首都圈北部地区波速比变化分析

张环曦， 刘 静， 王亚茹， 李 凤， 尹宏伟， 董 博， 张 蕾， 周安聘

(1.河北省地震局石家庄中心台，河北 石家庄 050000；2. 河北省地震局预测研究中心，河北 石家庄 050000)

首都圈北部地区波速比变化分析

张环曦1， 刘 静1， 王亚茹2， 李 凤1， 尹宏伟1， 董 博1， 张 蕾1， 周安聘1

(1.河北省地震局石家庄中心台，河北 石家庄 050000；2. 河北省地震局预测研究中心，河北 石家庄 050000)

本文选取首都圈台网记录的地震波数据，根据基于最小二乘法的波速比公式编制程序，自动读取震相到时，计算研究区的平均波速比。通过分析波速比与震级、时间的关系，认为其变化与地震活动有较明显的对应关系，对波速比变化的研究对未来地震的预测有一定的应用价值。

波速比；首都圈北部地区；前兆变化；最小二乘法

当地震波在地壳介质中传播时，其传播速度是地壳介质各种物理参数的函数。地震时区域应力场会发生变化，地壳介质的物理参数随之变化，地震波通过应力变化区时传播速度也会发生变化。由于P波和S波对地壳介质物理参数的响应程度不同，因此P波和S波速度的变化也不同，两者的比值即波速比就会发生变化。应用P波和S波比值可以探测地壳介质应力状态，这已发展成为一种重要的分析预报地震的方法。

我国自开展波速比研究以来，已经取得了一定成果，并通过一批震例，试图归纳波速比变化的时间、幅度、形态与强震的关系，其中不乏有预测成功的事例。蔡静观等展开了波速比变化在云南强震预测中的应用研究[1-2]；刁桂苓等讨论了岫岩地震序列的平均波速比前兆异常[3]；刘继禄等分析了张北6.2 级地震前后源区与场区波速比的时空变化特征及其异常[4]；梅世蓉、陆远忠等也有利用波速比异常做出预测的震例[5-8]；啜永清等采用格点尝试法、和达法分别计算了山西大同盆地的平均波速比，探讨了该区平均波速比在中强震前后的变化规律，得出山西大同盆地地震波速比在主压应力P 轴取向稳定的条件下同步降低的负异常与该区中强地震有一定对应关系的结论[9-10]；赵晋明等从实验上证实岩石在破裂前，波速比会发生明显变化。此外，波速比也用来分析地壳和地幔的结构。张成科等、祝治平等[11-12]汇总了多条人工地震剖面资料，分析了首都圈及其邻近地区速度结构特征；黎明晓计算了首都圈地区的平均波速比和应用多台法测定了华北地区地壳的平均波速比[13]。近年来，随着数字地震波形资料的积累，国内利用数字地震资料研究波速比变化特征逐渐增多，获得了不同区域发生的中强地震波速比变化特征研究成果。

1 研究数据

研究区位于首都圈北部(38.5°-41°N，114°-120°E)，该区地质构造复杂，主要断裂带有山西断陷带、燕山构造带西段和阴山构造带东段。自1978年以来曾发生过6次ML≧4.5级地震，并伴随大量前兆异常现象，多出现在这些断裂周边和交汇处。本文收集了2006年1月至2015年10月研究区ML2.0以上地震目录与到时数据。为降低震相到时拾取误差的影响，我们挑选其中P、S震相清晰的记录来计算波速比。图1为研究区的断裂带与震中分布，图2为研究区地震台站分布。

图1 首都圈北部地区断裂带与震中分布

图2 首都圈台站分布

2 研究方法

波速比的计算通常使用和达法，即将S波与P波到时差与P波到时拟合为1条直线。其中，计算公式有两种，但原理是一致的，都是利用同样两组数据tpt和t(s-p)i，分别以它们其一为自变量，另一个参量为因变量拟合直线，并求斜率得到波速比值。根据4个以上数字地震台记录到的清晰直达波Pg和Sg震相的到时Tp与Ts，根据下列公式用最小二乘法计算波速比：

式中，n为台站个数，ΔTi

用和达法计算波速比时，P、S波的到时差的ΔTi选择至关重要。若ΔTi太大，则样本量太大，少数台站观测到的异常信息可能会被抹掉；若ΔTi太小，则样本量太少，算得的波速比误差太大，最好将ΔTi控制在15～20 s内。该方法的优点是所计算的波速比稳定性好，精度高。但不足之处在于对台网布局和时间服务精度要求较高。由于直接从波速比选取震兆信息比较困难，而且误差较大，因此，利用波速比变化进行计算的方法是可行的。

3 结果分析

利用波速比公式编制程序，自动读取震相倒时，计算选取地震的波速比。为了保证计算结果的可靠性，从一个地震事件选取3个或者3个以上台站记录的地震记录，并绘制出波速比随时间关系曲线和五日均线波速比时序曲线。该区域所选时间段内，记录到2.0级以上地震事件987个，平均波速比均值为1.713387。图3给出了地震的震级—时间关系，从图上可以看出，2006年至2015年，研究区的中小地震活动频繁，绝大多数地震分布在2～3级之间，5级以上地震记录到2次；图4给出了波速比—震级关系，从图上可以看出，研究区绝大多数地震的波速比分布在1.6～1.8区间内，且震级越小，波速比的分布越离散，这可能是由于小震的震相到时拾取误差比较大造成的；图5给出了五日均线波速比时序曲线，从图上可以看出，在2008年汶川地震前后，区内平均波速比呈现出上升—下降—上升的变化趋势；2006年河北文安5.1级地震波速比下降，随后开始上升；2012年唐山4.8级地震，波速比回落。这些特征与显著地震前后波速比变化的一般特征比较一致。

图3 震级—时间关系

图4 波速比—震级关系

图5 五日均线波速比时序曲线

4 结论

基于本文的分析，主要可以得到以下几个结论：(1)首都圈北部地区的平均波速比为1.71，这与现有的研究成果比较一致。(2)通过分析波速比的时间变化趋势，确认了其与显著地震的对应关系，说明波速比对地震预测有一定的应用价值。从该区五日均线和时间的关系可以看出，2008～2009年波速比整体值的变化趋势为从低到高，这可能与汶川地震对该地区介质应力状态产生的影响有关。而波速比异常可能表明该地区地壳介质处于不稳定状态，这可能预示着未来有发生地震的危险。(3)该地区几次中强地震之前，出现了波速比低值区域，但是每次低值区域持续时间各有不同。这种现象出现的原因可能是由于孕震环境不同，但还需要进一步论证。

[1] 蔡静观,秦嘉政,苏有锦,付虹.云南姚安6.5级地震的震中分布图像和孕震环境[A].中国地震学会.中国地震学会第八次学术大会论文摘要集[C].中国地震学会,2000:1.

[2] 陈立德,罗平,傅红,蔡静观,刘翔,杨杰英,李永强,雷素华,沈斌,刘仲全.1995年7月12日云南孟连中缅边界7.3级地震中、短、临预报及前兆异常特征[J].地震,1997(1):1-13.

[3] 刁桂苓,吴培稚,李延兴,张宏志.首都圈地区应力场、形变场、地脉动场的对比分析[A].中国地震学会地震预报专业委员会.地震海啸与地震预报实验场学术研讨会摘要集[C].中国地震学会地震预报专业委员会,2005:1.

[4] 刘继禄,张从珍,李雪英,杜迎春,董孝平.张北6.2级地震前京西北地区地震波速比的异常变化[J].地震地磁观测与研究,2000(1):8-12.

[5] 梅世蓉,庄灿涛,许昭永,杨洪沧,包一峰.真三轴压缩时岩石破裂孕育过程中微破裂分布图象的时空变化[A].中国岩石力学与工程学会.第四届全国构造物理、第二届全国高温高压联合学术讨论会论文摘要[C].中国岩石力学与工程学会,1989:1.

[6] 冯德益,舒立德,刘喜兰,梅世蓉.华北北部地震前兆场时空演化模型的研究[A].中国地震学会.中国地震学会第五次学术大会论文摘要集[C].中国地震学会,1994:2.

[7] 陆远忠.基于GIS的地震分析预报软件系统的研制和应用[A].中国地质学会、国土资源部地质勘查司.“十五”重要地质科技成果暨重大找矿成果交流会材料二——“十五”地质行业获奖成果资料汇编[C].中国地质学会、国土资源部地质勘查司,2006:1.

[8] 胡勐乾,邓志辉,陆远忠.汶川地震对华北地区影响的数值模拟研究[A].中国地球物理学会.中国地球物理·2009[C].中国地球物理学会,2009:1.

[9] 啜永清.山西地区非弹性衰减系数、场地响应和震源参数的研究[A].中国地震学会第六届地震预报专业委员会.新方法和新技术在地震预报中的应用暨中国东部地区震情研讨会论文摘要集[C].中国地震学会第六届地震预报专业委员会,2004:1.

[10] 啜永清,刘巍.山西地区非弹性衰减系数、场地响应和震源参数的研究[A].中国地震学会.中国地震学会第十次学术大会论文摘要专集[C].中国地震学会,2004:1.

[11] 嘉世旭,张成科,赵金仁,方盛明,刘志.华北东北部裂陷盆地与燕山隆起地壳构造[A].中国地球物理学会.中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C].中国地球物理学会,2008:2.

[12] 祝治平,盖玉杰,聂文英,石金虎,张建狮,张成科.邢台震源区及相邻地区地壳上地幔速度结构研究[A].中国地球物理学会.1993年中国地球物理学会第九届学术年会论文集[C].中国地球物理学会,1993:1.

[13] 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(1):163-169.

Analyses of Average Wave Velocity in Northern Capital Region

ZHANG Huanxi1, LIU Jing1, WANG Yaru2, LI Feng1, YIN Hongwei1,DONG Bo1, ZHANG Lei1, ZHOU Anpin1

(1.Shijiazhuang Central Station of Seismological Bureau of Hebei Province, Hebei Shijiazhuang 050000；2.Earthquake Administration of Hebei, Hebei Shijiazhuang 050021,China)

This paper investigates the geological data of northern capital region. The data measured is selected to perform the analyses. Since seismic wave velocity rate will change before the earthquake, the program based on least square method (LSM) is compiled to read seismic phase automatically and calculate the seismic wave velocity rate. The results reflect the actual situation of earthquake well. This paper can contribute to the further investigation of the earthquake prediction.

seismic wave velocity rate; northern capital region; precursory changes; least square method

2016-01-28

张环曦(1982-)，男，河北省邢台市人，工程师.

河北省地震科技星火计划项目(DZ20140709027).

P315.31

B

1001-8115(2017)02-0019-04

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.02.005