基金项目:国家科技支撑计划“水库诱发地震监测与分析处理技术研究”(2006BAC01B04-02-01)和云南省科技攻关项目“复杂构造区水库地震监测预警研究”(2006SG01)联合资助.
(Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,Yunnan,China)
Yunpeng Hydropower Station; Qc-value of coda; Aki's single scattering attenuation model
备注
基金项目:国家科技支撑计划“水库诱发地震监测与分析处理技术研究”(2006BAC01B04-02-01)和云南省科技攻关项目“复杂构造区水库地震监测预警研究”(2006SG01)联合资助.
利用云鹏水电站周边5个数字地震台站记录到的2000年1月至2008年12月间的108个地震的数字波形资料,采用Aki单次散射模型,计算了各台站周围423条地震记录的尾波Q0值。结果 显示:云鹏水电站地区尾波的Qc值与频率的关系为Qc(f)=90.2f 0.94。该地区的Q0值比云南其它构造活动强烈地区的要高,因此属于中等构造活动地区。云鹏水电站蓄水后弥勒台记录到的108个地震的尾波Q0值及分频Qc值有所下降,但下降幅度不大,表明水库蓄水对库区及其附近区域地下介质性质有所影响,但影响的程度有限。
The coda-wave-attenuation-quality factor Q0 in Yunpeng Hydropower Station area and its adjacent regions is estimated using Aki's single-scattering attenuation model based on 108 local seismic events recorded by 5 regional digital seismic stations from January 2000 to December 2008.The result shows that the relationship between Q0 and f can be described as Qc(f)=90.2f 0.94.Compared with the ones in other areas of Yunnan with strong tectonic seismic activity,the values are higher in this area with moderate tectonic activity.The Q0 and Qc values declined a little after the Yunpeng reservoir impounded water; this means that the water storage has influenced the medea character in this area,but the effect is limited.
引言
地震尾波是由地下介质的不均匀性所激发的,它的存在可以认为是介质不均匀性的明显证据之一。Aki(1969)在研究地震尾波时,提出了一种统计模型来解释尾波的形成机制,即由于地球介质的不均匀性,地震波在传播过程中遇到不均匀介质时就会产生散射,台站记录到这些延迟了的散射波,形成尾波。Aki和Chouet(1975)在研究中,假设地震波在经过这些不均匀体时只发生一次散射,从而得出了计算尾波功率谱的公式。在上述尾波理论的基础上,尾波的研究工作得到了迅速发展,国内外地震学家从不同方面对尾波开展了大量研究:用尾波探讨小震震源频谱以及尾波形成的物理机制,运用尾波衰减的时空特征探讨地球内部介质非均匀性,研究尾波Qc值平面分布与区域构造活动性的关系; 大震前后区域性尾波Qc值随时间的变化特征在地震预测中的应用等,并取得了一些研究成果。如Suteau和Whitcomb(1979)利用美国南加利福利亚地区CIT台网记录到的1972~1975年的地震资料,从理论上给出了用ML计算尾波震级MC的理论公式; Xie和Nuttli(1988)根据尾波随机模型及单次各向同性散射模型,提出了用单台记录叠加频谱比值法计算尾波Qc值的方法,并采用层析成像方法研究了非洲地区尾波Qc值的大尺度横向变化特征; 秦嘉政和阚荣举(1986)运用云南区域台网短周期地震仪器记录到的小震尾波资料,估算出昆明周边地区频率约1.0 Hz的短周期波的地壳Q0值的平均值为191,证明昆明属于低Q0值地区; 王伟君和刘杰(2004)在研究1999年辽宁岫岩地震序列尾波Qc值时,发现其在主震前后有较明显的变化——震前增高,震后降低。
云南地区宽带数字化台网的建立,为我们深入研究区域尾波衰减特征提供了大量的数字化记录资料,使我们有可能对该地区尾波的Q0值分布特征及其与区域构造的关系进行较为精细的研究。如马宏生等(2006)用云南地区22个区域数字地震台站记录到的5 668个地震的数字波形资料,计算了各台站周围地震记录的尾波Qc值,并从地质构造、地震活动以及大地热流分布等方面对Qc值分布特征予以初步解释。王伟君等(2006)用云南区域数字地震台网记录到的22个近震资料,研究了云南地区地震尾波在1~20 Hz内6个频段的衰减特征,并给出云南地区尾波Qc值分布特征,即滇东的Qc值>滇西的Qc值>滇西南的Qc值。秦嘉政等(2001)、李白基和秦嘉政(2004)、钱晓东等(2004)、李琼等(2007,2008)用云南区域台网及大震后围绕震中建设的临时数字台网资料研究了不同区域或不同地震序列的尾波衰减特征。
2007年8~9月,在云南省文山州的丘北县与红河州的泸西县交界地区发生了一群小地震。从震群所处的区域构造位置来看,北东向的南盘江断裂带应为其发震断裂。震群所在区域被云南数条著名的断裂所包围:震群西边85 km即为SN向的小江断裂带,震群西北50 km为NNE向的弥勒—师宗断裂; 震群南边50 km为NW向的文山断裂。从更大的区域来看,震群所在的区域为由小江断裂和红河断裂所包围的相对稳定的华南块体(苏有锦等,1999)。川滇菱块深部物质向东南滑移,却遇到了较为坚固稳定的华南断块,从而形成该区孕震的主要力源(徐彦,2002)。对区域应力场的研究发现,该地区应力场压应力优势方向为SSE向(赵小艳等,2007)。
由于该震群所处的丘北—泸西一带历来为云南少震区,历史上从未有过如此密集且频繁的小震群活动,因此震群发生后,云南省地震局分析预报中心研究人员从各个方面对该震群进行了调查研究。在调查过程中我们了解到,在震群所在地有1座云鹏水电站,水库最低水位(死水位)高程877 m,正常蓄水位高程902 m,总库容3.663亿m3。工程于2007年3月实现截流蓄水,至6月22日坝前水位高程达898.1 m,库容3.293亿m3。丘北震群最早的地震发生在2007年3月,与水库蓄水时间十分吻合。因此,我们判断该震群为云鹏水电站所诱发。为了研究云鹏水电站及其附近区域介质性质及其在蓄水前后是否发生变化,我们利用震群周边的数字地震台记录到的2000~2008年108个小震的近场数字化地震波形资料,采用尾波单次散射模型,研究了该地区地震尾波在9个中心滤波频率点的垂直向数据的衰减特征。
1 计算方法
依据尾波单次散射模型,地震波尾波峰值振幅A(f,t)与尾波流逝时间t之间满足
A(f,t)=S(f)t-1e-πft/Qc.(1)
其中,A(f,t)为扣除了仪器响应和台站场地效应的台站的尾波振幅观测谱; S(f)代表尾波波源因子,它与震源和频率有关; f为尾波频率; t为发震时间与S波到时差。根据经验,尾波开始于2倍的S波走时,即t>2R/v(R为震中距,v为S波速度); Qc为尾波衰减系数。
对方程式(1)取对数,稍加整理,移项,可得
ln[A(f,t)*t]=lnS(f)-(πf)/(Qc)t.(2)
可以看出方程式(2)的右边是时间t的直线方程,我们可以对某个地震记录在某一频率上测出A(f,t)和t,即可以求出直线的斜率K,从而可以得到品质因子
Qc(f)=πf /k.(3)
由方程式(3),可以求出不同频率的尾波Qc值,利用Qc(f)=Q0f η,可以拟合求出Qc与频率f的关系。具体计算步骤如下:
首先,对原始数据进行滤波。共计算9个中心滤波频率点:1.0 Hz、1.5 Hz、2.5 Hz、4.0 Hz、5.5 Hz、8.0 Hz、10.0 Hz、12.0 Hz、18.0 Hz。使用高斯滤波器滤波,其定义为
G(ω)=exp[-α〖JB<1*|〗(ω-ωc)/(ωc)〖JB>1*|〗2].(4)
式中,ω=2πf为圆频率,ωc是中心点圆频率,α为一常数,用来确定滤波器频带宽度,可在1~99间选择,值越大,频带宽度越窄。本文中α=40。
第二步,去噪和滑移计算。从尾波到时开始,对滤波后的数据,取窗长为2 s,以0.8 s间隔滑动计算,求出不同时间点(以窗的中心点为当前时间点)的平均振幅为
AC=(A2T-A2N)1/2.(5)
式中,AT是窗口内信号的均方根振幅,AN是噪声均方根振幅。从记录开始处,选取P波到时前2 s长的记录为噪声计算均方根振幅。设窗口T内有n个离散数据,振幅为xi(i=1,…,n),则该窗口的均方根振幅定义为
AT=((∑ni=1x2i)/n)1/2.(6)
第三步,选择拟合开始点和窗长,用最小二乘法计算各个频率点的Qc值。在拟合中,拟合开始点和拟合窗长对Qc值是有较大影响的(安艺敬一,1991; 黄才中,葛焕称,1995)。在2TS后一定范围内选择开始点对Qc影响相对要小些。为了让Qc值有可比性,并且不受有突跳点数据记录的影响,编制程序时采用在F(t)·(t-tS)分布图上,手工选择拟合开始点和结束点,同时还要满足以下条件:计算开始点在2TS附近,拟合窗长尽量保持一致,一般取15~30 s。
2 地震资料及分析处理
2.1 资料选取据云南地震台网测定,2007年8~9月在云南丘北—泸西一带发生了一群小地震(图1a),其中1~1.9级43次,2~2.9级122次,3~3.9级23次,最大为2007年9月11日ML3.6地震(图1b)。我们以震群的中心点为圆心,选取半径为50 km范围内2000~2008年共131个地震的数据资料,对这些资料进行筛选、整理,从中挑选出信噪比高、尾波持续时间相对长且振幅不饱和、干扰小且S波清晰的108个地震事件约423条地震记录参与拟合Qc值,震级为2.5~3.7。
图1 2007年丘北—泸西小震群震中、台站、断裂、云鹏水电站位置分布图(a)及本研究所用地震M-T图(b)
Fig.1 Distribution of epicenters、stations、faults and Yunpeng Hydropower Station (a)and the M-T diagram of the selected earthquakes(b)当尾波仅限于距台站很近而且震级较小的地震时,它所反应的介质特性不再依赖于震源和观测点位置,而是其所在区域平均物性的表现。因此尾波Qc值主要反映的是以震源和记录台站为焦点的椭球范围内介质的品质因子特征,地震尾波的研究及其结果可用于分析震源和地球内部结构分布特征。
2.2 分析处理结果以弥勒台记录到的2007年10月17日16时43分46秒丘北ML3.0地震为例,笔者给出了此次地震垂直向的原始波形及该地震不同中心频率的滤波结果(图2)。图3a为使用Aki模型以及上述计算步骤后,得到的ln[Ac(f,t)*t]与t的关系曲线。用最小二乘法求出各频率点的拟合结果后,可以由9个频率点的Qc值拟合得到Qc(f)。图3b给出的是弥勒台(03ML)记录到的56号地震的尾波Qc值拟合结果。
把某个地震台记录到的所有地震的不同中心频率都叠加到一张图上,即可以得到该台站记录到的所有地震的平均Qc值和η值。图4为弥勒台记录到的108个地震的不同中心频率的尾波Qc值,通过拟合得到弥勒台Qc和f值的关系为Qc(f)=84.4f 0.87 。
图2 丘北ML3.0地震原始波形及滤波后各中心频率的波形图
Fig.2 Primary waveform of Qiubei ML3.0 earthquake and the waveform at different central frequency pots after filtered图3 中心频率为10 Hz的ln[Ac(f,t)*t)]与
t的数据点及回归线(a)和地震尾波Qc值拟合结果(b)
Fig.3 Pots and tropic between ln[Ac(f,t)*t)] and t when centre frequency is 10 Hz(a) and the sketch map of the relationship between Qc value and frequency(b)图4 弥勒地震台记录的108个地震不同中心频率尾波Qc值
Fig.4 Qc value of 66 earthquakes recorded by Mile digital seismic station at different centre frequency pots地震波流逝时间的大小反映了椭球区域的大小和深度。根据Pulli(1984)的结果,当流逝时间为t秒时,所测定的尾波Qc(f)值反映的是以震源和台站为焦点的椭球体介质的平均性质。椭球体方程为
(x2)/((vt/2)2)+(y2)/((vt/2)2-(r/2)2)+(z2)/((vt/2)2-(r/2)2)=1.(7)
式中r为震群到台站的大致距离,v是S波传播速度,S波在云南地区的传播速度平均值为3.5 km/s。x、y为地表坐标,z为深度坐标,t为延迟时间,本文中延迟时间为45 s。针对本文所研究的地震,以弥勒台为例,由上式可以得出该台所记录的地震的尾波Qc值反映的最大面积约为18 000 km2,最大深度为65 km,结果主要反映的是震区地壳和上地幔顶部的介质品质因子特征,所以我们所测算的Qc值可能对震群及云鹏水电站所处区域都有效。
按照上述方法和步骤,我们分别拟合得到了其它4个台站的Q0和η值(表2),以及Qc值与频率f的关系曲线(图5)。图5为云鹏水电站周边5个台站9个分频的Qc值取平均值后的分布结果。从图中可以看出,5个台站各个分频的Qc值无明显偏离点,Qc值随f值增加而趋于分散、随f值减小而趋于集中分布。随着频率的增加,Qc值差异越来越大。除了弥勒台外,另外4个台站的拟合曲线几乎重叠在一起,这种高度的一致性可能是多个地震取平均值的结果,但也可以清晰地看出,弥勒台的尾波Qc值最低,弥勒台与震群的距离最近(图1),由于选取的计算Qc值的流逝时间(从发震时刻开始计算)比较小,反映的深度较浅,因此Qc值很低。利用表2中各个台站的Q0值,可以算出云鹏水电站及其附近区域Q0值的平均结果。采用公式Qc(f)=Q0f η进行拟合, 得到Qc(f)=90.2f 0.94。
图5 不同台站记录的地震尾波Qc值及其与频率的关系
Fig.5 Relation between Qc value and frequency recorded by different digital seismic stations表2 云鹏水电站及其附近区域尾波Qc值计算结果
Tab.2 Results of value of Qc coda wave around Yunpeng Hydropower Station根据已有的研究成果,姚安地震的尾波Qc=49f 0.95(李白基,秦嘉政,2004),武定地震的尾波Qc=59f 0.95(秦嘉政等,2001),宁洱余震序列的尾波Qc=53f 0.88(李琼等,2007)。与这些值相比,云鹏水电站及附近地区的Qc值较高,表明云鹏水电站所处的丘北地区的构造活动水平比姚安、武定等地要低。历史地震活动与这一结论类似——姚安、武定地区历史上都有6级地震活动,而丘北地区历史上有地震记录以来最大的一次地震仅为2000年1月27日丘北MS5.5地震。根据Singn和Herrmann(1983)、Woodgold(1990)、Hartzell 等(1996)和秦嘉政等(2001)给出的国内外不同地区不同中心频率的地震尾波衰减公式,我们绘制了图6。从图中可以看到,丘北震群地区的尾波衰减与构造地震活动相对较弱的美国中东部地区和我国河北昌黎地区的尾波衰减明显不同,与构造地震活动频繁、强烈的美国加州斯通峡谷地区和我国云南武定、施甸、宁洱等地区也不尽相同,是介于两者之间的一种活动状况,应该是一种中强构造活动的表现。
①美国中东部地区; ②美国西部地区; ③日本关东地区;
④日本大石山地区; ⑤美国加州斯通峡谷地区; ⑥云南
武定地区; ⑦美国加州帝王谷地区; ⑧北京昌黎地区;
⑨云南施甸地区; ⑩云南宁洱地区;
B11云南丘北地区
图6 不同地区的尾波Q-1c随频率的变化特征
Fig.6 Change characteristic of the Q-1c value and frequency among different areas图7 弥勒台记录到的地震尾波Q0值随时间变化趋势图(a)蓄水前;(b)蓄水后
Fig.7 Coda Q0 value variation with time recorded by Mile digital seismic station (a)before the water storage; (b)after the water storage表3 弥勒台地震尾波Qc值蓄水前后变化特征
Tab.3 Change of Coda Qc value recorded by Mile digital seismic station before and after impound water从图7和表3可以看出,云鹏水电站蓄水后,弥勒台记录到的108个地震的尾波Q^-0值及分频尾波Q^-c值有所下降,表明水库蓄水对水电站库区及其周边区域的地下介质有影响。研究表明,在水库蓄水初期,短时间内水库水位快速升高,达到设计蓄水位。由于蓄水快速增长,使得库区及附近地区岩体荷载迅速增长。同时由于水的不断渗透,使得岩体孔隙压力不断增大,导致库区及附近地区岩体水文地质条件产生变化。但从蓄水前后的尾波Q^-0值及分频尾波Q^-c值的变化幅度以及Q^-c值所反映的韧性层应力积累状况来看,水库蓄水对区域介质影响的幅度较小,作用于此区域的应力没有显著调整的迹象,故水库蓄水短时期内不足以改变该区地下介质的原始状态。致于水库蓄水长时间段有何影响,还需进一步跟踪研究。
4 结论与讨论
本文采用Aki单次散射模型,使用高斯滤波器,利用云鹏水电站周边5个数字地震台记录到的108次地震事件的423个地震记录尾波Q^-c值进行了计算。结果表明,云鹏水电站及其周边地区Q^-c值与频率的关系为Q^-c(f)=90.2f 0.94。尾波Q^-c值与地震活动性呈负相关关系。在地震活动密度大、强度高的地区,Q^-c值都较低,反之,Q^-c值就偏高。本文计算结果表明云鹏水电站所处区域为中等构造活动地区。该区历来为云南强震的弱活动地区,1900年以来仅发生了4次5级地震,但自2000年以后,该区强震活动有所加强,发生了2000年1 月27日丘北MS5.5、2005年8月13日文山MS5.3地震,因此本文结果对研究云南强震的弱活动地区的介质状态有一定意义。
对云鹏水电站蓄水前后尾波Q^-0值及分频尾波Q^-c值的变化幅度作对比研究发现,蓄水后尾波Q^-0值及分频尾波Q^-c值有所下降,但下降的幅度不是很大,表明水库蓄水对水电站库区及其周边区域的地下介质有所影响,但影响程度有限。关于水库蓄水对地震尾波Q^-c值的影响及其作用机制,目前国内外研究甚少,有待于进一步研究。
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