the stations and small earthquakes around Datong window

收集梁向军等(2014)对2009—2011年山西北部地区(38°—40°N,111°—115°E)ML≥2.0地震计算的视应力结果,与震级进行拟合(图 2),根据拟合关系式计算得到理论视应力值,并由此外推ML 1.5—1.9地震对应的理论视应力值,通过实际计算得到的视应力与理论视应力差值获得差视应力。

图 2 山西北部地区ML≥2.0地震视应力与震级关系 Fig.2 The relationship between apparent stress and ML≥2.0 earthquakes in the northern of Shanxi Province
2 视应力结果

通过计算获得大同窗ML≥1.5地震的差视应力时序变化曲线(图 3),其差视应力值范围为(-0.8—1.6)×105 Pa,平均值为0.19×105 Pa,可能作为研究区背景应力水平,把差视应力大于1倍均方差0.64×105 Pa视为高值异常,统计对应的地震,具体结果见表 1。由图 3表 1可见,在大同窗近场区2002年ML 4.0、2010年ML 5.0、2013年ML 4.1地震及山西带、张渤带共10次ML 5左右地震前,该区域差视应力在发震前1—539天出现7组明显的高值异常,说明区域应力场震前存在增强变化过程,而震后很快恢复到背景应力水平;震前高值基本是单峰异常,但由于数据样本少,且因信噪比要求而筛除部分地震,造成只能提取目前这些突跳信息。

图 3 大同窗ML≥1.5地震的差视应力结果 Fig.3 The differential apparent stress of the ML≥1.5 earthquakes in Datong window
表 1 大同窗差视应力异常和地震对应统计 Tab.1 The statistics of the anomalies of differential apparent stress of Datong window and the corresponding earthquakes

结合山自皂台(SZZ)记录的大同窗内ML≥1.0小震资料介质品质因子Qm测量结果(图 4表 2)(王霞等,2017),发现介质品质因子Qm在近场和外围10次ML 5左右地震前5—517天出现7组高值异常,且差视应力和介质品质因子Qm均显示超出1倍均方差的准同步高值变化特征;除2002年10月大同4.0级、2003年11月洪洞5.0级、2004年1月滦县5.0级和2006年7月文安5.5级地震外,其余6次震前383—539天出现差视应力高值,然而介质品质因子Qm于震前5—137天出现高值异常。通过Qm值与tS-P走时差相除,消除震中距和深度对介质品质因子Qm的影响后,山自皂台介质品质因子Qm图 5)与原始Qm值相比,差视应力和介质品质因子均显示准同步高值变化过程,其后1年内在山西带发生一组地震,并对应震前大幅度异常,而小幅度异常消失且存在地震漏报现象。

图 4 山自皂台的介质品质因子时序曲线 Fig.4 The curve of medium quality factor of SZZ station
表 2 山自皂台介质品质因子异常和地震对应统计 Tab.2 The statistics of the anomalies of medium quality factor at SZZ Station and the corresponding earthquakes
图 5 山自皂台介质品质因子时序曲线(消除震中距、深度影响后) Fig.5 The curve of medium quality factor of SZZ station (after eliminating the influence of the epicentral distance and depth)
3 讨论与结论

利用大同窗附近山自皂台、恒山台和阳原台地震记录,计算小震视应力,并扣除山西北部地区背景视应力值,且消除震级影响,获得大同窗2001年至2015年6月小震差视应力时序变化。结果显示:在大同窗近场区3次地震及山西带、张渤带共10次ML 5左右地震前,该区域差视应力在发震前1—539天出现明显高值异常,而震后很快恢复到背景应力水平。

结合同时段山自皂台(SZZ)记录的介质品质因子Qm测量结果,综合分析认为:①差视应力和介质品质因子Qm在10次ML 5左右地震前5—517天出现超出1倍均方差的准同步高值变化过程;②消除震中距和深度对介质品质因子Qm影响后,差视应力和介质品质因子Qm在7次ML 5左右地震前显示超出1倍均方差的准同步高值变化过程,且呈现2组较大幅度异常,并对应一组地震,而幅度较小异常则消失,且多个地震漏报。

大同窗小震差视应力和介质品质因子Qm在中等地震前的准同步高值现象,可能反映区域应力高于背景应力水平时,即区域应力场增强时,由于地震窗区域微裂隙闭合,导致局部介质对地震波的吸收能力减小,引起地震波能量衰减速率减慢,因而测量的介质品质因子相对增大;震后区域应力很快恢复到背景水平,即区域应力场对大同窗作用减弱时,局部介质表现出较强的非弹性性质,造成Qm值下降。此外,有6次地震前1年以上出现差视应力高值,而介质品质因子Qm震前约3个月出现高值异常,2个中短期异常的先后出现也与上述解释较为吻合。以上现象与大同窗所处构造环境息息相关,大同窗处在六棱山北麓断裂、团堡断裂和大王村断裂交汇部位附近,且窗口内发生1989年、1991年和1999年大同—阳高中强震群,震区介质比较破碎敏感,对于区域应力变化反映灵敏。

另外,大同窗在山西地震带远场地震、张渤带中等地震前有所反映,前者是由于大同窗位于同一大陆裂谷北端,后者可能与大同火山至渤海下方“Y”字形低波速异常起到传导作用有关(Lei J S,2012)。

衷心感谢中国地震局地球物理研究所李艳娥老师为本文提供计算程序,并给予热心帮助和指导;感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议。

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