基金项目:地震行业科研专项(200708026)资助.
(Earthquake Administration of Yunnan Province,Kunming 650224,Yunnan,China)
source parameters,genetic algorithm,source spectra,earthquake sequence,Yingjiang MS 5.9 earthquake
备注
基金项目:地震行业科研专项(200708026)资助.
2008年8月21日在云南省盈江县发生了MS5.9地震。利用云南区域数字地震台网记录的ML≥2.5余震波形记录,通过对S波观测记录谱进行传播路径、场地响应和仪器响应等影响的逐一消除,得到了196个ML≥2.5地震的震源谱,进而根据Brune圆盘震源模型,利用遗传算法计算了地震矩、应力降、震源半径等震源参数,结果表明,该地震序列的地震矩在1012~1016 N·m间,与近震震级有很好的线性关系,与震源半径也呈线性关系; 应力降与近震震级有一定的线性趋势相关性; 拐角频率和地震矩之间有明显的依赖关系。
Yingjiang MS5.9 earthquake On August 21,2008 occurred in Yunnan.Using waveforms of the ML≥2.5 earthquakes recorded by Yunnan Regional Digital Network.By removing propagation,site and instrument effects from the displacement spectra of the S-wave recordings,we obtain the source parameters of 196 ML≥2.5 earthquakes based on the Brune disc model and Genetic algorithm,namely,the seismic moment M0,stress drop Δσ and rupture radius r.The results show that there is a good linear relation between M0(1012~1016 N·m)and local magnitude ML,M0 and rupture radius r.Δσ seems dependent on ML; fc increases with M0 decreasing according to the lgfc-M0 relation.
引言
研究震源参数,通常是在根据实际的地震波记录反演震源谱的基础上进行的。由于地震波在传播过程中出现几何扩散,在从震源到接收点的传播过程中受到传播介质吸收和扩散以及接收点场地的影响等,因此观测记录得到的地震谱不是真实的震源谱,称之为观测谱。实际工作中,人们常常采用对上述各种影响因素分别进行补偿的办法从观测谱得到震源谱。
通常认为在地震孕育过程中,地壳介质处于高应力状态,其辐射的地震波频谱特征、衰减特性等和低应力状态是不相同的。因此,对某一地震序列进行波谱分析,就可以得到表征震源破裂特征的震源参数(包括震源尺度、应力降等),并由此推断震源区的构造应力环境,能够使人们在一定程度上了解震源区的应力状态(中国地震局监测预报司,2005)。
2008年8月21日盈江5.9级地震,是云南“十五”数字地震台网建成并正式运行后记录到的一个中强地震。本文利用2008年8月20日至2009年2月28日,云南区域数字地震台网记录到的盈江5.9级地震序列ML≥2.5余震的波形资料,在对地震记录设法区分震源效应、传播路径、场地响应及仪器响应的基础上,得到了196个ML≥2.5地震的震源谱,并采用Brune 二次方衰减震源谱模型作为理论震源谱,利用遗传算法精确搜索每个地震震源谱的零频谱值和拐角频率,进而估算地震序列的地震矩、震源半径和应力降等震源参数。这些震源参数能使我们更好地研究序列的基本特征和应力变化过程。
1 分析方法
在任一台站观测到的任一地震地面运动的傅立叶谱可以表示为:
Aij(f)=Ai0(f)·G(Rij)·Sj(f)·Ij(f)·e-(πRij f)/(Q(f)β).(1)
式中Aij(f)是在第j个台站观测到的第i个地震的傅立叶振幅谱(观测谱),Ai0(f)为第i个地震的震源振幅谱(震源谱),Rij为震源矩(第i个地震到第j个台站),G(Rij)为几何衰减函数,Q(f)为频率依赖的品质因子,β为地震波速度(在本研究中仅分析S波),Sj(f)为第j个台站的场地响应项,Ij(f)为第j个台站的仪器响应项。
由式(1)可见,在频率域内对台站的观测位移谱Aij(f)进行几何衰减、非弹性衰减、场地响应及仪器响应校正后,才能得到震源谱Ai0(f)。目前一般采用Atkinson和Mereu(1992)提出的三段几何衰减模型来计算传播路径的影响,采用多台、多地震联合反演的Moya方法(Maya et al,2000)计算台站的场地响应,仪器响应可通过仪器标定进行校正。笔者采用上述方法,利用云南“十五”区域数字地震台网资料,反演得到了云南地区的介质品质因子Q(f)=231.0f 0.480和各台站的场地响应。
通过以上计算,对每个地震、每个台站记录的位移谱逐一校正后,就得到了每个地震多个台站的震源谱,求其平均值以消除方向性效应,得到每个地震的平均震源谱。这样对某个地震,就可以得到第j个台站记录的该地震的震源位移谱[A0(f)]j,再对台站得到的震源谱求平均,即是该地震的震源谱A^-0(f)。采用Brune二次方衰减震源谱模型作为理论震源谱Atheo(f),利用遗传算法求解由A^-0(f)和Atheo(f)定义的残差为极小的震源谱参数Ω0和fc,这里Ω0是零频振幅,fc是拐角频率。
由上面得到的震源谱参数Ω0及拐角频率fc,就可分别计算地震矩M0、震源半径r、应力降Δσ(Brune,1970):
Mo=(4πρβ3Ω0)/(2Rθφ),(2)
r=(2.34β)/(2πfc),(3)
Δσ=(7M0)/(16r3).(4)
式中ρ是密度,取为2.9 g/cm3; β是S波速度,取为3.5 km/s; Rθφ是辐射花样系数,由于没有每次地震的断层面解,所以令Rθφ为常数,并取为S波在震源球上的平均值(2/5)1/2。
2 资料选取
经过“十五”建设的云南区域数字地震台网,子台均为基岩台,使用24位的EDAS—24IP型数据采集器,并分别安装了KS—2000M和CTS—1E两种中长周期三分向速度地震计,采样率均为100 Hz,在50~120 Hz频带范围具有速度平坦的响应。
本文选取云南区域数字地震台网记录到的盈江5.9级地震后6个月ML≥2.5余震的波形数据。对于所有的余震记录,采用包含所有可识别S震相的“S窗”内的信号进行分析,其中“S窗”的定义为从S波开始到包括S波总能量的90%的时间段。同时,采用平移窗谱方法,获得具有同样频率间隔的观测信号的傅立叶谱,取P波初动前256个采样点的记录作为噪声记录,计算与观测信号相同持续时间的噪声位移振幅,依此对观测信号进行去噪处理。之后,按照信噪比大于2为标准选择可以使用的波形记录,以及1个地震至少有3个以上台站记录的原则,最终挑选了196次ML≥2.5地震的波形记录用于震源参数的联合反演研究,其中,2.5~2.9级110次,3.0~3.9级78次,4.0~4.9级7次,5.0~5.9级1次。图1为参与计算的地震震中及周围台站分布。
3 各种震源参数结果及其相互关系分析
由以上计算方法和步骤,我们得到了盈江5.9级地震序列中196次ML≥2.5地震的震源参数。
3.1 地震矩M0与震级ML、震源半径r的关系地震矩M0是对断层滑动引起的地震强度的直接量度,它是由地震波振幅低频成分的大小决定的,反映了震源处破裂的大小。震级与地震矩之间的线性回归关系能反映不同地区的地下介质状态和地震活动特点。我们所选用的196次余震的震级ML介于2.5~5.1之间,计算得到的地震矩结果介于1012~1016 N·m间,震源破裂半径r在127~671 m间,用最小二乘法拟合出地震矩M0与震级ML之间的关系(图2)为
lgM0=1.09ML+10.01.(5)
可见,该序列地震的lgM0与震级ML存在着较好的线性关系。
其他研究者在其他地区用不同类型的地震资料也得到了相似的结果,这些关系式有:
美国中加州地区(Bakun,1984):
lgM0=1.2ML+10.0;
澜沧地区(李立平,1990):
lgM0=1.13ML+10.14;
耿马地区(李立平,1990):
lgM0=1.10ML+10.21;
姚安地区(刘丽芳等,2006):
lgM0=1.05ML+10.06;
滇西实验场地区(李一正,1985):
lgM0=1.19ML+9.91;
小湾水库近场区(邬成栋等,2010):
lgM0=1.11ML+9.65;
汶川8.0级余震区(华卫等,2009):
lgM0=1.10ML+9.31。
图2 地震矩M0与震级ML间的关系
Fig.2 Relation between M0 and ML图3 地震矩M0与震源半径r的关系
Fig.3 Relation between M0 and r3.2 应力降Δσ、拐角频率fc与震级ML的关系盈江余震序列应力降Δσ在0.11~7.93 MPa间,其中148次地震Δσ<1.0 MPa,占地震总数的75.5%; 47次地震1.0≤Δσ<5.0 MPa,占地震总数的24.0%,1次地震Δσ≥5.0 MPa,占地震总数的0.5%。
应力降的标度性,即应力降如何随地震强度大小而变化,是震源参数研究中被广泛讨论的问题。对应力降比较一致的看法是:在同样M0释放的条件下,板内地震的应力降大于板缘地震的应力降,板内地震的破裂尺度小于板缘地震的破裂尺度(赵翠萍等,2005)。图4给出了盈江地震序列应力降Δσ与震级ML之间的关系。从图4可以看出,应力降与震级有一定的线性趋势相关性,应力降随震级增大有着某种增大的趋势,因此笔
图4 应力降Δσ与震级ML的关系
Fig.4 Relation between Δσ and MLlgΔσ=0.44ML-1.52.(6)
在震源参数研究中,拐角频率是个基本参数,它随震级的增大而减小,两者之间有较强的依赖关系。为得到相对客观的拐角频率的变化值,首先要消除震级(地震矩)对拐角频率的影响,根据Brune模型,可推导出拐角频率与地震矩之间的关系式为:lg fc=-1/3lgM0+1/3lg(Δσ)+C'。假定应力降是常数,本文采用函数lg fc=-1/3M0+C进行最小二乘拟合。
图5为盈江地震序列拐角频率fc与地震矩M0之间的关系,它们之间呈线性关系,用最小二乘法拟合出的关系式为:
lgfc=-1/3lgM0+5.17.(7)
图5 拐角频率fc与地震矩M0的关系
Fig.5 Relation between fc and M03.3 余震应力降Δσ随时间的变化通常认为,地震是在一个区域内应力积累超过某一局部临界强度时发生的,应力降为地震时断层面上所释放的应力。因此,应力降是一个与地震发生、震源介质、区域构造应力水平密切相关的参数,确定地震的应力降可以得到震前应力状态和构造应力变化过程的信息。我们通过分析研究地震的应力降可以了解地震破裂过程中的构造应力释放水平,从而间接地认识地震发生地区的构造背景应力和构造破裂过程。在不停的地壳构造运动过程中,区域构造应力场时空分布也处在不断的调整变化过程中。图6给出了盈江地震序列应力降随时间的变化曲线,应力降除了两次较大余震的较大外,其余的均小于4.0 MPa,多数情况下Δσ<1.0 MPa,最大的两次应力降分别为7.93 MPa和4.70 MPa,对应2008年8月21日的MS4.9和2008年8月20日的MS5.1地震。通过分析盈江地震序列强余震发生前后的应力降变化,我们发现:在盈江地震序列MS≥4.0强余震发生之前会出现Δσ≥2.0 MPa的高应力降值异常,如2008年8月22日4.8级和31日4.2级余震前分别出现了3.25 MPa和2.30 MPa的应力降高值异常点; 9月3日4.2级余震前应力降值为2.47 MPa,9月7日4.2级余震前出现了3.46 MPa和2.13 MPa的应力降高值异常点; 12月26日4.1级余震前出现了2.29 MPa和2.40 MPa的应力降高值异常点。
3.4 余震拐角频率fc随时间的变化根据式(7),计算盈江地震序列给定震级得到拐角频率的估计值fa,由此可分析实际计算的拐角频率fc与估计值之差(fc-fa)的时间变化曲线。事实上,当(fc-fa)值为正时,其含义是该地震的应力降比其他同等大小地震产生的应力降高; 反之,则应力降低。
图7为盈江地震序列实际计算的拐角频率与估计值之差(fc-fa)随时间的变化曲线,图中实线表示两者之差为0。由图可见,(fc-fa)在序列强余震发生前会出现高值异常,或地震发生在(fc-fa)连续出现正值后下降过程中,例,2008年8月21日4.9级地震前(fc-fa)值出现了2.85 Hz的高值异常; 8月22日4.0级和4.8级地震前分别出现3.30 Hz和3.00 Hz的高值异常; 8月31日、9月3日的4.2级和12月26日4.1级地震发生在(fc-fa)连续出现正值后下降并处于负值过程中。
图7 余震拐角频率(fc-fa)随时间的变化
Fig.7 fc of aftershock variation with time4 结论
(1)盈江地震序列地震矩在(1012~1016)N·m之间,震源破裂半径r在127~671 m间,地震矩的对数与震级呈线性关系,拟合关系为:lgM0=1.09ML+10.01; 地震矩的对数与震源半径呈线性关系,拟合关系式为:lgM0=0.005r+12.07。
(2)拐角频率与地震矩呈线性关系,拟合关系式为:lg fc=-1/3lgM0+5.17。
(3)应力降的对数与震级呈线性关系,拟合关系式为:lgΔσ=0.44ML-1.52; 因此认为盈江地震序列应力降与震级有一定的的依赖关系。
(4)由盈江地震序列应力降随时间的变化曲线可以看出,除了两次较大余震的应力降较大外,其余时间应力降均小于4.0 MPa,多数情况下应力降小于1.0 MPa。
(5)盈江地震序列实际计算的拐角频率与估计值之差(fc-fa)在序列强余震发生前会出现高值异常,或地震发生在(fc-fa)连续出现正值后下降过程中。
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