韓曉明 陳文凱 張文韜

1）中國呼和浩特 010010 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局

2）中國甘肅 730000 中國地震局蘭州地震研究所

3）中國合肥 230000 安徽省地震局

0 引言

河套地震帶位于鄂爾多斯隆起和陰山隆起之間，由臨河盆地、白彥花盆地和呼包盆地等次級盆地右階斜列組成，這3個盆地分別受色爾騰山山前斷裂、烏拉山山前斷裂及大青山山前斷裂控制，為近EW向左旋剪切拉張帶，且?guī)?nèi)多為左旋正走滑斷裂。從外圍動力學(xué)環(huán)境分析，河套地震帶是鄂爾多斯塊體和陰山隆起受到近水平拉張作用產(chǎn)生互相錯動而產(chǎn)生的走滑型地震帶；從內(nèi)部應(yīng)力作用分析，地震帶所轄3個盆地的互相推擠作用是河套地震帶6級中強地震的動力根源，而在中強地震的孕育過程中，盆地內(nèi)部小震活動較為集中，有利于開展類似波速比等測震學(xué)指標的研究（國家地震局鄂爾多斯周緣活動斷裂系課題組，1988；鄧起東，1999；冉勇康，2003；劉芳，2007）。

波速比研究的理想條件是，足夠小的空間范圍內(nèi)有足夠多的地震事件和地震臺站，雖然幾乎沒有符合要求的區(qū)域，但是以此為指導(dǎo)思想開展波速比研究是可行的、科學(xué)的。在內(nèi)蒙古地區(qū)，河套地震帶地震活動活躍，地震臺站分布密集，為開展波速比研究提供了有利條件。本文利用和達法求解多臺單震平均波速比，并根據(jù)不同的構(gòu)造單元，分別對臨河盆地和呼包盆獨立研究，進行時間和空間上的對比分析，在呈現(xiàn)波速比時空變化特征的基礎(chǔ)上，探討不同物化性質(zhì)的介質(zhì)體對波速比的影響。

1 研究區(qū)概況

1900年以來，河套地震帶地震活動明顯增強，陸續(xù)發(fā)生7次6級以上中強地震。特別是1970年以來，4次6級以上中強地震均發(fā)生在鄂爾多斯塊體北緣的河套地震帶（表1），時間最近的一次為1996年包頭6.4級地震，河套地震帶是近50年來鄂爾多斯周緣中強地震最為活躍的地段。

表1 河套地震帶1970年以來MS≥6.0地震Table 1 Earthquakes with MS≥6.0 occurred in Hetao seismic belt since 1970

圖1 河套地震帶2000年以來ML≥1.5地震空間分布Fig.1 Spatial distribution of ML≥1.5 earthquakes in Hetao seismic belt since 2000

1970年以來，河套地震帶在6級以上中強地震連發(fā)的同時，中小地震活躍，順延河套地震帶眾多斷裂系，形成內(nèi)蒙古西部地區(qū)近似“弧形”的地震活躍地帶（圖1）。從空間分布看，地震活動主要集中于西側(cè)的臨河盆地和東側(cè)的呼包盆地，南側(cè)的白彥花盆地面積較小，大部分區(qū)域位于鄂爾多斯塊體，少有地震記錄，該盆地東西2個邊界分別毗鄰臨河盆地和呼包盆地，并且3個盆地之間沒有橫跨某一斷裂，綜合考慮計算的限定條件、地震樣本數(shù)和結(jié)果可信度，決定將白彥花盆地的少量地震事件一分為二，分別并入臨河盆地和呼包盆地進行波速比計算分析。

經(jīng)“九五”數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，河套地震帶地震臺數(shù)量和質(zhì)量大幅提高，成為內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)分布密集、地震監(jiān)測能力最強的地區(qū)。同時，由9個遙測地震臺、1個接收中心和1個記錄中心組成的呼和浩特數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力大幅提升，監(jiān)測孔徑增加為東西約600 km、南北約230 km，監(jiān)測面積約14 000 km2，基本形成覆蓋河套地震帶的數(shù)字化地震觀測系統(tǒng)，為該區(qū)域波速比研究創(chuàng)造良好平臺（圖1，表2）。

表2 河套地震帶地震臺站基本參數(shù)Table 2 Stations′basic parameter of Hetao seismic belt

2 波速比計算

2.1 計算方法及條件設(shè)定

波速比研究是最為傳統(tǒng)的測震學(xué)分析方法之一，國內(nèi)外在此領(lǐng)域的研究已經(jīng)比較成熟（馮德益等，1981；傅征祥等，1988；蔡靜觀等，1999；蔡靜觀，2000；張學(xué)民等，2004；宋美琴等，2004；黎明曉等，2004；李永莉等，2008；王林瑛等，2008，2014；岳曉媛等，2008；張暉等，2013）。日本地震學(xué)家和達清夫于1928年提出求波速比的和達法，對1個地震以1組臺站記錄的縱波到時TPi和縱橫波到時差T(S－P)i的資料作圖，擬合直線求得斜率，再加1即為波速比。假設(shè)所選研究區(qū)域是理想的均勻彈性介質(zhì)，以多臺記錄到的近震直達P、S波到時TPi、TSi計算波速比r=VP/VS，相關(guān)系數(shù)R和波速比剩余標準差S的計算公式如下

式中，n為臺站個數(shù)， ΔTi=TSi-TPi。 則

本研究采用和達法計算區(qū)域平均波速比，針對內(nèi)蒙古地區(qū)地震臺網(wǎng)布局和地震活動頻次，基于Matlab平臺，編寫多臺聯(lián)合計算區(qū)域平均波速比的計算程序。根據(jù)內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)中心提供的地震觀測報告進行Pg和Sg到時數(shù)據(jù)讀取計算，并利用到時差tS－P、相關(guān)系數(shù)R等因子對計算過程進行約束，以保證波速比值的浮動范圍和結(jié)果的可靠性。保證4個以上地震臺記錄和盡可能多的地震事件參與計算，設(shè)定縱波和橫波的到時差tS－P上限為20 s，保證計算平均波速比的輻射半徑不超過150 km，在兼顧地震臺網(wǎng)密度和計算樣本數(shù)的基礎(chǔ)上，最大限度地消除地震波在傳播路徑上由于地球介質(zhì)性質(zhì)不同而產(chǎn)生的可能影響。

2.2 呼包盆地波速比

根據(jù)內(nèi)蒙古區(qū)域地震臺網(wǎng)提供的2000年1月1日—2012年8月30日的地震觀測報告，按照上述計算條件設(shè)定原則，采用和達法計算呼包盆地單震多臺平均波速比。由于人工拾取震相偶爾出現(xiàn)的震相識別誤差或操作失誤，使得觀測報告中有些地震的震相到時存在嚴重偏差甚至錯誤，導(dǎo)致個別波速比值顯著偏離正常范圍。

針對這些“錯誤”地震事件，對各地震臺記錄的Pg、Sg到時進行和達直線檢驗，對偏離直線的地震臺震相到時進行校對和修正，通過查閱原始地震觀測報告，找到偏離和達直線的地震臺，將其震相到時并與現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行比對和校正；對于有些偏離較大且無法從原始報告中查閱出震相到時數(shù)據(jù)的，在滿足計算要求（即參與擬合和達直線的臺站數(shù)目不少于4個）的前提下予以刪除。

計算結(jié)果顯示，2000年以來呼包盆地波速比取值范圍為1.60—1.88，為了更好地分析波速比時序曲線的變化趨勢，對原始數(shù)據(jù)進行“近均值滑動”（即滑動前后波速比平均值保持不變，圍繞均值線上下調(diào)整），滑動步長的選取根據(jù)多次實驗求得，選取原則是，保證滑動曲線和原始曲線在各時段內(nèi)的細節(jié)變化一致，進而依據(jù)區(qū)域地震樣本數(shù)進行綜合設(shè)定，最終以5個數(shù)據(jù)點為滑動步長進行平滑處理（圖2）。近均值滑動處理后，呼包盆地波速比（VP/VS）取值范圍縮小為1.66—1.80，研究時段內(nèi)的平均值為1.723，標準方差為±0.023 07。研究時段內(nèi)，呼包盆地波速比時序曲線未有顯著的趨勢異常，基本圍繞在均值線上下波動；2011年以來，時序曲線整體處于均值線以下，波速比呈現(xiàn)一定的持續(xù)性低值變化，表明呼包盆地在此時段內(nèi)所承受的應(yīng)力水平有所提高，使得地下介質(zhì)體的裂隙度減小，而整體剛性提升，對此較為敏感的S波在此應(yīng)力環(huán)境中傳播速度損耗減小，波速比隨之偏小。

圖2 呼包地區(qū)波速比時序曲線Fig.2 Temporal curve of velocity ratio (VP/VS) in Hubao basin

從波速比空間分布等值圖來看，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造體的差異同樣影響波速比變化。結(jié)果顯示，在呼包盆地內(nèi)部，地質(zhì)構(gòu)造體較為簡單，地殼介質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)較為統(tǒng)一，對介質(zhì)體較為敏感的S波未產(chǎn)生明顯變化，波速比值相對較為穩(wěn)定，取值范圍為1.70—1.75；而在呼包盆地邊緣，即盆地向隆起的過渡地帶，波速比值浮動變化范圍相對較大，出現(xiàn)多處波速比高低值轉(zhuǎn)換區(qū)域，大青山山前斷裂西部尤為明顯，波速比浮動范圍可達1.6—1.8（圖3）。這是由于地質(zhì)構(gòu)造過渡地段地殼介質(zhì)體差異顯著，較為敏感的S波穿越過程中會表現(xiàn)出構(gòu)造相依的變化特征，從而使波速比值隨著S波速度變化而產(chǎn)生較大幅度的相反變化。

為了分析計算精度，對波速比求解過程中涉及的幾個主要參數(shù)進行相關(guān)性分析。結(jié)果顯示，計算誤差S的整體值域為0.04—0.67，優(yōu)勢分布范圍為0.01—0.03；相關(guān)系數(shù)R的總體值域為0.993—0.999 3，優(yōu)勢分布范圍為0.996—0.998 5。隨著記錄臺站數(shù)目的增加，可以發(fā)現(xiàn)：①波速比計算誤差S的優(yōu)勢分布的波動幅度逐漸縮??；②相關(guān)系數(shù)R表現(xiàn)出相對模糊的遞增趨勢；③波速比值的值域明顯減小。相對而言，相關(guān)系數(shù)R與計算誤差S沒有明顯的相關(guān)性（圖4）。

圖3 呼包盆地波速比空間分布Fig.3 Spatial distribution of velocity ratio(VP/VS) in Hubao basin

圖4 呼包盆地波速比計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（a）計算誤差S與記錄臺站個數(shù)相關(guān)性；（b）相關(guān)系數(shù)R與記錄臺站個數(shù)的關(guān)系；（c）計算誤差S與相關(guān)系數(shù)R的相關(guān)性；（d）波速比與記錄臺站個數(shù)的相關(guān)性Fig.4 The data statistical analysis of velocity ratio(VP/VS) in Hubao basin

2.3 臨河盆地波速比

根據(jù)上述方法和步驟，對臨河盆地ML≥1.5地震事件進行波速比求解。經(jīng)過震相到時校正、近均值滑動等數(shù)據(jù)處理，結(jié)果顯示，近均值滑動前，臨河盆地波速比取值范圍1.61—1.86，近均值滑動后的取值范圍縮小至1.68—1.80，研究時段內(nèi)，臨河盆地的波速比平均值為1.733，計算方差±0.022 64，略高于呼包盆地（圖5）?？臻g分布顯示，波速比隨著區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造體的差異而形成明顯的高值和低值區(qū)域，特別是在狼山山前斷裂和杭錦后旗斷裂間的北東向凹型區(qū)域、從鄂爾多斯北緣斷裂中部橫貫臨河斷裂和色爾騰山山前斷裂的NW向區(qū)域，表現(xiàn)出較為連續(xù)的低值區(qū)域（圖6）。空間分布受到區(qū)域應(yīng)力水平增強的影響，也與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造體的細節(jié)差異有關(guān)。地質(zhì)資料顯示，狼山山前斷裂北段第四紀斷層較為發(fā)育，山前斷層崖和斷層陡坎出露明顯，南段相對較少，表現(xiàn)為北段的地質(zhì)體活動較南段強烈。同時，位于狼山山前斷裂和色爾騰山山前斷裂結(jié)合部的狼山口是臨河盆地斷裂活動強烈地段，上述區(qū)域較易積聚較強的應(yīng)力而使得波速比表現(xiàn)為連續(xù)低值。從時序曲線看，形成波速比空間分布低值時段主要集中在 2002—2006 年（圖 5）。

圖5 臨河盆地波速比時序曲線Fig.5 Temporal curve of velocity ration in Linhe basin

從計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果（圖7）看：計算誤差S的整體值域為0.005—0.067，優(yōu)勢分布在0.01—0.025；相關(guān)系數(shù)R的整體浮動范圍為0.994 5—0.999 1，優(yōu)勢分布在0.996 5—0.998 5；記錄臺站個數(shù)從3個到21個不等，大部分地震能被4—14個臺站記錄?？傊?，在臨河盆地波速比求解過程中，S、R和波速比未表現(xiàn)出與記錄臺站個數(shù)之間的相關(guān)性。

圖6 臨河盆地波速比空間分布Fig.6 Spatial distribution of velocity ration in Linhe basin

圖7 臨河盆地波速比計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析（a）計算誤差S與記錄臺站個數(shù)相關(guān)性；（b）相關(guān)系數(shù)R與記錄臺站個數(shù)的關(guān)系；（c）計算誤差S與相關(guān)系數(shù)R的相關(guān)性；（d）波速比與記錄臺站個數(shù)的相關(guān)性Fig.7 The data statistical analysis of velocity ratio in Linhe basin

2.4 波速比空間分布結(jié)果可信度考察

由于地震在空間分布上的非均勻性和隨機性，以及地震事件震中距的差異影響，進行波速比空間掃描時可能產(chǎn)生一些“偽異?！?。為此，對呼包盆地和臨河盆地研究時段內(nèi)的地震事件隨機抽取50%重新進行空間掃描（圖8）。

圖 8 呼包盆地和臨河盆地隨機刪除50%地震事件后波速比空間分布（a）呼包盆地；（b）臨河盆地Fig.8 Velocity ratio spatial distribution of Linhe and Hubao basin after delete data 50% random

結(jié)果顯示，呼包盆地和臨河盆地波速比空間分布形態(tài)均產(chǎn)生新的變化，主要表現(xiàn)為低值區(qū)域面積和分布范圍有所增加。原因在于，由于隨機刪除50%的地震事件，地震樣本數(shù)的減少一定程度上加劇了地震分布的非均勻性，且分布密度明顯減少，使得空間掃描圖像產(chǎn)生了相應(yīng)變化。由圖8可見，管波速比空間分布形態(tài)產(chǎn)生一定改變，但部分區(qū)域波速比低值依然存在。就呼包盆地而言，隨機刪除50%的數(shù)據(jù)后，盆地外部的整體值域仍高于盆地內(nèi)部，且大青山山前斷裂西段與和林格爾斷裂西南部仍屬于低值異常區(qū)域；就臨河盆地而言，狼山—騰山山前斷裂毗鄰的凹陷區(qū)域空間連續(xù)低值形態(tài)依然顯著。

3 結(jié)論

在波速比計算中，Pg波和Sg波的到時讀取比較直接，可通過和達直線擬合檢驗其準確度，并進行相應(yīng)校正；臺站密度、地震樣本數(shù)及傳播路徑上介質(zhì)體的影響，可通過合理調(diào)整走時差TS－P進行權(quán)衡。因此，在波速比計算中，應(yīng)根據(jù)區(qū)域地震活動水平高低、地震臺站布局和地質(zhì)構(gòu)造體差異性分布，選用合理的計算條件進行波速比求解。

河套地震帶的地震臺站空間分布較為均勻，為波速比計算提供了良好的基礎(chǔ)條件。本文選取地震事件的震源深度基本保持在6—12 km，地震波射線路徑由此深度到地表臺站，平均波速比反映了河套地震帶上地殼的介質(zhì)狀態(tài)。不同的地質(zhì)構(gòu)造體呈現(xiàn)不同的速度結(jié)構(gòu)和波速比，同一區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)及波速比差異則反映構(gòu)造體的細節(jié)差異，一般，在較為穩(wěn)定的構(gòu)造單元內(nèi)，速度結(jié)構(gòu)和波速比應(yīng)該具有穩(wěn)定性、相似性和繼承性。由此，可以做出以下推斷：對于同一區(qū)域（足夠小空間范圍），由于地下介質(zhì)體是固定的，其物理和化學(xué)性質(zhì)不易改變，唯一變化的是介質(zhì)狀態(tài)，而介質(zhì)狀態(tài)直接影響波速變化，因此同一區(qū)域中強地震前的波速比曲線的變化過程有可能相似。

整體來看，河套地震帶的平均波速比在空間分布上表現(xiàn)為與構(gòu)造相依的變化特點，在隨機刪除50%數(shù)據(jù)后的波速比空間分布圖像上也能得到體現(xiàn)。在固定時間范圍內(nèi)，呼包盆地的平均波速比低于臨河盆地，主要因為呼包盆地所處地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境相對簡單，除了近EW向大青山山前斷裂外，沒有明顯的斷裂分布，地下介質(zhì)整體性較好，剛性較強，對地下介質(zhì)狀態(tài)反映較為敏感的S波在呼包盆地內(nèi)部傳播時衰減程度相對較小，波速比（VP/VS）隨之偏低。有關(guān)研究表明（張學(xué)民等，2004），在弱震區(qū)或穩(wěn)定塊體內(nèi)部（如呼包盆地），各層波速比一般低于正常波速比1.732（呼包盆地為1.723）；在過渡區(qū)域，如位于盆地邊緣或穩(wěn)定塊體邊緣地帶（如臨河盆地及呼包盆地邊緣），其波速比值有高有低，一般大于1.732（臨河盆地為1.733）?？梢?，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造直接影響波速比，特別是平均波速比值的高低。反之，根據(jù)區(qū)域波速比的微觀變化，也能夠推測某一時段內(nèi)固定區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造狀態(tài)。

從波速比求解過程中主要參數(shù)之間的相關(guān)性分析結(jié)果看，相對于臨河盆地，呼包盆地的計算參數(shù)之間表現(xiàn)出一定的相關(guān)性，即計算誤差S、相關(guān)系數(shù)R、波速比值的值域均與記錄臺站個數(shù)呈負相關(guān)。分析認為，區(qū)域地震臺網(wǎng)布局情況和參與計算的地震樣本數(shù)是影響這種統(tǒng)計結(jié)果的主要因素。

審稿專家的修改建議對本文撰寫幫助很大；文中圖件由Matlab程序設(shè)計平臺和GMT程序包完成。作者在此一并致謝。

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