广西及邻区b值变化特征

2023-01-04郭培兰

华南地震 2022年4期

苏珊，郭培兰

（广西壮族自治区地震局，南宁 530000）

0 引言

2008 年至2021 年，广西及邻区先后发生平果M4.5、苍梧M5.4、北流M5.4 和靖西M5.2 等13 次4级以上地震，地震活动显著增强，多数地震沿桂西地区的北西—南东向断裂呈带状分布，桂东南的北东—南西向断裂发生了两次5 级以上地震（图1）。广西及邻区地处地震活跃的川滇地区与相对稳定的华南地块过渡地带，区内地震分布具有明显的分区特征，整体为西强东弱。既往研究表明，区域应力环境与地震发生机理和孕震过程等密切相关，其变化趋势是地震危险性研判的重要指标，亟待进一步研究。

图1 2008年以来广西及邻区M4级以上地震分布Fig.1 Distribution of earthquakes withM≥4 in Guangxi and its adjacent areas since 2008

1944 年 Gutenberg 和 Richter[1]提出的震级 — 频度公式（G-R关系）lgN=a-b×M，其中b值时地震学中最重要的地震活动性参数之一。实验室岩石声发射微震实验结果表明，应力与b值之间存在一个负相关关系，当应力增强时，b值降低，而当应力减弱时，b值升高，这一关系在真实的地震活动中也得到体现，b值也因此被作为地下应力指示计[2-6]。大震分发生与地下应力的集中增强密切相关，而b值与应力的负相关关系使它的时空变化特征对于地震危险性评估和地震预报有着重要意义。在实际应用中，b值的时空变化与大震的发生关系往往更为复杂。对川滇1981年以来19次M6.5地震与b值的时空分布关系研究结果表明，川滇地区b值空间分布特征与强震活动之间联系并不显著，但震前b值的时间分布呈现系统地下降，58%的震源区的b值在强震前出现显著下降趋势[7]。陈学忠等[8-9]对 1976 年唐山M7.8 和 2019 年长宁M7.8 地震前b值时空变化特征进行研究，结果表明这两次地震前出现显著的b值下降现象。史海霞等[10]在对2008 年汶川M8.0 地震前b值时空变化特征的研究中发现，震前b值从2002 年始至地震前呈现出一个长期趋势性减小，而后出现持续约两年的稳定并略有上升趋势，在地震前约半年，出现快速、显著的下降，这个结果与与Nanjo 等[11]报道的日本东北9.0 级地震前b变化特征非常相似。本文将系统的研究2008 年以来广西及邻区b值的时空变化，探索其与区域中强震孕育之间的联系，为地震风险评估提供参考。

1 资料和研究方法

1.1 研究资料的选取

本文将广西及邻区（104°～113°E，20°～27°N）作为研究区，广西地区2008 年1 月广西数字测震台网竣工投入正式运行[12]，区域监测能力得到较大提升，因此选取研究区内2008年1月至2022年3月地震目录作为计算b值的基础数据。根据在此期间研究区域内的的地震震级—频度（G-R关系）分布图（图2），震级在ML1.5～4.3 的范围内G-R关系线性拟合效果最好，确定最小完备性震级MC=ML1.5，震级上限为ML4.3。

图2 2008年1月至2022年3月广西及邻区地震震级-频度（G-R）关系Fig.2 The G-R relationship between magnitude and frequency of earthquakes in Guangxi and its adjacent areas from January 2008 to March 2022

1.2 b值分析方法

本文采用基于格点搜索的b值分析方法程序对研究区进行b值时空分析[13]。该程序选用最大似然法[14]来计算b值：

b值95%的置信概率为：

在计算b值随时间的变化时，采用基于地震事件数量选取窗长和步长的方法，即选取等事件数量作为计算b值的窗长，并将窗口以等事件数量的增量进行滑动，使得各个时间节点上用于计算b值的地震事件数量是均匀的，确保计算结果不受样本量变化的影响。

计算b值在空间上的变化特征时，首先将研究区划分为一定大小的格点，以格点为中心选取固定大小的正方形区域作为它的空间窗，计算每个空间窗内b值随时间的变化曲线，而后，挑选出研究区内b值显著下降的格点，并将其作为异常点，多个异常点集中的区域作为b值异常区。选取这个异常区内的地震计算b值随时间的变化，从而可以得到整个b值异常区的范围及其b值随时间变化的特征。本文将研究区划分为0.1°×0.1°的格点，选取的空间窗大小为2°×2°。

对于b值的时间变化曲线b（t），b值的相对变化表示为：

其中b1是时间t1的b值，而b2是时间t2的。通过计算各节点b值的相对变化，可以得到b值相对变化的空间分布。

2 结果

本文将研究区划分为0.1°×0.1°的格点，选取的空间窗大小为2°×2°，每个格点以100个地震计算b值，每3个地震向前滑动计算时间变化曲线。Lei[15]研究发现，统计窗口中事件数量越大，b值曲线越平滑，事件数量越少，b值演化的分辨率越高。经过试算后，最终确定100 个地震事件为窗长、3 个事件为步长，在保证b值变化信息不丢失的情况下尽量平滑曲线，b值置信概率为95%。在计算过程中，如果格点内得到b值数量较少，则其时间曲线上节点的均匀性可能较低，无法反应出可靠的b值变化信息[8]。我们设定时间曲线上最少数据点数为10 个，最终共得到研究区内4014 个格点的b值随时间变化曲线。图3 展示了2008 年以来研究区内b值变化的空间分布情况：广西中西部地区存在一个显著的b值下降区域，覆盖靖西—崇左、百色—合浦、巴马—博白三条北西向断裂和桂林—南宁、防城—灵山两条南东向断裂，也是这五条断裂的交汇区域。该b值下降区域先后发生了5 次M4 以上地震，包括 2019 年 11 月 25 日靖西M5.2 和 2021年8月4日德保M4.8地震；位于广西东南部粤桂交界区域的合浦—北流断裂附近存在一个b值上升区域，于2019年10月12日发生北流M5.2地震。

图3 2008-01—2022-03广西地区b值空间分布Fig.3 Spatial distribution of b value in Guangxi from January 2008 to March 2022

为分析研究区内b值显著变化区域的时间曲线，本文筛选了b值下降超过10%和上升超过30%的区域（图4（a），（c）），分别计算b值在这两个区域的时间变化情况。受区域范围和地震数量的影响，b值下降区域以300 个地震为时间窗10 个地震滑动计算b值（图4（b）），上升区域以100 个地震为时间窗5 个地震滑动计算b值（图4（d））。最终结果显示，b值下降区域在2019 年靖西M5.2 地震之前，存在一个近4 年的长时间b值下降（图4（d）方框内），2014 年 11 月至 2018 年 8 月b值从 1.17 下降到了0.8，而后b值出现显著的回升，持续六个月至 2019 年 4 月，2019 年 5 月开始b值再次下降直至发震。靖西5.2 级地震后，b值短暂回升转平之后发生2021 年德保M4.8 地震。在粤桂交界地区，2019年北流5.2级地震前b值处于从低值上升阶段，震后而后出现短暂的b值上升速率增加，约一年后恢复震前上升速率。

图4 2008-01—2022-03广西及邻区b值空间分布和时间变化情况Fig.4 Spatial distribution and temporal variation of b value in Guangxi and its adjacent areas from January 2008 to March 2022

3 讨论

孟昭彤等[16]根据以往震列总结出了4 种大震前b值随时间变化的类型：①在大地震发生之前的几年时间，b值升高，主震发生之后，b值下降；②在大地震发生之前几年，b值降低，主震发生之后，b值升高；③大震发生前b值会明显下降，并在回升过程中发生大震；④在大地震发生前，b值升高，但在主震前短时间内有下降的前兆。显然图4（b）中展示的b值变化情况与以上4 种类型接皆不相符，靖西地震发生在长时间b值下降导致的低b值背景下，发震前出现显著的回升后快速降低转折。这种b值变化特征与2008 年汶川8.0 级地震[10]和2011 年日本东北9.0 级地震非常相似。一般认为，b值与应力呈反比，地下高应力状态更有利于地震的发生，大震之前低b值的特性已经得到普遍验证[17-20]。广西中西部地区长时间的b值下降反映了区域内应力的持续性增强，而GNSS 基线结果显示，华南块体西部2011 至今持续受到川滇地块的顺时针压扭作用，为区域应力增强提供了动力来源[21]。马瑾等[22]通过对地震前亚失稳状态的研究，将粘滑型地震孕育分为平稳变形，偏离线性，亚失稳，失稳和失稳后5个阶段，其中偏离线性阶段是应力释放的开始，在此阶段处于由应力积累向应力释放的过渡阶段，应力释放尚不占优势，亚失稳阶段应力释放逐步占据优势。这或许可以解释靖西地震前一年左右出现的b值上升再下降的扰动变化现象，即b值上升意味着地震孕育处于偏离线性阶段，在这个阶段应力累积已经结束而释放并未完全开始，造成了阶段性的区域地震活动性减弱，b值上升。而后地震孕育进入亚失稳阶段，应力释放逐渐显著，b值也同步下降，直至失稳，地震发生。图4（d）中展示的b值上升区于2019 年10月12日发生北流5.2级地震，地震前后，除了震后余震造成的相对短时间的b值扰动，其上升的整体态势不变，这不同于研究领域对于震前b值下降的一般认识。1996 年丽江M7 地震震前同样具有高b值动态演化特点，同时震中及震后余震区位于高波速比异常区[23]，其所反映出的孕震模式被称为坚固体孕震模式，即非均匀地壳中高速扰动体（坚固体）的存在是局部地区应力高度集中的根本条件，当高速扰动体被低速扰动区包围时，即震源体的刚度比四周的环境刚度大时可以满足失稳条件导致突然破裂发生大地震；否则可以导致缓慢破裂而不发生大地震[24]，区域出现高b值特征。黄强强等[25]针对北流地震震源区短周期密集台阵背景噪声成像的研究结果表明，震源区存在NNWSSE 向的高速异常，而震中上方为上凸形态的高速异常，这些高速异常可能为中生代花岗岩基，这种局部异常高速体可能是华南“马赛克”结构中微陆块在上地壳中的延伸，上地壳结构的不均匀性和大尺度构造相互作用，会在局部区域导致应力积累，从而引发中强地震，这种地震成因机理与坚固体孕震模式非常类似，推测为北流地震震源区及周边b值持续上升的根本原因。

事实上靖西5.2 级地震前b值变化特征并不孤立，考虑b值地下应力计的性质，其所反应的区域应力累积、释放等与地震孕震相关内在机制还有待深入研究。但不能否认，在b值长期下降的背景下其值出现先上升后下降的变化形态是具有明显的前兆意义的，需要持续关注，同时这种b值变化特征对于中强地震的普适性还需要深入研究。北流地震前后区域内b值始终升高的现象，与地震孕震模式密切相关，震源区地下高速异常表明其具有明显的坚固体孕震特征。