河套地震带波速比分区特征

2015-06-03韩晓明陈文凯张文韬

地震地磁观测与研究 2015年4期

关键词：临河河套波速

韩晓明陈文凯张文韬

1）中国呼和浩特 010010 内蒙古自治区地震局

2）中国甘肃 730000 中国地震局兰州地震研究所

3）中国合肥 230000 安徽省地震局

0 引言

河套地震带位于鄂尔多斯隆起和阴山隆起之间，由临河盆地、白彦花盆地和呼包盆地等次级盆地右阶斜列组成，这3个盆地分别受色尔腾山山前断裂、乌拉山山前断裂及大青山山前断裂控制，为近EW向左旋剪切拉张带，且带内多为左旋正走滑断裂。从外围动力学环境分析，河套地震带是鄂尔多斯块体和阴山隆起受到近水平拉张作用产生互相错动而产生的走滑型地震带；从内部应力作用分析，地震带所辖3个盆地的互相推挤作用是河套地震带6级中强地震的动力根源，而在中强地震的孕育过程中，盆地内部小震活动较为集中，有利于开展类似波速比等测震学指标的研究（国家地震局鄂尔多斯周缘活动断裂系课题组，1988；邓起东，1999；冉勇康，2003；刘芳，2007）。

波速比研究的理想条件是，足够小的空间范围内有足够多的地震事件和地震台站，虽然几乎没有符合要求的区域，但是以此为指导思想开展波速比研究是可行的、科学的。在内蒙古地区，河套地震带地震活动活跃，地震台站分布密集，为开展波速比研究提供了有利条件。本文利用和达法求解多台单震平均波速比，并根据不同的构造单元，分别对临河盆地和呼包盆独立研究，进行时间和空间上的对比分析，在呈现波速比时空变化特征的基础上，探讨不同物化性质的介质体对波速比的影响。

1 研究区概况

1900年以来，河套地震带地震活动明显增强，陆续发生7次6级以上中强地震。特别是1970年以来，4次6级以上中强地震均发生在鄂尔多斯块体北缘的河套地震带（表1），时间最近的一次为1996年包头6.4级地震，河套地震带是近50年来鄂尔多斯周缘中强地震最为活跃的地段。

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

图1 河套地震带2000年以来ML≥1.5地震空间分布Fig.1 Spatial distribution of ML≥1.5 earthquakes in Hetao seismic belt since 2000

1970年以来，河套地震带在6级以上中强地震连发的同时，中小地震活跃，顺延河套地震带众多断裂系，形成内蒙古西部地区近似“弧形”的地震活跃地带（图1）。从空间分布看，地震活动主要集中于西侧的临河盆地和东侧的呼包盆地，南侧的白彦花盆地面积较小，大部分区域位于鄂尔多斯块体，少有地震记录，该盆地东西2个边界分别毗邻临河盆地和呼包盆地，并且3个盆地之间没有横跨某一断裂，综合考虑计算的限定条件、地震样本数和结果可信度，决定将白彦花盆地的少量地震事件一分为二，分别并入临河盆地和呼包盆地进行波速比计算分析。

经“九五”数字地震观测网络建设，河套地震带地震台数量和质量大幅提高，成为内蒙古地震台网分布密集、地震监测能力最强的地区。同时，由9个遥测地震台、1个接收中心和1个记录中心组成的呼和浩特数字遥测地震台网地震监测能力大幅提升，监测孔径增加为东西约600 km、南北约230 km，监测面积约14 000 km2，基本形成覆盖河套地震带的数字化地震观测系统，为该区域波速比研究创造良好平台（图1，表2）。

表2 河套地震带地震台站基本参数Table 2 Stations′basic parameter of Hetao seismic belt

2 波速比计算

2.1 计算方法及条件设定

波速比研究是最为传统的测震学分析方法之一，国内外在此领域的研究已经比较成熟（冯德益等，1981；傅征祥等，1988；蔡静观等，1999；蔡静观，2000；张学民等，2004；宋美琴等，2004；黎明晓等，2004；李永莉等，2008；王林瑛等，2008，2014；岳晓媛等，2008；张晖等，2013）。日本地震学家和达清夫于1928年提出求波速比的和达法，对1个地震以1组台站记录的纵波到时TPi和纵横波到时差T(S－P)i的资料作图，拟合直线求得斜率，再加1即为波速比。假设所选研究区域是理想的均匀弹性介质，以多台记录到的近震直达P、S波到时TPi、TSi计算波速比r=VP/VS，相关系数R和波速比剩余标准差S的计算公式如下

式中，n为台站个数， ΔTi=TSi-TPi。则

本研究采用和达法计算区域平均波速比，针对内蒙古地区地震台网布局和地震活动频次，基于Matlab平台，编写多台联合计算区域平均波速比的计算程序。根据内蒙古地震台网中心提供的地震观测报告进行Pg和Sg到时数据读取计算，并利用到时差tS－P、相关系数R等因子对计算过程进行约束，以保证波速比值的浮动范围和结果的可靠性。保证4个以上地震台记录和尽可能多的地震事件参与计算，设定纵波和横波的到时差tS－P上限为20 s，保证计算平均波速比的辐射半径不超过150 km，在兼顾地震台网密度和计算样本数的基础上，最大限度地消除地震波在传播路径上由于地球介质性质不同而产生的可能影响。

2.2 呼包盆地波速比

根据内蒙古区域地震台网提供的2000年1月1日—2012年8月30日的地震观测报告，按照上述计算条件设定原则，采用和达法计算呼包盆地单震多台平均波速比。由于人工拾取震相偶尔出现的震相识别误差或操作失误，使得观测报告中有些地震的震相到时存在严重偏差甚至错误，导致个别波速比值显著偏离正常范围。

针对这些“错误”地震事件，对各地震台记录的Pg、Sg到时进行和达直线检验，对偏离直线的地震台震相到时进行校对和修正，通过查阅原始地震观测报告，找到偏离和达直线的地震台，将其震相到时并与现有数据进行比对和校正；对于有些偏离较大且无法从原始报告中查阅出震相到时数据的，在满足计算要求（即参与拟合和达直线的台站数目不少于4个）的前提下予以删除。

计算结果显示，2000年以来呼包盆地波速比取值范围为1.60—1.88，为了更好地分析波速比时序曲线的变化趋势，对原始数据进行“近均值滑动”（即滑动前后波速比平均值保持不变，围绕均值线上下调整），滑动步长的选取根据多次实验求得，选取原则是，保证滑动曲线和原始曲线在各时段内的细节变化一致，进而依据区域地震样本数进行综合设定，最终以5个数据点为滑动步长进行平滑处理（图2）。近均值滑动处理后，呼包盆地波速比（VP/VS）取值范围缩小为1.66—1.80，研究时段内的平均值为1.723，标准方差为±0.023 07。研究时段内，呼包盆地波速比时序曲线未有显著的趋势异常，基本围绕在均值线上下波动；2011年以来，时序曲线整体处于均值线以下，波速比呈现一定的持续性低值变化，表明呼包盆地在此时段内所承受的应力水平有所提高，使得地下介质体的裂隙度减小，而整体刚性提升，对此较为敏感的S波在此应力环境中传播速度损耗减小，波速比随之偏小。

图2 呼包地区波速比时序曲线Fig.2 Temporal curve of velocity ratio (VP/VS) in Hubao basin

从波速比空间分布等值图来看，区域地质构造体的差异同样影响波速比变化。结果显示，在呼包盆地内部，地质构造体较为简单，地壳介质物理化学性质较为统一，对介质体较为敏感的S波未产生明显变化，波速比值相对较为稳定，取值范围为1.70—1.75；而在呼包盆地边缘，即盆地向隆起的过渡地带，波速比值浮动变化范围相对较大，出现多处波速比高低值转换区域，大青山山前断裂西部尤为明显，波速比浮动范围可达1.6—1.8（图3）。这是由于地质构造过渡地段地壳介质体差异显著，较为敏感的S波穿越过程中会表现出构造相依的变化特征，从而使波速比值随着S波速度变化而产生较大幅度的相反变化。

为了分析计算精度，对波速比求解过程中涉及的几个主要参数进行相关性分析。结果显示，计算误差S的整体值域为0.04—0.67，优势分布范围为0.01—0.03；相关系数R的总体值域为0.993—0.999 3，优势分布范围为0.996—0.998 5。随着记录台站数目的增加，可以发现：①波速比计算误差S的优势分布的波动幅度逐渐缩小；②相关系数R表现出相对模糊的递增趋势；③波速比值的值域明显减小。相对而言，相关系数R与计算误差S没有明显的相关性（图4）。

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

图4 呼包盆地波速比计算数据统计分析（a）计算误差S与记录台站个数相关性；（b）相关系数R与记录台站个数的关系；（c）计算误差S与相关系数R的相关性；（d）波速比与记录台站个数的相关性Fig.4 The data statistical analysis of velocity ratio(VP/VS) in Hubao basin

2.3 临河盆地波速比

根据上述方法和步骤，对临河盆地ML≥1.5地震事件进行波速比求解。经过震相到时校正、近均值滑动等数据处理，结果显示，近均值滑动前，临河盆地波速比取值范围1.61—1.86，近均值滑动后的取值范围缩小至1.68—1.80，研究时段内，临河盆地的波速比平均值为1.733，计算方差±0.022 64，略高于呼包盆地（图5）。空间分布显示，波速比随着区域地质构造体的差异而形成明显的高值和低值区域，特别是在狼山山前断裂和杭锦后旗断裂间的北东向凹型区域、从鄂尔多斯北缘断裂中部横贯临河断裂和色尔腾山山前断裂的NW向区域，表现出较为连续的低值区域（图6）。空间分布受到区域应力水平增强的影响，也与区域地质构造体的细节差异有关。地质资料显示，狼山山前断裂北段第四纪断层较为发育，山前断层崖和断层陡坎出露明显，南段相对较少，表现为北段的地质体活动较南段强烈。同时，位于狼山山前断裂和色尔腾山山前断裂结合部的狼山口是临河盆地断裂活动强烈地段，上述区域较易积聚较强的应力而使得波速比表现为连续低值。从时序曲线看，形成波速比空间分布低值时段主要集中在 2002—2006 年（图 5）。

图5 临河盆地波速比时序曲线Fig.5 Temporal curve of velocity ration in Linhe basin

从计算数据统计结果（图7）看：计算误差S的整体值域为0.005—0.067，优势分布在0.01—0.025；相关系数R的整体浮动范围为0.994 5—0.999 1，优势分布在0.996 5—0.998 5；记录台站个数从3个到21个不等，大部分地震能被4—14个台站记录。总之，在临河盆地波速比求解过程中，S、R和波速比未表现出与记录台站个数之间的相关性。

图6 临河盆地波速比空间分布Fig.6 Spatial distribution of velocity ration in Linhe basin

图7 临河盆地波速比计算数据统计分析（a）计算误差S与记录台站个数相关性；（b）相关系数R与记录台站个数的关系；（c）计算误差S与相关系数R的相关性；（d）波速比与记录台站个数的相关性Fig.7 The data statistical analysis of velocity ratio in Linhe basin

2.4 波速比空间分布结果可信度考察

由于地震在空间分布上的非均匀性和随机性，以及地震事件震中距的差异影响，进行波速比空间扫描时可能产生一些“伪异常”。为此，对呼包盆地和临河盆地研究时段内的地震事件随机抽取50%重新进行空间扫描（图8）。

图 8 呼包盆地和临河盆地随机删除50%地震事件后波速比空间分布（a）呼包盆地；（b）临河盆地Fig.8 Velocity ratio spatial distribution of Linhe and Hubao basin after delete data 50% random

结果显示，呼包盆地和临河盆地波速比空间分布形态均产生新的变化，主要表现为低值区域面积和分布范围有所增加。原因在于，由于随机删除50%的地震事件，地震样本数的减少一定程度上加剧了地震分布的非均匀性，且分布密度明显减少，使得空间扫描图像产生了相应变化。由图8可见，管波速比空间分布形态产生一定改变，但部分区域波速比低值依然存在。就呼包盆地而言，随机删除50%的数据后，盆地外部的整体值域仍高于盆地内部，且大青山山前断裂西段与和林格尔断裂西南部仍属于低值异常区域；就临河盆地而言，狼山—腾山山前断裂毗邻的凹陷区域空间连续低值形态依然显著。

3 结论

在波速比计算中，Pg波和Sg波的到时读取比较直接，可通过和达直线拟合检验其准确度，并进行相应校正；台站密度、地震样本数及传播路径上介质体的影响，可通过合理调整走时差TS－P进行权衡。因此，在波速比计算中，应根据区域地震活动水平高低、地震台站布局和地质构造体差异性分布，选用合理的计算条件进行波速比求解。

河套地震带的地震台站空间分布较为均匀，为波速比计算提供了良好的基础条件。本文选取地震事件的震源深度基本保持在6—12 km，地震波射线路径由此深度到地表台站，平均波速比反映了河套地震带上地壳的介质状态。不同的地质构造体呈现不同的速度结构和波速比，同一区域的速度结构及波速比差异则反映构造体的细节差异，一般，在较为稳定的构造单元内，速度结构和波速比应该具有稳定性、相似性和继承性。由此，可以做出以下推断：对于同一区域（足够小空间范围），由于地下介质体是固定的，其物理和化学性质不易改变，唯一变化的是介质状态，而介质状态直接影响波速变化，因此同一区域中强地震前的波速比曲线的变化过程有可能相似。

整体来看，河套地震带的平均波速比在空间分布上表现为与构造相依的变化特点，在随机删除50%数据后的波速比空间分布图像上也能得到体现。在固定时间范围内，呼包盆地的平均波速比低于临河盆地，主要因为呼包盆地所处地质构造环境相对简单，除了近EW向大青山山前断裂外，没有明显的断裂分布，地下介质整体性较好，刚性较强，对地下介质状态反映较为敏感的S波在呼包盆地内部传播时衰减程度相对较小，波速比（VP/VS）随之偏低。有关研究表明（张学民等，2004），在弱震区或稳定块体内部（如呼包盆地），各层波速比一般低于正常波速比1.732（呼包盆地为1.723）；在过渡区域，如位于盆地边缘或稳定块体边缘地带（如临河盆地及呼包盆地边缘），其波速比值有高有低，一般大于1.732（临河盆地为1.733）。可见，区域地质构造直接影响波速比，特别是平均波速比值的高低。反之，根据区域波速比的微观变化，也能够推测某一时段内固定区域的地质构造状态。

从波速比求解过程中主要参数之间的相关性分析结果看，相对于临河盆地，呼包盆地的计算参数之间表现出一定的相关性，即计算误差S、相关系数R、波速比值的值域均与记录台站个数呈负相关。分析认为，区域地震台网布局情况和参与计算的地震样本数是影响这种统计结果的主要因素。

审稿专家的修改建议对本文撰写帮助很大；文中图件由Matlab程序设计平台和GMT程序包完成。作者在此一并致谢。

蔡静观，梅世蓉，张喜玲，等.从高波速比试论云南丽江7级地震的孕震模式[J].地震研究， 1999，22（2）：122-129.

蔡静观.波速比计算中的不确定因素和在地震预报中的应用[J].地震研究，2000，23（1）：51-56.

邓起东，程绍平，闵伟，等.鄂尔多斯块体新生代构造活动和动力学的讨论[J].地质力学学报，1999，5（3）：13-21.

冯德益.地震波速异常[M].北京：地震出版社，1981：186-200.

傅征祥，程燕.北京和张家口地区地壳平均波速比的联合测定[J].地震，1988，（4）：28-34.

国家地震局鄂尔多斯周缘活动断裂系课题组．鄂尔多斯周缘活动断裂系[M]．北京：地震出版杜，1988．

黎明晓，张晓东.应用多台法测定华北地区地壳的平均波速比[J].地震，2004，24（1）：163-169.

刘芳，苗春兰，高艳玲.内蒙古中西部地区尾波Q值研究[J].地震，2007，27（2）：72-80．

李永莉，毛慧玲，赵小艳，等.云南地区数字地震波波速比的区域特征[J].地震研究，2008，31（3）：203-208.

冉勇康，陈立春，杨晓平，等.鄂尔多斯地块北缘主要活动断裂晚第四纪强震复发特征[J].中国科学(D辑)，2003，33：135-143.