王亞茹 王想 宮猛 郭蕾 劉曉丹

河北省地震局，石家莊市槐中路262號 050021

0 引言

地震波攜帶了地球內(nèi)部的大量信息。在地震的孕育過程中，孕震區(qū)介質(zhì)的物理狀態(tài)會產(chǎn)生一系列變化，如發(fā)生微破裂、擴容、塑性硬化及相變等，地震波通過震源區(qū)時，波速也會發(fā)生變化，這是利用波速比異常預(yù)測地震的重要依據(jù)（馮德益，1981）。

1956年日本地震學(xué)家早川正已（李善邦，1981）首次發(fā)現(xiàn)震前波速比異?，F(xiàn)象，隨后各國學(xué)者（Semenov et al，1969；Kanamori et al，1976）對波速比異?，F(xiàn)象進行研究并發(fā)現(xiàn)了一些地震的波速比異常實例，為解釋其變化機理，Nur等（1972）提出“擴容-流體擴散”模式解釋波速比變化過程。但是一些學(xué)者（McEvilly et al，1974；Mogi et al，1985）也提出了相互矛盾的結(jié)果。近年來，隨著觀測條件的顯著改善和新技術(shù)方法的引入，地震數(shù)據(jù)精度不斷提高，對中強地震前后波速比變化現(xiàn)象和特征的研究又引起了廣泛關(guān)注（Nakamura et al，2002）。其中，可控震源實驗表明地殼內(nèi)確實發(fā)生了可測的波速變化（Korneev et al，2000），而利用“重復(fù)地震”的震相延遲時間變化也得到了一些強震前震源區(qū)明顯的波速比變化（Schaff et al，2004）資料。在我國，不同學(xué)者對波速比也開展了廣泛研究與討論，得到了不同區(qū)域中強地震前后地震波速變化的震例（蔡靜觀等，2000；刁桂苓等，2005；黎明曉等，2006；王林瑛等，2014）并對波速比異常給予了肯定。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 研究區(qū)的選擇

河北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，區(qū)內(nèi)主要包括張家口-渤海地震帶與河北平原地震帶，近年來隨著河北地震臺網(wǎng)建設(shè)的不斷完善，地震數(shù)據(jù)的精度不斷提高，為本研究提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)資料。本文將研究區(qū)域分為 4部分（圖1），分別為晉冀蒙地區(qū)（38.5°～41.5°N，113°～115.5°E）、京津地區(qū)（38.5°～41.5°N，115.5°～117.5°E）、唐山地區(qū)（39°～41°N，117.5°～119.5°E）以及河北南部地區(qū)（35.5°～38.5°N，113°～116°E），通過分析這 4個地區(qū)地震波速比的時序變化特征，討論其與中強地震之間可能存在的關(guān)系。

圖1 研究區(qū)地震震中分布

1.2 應(yīng)用和達法計算波速比

地震的縱波與橫波的速度之比即為波速比，用Vp/Vs表示，平均波速比可由（1）式求得，式中，n為觀測臺站總數(shù)，Tpi和T（S-P）i分別為第i臺站的P波觀測到時以及S波、P波到時差。

多臺觀測可用最小二乘擬合求K，K為和達直線的斜率，故波速比可表示為

其誤差為

其中，T′（S－P）i是理論計算值。相關(guān)系數(shù)的計算公式為

2 數(shù)據(jù)處理

本文搜集并整理了河北省地震臺網(wǎng)2006～2016年2月的地震數(shù)據(jù)，選擇最少有4個臺站記錄到的、到時差≤20s的地震走時數(shù)據(jù)，利用多臺和達法計算波速比，為提高波速比的計算精度及穩(wěn)定性，擇其相關(guān)系數(shù)大于 0.98，誤差小于 0.05的 8033個地震波速比數(shù)據(jù)（圖 2（a）），這些數(shù)據(jù)基本為 1.65～1.75，均值為 1.708，震級ML＝1.0～2.0，波速比與震級之間沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系（圖2（b））；計算結(jié)果的精度與所選臺站個數(shù)有關(guān)，臺站越多，波速比的離散程度越小；2006～2009年波速比的相關(guān)系數(shù)有一定波動，2009年之后相關(guān)系數(shù)較好。

圖2 波速比與震級、臺站個數(shù)、相關(guān)系數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)果分析

對唐山地區(qū)的波速比滑動曲線的分析如下，對另外3個分區(qū)按照同樣的思路進行。

3.1 唐山地區(qū)的波速比變化特征

1976年唐山發(fā)生7.8級地震，1995年以后無5級以上地震，目前唐山老震區(qū)的余震處于晚期（王想等，2012），自 2006年以來該區(qū) 4級以上地震呈現(xiàn)兩年準周期的活動韻律。圖3（a）為唐山地區(qū)波速比數(shù)據(jù)的原始曲線，無明顯變化?；瑒悠骄菍討B(tài)觀測數(shù)據(jù)序列進行平滑處理的一種十分重要的方法（趙娟等，2005），既可得出較平滑的測量結(jié)果，也可濾掉頻繁的隨機誤差。用不同窗口對波速比數(shù)據(jù)作滑動平均，若窗口太大則可能過濾掉太多有效信息，若窗口太小則得不到較為平滑的結(jié)果，通過多次實驗最終確定對ML≥1.0的地震的波速比用 30點滑動平均（圖3（b）），對ML≥1.5的地震波速比用 20點滑動平均（圖 3（c）），對ML≥2.0的地震波速比用 10點滑動平均（圖 3（d））。

圖3 唐山地區(qū)不同震級的波速比時序曲線

馮德益（1981）提出波速比異常變化的全過程：地震波速比一般先下降然后回升，當再次達到或略超過初始值后就發(fā)生主震，震后還有一個不穩(wěn)定的變化期。一系列的震例研究（劉繼祿等，2000；王林瑛等，2008、2011、2014；龍海英等，2011）也表明震前震源區(qū)附近波速比出現(xiàn)類似變化過程。按照這個異常判定標準對唐山地區(qū)不同震級波速比滑動曲線進行定性討論，可以發(fā)現(xiàn)在唐山地區(qū)ML4.0以上地震發(fā)生前該區(qū)的波速比大都出現(xiàn)了下降-低值-恢復(fù)的變化過程。2008年3月11日河北盧龍發(fā)生ML4.4地震，該區(qū)ML≥1.0、M≥1.5，M≥2.0地震波速比滑動曲線在地震前均出現(xiàn)明顯的下降-低值-恢復(fù)變化形態(tài)，持續(xù)時間半年左右，最終在低值回升階段發(fā)震；2010年3月6日該區(qū)發(fā)生灤縣ML4.8以及4月9日豐南ML4.6地震，其ML≥1.0、ML≥2.0地震波速比滑動曲線在地震前沒有出現(xiàn)明顯低值異常，但ML≥1.5地震波速比滑動曲線在震前一年出現(xiàn)下降-低值變化，恢復(fù)一段時間后發(fā)生上述地震；2012年5月28日該區(qū)發(fā)生唐山ML5.1及6月18日寶坻ML4.5地震，ML≥1.0、M≥1.5，M≥2.0地震波速比滑動曲線在震前均出現(xiàn)下降-低值變化，尤其是ML≥1.5和ML≥2.0地震波速比滑動曲線低值異常明顯，地震發(fā)生后低值恢復(fù)；2014年10月14日該區(qū)發(fā)生灤縣ML4.0地震，其ML≥1.0及ML≥2.0地震波速比滑動曲線沒有出現(xiàn)明顯的波速比異常，但是ML≥1.5地震波速比滑動曲線表現(xiàn)出明顯下降，在低值持續(xù)的過程中發(fā)生該次地震，隨后波速比滑動曲線恢復(fù)到均值線附近；2015年9月14日該區(qū)發(fā)生昌黎ML4.7以及11月28日豐南ML4.0地震，其ML≥1.0、M≥1.5、M≥2.0地震波速比滑動曲線在地震發(fā)生半年前均出現(xiàn)下降-低值-恢復(fù)變化。從對波速比滑動曲線的定性分析可見唐山地區(qū)自2006年以來的幾次中等地震發(fā)生前波速比滑動曲線的確存在一定的異常形態(tài)，尤其是ML≥1.5地震波速比滑動曲線在這些中等地震發(fā)生前變化明顯。

上面對不同震級檔的地震波速比滑動平均曲線與唐山地區(qū)ML4.0地震的關(guān)系進行了定性討論，下文嘗試對其進行定量分析。由于該區(qū)ML≥1.5地震波速比與中強地震對應(yīng)關(guān)系較好，因此著重討論ML≥1.5地震波速比異常的預(yù)報效能。選取唐山地區(qū)的波速比平均值1.708作為標準，波速比滑動曲線異常判定指標為：①異常從波速比均值附近開始下降；②異常持續(xù)時間超過3個月；③異常下降幅度超過0.010；④異常回升到均值線附近結(jié)束。由于唐山地區(qū)不同震級的滑動均值曲線在2006～2007年都處于較低水平，該低值可能與2006年7月4日河北文安5.1地震有關(guān)，因為沒有2006年之前的波速比數(shù)據(jù)無法得出該次低值的持續(xù)時間，因此在統(tǒng)計定量異常時不予統(tǒng)計。按照以上限定條件統(tǒng)計唐山地區(qū)ML≥1.5的地震波速比滑動均值共出現(xiàn)4次異常（表1），異常持續(xù)時間大多在3～6個月，其中有3次異常出現(xiàn)后發(fā)生ML4.0以上地震，沒有發(fā)現(xiàn)波速比持續(xù)時間及異常幅度與地震大小明顯相關(guān)，有2次地震發(fā)生在在波速比呈低值期間，有一次地震在異常結(jié)束后4個月發(fā)生，對應(yīng)率為75%，結(jié)果是置信水平為97.5%的預(yù)報效能R（許紹燮，1989）為0.55，總之該區(qū)波速比滑動曲線對中等以上地震有一定反映能力。

3.2 其他分區(qū)的波速比變化特征

下面按照對唐山地區(qū)波速比的分析思路對河北地區(qū)的其他3個分區(qū)進行研究，略去對各個分區(qū)不同震級波速比異常的定性研究，結(jié)合每個分區(qū)的特點重點分析ML≥1.5地震的波速比曲線異常特征，嘗試得出可用于河北地區(qū)及相鄰區(qū)域的波速比異常判定標準。

3.2.1 京津地區(qū)的波速比變化特征

該區(qū)位于北京坳陷與大興隆起間，曾發(fā)生1679年三河-平谷8級大震，最近的地震為2006年7月4日文安5.1級地震，王林瑛等（2008）通過對首都圈波速比研究得出文安地震前附近地區(qū)波速比有異常反應(yīng)，2006年該區(qū)的波速比滑動平均值明顯偏低（圖4），由于缺少對文安地震前的較長時間段的波速比跟蹤分析，因此對2006年的低值異常不予統(tǒng)計。按照唐山地區(qū)波速比異常的判定標準，自2006年至今北京地區(qū)的波速比無明顯異常。2012年8月26日的天津?qū)氎鍹L4.0地震屬于2012年6月18日天津市寶坻區(qū)與河北省玉田縣交界ML4.5地震的余震活動，該地震位于京津地區(qū)邊緣，屬唐山大地震的晚期余震活動。由于波速比滑動均值來自京津地區(qū)地震的震相數(shù)據(jù)，但其孕震區(qū)可能不在京津而在唐山地區(qū)（圖3（c）），所以京津地區(qū)的波速比未出現(xiàn)明顯異常。

表1 唐山地區(qū)波速比異常統(tǒng)計

圖4 京津地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點滑動平均曲線

3.2.2 晉冀蒙地區(qū)波速比的變化特征

該區(qū)位于山西地震帶與張渤地震帶的交匯部位，構(gòu)造復(fù)雜，1998年1月10日張北6.2級地震前京西北地區(qū)出現(xiàn)明顯低值異常（劉繼祿，2000）。定性看該區(qū)ML≥1.5地震波速比滑動曲線在2015年9月6日涿鹿地震前出現(xiàn)下降-低值-回升的異常形態(tài)。若進行定量分析（表2），則可看出有3次異常，未對應(yīng)中等地震；但是從表2也可看出山西大同地震及河北涿鹿地震發(fā)生前該區(qū)均出現(xiàn)3個月左右的波速比低值異常，下降幅度分別為0.0777和0.0078，只是未達到異常判定標準的0.01故未被判定為異常，這說明依唐山地區(qū)的地震資料統(tǒng)計出來的異常定量標準（前文所述的①、②和④）是適用的，而并不適用于晉冀蒙地區(qū)（③），若把異常判定標準的“③異常下降幅度超過0.010”中的下降幅度適當?shù)慕档偷?.007，則該區(qū)波速比的對應(yīng)率為0.4，預(yù)報效能R為0.15。

3.2.3 河北省南部地震的波速比變化特征

河北省南部地區(qū)自2006年以來中等地震活動均集中在河南范縣，在這幾次地震發(fā)生前該區(qū)ML≥1.5地震波速比滑動均值曲線從形態(tài)上均表現(xiàn)出下降-低值的異常。若進行定量分析（表3），則可看出有1次異常，其后半年內(nèi)無ML4.0以上地震。但從表3也可看出在2010年、2014年、2015年該區(qū)均出現(xiàn)了持續(xù)4～5個月波速比低值，其低值的最大降幅在0.006～0.007之間，在低值結(jié)束后2～5個月的時間內(nèi)河南范縣發(fā)生ML4以上地震。因此若把異常定量標準的下降幅度設(shè)定為0.006，則該區(qū)的地震對應(yīng)率將大大提高，地震對應(yīng)率為0.6，R值為 0.35。

表2 晉冀蒙地區(qū)波速比異常統(tǒng)計

圖5 晉冀蒙地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點滑動平均曲線

表3 河北南部地區(qū)波速比異常統(tǒng)計

圖6 河北南部地區(qū)M L≥1.5地震的V P/V S 20點滑動平均曲線

4 結(jié)論

本文通過和達法計算唐山地區(qū)的波速比數(shù)據(jù)，用不同窗長滑動得到不同震級的波速比時序動態(tài)演化曲線。減小了隨機誤差，得到較為平滑的結(jié)果，但是窗口的選擇至關(guān)重要，若窗口太大則會過濾掉很多的有效信息，對細節(jié)的反映有所欠缺；若窗口過小，雖然對動態(tài)變化的細節(jié)反映更加靈敏，但是對趨勢表征不明顯。通過對地震前不同震級檔波速比曲線的形態(tài)特征進行分析，發(fā)現(xiàn)在大部分中等地震發(fā)生前唐山地區(qū)的波速比表現(xiàn)出下降-低值的異常形態(tài)，其中ML≥1.5地震波速比滑動曲線在地震前其異常形態(tài)表現(xiàn)的更為明顯。通過對唐山地區(qū)的ML≥1.5地震的波速比曲線與中等地震關(guān)系的定性討論，提出了該區(qū)波速比異常判定的4個定量標準，即：①波速比異常是波速比自其均值線附近開始下降；②異常持續(xù)時間超過3個月；③異常下降幅度超過0.010；④異?；厣骄稻€附近結(jié)束。這4個標準中的①和②為異常的開始和持續(xù)時間，③為異常下降幅度標準，④提供了異常結(jié)束的判定方法。通過分析可知對應(yīng)地震多在異常持續(xù)期間或者異常結(jié)束半年內(nèi)發(fā)生，其對應(yīng)率為75%，R值為0.55，這表明唐山地區(qū)的波速比異常是有一定信度的中短期指標。在把唐山地區(qū)波速比異常定量標準應(yīng)用于河北省的其他3個分區(qū)的時候，異常標準的①、②和④能夠起到很好的約束作用，而③即異常下降幅度卻各有差別。和達法計算波速比是基于地殼中上層均勻單層模型，其不確定性主要是由介質(zhì)的橫向不均勻性的局限產(chǎn)生的，本文的研究結(jié)果為特定區(qū)域限定條件內(nèi)的波速比滑動平均的結(jié)果，忽略了更小范圍的局部區(qū)域介質(zhì)的各向異性；同時不同研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造以及地震活動性不同，地震活動頻繁的區(qū)域其波速比數(shù)據(jù)多，其滑動曲線能夠?qū)崟r的、更加真實的反映該區(qū)波速比的變化特征，相反地震活動較弱則波速比數(shù)據(jù)少，其滑動曲線則不能實時的反映該區(qū)的波速比變化特征。

致謝本文使用中國地震局地球物理研究所李艷娥老師提供的計算程序，在此表示衷心感謝。衷心感謝審稿老師提出的中肯意見。