高 源，張 帆，王 鑫，張 輝

(1.東勝地震臺，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

地震預(yù)測在防震減災(zāi)工作中具有重要作用，地震活動圖像和地震目錄的統(tǒng)計分析是目前我國地震活動研判的主要手段之一?？諈^(qū)、條帶、b值、地震矩加速釋放現(xiàn)象、PI算法等已在實際工作中取得一定的研究成果，表明地震活動性資料中蘊含著一定的震兆信息。

扎蘭屯地區(qū)處于大興安嶺隆起北段，大興安嶺隆起帶為內(nèi)蒙古東部地區(qū)主要構(gòu)造，走向NEE，新構(gòu)造期以來，大興安嶺北段構(gòu)造運動表現(xiàn)為隆升背景下的差異性活動[1]，是內(nèi)蒙古東部地區(qū)中小地震活動性較高的區(qū)域。此區(qū)域是NNE向的大興安嶺主脊斷裂和多條NW向斷裂交匯處，歷史上發(fā)生過1956年扎蘭屯5.3級、1980年和1981年博克圖5.6級和5.1級、2008年鄂倫春自治旗5.2級等多次5級以上地震，具有5級以上地震的發(fā)震背景，其地震獲得的起伏變化受到關(guān)注。韓曉明等[2]對扎蘭屯地區(qū)b值的時空計算結(jié)果顯示，區(qū)域b值變化范圍為0.4～1.8，b值分布的優(yōu)勢范圍為0.9～1.4，低b值區(qū)域位于阿倫河斷裂中北段，即扎蘭屯與阿榮旗交界地區(qū)，b值大致分布在0.5～0.7，表明此區(qū)域地殼介質(zhì)處于高水平應(yīng)力積累狀態(tài)。張暉等[3]對內(nèi)蒙古東部地區(qū)波速比的分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)蒙古東部地區(qū)在中等地震前后波速比時間變化存在顯著異常，符合“下降一低值一恢復(fù)一發(fā)震”的規(guī)律且存在震后異常期的變化；在對此區(qū)域波速比繪制空間等值線后，發(fā)現(xiàn)此區(qū)域波速比高值主要是沿著大興安嶺分布，其空間分布基本呈現(xiàn)東低西高、北低南高的態(tài)勢。

1 數(shù)據(jù)資料

文章選用內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)2008年至2017年的觀測資料，選取扎蘭屯地區(qū)(44°～52°N,118°～124°E)包含的1 764條地震。地震在空間上覆蓋研究區(qū)域，分布較不均勻，大興安嶺山脊地區(qū)中小地震較為活躍(見第2頁圖1)。

2 b值分析

地震活動性參數(shù)b值是震級-頻度經(jīng)驗關(guān)系(簡稱G-R關(guān)系)中的系數(shù)[4]：

lgN=a-bM，

式中：M為震級；N為震級M≥Mc(最小完整性震級)的地震累積頻度；a、b為常數(shù)，與區(qū)域結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

b值是震級和頻度關(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。b值與其所對應(yīng)的區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、地殼破裂強度有關(guān),不同的地震區(qū)或帶有不同的震級—頻度關(guān)系,即具有不同的b值。b值時間變化與構(gòu)造應(yīng)力的加載過程有關(guān)，b值“持續(xù)降低-快速回升”反映了構(gòu)造應(yīng)力作用下局部介質(zhì)從“彈性變形-應(yīng)變?nèi)趸边^程的轉(zhuǎn)變。

常用的b值估算方法包括極大似然法和最小二乘法。最大似然法計算簡便，不受個別較大地震的影響，對所有地震的震級用同樣的權(quán)重求平均，就相當(dāng)于給數(shù)量眾多的小地震信息加權(quán)，一定程度上排除了因個別較大地震的發(fā)生引起的b值突然變化。因此，文章選用最大似然法計算b值。

圖1 扎蘭屯地區(qū)地震分布圖Fig.1 The distribution of earthquakes in Zhalantun area

若Ni服從泊松分布，考慮到對數(shù)概率分布和最大真值原理，宇津德治提出最大似然估計b值[5]：

(1)

(2)

b值搜索半徑r的設(shè)置應(yīng)該與地震數(shù)據(jù)的集中分

布程度相當(dāng)，才可能使掃描得到的b值更加可靠，由于中小地震分布的集中程度具有一定的不均勻性，其大小值有所差別。一般情況下，r取值較小時，結(jié)果較可靠；r值越大，所求取的b值涉及的范圍越大，但是b值參數(shù)間的細微差異變化不突出[6]。參考已有的研究經(jīng)驗[7]，文章在時空掃描中按0.2°×0.2°劃分格點，每個格點使用半徑0.5°范圍內(nèi)，在標(biāo)的時間點之前10年間的地震事件計算，最小地震數(shù)設(shè)置為30。

使用1點步長，20點滑動，應(yīng)用最大似然法和最小二乘法，分析扎蘭屯地區(qū)b值的時序特征，兩種方法結(jié)果比較一致。從空間分布圖2所示，額爾古納和阿榮旗地區(qū)為低b值區(qū)域。

圖2 扎蘭屯地區(qū)b值空間分布圖Fig.2 Spatial distribution of b value in Zhalantun area

使用最大似然法和最小二乘法分析研究區(qū)域b值隨時間的變化時序圖表明，2008年鄂倫春自治旗Ms5.2地震前，扎蘭屯地區(qū)b值呈現(xiàn)先升高后降低的變化，2013年莫力達瓦5.0級地震前也有此現(xiàn)象，目前在均值附近波動(見圖3)。

圖3 扎蘭屯及交界地區(qū)b值時序圖Fig.3 Time sequence of b value in Zhalantun and its border area

為評估b值空間掃描地震的預(yù)測效果，繪制內(nèi)蒙古東部中強地震前5年的b值空間分布圖(見圖4)，結(jié)果顯示2004年3月24日東烏珠穆沁旗5.9級、2008年6月10日鄂倫春自治旗5.2級、2013年4月22日科左后旗5.3級和2013年10月31日吉林前郭5.7級4次地震均發(fā)生在低b值區(qū)域，表明低b值具有一定的震兆意義。

圖4 b值震例回溯Fig.4 The earthquake case backtracking of b value

3 波速比分析

地震波是探測地球內(nèi)部信息的主要來源和途徑,觀測區(qū)地殼介質(zhì)存在各向異性,導(dǎo)致各地波速也不一致。地震波速和波速比的研究早在20世紀50年代初提出，到70年代,國外學(xué)者開始開展地震孕育物理模式的研究,其中研究較多的是膨脹-擴散模式。馮德益等[8]總結(jié)出在地殼演化過程中介質(zhì)的物理性狀將產(chǎn)生一系列變化,如出現(xiàn)微破裂、擴容,地震波通過地殼介質(zhì)時,波速也會相應(yīng)發(fā)生變化。多臺和達法由和達清夫提出,在假定震源區(qū)到地表為理想均勻彈性介質(zhì)的條件下,縱波速度VP、橫波速度VS與介質(zhì)泊松比σ、楊氏模量E和介質(zhì)密度ρ之間的關(guān)系。單臺多震和達法[8]是用多次地震事件由單臺記錄的平均波速比，表征在多次地震發(fā)生時段內(nèi),多次地震震源至某個固定臺站一定范圍內(nèi)的平均波速比。此方法在大量中小地震頻發(fā)和臺站分布相對密集的地區(qū)應(yīng)用較為有效。

運用扎蘭屯地區(qū)(120°～124°E，46°～51°N)2008年7月至2017年4月的地震觀測報告，選取4個臺以上記錄的地震，使用多臺單震和達法計算波速比，繪制平均波速比的時序圖和空間分布圖。

空間分布圖5所示，牙克石一帶為波速比低值區(qū)域，波速比在空間上表現(xiàn)出橫向不均勻性，特征為西北側(cè)高、東南側(cè)低。

第4頁時序圖6所示，2008年7月至2017年4月，牙克石-扎蘭屯波速比在1.5～2.0之間變化，平均波速比維持在1.6～1.8。波速變化比較平穩(wěn)，在均值線附近波動。

圖5 扎蘭屯地區(qū)平均波速比空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of average wave velocity ratio in Zhalantun area

根據(jù)已有研究，內(nèi)蒙古東部4次中強地震前的波速比異常持續(xù)時間長短不同,持續(xù)時段從1～6個月到1～2年不等,可以把波速異常作為地震發(fā)生的中期和短期指標(biāo)。

使用單臺多震波速比方法計算牙克石-扎蘭屯地震的單臺波速比(見第4頁圖7)，結(jié)果顯示，位于叢集相同方向的臺站單臺波速比有相似的變化，GNH、HLR和MDG三個臺站的單臺波速比表現(xiàn)為2010至2014年下降、2014至2015年回升、2015至2017年下降；ZLT、CHR和HJT三個臺站的波速比在2012年上半年出現(xiàn)下降后回升。相近臺站波速比的相似性驗證了波速比結(jié)果的可靠性；不同方位臺站波速比變化的差異，反映出波速比的橫向不均勻性和各向異性。

圖6 扎蘭屯地區(qū)平均波速時序圖Fig.6 Time sequence of average wave velocity in Zhalantun area

圖7 扎蘭屯地震叢集單臺波速比Fig.7 Single wave velocity ratio of seismic cluster in Zhalantun area

4 結(jié)論和討論

(1) 運用內(nèi)蒙古地震臺網(wǎng)觀測資料，對扎蘭屯地區(qū)的b值、波速比分析，探討地震活動性特征和測震學(xué)指標(biāo)的震兆意義。

(2) 用最小二乘法對扎蘭屯地區(qū)b值進行空間掃描，結(jié)果顯示額爾古納和阿榮旗地區(qū)為低b值區(qū)域。

(3) 用最大似然法和最小二乘法，分析扎蘭屯地區(qū)b值的時序特征，兩種方法結(jié)果較一致。額爾古納和阿榮旗地區(qū)為低b值區(qū)域,2008年鄂倫春自治旗Ms5.2地震前，扎蘭屯地區(qū)b值呈現(xiàn)升高后降低的變化。2014至2017年上半年b值呈緩慢上升趨勢。

(4) 使用多臺單震和達法計算波速比，繪制平均波速比的時序圖和空間分布圖，牙克石一帶為波速比低值區(qū)域，波速比在空間上表現(xiàn)出橫向不均勻性，特征為西北側(cè)高、東南側(cè)低。

(5) 使用單臺多震波速比方法計算牙克石-扎蘭屯地震的單臺波速比，相近臺站波速比的相似性驗證了波速比結(jié)果的可靠性，不同方位臺站波速比變化的差異反映了波速比的橫向不均勻性和各向異性。