大慶林甸縣M5.1地震序列尾波Qc值特征研究

劉長(zhǎng)生魏曉紅

1）中國(guó)合肥 230026 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

2）中國(guó)哈爾濱 150090 黑龍江省地震局

3）中國(guó)黑龍江 163414 大慶市地震臺(tái)

大慶林甸縣M5.1地震序列尾波Qc值特征研究

劉長(zhǎng)生1），2）魏曉紅3）

1）中國(guó)合肥 230026 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)

2）中國(guó)哈爾濱 150090 黑龍江省地震局

3）中國(guó)黑龍江 163414 大慶市地震臺(tái)

基于Sato 單次散射模型，利用黑龍江省大慶數(shù)字化測(cè)震臺(tái)網(wǎng)近場(chǎng)數(shù)字地震波形記錄資料，分析計(jì)算2005年7月25日大慶林甸M5.1地震后地殼介質(zhì)的尾波Qc值變化，擬合Qc值與頻率之間的依賴(lài)關(guān)系，為Qc=36.58±8.67f（0.9787±0.0837）。對(duì)大慶地區(qū)2005年7月至2006年2月的余震序列尾波Qc值變化特征進(jìn)行分析，結(jié)果表明，主震后該序列尾波Qc值發(fā)生顯著變化。

Sato模型；尾波流逝時(shí)間；地震序列；尾波Qc值

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，是介質(zhì)不均勻性的直接證據(jù)之一。20世紀(jì)60—70年代，Aki（1969）發(fā)表了尾波散射理論，Aki和Chouet（1975）用簡(jiǎn)單的單次散射模型解釋了S波尾波的振幅衰減現(xiàn)象。尾波Qc值是描述尾波衰減的重要物理量，反映了震源和周?chē)橘|(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。多項(xiàng)研究結(jié)果（錢(qián)曉東等，2004；王勤彩等，2004；王偉君等，2004；李白基等，2000；李白基等，2004）顯示，地震活動(dòng)平靜的地區(qū)是Qc值高的地區(qū)，而地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)Qc值較低。

2005年7月25日在黑龍江省大慶市林甸縣發(fā)生 5.1級(jí)中強(qiáng)地震，隨后數(shù)天內(nèi)又發(fā)生了近百條余震。大慶地震臺(tái)網(wǎng)的10余個(gè)子臺(tái)記錄了大量數(shù)字資料 ，本文主要利用架設(shè)在距震中最近的慶新地震臺(tái)的數(shù)字記錄資料，研究單臺(tái)近場(chǎng)尾波 值得變化特征，探尋近場(chǎng)震源介質(zhì)衰減特征。

1 數(shù)據(jù)資料及分析方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

根據(jù)黑龍江省地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，大慶市林甸縣M 5.1地震的主震基本參數(shù)：發(fā)震時(shí)刻為北京時(shí)間2005年7月25日23時(shí)43分34秒，震中位置46°54′N(xiāo)，125°00′E，震源深度15 km，震級(jí)M 5.1，震中烈度Ⅵ度，Ⅵ度區(qū)等震線(xiàn)長(zhǎng)軸呈近南北向。7月25日23點(diǎn)57分發(fā)生M 3.5最大余震。截至2006年2月15日，共發(fā)生余震百余條，其中可定位的M ＞1.0地震31條，這在黑龍江省弱震區(qū)并不多見(jiàn)，表明大慶林甸地震具有顯著的主震—余震型序列特征。林甸M 5.1地震主震及余震主要沿大安—德都斷裂分布，主要震害分布范圍的長(zhǎng)軸方向?yàn)榻媳毕颍C合林甸M 5.1地震主震的震源機(jī)制解，確認(rèn)此次林甸縣M 5.1地震的發(fā)震斷層為大安—德都斷裂，輔助斷層為濱州斷層。

選取架設(shè)在距離主震震中最近慶新地震臺(tái)的數(shù)字化記錄資料。慶新臺(tái)為井下擺，臺(tái)基巖性為泥巖，儀器型號(hào)為JD-2型記錄儀，TDE-324CI型數(shù)據(jù)采集器。尾波分析采用波形清晰、尾波持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)且不飽和的數(shù)字地震資料。

1.2 尾波處理方法

目前在地震預(yù)測(cè)中，國(guó)內(nèi)外普遍使用單次散射模型來(lái)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)偏小，地震記錄長(zhǎng)度較短，適合采用Sato模型進(jìn)行尾波Qc值計(jì)算。

利用Sato模型求解地方震S波Qc值，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

式中，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（a）及Ac（t）分別由式（2）、式（3）給出，K（a）是依賴(lài)于時(shí)間的傳播因子。

AT為所取時(shí)間窗內(nèi)地震波平均振幅，An為P波到達(dá)前適當(dāng)時(shí)間段的地震波平均振幅，用以進(jìn)行地震波的噪聲校正。

a=tS，其中tS為S波到時(shí)，t為從地震發(fā)震時(shí)刻起計(jì)算的尾波流逝時(shí)間，C（f）是與頻率f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F（t）與（t - tS）的線(xiàn)性關(guān)系，得到斜率b，即可得到該頻率點(diǎn)的Qc，最后由各個(gè)頻率點(diǎn)的Qc值，擬合出Qc（f）=Q0fη。b與Q的關(guān)系由式（4）給出

對(duì)于不同的頻率，根據(jù)F（t）和（t-tS）的曲線(xiàn)求出斜率b，即可得到該頻率的Qc，擬合得出Qc=Q0×fη。

尾波Qc（f）值反映了以源—臺(tái)為焦點(diǎn)的半橢球體積內(nèi)的介質(zhì)平均狀態(tài)。為便于分析同一深度范圍內(nèi)介質(zhì)的變化情況，計(jì)算時(shí)對(duì)同一臺(tái)站記錄到的不同地震所取尾波流逝時(shí)間應(yīng)盡量一致，本研究尾波采樣的流逝時(shí)間為t=60 s，可以避免不同尾波流逝時(shí)間使采樣深度出現(xiàn)不同的情況。

2 尾波值特征分析

本研究采用朱新運(yùn)（2005）研制的基于Sato模型的近震S波尾波Q值求解及分析軟件，對(duì)慶新臺(tái)記錄的東西向波形進(jìn)行頻譜分析。尾波振幅從2倍的S波走時(shí)開(kāi)始采樣，尾波窗的截?cái)鄷r(shí)間，取信噪比為2作為截?cái)鄻?biāo)準(zhǔn)，對(duì)4 Hz到18 Hz之間的頻率段進(jìn)行分析處理，濾波器為6級(jí)巴特沃斯濾波器，對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)從S波到時(shí)開(kāi)始，取窗長(zhǎng)2 s、步長(zhǎng)0.5 s 滑動(dòng)，計(jì)算不同時(shí)間點(diǎn)的平均振幅。同時(shí)，為保持結(jié)果線(xiàn)性擬合的穩(wěn)定性，所截取的尾波窗長(zhǎng)不能太短，研究采用尾波起算時(shí)間起始于2倍S波走時(shí)，背景噪聲取P波初動(dòng)前2 s的平均信號(hào)，當(dāng)采樣信號(hào)的能量密度小于1.5倍的背景噪聲能量密度時(shí)終止采樣。干擾背景振幅以初始P波到達(dá)前的平靜背景為參考。

采用該方法計(jì)算，共挑選大慶林甸地震序列28次ML＞1.0余震，見(jiàn)表1和圖1。計(jì)算每一條記錄的Qc值，結(jié)果顯示值普遍偏低，最高值為63.1，最低值為25.7，均值為37.5。Qc值的變化基本不受震級(jí)大小影響，只受尾波流逝時(shí)間影響，而流逝時(shí)間的大小，反映了橢球區(qū)域的大小和深度（朱新運(yùn)等，2006）。對(duì)每條記錄的東西信道數(shù)據(jù)以4—18 Hz頻率點(diǎn)為中心頻率點(diǎn)，計(jì)算15個(gè)頻率點(diǎn)數(shù)據(jù)，擬合平均Qc與對(duì)應(yīng)頻率之間的關(guān)系，其擬合的平均結(jié)果為Qc=36.58±8.67f（0.9787±0.0837）。當(dāng)頻率為1時(shí)，Q0為36.58±8.67，為低Qc值，地下介質(zhì)均勻程度低，地震波經(jīng)過(guò)時(shí)能量損耗大、衰減快，本地區(qū)為活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)。

表1 林甸地震事件及尾波Qc值Table 1 The seismic events and their Qcvalues of coda wave

3 區(qū)域地震構(gòu)造分析

大慶市林甸縣M 5.1地震位于松遼盆地北端。松遼盆地是由東部的依舒斷裂和西部的嫩江斷裂共同控制而形成的中生代斷線(xiàn)盆地。歷史資料記載，松遼盆地地震構(gòu)造區(qū)是東北地震區(qū)中強(qiáng)地震多發(fā)區(qū)，沿北西向的第二松花江斷裂兩側(cè)曾經(jīng)發(fā)生1119年吉林前郭縣6?級(jí)地震、2006年乾安M 5.0地震和2013年吉林松原的5個(gè)震級(jí)M ＞5.0地震震群。

已有研究（王健，2009）表明：①震區(qū)通常為斷裂交匯區(qū)，并且交匯的斷裂帶大部分在晚更新世或中更新世發(fā)生過(guò)構(gòu)造活動(dòng)。某些特殊構(gòu)造的特殊部位（如交匯點(diǎn)、斷裂點(diǎn)、拐點(diǎn)等），地震活動(dòng)性較強(qiáng)，易發(fā)生地震；②震區(qū)多發(fā)生在不均衡構(gòu)造活動(dòng)下的地層抬升或下降不統(tǒng)一的第四紀(jì)斷陷盆地；③大型或次級(jí)地震網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)是地震位置高發(fā)位置，發(fā)生地震的頻度和級(jí)別均較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，6.0級(jí)左右地震的震中位置多位于地震網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，且具有2組大規(guī)模斷裂相交于區(qū)內(nèi)（大安—德都斷裂和濱州斷裂），林甸M 5.1地震發(fā)生在這兩個(gè)斷裂交匯部位。南部第二松花江斷裂帶為大規(guī)模構(gòu)造活動(dòng)的地震帶，自西向東先后與嫩江斷裂、大安—德都及扶余—肇東斷裂交匯，而交匯部位往往是地震活動(dòng)頻繁區(qū)域。

4 Qc值的時(shí)間分布

林甸縣地處大慶地區(qū)北部，構(gòu)造較為復(fù)雜。主震東側(cè)為近南北走向的大安—德都斷裂，距離主震2 km，余震分布在該斷裂東西兩側(cè)，林甸地震主震破裂方向?yàn)楸北睎|走向，主震兩側(cè)是能量釋放區(qū)。林甸地震發(fā)生之前，近源區(qū)的地震活動(dòng)較為平靜。從圖3可以看出，從2005年 7月25日主震發(fā)生后，Qc值明顯升高，至7月26日M2.5地震發(fā)生，Qc值變化才開(kāi)始變得較為穩(wěn)定，之后恢復(fù)，處在均值上下±1.5倍方差線(xiàn)之間波動(dòng)。結(jié)果說(shuō)明，與地殼應(yīng)力背景和介質(zhì)狀況相關(guān)的Qc值，在日常地震預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)中，將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

圖3 2005年林甸地震余震序列尾波Qc值隨時(shí)間的變化（1.5倍方差）Fig.3 Coda Qcvalue curves after Lindian aftershock earthquake sequences of 2005（1.5 times of variance）

5 結(jié)論

（1）利用Sato單次散射模型和慶新臺(tái)近場(chǎng)數(shù)字地震記錄，研究大慶林甸地震序列尾波Q值的變化特征，得到Q值隨頻率的變化關(guān)系為Qc=36.58±8.67f（0.9787±0.0837）。從Qc值演變過(guò)程看，以2005年7月26日2.5級(jí)地震為分隔點(diǎn)，序列早期時(shí)段地震的 Qc值隨時(shí)間的變化起伏較大，而序列后期變化相對(duì)穩(wěn)定，平均值相對(duì)較低，余震活動(dòng)水平也較低，與張北、岫巖（王勤彩等，2004；王偉君等，2004）兩次地震序列后期相對(duì)平靜時(shí)段的特征相似，意味著林甸地震序列在主震后逐漸轉(zhuǎn)入平靜時(shí)段。這表明，主震發(fā)生時(shí)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。

（2）從大慶地震臺(tái)網(wǎng)的記錄看，林甸地震序列的明顯特征是衰減速度較快。慶新臺(tái)距離震中僅20 km左右的位置，而臺(tái)網(wǎng)常規(guī)平均震中距為40 km，近距離監(jiān)測(cè)保證了林甸地震監(jiān)測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)豐富，被檢測(cè)到的余震級(jí)別、頻次及數(shù)量準(zhǔn)確完善。地震序列表現(xiàn)為突發(fā)性強(qiáng)，無(wú)前震活動(dòng)。

（3）通過(guò)對(duì)大慶地區(qū)尾波Qc值的分析說(shuō)明，震源區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)在強(qiáng)震后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，地震活動(dòng)性減弱。由分析結(jié)果可知，對(duì)尾波Qc值變化分析可作為地震趨勢(shì)研究的依據(jù)。

本文結(jié)果采用浙江省地震局朱新運(yùn)、中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心劉杰研制的尾波分析軟件進(jìn)行計(jì)算，在此表示感謝。

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Reserch of Qcvalue of codawaves characteristics about M5.1 earthquake sequences of Daqing Lindian

Liu Changsheng1），2）and Wei Xiaohong3）
1） University of Science & Technology of China，Hefei 230026，China
2） Earthquake Administration of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China
3） Daqing Seismic Station，Heilongjiang Province 163414，China

Based on Sato single scattering model ，using of near field digital seismic waveform data recorded by Daqing on July 25，2005，we calculated and got the result of the variation of crustal medium coda value after Lindian M5.1 level，fi tting the dependency relationship between Daqing Lindian earthquake sequence of coda wave value and frequency for Qc= 36.58±8.67 f（0.9787±0.0837）.We analyzed the variation characteristics of the earthquake aftershock sequence coda value of Daqing area in 2005 July to 2006 february months.The results show that，after the main shock，the sequence of coda wave Qcvalue changed signifi cantly.

Sato model，coda elapsed time，seismic sequence Qcvalue of coda

10.3969/j.issn.1003-3246.2015.01.003

劉長(zhǎng)生（1981—），男，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在職研究生，工程師，主要從事地震預(yù)報(bào)工作

黑龍江省地震局一般性課題（201402）

本文收到日期：2014-09-18