小江斷裂帶地震尾波Qc值特征研究*

趙小艷，蘇有錦

(云南省地震局，昆明650224)

小江斷裂帶地震尾波Qc值特征研究*

趙小艷，蘇有錦

(云南省地震局，昆明650224)

利用小江斷裂帶及鄰區(qū)10個(gè)數(shù)字地震臺(tái)記錄到的地震波形資料，采用Aki單次散射模型，計(jì)算了各臺(tái)站半徑60 km范圍內(nèi)地震尾波Qc值，分別擬合得到10個(gè)臺(tái)站的尾波Qc和η值，并用10個(gè)臺(tái)站的平均結(jié)果得出了小江斷裂帶及鄰區(qū)尾波Qc值與頻率的關(guān)系。結(jié)果表明，小江斷裂帶及鄰區(qū)總體上屬低值Qc區(qū);尾波Qc值空間差異較大，小江斷裂帶中段為低Qc值，明顯低于北段和南段的Qc值。研究了尾波Qc值在時(shí)間上的變化與中強(qiáng)地震的關(guān)系。

小江斷裂帶;尾波Qc值;Aki單次散射模型

0 引言

小江斷裂帶是云南地區(qū)一條重要的活動(dòng)斷裂帶，是川滇菱形塊體的東南邊界。該斷裂帶北部與四川則木河斷裂相連，南部被紅河斷裂所截。全長(zhǎng)約450 km，在東川以南分成東、西兩支，相距約20 km，東支和西支平均左旋位移速率為6 mm/a。小江斷裂帶上的地震以頻度高、強(qiáng)度高著稱(chēng)，如云南省有記載以來(lái)最大的地震——1833年嵩明8.0級(jí)大地震就發(fā)生在該斷裂帶上。

地震尾波Qc值是表征某個(gè)地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的指標(biāo)之一，其變化反映了構(gòu)造應(yīng)力的變化。國(guó)內(nèi)外地震學(xué)家從不同方面對(duì)Qc值開(kāi)展了大量研究，如運(yùn)用尾波衰減的時(shí)空特征探討地殼介質(zhì)的非均勻性、尾波Qc值空間分布與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)性的關(guān)系、大震前后尾波Qc值隨時(shí)間變化在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用研究等 (Peng et al，1968;Xie，Nuttli，1988;Beroza et al，1995;秦嘉政，闞榮舉，1986，秦嘉政等，1995;Yoshihiro et al，2000;王偉君，劉杰，2004;馬宏生等，2006;李瓊等，2007)。

隨著云南地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的建立，地震工作者獲得了大量的數(shù)字地震波形記錄資料，從而得以對(duì)區(qū)域尾波衰減特征及其與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系進(jìn)行較為精細(xì)的研究。筆者利用位于小江斷裂帶及鄰區(qū)的10個(gè)數(shù)字地震臺(tái)站記錄到的近場(chǎng)數(shù)字地震波形資料，采用Aki的尾波單次散射模型，計(jì)算了各臺(tái)站60 km范圍內(nèi)的地震尾波Qc值，研究了小江斷裂帶及鄰區(qū)Qc值空間分布特征，Qc值時(shí)間變化與中強(qiáng)地震的可能關(guān)系。

1 計(jì)算方法

依據(jù)S波單次反射模型，尾波峰值振幅A(f，t)與尾波流逝時(shí)間t滿足

其中，A(f，t)為臺(tái)站觀測(cè)譜;S(f)代表尾波波源因子，與震源、頻率有關(guān);f為尾波頻率;t為發(fā)震時(shí)間與S波到時(shí)差，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，尾波開(kāi)始于2倍的S波走時(shí)，即t＞2R/β(R為震中距，β為S波速度);Qc為尾波衰減系數(shù)。

對(duì)式 (1)取對(duì)數(shù)，可得

可以看出式 (2)的右邊是時(shí)間t的直線方程，我們可以從某個(gè)地震記錄在某一頻率上測(cè)出A(f，t)和t，即可以求出直線的斜率K，從而可以得到品質(zhì)因子

由式 (3)，可以求出不同頻率的尾波Qc值，利用Qc(f)=Q0fη，可以擬合求出Qc與頻率f的關(guān)系。

2 資料處理及計(jì)算過(guò)程

筆者選取小江斷裂帶及其周邊10個(gè)數(shù)字地震臺(tái)的記錄資料進(jìn)行計(jì)算 (表1)。每個(gè)臺(tái)站均安裝FBS－3A型中長(zhǎng)周期三分向速度地震儀，這些地震儀在0.0～20 Hz頻段具有速度平坦的響應(yīng)，信號(hào)采樣率為50 Hz。在這10個(gè)臺(tái)站中，昆明、通海、彌勒、馬龍、易門(mén)、祿勸、東川和昭通8個(gè)臺(tái)站自2000年1月以來(lái)有波形記錄，巧家臺(tái)自2004年10月以來(lái)波形記錄，建水臺(tái)自2008年1月以來(lái)有波形記錄。圖1給出了研究區(qū)臺(tái)站分布圖和2000年1月至2009年12月2.5級(jí)以上地震震中分布。筆者以臺(tái)站為圓心，60 km為半徑，選取2.5級(jí)以上地震，對(duì)這些地震波形資料進(jìn)行篩選、整理，從中挑選出信噪比高、尾波持續(xù)時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)且振幅不飽和、干擾小且S波清晰的地震事件。

圖1 臺(tái)站、斷裂及所用地震震中分布圖Fig.1 Distribution of stations，faults and epicenters

資料處理及計(jì)算過(guò)程如下:

第一步，使用高斯濾波器對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，共計(jì)算7個(gè)中心濾波頻率點(diǎn)，分別為3.0 Hz、4.0 Hz、5.5 Hz、8.0 Hz、10.0 Hz、12.0 Hz、18.0 Hz。

第二步，去噪和滑移計(jì)算。從S波到時(shí)開(kāi)始，對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)，取窗長(zhǎng)為2 s，以0.8 s間隔滑動(dòng)計(jì)算，求出不同時(shí)間點(diǎn) (以窗的中心點(diǎn)為當(dāng)前時(shí)間點(diǎn))的平均振幅。

第三步，選擇擬合開(kāi)始點(diǎn)和窗長(zhǎng)，用最小二乘法計(jì)算各個(gè)頻率點(diǎn)的Qc值。

圖2給出了計(jì)算尾波Qc值的一個(gè)例子。圖2a－1是通海臺(tái)2003年4月13日20時(shí)50分ML3.0地震原始波形的垂直分量記錄，其下是3.0 Hz、5.5 Hz、10.0 Hz 3個(gè)中心頻率點(diǎn)的濾波波形。圖2b給出了相應(yīng)的各頻率點(diǎn)上得到ln［A(f，t)*t］與t的曲線，以及用最小二乘法求出的Qc值結(jié)果;圖2b－1是用7個(gè)頻率點(diǎn) (3.0 Hz、4.0 Hz、5.5 Hz、8.0 Hz、10.0 Hz、12.0 Hz、18.0 Hz) 上的 Qc值擬合得到Qc(f)的關(guān)系。

把某個(gè)地震臺(tái)記錄到的所有地震不同中心頻率都疊加到一張圖上，即可以得到該臺(tái)站記錄到的所有地震的平均Qc值。以通海臺(tái)為例，對(duì)該臺(tái)記錄到的74個(gè)中小地震不同中心頻率點(diǎn)上的尾波Qc值，擬合得到Qc和η值，即得到Qc=80.9f0.75關(guān)系 (圖3)。

圖2 計(jì)算尾波Qc值的一個(gè)例子(a)原始波形及濾波后各中心頻率的波形圖;(b)地震尾波Qc值擬合結(jié)果示意圖及各中心頻率的 ln［A(f，t)*t］ 與 t的曲線Fig.2 One example of Qcvalue calculation through Aki's model(a)Primary waveform and waveform filtered at different centre frequency pots;(b)The relationship between Qcvalue and frequency and the relationship between ln［A(f，t)*t］and t

圖3 通海臺(tái)記錄的74個(gè)地震不同中心頻率尾波Qc值及疊加結(jié)果Fig.3 Qcvalue of 74 earthquakes recorded by Tonghai digital seismic station at different centre frequency pots

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 尾波Q0值空間分布特征

按照上述方法和步驟，我們擬合得到了所選10個(gè)臺(tái)站的Q0和η值 (表1)。表1中還給出了用于計(jì)算的地震波形數(shù)和平均路徑長(zhǎng)度。用表1中10個(gè)臺(tái)站在各頻率點(diǎn)上的Qc值，最終得到平均擬合結(jié)果Qc(f)=75.4f0.81，即得到研究區(qū)域的尾波Qc值與頻率的關(guān)系。

根據(jù)已有的研究結(jié)果，姚安地震的尾波Qc=49f0.95(李白基，秦嘉政，2004)、武定地震的尾波Qc=59f0.95(秦嘉政等，2001)、寧洱余震序列的尾波Qc=53f0.88(李瓊等，2007)。小江斷裂帶中段的黑龍?zhí)?、東川、馬龍三個(gè)臺(tái)站尾波Q0值與上述值大致相當(dāng)，表明這三個(gè)臺(tái)站所處的區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)水平與姚安、武定、寧洱等地相當(dāng)，都是云南中強(qiáng)地震活動(dòng)頻繁的區(qū)域。而小江斷裂帶南段的彌勒、建水、通海，北段的昭通、巧家等臺(tái)站的Q0值相對(duì)較高。根據(jù)Singn和Herrmann(1983)、Catherine和Woodgold(1990)、Hartzell等 (1996)和秦嘉政等(2001)給出的國(guó)內(nèi)外不同地區(qū)不同中心頻率的地震波尾波衰減結(jié)果，小江斷裂帶南北段臺(tái)站所處區(qū)域介質(zhì)狀態(tài)與構(gòu)造地震活動(dòng)相對(duì)較弱的美國(guó)中東部地區(qū)和中國(guó)河北昌黎地區(qū)明顯不同，與美國(guó)加州斯通峽谷地區(qū)和云南武定、施甸、寧洱等構(gòu)造地震活動(dòng)頻繁、強(qiáng)烈的地區(qū)也不盡相同，而是介于兩者之間的一種活動(dòng)狀況，應(yīng)該是一種中等構(gòu)造活動(dòng)的表現(xiàn)。

表1 小江斷裂帶周?chē)_(tái)站尾波值計(jì)算結(jié)果Tab.1 Results of the value of coda wave at the stations around the Xiaojiang Fault

Aki的理論是假定地球介質(zhì)的Q值不變，事實(shí)上地球介質(zhì)Q值是隨深度變化的。黃才中和葛煥稱(chēng) (1995)用中國(guó)東部4省42個(gè)區(qū)域地震臺(tái)周豪軍等的記錄以及發(fā)生于該區(qū)及鄰近地區(qū)的51條地震記錄研究了Q值與震中距的關(guān)系，結(jié)果表明Q值隨震中距的增大而減小。本文給出了用于參與計(jì)算的地震與10個(gè)臺(tái)站距離的平均路徑長(zhǎng)度 (表1)。本文采用的是近震資料，震中距都在60 km范圍內(nèi)，每個(gè)臺(tái)站的平均路徑長(zhǎng)度總體差別不大(32～55 km)，從計(jì)算結(jié)果看，Q0值與平均路徑的依賴(lài)關(guān)系不明顯。這表明用近震地震波形資料計(jì)算區(qū)域地震尾波Q0值所得到的結(jié)果是可靠的，計(jì)算結(jié)果受所選地震震中分布影響較小。

在所研究的10個(gè)臺(tái)站中，Q0值最大的是昭通臺(tái)，最小的是東川臺(tái)。以10個(gè)臺(tái)Q0值的1倍方差線為標(biāo)準(zhǔn)，高于1倍方差線的臺(tái)站是昭通臺(tái)和彌勒臺(tái);低于1倍方差線的臺(tái)站是馬龍臺(tái)和東川臺(tái);黑龍?zhí)杜_(tái)、易門(mén)臺(tái)、祿勸臺(tái)、巧家臺(tái)和建水臺(tái)Q0值在1倍方差線內(nèi)。從空間區(qū)域分布來(lái)看，Q0值明顯具有區(qū)域性分布特征，無(wú)論是7個(gè)中心濾波頻率點(diǎn)的Q0值還是擬合所得的Q0值，位于小江斷裂帶中段臺(tái)站的值都明顯小于北段和南段的值。如黑龍?zhí)丁|川、馬龍這三個(gè)臺(tái)站附近60 km范圍內(nèi)的Qc和Q0值，總體上要比昭通、巧家、彌勒、易門(mén)、建水等臺(tái)站低很多 (圖4、表1)。

下面筆者結(jié)合小江斷裂帶的區(qū)域構(gòu)造、歷史大地震分布等情況，對(duì)Q0值的空間分布特征予以初步解釋。小江斷裂帶中段的歷史強(qiáng)震活動(dòng)要明顯強(qiáng)于北段和南段。如圖4所示，小江斷裂帶最大地震為1833年嵩明MS8.0地震，其次分別是1733年?yáng)|川MS7.8、1970年峨山MS7.7和1500年宜良MS7.5地震，這4次地震中有3次位于小江斷裂帶的中段。秦嘉政 (1992)年研究瀾滄—耿馬地震后尾波衰減特征發(fā)現(xiàn)，瀾滄MS7.6地震余震區(qū)的地震尾波Qc值要明顯低于耿馬MS7.2地震余震區(qū)的地震尾及 Qc值，分析認(rèn)為這一原因可能是MS7.6地震造成的介質(zhì)破碎程度遠(yuǎn)大于MS7.2地震，即低Qc值對(duì)應(yīng)局部地區(qū)介質(zhì)的非均勻性更強(qiáng)。歷史強(qiáng)震使得震中附近介質(zhì)破碎程度增加，導(dǎo)致介質(zhì)穩(wěn)定性變?nèi)?，從而使介質(zhì)Qc值較低，故得到的距離歷史大地震較近的小江斷裂帶中段臺(tái)站的Qc和Q0值較低。北段的昭通臺(tái)附近歷史上僅有一次7級(jí)地震，且距離為100 km，遠(yuǎn)大于小震選取范圍60 km，故該臺(tái)表現(xiàn)出較高Qc值。而同樣屬于小江斷裂帶北段的巧家臺(tái)，其擬合結(jié)果所得到的Q0值明顯小于昭通臺(tái)。從圖4來(lái)看，巧家臺(tái)位于小江斷裂帶上，且距離1733年?yáng)|川MS7.8地震震中較近，臺(tái)站附近介質(zhì)較為破碎，這可能是其Q0值小于昭通臺(tái)的原因。

圖4 小江斷裂帶歷史強(qiáng)震及相關(guān)臺(tái)站分布圖Fig.4 Distribution of historical strong earthquakes and Q0values at different stations near the Xiaojiang Fault

錢(qián)曉東等 (2006)認(rèn)為地震波衰減對(duì)斷層的破碎程度有明顯的依賴(lài)關(guān)系:若地震波經(jīng)過(guò)的路徑上無(wú)深大破碎斷裂帶，地震波沒(méi)有受到斷裂帶的強(qiáng)烈影響，因而表現(xiàn)出高Q0值特征;若地震波經(jīng)過(guò)斷層破碎帶，就受到強(qiáng)烈的散射和吸收，Q0值明顯降低。同樣位于相對(duì)穩(wěn)定的華南地塊的馬龍臺(tái)、彌勒臺(tái)的尾波衰減參數(shù)卻差別較大，對(duì)這兩個(gè)臺(tái)站參與計(jì)算的地震進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，馬龍臺(tái)參與計(jì)算的地震記錄共24條，其中位于小江斷裂帶以西的地震有10條。彌勒臺(tái)參與計(jì)算的地震記錄共98條，其中位于小江斷裂帶以西的地震僅21條，絕大多數(shù)地震波并沒(méi)有經(jīng)過(guò)較大斷裂帶，故Q0值明顯比馬龍臺(tái)高。

3.2 尾波Q0值時(shí)間變化特征及其應(yīng)用

在本研究區(qū)域和研究資料時(shí)段內(nèi)，2003～2006年昭通臺(tái)附近發(fā)生了多次5級(jí)地震，因此，筆者選擇昭通臺(tái)進(jìn)行尾波Qc值時(shí)間變化與中強(qiáng)地震的關(guān)系研究。圖5給出了在4 Hz、8 Hz兩個(gè)頻率點(diǎn)上昭通臺(tái)尾波Qc值隨時(shí)間的變化，兩個(gè)小圖中上、下兩條虛線為1倍方差線。由圖5可見(jiàn)，2000～2003年，其尾波Qc值變化相對(duì)平穩(wěn)，波動(dòng)幅度小(這一期間，該臺(tái)記錄到的符合計(jì)算條件的地震也較少);2003年11月魯?shù)镸S5.1、5.0地震后，整個(gè)昭通臺(tái)周邊中強(qiáng)地震相對(duì)活躍，尾波Qc值上下波動(dòng)起伏大。2003年11月魯?shù)镸S5.1、5.0地震和2004年魯?shù)镸S5.6地震前后，尾波Qc值未出現(xiàn)明顯變化;2006年8月鹽津MS5.1地震前，在4 Hz頻率點(diǎn)上尾波Qc值有一個(gè)高值過(guò)程，但在8 Hz頻率點(diǎn)上未出現(xiàn)明顯變化;2009年3月威寧MS4.7地震前，在4 Hz、8 Hz兩個(gè)頻率點(diǎn)上均出現(xiàn)了一個(gè)單點(diǎn)高值異常。從本文的研究結(jié)果看，尾波Qc值時(shí)間變化與中強(qiáng)地震的關(guān)系還是不十分明確。部分尾波Qc值異常的出現(xiàn)可能是區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的表現(xiàn)，或小震活動(dòng)引起Qc值波動(dòng)，而不一定表現(xiàn)在中強(qiáng)地震活動(dòng)上。

圖5 昭通臺(tái)記錄到的地震尾波Qc值隨時(shí)間變化 (a)4 Hz;(b)8 HzFig.5 Qcvalues，variation with time recored by Zhaotong digital seismic stationat 4 Hz(a)and 8 Hz(b)frequency pots

4 結(jié)論與討論

本文采用Aki單次散射模型，使用高斯濾波器，利用小江斷裂帶周邊10個(gè)數(shù)字地震臺(tái)記錄到的地震波形資料進(jìn)行了尾波Qc值計(jì)算，分別得到10個(gè)臺(tái)站的尾波Q0和 η值 (即Qc(f)=Q0fη關(guān)系)，并用10個(gè)臺(tái)站的平均結(jié)果得到了小江斷裂帶及鄰區(qū)尾波Qc值與頻率的關(guān)系為 Qc(f) =75.4f0.81。研究發(fā)現(xiàn)，小江斷裂帶及鄰區(qū)小江斷裂帶及鄰區(qū)總體上屬低Qc值區(qū);小江斷裂帶不同區(qū)域臺(tái)站尾波Qc值差異較大，具有明顯的空間分布特征:小江斷裂帶中段為低Qc值，明顯低于北段和南段的Qc值。這種空間差異性可能與小江帶不同區(qū)段上的構(gòu)造活動(dòng)、歷史大震活動(dòng)等因素有關(guān)。構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，地震活動(dòng)頻繁地區(qū)一般為低Q值區(qū)，地震波衰減較快。一般認(rèn)為，尾波Qc值是表征某個(gè)地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的指標(biāo)之一，其變化反映了構(gòu)造應(yīng)力變化。因此，人們?cè)噲D用區(qū)域性尾波Qc值隨時(shí)間的變化特征來(lái)探索地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)問(wèn)題。目前主要有兩種截然不同的認(rèn)識(shí):一種是主震前Qc值增大 (高值異常)，震后降低 (Beroza et al，1995;秦嘉政等，1995;Yoshihiro et al，2000;王偉君，劉杰，2004;馬宏生等，2006);另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，某些情況下也能觀測(cè)到Qc值相反的變化(啜永清等，2004)。造成上述結(jié)果的原因可能是不同作者在研究中采用的時(shí)間窗長(zhǎng)、震中空間分布的差異及不同震源體等。Peng等 (1968)針對(duì)上述可能存在的原因，采用不同時(shí)間窗長(zhǎng)，且按照震中距大小進(jìn)行分區(qū)，對(duì)美國(guó)加州Round Valley地區(qū)MS5.7地震前后尾波Qc值變化與前兆信息進(jìn)行了詳細(xì)研究，其結(jié)果可以簡(jiǎn)述為:主震震中附近的地區(qū)，震前Qc值高，震后下降;距主震震中較遠(yuǎn)的地區(qū)，震前Qc值下降，震后變大。這一研究結(jié)果對(duì)用Qc值變化進(jìn)行地震的時(shí)空預(yù)測(cè)有一定的指導(dǎo)意義。

通過(guò)對(duì)昭通臺(tái)尾波Qc值隨時(shí)間變化與其附近幾次中強(qiáng)地震的關(guān)系研究，總體上可以看到，在中強(qiáng)地震相對(duì)平靜時(shí)段，尾波Qc值變化較平穩(wěn);在中強(qiáng)地震相對(duì)活躍時(shí)段，尾波Qc值上下波動(dòng)起伏大。但其與具體某次地震的關(guān)系還不是十分明確。利用尾波Qc值的時(shí)間變化特征進(jìn)行地震的預(yù)測(cè)研究，還需不斷的積累震例資料。

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Research on the Characteristics of Coda Qc-value in the Xiaojiang Fault Zone

ZHAO Xiao-yan，SU You-jin
(Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China)

The coda-wave attenuation factor Qcin the Xiaojiang Fault Zone is estimated through the Aki's single-scattering attenuation model based on the seismic events from January 2000 to December 2009 recorded by 10 regional digital seismic stations.The events are situated within 60 km from the stations.The relation between Qcand f at the 10 stations are fittted as Qc(f) =Q0f0.81.The Qc-value in the Zone is lower than the ones in the other areas of Yunnan.The Qc-value in the middle part of the Zone is much lower than the ones in the north and the south part of the Zone.The relationship between the temporal variation of Qc-value and the mid-strong earthquakes is studied too.

Qc-value of coda;Aki's singlescattering attenuation model;the Xiaojiang Fault Zone

P315.3+1

A

1000－0666(2011)02－0166－07

2010－07－19.

中國(guó)地震局“小江斷裂帶的中長(zhǎng)期地震潛勢(shì)定量研究”項(xiàng)目 (200708035)資助.