摘要: 海原断裂带是青藏块体东北缘一条重要的断裂带，历史上强震丰富，现今小震活跃，目前仍存在发生中强以上地震的危险性，也是诸多地震学者重点关注的区域之一。本文基于小震
b值在地震预测研究中的重要作用，系统研究了1970年以来海原–六盘山断裂带及附近区域小震
b值时空变化特征，重点回溯了宁夏南部5次
MS 4.9以上地震前的
b值异常变化特征，并分析发现宁夏南部小震
b值在2023年12月31日平川4.9级地震后处于低值波动变化，表明目前海原–六盘山断裂带处于应力积累状态，该结果为宁夏地区震情短临跟踪提供参考依据。
Abstract: Haiyuan fault zone is an important fault zone in the northeast margin of Qinghai-Tibet Block. It is rich in strong earthquakes in history, but active in small earthquakes today. At present, there is still a risk of moderate and strong earthquakes. Based on the important role of b-values of small earthquakes in earthquake prediction, this paper systematically studies the temporal and spatial variation characteristics of b-value of small earthquakes since 1970 in the Haiyuan-Liupanshan fault zone, and focuses on the b-value anomaly changes before five earthquakes with magnitude ≥ MS 4.9 in southern Ningxia, and finds that the b-value of small earthquakes in southern Ningxia is at a low value fluctuation after Pingchuan MS 4.9 earthquake on December 31, 2023. The results show that the Haiyuan-Liupanshan fault zone is in the state of stress accumulation, which provides a reference for the earthquake short-term tracking in Ningxia region.
1. 引言
1944年，古登堡和里克特式[1]通过研究美国加州地区的历史地震目录，提出了统计地震学中著名的古登堡–里克特频度–震级(G-R)关系式：logN = a − bM。式中参数b (通常称为b值)反映了区域内相对大小地震的比例关系，代表了介质内部应力水平的高低，即b值与应力水平成反比。研究表明中强地震前震中区及附近地区存在低b值异常，震中附近出现b值下降，低b值异常区域是未来中强地震发生的危险区域[2]-[4]。因此小震b值降低反映了区域应力增强[5] [6]，b值下降的时间变化特征可以用来研判强震发震紧迫性[7] [8]，低b值集中的空间分布特征可以用来研判强震易发区[9] [10]，对于主余型地震序列，利用b值截距法研判最大余震可以用作震后趋势分析[11]-[13]。
海原活动断裂带隶属于祁连地震带中东段，是青藏块体东北缘一条重要的边界断裂，历史上发生过多次中强以上地震，其中1920年发生的海原81/2级地震被称为“环球大震”，灾害震惊全球，属1600年以来全球震灾损失之最。1960年以来，海原活动断裂带先后发生了7次5级以上中强地震(最大地震为1990年甘肃景泰6.1级地震)，但是自2000年甘肃景泰5.9级地震以后，海原活动断裂带陷入了5级以上地震平静20余年，已经远远超过复发周期，是宁夏南部未来强震最危险的地区之一。近年来海原活动断裂区域地震活动存在等多项显著异常，表明该区域仍存在发生中强地震的危险性，2023年12月31日甘肃白银市平川区发生4.9级地震，该地震发生在海原断裂带上，震中震感显著，造成多间房屋破裂，给人们的财产安全造成一定损失。本文基于上述b值在地震分析预报中的应用效能，在2023年12月甘肃平川4.9级地震的背景下，对海原活动断裂开展基于小震b值分析的应力状态研究工作，以期对震情短临跟踪工作提供一定参考依据。
2. 数据与方法
海原–六盘山断裂带是指祁连山地震带东段的一组左旋走滑断裂，沿断裂带强震丰富，小震活跃，且地震观测台站分布合理。本文选取了1970年以来全国地震台网记录到的强震目录和1965年以来宁夏地震台网记录到的海原–六盘山断裂带及周边区域发生的可定位地震目录，共计上万条地震目录资料，其中绝大多数为ML 0~2.9震级档，ML 3.0~3.9地震四百余次，ML ≥ 4.0八十余次。在保证样本量充足的前提下利用最小二乘法计算b值，通过震例回溯分析海原活动断裂带b值时空变化特征。在进行时间扫描计算时，分别以20个地震事件和50个地震事件为窗长，1个地震事件为步长进行滑动扫描，在进行空间扫描时，考虑到孤立型地震余震不发育的特点，分别以上次地震后的1~2个月为计算数据的起始时间，以本次地震前最后一天作为计算数据的终止时间，以此确保空间扫描异常区是震前异常集中区，而不受强震影响。
2.1. 地震分布特征
1970年以来研究区记录到4.9级以上地震8次(表1)，根据震中位置和发震构造分为宁夏南部地区和景泰地区两个区域(图1)，其中宁夏南部共发生5次，最大地震为1982年4月14日海原5.5级地震，最后一次地震为2023年11月31日平川4.9级地震；景泰地区共发生3次，分别为1990年10月20日景泰6.1级地震和5.1级余震、2020年6月6日景泰5.9级地震。研究区内小震空间丛集特征显著，且永登、白银、兰州、华亭等地区地震目录受矿震、单台地震等影响较大，其余地区受余震影响较大，因此本报告仅分析海原–六盘山断裂带及其附近区域的b值研究结果。
Figure 1. Distribution of historical strong and weak earthquakes in the study area since 1970
图1. 1970年以来研究区历史强震和弱震分布图
Table 1. Earthquake parameters above magnitude 4.9 in the study area since 1970
表1. 1970年以研究区4.9级以上地震参数
序号 |
时间 |
震级 |
地点 |
区域 |
1 |
1970-12-03 |
5.1 |
宁夏西吉 |
1) 宁夏南部 |
2 |
1982-04-14 |
5.5 |
宁夏海原 |
3 |
1989-11-02 |
4.9 |
宁夏固原 |
4 |
1998-07-29 |
4.9 |
宁夏海原 |
5 |
2023-12-31 |
4.9 |
甘肃平川 |
6 |
1990-10-20 |
6.1 |
甘肃景泰 |
2) 景泰地区 |
7 |
1990-10-20 |
5.1 |
甘肃景泰 |
8 |
2000-06-06 |
5.9 |
甘肃景泰 |
2.2. 最小完整性震级
地震最小完整性震级是影响地震活动性分析结果准确度的重要指标之一[14]。考虑到研究区监测能力随着时间的变化而变化，使用b值截距法、震级–序号法和多方法结合(MAXC法、90%和95%的拟合度GFT法)对1970年以来海原断裂带至甘东南地区的地震事件(剔除矿震和单台地震)进行最小完整性震级分析。研究区地震活动水平服从X~N (1.6, 0.742)的正态分布，弱震活动集中在ML 1.0~3.0之间(图2(a))，b值截距法给出的最小完整性震级为ML 1.5 (图2(b))，MC时间曲线给出1970~1995年最小完整性震级约为ML 2.3，2000~2013年MC约为ML 2.3，2014年以来MC约为ML 1.1 (图2(c)和图2(d))。综合分析认为2000年以前研究区b值时空分析采用ML 2.5以上地震目录资料，2000年至今采用ML 2.0以上地震目录资料。
Figure 2. Minimum integrity magnitude in Ningxia and adjacent areas
图2. 宁夏及邻区最小完整性震级
3. 结果分析
3.1. 宁夏南部中强地震前b值时空分布特征
Figure 3. Spatial distribution of b-value anomalies before the magnitude 4.9 earthquake in the Haiyuan fault zone
图3. 海原断裂带及其附近地区4.9级地震前b值异常空间分布图
Figure 4. b-value time series of small earthquakes in the Haiyuan fault zone and its surrounding area
图4. 海原断裂带及其附近地区小震b值时间序列图
1970年以来，海原六盘山断裂带附近共发生4.9级以上地震5次，分别为1970年12月3日宁夏固原市西吉县5.1级地震、1982年4月14日宁夏中卫市海原县5.5级地震、1989年11月2日宁夏固原市原州区4.9级地震、1998年7月29日宁夏中卫市海原县4.9级地震和2023年12月31日甘肃白银市平川区平川4.9级地震，5次地震的主震与最大余震震级差均超过ML 2.4，且余震数量较少，根据地震序列判定标准，分析认为这5次中强地震均为孤立型地震。通过小震b值时空分布特征计算，结果显示5次中强地震前海原断裂带b值时序曲线均出现了显著的“下降”或“上升–下降”的异常变化(图4)，震前震中区附近出现低值异常，即地震发生在异常区边缘(图3)。
2023年12月31日甘肃平川4.9级地震发生前，海原断裂带存在多项显著测震学异常，包括宁夏境内ML 2.5条带、祁连东段ML 3.0空区、甘东南ML 4.0平静打破、视应力显示增强、低b值持续等。其中低b值异常是指向海原断裂带是未来中强地震发生有利场所之一的有力判据之一，在日常震情跟踪过程中发现2017年固原4.6级地震前，海原断裂带b值出现降低变化(图4)，震后b值恢复，出现上升变化，之后从2021年底开始再次出现下降变化，2023年开始持续低值直到平川4.9级地震发生，这一过程表明该区域再次进入应力积累–释放的过程。
3.2. 景泰老震区b值时空分布特征
1970年以来，景泰老震区共发生5.0级以上地震3次(含1次余震)，分别为1990年10月20日景泰6.1级地震和5.1级余震以及2000年6月6日景泰5.9级地震。景泰老震区小震资料较少，时间分布不均匀，因此无法得到精确地时空扫描结果，但通过地震序列可知(图5)，两次中强地震序列均为主余型地震，其中1990年景泰6.1级地震序列共150余次地震，b值截距法结果显示该地震序列最大余震期望震级为ML 5.3 (图5)，实际情况中该序列发生最大余震ML 5.4，预测结果符合实际情况；2000年景泰5.9级地震序列共70余次地震，b值截距法结果显示该地震序列最大余震期望震级为ML 5.1 (图5)，实际情况中该序列发生最大余震ML 5.0，预测结果符合实际情况。因此利用b值截距法序列估算最大余震可用为震后趋势判定意见提供一定支持依据。
Figure 5. Epicenter distribution of Jingtai earthquake sequence and b-value estimate of maximum aftershock
图5. 景泰地震序列震中分布图及b值估计最大余震
4. 结论
通过对1970年以来海原–六盘山断裂带及附近MS 4.9以上地震前，区域小震b值时空变化特征研究后得到以下结论：
1) 1970年以来，海原六盘山断裂带共发生4.9级以上地震5次，均为孤立性地震，5次地震前小震b值时序曲线均出现了显著的“下降”或“上升–下降”的起伏回落变化，震前空间扫描结果显示主震均发生在低值异常区边缘。
2) 平川4.9级地震前海原六盘山断裂带存在b值降低异常，地震发生在异常区边缘，震后b值变化稳定，需继续跟踪关注后续发展情况。
3) 景泰地区小震b值时空变化特征研究结果不理想，但通过序列b值估计最大余震可以为未来中强地震的后续震情趋势判定提供一定参考依据。
基金项目
宁夏地震科研基金(NX202301)；震情跟踪定向任务(2024010106)资助。