岳曉媛 武安緒 胡樂(lè)銀 馮 剛

（中國(guó)北京100080北京市地震局）

2016年1月9日懷來(lái)震群精細(xì)分析

岳曉媛 武安緒 胡樂(lè)銀 馮 剛

（中國(guó)北京100080北京市地震局）

2016年1月9日河北省懷來(lái)縣發(fā)生ML3.4震群，據(jù)歷史記載，該區(qū)曾發(fā)生多次MS5以上地震，地震活動(dòng)強(qiáng)烈。為了進(jìn)一步判斷該區(qū)后續(xù)地震活動(dòng)趨勢(shì)，采取地震序列、視應(yīng)力及波速比方法，對(duì)此次震群進(jìn)行精細(xì)分析，結(jié)果表明，此次震群為非前兆震群，應(yīng)力水平較低。

懷來(lái)震群；精細(xì)分析；活動(dòng)趨勢(shì)

0 引言

眾所周知，震群活動(dòng)可以反映周邊區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)變化，當(dāng)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力增強(qiáng)時(shí)，在介質(zhì)薄弱部位會(huì)發(fā)生顯著地震或震群活動(dòng)。中國(guó)較早采用傳統(tǒng)方法分析震群活動(dòng)，如：柯龍生等（1977）將較大地震的前震資料與巖石破裂、波速異常等實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)資料作對(duì)比，研究了前震序列的活動(dòng)規(guī)律及與一般小震群的區(qū)別；劉正榮等（1979，1984，1986）在研究有前震的地震預(yù)報(bào)問(wèn)題時(shí)，給出計(jì)算地震頻度衰減系數(shù)h值，并據(jù)此進(jìn)行序列類型判斷的方法；王振聲等（1984a）利用應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)山西帶小震群的活動(dòng)特征進(jìn)行分析以利區(qū)別；朱傳鎮(zhèn)等（1989）對(duì)如何判定前兆震群提出了歸一化熵值K；林邦慧等（1994）研究了b、U、K等判別前震序列與前兆震群、非前兆震群的方法；郭大慶等（1998）開(kāi)展了地震序列類型特征的研究。隨著數(shù)字地震學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的地震學(xué)者采用數(shù)字地震學(xué)方法開(kāi)展序列研究工作，如：劉紅桂等（2006）利用云南地區(qū)地震序列中的地震視應(yīng)力識(shí)別序列的前兆表現(xiàn)；張小濤等（2006）通過(guò)對(duì)九江—瑞昌地震序列的波速比特征研究，提取了一定震兆信息；Yang Xin（2008）對(duì)1997—2003年新疆—巴楚強(qiáng)震群活動(dòng)判別性質(zhì)和指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)研究；曹鳳娟等（2015）計(jì)算1999年岫巖地震序列的地震視應(yīng)力，分析了震源區(qū)介質(zhì)的破裂狀態(tài)。

目前，在測(cè)震學(xué)分析預(yù)報(bào)工作中，越來(lái)越注重將傳統(tǒng)方法與數(shù)字地震學(xué)方法相結(jié)合進(jìn)行分析研究，首先對(duì)地震的發(fā)震構(gòu)造、序列時(shí)空分布特征、序列參數(shù)、序列類型進(jìn)行分析，然后應(yīng)用震源機(jī)制解、地震精定位、視應(yīng)力或應(yīng)力降等數(shù)字地震學(xué)方法對(duì)后續(xù)預(yù)測(cè)等進(jìn)行分析，最后對(duì)地震危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合判斷。因此，將多種方法相結(jié)合比單一方法更具有預(yù)測(cè)意義。本文采用地震序列、地震視應(yīng)力及地震波速比方法，對(duì)2016年1月9日懷來(lái)ML3.4震群進(jìn)行精細(xì)分析，即將傳統(tǒng)方法和數(shù)字地震學(xué)方法相結(jié)合，綜合分析此次震群活動(dòng)對(duì)所屬分區(qū)及周邊地區(qū)的后續(xù)地震活動(dòng)趨勢(shì)。

1 震群背景

2016年1月9日在河北懷來(lái)縣境內(nèi)（40.48°N，115.57°E）發(fā)生ML3.4震群活動(dòng)，距北京僅17 km。此次震群活動(dòng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、地震頻次高，在所屬震型分區(qū)（懷來(lái)、赤城、宣化地區(qū)）內(nèi)活動(dòng)顯著。所屬震型分區(qū)（懷來(lái)、赤城、宣化地區(qū)）位于山西斷陷東北部，包括部分延懷盆地，發(fā)育的活動(dòng)斷裂主要有NE走向的懷涿盆地西北緣斷裂、NE走向的延礬盆地西北緣斷裂及NW 走向的新保安—沙城斷裂（圖1）。該區(qū)地震活動(dòng)強(qiáng)烈，有歷史記錄以來(lái)共發(fā)生MS5以上地震7次，其中MS6.5以上地震2次，最大為1720年7月12日懷來(lái)MS6.8地震，最近1次顯著地震為2014年9月6日涿鹿MS4.3地震，最近1次顯著震群為2002年8月3日河北懷來(lái)MS3.9震群。

據(jù)中國(guó)小震正式目錄統(tǒng)計(jì)，2016年懷來(lái)震群共發(fā)生地震181次，其中ML0.0—0.9地震155次，ML1.0—1.9地震28次，ML2.0—2.9地震2次，ML3.0—3.9地震1次，最大地震震級(jí)為ML3.4。此次懷來(lái)震群序列M—T圖見(jiàn)圖2，可見(jiàn)此次震群具有頻次高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、“密集—平靜”等特點(diǎn)。

圖1 懷來(lái)震群及周邊斷裂分布Fig.1 Distribution of Huailai earthquake swarm and fractures surrounding the swarm

圖2 2016年1月懷來(lái)震群M—TFig.2M—Tdiagram of Huailai earthquake swarm

2 震群前兆性質(zhì)識(shí)別

震群性質(zhì)一般采用常規(guī)統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行識(shí)別，主要根據(jù)U、K、ρ、h和b等具有一定物理意義的參數(shù)，判定震群的前兆性質(zhì)。據(jù)圖2顯示，懷來(lái)震群地震密集時(shí)間為1月9日—25日，1月25日后震群逐漸衰減至正?；顒?dòng)水平，意味著震群活動(dòng)基本結(jié)束。在此采用h值、b值及U—K—ρ組合判定此次懷來(lái)震群前兆性質(zhì)。

（1）h值。通常認(rèn)為，h≤1時(shí)，所發(fā)生的地震序列為前震序列；h＞1時(shí)，一般為余震序列。通過(guò)計(jì)算，此次懷來(lái)震群序列的h值為1.1，認(rèn)為該序列為主余型序列的可能性較大（圖3）。

（2）b值。b值是震級(jí)和頻度關(guān)系式中的比例系數(shù)，代表一定區(qū)域內(nèi)不同大小地震頻數(shù)的比例關(guān)系，是表示序列特征的一個(gè)重要參數(shù)，古登堡等認(rèn)為參數(shù)b對(duì)于各個(gè)地區(qū)具有不同的數(shù)值。一般認(rèn)為，當(dāng)序列處于前震狀態(tài)時(shí)，介質(zhì)所受到的構(gòu)造應(yīng)力較強(qiáng)，b值隨之降低，據(jù)此判斷該序列是否為前震序列，此結(jié)論已被眾多地震學(xué)者的震例研究所驗(yàn)證。此次震群b值為1.02，與所屬震型分區(qū)的背景b值相差不大，震群序列不屬于前震序列，為正常的序列衰減（圖3）。

（3）U—K—ρ組合。利用多項(xiàng)指標(biāo)判定前兆震群的效果一般優(yōu)于單項(xiàng)指標(biāo)。U值表征震群序列釋放應(yīng)變能的方式，稱為能量釋放度；K值表征震群中地震能量分布的均勻度；ρ值表征序列在時(shí)間上的叢集程度。通過(guò)計(jì)算，此次震群U=0.4535，小于0.5，為非前兆震群；ρ=0.4842，小于0.55，為前兆震群；k=0.0782，小于0.7，為非前兆震群。

圖3 懷來(lái)震群h值和b值Fig.3 Thehvalue andbvalue of Huailai earthquake swarm

由懷來(lái)震群的序列活動(dòng)特征及序列常規(guī)統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果表明，本次震群不具有前震序列特征，為前震序列的可能性不大，判定為非典型前兆震群。

3 視應(yīng)力分析

一次地震的孕育可能伴隨著地殼應(yīng)力變化，分析研究與地殼應(yīng)力有關(guān)的地震參數(shù)變化特征，可以得到地殼應(yīng)力的變化信息，加強(qiáng)對(duì)地震發(fā)震機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為地震預(yù)測(cè)研究提供依據(jù)。曹鳳娟等（2005）、秦嘉政等（2006）、李艷娥等（2007）、梁向軍等（2014）、康建紅等（2016）對(duì)視應(yīng)力在震前的變化特征進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)震前視應(yīng)力有顯著升高過(guò)程并伴有高值異常。

3.1 樣本選取

選用首都圈數(shù)字遙測(cè)地震臺(tái)網(wǎng)地震波形資料，利用近震源Brune模式，計(jì)算此次懷來(lái)震群序列ML1.0以上地震視應(yīng)力值。為保證計(jì)算結(jié)果的精度和可靠性，對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行以下限制：①選取震中距150 km以內(nèi)的地震臺(tái)波形記錄；②為了保證樣本量充足，要求至少16個(gè)地震臺(tái)參與計(jì)算。同時(shí)，因地震波輻射存在方向性效應(yīng)，為避免因臺(tái)站非均勻分布而可能產(chǎn)生的誤差，選擇的地震臺(tái)站盡量分布均勻，且較好包圍地震；③選取信噪比較高、記錄較清晰的波形數(shù)據(jù)。

為驗(yàn)證所選地震是否滿足上述限制條件，繪制震源參數(shù)地震能量和地震矩與震級(jí)的線性關(guān)系圖，見(jiàn)圖4。由圖可見(jiàn)，地震能量和地震矩與震級(jí)之間的線性關(guān)系較好，相對(duì)系數(shù)較高，分別為0.82和0.83，由此增加了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖4 震源參數(shù)與震級(jí)關(guān)系(a) 地震能量與震級(jí)之間的關(guān)系； (b) 地震矩與震級(jí)之間的關(guān)系Fig.4 The relation between the source parameter and magnitude

3.2 視應(yīng)力特征

計(jì)算懷來(lái)震群樣本視應(yīng)力，并繪制首都圈地區(qū)3.0≤ML＜4.0地震視應(yīng)力分布圖（其中灰色方塊為懷來(lái)主震視應(yīng)力值），與此次懷來(lái)震群ML3.4主震視應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此次主震視應(yīng)力為0.736 MPa，與同震級(jí)視應(yīng)力值相比偏低（圖5）。懷來(lái)震群ML1.0以上地震視應(yīng)力時(shí)序曲線見(jiàn)圖6(a)，可見(jiàn)ML3.4主震發(fā)生后，后續(xù)地震視應(yīng)力值快速降低，未出現(xiàn)高值起伏，保持平穩(wěn)低值變化，客觀反映了震源區(qū)的應(yīng)力得到一定釋放，并趨于穩(wěn)定。

計(jì)算2002年以來(lái)此次懷來(lái)震群附近區(qū)域（39.5°—42°N，114°—117°E）發(fā)生的小震視應(yīng)力值，時(shí)序曲線見(jiàn)圖6(b)，圖中灰色曲線為視應(yīng)力原始曲線，黑色曲線為視應(yīng)力平滑曲線，黑色虛線為異常閾值），可見(jiàn)2002年以來(lái)，5次中等地震前有4次（蔚縣、大同、陽(yáng)高和涿鹿地震）地震出現(xiàn)顯著的高值異常，異常形態(tài)為下降—低值—（回升）發(fā)震，涿鹿地震后該地區(qū)視應(yīng)力一直處于高值水平，此次2016年1月懷來(lái)震群并未抬高研究區(qū)域整體的應(yīng)力水平。

圖5 首都圈地區(qū)3.0≤ML＜4.0地震視應(yīng)力Fig.5 Apparent stress of earthquake with magnitude 3.0≤ML＜4.0 in Capital circle

圖6 懷來(lái)震群及附近區(qū)域視應(yīng)力時(shí)序變化曲線Fig.6 Changes in apparent stress of Huailai earthquake swarm and nearby regions with time

4 波速比分析

在地震孕育過(guò)程中，震源區(qū)及附近介質(zhì)會(huì)發(fā)生如微破裂、擴(kuò)容、塑性硬化及相變等變化，從而使通過(guò)的地震波速度也發(fā)生改變，因此，研究波速異常變化可以得到震源區(qū)介質(zhì)物理狀態(tài)改變的信息，即地震前兆信息，是波速異常用來(lái)作為地震預(yù)測(cè)方法的物理基礎(chǔ)。中國(guó)學(xué)者對(duì)地震波速比的研究工作始于20世紀(jì)70年代，并取得大量研究成果，如光春云等（1994）、王林瑛等（2008）、李永莉等（2009）、韓曉明等（2015）進(jìn)行波速比研究，認(rèn)為震前震源區(qū)附近區(qū)域波速比有顯著下降并出現(xiàn)低值異常過(guò)程。

4.1 數(shù)據(jù)可靠性

采用多臺(tái)和達(dá)法，利用首都圈地區(qū)高精度、高密度的數(shù)字地震資料，分析懷來(lái)震群及附近區(qū)域（39.5°—42°N，114°—117°E）波速比的時(shí)序變化（5點(diǎn)滑動(dòng)），以期為該地區(qū)地震危險(xiǎn)性分析提供依據(jù)。限制條件如下：①計(jì)算結(jié)果的誤差與地震臺(tái)站數(shù)目多少密切相關(guān)（張學(xué)民等，2007），要求對(duì)1次地震事件至少有4個(gè)臺(tái)站參與計(jì)算；②鑒于首都圈地區(qū)臺(tái)站分布比較密集，設(shè)定S波、P波到時(shí)差范圍為0—20 s；③相關(guān)系數(shù)R≥0.97；④計(jì)算誤差γ≤0.05。

為驗(yàn)證所選震群地震數(shù)據(jù)是否滿足上述限制條件，繪制參與波速比計(jì)算的數(shù)據(jù)信度分析圖，見(jiàn)圖7，其中圖7(a)為計(jì)算波速比均值的相關(guān)系數(shù)與對(duì)應(yīng)地震次數(shù)統(tǒng)計(jì)，可知波速比相關(guān)系數(shù)R＞0.97的比例達(dá)97%；圖7(b)為計(jì)算誤差統(tǒng)計(jì)圖，其中γ≤0.05的占88%。由圖7可知，所選震群數(shù)據(jù)滿足以上對(duì)擬合數(shù)據(jù)的限制，既提高波速比計(jì)算結(jié)果的實(shí)際精度，又保證了分析結(jié)果的可靠性。

圖7 計(jì)算數(shù)據(jù)信度分析(a) 相關(guān)系數(shù)與地震次數(shù)統(tǒng)計(jì)； (b) 計(jì)算誤差與地震次數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.7 Computed data reliability analysis

4.2 結(jié)果分析

經(jīng)計(jì)算得到懷來(lái)震群及附近區(qū)域2002年以來(lái)地震（5次ML4.0以上地震）波速比結(jié)果，時(shí)序曲線見(jiàn)圖8，圖8(b)中圖中灰色曲線為波速比原始曲線，黑色曲線為波速比平滑曲線，黑色虛線為異常閾值）。由計(jì)算結(jié)果可知，該震群波速比均值為1.717，與趙明淳等（2005）計(jì)算的首都圈地區(qū)平均波速比結(jié)果接近，均略低于線彈性體的波速比值1.73。由圖8(a)可見(jiàn)，懷來(lái)ML3.4主震發(fā)生后，序列波速比未出現(xiàn)趨勢(shì)性下降，基本在均值以上波動(dòng)，偶爾出現(xiàn)的幾個(gè)單點(diǎn)低值作為異常并不可靠。此次懷來(lái)震群未出現(xiàn)持續(xù)的低值異常，反映了震源區(qū)的介質(zhì)狀態(tài)比較穩(wěn)定。由圖8(b)可見(jiàn)，蔚縣ML4.0、大同ML5.0和陽(yáng)高M(jìn)L4.1地震前，波速比均出現(xiàn)顯著下降變化并形成低值異常，異常形態(tài)為下降—低值—（回升）發(fā)震，懷來(lái)震群發(fā)生后懷來(lái)震群及附近區(qū)域地震波速比曲線尚未出低值異常。

圖8 懷來(lái)震群及附近區(qū)域波速比時(shí)序曲線(a)懷來(lái)震群； (b)附近區(qū)域Fig.8 Temporal curve of velocity ratio (vP/vS) in Huailai earthquake swarm and nearby regions

5 結(jié)論

本文采取傳統(tǒng)和數(shù)字地震學(xué)相結(jié)合的方法，對(duì)2016年1月9日懷來(lái)ML3.4震群序列活動(dòng)進(jìn)行精細(xì)分析，得出以下結(jié)論：①序列參數(shù)計(jì)算顯示，本次震群為前震序列的可能性不大；②常規(guī)統(tǒng)計(jì)特征識(shí)別認(rèn)為，震群為非典型前兆震群；③懷來(lái)ML3.4主震相對(duì)同震級(jí)地震視應(yīng)力水平低，屬于低應(yīng)力釋放；懷來(lái)震群附近區(qū)域高應(yīng)力水平是背景應(yīng)力狀態(tài)，此次震群并未抬高懷來(lái)震群附近區(qū)域應(yīng)力水平；④震群本身波速比變化較平穩(wěn)，所在區(qū)域地震波速比也尚為出現(xiàn)顯著低值異常。

感謝中國(guó)地震局地球物理研究所陳學(xué)忠研究小組為本研究提供視應(yīng)力計(jì)算程序。

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Precise analysis of Huailai earthquake swarm on Jan.9, 2016

Yue Xiaoyuan，Wu Anxu，Hu Leyin and Feng Gang
(Earthquake Administration of Beijing Municipality,Beijing100080,China)

On January 9th, 2016, anML3.1 earthquake occurred on Huailai County of Hebei Province.The area is an active area for earthquakes, where many earthquakes of magnitude greater thanMS5 have been recorded in history, to further judge earthquake activity trend in the future, the earthquake swarm is precise analyzed on earthquake sequence, seismic activity, apparent stress and velocity ratio.The result shows that, the earthquake swarm was not a precursory one, the stress level was low.

Huailai earthquake swarm，precise analysis，activity trend

10.3969/j.issn.1003-3246.2016.06.002

岳曉媛（1981—），女，工程師，主要從事地震活動(dòng)性、數(shù)字地震研究工作。E-mail： yxy@bjseis.gov.cn

北京市地震局科技項(xiàng)目青年專項(xiàng)

本文收到日期：2016-03-30