2016年1月9日怀来震群精细分析

岳晓媛 武安绪 胡乐银 冯 刚

（中国北京100080北京市地震局）

2016年1月9日怀来震群精细分析

岳晓媛 武安绪 胡乐银 冯 刚

（中国北京100080北京市地震局）

2016年1月9日河北省怀来县发生ML3.4震群，据历史记载，该区曾发生多次MS5以上地震，地震活动强烈。为了进一步判断该区后续地震活动趋势，采取地震序列、视应力及波速比方法，对此次震群进行精细分析，结果表明，此次震群为非前兆震群，应力水平较低。

怀来震群；精细分析；活动趋势

0 引言

众所周知，震群活动可以反映周边区域应力场变化，当区域构造应力增强时，在介质薄弱部位会发生显著地震或震群活动。中国较早采用传统方法分析震群活动，如：柯龙生等（1977）将较大地震的前震资料与岩石破裂、波速异常等实验和观测资料作对比，研究了前震序列的活动规律及与一般小震群的区别；刘正荣等（1979，1984，1986）在研究有前震的地震预报问题时，给出计算地震频度衰减系数h值，并据此进行序列类型判断的方法；王振声等（1984a）利用应力强度因子对山西带小震群的活动特征进行分析以利区别；朱传镇等（1989）对如何判定前兆震群提出了归一化熵值K；林邦慧等（1994）研究了b、U、K等判别前震序列与前兆震群、非前兆震群的方法；郭大庆等（1998）开展了地震序列类型特征的研究。随着数字地震学的发展，越来越多的地震学者采用数字地震学方法开展序列研究工作，如：刘红桂等（2006）利用云南地区地震序列中的地震视应力识别序列的前兆表现；张小涛等（2006）通过对九江—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）对1997—2003年新疆—巴楚强震群活动判别性质和指标进行了系统研究；曹凤娟等（2015）计算1999年岫岩地震序列的地震视应力，分析了震源区介质的破裂状态。

目前，在测震学分析预报工作中，越来越注重将传统方法与数字地震学方法相结合进行分析研究，首先对地震的发震构造、序列时空分布特征、序列参数、序列类型进行分析，然后应用震源机制解、地震精定位、视应力或应力降等数字地震学方法对后续预测等进行分析，最后对地震危险性进行综合判断。因此，将多种方法相结合比单一方法更具有预测意义。本文采用地震序列、地震视应力及地震波速比方法，对2016年1月9日怀来ML3.4震群进行精细分析，即将传统方法和数字地震学方法相结合，综合分析此次震群活动对所属分区及周边地区的后续地震活动趋势。

1 震群背景

2016年1月9日在河北怀来县境内（40.48°N，115.57°E）发生ML3.4震群活动，距北京仅17 km。此次震群活动持续时间长、地震频次高，在所属震型分区（怀来、赤城、宣化地区）内活动显著。所属震型分区（怀来、赤城、宣化地区）位于山西断陷东北部，包括部分延怀盆地，发育的活动断裂主要有NE走向的怀涿盆地西北缘断裂、NE走向的延矾盆地西北缘断裂及NW 走向的新保安—沙城断裂（图1）。该区地震活动强烈，有历史记录以来共发生MS5以上地震7次，其中MS6.5以上地震2次，最大为1720年7月12日怀来MS6.8地震，最近1次显著地震为2014年9月6日涿鹿MS4.3地震，最近1次显著震群为2002年8月3日河北怀来MS3.9震群。

据中国小震正式目录统计，2016年怀来震群共发生地震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，最大地震震级为ML3.4。此次怀来震群序列M—T图见图2，可见此次震群具有频次高、持续时间长、“密集—平静”等特点。

图1 怀来震群及周边断裂分布Fig.1 Distribution of Huailai earthquake swarm and fractures surrounding the swarm

图2 2016年1月怀来震群M—TFig.2M—Tdiagram of Huailai earthquake swarm

2 震群前兆性质识别

震群性质一般采用常规统计特征进行识别，主要根据U、K、ρ、h和b等具有一定物理意义的参数，判定震群的前兆性质。据图2显示，怀来震群地震密集时间为1月9日—25日，1月25日后震群逐渐衰减至正常活动水平，意味着震群活动基本结束。在此采用h值、b值及U—K—ρ组合判定此次怀来震群前兆性质。

（1）h值。通常认为，h≤1时，所发生的地震序列为前震序列；h＞1时，一般为余震序列。通过计算，此次怀来震群序列的h值为1.1，认为该序列为主余型序列的可能性较大（图3）。

（2）b值。b值是震级和频度关系式中的比例系数，代表一定区域内不同大小地震频数的比例关系，是表示序列特征的一个重要参数，古登堡等认为参数b对于各个地区具有不同的数值。一般认为，当序列处于前震状态时，介质所受到的构造应力较强，b值随之降低，据此判断该序列是否为前震序列，此结论已被众多地震学者的震例研究所验证。此次震群b值为1.02，与所属震型分区的背景b值相差不大，震群序列不属于前震序列，为正常的序列衰减（图3）。

（3）U—K—ρ组合。利用多项指标判定前兆震群的效果一般优于单项指标。U值表征震群序列释放应变能的方式，称为能量释放度；K值表征震群中地震能量分布的均匀度；ρ值表征序列在时间上的丛集程度。通过计算，此次震群U=0.4535，小于0.5，为非前兆震群；ρ=0.4842，小于0.55，为前兆震群；k=0.0782，小于0.7，为非前兆震群。

图3 怀来震群h值和b值Fig.3 Thehvalue andbvalue of Huailai earthquake swarm

由怀来震群的序列活动特征及序列常规统计参数计算结果表明，本次震群不具有前震序列特征，为前震序列的可能性不大，判定为非典型前兆震群。

3 视应力分析

一次地震的孕育可能伴随着地壳应力变化，分析研究与地壳应力有关的地震参数变化特征，可以得到地壳应力的变化信息，加强对地震发震机理的认识，为地震预测研究提供依据。曹凤娟等（2005）、秦嘉政等（2006）、李艳娥等（2007）、梁向军等（2014）、康建红等（2016）对视应力在震前的变化特征进行相关分析，发现震前视应力有显著升高过程并伴有高值异常。

3.1 样本选取

选用首都圈数字遥测地震台网地震波形资料，利用近震源Brune模式，计算此次怀来震群序列ML1.0以上地震视应力值。为保证计算结果的精度和可靠性，对样本数据进行以下限制：①选取震中距150 km以内的地震台波形记录；②为了保证样本量充足，要求至少16个地震台参与计算。同时，因地震波辐射存在方向性效应，为避免因台站非均匀分布而可能产生的误差，选择的地震台站尽量分布均匀，且较好包围地震；③选取信噪比较高、记录较清晰的波形数据。

为验证所选地震是否满足上述限制条件，绘制震源参数地震能量和地震矩与震级的线性关系图，见图4。由图可见，地震能量和地震矩与震级之间的线性关系较好，相对系数较高，分别为0.82和0.83，由此增加了计算结果的可靠性。

图4 震源参数与震级关系(a) 地震能量与震级之间的关系； (b) 地震矩与震级之间的关系Fig.4 The relation between the source parameter and magnitude

3.2 视应力特征

计算怀来震群样本视应力，并绘制首都圈地区3.0≤ML＜4.0地震视应力分布图（其中灰色方块为怀来主震视应力值），与此次怀来震群ML3.4主震视应力进行对比，发现此次主震视应力为0.736 MPa，与同震级视应力值相比偏低（图5）。怀来震群ML1.0以上地震视应力时序曲线见图6(a)，可见ML3.4主震发生后，后续地震视应力值快速降低，未出现高值起伏，保持平稳低值变化，客观反映了震源区的应力得到一定释放，并趋于稳定。

计算2002年以来此次怀来震群附近区域（39.5°—42°N，114°—117°E）发生的小震视应力值，时序曲线见图6(b)，图中灰色曲线为视应力原始曲线，黑色曲线为视应力平滑曲线，黑色虚线为异常阈值），可见2002年以来，5次中等地震前有4次（蔚县、大同、阳高和涿鹿地震）地震出现显著的高值异常，异常形态为下降—低值—（回升）发震，涿鹿地震后该地区视应力一直处于高值水平，此次2016年1月怀来震群并未抬高研究区域整体的应力水平。

图5 首都圈地区3.0≤ML＜4.0地震视应力Fig.5 Apparent stress of earthquake with magnitude 3.0≤ML＜4.0 in Capital circle

图6 怀来震群及附近区域视应力时序变化曲线Fig.6 Changes in apparent stress of Huailai earthquake swarm and nearby regions with time

4 波速比分析

在地震孕育过程中，震源区及附近介质会发生如微破裂、扩容、塑性硬化及相变等变化，从而使通过的地震波速度也发生改变，因此，研究波速异常变化可以得到震源区介质物理状态改变的信息，即地震前兆信息，是波速异常用来作为地震预测方法的物理基础。中国学者对地震波速比的研究工作始于20世纪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）、韩晓明等（2015）进行波速比研究，认为震前震源区附近区域波速比有显著下降并出现低值异常过程。

4.1 数据可靠性

采用多台和达法，利用首都圈地区高精度、高密度的数字地震资料，分析怀来震群及附近区域（39.5°—42°N，114°—117°E）波速比的时序变化（5点滑动），以期为该地区地震危险性分析提供依据。限制条件如下：①计算结果的误差与地震台站数目多少密切相关（张学民等，2007），要求对1次地震事件至少有4个台站参与计算；②鉴于首都圈地区台站分布比较密集，设定S波、P波到时差范围为0—20 s；③相关系数R≥0.97；④计算误差γ≤0.05。

为验证所选震群地震数据是否满足上述限制条件，绘制参与波速比计算的数据信度分析图，见图7，其中图7(a)为计算波速比均值的相关系数与对应地震次数统计，可知波速比相关系数R＞0.97的比例达97%；图7(b)为计算误差统计图，其中γ≤0.05的占88%。由图7可知，所选震群数据满足以上对拟合数据的限制，既提高波速比计算结果的实际精度，又保证了分析结果的可靠性。

图7 计算数据信度分析(a) 相关系数与地震次数统计； (b) 计算误差与地震次数统计Fig.7 Computed data reliability analysis

4.2 结果分析

经计算得到怀来震群及附近区域2002年以来地震（5次ML4.0以上地震）波速比结果，时序曲线见图8，图8(b)中图中灰色曲线为波速比原始曲线，黑色曲线为波速比平滑曲线，黑色虚线为异常阈值）。由计算结果可知，该震群波速比均值为1.717，与赵明淳等（2005）计算的首都圈地区平均波速比结果接近，均略低于线弹性体的波速比值1.73。由图8(a)可见，怀来ML3.4主震发生后，序列波速比未出现趋势性下降，基本在均值以上波动，偶尔出现的几个单点低值作为异常并不可靠。此次怀来震群未出现持续的低值异常，反映了震源区的介质状态比较稳定。由图8(b)可见，蔚县ML4.0、大同ML5.0和阳高ML4.1地震前，波速比均出现显著下降变化并形成低值异常，异常形态为下降—低值—（回升）发震，怀来震群发生后怀来震群及附近区域地震波速比曲线尚未出低值异常。

图8 怀来震群及附近区域波速比时序曲线(a)怀来震群； (b)附近区域Fig.8 Temporal curve of velocity ratio (vP/vS) in Huailai earthquake swarm and nearby regions

5 结论

本文采取传统和数字地震学相结合的方法，对2016年1月9日怀来ML3.4震群序列活动进行精细分析，得出以下结论：①序列参数计算显示，本次震群为前震序列的可能性不大；②常规统计特征识别认为，震群为非典型前兆震群；③怀来ML3.4主震相对同震级地震视应力水平低，属于低应力释放；怀来震群附近区域高应力水平是背景应力状态，此次震群并未抬高怀来震群附近区域应力水平；④震群本身波速比变化较平稳，所在区域地震波速比也尚为出现显著低值异常。

感谢中国地震局地球物理研究所陈学忠研究小组为本研究提供视应力计算程序。

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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

岳晓媛（1981—），女，工程师，主要从事地震活动性、数字地震研究工作。E-mail： yxy@bjseis.gov.cn

北京市地震局科技项目青年专项

本文收到日期：2016-03-30