河北及邻区平均波速比变化特征分析

王亚茹 王想 宫猛 郭蕾 刘晓丹

河北省地震局，石家庄市槐中路262号 050021

0 引言

地震波携带了地球内部的大量信息。在地震的孕育过程中，孕震区介质的物理状态会产生一系列变化，如发生微破裂、扩容、塑性硬化及相变等，地震波通过震源区时，波速也会发生变化，这是利用波速比异常预测地震的重要依据（冯德益，1981）。

1956年日本地震学家早川正已（李善邦，1981）首次发现震前波速比异常现象，随后各国学者（Semenov et al，1969；Kanamori et al，1976）对波速比异常现象进行研究并发现了一些地震的波速比异常实例，为解释其变化机理，Nur等（1972）提出“扩容-流体扩散”模式解释波速比变化过程。但是一些学者（McEvilly et al，1974；Mogi et al，1985）也提出了相互矛盾的结果。近年来，随着观测条件的显著改善和新技术方法的引入，地震数据精度不断提高，对中强地震前后波速比变化现象和特征的研究又引起了广泛关注（Nakamura et al，2002）。其中，可控震源实验表明地壳内确实发生了可测的波速变化（Korneev et al，2000），而利用“重复地震”的震相延迟时间变化也得到了一些强震前震源区明显的波速比变化（Schaff et al，2004）资料。在我国，不同学者对波速比也开展了广泛研究与讨论，得到了不同区域中强地震前后地震波速变化的震例（蔡静观等，2000；刁桂苓等，2005；黎明晓等，2006；王林瑛等，2014）并对波速比异常给予了肯定。

1 研究内容与方法

1.1 研究区的选择

河北地区地质构造复杂，区内主要包括张家口-渤海地震带与河北平原地震带，近年来随着河北地震台网建设的不断完善，地震数据的精度不断提高，为本研究提供了高质量的数据资料。本文将研究区域分为 4部分（图1），分别为晋冀蒙地区（38.5°～41.5°N，113°～115.5°E）、京津地区（38.5°～41.5°N，115.5°～117.5°E）、唐山地区（39°～41°N，117.5°～119.5°E）以及河北南部地区（35.5°～38.5°N，113°～116°E），通过分析这 4个地区地震波速比的时序变化特征，讨论其与中强地震之间可能存在的关系。

图1 研究区地震震中分布

1.2 应用和达法计算波速比

地震的纵波与横波的速度之比即为波速比，用Vp/Vs表示，平均波速比可由（1）式求得，式中，n为观测台站总数，Tpi和T（S-P）i分别为第i台站的P波观测到时以及S波、P波到时差。

多台观测可用最小二乘拟合求K，K为和达直线的斜率，故波速比可表示为

其误差为

其中，T′（S－P）i是理论计算值。相关系数的计算公式为

2 数据处理

本文搜集并整理了河北省地震台网2006～2016年2月的地震数据，选择最少有4个台站记录到的、到时差≤20s的地震走时数据，利用多台和达法计算波速比，为提高波速比的计算精度及稳定性，择其相关系数大于 0.98，误差小于 0.05的 8033个地震波速比数据（图 2（a）），这些数据基本为 1.65～1.75，均值为 1.708，震级ML＝1.0～2.0，波速比与震级之间没有明显的对应关系（图2（b））；计算结果的精度与所选台站个数有关，台站越多，波速比的离散程度越小；2006～2009年波速比的相关系数有一定波动，2009年之后相关系数较好。

图2 波速比与震级、台站个数、相关系数的关系

3 结果分析

对唐山地区的波速比滑动曲线的分析如下，对另外3个分区按照同样的思路进行。

3.1 唐山地区的波速比变化特征

1976年唐山发生7.8级地震，1995年以后无5级以上地震，目前唐山老震区的余震处于晚期（王想等，2012），自 2006年以来该区 4级以上地震呈现两年准周期的活动韵律。图3（a）为唐山地区波速比数据的原始曲线，无明显变化。滑动平均是对动态观测数据序列进行平滑处理的一种十分重要的方法（赵娟等，2005），既可得出较平滑的测量结果，也可滤掉频繁的随机误差。用不同窗口对波速比数据作滑动平均，若窗口太大则可能过滤掉太多有效信息，若窗口太小则得不到较为平滑的结果，通过多次实验最终确定对ML≥1.0的地震的波速比用 30点滑动平均（图3（b）），对ML≥1.5的地震波速比用 20点滑动平均（图 3（c）），对ML≥2.0的地震波速比用 10点滑动平均（图 3（d））。

图3 唐山地区不同震级的波速比时序曲线

冯德益（1981）提出波速比异常变化的全过程：地震波速比一般先下降然后回升，当再次达到或略超过初始值后就发生主震，震后还有一个不稳定的变化期。一系列的震例研究（刘继禄等，2000；王林瑛等，2008、2011、2014；龙海英等，2011）也表明震前震源区附近波速比出现类似变化过程。按照这个异常判定标准对唐山地区不同震级波速比滑动曲线进行定性讨论，可以发现在唐山地区ML4.0以上地震发生前该区的波速比大都出现了下降-低值-恢复的变化过程。2008年3月11日河北卢龙发生ML4.4地震，该区ML≥1.0、M≥1.5，M≥2.0地震波速比滑动曲线在地震前均出现明显的下降-低值-恢复变化形态，持续时间半年左右，最终在低值回升阶段发震；2010年3月6日该区发生滦县ML4.8以及4月9日丰南ML4.6地震，其ML≥1.0、ML≥2.0地震波速比滑动曲线在地震前没有出现明显低值异常，但ML≥1.5地震波速比滑动曲线在震前一年出现下降-低值变化，恢复一段时间后发生上述地震；2012年5月28日该区发生唐山ML5.1及6月18日宝坻ML4.5地震，ML≥1.0、M≥1.5，M≥2.0地震波速比滑动曲线在震前均出现下降-低值变化，尤其是ML≥1.5和ML≥2.0地震波速比滑动曲线低值异常明显，地震发生后低值恢复；2014年10月14日该区发生滦县ML4.0地震，其ML≥1.0及ML≥2.0地震波速比滑动曲线没有出现明显的波速比异常，但是ML≥1.5地震波速比滑动曲线表现出明显下降，在低值持续的过程中发生该次地震，随后波速比滑动曲线恢复到均值线附近；2015年9月14日该区发生昌黎ML4.7以及11月28日丰南ML4.0地震，其ML≥1.0、M≥1.5、M≥2.0地震波速比滑动曲线在地震发生半年前均出现下降-低值-恢复变化。从对波速比滑动曲线的定性分析可见唐山地区自2006年以来的几次中等地震发生前波速比滑动曲线的确存在一定的异常形态，尤其是ML≥1.5地震波速比滑动曲线在这些中等地震发生前变化明显。

上面对不同震级档的地震波速比滑动平均曲线与唐山地区ML4.0地震的关系进行了定性讨论，下文尝试对其进行定量分析。由于该区ML≥1.5地震波速比与中强地震对应关系较好，因此着重讨论ML≥1.5地震波速比异常的预报效能。选取唐山地区的波速比平均值1.708作为标准，波速比滑动曲线异常判定指标为：①异常从波速比均值附近开始下降；②异常持续时间超过3个月；③异常下降幅度超过0.010；④异常回升到均值线附近结束。由于唐山地区不同震级的滑动均值曲线在2006～2007年都处于较低水平，该低值可能与2006年7月4日河北文安5.1地震有关，因为没有2006年之前的波速比数据无法得出该次低值的持续时间，因此在统计定量异常时不予统计。按照以上限定条件统计唐山地区ML≥1.5的地震波速比滑动均值共出现4次异常（表1），异常持续时间大多在3～6个月，其中有3次异常出现后发生ML4.0以上地震，没有发现波速比持续时间及异常幅度与地震大小明显相关，有2次地震发生在在波速比呈低值期间，有一次地震在异常结束后4个月发生，对应率为75%，结果是置信水平为97.5%的预报效能R（许绍燮，1989）为0.55，总之该区波速比滑动曲线对中等以上地震有一定反映能力。

3.2 其他分区的波速比变化特征

下面按照对唐山地区波速比的分析思路对河北地区的其他3个分区进行研究，略去对各个分区不同震级波速比异常的定性研究，结合每个分区的特点重点分析ML≥1.5地震的波速比曲线异常特征，尝试得出可用于河北地区及相邻区域的波速比异常判定标准。

3.2.1 京津地区的波速比变化特征

该区位于北京坳陷与大兴隆起间，曾发生1679年三河-平谷8级大震，最近的地震为2006年7月4日文安5.1级地震，王林瑛等（2008）通过对首都圈波速比研究得出文安地震前附近地区波速比有异常反应，2006年该区的波速比滑动平均值明显偏低（图4），由于缺少对文安地震前的较长时间段的波速比跟踪分析，因此对2006年的低值异常不予统计。按照唐山地区波速比异常的判定标准，自2006年至今北京地区的波速比无明显异常。2012年8月26日的天津宝坻ML4.0地震属于2012年6月18日天津市宝坻区与河北省玉田县交界ML4.5地震的余震活动，该地震位于京津地区边缘，属唐山大地震的晚期余震活动。由于波速比滑动均值来自京津地区地震的震相数据，但其孕震区可能不在京津而在唐山地区（图3（c）），所以京津地区的波速比未出现明显异常。

表1 唐山地区波速比异常统计

图4 京津地区M L≥1.5地震的V P/V S 20点滑动平均曲线

3.2.2 晋冀蒙地区波速比的变化特征

该区位于山西地震带与张渤地震带的交汇部位，构造复杂，1998年1月10日张北6.2级地震前京西北地区出现明显低值异常（刘继禄，2000）。定性看该区ML≥1.5地震波速比滑动曲线在2015年9月6日涿鹿地震前出现下降-低值-回升的异常形态。若进行定量分析（表2），则可看出有3次异常，未对应中等地震；但是从表2也可看出山西大同地震及河北涿鹿地震发生前该区均出现3个月左右的波速比低值异常，下降幅度分别为0.0777和0.0078，只是未达到异常判定标准的0.01故未被判定为异常，这说明依唐山地区的地震资料统计出来的异常定量标准（前文所述的①、②和④）是适用的，而并不适用于晋冀蒙地区（③），若把异常判定标准的“③异常下降幅度超过0.010”中的下降幅度适当的降低到0.007，则该区波速比的对应率为0.4，预报效能R为0.15。

3.2.3 河北省南部地震的波速比变化特征

河北省南部地区自2006年以来中等地震活动均集中在河南范县，在这几次地震发生前该区ML≥1.5地震波速比滑动均值曲线从形态上均表现出下降-低值的异常。若进行定量分析（表3），则可看出有1次异常，其后半年内无ML4.0以上地震。但从表3也可看出在2010年、2014年、2015年该区均出现了持续4～5个月波速比低值，其低值的最大降幅在0.006～0.007之间，在低值结束后2～5个月的时间内河南范县发生ML4以上地震。因此若把异常定量标准的下降幅度设定为0.006，则该区的地震对应率将大大提高，地震对应率为0.6，R值为 0.35。

表2 晋冀蒙地区波速比异常统计

图5 晋冀蒙地区M L≥1.5地震的V P/V S 20点滑动平均曲线

表3 河北南部地区波速比异常统计

图6 河北南部地区M L≥1.5地震的V P/V S 20点滑动平均曲线

4 结论

本文通过和达法计算唐山地区的波速比数据，用不同窗长滑动得到不同震级的波速比时序动态演化曲线。减小了随机误差，得到较为平滑的结果，但是窗口的选择至关重要，若窗口太大则会过滤掉很多的有效信息，对细节的反映有所欠缺；若窗口过小，虽然对动态变化的细节反映更加灵敏，但是对趋势表征不明显。通过对地震前不同震级档波速比曲线的形态特征进行分析，发现在大部分中等地震发生前唐山地区的波速比表现出下降-低值的异常形态，其中ML≥1.5地震波速比滑动曲线在地震前其异常形态表现的更为明显。通过对唐山地区的ML≥1.5地震的波速比曲线与中等地震关系的定性讨论，提出了该区波速比异常判定的4个定量标准，即：①波速比异常是波速比自其均值线附近开始下降；②异常持续时间超过3个月；③异常下降幅度超过0.010；④异常回升到均值线附近结束。这4个标准中的①和②为异常的开始和持续时间，③为异常下降幅度标准，④提供了异常结束的判定方法。通过分析可知对应地震多在异常持续期间或者异常结束半年内发生，其对应率为75%，R值为0.55，这表明唐山地区的波速比异常是有一定信度的中短期指标。在把唐山地区波速比异常定量标准应用于河北省的其他3个分区的时候，异常标准的①、②和④能够起到很好的约束作用，而③即异常下降幅度却各有差别。和达法计算波速比是基于地壳中上层均匀单层模型，其不确定性主要是由介质的横向不均匀性的局限产生的，本文的研究结果为特定区域限定条件内的波速比滑动平均的结果，忽略了更小范围的局部区域介质的各向异性；同时不同研究区域地质构造以及地震活动性不同，地震活动频繁的区域其波速比数据多，其滑动曲线能够实时的、更加真实的反映该区波速比的变化特征，相反地震活动较弱则波速比数据少，其滑动曲线则不能实时的反映该区的波速比变化特征。

致谢本文使用中国地震局地球物理研究所李艳娥老师提供的计算程序，在此表示衷心感谢。衷心感谢审稿老师提出的中肯意见。