2003年8月16日,在内蒙古自治区巴林左旗与阿鲁科尔沁旗交界处(43.9°N,119.7°E)发生M_S5.9地震(以下简称巴—阿5.9级地震)。地震位于大兴安岭隆起带南部东坡边缘与松辽盆地过渡地带,该地区主体构造线方向以北东、北北东和近东西向为主,北西向较弱。东西向断裂主要展布在松辽盆地及其边缘,北东向和北西向构造线主要分布于大兴安岭隆起带。同时,该地区位于纵贯我国南北的北东向重力异常梯度带上。区域地质资料(陈立强,张跃刚,2006)显示,震中区分布着一条约 25 km长的断层,该断层性质不明,可能为本次5.9级地震的发震构造。

高孟谭和许力生(2005)通过反演中国数字地震台网(CDSN)的长周期波形资料,确定了本次地震的震源机制解和震害分布特征。地震发生在一个近东西走向的南倾的断层上,断层运动的正断层分量和左旋走滑分量基本相当。

近30年来本次地震周边区域没有发生过强震,但是中小地震较为活跃(陈立强,张跃刚,2006)。1971～1988年,在本次震中区域方圆大约65 km范围内,共发生5次M_S3.5以上地震,而且本次地震正好位于这5次地震的围空地带(表1、图1),从震级分布图可以看出,本次5.9级地震属主震—余震型(图2)。

据现场实地考察及调查资料(高孟谭,许力生,2005),本次地震的宏观震中为44°03'N,119°42'E,震中区烈度为Ⅷ度,等震线呈东西向椭圆形分布(图3)。

本次地震的极震区位于巴林左旗白音沟乡水泉沟村、孤山子村和阿鲁科尔沁旗西山湾村一线,呈近东西向分布,长约30 km,均位于微观震中的北侧。极震区内大部分土木结构房屋倒塌,很多砖木结构房屋的承重系统破坏。现场工作队在辐射状调查的基础上,对极震区的边界进行了逐村校核。Ⅶ度区北至太平庄,南至古北口村。位于Ⅶ度区与Ⅵ度区分界线上的古北口村,破坏也很严重。

巴—阿M_S5.9地震的破坏区域比较广。据估计,Ⅷ度区面积为169 km²,Ⅶ度区面积为3 055 km²,VI度区面积为11 690 km²。VI度区包括巴林左旗、阿鲁科尔沁旗和巴林右旗的部分地区(陈立强,张跃刚,2003)。

在地震孕育过程中,震源区介质的物理状态会发生一系列变化,如出现微破裂、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,其变化可利用波速比值的变化来测定(蔡静观,2000; 蔡静观等,1999; 李永莉等,2008)。

(1)计算方法

根据4个以上数字地震台记录到的清晰直达波P_g、S_g震相的到时T_P、T_S,用最小二乘法计算波速比

V_P/V_S=1+(n∑ⁿ_i=1ΔT i²-(∑ⁿ_i=1ΔT_i)²)/(n∑ⁿ_i=1(ΔT_iT_pi)-∑ⁿ_i=1T_pi∑ⁿ_i=1ΔT_i).(1)

式中n为台站个数,ΔT_i=T_si-T_pi。

(2)资料选取

空间范围:巴—阿地震发生在内蒙古自治区中东部,该地区台站分布密度有限,而且较小的空间范围内没有足够的地震事件参与波速比计算,这将大大影响计算结果的精度,因此,我们以震中区为中心,取250 km范围内的区域作为研究区(图5),这样既保证了足够多的地震样本数目,又使更多的地震台站参与计算,从而提高波速比计算的精度和可信度。

时间范围:依靠波速比时序曲线来判定中强地震前的波速比变化,较短的时间内很难准确把握异常信息。根据国内研究者的结论(蔡静观等,2000; 李永莉等,2008),本次波速比研究中选取的时间范围为2001年1月至2009年2月。

地震样本的挑选:选取初动清晰,易于分辨的震相,同时选取距震中相对较近的台站的记录,以减少传播路径上的介质对波速比的影响。

考虑到震中区及周边地区地震台站的分布情况,我们在波速比计算过程中,利用山西省地震局提供的震相数据转换软件,针对每个地震事件,对各个台站记录到的P_g、S_g震相到时进行了和达直线检验,对偏离直线的台站震相到时进行了校对和修正,对偏离较大且无法校正的,在保证满足计算要求的前提下予以删除。在此基础上,共整理出波速比标准误差小于等于0.05、相关系数大于0.96的地震事件161次(包括2003年8月16日阿鲁科尔沁旗M_S5.9地震序列和2006年11月3日巴林右旗M_S4.3地震序列),这样既保证了足够多的地震样本数目,也提高了数据的精度和可信度。

为了更好地显示波速比随时间的演化趋势,笔者对原始数据曲线采用4点窗长、2点步长进行近均值平滑处理,即平滑前后波速比平均值保持不变。计算结果表明,研究区的平均波速比值为1.725,波速比变化范围为1.655～1.82; 平滑处理后的标准差为0.027 45,如图5所示。

图5显示,在整个研究时段内,在以下两次地震前后波速比曲线的波动幅度最大:2003年08月16日阿鲁科尔沁旗M_S5.9地震前,波速比值明显下降,在下降过程结束即将回升时发震,震后波速比值又有一定的升降变化,但幅度明显减弱; 2006年11月3日巴林右旗M_S4.3地震前,波速比值也呈显著的下降—低值—上升趋势,在上升趋势即将结束时发震,震后波速比值也有一定程度的升降变化,波动范围逐渐减小,最后趋于平稳。前苏联学者谢苗诺夫指出,在4～5级地震发生之前,波速比值往往呈下降—持续低值—回升发震的过程(国家地震局预测预防司,1997)。这两次地震前波速比的变化规律与谢苗诺夫的研究结论是相符的。

(1)计算原理与方法

相关长度可看作是一定时段中,一定空间范围内的地震之间的特征距离或震群尺度。按照地震的自组织临界系统的观点,如果系统接近临界点,那么将出现以幂次律为特征的长程相互作用,这时中等地震的相关长度ξ应增长,可用下式表示(Bruce,Wallace,1989):

ξ(t)～(t_f-t)^-k.(2)

式中,t_f为中强地震的发震时间,即震源系统达到临界点的时间; k为正数,取决于相关长度增长的速率。

相关长度ξ可用单键群分析方法来估算。关于单键群分析的具体方法,Frohlich和Davis(1990)有详细的论述。荣代潞等(2006)通过一些震例对此方法进行了一定的改进和完善; 韩晓明,荣代潞(2007)也曾用此方法对2004年甘肃临泽震群进行了研究。

为了得到相关长度的时间演化进程,使用滑动时间窗方法,在选定的空间范围内,以在主震发生前一段时间(一般是数年)的地震序列为基础,以一定数目的地震作为时间窗,用单键群分析方法计算时间窗内的相关长度,然后,以一定的步长移动这个时间窗,就可得到主震发生前一段时间内相关长度随时间的演化过程。

关于强震前地震空间相关长度增长的现象,国内外有许多学者做了大量研究。Zoller等(2001)用此方法研究了美国加州北纬32°～40°之间1952年以来发生的9次M_S≥6.2地震前地震活动相关长度的增长现象。荣代潞等(2006)研究了近17年来甘肃及邻近地区的6次6级左右地震,发现在震前相关长度都存在不同程度增长。

(2)资料选取和计算

时间范围:为了更加深入地探讨本次M_S5.9地震前相关长度的变化,选取震前3年的地震资料进行分析。

空间范围:依据郭增建等以地震孕育的组合模式提出的有效前兆范围(荣代潞等,2006)

R=10^0.508M-1.377.(3)

其中R为以震中为中心的半径(单位:km),M为面波震级。此公式是基于震源孕育的组合模式和对观测资料的统计而得出的经验关系,地震实际孕育过程中它的应力积累的范围应当更大,因此由应力积累引起的地壳介质性质的变化范围也更大。基于这种认识并考虑到需要足够多的地震参加计算,可以在(R～2R)的范围内选取地震,根据国内外学者的总结(蔡静观等,1999; Frohlich,Davis,1990; 荣代潞等,2006; 韩晓明,荣代潞,2007),只要有足够多的地震参加计算,空间范围的变化不太大就不会对计算结果产生较大影响。

把M_S=5.9代入公式(3)可求得R≈42 km,因此可以选取震中区域方圆84 km范围内的地震参与计算。

震级范围:由于巴—阿M_S5.9地震震中区及

周边地区台站分布不是特别密集,地震监控能力也不是很高,因此首先用古登堡—李克特公式lgN=a-bM对所用地震目录进行完备性检验,得到所用目录的截止震级为M_L=1.8,最终选取118次M_L≥1.8的地震事件进行相关长度计算。经过实验,采用时间窗长为4个地震,步长设定为2个地震进行滑动计算,得到58组地震空间相关长度结果,并根据(2)式对结果进行幂次率拟合(图6)。从图6可以看出,在巴—阿M_S5.9地震前,震源区域的地震空间相关长度有显著的增长现象,这种增长变化与震前震源区域地下介质体的运动密切相关。