基金项目:云南省人民政府十项措施“云南强震活动与板缘动力学机制研究”(JCYB-20080601-4)和“地球物理场和化学场动态变化与强震活动关系研究”(JCYB-20080601-5)联合资助.
(Earthquake Administration of Yunnan province,Kunming 650224,Yunnan,China)
Yao'an earthquake; coda attenuation; aftershock sequence; crustul Qc-value
备注
基金项目:云南省人民政府十项措施“云南强震活动与板缘动力学机制研究”(JCYB-20080601-4)和“地球物理场和化学场动态变化与强震活动关系研究”(JCYB-20080601-5)联合资助.
利用云南大姚地震台记录到的2009年姚安6.0级地震余震序列的数字化波形观测资料,基于尾波单次散射理论,估算该次地震震源区尾波Qc值。结果 表明:中心频率为1.5 Hz时,振幅衰减率β(f)在-0.141 27~-0.043 05之间,平均值为-0.074 60; Qc值在33.3~99.8之间,平均值为65.5。并得出Qc值与频率的关系:尾波波源因子与震级成正比,与频率成反比。主震发生后头几天,尾波Qc值(1.5 Hz)波动较大,之后在±1.5倍方差线内趋于稳定,且没有超过5级的强余震发生。姚安地区尾波Qc值具有构造运动活跃、地震活动频繁地区的低Qc值特征。
The coda-wave attenuation factor Qc at the source region of Yao'an, Yunnan, MS6.0 earthquake in 2009 is estimated through single-scattering theory of coda wave on the basis of the digital waveform data of aftershock sequence recorded by Da'yao Station. When central frequency f=1.5 Hz, the coda attenuation ratio β(f) in Yao'an region ranges from -0.141 27 to -0.043 05, and the average is -0.074 60. The Qc-value of coda ranges from 33.3 to 99.8, and the average is 65.5.The relation between the Qc-value and frequency f is Qc(f)=45.3 f0.97. The coda factor is in direct proportion to magnitude,and in inverse proportion to frequency. In the first few days after the main shock, the Qc-value(1.5 Hz)of coda fluctuated obviously, it showed a tendency toward stabilization within the line of ±1.5 times of variance, and the strong aftershocks smaller than M5 will occur. The Yao'an region has the characteristics of active tectonic-movement, frequent seismic-activity, and low Qc-value.
引言
随着数字化地震观测系统的增多和完善,数字化地震记录资料越来越多,使得利用数字化波形资料求解Qc值的研究变得更为方便。20世纪60年代,Aki(1969)提出尾波散射理论,用散射模型解释了尾波的形成原因,即由于地球介质有很不相同的均匀尺度,弹性波在传播过程中,遇到这些不均匀体时,就会产生散射,台站记录到这些延迟了的散射波,就形成了尾波。随后,Herrmann(1980)研究发现,尾波衰减系数和S波衰减系数一致,因此利用尾波研究地震波衰减就成为一种简便有效的方法。对于同一个地震台站记录到的同一地区的地震,其尾波变化具有相同的衰减形态,与地震震级大小(一般小于6级)、台站、震中距无关,只与时间t和频率f有关,在此基础上,Herrmann提出了一种利用尾波的衰减特征求取区域介质品质因子Q的方法,应用这种方法可以得到尾波Qc值的频率依赖特性及区域性变化的一些特征。单台尾波Qc值主要反映的是以震源和记录台站为两个焦点的椭球范围内的品质因子特性。众多研究(Jin,Aki,1986; 秦嘉政,1989; 陈学庭,1992; 李白基等,2000; 钱晓东等,2004)发现,大震前Q值有异常下降,临近大震又逐渐回升; 地震活动频繁的地区对应低Q值,地震活动相对平静的地区对应高Q值。
2009年云南省姚安县发生了MS6.0地震,主震之后,距离震中最近的大姚地震台记录到大量余震数字化波形资料,为研究该区尾波Qc值提供了很好的基础。笔者利用这些近场数字化观测资料,研究了姚安地区尾波振幅衰减率β(f)的变化特征,探讨了震源区尾波Qc值状态,以期探寻该区地震活动与地球内部介质性质的关系。
1 资料
云南地震台网测定,2009年7月9日19时19分14秒云南省姚安县发生MS6.0中强地震,震中位置25.34°N,101.01°E,震源深度7 km。笔者选用7月9日至30日,大姚地震台记录到的符合条件的71次余震数字化波形记录求取尾波Qc值,选取条件为:(1)震级范围2.0~4.0级;(2)尾波持续时间长、干扰小、S波记录清晰(图1)。
大姚地震台场地类型为山洞,台基岩性为砾岩,海拔1 877 m,观测仪器为KS-2000M型数字化地震记录仪,采集器为EDAS-24IP型,采样率为100 Hz。
2 方法原理及数据处理
2.1 方法原理单次散射模式看起来虽然简单,但与高龙生(1987)提出的多次散射模式相比,所得到的结果相差不大。秦嘉政(1992)研究认为,滇西南地区多次散射模式所得的Qc值比单次散射模式降低约20%,而高龙生等(1987)研究北京地区的多次散射模式Qc值比单次散射模式降低约30%。
依据Aki等(1975)的单次散射模型,尾波谱振幅为
A(f,t)=S0(f)R(f)t-ue-πft/Qc(f).(1)
式中,A(f,t)是台站观测谱; t是发震时间和S波到时差; S0(f)是震源项; R(f)是场地项; 一般t>2R/vs,R为震中距; vs为S波速度; u是常数,体波的u=1,面波的u=0; t-1表示以体波为主要成分的尾波几何扩散影响; Qc(f)值是对应于中心频率点f的尾波介质品质因子。
A0(f)为尾波波源强度因子,与震源强度有关,可表示为
A0(f)=S0(f)R(f).(2)
对(1)式两边取自然对数,且u=1,可得
ln[A(f,t)×t]=-(πf)/(Qc)×t+lnA0(f),(3)
即
ln[A(f,t)×t]=β(f)×t+lnA0(f).(4)
式中,β(f)为尾波振幅衰减率。从(4)式可以看出,右边是t的直线方程,ln[A(f,t)×t]与t是线性关系。从某个地震记录在某一频率上可以测出A(f,t)和t,将所有数据点分别代入(4)式,用最小二乘法可求出直线的斜率β(f)和lgA0(f),从而得到该地震记录该频率点的品质因子
Qc(f)=-(πf)/(β(f)).(5)
计算不同中心频率下的尾波Qc(f)值,利用Sing和Herrmann(1983)提出的关系式Qc(f)=Q0f η,就可以拟合求得Qc(f)与频率f的关系。
2.2 数据处理尾波窗的选取:根据经验和大部分地震的实际观测,尾波开始时间选t>2R/vs,截止时间不超过70 s。笔者对时间窗长的选取不是固定的,对每一个事件,根据其具体的尾波衰减时间,求取Q值,不同的拟合时间窗长选在其衰减部分。
求取尾波Qc值:在计算Q值与f的关系时,首先对原始波形进行滤波,得到不同频率f的波形记录,笔者选用高斯滤波器对A(f)进行滤波
G(ω)=exp(-α[(ω-ωc)/(ωc)]2).(6)
式中,ω为圆频率; ωc是中心点圆频率; α为常数,滤波器的宽度在1~99之间选择,值越大,频带宽度越窄,本文取α=40。本次研究选取的中心频率分别为1.0、1.5、2.5、4.0、5.5、8.0、10.0、12.0、18.0 Hz。图2为表1中02号地震的原始波形及滤波结果。
取2 s为窗长,以1 s间隔为步长滑动,求出不同窗内平均振幅和时间
AC=(A2T-A2N)1/2.(7)
式中,AT是信号均方根振幅值; AN是噪声均方根振幅值。用计算出来的数据建立时间t和[A(f,t)×t]的坐标系,利用最小二乘法拟合得出Qc值。在双对数坐标中标出不同频率点的Q值,然后用最小二乘法拟合,就可以求得Q0值和η值。
3 计算结果
3.1 尾波振幅衰减率利用计算出来的71组数据,对各个中心频率,作出时间t与[A(f,t)×t]的关系图,用最小二乘法进行直线拟合,求出直线的斜率β(f),然后根据公式(5)即可求出不同中心频率的介质品质因子Qc值。图3为各个中心频率对应的t与[A(f,t)×t]的数据点和回归直线。表1仅给出中心频率为1.5 Hz的低频Qc值结果。图4给出了不同中心频率的尾波Qc值。
表1中02号地震原始波形及滤波结果图
Fig.2 Original waveforms and filtering results of No.02 earthquake in Tab.1">表1中02号地震原始波形及滤波结果图
Fig.2 Original waveforms and filtering results of No.02 earthquake in Tab.1"/>图2 表1中02号地震原始波形及滤波结果图
Fig.2 Original waveforms and filtering results of No.02 earthquake in Tab.1图3 各中心频率对应的t与[A(f,t)×t]的数据点及回归直线
Fig.3 Data points and regression line between t and [A(f,t)×t]corresponding to different center frequency从表1可以看出,中心频率为1.5 Hz时,姚安地震台记录到的姚安地震余震序列的尾波振幅衰减率β在-0.141 27~-0.043 05之间变化,其中有83%介于-0.10~-0.04之间; 尾波Qc值在33.3~99.8之间,约58.5%的值在65以上,小于50的值占总数的14.1%,平均值为65.5。这个结果与李白基等(2004)使用Sato模型研究2001年姚安6.5级地震余震序列时,在中心频率为1.5 Hz时得到的尾波Qc值结果(67)非常一致。其它频率段的尾波振幅衰减率β(f)、波源因子lnA0(f)及尾波Qc值的均值见表2。
3.2 尾波波源因子A0(f)与震级ML和频率f的关系从公式(2)可以看出,波源因子A0(f)项与场地项和震源项有关,对于单台来讲,场地项是一个常数,所以波源强度因子A0(f)只与震源项S0(f)有关,且是一个描述尾波激发强度的物理量。理论上,波源强度因子与震级成正比关系,震级大时,波源强度因子也较大。图5给出了实际测量的姚安地震余震系列的波源因子与震级的关系。从图5中可以看出,尾波波源强度因子与震级成正比关系。利用最小二乘法,可以拟合得出
表1 姚安地震余震序列尾波振幅衰减率β(f)及Qc值
Tab.1 Attenuation ratio β(f)and the coda Qc values for aftershock sequences of Yao'an earthquake图4 尾波Qc值与频率f变化特征(粗线表示各中心频率平均值)
Fig.4 Variation diagram between the coda value Qc and frequency f图5 尾波波源因子lnA0(f)与震级ML的关系
Fig.5 Relationship between the coda factor姚安地震余震系列尾波波源强度因子A0(f)与震级ML的关系为
lnA0(f)=2.443ML+5.37.(8)
尾波波源强度因子也与频率有关,成反比关系,即随着频率f的增大,lnA0(f)呈线性衰减。利用各次地震不同中心频率的平均值,采用最小二乘法拟合得出如下关系
lnA0(f)=-0.0667f+12.025.(9)
3.3 尾波Qc值与频率f的关系利用不同中心频率的尾波平均Qc值(表2),按照关系式Qc(f)=Q0f η,进行拟合得到如下关系
Qc(f)=45.3f 0.97.(10)
李白基等(2004)利用Sato单次散射模型研究2000年姚安6.5级地震(与本研究主震震中相距11 km)余震尾波,得出值Q0为49,η值为0.95,与本文测算的Q0值45.3,η值0.97非常相近。
表2 姚安台估算的不同中心频率平均β(f)值和Qc值
Tab.2 Average attenuation ratio β(f)and the coda Qc values of different center frequency estimated through data recorded by Yao'an station3.4 尾波Qc值的时间分布姚安震源区位于滇中块体内的滇中中台陷的中南部。滇中块体在扬子准地台西端,由一级断裂小江、红河、安宁河断裂和二级断裂剑川—丽江断裂所围限(阚荣举等,1977)。滇中中台陷是地台“活化”的产物,新构造运动产生了第四纪的类磨拉石建造,其地壳分 6 层,厚约53 km(胡鸿翔等,1986)。在滇中中台陷周边,磨盘山—绿汁江断裂、楚雄—建水断裂、永胜—宾川断裂和程海断裂诸活动断裂历史上地震活动频繁,曾发生多次 6 级以上地震。图6给出了f=1.5 Hz时,姚安地震余震尾波Qc值随时间变化关系。从图6可以看出,主震发生后的前6天,尾波Qc值有一个调整阶段,波动较大,7月25日之后,Qc值在±1.5倍方差线内趋于稳定。钱晓东等(2004)研究了2001年施甸5.9级地震余震尾波Qc值随时间变化关系,王伟君和刘杰(2006)研究了2003年大姚6.2级地震余震尾波Qc值随时间变化关系,他们都发现发现主震后尾波Qc值在短时间内不趋于稳定,而是上升持续高值或下降持续低值,均预示着后面会有5级以上中强余震或者双震的发生。这些研究结果表明,尾波Qc值与地壳活动和介质状况密切相关,在日常地震监测预报中可以作为判断主震后该地震序列类型的一个参考依据。
图6 2009年姚安地震余震序列尾波Qc值随时间变化(上下两条虚线为1.5倍方差)
Fig.6 Coda Qc values of Yao'an aftershock sequences change over time in 2009(Upper and lower dashed lines represent twice of variance)3.5 不同地区尾波Qc值地震波传播品质因子Q是度量衰减(Q-1)的地球介质的基本物理参数之一,是介质非均匀性和非弹性的反映,与地区的构造活动性和地震活动性密切相关。这一特性曾作为地震预测的一个因素而加以研究(Chouet,1979; Jin,Aki,1986,1989)。很多研究(秦嘉政等,1992,1995; 李琼等,2007; 钱晓东等,2006)表明,构造活动相对稳定的地区为高Qc值背景区; 构造活动强烈的地区为低Qc值背景区。根据一些学者(Singn,1983; Woodgold,1990; Hartzell et al,1996; 李白基等,2000; 钱晓东等,2004)给出的国内外不同地区不同频段的尾波Qc值,笔者绘制出图7。本文研究的姚安震源区位于滇中中台陷中心附近,靠近滇深282地震测深工程的洱源—江川测线(胡鸿翔等,1986),是地震构造活动十分频繁和强烈的地区。利用2009年姚安6.0级地震余震资料估算,当f=1.5 Hz该区的尾波Qc平均值为65.5,相应的Q0值为45.3,具有构造运动十分强烈的地区的低Q值特征。从图7可以看到,笔者研究的云南姚安地区的尾波衰减特征与美国中东部地区和河北昌黎地区明显不一样,而与美国加州斯通峡谷、云南武定地区和云南施甸地区极为相似。
图7 不同地区尾波衰减Q-1c值随频率的变化特征(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.河北昌黎地区; 9.云南施甸地区; 10.云南姚安地区)
Fig.7 Coda Q-1C value variation with frequency in different areas(1.Central and eastern United States; 2.Western UnitedStates; 3.Japan's Kanto region; 4.Japan's Ishiyamd areas; 5.Stone Canyon area,California,United States; 6.Wudingregion in Yunnan; 7.Imperial valley region,California,UnitedStates; 8.Changli area in Hebei; 9.Shidian area in Yunnan; 10.Yao'an area in Yunnan)4 讨论和结论
本文利用大姚地震台记录到的2009年云南姚安6.0级地震余震序列波形资料,依据单次散射模型,研究了震源区尾波振幅衰减率β(f)和地壳尾波的Qc值,得到以下几点结论。
(1)中心频率为1.5 Hz的振幅衰减率β(f)在-0.141 27~-0.043 05范围内变化,平均值为-0.074 60; 尾波Qc值在33.3~99.8之间变化,平均值为65.5。李白基等(2004)研究2001年姚安6.5级地震震源区相同频率尾波Qc值67一致性很好,两次地震相距11 km。尾波衰减Q-1c值随频率变化不同于构造运动稳定、地震活动相对平静的美国东部地区和河北昌黎地区; 而与构造运动活跃、地震活动较频繁地区接近,如云南武定地区。
(2)估算得到的尾波波源强度因子A0(f)与震级ML成正比的关系,拟合斜率值为2.443; 与频率f成反比关系,较低的频率对应较强的波源因子。
(3)主震发生后几天,尾波Qc值波动较大,之后在±1.5倍方差线内趋于稳定,之后没有超过5级以上的强余震发生,这与王伟君和刘杰(2006)研究2000年姚安6.5级主震后的尾波Qc值随时间变化所得的结论一致。这为主震后判断强余震发生的危险性提供了一个方法。
(4)震源区位为一级断裂小江、红河、安宁河断裂和二级断裂剑川—丽江断裂所围限,构造运动十分活跃,属于地震频发地区。笔者计算得到Q0值为45.3,η值为0.97。秦嘉政等(2004)研究2000年姚安6.5级地震余震尾波后,得出Q0值为49,η值为0.95,由于两次地震震中仅相距11 km,结果比较一致。李白基等(2000)研究云南武定1995年地震余震尾波,得出田心台Q0值为59,η值为0.95; 云龙台Q0值为52,η值为0.90,与本文结果非常接近,都属于以低Q0值、高η值为特征的构造活跃地区的尾波性质。武定和姚安都在滇中块体内,它们有类似的介质不均匀性和散射,Q0值和η值的一致性是合理的结果。
笔者利用大姚台记录的云南姚安2009年6.0级地震余震序列数字化波形资料,估算了振幅衰减率β(f)和尾波Qc值,测量结果表明,震源区尾波Qc值具有构造运动活跃、地震活动较为频繁的地区的尾波衰减特征。
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