贛南地區(qū)P波、S波隨頻率衰減關(guān)系研究*

湯蘭榮，董非非，曾新福，項月文

(江西省地震局，江西南昌330039)

0 引言

Q值是量度地球介質(zhì)對地震波衰減 (Q-1)的基本物理參數(shù)之一，是描述地殼介質(zhì)非均勻程度的確定性指標(biāo) (Roecker et al.，1982)，Q值的大小及其對頻率的依賴程度反映了介質(zhì)的非均勻性和非彈性特征，既包含介質(zhì)對地震波能量的吸收，也包含了對地震波的散射，因此，不同的構(gòu)造區(qū)有不同的衰減特性。由于品質(zhì)因子與區(qū)域構(gòu)造活動、地震活動密切相關(guān)，可以作為評價區(qū)域構(gòu)造活動的基本指標(biāo)，用以分析區(qū)域地震活動水平。

用于計算Q值的方法很多，目前國內(nèi)外利用天然地震的體波、尾波、Lg波開展地殼介質(zhì)品質(zhì)因子Q值研究應(yīng)用比較廣泛的方法主要有:多臺多震聯(lián)合反演方法計算 S波衰減 (Atkinson，Mereu，1992;Singh et al.，1999;黃玉龍等，2003)、疊加譜比 (Xie，Mitchell，1990)、單次散射模型的尾波Q值計算方法 (Aki，Chouet，1975;Sato，1977)和尾波歸一化方法 (Aki，1980;Sato，1980;Yoshimoto et al.，1993;Sharma et al.，2007;Lorenzo et al.，2013)等，李祖寧等(2012)利用Atkinson方法研究得出福建地區(qū)介質(zhì)平均Q值與f的關(guān)系式。本文采用尾波歸一化方法研究計算P波和S波的衰減，王勤彩等 (2005)首次利用此方法得到云南地區(qū)的P波、S波衰減規(guī)律，華衛(wèi)等 (2009)和董非非等 (2013)分別對龍灘水庫地區(qū)和贛西北地區(qū)P波、S波隨頻率的衰減關(guān)系進(jìn)行了研究。

1 方法原理

Aki(1980)首先考慮通過一個記錄中的S波譜振幅與尾波譜振幅之比，以消除震源和臺站場地項，用S波尾波歸一化方法得到日本關(guān)東地區(qū)與頻率有關(guān)的S波衰減;Yoshimoto等 (1993)在上述研究的基礎(chǔ)上，指出鑒于P波譜振幅與S波譜振幅成比例，假設(shè)在很小的震級范圍，很窄的頻帶內(nèi)，就可以把此方法擴(kuò)展到P波，得到能同時測定P波、S波衰減的體波歸一化方法。

對于地方震，在扣除了噪音、儀器響應(yīng)和臺站場地響應(yīng)后，S波譜振幅為

式中，S(f，θ)為包含了震源輻射圖像效應(yīng)的震源譜，R代表震源矩，β表示S波速度?？鄢胍簟x器響應(yīng)和臺站場地效應(yīng)后，對于地方震，尾波的振幅可用式 (2)表示 (Aki，Chouet，1975)，只是這時S(f)僅為震源譜。

式中，tC為尾波的走時，即從地震發(fā)震時間算起至尾波測量的時間，一般tC＞2R/β。

將式 (1)除以式 (2)，并取對數(shù)，整理后得

為了消除震源輻射圖像的影響，即消去上式右邊的第一項，對展布在R±ΔR范圍 (R不同，θ不同)的多個地震求平均，即對不同的R進(jìn)行回歸計算 (用＜ ＞表示)，即有

根據(jù)式 (3)，C(f，tC)僅是頻率和走時tC的函數(shù)，與震源和臺站的位置無關(guān)，故當(dāng)對所有地震都取同樣的走時tC時，則對某中心頻率fK，lnC(fK，tC)為常數(shù)，這里令

“說來話長，民國24二十四年，隨家父渡海來到廈門開辦診所，平常還從臺灣倒一些洋藥洋膏到大陸轉(zhuǎn)賣，生意到也紅火生意倒也紅火。

在對地震記錄濾波后，對各中心頻點(diǎn)fK在S波窗和尾波窗 (對于每次地震，tC相同，在tC前后取一定長度的尾波記錄)分別計算S波和尾波的均方根振幅，然后對式 (7)，以R為變量，用最小二乘法進(jìn)行回歸計算，得到斜率b，從而得到

由一系列的QS(fK)即得到QS(f)=Q0fη。由于P波的譜振幅AP(f)與S波譜振幅AS(f)成正比，故有AP(f)～AC(f)，于是用該方法也可求得P波的Q值QP(f)。

2 資料選取與處理

贛南“十五”數(shù)字地震臺網(wǎng)于2007年10月開始投入運(yùn)行，有數(shù)字地震臺站7個，運(yùn)行初期觀測波形數(shù)據(jù)不夠完整，2009年1月開始觀測資料較齊全，因此選用2009年1月～2013年2月贛南及鄰區(qū)ML≥1.0地震 (圖1)進(jìn)行研究。由于尾波歸一化方法對地震數(shù)量和地震相對臺站分布有一定要求，安遠(yuǎn) (ANY)、龍南 (LON)和尋烏(XUW)3個臺站周邊地區(qū)小震活動較活躍，斷裂構(gòu)造發(fā)育，在贛南地區(qū)具有代表性，因此選這三個臺站進(jìn)行QP和QS研究。尋烏和龍南臺地震計為KS-2000寬頻帶速度地震計 (平坦范圍120 s～50 Hz)，安遠(yuǎn)臺地震計為BBVS-60寬頻帶速度地震計 (平坦范圍60 s～40 Hz)，3個臺站數(shù)采型號均為EDAS-24IP，采樣率為100 sps。

對臺站和地震初步選定后，首先在5個不同頻帶范圍內(nèi)利用巴特沃斯帶通濾波器進(jìn)行濾波，在此基礎(chǔ)上，選取尾波信號大于2倍噪聲的地震計算每個臺站的尾波歸一化值，由于地震到各臺站的距離不相同，每個臺站選取的尾波結(jié)束的流逝時間也不一樣，3個臺站選用的流逝時間在21～40 s之間，求出每個臺站的QP、QS后，再計算擬合平均值。

3 計算結(jié)果與分析

表1、2給出了尋烏、安遠(yuǎn)和龍南臺各頻帶的P波、S波衰減值、所用地震數(shù)以及衰減與頻率關(guān)系的擬合結(jié)果。圖2以尋烏臺為例展示了各頻帶上經(jīng)尾波歸一化后S波振幅與震源距關(guān)系，圖3給出了該臺站得到的S波Q值擬合曲線，圖中顯示Q值隨頻率增大而增大，Q值與頻率呈現(xiàn)較強(qiáng)的依賴關(guān)系。

由于計算方法對地震相對臺站的分布和波形信噪比要求較高，挑選出來參與計算的地震波形數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于準(zhǔn)備的基礎(chǔ)波形資料。計算安遠(yuǎn)臺采用的流逝時間均為21 s，由于多數(shù)地震距離龍南臺更遠(yuǎn)，所以龍南臺QP和QS流逝時間值取值更大，均為40 s。為了保證擬合質(zhì)量，尋烏臺計算QP和QS選用的流逝時間不同，計算QP的流逝時間為35 s，和龍南臺相近，計算QS的流逝時間為21 s，和安遠(yuǎn)臺相同。

表1 3個臺站各頻帶的P波Q值結(jié)果 (M L≥1.0)Tab.1 Q value of P wave at different frequencies of three seismic satations(M L≥1.0)

表2 3個臺站各頻帶的S波Q值結(jié)果 (M L≥1.0)Tab.2 Q value of Swave at different frequencies of three seismic stations(M L≥1.0)

流逝時間的大小對于Q值有一定影響，選取尋烏臺QS計算結(jié)果為例，隨著流逝時間的增大，S波尾波歸一化Q0值有逐漸增大的趨勢 (表3)，6個流逝時間對應(yīng)的P波Q0中，有一個點(diǎn)偏離這種趨勢，去掉該點(diǎn)后擬合結(jié)果線性關(guān)系較好 (圖4)。由此可以推斷表1中安遠(yuǎn)臺P波Q0值明顯低于龍南和尋烏臺的Q0值，可能與選用的流逝時間明顯小于尋烏和龍南臺，從而導(dǎo)致選用地震的震中距范圍較小有關(guān)。表2中龍南臺QS值明顯大于尋烏臺和安遠(yuǎn)臺的QS值，可能是與龍南臺選取的流逝時間較大，從而選用地震震中距范圍較大有關(guān)。

表3 尋烏臺不同流逝時間對應(yīng)的S波尾波歸一化Q0值Tab.3 Q0 value for Swave in different lapse time derived by using the extended coda-normalization method at Xunwu Station

對于Q值平均值的計算，考慮到流逝時間對結(jié)果的影響以及各臺站擬合結(jié)果的可靠性，選用流逝時間相近的尋烏臺 (35 s)和龍南臺 (40 s)，將各頻點(diǎn)的P波Q值平均后重新擬合，得到尋烏龍南地區(qū)的P波平均Q值QP(f)=(20.76+1.67)*f(1.03±0.04);選用流逝時間相同的尋烏臺和安遠(yuǎn)臺(21 s)，將各頻點(diǎn)的S波Q值平均后重新擬合，得到尋烏安遠(yuǎn)地區(qū)的S波平均Q值QS(f)=(18.86+1.46)*f(0.84±0.04)(圖5)。P波與S波平均Q值接近，QP略大可能與流逝時間選擇不同有一定關(guān)系。參與平均值計算的臺站各頻點(diǎn)對應(yīng)的Q值比較相近，反映了上述結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論與討論

使用擴(kuò)展的尾波歸一化方法要求研究區(qū)內(nèi)有較多的地震且分布均勻，以消除輻射花樣和入射角的影響;另外要求尾波信號大于2倍噪聲 (王勤彩等，2005)，為了保證計算地震的樣本數(shù)和擬合精度。本文對尋烏、安遠(yuǎn)和龍南臺進(jìn)行尾波歸一化Q值計算時，QP和QS計算選取流逝時間不完全一致，但參與平均值擬合的不同臺站選取流逝時間接近或相同，盡量減小由于流逝時間不同而產(chǎn)生的Q值差別，因為流逝時間的長短直接影響所用資料的震中距范圍，而Q0值的高低與所用資料震中距離的范圍有關(guān) (Dinesh et al.，2005，2006;Sharma et al.，2007)。計算尋烏臺 S波 Q值時，選用6個不同流逝時間進(jìn)行Q0值對比發(fā)現(xiàn)流逝時間與Q0值大小具有線性關(guān)系 (表3，圖4)。從圖5可以看出參與QP或QS平均值擬合的流逝時間相近的臺站QP或QS值都較接近，特別是流逝時間相同的尋烏臺和安遠(yuǎn)臺，其QS值更加接近，因為這兩個臺站相距僅28 km，計算選擇的地震波形穿透的區(qū)域有部分重疊。最終得出的尋烏龍南地區(qū)的P波平均Q值比尋烏安遠(yuǎn)地區(qū)的S波平均Q值略大一些，與某些QS/QP＞1的研究結(jié)果 (華衛(wèi)等，2009;Sharma et al.，2007)有所不同，原因是采用平均值計算的臺站不完全相同，且計算QP選取的流逝時間更大。

本研究中得到的P波、S波的Q0值不高，分別為20.76、18.86，與贛西北地區(qū)相同方法計算QP和QS值 (董非非等，2013)所用資料的震中距離相近，Q值結(jié)果相差不大。比華衛(wèi)等 (2007)對龍灘水庫地區(qū)的計算結(jié)果高，造成這種現(xiàn)象的原因除了區(qū)域介質(zhì)均勻程度不同造成數(shù)值差別以外，另外一個原因是本文研究區(qū)域比龍灘水庫地區(qū)計算所用資料的震中距要大。本文未參與QP值平均值擬合的安遠(yuǎn)臺選用的地震震中距范圍就相對較小，因此QP值明顯低于尋烏和龍南臺 (表1)。最終P波、S波Q值平均值結(jié)果η值較高，分別為1.03和0.84，說明QP和QS值與頻率的依賴程度較高，本文所使用的地震資料的震源深度大部分在4～11 km之間，高η值反映了地殼淺層介質(zhì)非均勻性較高，與華衛(wèi)等 (2007)，董非非等(2013)研究結(jié)果相似。贛南地區(qū)受臺灣板塊邊界帶強(qiáng)震活動直接影響，是華南內(nèi)陸地震活動水平較高的地區(qū)，區(qū)內(nèi)1500年以來發(fā)生4■4級以上地震10次，最大地震為1806年1月11日會昌6級地震，1980年以來也發(fā)生了1982年2月龍南5.0級地震、1987年8月尋烏5.5級強(qiáng)震群和一系列的4級以上顯著地震，沿河源—邵武斷裂帶、南嶺緯向構(gòu)造帶溫泉廣泛分布，非常發(fā)育 (何昭星，1989)。本研究得到該地區(qū)的Q值結(jié)果總體呈現(xiàn)低Q0和高η值的特點(diǎn)，是構(gòu)造運(yùn)動活躍地區(qū)的特征體現(xiàn)，和上述地震活動實況是較為吻合的。

本文所用程序由中國地震局地震預(yù)測研究所華衛(wèi)博士提供，他在理論與方法上給予諸多指導(dǎo)和幫助，在此深表謝意。

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