安徽地區(qū)尾波Qc值特征研究

鄭先進(jìn),劉東旺,沈小七,劉澤民,倪紅玉,李玲利

(1.安徽省地震局,合肥 230031;2.蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,安徽蒙城 233500)

安徽地區(qū)尾波Qc值特征研究

鄭先進(jìn)1,2,劉東旺1,2,沈小七1,劉澤民1,倪紅玉1,2,李玲利1,2

(1.安徽省地震局,合肥 230031;2.蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,安徽蒙城 233500)

基于Sato單次散射模型,利用安徽省數(shù)字化測(cè)震臺(tái)網(wǎng)2001年以來記錄到的 ML≥2.3級(jí)地震的波形資料,計(jì)算得到了安徽地區(qū)不同臺(tái)站周圍地殼介質(zhì)的尾波Qc值,發(fā)現(xiàn)省內(nèi)不同地區(qū)尾波Qc值存在著明顯的差異,霍山地區(qū)尾波Qc值相對(duì)省內(nèi)其余地區(qū)較低,擬合得到了安徽地區(qū)尾波 Qc值與頻率之間的依賴關(guān)系,為Qc=(104.9±36.4)f(0.85±0.08)。對(duì)安徽霍山地區(qū)2009年2—12月的震群序列尾波 Qc值變化特征進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)主震前后尾波Qc值發(fā)生顯著的變化。

尾波 Qc值;Sato模型;震群序列;延續(xù)時(shí)間

0 引言

在對(duì)地震波的研究中,尾波研究是一個(gè)重要領(lǐng)域,地震尾波是由地下介質(zhì)的不均勻性所激發(fā)的,它是介質(zhì)不均勻性的最直接證據(jù)之一。尾波Qc值是描述尾波衰減的重要物理量,它反映了震源和周圍介質(zhì)的平均性質(zhì),能較有效地消除震源輻射花樣和單一路徑的影響。

地方震尾波可用地球介質(zhì)中隨機(jī)分布的多種非均勻散射體對(duì)原生波的反向散射來解釋[1]。用單次散射模型可以很好地解釋尾波的許多特點(diǎn),并且為許多觀測(cè)事實(shí)所支持[2]。目前根據(jù)單次散射理論研究尾波衰減特性已獲得一些重要結(jié)果[3-8]。這些結(jié)果表明,尾波Qc值與頻率表現(xiàn)出較強(qiáng)的依賴關(guān)系,近似服從冪函數(shù)關(guān)系:Qc=Q0×fη。在構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)的地區(qū)尾波衰減較快,構(gòu)造活動(dòng)較弱的地區(qū)尾波衰減較慢。也就是說,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)為低Qc值背景區(qū),構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)為高Qc值背景區(qū)。本研究試圖利用Sato單次散射模型,計(jì)算安徽地區(qū)不同臺(tái)站周圍介質(zhì)的Qc值,分析不同地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)差異性,并得出安徽地區(qū)平均 Qc值,與國內(nèi)其它地區(qū)進(jìn)行比較分析;利用2009年2—12月霍山震群序列的數(shù)字化波形記錄,計(jì)算該序列的尾波 Qc值,對(duì)其變化特征進(jìn)行分析。

1 計(jì)算方法

目前在地震預(yù)測(cè)研究中,國內(nèi)外普遍使用單次散射模型來進(jìn)行尾波 Qc值計(jì)算。在本研究中所用的地震大部分震級(jí)較小,地震波記錄長度較短,適合采用Sato模型進(jìn)行尾波Qc值求解。

依據(jù)Sato模型[9-11],在一定頻率下,尾波振幅與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系可表示為:

其中:As是S波的最大振幅,Ac(t)是流逝時(shí)間t附近的尾波均方根振幅,K及Ac(t)分別由(2)、(3)式給出,K是依賴于時(shí)間的傳播因子。

AT為所取時(shí)間窗內(nèi)地震波均方根,An為P波到達(dá)前適當(dāng)時(shí)間段的記錄的均方根,用以進(jìn)行地震波的噪聲校正[5,12]。a=t/ts,ts為S波的流逝時(shí)間,C(f)是與頻率有關(guān)的影響因子,對(duì)相同地震的同一頻率,C(f)為常數(shù),擬合出 F(t)與(t-ts)的線性關(guān)系,得到 b,b與Qc的關(guān)系由下式給出:

對(duì)于不同的頻率根據(jù) F(t)和(t-ts)的曲線求出斜率b,即可得到該頻率的 Qc值。最后由各個(gè)頻率點(diǎn)的 Qc值,擬合出 Qc=Q0×fη。

2 數(shù)據(jù)處理

計(jì)算選取2001年以來安徽省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的ML≥2.3級(jí)地震波形資料(圖1,其中藍(lán)色三角形表示測(cè)震臺(tái)站),采用朱新運(yùn)等[7]研制的基于Sato模型的近震S波尾波 Qc值求解及分析軟件,利用不同臺(tái)站記錄到的三分向波形計(jì)算尾波Qc值。計(jì)算時(shí)使用6級(jí)Butterworth濾波器進(jìn)行濾波,尾波段起點(diǎn)取2倍的S波走時(shí),數(shù)據(jù)采樣窗長2s,采樣步長0.5s,為保證數(shù)據(jù)可靠,尾波截?cái)嗵幮旁氡却笥?2。每條地震記錄以4～18整數(shù)頻率點(diǎn)為中心頻率,計(jì)算15個(gè)頻率點(diǎn)數(shù)據(jù),對(duì)Qc值與頻率之間的依賴關(guān)系進(jìn)行擬合,當(dāng)頻率f為1時(shí),得出每個(gè)地震的Q0值。圖2給出了2009年4月6日肥東ML4.0級(jí)地震白山臺(tái)的計(jì)算實(shí)例。

圖1 安徽省2001年以來 ML≥2.3級(jí)地震及臺(tái)站分布

圖2 2009年4月6日肥東 ML4.0級(jí)地震白山臺(tái)計(jì)算結(jié)果

3 安徽地區(qū)尾波Qc值特征

按照上述數(shù)據(jù)處理方法,使用每次地震不同臺(tái)站記錄到的波形計(jì)算出了尾波Qc值。并利用同一臺(tái)站對(duì)于不同地震計(jì)算結(jié)果求出了臺(tái)站周圍地殼介質(zhì)的平均Qc值,如表1所示。由于安徽地區(qū)發(fā)生的地震以中小震為主,部分地震波形記錄信噪比不高,計(jì)算中舍棄了這部分結(jié)果,在表1中僅列出了對(duì)于3個(gè)以上地震有較好擬合結(jié)果的臺(tái)站。

表1 安徽地區(qū)不同臺(tái)站附近地球介質(zhì)的平均Qc值統(tǒng)計(jì)表

從表中可以看出,不同地區(qū)臺(tái)站周圍地球介質(zhì)的Qc值及其對(duì)頻率的依賴性大小(η值)存在著明顯的差異。其中,霍山地區(qū)臺(tái)站(含豹子崖、佛子嶺、六安、爛泥坳、石家河)周圍地球介質(zhì)的平均 Q0相對(duì)其它地區(qū)普遍偏低,對(duì)頻率的依賴性(η值)較大,這與霍山地區(qū)中小地震活動(dòng)頻繁、構(gòu)造活動(dòng)性較強(qiáng)的特征是一致的。擬合得到了安徽地區(qū)全區(qū)Qc值與頻率間的關(guān)系:Qc=(104.9±36.4)f(0.85±0.08)(圖3)。

圖3 安徽地區(qū)尾波值與頻率關(guān)系擬合

4 2009年霍山震群序列尾波值分析

2009年2—12月霍山窗出現(xiàn)1次震群活動(dòng),先后發(fā)生了5月19日 ML3.4級(jí)、8月15日 ML3.9級(jí)地震,9月份以后震群序列開始衰減。我們利用該序列中ML≥1.5級(jí)地震的波形資料,計(jì)算了該震群序列尾波Qc值,挑選出擬合較好的結(jié)果,對(duì)其變化特征進(jìn)行了分析。計(jì)算時(shí)使用了豹子崖、石家河、爛泥坳3個(gè)臺(tái)站的數(shù)字化波形記錄。這3個(gè)臺(tái)站使用的都是FFS-3M短周期地震計(jì),對(duì)于該序列的微小震有較好的記錄能力,便于進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 2009年霍山震群序列M-T圖

研究表明,尾波Qc值與被研究的尾波延續(xù)時(shí)間是有關(guān)系的,一般而言尾波的延續(xù)時(shí)間越長,其 Qc值越大,將尾波Qc值作為一種地震前兆信息進(jìn)行研究時(shí),應(yīng)考慮到延續(xù)時(shí)間對(duì)其的影響。因此本文根據(jù)尾波的單次散射模型,研究2009年霍山震群序列尾波Qc值隨時(shí)間變化的同時(shí),亦對(duì)比討論了不同延續(xù)時(shí)間的影響。

計(jì)算了 3個(gè)流逝時(shí)間窗(20～30s、30～40s、40～50s)各臺(tái)站計(jì)算出的尾波 Qc值,如表2所示。可以看出,隨著流逝時(shí)間的增加,各臺(tái)站計(jì)算得到的尾波Qc值普遍增大。用擬合結(jié)果較好的豹子崖臺(tái)和爛泥坳臺(tái)記錄給出了該震群序列尾波Qc值的變化曲線。結(jié)果表明,地震活躍階段的尾波Qc值高于平靜階段,Qc值隨時(shí)間起伏較大,平均值相對(duì)較高。這表明主震發(fā)生前應(yīng)力高度集中和增強(qiáng),主震后由于作用在地殼韌性層的應(yīng)力得到釋放,從而介質(zhì)松弛,以至于反映其介質(zhì)衰減特性的Qc值減小。尾波Qc值的計(jì)算結(jié)果較好地反映了霍山序列前期增強(qiáng)—主震活動(dòng)—余震衰減的過程。

表2 不同臺(tái)站計(jì)算結(jié)果比較

圖5 霍山震群序列尾波Qc值隨時(shí)間的變化

5 結(jié)論與討論

(1)Qc值的大小反映了地震波衰減程度,它對(duì)頻率的依賴程度與地殼介質(zhì)均勻程度有關(guān)。Qc值越小,對(duì)頻率的依賴程度越大,則地殼介質(zhì)均勻程度越低,相關(guān)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng)烈,地震活動(dòng)水平越高。利用Sato模型計(jì)算得到,安徽地區(qū) Q0=104.9,η=0.85。與國內(nèi)不同區(qū)域的Q0值及η值相比較發(fā)現(xiàn),安徽地區(qū)尾波 Q0值低于浙江地區(qū)[6],與山東地區(qū)較為相似[13]。

(2)安徽省內(nèi)不同地區(qū)的尾波Qc值存在著明顯的差異性,顯示了不同區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的差異性。其中霍山地區(qū)Qc值低于其它區(qū)域,顯示了該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)性相對(duì)較強(qiáng)的特征。

(3)對(duì)2009年2—12月的震群序列尾波 Qc值計(jì)算結(jié)果顯示,尾波Qc值隨選取的尾波延續(xù)時(shí)間的增加而增大,地震活躍階段的尾波Qc值高于平靜階段,Qc值隨時(shí)間起伏較大,平均值相對(duì)較高。

(4)安徽地區(qū)地震活動(dòng)以中小震為主,部分地震波形的信噪比不高,能得到較好擬合結(jié)果的地震射線不多,導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)量較少。隨著數(shù)字化測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的不斷完善和資料的逐漸累積,對(duì)尾波Qc值的研究也將得到進(jìn)一步深入和加強(qiáng)。

致謝:本文計(jì)算軟件由浙江省地震局朱新運(yùn)博士提供,在此深表謝意。

[1] Aki K.Analysys of the seismic coda of local earthquakes as scattered waves[J].J.Geophys.Res.,1969,74:2615-2631.

[2] Aki K,Chouet B.Origin of coda waves:source,attenuation,and scattering effects[J].J.Geophys.Res.,1975,80:3322-3342.

[3] 李松林,樊計(jì)昌,惠乃玲,等.灤縣地區(qū)尾波Q值及其與頻率關(guān)系的研究[J].地震學(xué)報(bào),1990,12(4):357-366.

[4] 曾健,陳天長,韓渭賓,等.成都遙測(cè)臺(tái)網(wǎng)區(qū)域尾波衰減特征及Qc值研究[J].地震學(xué)報(bào),1997,19(3):246-253.

[5] 李白基,秦嘉政,錢曉東,等.云南姚安地區(qū)尾波衰減[J].地震學(xué)報(bào),2004,26(1):47-52.

[6] 朱新運(yùn),張帆.浙江及鄰區(qū)尾波Q值研究[J].西北地震學(xué)報(bào),2006,28(2):108-113.

[7] 朱新運(yùn),楊鋼宇,張震峰.基于Sato模型的近震S波尾波Q值求解及分析軟件研制[J].地震地磁觀測(cè)與研究,2005,26(3):64-70.

[8] 宋曉煜,張小濤,韓勝,等.1830年磁縣7.5級(jí)地震震源區(qū)尾波衰減特征[J].華北地震科學(xué),2009,(4):22-25.

[9] Sato H.Energy propagation including scattering effect:Single isotropic scattering,approximation[J].Bull.Seism.Soc.Am.,1977,68:923-948.

[10] Domingguez T,Rebollar CJ.Attenuation of coda waves at the Cerro Prieto Geothermal Field,Baja California,Mexico[J].Bull.Seism.Soc.Am.,1997,87:1368-1374.

[11] Victor Wong.Attenuation of Coda Wave at Tres Viegebes Volcanic Area Baja California Sur Mexico[J].Bull.Seism.Soc.Am.,2001,91:683-693.

[12] Pulli J J.Attenuation of coda wave in New England[J].Bull.Seism.Soc.Am.,1984,75:1149-1166.

[13] 季愛東,劉希強(qiáng),趙英萍,等.山東地區(qū)尾波衰減特性(Qc)研究[J].華北地震科學(xué),2008,26(1):8-12.

Research on theQcValue of Anhui Area

ZHENG Xian-jin1,2,LIU Dong-wang1,2,SHEN Xiao-qi1,LIU Ze-min1,NI Hong-yu1,2,LI Ling-li1,2
(1.Earthquake Administration of Anhui Province,Hefei 230031,China;
2.Mengcheng National Geophysical Observatory,Mengcheng 233500,China)

Based on digital waveform data ofML≥2.3earthquakes recorded by Anhui digital seismic network,theQcvalue of the medium below seismic stations in Anhui area is calculated using the Sato single scattering model.The results show that theQcvalue is inhomogeneous and much lower in Huoshan area.The formula for the relationship betweenQcvalue and frequency in Anhui area is determined using curve fitting,which isQc=(104.9±36.4)f(0.85±0.08).Particularly,theQcvalue of Huoshan earthquake swarm sequences occurred from February to December of 2009is calculated and analyzed,which shows significant difference between before and after the main shock.

theQcvalue of code wave;the Sato model;earthquake swarm sequences;duration

P315.3

A

1003-1375(2011)03-0008-05

2010-12-03

安徽省地震局重點(diǎn)基金項(xiàng)目(200605);中國地震局震情跟蹤合同制定向工作任務(wù)(2010010201)

鄭先進(jìn)(1982-),男(漢族),河南信陽人,工程師,主要從事地震活動(dòng)性及數(shù)字化地震波資料應(yīng)用等研究.E-mail:xjzheng@mail.ustc.edu.cn