贛中西地區(qū)地震波譜分析

曾文敬，項(xiàng)月文，羅 麗，趙愛平

（江西省地震局，江西 南昌 330039）

贛中西地區(qū)地震波譜分析

曾文敬，項(xiàng)月文，羅 麗，趙愛平

（江西省地震局，江西 南昌 330039）

選取贛中西地區(qū)23個(gè)ML≥2.0地震的單臺(tái)波形數(shù)據(jù)，基于遺傳算法，分別采用ω-3和ω-2震源譜模型對(duì)每個(gè)地震每個(gè)水平向的振幅譜進(jìn)行搜索，得到2組低頻水平Ω0和拐角頻率fc。目測(cè)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)地震震源譜符合ω-3模型，除1個(gè)地震的fc接近6 Hz外，其余22個(gè)地震的fc均小于3.51 Hz，明顯偏低。這23個(gè)地震除fc接近6 Hz的這個(gè)地震沒有出現(xiàn)短周期面波外，其余22個(gè)地震短周期面波均比較發(fā)育。認(rèn)為可能是這些地震震源淺造成P、S相干后形成了瑞利型短周期面波造成它們的拐角頻率偏低。

贛中西部；地震；震源譜

引言

2009年以來,贛中西區(qū)域相繼發(fā)生了一些小震，震中分布見圖1。雖然震級(jí)小，但是震感卻比較明顯，一些地震還能聽到沉悶的地聲。特別是2009年的ML3.2、ML3.1級(jí)地震，其震中烈度達(dá)到V度。這些地震波形的最主要特點(diǎn)是整個(gè)波列中出現(xiàn)瑞利型短周期面波。并且，近震中的臺(tái)站初動(dòng)清晰向下，其余臺(tái)站初動(dòng)方向均不太清晰或難以判斷。本區(qū)屬巖溶地區(qū)，地下可溶巖 （主要為碳酸鹽巖）地層發(fā)育，并與非可溶巖互層，且溶洞、伏流、暗河分布廣泛[1]，還存有廢棄的煤礦采空區(qū)。在地下水動(dòng)力條件發(fā)生改變或因新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)可能會(huì)觸發(fā)地下空間頂、側(cè)面巖體陷落、滑動(dòng)，引起地震。為了解這些地震波形在頻域上的特征，我們利用距離震中最近的宜春臺(tái)和豐城臺(tái)資料，采用單臺(tái)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行震源譜恢復(fù)計(jì)算與簡析。

1 震源譜恢復(fù)計(jì)算方法

1.1 地面運(yùn)動(dòng)的傅里葉譜

圖1 震中分布圖Fig.1 Distribution map of stations and epicenters

觀測(cè)到的地面運(yùn)動(dòng)的傅里葉譜扣除儀器響應(yīng)后可以用下式來描述：

1.2 臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)

因本文所取資料的臺(tái)站位于基巖，且一般考慮基巖臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)近似值為1，所以本文視臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)為1。

1.3 幾何衰減

本研究采用三段幾何衰減函數(shù)[2～4]，見式 （2），并取b1=1，b2=0，b3=0.5，R01=49.5，R02=82.5。

1.4 非彈性衰減

本文取Q（f）函數(shù)為Q=77.4 f1.064，它是根據(jù)Aki[5]提出的地方震尾波單次散射理論，對(duì)研究區(qū)8個(gè)地震的垂直向數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后取平均得到的。

1.5 震源譜

理論上，震源位移譜可表示為[6]

其中A0（f）為理論震源位移譜幅值，單位為um。在震源位移譜雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，Ω0為譜中低頻部分的高度 （零頻極限），它與地震矩成正比，單位為um；fc為拐角頻率，即震源位移譜中低頻部分水平線與高頻部分衰減趨勢(shì)線的交點(diǎn)，它與震源尺度成反比，單位為Hz；f為頻率變量，單位為Hz；a和b為兩個(gè)正的常數(shù)，ω=a×b，它表示震源位移譜高頻衰減趨勢(shì)。在Brune模型中[7、8]，ω=2；在Savage模型中[9]，ω=3。本文用遺傳算法分別使用ω=2和ω=3搜索每個(gè)地震的Ω0和fc，使震源譜誤差 （式4）最小，

然后，利用搜索得到的2對(duì)Ω0和fc值作2條震源譜曲線，目測(cè)與觀測(cè)譜更為吻合的1條曲線作為該地震的震源譜曲線，即確定震源譜。

2 資料處理及計(jì)算過程

圖2 原始及濾波后的波形。左圖為表1中序號(hào)為2的地震，其瑞利面波發(fā)育；右圖為序號(hào)為5的地震瑞利面波不發(fā)育。S-E為選取的S波段數(shù)據(jù)范圍。Fig.2 The original wavefroms and waveforms after filter

圖3 counts振幅譜（左為表1中2號(hào)地震，右為5號(hào)地震，上為EW，下為為NS）Fig.3 The counts amplitude spectrum

圖4 位移振幅譜（左為表1中2號(hào)地震，右為5號(hào)地震，上為EW，下為為NS）Fig.4 The displacement amplitude spectrum

我們首先選取每一個(gè)地震的最近臺(tái)站波形資料，即宜春臺(tái) （20個(gè)）和豐城臺(tái) （3個(gè)），它們的震中距大多數(shù)小于50 km。對(duì)波形數(shù)據(jù)據(jù)進(jìn)行去傾斜及零線校正后，采用5階buttonworth濾波器濾波，然后選取EW和NS向的S波窗的2N個(gè)數(shù)據(jù) （截止于目測(cè)位置），如圖2所示。兩旁各加5%漢寧窗后，再進(jìn)行快速傅里葉變換，得到頻率域的counts振幅譜Av（2πf），如圖3所示。將counts振幅譜扣除儀器響應(yīng)后恢復(fù)為位移振幅譜 （將counts振幅譜 Av（2πf） 除以儀器位移頻率響應(yīng)函數(shù) Gv（2πf）·2πfi， 即轉(zhuǎn)換為位移譜 Ad（2πf）） 如圖 4、 5所示。然后，進(jìn)行沿傳播路徑的幾何衰減補(bǔ)償及其在傳播介質(zhì)中引起的非彈性衰減校正補(bǔ)償，最后采用遺傳算法按1.5節(jié)所述對(duì)位移譜進(jìn)行搜索，得到該地震S波EW和NS向的低頻譜值及拐角頻率，并取其平均值。

圖5 歸一到1km處的位移振幅譜（左為表1中2號(hào)地震，右為5號(hào)地震，上為EW，下為為NS，紅線為遺傳算法擬合的理論震源譜）Fig.5 The displacement amplitude spectrum normalized to 1km distance from hypocenter

3 結(jié)果及討論

選取贛中西的23個(gè)ML＞2.0地震進(jìn)行計(jì)算得到：絕大多數(shù)地震震源譜高頻衰減常數(shù)取值3比較合適，即本區(qū)地震理論震源譜符合3次方衰減模型。采用這一模型，對(duì)本區(qū)23個(gè)地震震源譜進(jìn)行恢復(fù)計(jì)算，得到其拐角頻率和低頻譜值 （見表1）。從表中，不難看出本區(qū)地震 （震級(jí)ML在2.0～3.2間）除了序號(hào)5地震的拐角頻率接近6 Hz外，其余均小于3.51 Hz，明顯低于有關(guān)專家對(duì)天然地震研究得到的拐角頻率。對(duì)康英等[11]計(jì)算的廣東地區(qū)72個(gè)ML＞2.0的地震震源譜參數(shù)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其絕大多數(shù)ML3.0的拐角頻率大于5 Hz,大多數(shù)ML2.0～2.9地震的拐角頻率在10 Hz左右；統(tǒng)計(jì)王衛(wèi)東等[12]在 《陜西省關(guān)中及鄰區(qū)地震的震源參數(shù)研究》中計(jì)算列出的36個(gè)ML＞1.0地震的拐角頻率，同樣絕大多數(shù)拐角頻率大于4.5 Hz。

表1 本區(qū)23個(gè)地震參數(shù)及震源譜參數(shù)Table 1 Parameters of 23 earthquakes in research area and their source spectral parameters

筆者用同樣的方法，計(jì)算了江西尋烏縣2008以來的ML大于1.8的全部14個(gè)地震，這14個(gè)地震中大多數(shù)地震適宜3次方高頻衰減趨勢(shì)模型，少數(shù)適宜2次方高頻衰減趨勢(shì)模型。尋烏境內(nèi)地震的拐角頻率基本上大于4 Hz，明顯高于贛中西地區(qū)地震的拐角頻率。

有關(guān)研究表明，震源譜的高頻衰減常數(shù)對(duì)于較大的地震接近于2，對(duì)于小地震接近于3，而對(duì)于 “大”、 “小”之間的地震則通常不是一個(gè)整數(shù)，并且隨地震尺度而變化。本文兩個(gè)地區(qū)高頻衰減常數(shù)均適宜3次方高頻衰減模型，與這一結(jié)論是相符合的。另外，震源譜高頻衰減趨勢(shì)，它反映了斷層面總體上的幾何形態(tài)和地震傳播過程[10]。我們認(rèn)為，贛中西地區(qū)地震震源譜3次方高頻衰減趨勢(shì)可能與這些地震震源淺 （判斷震源淺的依據(jù)：本區(qū)地震震級(jí)小烈度強(qiáng)）有關(guān)，因?yàn)榈卣鸩ㄔ诘乇頊\源疏松的地層中傳播,其高頻成分易被充分吸收。

表2 表1尋烏14個(gè)地震參數(shù)及震源譜參數(shù)Table 2 Parameters of 14 earthquakes in Xunwu and their source spectral parameters

我們知道震源譜的拐角頻率fc反映了震源尺度的大小，地震越大，fc越小，震源譜中包含的低頻成分就越多。顯然，與本區(qū)地震震級(jí)小拐角頻率卻偏大是矛盾的。觀察這23個(gè)地震波形僅有序號(hào)5地震沒有出現(xiàn)短周期面波，而其拐角頻率接近6 Hz，與其它地區(qū)天然地震較接近。因此，我們認(rèn)為這些地震波形中較發(fā)育的短周期面波是造成它們的拐角頻率偏低的原因。而這些地震震源淺造成P、S波相干形成了較發(fā)育的瑞利型短周期面波。

［1］劉細(xì)元，馬振興，楊永革，等.宜春-新余一帶巖溶基本特征及發(fā)育規(guī)律分析 ［J］.東華理工學(xué)院學(xué)報(bào),2006,29(2):127-132.

［2］Atkinson G M,Mereu R F.The shape of ground motion attenuation curves in southeastern Canada ［J］.Bull Seism Soc Amer,1992,82:2014-2031.

［3］黃玉龍,鄭斯華,劉杰,等.廣東地區(qū)地震波衰減和場(chǎng)地響應(yīng)的研究 ［J］.地球物理學(xué)報(bào),2003,46(1):54-61.

［4］劉杰,鄭斯華,黃玉龍.利用遺傳算法反演非彈性衰減系數(shù)、震源參數(shù)和場(chǎng)地響應(yīng) ［J］.地震學(xué)報(bào),2003,25(2):211-218.

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［6］孫勇,鄭斯華.利用數(shù)字化地震記錄進(jìn)行震源參數(shù)和介質(zhì)衰減系數(shù)的聯(lián)合反演 ［J］.東北地震研究,1995,11(2):1-13.

［7］Brune J.N..Tectonic stress and the spectrum of seismic shear waves from earthquakes ［J］.J.G.R.,1970,75(26):4997-5009.

［8］Brune J.N..Correction ［J］.J.G.R.,1971,76(20):5002.

［9］Savage J.C..Relation of corner frequeney to fault dimensions ［J］.J.G.R.,1972,77(20):3788-3795.

［10］陳運(yùn)泰,吳忠良,王培德,等.數(shù)字地震學(xué) ［M］.北京:地震出版社,2000.

［11］康英,鄭斯華,劉杰,等.中小地震震源參數(shù)的求解及其相似關(guān)系 ［J］.華南地震,2004,24(2):11-21

［12］王衛(wèi)東,張永志,狄秀玲,等.陜西省關(guān)中及鄰區(qū)地震的震源參數(shù)研究 ［J］.地震研究,2004,27(4):330-333.

Spectral Analysis of Earthquakes in the Central and Western Jiangxi

ZENG Wenjing,LUO li,XIANG Yuewen,XIAO Jian,ZHAO Aiping,XIE Caimei,LI Chuanjiang

(Earthquake Administration of Jiangxi Province,Nanchang 330039,China)

Based on the digital data of 23 earthquakes with ML≥2.0 in the central and western Jiangxi,we obtained 23 pairs of lower frequency level limit(Ω0)and corner frequencies(fc)by source spectrum models of ω-3and ω-2,and the genetic algorithm.Comparing with the two source spectra of ω-3and ω-2for every earthquake， we find that most of these source spectra are consistantwiththeω-3attenuationmodel.Theirvaluesof fcarelessthan 3.51Hz.Correspondingly with obvious short-period surface wave.Only one earthquake shows no shortperiod surface wave with the value of fcof which is about 6 Hz.We believe that the lower corner frequencies are probably resulted from interferences of P wave and S wave radiated from shallow sources.

The central and western of Jiangxi;Earthquake;Source spectrum

P315.31

A

1001-8662（2011）02-0086-08

2010-11-15

曾文敬，男，1978年生，工程師.主要從事地震監(jiān)測(cè)工作.E-mail:footballandsun@sina.com.