2014年于田M S 7.3地震序列的頻譜特征分析及其前震識別

鄭建常 王鵬 許崇濤 徐芳芳

1)山東省地震局，濟(jì)南市歷城區(qū)港西路2066號 250102

2)山東省五蓮地震臺，山東五蓮 262300

3)山東省榮成地震臺，山東榮成 264300

0 引言

有關(guān)前震活動特征及其判別的研究，多年來一直是國內(nèi)外地震學(xué)者關(guān)注的熱點，同時也是科學(xué)難點之一。有關(guān)前震的歷史震例在文獻(xiàn)中早有記載，但直到今天，我們對前震發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識仍不清楚，甚至對于前震從物理意義上仍然沒有確定的、得到普遍認(rèn)可的定義(林邦慧等，1994)。因此，有效地識別前震，無疑是極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題。深入研究前震與一般地震事件的震源機(jī)制和發(fā)生機(jī)理的差異，將極大推動地震預(yù)測的實用化進(jìn)程，同時在加深對于大地震發(fā)生物理過程規(guī)律性的認(rèn)識方面有著重要意義。

前震或前震序列的發(fā)生機(jī)理與普通震群存在差異，因此有可能通過對地震波形的分析識別發(fā)現(xiàn)二者的不同特征。蔡靜觀等(1994)研究發(fā)現(xiàn)，前震序列地震波的振幅比相對穩(wěn)定;馮德益等(1994)研究認(rèn)為，前震S波頻譜的峰值頻率fM及拐角頻率fc都明顯偏小，可以作為識別前震的指標(biāo);Cheng等(2003)通過對2001年四川雅江6.0級地震及其5.0級前震的研究認(rèn)為，主震前的前震序列的應(yīng)力降升高;倪四道等(2010)對2010年MS7.1玉樹地震的前震分析表明，幾次前震活動的波形相似程度非常高。

對于前震的波形或頻譜特征，自開展數(shù)字地震學(xué)研究以來已經(jīng)積累了大量的認(rèn)識。Ishida等(1980)發(fā)現(xiàn)前震的峰值頻率要大于普通地震;Zuniga等(1987)研究表明，前震的視應(yīng)力、應(yīng)力降以及振幅比等都與余震活動存在差異;Pechmann等(1990)通過波形互相關(guān)發(fā)現(xiàn)，前震存在密集叢集;Webb(1994)同樣通過波形互相關(guān)和格林函數(shù)反褶積發(fā)現(xiàn)，前震具有空間叢集、高應(yīng)力降以及單側(cè)破裂等現(xiàn)象。Chepkunas等(2001)研究發(fā)現(xiàn)，前震的振幅譜中存在異常的高頻成份;Umino等(2002)使用交叉譜分析發(fā)現(xiàn)，前震序列存在由深到淺的破裂過程，并認(rèn)為這與主震的成核過程有關(guān);Mori(1996)、Reymond等(2003)研究發(fā)現(xiàn)，主震破裂起始點位于前震破裂區(qū)的邊緣;Hahm等(2009)對比了韓國3次地震的前震、余震的不同特征。

2014年2月12日17時19分新疆于田發(fā)生MS7.3地震，震前約31h，震中曾發(fā)生MS5.4前震，形成了完整的前震-主震-余震序列活動。這次地震序列為我們研究前震活動的物理性質(zhì)和特征提供了很好的條件。本研究利用新疆區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的于田地震前震和余震序列的波形資料，基于Brune圓盤破裂模型，利用遺傳算法反演了于田地震序列的震源譜，對該序列進(jìn)行頻譜特征分析，并對比了前震和余震序列觀測譜與震源譜之間的差異。

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究選取新疆區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)2014年2月11～17日記錄到的279次地震的波形資料，為保證觀測資料的可靠性和一定的信噪比水平，選擇了其中的103次ML≥3.0地震進(jìn)行分析，對其中大多數(shù)事件選用了距震中最近的3個臺站(YUT、YJB、MIF)的資料。圖1(a)給出了本研究中的臺站及于田地震序列的震中分布;圖1(b)給出了于田地震序列中用于本文計算的103次事件(含主震)的M-t圖。

2 理論與方法

臺站記錄的地震譜Sob(f)可以表示為

式中，Oob(f)為地震震源觀測譜;P(f)為路徑效應(yīng);G(f)表示場地響應(yīng);I(f)為儀器響應(yīng);f為頻率。

在近震源條件下，當(dāng)觀測臺站的震中距較小時，可忽略非彈性衰減的影響，通過儀器響應(yīng)和幾何擴(kuò)散校正后即可得到震源譜。本文選用的3個臺(YUT、YJB、MIF)的震中距最大不超過120km，因此采用該方法是合適的。

本研究中，幾何衰減采用單段衰減模型，衰減系數(shù)取為1;非彈性衰減Q值采用徐彥等(2005)的研究結(jié)果，選擇S波段時使用了到時關(guān)系法，手動讀取Pg、Sg到時，根據(jù)到時關(guān)系截取S波窗，求取傅里葉譜。圖2給出了3個臺站的2014年2月12日18時04分ML3.7余震的觀測震源譜以及擬合的理論譜。

圖2 2014年2月12日18時04分M L 3.7余震觀測譜及理論譜

根據(jù)中小地震的Brune圓盤模型，理論震源譜可以表示為

式中，Ω0為震源譜零頻極限;fc為拐角頻率。將Ω0、fc作為獨立變量，根據(jù)式(2)利用遺傳算法使觀測譜和理論譜具有最小殘差，可以確定震源譜參數(shù)Ω0和fc，并由下式計算地震矩

式中，Rθφ為輻射花樣系數(shù);ρ表示地殼介質(zhì)密度;vS為S波速度。

3 結(jié)果與分析

已有的研究大多顯示，震源參數(shù)如地震矩、拐角頻率、破裂半徑等存在明顯相關(guān)性。根據(jù)自相似的原理，地震發(fā)生過程中在拐角周期上輻射的能量最大，拐角頻率與成比例關(guān)系(Lyskova，1998)。張?zhí)熘械?2000)研究認(rèn)為，在一定的震級范圍內(nèi)，地震矩M0、拐角頻率fc和震級ML之間存在半對數(shù)線性關(guān)系;Drouet等(2005)利用線性回歸給出了拐角頻率對數(shù)lgfc與震級ML之間的關(guān)系式;Izutani(2008)研究認(rèn)為地震矩與拐角頻率存在如下關(guān)系

本文計算得到了于田地震序列的103次ML≥3級地震的震源參數(shù)。結(jié)果顯示，地震矩、拐角頻率和震級之間有很好的相關(guān)關(guān)系(圖3)(王鵬等，2015)，經(jīng)過線性擬合，得到

圖3 震源參數(shù)之間線性擬合

3.1 拐角頻率

利用于田地震序列的拐角頻率值，分析了主震前后其變化特征，結(jié)果見圖4。從圖4可見，主震之前的前震序列的拐角頻率值明顯偏小;而余震序列的拐角頻率值較大，明顯大于前震序列(圖4(a))。由于拐角頻率fc和地震矩M0有很好的相關(guān)性(圖3)，因此根據(jù)擬合得到的式(5)扣除地震矩對拐角頻率的影響，定義為由觀測譜擬合得到的拐角頻率為按照式(5)由地震矩M0計算得到經(jīng)驗拐角頻率。結(jié)果見圖4(b)，同樣可以看出余震序列的拐角頻率升高的趨勢。前震序列中有3次事件的f'c值較高，或許從這一角度可以認(rèn)為這3次事件是2月12日17時24分MS5.4前震的余震。

3.2 臺站觀測譜

YUT(于田)臺是距離于田7.3級地震序列最近的臺站，該臺除了個別事件記錄中斷外，對序列中絕大部分事件都有很好記錄。由于于田地震序列的余震分布相對較為集中(圖1、6)，相對YUT臺的方位角變化不大，故一定程度上可以忽略震源的方向性效應(yīng);因此，可以對計算得到的YUT臺觀測譜進(jìn)行交叉互相關(guān)分析，結(jié)果見圖5。圖5中縱、橫坐標(biāo)均為102次前震、余震事件的序號，其中第22～25、33、61、97號事件無數(shù)據(jù)。

圖4 2014年2月11～17日于田地震序列(去除主震)的拐角頻率隨時間的變化

由圖5可以看出，于田地震序列的觀測譜整體相關(guān)系數(shù)較高，尤其是MS7.3主震后較短時間內(nèi)發(fā)生的幾次余震，其振幅譜相關(guān)系數(shù)均大于0.9;但前震序列的振幅譜相關(guān)系數(shù)變化差異較大，除2014年2月11日MS5.4前震及隨后的2次小震的相關(guān)系數(shù)較高外，其余3次前震活動的觀測譜均顯得較為獨立，不論與其他事件還是彼此之間的相關(guān)系數(shù)都不高(小于0.7)，與前面計算的值較高相一致。

圖5 YUT臺記錄于田地震序列觀測譜的互相關(guān)分析

將于田地震序列觀測譜與MS7.3主震的相關(guān)性表示到震中分布圖上，得到圖6，由圖6可以看出，相關(guān)性不高的小震發(fā)生在與主震不同的斷裂上，并且序列發(fā)展后期余震震中主要向SW方向擴(kuò)展，這一時期的相關(guān)系數(shù)也相對偏低;同時還可以發(fā)現(xiàn)前震序列中3次相關(guān)系數(shù)偏低的小震均分布在主干斷層的東側(cè)，由于受實際觀測資料的限制，無法求解這些小震的震源機(jī)制，但推測其震源機(jī)制和斷層破裂性質(zhì)可能與MS5.4前震及MS7.3主震都有較大的不同。

圖6 于田地震序列事件與主震譜相關(guān)系數(shù)的空間分布

3.3 震源譜

由式(2)、(3)，震源譜可以寫為

式中，b為涉及到地殼介質(zhì)密度、S波速度及輻射花樣的系數(shù)。因此，對計算得到的震源譜可以除以地震矩M0，將其定義為歸一化震源譜|Onm(f)|。

對計算得到的102次前震、余震的震源譜除以事件的地震矩，扣除事件大小的影響，得到歸一化的震源譜，結(jié)果見圖7。對比可見，在10Hz以下的低頻部分，3次事件的歸一化振幅相差不大;在超過10Hz的高頻部分，ML5.0余震的譜振幅(藍(lán)色)大于MS5.7余震的(綠色)振幅，符合小地震明顯高頻衰減較慢的規(guī)律;而MS5.4前震的振幅明顯大于2次余震事件(雖然MS5.4前震震級大于ML5.0余震)，這一現(xiàn)象與Chepkunas等(2001)得到的前震振幅譜中存在異常的高頻成份的認(rèn)識相一致。

圖7 于田地震序列歸一化震源譜

4 結(jié)論與討論

利用新疆區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的波形資料，對2014年2月12日于田MS7.3地震前震和余震序列的頻譜特征進(jìn)行了分析。基于Brune模型，對S波記錄譜進(jìn)行儀器響應(yīng)、傳播路徑和場地響應(yīng)的校正后，使用遺傳算法對于田地震序列103次ML≥3.0地震的理論震源譜進(jìn)行了反演，得到了以下結(jié)論:

(1)前震序列的拐角頻率相對偏低，扣除地震矩影響后余震的拐角頻率有明顯增高趨勢;前震序列中有3次事件拐角頻率較高且與其他事件的相關(guān)系數(shù)偏低。

(2)距離震中最近的YUT臺資料分析顯示，于田地震6次ML≥3.0前震中，MS5.4前震與主震的觀測譜較為一致;而前震序列中后面3次事件則相對較為獨立，與主震以及彼此之間的相關(guān)系數(shù)不高，且震中位置偏離余震集中區(qū)，可能表明了前震發(fā)生后主震破裂孕育過程中在外圍發(fā)生的小的破裂。

(3)序列事件和主震的臺站觀測譜相關(guān)系數(shù)的變化反映了序列發(fā)展的動態(tài)破裂過程，相關(guān)系數(shù)較低的事件基本上偏離了主震破裂區(qū)，發(fā)生在分支斷裂上。

(4)與震級大小基本相同的余震事件相比，MS5.4前震的震源譜中存在異常的高頻成份。由于前震是震源區(qū)存在障礙體未能完全破裂所致，因此這一顯著高頻現(xiàn)象的成因可能與震源區(qū)介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。

這些特征或許在一定程度上可以用于前震的識別，但由于受臺站布局、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素的影響，拐角頻率及其他震源參數(shù)測定的準(zhǔn)確性相對不高，因此本文得到的上述認(rèn)識仍需要有更多的震例進(jìn)行檢驗和確認(rèn)。

致謝:感謝兩位匿名審稿專家的意見和建議。本項工作得到中國地震臺網(wǎng)中心周龍泉研究員和薛艷副研究員的大力幫助，也得益于測震分析預(yù)報技術(shù)管理組和中國科學(xué)院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學(xué)國家重點實驗室各位專家的討論，在此一并表示感謝!