扎兰屯地区测震学指标分析

高 源，张 帆，王 鑫，张 辉

(1.东胜地震台，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.内蒙古自治区地震局，内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

地震预测在防震减灾工作中具有重要作用，地震活动图像和地震目录的统计分析是目前我国地震活动研判的主要手段之一。空区、条带、b值、地震矩加速释放现象、PI算法等已在实际工作中取得一定的研究成果，表明地震活动性资料中蕴含着一定的震兆信息。

扎兰屯地区处于大兴安岭隆起北段，大兴安岭隆起带为内蒙古东部地区主要构造，走向NEE，新构造期以来，大兴安岭北段构造运动表现为隆升背景下的差异性活动[1]，是内蒙古东部地区中小地震活动性较高的区域。此区域是NNE向的大兴安岭主脊断裂和多条NW向断裂交汇处，历史上发生过1956年扎兰屯5.3级、1980年和1981年博克图5.6级和5.1级、2008年鄂伦春自治旗5.2级等多次5级以上地震，具有5级以上地震的发震背景，其地震获得的起伏变化受到关注。韩晓明等[2]对扎兰屯地区b值的时空计算结果显示，区域b值变化范围为0.4～1.8，b值分布的优势范围为0.9～1.4，低b值区域位于阿伦河断裂中北段，即扎兰屯与阿荣旗交界地区，b值大致分布在0.5～0.7，表明此区域地壳介质处于高水平应力积累状态。张晖等[3]对内蒙古东部地区波速比的分析发现，内蒙古东部地区在中等地震前后波速比时间变化存在显著异常，符合“下降一低值一恢复一发震”的规律且存在震后异常期的变化；在对此区域波速比绘制空间等值线后，发现此区域波速比高值主要是沿着大兴安岭分布，其空间分布基本呈现东低西高、北低南高的态势。

1 数据资料

文章选用内蒙古地震台网2008年至2017年的观测资料，选取扎兰屯地区(44°～52°N,118°～124°E)包含的1 764条地震。地震在空间上覆盖研究区域，分布较不均匀，大兴安岭山脊地区中小地震较为活跃(见第2页图1)。

2 b值分析

地震活动性参数b值是震级-频度经验关系(简称G-R关系)中的系数[4]：

lgN=a-bM，

式中：M为震级；N为震级M≥Mc(最小完整性震级)的地震累积频度；a、b为常数，与区域结构特征有关。

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。b值与其所对应的区域应力状态、地壳破裂强度有关,不同的地震区或带有不同的震级—频度关系,即具有不同的b值。b值时间变化与构造应力的加载过程有关，b值“持续降低-快速回升”反映了构造应力作用下局部介质从“弹性变形-应变弱化”过程的转变。

常用的b值估算方法包括极大似然法和最小二乘法。最大似然法计算简便，不受个别较大地震的影响，对所有地震的震级用同样的权重求平均，就相当于给数量众多的小地震信息加权，一定程度上排除了因个别较大地震的发生引起的b值突然变化。因此，文章选用最大似然法计算b值。

图1 扎兰屯地区地震分布图Fig.1 The distribution of earthquakes in Zhalantun area

若Ni服从泊松分布，考虑到对数概率分布和最大真值原理，宇津德治提出最大似然估计b值[5]：

(1)

(2)

b值搜索半径r的设置应该与地震数据的集中分

布程度相当，才可能使扫描得到的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匀性，其大小值有所差别。一般情况下，r取值较小时，结果较可靠；r值越大，所求取的b值涉及的范围越大，但是b值参数间的细微差异变化不突出[6]。参考已有的研究经验[7]，文章在时空扫描中按0.2°×0.2°划分格点，每个格点使用半径0.5°范围内，在标的时间点之前10年间的地震事件计算，最小地震数设置为30。

使用1点步长，20点滑动，应用最大似然法和最小二乘法，分析扎兰屯地区b值的时序特征，两种方法结果比较一致。从空间分布图2所示，额尔古纳和阿荣旗地区为低b值区域。

图2 扎兰屯地区b值空间分布图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区域b值随时间的变化时序图表明，2008年鄂伦春自治旗Ms5.2地震前，扎兰屯地区b值呈现先升高后降低的变化，2013年莫力达瓦5.0级地震前也有此现象，目前在均值附近波动(见图3)。

图3 扎兰屯及交界地区b值时序图Fig.3 Time sequence of b value in Zhalantun and its border area

为评估b值空间扫描地震的预测效果，绘制内蒙古东部中强地震前5年的b值空间分布图(见图4)，结果显示2004年3月24日东乌珠穆沁旗5.9级、2008年6月10日鄂伦春自治旗5.2级、2013年4月22日科左后旗5.3级和2013年10月31日吉林前郭5.7级4次地震均发生在低b值区域，表明低b值具有一定的震兆意义。

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

3 波速比分析

地震波是探测地球内部信息的主要来源和途径,观测区地壳介质存在各向异性,导致各地波速也不一致。地震波速和波速比的研究早在20世纪50年代初提出，到70年代,国外学者开始开展地震孕育物理模式的研究,其中研究较多的是膨胀-扩散模式。冯德益等[8]总结出在地壳演化过程中介质的物理性状将产生一系列变化,如出现微破裂、扩容,地震波通过地壳介质时,波速也会相应发生变化。多台和达法由和达清夫提出,在假定震源区到地表为理想均匀弹性介质的条件下,纵波速度VP、横波速度VS与介质泊松比σ、杨氏模量E和介质密度ρ之间的关系。单台多震和达法[8]是用多次地震事件由单台记录的平均波速比，表征在多次地震发生时段内,多次地震震源至某个固定台站一定范围内的平均波速比。此方法在大量中小地震频发和台站分布相对密集的地区应用较为有效。

运用扎兰屯地区(120°～124°E，46°～51°N)2008年7月至2017年4月的地震观测报告，选取4个台以上记录的地震，使用多台单震和达法计算波速比，绘制平均波速比的时序图和空间分布图。

空间分布图5所示，牙克石一带为波速比低值区域，波速比在空间上表现出横向不均匀性，特征为西北侧高、东南侧低。

第4页时序图6所示，2008年7月至2017年4月，牙克石-扎兰屯波速比在1.5～2.0之间变化，平均波速比维持在1.6～1.8。波速变化比较平稳，在均值线附近波动。

图5 扎兰屯地区平均波速比空间分布图Fig.5 Spatial distribution of average wave velocity ratio in Zhalantun area

根据已有研究，内蒙古东部4次中强地震前的波速比异常持续时间长短不同,持续时段从1～6个月到1～2年不等,可以把波速异常作为地震发生的中期和短期指标。

使用单台多震波速比方法计算牙克石-扎兰屯地震的单台波速比(见第4页图7)，结果显示，位于丛集相同方向的台站单台波速比有相似的变化，GNH、HLR和MDG三个台站的单台波速比表现为2010至2014年下降、2014至2015年回升、2015至2017年下降；ZLT、CHR和HJT三个台站的波速比在2012年上半年出现下降后回升。相近台站波速比的相似性验证了波速比结果的可靠性；不同方位台站波速比变化的差异，反映出波速比的横向不均匀性和各向异性。

图6 扎兰屯地区平均波速时序图Fig.6 Time sequence of average wave velocity in Zhalantun area

图7 扎兰屯地震丛集单台波速比Fig.7 Single wave velocity ratio of seismic cluster in Zhalantun area

4 结论和讨论

(1) 运用内蒙古地震台网观测资料，对扎兰屯地区的b值、波速比分析，探讨地震活动性特征和测震学指标的震兆意义。

(2) 用最小二乘法对扎兰屯地区b值进行空间扫描，结果显示额尔古纳和阿荣旗地区为低b值区域。

(3) 用最大似然法和最小二乘法，分析扎兰屯地区b值的时序特征，两种方法结果较一致。额尔古纳和阿荣旗地区为低b值区域,2008年鄂伦春自治旗Ms5.2地震前，扎兰屯地区b值呈现升高后降低的变化。2014至2017年上半年b值呈缓慢上升趋势。

(4) 使用多台单震和达法计算波速比，绘制平均波速比的时序图和空间分布图，牙克石一带为波速比低值区域，波速比在空间上表现出横向不均匀性，特征为西北侧高、东南侧低。

(5) 使用单台多震波速比方法计算牙克石-扎兰屯地震的单台波速比，相近台站波速比的相似性验证了波速比结果的可靠性，不同方位台站波速比变化的差异反映了波速比的横向不均匀性和各向异性。