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      浙江珊溪水庫庫區(qū)地震波衰減特征研究

      2013-12-14 06:13:06朱新運(yùn)于俊誼
      地震學(xué)報(bào) 2013年2期
      關(guān)鍵詞:衰減系數(shù)庫區(qū)臺(tái)站

      朱新運(yùn) 于俊誼 張 帆

      (中國杭州310013浙江省地震局)

      引言

      尾波理論是地震波衰減研究的基本理論,Aki(1969)及Herraiz和Espinosa(1987)將地震圖中所有直達(dá)波之后的部分稱作尾波.研究表明,不論地震震級(jí)大小,在基本相同的區(qū)域或路徑,地震波尾波振幅隨流逝時(shí)間的衰減基本相當(dāng).Aki(1969)認(rèn)為,尾波是隨機(jī)分布于一個(gè)橢球內(nèi)的地殼和上地幔的無數(shù)間斷面對(duì)地震波的散射波,震中和臺(tái)站位于橢球體與地面垂直面相交橢圓的兩個(gè)焦點(diǎn)上.地震波的散射包括弱散射(或單次散射)(Aki,Chouet,1975;Sato,1977)、多重散射(Gao et al,1983a,b)及強(qiáng)散射(或漫射)(Aki,1969)等.其中,單次散射模型(Pulli,1984)假定散射場(chǎng)弱,無二次散射.Aki(1969)及Aki和Chouet(1975)在單次散射模型基礎(chǔ)上提出了臺(tái)、源重合情況下的尾波衰減系數(shù)計(jì)算方法.考慮到臺(tái)、源分離情況下震源至接收點(diǎn)距離的影響,Sato(1977)和Pulli(1984)對(duì)Aki和Chouet(1975)的尾波計(jì)算方法進(jìn)行了必要的修正(Sato模型).由于單次散射模型的計(jì)算方法簡單而得到了廣泛應(yīng)用 (Liu et al,1994;Nava et al,1999;Castro et al,2003;Horasan,Guney,2004).

      浙江珊溪水庫區(qū)域?qū)儆谡銝|南褶皺帶,走向北東的泰順—溫州斷裂和走向北西的景寧—蒼南斷裂交叉穿過庫區(qū),構(gòu)造復(fù)雜,但地震活動(dòng)性很弱,歷史上庫區(qū)70km范圍內(nèi)沒有顯著地震事件記錄.珊溪水庫蓄水2.5年之后,該庫區(qū)發(fā)生了顯著的、間隙性的地震活動(dòng).雖然地震強(qiáng)度低,最大震級(jí)僅有ML4.6,但由于農(nóng)村民居結(jié)構(gòu)簡單,抗震能力弱,因而水庫地震在當(dāng)?shù)匾苍斐闪撕艽蟮慕?jīng)濟(jì)損失①浙江省地震局.2006.珊溪水庫活斷層調(diào)查報(bào)告..

      本研究搜集近場(chǎng)記錄的信噪比較高的數(shù)字地震波資料,采用單次散射的Sato計(jì)算模型,計(jì)算地震波衰減參數(shù),以期對(duì)珊溪水庫區(qū)域地震波衰減特征有一定的認(rèn)識(shí).

      1 理論與方法

      根據(jù)Sato(1977)提出的尾波衰減系數(shù)計(jì)算方法,尾波振幅可以表達(dá)為

      式中,AS為S波最大振幅;Ac(f)為流逝時(shí)間t對(duì)應(yīng)的合成振幅,由式(3)和式(4)給出;K(a)為散射體附近的幾何擴(kuò)散因子,可表示為

      式中,a=t/tS,tS為S波的流逝時(shí)間,t為從震源開始至尾波截?cái)帱c(diǎn)的流逝時(shí)間AT為一個(gè)采樣周期T 的地震波均方根振幅(Drouet et al,2005),ST(NS)和ST(EW)分別為南北及東西分量.An為Pg波到達(dá)前適當(dāng)時(shí)間段(2s)噪聲均方根振幅,用以進(jìn)行地震波的噪聲校正(Pulli,1984).對(duì)同一地震的同一頻率,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)系由式(5)給出.

      衰減參數(shù)與頻率的關(guān)系表示為

      式中,Qc(f)為頻率f時(shí)的尾波衰減參數(shù),Q0為頻率f=1時(shí)的尾波衰減參數(shù),η代表尾波衰減參數(shù)Qc(f)對(duì)頻率f的依賴性指數(shù).

      2 資料及數(shù)據(jù)處理

      2.1 資料條件

      珊溪水庫位于浙江省南部溫州市飛云江干流上游河段,2001年底建成并開始蓄水.2002年7月28日庫區(qū)發(fā)生ML3.5地震,隨后不斷有小震發(fā)生.同年9月5日發(fā)生了ML3.9地震,之后ML2.0以上地震平靜了2年,ML3.0以上地震平靜了3.5年.到2006年2月4日地震強(qiáng)度及頻度突然升高,2006年2月9日發(fā)生的ML4.6地震為震群最大地震,至2008年7月25日庫區(qū)共記錄到ML>0地震達(dá)3 544次.其中ML3.0—3.9地震48次,ML4.0—4.9地震11次.根據(jù)朱新運(yùn)等(2010)的研究結(jié)果,震群地震的最大深度為9.5km,最淺1.7km,震源深度平均4.7km,震中呈北西向狹窄條帶分布.小震震源參數(shù)研究結(jié)果(于俊誼,朱新運(yùn),2008;朱新運(yùn)等,2010)表明,水庫地震震源參數(shù)未表現(xiàn)出有別于構(gòu)造地震的特征.

      2006年2月4日震區(qū)發(fā)生ML3.5地震后,浙江省地震局迅速在震源區(qū)布設(shè)了流動(dòng)臺(tái)站(朱新運(yùn)等,2010).盡管該序列地震震級(jí)不大,但近距離流動(dòng)臺(tái)仍然獲得了大量高信噪比數(shù)字地震波資料.同時(shí),WEZ和JIN兩個(gè)固定臺(tái)距震中區(qū)小于70km,也記錄了大量的數(shù)字地震波資料.除了部分極短時(shí)間間隔連發(fā)地震無法進(jìn)行尾波衰減參數(shù)計(jì)算之外,絕大部分資料可以獲得穩(wěn)定的尾波衰減參數(shù).本研究搜集了ML2.0以上近場(chǎng)記錄的波形資料,根據(jù)信噪比及計(jì)算要求,從中挑選出共182次地震在9個(gè)臺(tái)站的641條記錄,計(jì)算尾波衰減參數(shù).地震震中、臺(tái)站及射線分布見圖1.

      2.2 數(shù)據(jù)處理

      圖1 臺(tái)站、震中及射線分布圖(震中引自朱新運(yùn)等,2010)WEZ:溫州臺(tái);JIN:景寧臺(tái);HUT:黃塘臺(tái);YUH:云湖臺(tái);TSH:泰順臺(tái);BY:包洋臺(tái);XP:新浦臺(tái);SHX:珊溪臺(tái);LIY:聯(lián)云臺(tái)Fig.1 Seismic stations(triangles),epicenters(circles)and ray-paths(blue solid lines)

      通過原始記錄讀取Pg和Sg震相到時(shí).在Pg波到時(shí)前取2s為背景噪聲,使用均方根振幅比作為信噪比,其值大于2滿足尾波衰減參數(shù)進(jìn)一步計(jì)算的基本條件,截取可用尾波波形(朱新運(yùn)等,2005,2006).在滿足信噪比的情況下,將流逝時(shí)間固定為60s,在近場(chǎng)地9個(gè)臺(tái)站記錄的182次地震中,挑選出地震波記錄641條.對(duì)每條記錄,確定分析頻率段為4—18Hz,間隔1Hz,使用6階Butterworth帶通濾波器,對(duì)分析頻率f,以[2/3f,4/3f]帶寬濾波.尾波從S波震相到時(shí)之后5s開始起算,取采樣窗長2s,滑動(dòng)步長0.5s,根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的合成振幅,求解尾波Qc(f);根據(jù)式(6)擬合Qc(f)與f的關(guān)系,獲得Q0及η.計(jì)算過程見圖2.

      圖2 尾波衰減參數(shù)計(jì)算過程實(shí)例(a)使用波形原始記錄(僅繪EW向),tn表示滿足信噪比條件的尾波截?cái)帱c(diǎn),t1表示尾波計(jì)算實(shí)際使用的尾波截?cái)帱c(diǎn),t0 表示地震發(fā)震時(shí)刻(t1-t0=60s);(b)f=11(f±1/3f)數(shù)據(jù)濾波實(shí)例;(c)主頻率為f=11的數(shù)據(jù)擬合;(d)Qc(f)與頻率關(guān)系Fig.2 Examples of coda wave attenuation parameter calculation(a)E--W component velocity seismogram,tnrepresents cutoff point of coda waves satisfying signalto-noise ratio(SNR)condition,t1denotes cutoff point of coda waves used in the calculation,t0is the origin time(t1-t0=60s);(b)Filtered seismogram (f=11(f±1/3f));(c)Data fitting with f=11;(d)Relationship between Qc(f)and frequency

      3 數(shù)據(jù)結(jié)果

      3.1 按區(qū)域及臺(tái)站統(tǒng)計(jì)的衰減系數(shù)特征

      對(duì)全區(qū)域全部結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),地震波衰減參數(shù)可表示為式(7),數(shù)據(jù)分布見圖3.

      為進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,本研究按獲取記錄的臺(tái)站統(tǒng)計(jì)地震波衰減參數(shù)與頻率的關(guān)系,統(tǒng)計(jì)實(shí)例見圖4及式(8),各臺(tái)站統(tǒng)計(jì)的衰減參數(shù)見表1.

      由TSH臺(tái)單臺(tái)獲得的尾波衰減系數(shù)關(guān)系為

      表1 各臺(tái)站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 1 Statistical results of Qvalue from different stations

      根據(jù)表1的數(shù)據(jù)結(jié)果繪制各臺(tái)站平均衰減參數(shù)ˉQ0及其對(duì)應(yīng)殘差ΔQ0(圖5).從表1及圖5可以看出,距庫區(qū)較遠(yuǎn)的溫州(WEZ)、景寧(JIN)兩個(gè)臺(tái)站ˉQ0及ΔQ0較高,ˉQ0達(dá)到60以上且標(biāo)準(zhǔn)偏差高達(dá)37%,其余臺(tái)站獲得的ˉQ0為51左右且標(biāo)準(zhǔn)偏差在10%以下.震源區(qū)(庫區(qū))近距離觀測(cè)的尾波衰減參數(shù)非常一致.

      圖5 按臺(tái)站統(tǒng)計(jì)的ˉQ0及其殘差分布Fig.5 ˉQ0value and residuals based on statistics of different stations

      已有研究(Pulli,1984;Wong et al,2001)表明,在震源距及地震剪切波速度確定的情況下,流逝時(shí)間越長,采樣橢球體越大,采樣深度越深.而隨著深度增加應(yīng)力增大,介質(zhì)非均勻性降低(Jacobson et al,1984;Carpenter,Sanford,1985; 劉 希 強(qiáng) 等,2009),Qc(f)值隨尾波流逝時(shí)間增大而增大,介質(zhì)對(duì)地震波造成的衰減降低.但也有不同,如Petukhin等(2003)在研究Kinki區(qū)域地震波衰減時(shí),按地震深度把地震分為孕震層地震(0—20km)和非孕震層地震(20—70 km)來研究淺層及深層的地震波衰減.結(jié)果表明,淺層地震波衰減的ˉQ0高于深層.同樣現(xiàn)象也發(fā)生在接近莫霍面的部分熔融的地殼中(Pitt et al,2002).本研究中,在同一研究區(qū),剪切波速度基本一致,地震均為淺源地震(朱新運(yùn)等,2010),尾波流逝時(shí)間相同.相比之下,溫州(WEZ)和景寧(JIN)兩個(gè)臺(tái)站震中距大于庫區(qū)臺(tái)站,按尾波采樣公式(Pulli,1984),其尾波采樣深度小于庫區(qū)臺(tái)站尾波采樣深度,獲得的ˉQ0高于庫區(qū)臺(tái)站結(jié)果.說明該區(qū)域更深層采樣的尾波衰減系數(shù)低,因而區(qū)域存在深部高衰減層.

      3.2 與地震序列同步的衰減系數(shù)變化

      3.2.1 近距離記錄的衰減系數(shù)統(tǒng)計(jì)特征

      庫區(qū)近距離7個(gè)臺(tái)站獲得的ˉQ0基本相等且標(biāo)準(zhǔn)偏差較低.這7個(gè)臺(tái)站均為流動(dòng)臺(tái),除SHX和HUT臺(tái)外,其余臺(tái)站均為2006年2月4日之后的數(shù)天內(nèi)臨時(shí)架設(shè)的.臺(tái)站記錄的Sg波與Pg波走時(shí)差絕大部分在0—3s之間,即臺(tái)站震中距離大約在25km以內(nèi)(朱新運(yùn)等,2010).由于受資料限制,2006年2月4日之前地震時(shí)序與介質(zhì)衰減對(duì)應(yīng)關(guān)系無法分析.本研究按地震順序?qū)?個(gè)庫區(qū)臺(tái)站計(jì)算的尾波衰減系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),并繪制了2006年2月4日之后的地震ML-t圖(圖6c).

      從圖6c(ML-t圖)中可以看出,2006年2月4日至年底有兩個(gè)地震活動(dòng)的時(shí)間段.2006年2月初—7月底經(jīng)歷了從活躍到平靜的過程,活躍時(shí)段大體從2月初—5月初,歷時(shí)3個(gè)月,之后3個(gè)月對(duì)應(yīng)平靜時(shí)段,與地震活動(dòng)相對(duì)應(yīng).地震活躍時(shí)段ˉQ0發(fā)生較大幅度的跳躍,而ˉη出現(xiàn)由大到小的變化;之后的地震平靜時(shí)段,ˉQ0及ˉη變化不大或不明顯.之后在ML-t圖上出現(xiàn)第二組地震活動(dòng),其活躍時(shí)段在2006年8—9月份.在該組地震活動(dòng)發(fā)生之前,第一組地震平靜期結(jié)束時(shí)的最后3次地震出現(xiàn)了明顯的ˉQ0增大及ˉη減?。▓D6箭頭所指位置).第二組地震頻度與強(qiáng)度均小于第一組.在第二組地震發(fā)生過程中,ˉQ0仍然出現(xiàn)明顯跳躍,而ˉη變化不明顯.由此說明地震波衰減參數(shù)與地震序列存在相關(guān)性.

      3.2.2 TSH臺(tái)記錄的衰減系數(shù)特征

      流動(dòng)臺(tái)穩(wěn)定性較差,故障率較高,單臺(tái)對(duì)序列地震記錄的完整性較低.從表1可以看出,共9個(gè)臺(tái)站記錄的182次地震中,實(shí)際獲取的記錄僅為641條,臺(tái)均記錄只有71條.在9個(gè)臺(tái)站中,相比而言記錄最完整的是庫區(qū)TSH臺(tái),在182次地震中記錄到了135次.按地震順序繪制TSH臺(tái)單臺(tái)獲得的Q0及η圖(圖7),由圖7a可以看到,在地震序列發(fā)展過程中,尾波衰減系數(shù)Q0存在起伏變化,且前期起伏大,后期起伏小,但沒有趨勢(shì)性上升或下降,或趨勢(shì)性特征不明顯.而由圖7b所反映的η除了起伏變化外,整體上還表現(xiàn)出下降趨勢(shì).根據(jù)式(6)中Qc(f),Q0,η及f的關(guān)系,在Q0不變的情況下,η越小,在頻率高端的Qc(f)越低.說明隨著序列發(fā)展,高頻率波衰減系數(shù)降低,衰減增大.

      4 討論與結(jié)論

      本文搜集了使用同樣方法在國內(nèi)外其它區(qū)域獲得的尾波衰減參數(shù)(表2).魏紅梅等(2009)研究重慶榮昌區(qū)域尾波衰減參數(shù)時(shí)限定流逝時(shí)間為60s,其結(jié)果中ˉQ0為42.24.本研究獲得的ˉQ0明顯高于魏紅梅等(2009)的結(jié)果,而Qc(f)對(duì)頻率的依賴性指數(shù)η低于其研究結(jié)果.說明重慶榮昌區(qū)域地震活動(dòng)性高于浙江珊溪水庫庫區(qū),這與兩區(qū)域?qū)嶋H的地震活動(dòng)程度一致.與師海闊等(2011)計(jì)算的寧夏區(qū)域尾波衰減參數(shù)相比,本研究區(qū)結(jié)果ˉQ0略高于寧夏全區(qū)域或分區(qū)的尾波衰減ˉQ0,但師海闊等(2011)計(jì)算尾波衰減參數(shù)使用的流逝時(shí)間是80s,本研究使用的流逝時(shí)間是60s,兩者相差20s.一般情況下,流逝時(shí)間越長,反映的尾波采樣深度越深,ˉQ0越大.按數(shù)據(jù)推斷,以同樣60s的流逝時(shí)間計(jì)算,本研究區(qū)域尾波ˉQ0高于寧夏區(qū)域或分區(qū)的尾波衰減ˉQ0,而本研究區(qū)地震活動(dòng)水平低于寧夏區(qū)域地震活動(dòng)水平.表2中,劉芳等(2007)選取尾波流逝時(shí)間為70—80s(高于本研究),而其統(tǒng)計(jì)的ˉQ0也大于本文的ˉQ0,研究區(qū)域包括整個(gè)內(nèi)蒙古中西部地區(qū),數(shù)據(jù)結(jié)果難以比較;Amerbeh和Fairhead(1989)對(duì)喀麥隆火山區(qū)、Domínguez和Rebollar(1997)對(duì)巴哈北部地區(qū)的尾波衰減參數(shù)的研究沒有固定尾波流逝時(shí)間,其數(shù)據(jù)的隨機(jī)起伏非常大,無法加以比較;而Wong等(2001)在研究Tres Vírgenes火山區(qū)尾波衰減時(shí)雖然沒有固定流逝時(shí)間,但他限制了12s的尾波窗,在震源距變化不大的情況下,尾波窗相對(duì)長度與流逝時(shí)間是等比例的,本文結(jié)果與其結(jié)果基本相當(dāng).

      表2 國內(nèi)外不同區(qū)域尾波衰減參數(shù)比較Table 2 Comparison of coda attenuation parameters obtained at home and abroad

      地震活動(dòng)與地震波衰減是兩個(gè)互為相關(guān)的問題,一方面,地震波衰減系數(shù)反映區(qū)域介質(zhì)非均勻性程度,而介質(zhì)非均勻性正是地震活動(dòng)的條件;反過來,地震活動(dòng)會(huì)降低地震波傳播區(qū)域介質(zhì)均勻程度.地震平靜期在應(yīng)力作用下,震源區(qū)破裂介質(zhì)也可能愈合,使震源區(qū)介質(zhì)趨向均勻.本研究結(jié)果表明,地震對(duì)區(qū)域介質(zhì)衰減參數(shù)的影響與地震波頻率有關(guān).無論頻率高低,地震波衰減都是由介質(zhì)對(duì)地震波的吸收、散射及能量轉(zhuǎn)換引起的,而介質(zhì)對(duì)高、低頻率波的傳播機(jī)制則有區(qū)別.對(duì)于高頻率波,波長短,無法衍射,即使在地震發(fā)生后震源區(qū)介質(zhì)破碎的情況下,也難以達(dá)到衍射條件,能量的傳播主要通過反射進(jìn)行;而低頻率波波長長,在幾何非均勻性介質(zhì)中可以通過反射和衍射到達(dá)臺(tái)站.地震導(dǎo)致的震源區(qū)介質(zhì)彈性程度降低,而非彈性程度升高,以被吸收或能量轉(zhuǎn)化為主要特征的高頻率波衰減增大,衰減系數(shù)降低;對(duì)于低頻率波則存在吸收或能量轉(zhuǎn)化引起更大衰減及由于衍射而導(dǎo)致能量衰減程度減低這兩個(gè)相互消長的過程,地震序列使η趨勢(shì)性降低正好說明了這一點(diǎn).

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