2003年內(nèi)蒙古巴林左旗—阿魯科爾沁旗5.9級地震測震學(xué)指標(biāo)異常分析＊

韓曉明,劉 芳,劉文廣

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局,呼和浩特 010010;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局烏加河地震臺,內(nèi)蒙古臨河 015000)

2003年內(nèi)蒙古巴林左旗—阿魯科爾沁旗5.9級地震測震學(xué)指標(biāo)異常分析＊

韓曉明1,劉 芳1,劉文廣2

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局,呼和浩特 010010;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局烏加河地震臺,內(nèi)蒙古臨河 015000)

2003年 8月 16日,在內(nèi)蒙古巴林左旗與阿魯科爾沁旗交界處發(fā)生MS5.9地震。以本次地震為研究對象,結(jié)合震中區(qū)地震地質(zhì)背景,從地震活動性和震害分布特征兩個方面進行了分析。根據(jù)b值、波速比(VP/VS)和地震空間相關(guān)長度在震前的變化,探討了地震前震源區(qū)地下介質(zhì)體的演變過程,并對此次地震的孕震過程做出了初步推斷。本次地震前波速比和地震空間相關(guān)長度的變化規(guī)律對該區(qū)域未來中強地震預(yù)測有一定借鑒意義。

MS5.9地震;b值;波速比;地震空間相關(guān)長度;內(nèi)蒙古

0 引言

阿魯科爾沁旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部,與鄰近的巴林左旗、巴林右旗形成一個近似矩形的發(fā)震區(qū)域。歷史地震資料(陳立強,張躍剛,2006)顯示,從公元 849年至 2003年,該區(qū)域未有MS5.0以上地震發(fā)生,因此 2003年 8月 16日巴林左旗與阿魯科爾沁旗交界處的MS5.9地震的發(fā)生,打破了該區(qū)域一千多年來MS5.0以上中強地震平靜。研究該地震的地震活動性以及測震學(xué)指標(biāo),探討該區(qū)域的地震活動規(guī)律及孕震機理,可為華北以及東北地區(qū)的地震形勢分析提供一定的震例依據(jù)。

1 本次地震的概況

1.1 震中區(qū)域地震地質(zhì)背景

2003年 8月 16日,在內(nèi)蒙古自治區(qū)巴林左旗與阿魯科爾沁旗交界處(43.9°N,119.7°E)發(fā)生MS5.9地震(以下簡稱巴—阿 5.9級地震)。地震位于大興安嶺隆起帶南部東坡邊緣與松遼盆地過渡地帶,該地區(qū)主體構(gòu)造線方向以北東、北北東和近東西向為主,北西向較弱。東西向斷裂主要展布在松遼盆地及其邊緣,北東向和北西向構(gòu)造線主要分布于大興安嶺隆起帶。同時,該地區(qū)位于縱貫我國南北的北東向重力異常梯度帶上。區(qū)域地質(zhì)資料(陳立強,張躍剛,2006)顯示,震中區(qū)分布著一條約 25 km長的斷層,該斷層性質(zhì)不明,可能為本次 5.9級地震的發(fā)震構(gòu)造。

高孟譚和許力生(2005)通過反演中國數(shù)字地震臺網(wǎng)(CDSN)的長周期波形資料,確定了本次地震的震源機制解和震害分布特征。地震發(fā)生在一個近東西走向的南傾的斷層上,斷層運動的正斷層分量和左旋走滑分量基本相當(dāng)。

近 30年來本次地震周邊區(qū)域沒有發(fā)生過強震,但是中小地震較為活躍(陳立強,張躍剛,2006)。1971～1988年,在本次震中區(qū)域方圓大約65 km范圍內(nèi),共發(fā)生 5次MS3.5以上地震,而且本次地震正好位于這 5次地震的圍空地帶(表 1、圖 1),從震級分布圖可以看出,本次 5.9級地震屬主震—余震型(圖 2)。

表 1 巴—阿 5.9級地震震中周邊地區(qū)MS3.5以上地震基本參數(shù)Tab.1 Parameters of theMS≥3.5 earthquakes around the epicenter ofMS5.9 Balinzuoqi-Alukeerqinqi earthquake

圖 1 巴—阿 5.9級地震及周邊區(qū)域MS≥3.5地震分布圖Fig.1 Distribution of theMS5.9 Balinzuoqi-Alukeerqinqi earthquake and the neighboringMS≥3.5 earthquakes

圖 2 巴—阿 5.9級地震序列Fig.2 Earthquake sequence of theMS5.9 Balinzuoqi-Alukeerqinqi earthquake

1.2 震害特征

據(jù)現(xiàn)場實地考察及調(diào)查資料(高孟譚,許力生,2005),本次地震的宏觀震中為 44°03′N,119°42′E,震中區(qū)烈度為Ⅷ度,等震線呈東西向橢圓形分布(圖 3)。

圖 3 巴—阿 5.9級地震等震線分布(陳立強,張躍剛,2006)Fig.3 Isosei smal distribution of theMS5.9 Balinzuoqi-Alukeerqinqi earthquake(Chen,Zhang,2006)

本次地震的極震區(qū)位于巴林左旗白音溝鄉(xiāng)水泉溝村、孤山子村和阿魯科爾沁旗西山灣村一線,呈近東西向分布,長約 30 km,均位于微觀震中的北側(cè)。極震區(qū)內(nèi)大部分土木結(jié)構(gòu)房屋倒塌,很多磚木結(jié)構(gòu)房屋的承重系統(tǒng)破壞?，F(xiàn)場工作隊在輻射狀調(diào)查的基礎(chǔ)上,對極震區(qū)的邊界進行了逐村校核。Ⅶ度區(qū)北至太平莊,南至古北口村。位于Ⅶ度區(qū)與Ⅵ度區(qū)分界線上的古北口村,破壞也很嚴重。

巴—阿MS5.9地震的破壞區(qū)域比較廣。據(jù)估計,Ⅷ度區(qū)面積為 169 km2,Ⅶ度區(qū)面積為 3055 km2,V I度區(qū)面積為11690 km2。V I度區(qū)包括巴林左旗、阿魯科爾沁旗和巴林右旗的部分地區(qū)(陳立強,張躍剛,2003)。

2 利用 b值對震源區(qū)應(yīng)力環(huán)境進行分析

把巖石破裂試驗中的聲發(fā)射記錄與天然地震過程做比較,可以看到反映大震與小震之間比例關(guān)系的b值與巖石所處的應(yīng)力狀態(tài)以及地下介質(zhì)體的不均勻性有關(guān)(傅征祥,1997)。Mogi(1962)指出不均勻介質(zhì)與均勻介質(zhì)的破裂性質(zhì)有非常大的差異。例如在均勻外應(yīng)力作用下的不均勻介質(zhì),應(yīng)力將集中在介質(zhì)中的不規(guī)則點上,并在那里發(fā)生破裂,這種局部破裂通常不會發(fā)展為大破裂,因為它們的擴展受到介質(zhì)中不同尺度的障礙體的阻擋。所以,在不均勻介質(zhì)中,發(fā)生大破裂的概率小,小破裂則較頻繁地發(fā)生。相反,在均勻介質(zhì)中,小破裂很少發(fā)生,一旦發(fā)生可能會發(fā)展成大破裂。Mogi(1962)通過實驗驗證了上述思想,并得出了b值的區(qū)域差異受區(qū)域地殼介質(zhì)不均勻性的差異制約的結(jié)論,即某一區(qū)域地下介質(zhì)體的不均勻程度越高,該區(qū)域的b值就越高。Scholz(1968)通過不同物理性質(zhì)巖石樣品的圍壓試驗,探討了b值隨應(yīng)力變化的過程,并發(fā)現(xiàn)b值一般隨著應(yīng)力的增大而減小?；谶@樣的實驗結(jié)果,大地震前震源區(qū)及鄰近區(qū)域b值的降低很可能是應(yīng)力增加和集中的客觀表現(xiàn)。尹祥礎(chǔ)等(1987)根據(jù)斷裂力學(xué)的基本理論,認為b值反映了介質(zhì)斷裂構(gòu)造狀態(tài)(如介質(zhì)裂紋系的空間分布和斷裂韌度、摩擦系數(shù)等)。一個地震區(qū)的b值較大,表明區(qū)內(nèi)長度大的斷裂數(shù)目較少,長度小的斷裂數(shù)目較多。其實,上述 3種關(guān)于b值的研究結(jié)論是互相聯(lián)系、相互映證的。在地震孕育過程中,應(yīng)力水平對b值的影響實質(zhì)上是由介質(zhì)斷裂構(gòu)造狀態(tài)發(fā)生變化造成的,同時介質(zhì)的不均勻性也在時刻變化。

為了確保b值的計算精度,筆者根據(jù)序列中日頻次的多少選擇恰當(dāng)?shù)臅r間窗以使在這一時間窗內(nèi)有一定的地震樣本(不少于 10個地震),然后以一定的時間單位進行滑動給出b值的時間進程曲線,所選時段為 1988年 3月至 2004年 10月。

計算過程中,由于原始數(shù)據(jù)的突跳過大(圖4a),不能很好地判斷b值曲線的變化趨勢,因此筆者對原始數(shù)據(jù)曲線進行了 FFT平滑處理。經(jīng)過實驗,采用窗長為 15個地震,滑動步長設(shè)定為 5個地震。從所選時間段(1988年 3月至 2004年 10月)的b值時序曲線來看(圖 4b),在本次地震發(fā)生前,b值的高值回落幅度最大,降到了歷年來的最低值。

根據(jù)上述b值與區(qū)域應(yīng)力狀態(tài)、介質(zhì)性質(zhì)和構(gòu)造斷裂狀態(tài)的關(guān)系的研究,可以推斷,在大破裂產(chǎn)生之前(即MS5.9地震前),由于應(yīng)力的作用,震中區(qū)域多為長度較短的小破裂,介質(zhì)整體比較破碎,非均勻性較高,因而b值較高;隨著時間推移,伴隨著應(yīng)力的不斷增大,小破裂逐漸串聯(lián)發(fā)展成為長度較大的破裂,介質(zhì)整體性增強,非均勻性變小,b值隨之降低,應(yīng)力加大到一定程度(即到達臨界狀態(tài))后產(chǎn)生最終的大破裂(MS5.9地震發(fā)生);震后應(yīng)力得到釋放的同時,大破裂再次分化為許多小破裂,介質(zhì)體非均勻性增強,b值再次回升。因此,大地震發(fā)生前后,b值表現(xiàn)為“下降—回升”的變化(圖 4)。

圖 4 研究區(qū)域 b值變化曲線(a)b值原始變化曲線;(b)b值 FFT平滑曲線Fig.4 Curve ofb-value in the study area(a)Original curve ofb-value;(b)FFT smoothness curve ofb-value

因此,通過分析地震前一定時空范圍內(nèi)b值的變化,可以了解震前震中區(qū)域由應(yīng)力變化、地下介質(zhì)體的不均勻性以及斷裂構(gòu)造狀態(tài)所決定的地震孕育過程。同時,也能夠為下文的波速比和地震空間相關(guān)長度計算的結(jié)果分析提供依據(jù)。

3 測震學(xué)指標(biāo)分析

3.1 波速比

在地震孕育過程中,震源區(qū)介質(zhì)的物理狀態(tài)會發(fā)生一系列變化,如出現(xiàn)微破裂、擴容、塑性硬化及相變等。地震波通過震源區(qū)時,波速也會發(fā)生變化,其變化可利用波速比值的變化來測定(蔡靜觀,2000;蔡靜觀等,1999;李永莉等,2008)。

(1)計算方法

根據(jù) 4個以上數(shù)字地震臺記錄到的清晰直達波 Pg、Sg震相的到時TP、TS,用最小二乘法計算波速比

式中n為臺站個數(shù),ΔTi=Tsi-Tpi。

(2)資料選取

空間范圍:巴—阿地震發(fā)生在內(nèi)蒙古自治區(qū)中東部,該地區(qū)臺站分布密度有限,而且較小的空間范圍內(nèi)沒有足夠的地震事件參與波速比計算,這將大大影響計算結(jié)果的精度,因此,我們以震中區(qū)為中心,取 250 km范圍內(nèi)的區(qū)域作為研究區(qū)(圖 5),這樣既保證了足夠多的地震樣本數(shù)目,又使更多的地震臺站參與計算,從而提高波速比計算的精度和可信度。

時間范圍:依靠波速比時序曲線來判定中強地震前的波速比變化,較短的時間內(nèi)很難準(zhǔn)確把握異常信息。根據(jù)國內(nèi)研究者的結(jié)論(蔡靜觀等,2000;李永莉等,2008),本次波速比研究中選取的時間范圍為 2001年 1月至 2009年 2月。

地震樣本的挑選:選取初動清晰,易于分辨的震相,同時選取距震中相對較近的臺站的記錄,以減少傳播路徑上的介質(zhì)對波速比的影響。

考慮到震中區(qū)及周邊地區(qū)地震臺站的分布情況,我們在波速比計算過程中,利用山西省地震局提供的震相數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件,針對每個地震事件,對各個臺站記錄到的 Pg、Sg震相到時進行了和達直線檢驗,對偏離直線的臺站震相到時進行了校對和修正,對偏離較大且無法校正的,在保證滿足計算要求的前提下予以刪除。在此基礎(chǔ)上,共整理出波速比標(biāo)準(zhǔn)誤差小于等于 0.05、相關(guān)系數(shù)大于 0.96的地震事件 161次(包括 2003年 8月 16日阿魯科爾沁旗MS5.9地震序列和 2006年 11月 3日巴林右旗MS4.3地震序列),這樣既保證了足夠多的地震樣本數(shù)目,也提高了數(shù)據(jù)的精度和可信度。

為了更好地顯示波速比隨時間的演化趨勢,筆者對原始數(shù)據(jù)曲線采用 4點窗長、2點步長進行近均值平滑處理,即平滑前后波速比平均值保持不變。計算結(jié)果表明,研究區(qū)的平均波速比值為1.725,波速比變化范圍為 1.655～1.82;平滑處理后的標(biāo)準(zhǔn)差為 0.02745,如圖 5所示。

圖 5 研究區(qū)域的波速比時序曲線Fig.5 Time-sequence curve of the velocity ratio(VP/VS) in the research area

圖 5顯示,在整個研究時段內(nèi),在以下兩次地震前后波速比曲線的波動幅度最大:2003年 08月16日阿魯科爾沁旗MS5.9地震前,波速比值明顯下降,在下降過程結(jié)束即將回升時發(fā)震,震后波速比值又有一定的升降變化,但幅度明顯減弱;2006年 11月 3日巴林右旗MS4.3地震前,波速比值也呈顯著的下降—低值—上升趨勢,在上升趨勢即將結(jié)束時發(fā)震,震后波速比值也有一定程度的升降變化,波動范圍逐漸減小,最后趨于平穩(wěn)。前蘇聯(lián)學(xué)者謝苗諾夫指出,在 4～5級地震發(fā)生之前,波速比值往往呈下降—持續(xù)低值—回升發(fā)震的過程(國家地震局預(yù)測預(yù)防司,1997)。這兩次地震前波速比的變化規(guī)律與謝苗諾夫的研究結(jié)論是相符的。

3.2 相關(guān)長度

(1)計算原理與方法

相關(guān)長度可看作是一定時段中,一定空間范圍內(nèi)的地震之間的特征距離或震群尺度。按照地震的自組織臨界系統(tǒng)的觀點,如果系統(tǒng)接近臨界點,那么將出現(xiàn)以冪次律為特征的長程相互作用,這時中等地震的相關(guān)長度ξ應(yīng)增長,可用下式表示(Bruce,Wallace,1989):

式中,tf為中強地震的發(fā)震時間,即震源系統(tǒng)達到臨界點的時間;k為正數(shù),取決于相關(guān)長度增長的速率。

相關(guān)長度ξ可用單鍵群分析方法來估算。關(guān)于單鍵群分析的具體方法,Frohlich和 Davis(1990)有詳細的論述。榮代潞等(2006)通過一些震例對此方法進行了一定的改進和完善;韓曉明,榮代潞(2007)也曾用此方法對 2004年甘肅臨澤震群進行了研究。

為了得到相關(guān)長度的時間演化進程,使用滑動時間窗方法,在選定的空間范圍內(nèi),以在主震發(fā)生前一段時間(一般是數(shù)年)的地震序列為基礎(chǔ),以一定數(shù)目的地震作為時間窗,用單鍵群分析方法計算時間窗內(nèi)的相關(guān)長度,然后,以一定的步長移動這個時間窗,就可得到主震發(fā)生前一段時間內(nèi)相關(guān)長度隨時間的演化過程。

關(guān)于強震前地震空間相關(guān)長度增長的現(xiàn)象,國內(nèi)外有許多學(xué)者做了大量研究。Zoller等(2001)用此方法研究了美國加州北緯 32°～40°之間 1952年以來發(fā)生的 9次MS≥6.2地震前地震活動相關(guān)長度的增長現(xiàn)象。榮代潞等(2006)研究了近 17年來甘肅及鄰近地區(qū)的 6次 6級左右地震,發(fā)現(xiàn)在震前相關(guān)長度都存在不同程度增長。

(2)資料選取和計算

時間范圍:為了更加深入地探討本次MS5.9地震前相關(guān)長度的變化,選取震前 3年的地震資料進行分析。

空間范圍:依據(jù)郭增建等以地震孕育的組合模式提出的有效前兆范圍(榮代潞等,2006)

其中R為以震中為中心的半徑(單位:km),M為面波震級。此公式是基于震源孕育的組合模式和對觀測資料的統(tǒng)計而得出的經(jīng)驗關(guān)系,地震實際孕育過程中它的應(yīng)力積累的范圍應(yīng)當(dāng)更大,因此由應(yīng)力積累引起的地殼介質(zhì)性質(zhì)的變化范圍也更大?；谶@種認識并考慮到需要足夠多的地震參加計算,可以在(R～2R)的范圍內(nèi)選取地震,根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的總結(jié)(蔡靜觀等,1999;Frohlich,Davis,1990;榮代潞等,2006;韓曉明,榮代潞,2007),只要有足夠多的地震參加計算,空間范圍的變化不太大就不會對計算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

把MS=5.9代入公式(3)可求得R≈42 km,因此可以選取震中區(qū)域方圓 84 km范圍內(nèi)的地震參與計算。

震級范圍:由于巴—阿MS5.9地震震中區(qū)及周邊地區(qū)臺站分布不是特別密集,地震監(jiān)控能力也不是很高,因此首先用古登堡—李克特公式 lgN=a-b M對所用地震目錄進行完備性檢驗,得到所用目錄的截止震級為ML=1.8,最終選取 118次ML≥1.8的地震事件進行相關(guān)長度計算。經(jīng)過實驗,采用時間窗長為 4個地震,步長設(shè)定為 2個地震進行滑動計算,得到 58組地震空間相關(guān)長度結(jié)果,并根據(jù)(2)式對結(jié)果進行冪次率擬合(圖6)。從圖 6可以看出,在巴—阿MS5.9地震前,震源區(qū)域的地震空間相關(guān)長度有顯著的增長現(xiàn)象,這種增長變化與震前震源區(qū)域地下介質(zhì)體的運動密切相關(guān)。

圖 6 巴—阿MS5.9地震前相關(guān)長度增長變化Fig.6 Increase of seismic spatial correlation length before theMS5.9 Balinzuoqi-alukeerqinqi earthquake

4 結(jié)論與討論

(1)從研究區(qū)域的地震活動性分析結(jié)果來看,本次巴—阿 5.9級地震不是孤立發(fā)生的,從 20世紀 70年代起該區(qū)域中等地震就時有發(fā)生,本次地震就發(fā)生在這些地震的圍空的中間部位,表明此次地震是該地區(qū)地震長期孕育發(fā)展的結(jié)果。

(2)在本次地震前,震中區(qū)域平均波速比變化過程為:下降—低值—回升—發(fā)震,這個過程與其他研究者的結(jié)論是一致的。由此可以推斷震前震源區(qū)域地下介質(zhì)的運動過程為:震前一段時間內(nèi),震源區(qū)域壓力開始增大,巖石由整體變?yōu)槠扑?波速比開始減小,隨著壓力的進一步增大,波速比持續(xù)低值,巖石裂隙逐漸減小,破碎程度減小,整體性增加,波速比開始回升,當(dāng)壓力增加到超越臨界值時發(fā)震;本次地震前,地震空間相關(guān)長度也有顯著的增長趨勢。這種增長變化可能反映了地震前震源區(qū)域地下介質(zhì)體在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的微裂隙的變化過程。這個理論也與上述b值的研究結(jié)論相符。

(3)通過對比分析b值、波速比和相關(guān)長度在MS5.9地震前的變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn)震中區(qū)域地下介質(zhì)變化過程為:在應(yīng)力作用的初期階段,巖石中的微裂隙密度增加,但巖石總體并沒有發(fā)生宏觀破壞。隨著應(yīng)力的增大,微裂隙密度增加,但在大的尺度上宏觀破壞現(xiàn)象仍不顯著。當(dāng)應(yīng)力和微裂隙密度增加到某一程度(大于臨界值)時,就發(fā)生宏觀破壞(即地震)。

(4)震前b值、波速比和地震空間相關(guān)長度的顯著變化與發(fā)震區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。巴林左旗—阿魯科爾沁旗地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造相對簡單,地下介質(zhì)整體性較好,剛度較強,因此,地震發(fā)生前,震中區(qū)域地下介質(zhì)的細微變化(主要表現(xiàn)為介質(zhì)破碎程度增加)會直接影響波速比和空間相關(guān)長度的變化。對于同一區(qū)域,由于其固定的地質(zhì)構(gòu)造條件,發(fā)生在該區(qū)域內(nèi)的地震往往表現(xiàn)為相同的地震類型,而且孕震過程也有一定程度的相似性,因此,本次巴—阿 5.9級地震前波速比和空間相關(guān)長度的變化規(guī)律,可以為該區(qū)域未來中強地震的預(yù)測預(yù)判提供參考依據(jù)。

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Analysis of the Abnormity of Seismometry Index before Balinzuoqi-Alukeerqinqi MS5.9 Earthquake in Inner Mongolia Autonomous Region in 2003

HAN Xiao-ming1,L IU Fang1,LIU Wen-guang2
(1.Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region,Huhhot010010,Inner Mongolia,China)
(2.Wujiahe seismic Station,Earthquake Administration of Inner Mongolia Autonomous Region,Linhe015000,Inner Mongolia,China)

On August16,2003,an MS5.9earthquake occurred in the bordering area of Balinzuoqi and Alukeerqinqi,Inner Mongolia Autonomous Region.We analyze the seismic activity and the distribution of earthquake disaster on the basis of the seismological settings in the earthquake area.By analyzing the variation of b-value,velocity ratio(VP/VS)and correlation length before the earthquake event,We discuss the evolvement of underground media in the hypo central area before earthquake event and preliminarily deduce the seismogenic process of the earthquake.The variation regularity of these three indexes can serve for forecasting the future medium-and strong earthquakes in this region.

MS5.9earthquake;b-value;velocity ratio(VP/VS); seismic spatial correlation length; Inner Mongolia

P315.75

A

1000-0666(2010)03-0247-06

2009-06-25.

2010年度中國地震局震情跟蹤合同制項目(2010020104)資助 .