波速比(v_P/v_S)是描述上地壳介质性质的重要物理量(李善邦, 1981)。地震学研究表明, 波速比的时变特征反映了地壳介质的物性变化, 而此种变化与强震孕育过程可能存在相关性(Schaff et al, 2004)。在地震孕育过程中, 震源区的岩石可能出现微破裂扩容、塑性硬化及相变等变化, 从而引起地震波传播速度的变化。王林瑛等(2014)采用单台多震和达法, 计算2013年4月20日芦山M 7.0地震前多个台站波速比, 发现具有降低和回返的变化过程; 李艳娥等(2016)对2008年汶川M 8.0地震前后四川地区波速比变化特征进行分析, 发现孕震区在震前出现长达7年左右的波速比低值异常。由此可见, 对震源区波速比的监测, 可为孕震过程中地壳介质特性可能发生的变化提供参考。

唐山曾是地震灾害严重区域, 自1976年7月28日M 7.8地震发生以来, 一直是地震学研究关注的热点地区之一。关于该区上地壳波速比分布特征及其与地震活动的关系, 已有部分研究成果。如:冯德益等(1981)采用最小二乘法, 计算1970—1976年唐山附近多次地震的平均波速比, 并分析波速比平面分布和时变特征, 结果表明:唐山M 7.8地震的震中附近有波速比低值异常区, 区域平均波速比在震前经历了低值—高值的变化过程; 王林瑛等(2008)利用多台和达法计算了唐山地区在2006年7月4日河北文安M 5.1地震前后的平均波速比, 结果发现:文安地震前, 在唐山附近地区波速比呈正常—降低—恢复—发震的异常演变过程。上述研究表明, 在唐山附近地区, 地壳平均波速比的变化具有一定地球物理意义。因此, 文中对近年来唐山震区的上地壳平均波速比进行测量, 并对波速比水平分布特征、时变特征及其与地震活动的关系进行分析, 为该区波速比变化的地球物理异常增加判定依据。

唐山震区(38.5°—40.2°N, 117°—119°E)位于华北盆地东北部, 区内NE或NNE向、NW向、近EW向3组断裂构造互相切割、阻截, 在宝低、宁河、滦县、滦南之间构成一个以唐山、丰南为中心的NEE走向的菱形块体, 唐山M 7.8地震的主震即发生在此块体中部的唐山断裂附近, 见图 1中空心圆。

图 1(Fig. 1)

图 1 唐山震区断裂带分布 Fig.1 Distribution of faults in the Tangshan seismic zone

采用多台和达法计算唐山震区波速比。该方法的基本原理是:利用2组时间数据t_P、t_S和t_(S-P)i, 以其一为自变量另一参量为因变量, 拟合直线求取斜率, 从而得到波速比值。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T_P与T_S, 利用最小二乘法计算P、S波波速比(冯德益等, 1981), 公式如下

式中, n为台站个数, ∆T_i = T_S - T_P。

对于波速比线性相关系数R, 可采用下式进行计算

2012—2016年, 唐山震区地震活动以M_L 5.0以下小震为主(图 2), 其中:70%以上地震的震级分布在M_L1.0—2.0范围内, 最大地震为2012年5月28日滦县M_L 5.0地震; 震源深度分布在0—30 km范围内, 大部分在5—10 km区间(图 3)。对于唐山震区上地壳平均波速比, 因该区上地壳厚度约10 km(段永红等, 2016), 故选择震源深度在5—10 km范围的地震事件参与计算。

图 2(Fig. 2)

图 2 2012—2016年唐山地震带附近地震活动 Fig.2 Seismicity of Tangshan seismic zone from 2012 to 2016

图 3(Fig. 3)

图 3 震源深度随时间变化的分布 Fig.3 Distribution of focal depths with time

波速比计算结果的可靠性受到某些因素影响, 主要有:直达波Pg和Sg到时的拾取精度、参与拟合的台站个数、地震定位精度等。为了提高计算结果的精度, 对地震事件进行筛选, 原则如下:①至少有5个直达波到时数据; ②震相到时拾取精度不大于0.1 s; ③波速比相关系数R≥0.95;④∆T_i限定为0—20 s。

利用和达法计算得到唐山震区平均波速比分布在1.66—1.74范围内, 均值约1.71, 与姜秀娥等(1981)的计算结果接近, 说明计算结果是可信的。为分析唐山震区波速比水平分布特征, 绘制波速比等值线, 见图 4。由图 4可见, 唐山震区附近上地壳平均波速比水平分布呈区域化特征, 在河北的昌黎、滦县、迁安、迁西、三河、平谷以及天津的宁河、宝坻等地区附近表现为低值异常, 而在河北的乐亭、滦南以及天津的蓟县附近则表现为高值异常, 反映出研究区复杂的地壳结构。

图 4(Fig. 4)

图 4 唐山震区上地壳平均波速比等值线 Fig.4 Contour of the average wave velocity ratios of the upper crust under the Tangshan seismic zone

为了分析波速比变化的地球物理异常意义, 绘制唐山震区波速比随时间变化的曲线, 并与地震发生日期进行对比。以2016年9月10日唐山开平区M_L 4.6地震为例进行分析, 震前波速比异常变化曲线见图 5, 其中(b)图为(a)图方框区局部图像放大, 虚线箭头表示波速比的整体变化趋势。

图 5(Fig. 5)

图 5 2016年9月10日唐山ML 4.6地震前波速比异常变化 Fig.5 Variation of the average wave velocity ratio before the Tangshan ML 4.6 earthquake

由图 5可见:2016年1—7月, 波速比在均值上下小幅波动, 周期变化不大, 7月11日开始曲线变化出现异常形态, 持续相对较长时间的下降, 至8月23日达年度极小值1.68, 后开始回升, 在回升过程中于9月10日发生M_L 4.6地震, 波速比呈较为明显的正常—低值异常—恢复—发震的演变过程。

对于唐山震区另外2次M_L 4.0以上地震, 即2012年5月28日滦县M_L 5.0地震和2015年9月14日昌黎M_L 4.7地震, 发震前波速比同样出现不同程度的下降—低值—回升异常形态(图 6)。

图 6(Fig. 6)

图 6 地震前波速比异常变化 (a) 2012年5月28日滦县ML 5.0地震; (b) 2015年9月14日昌黎ML 4.7地震 Fig.6 Variation of the average wave velocity ratio before the earthquake

波速比计算结果的可靠性可能受到直达波Pg和Sg到时的拾取精度、参与拟合的台站个数、地震定位精度等因素的影响。其中, 地震定位精度对波速比的影响值得关注。已有研究结果表明, 测震台网布局是影响地震定位效果的决定性因素, 尤其对于震源深度的约束, 通常要求至少有1个近台(董一兵等, 2018; Dong et al, 2018), 而唐山震区地震台站分布较为密集, 地震定位精度较高, 故波速比计算精度较高。

通过分析唐山震区平均波速比的水平分布与时变特征, 可得到以下结论:①唐山震区上地壳平均波速比约为1.71;②平均波速比的水平分布呈区域化特征, 反映出唐山震区复杂的地壳结构; ③区内3次4级以上地震发震前波速比均出现不同程度的下降—低值—回升形态, 表明该区平均波速比变化可能携带地球物理异常信息, 对地震预测、预报有一定研究价值。