應用強震動觀測資料估算2014年魯?shù)镸_S6.5地震震源參數(shù)

崔建文 段建新 楊黎薇 鐘玉盛 趙昆

摘要：通過對2014年魯?shù)镸S6.5地震13個強震動臺站觀測記錄的譜分析，估算了地震矩、矩震級等震源參數(shù)，得到的平均矩震級MW=6.3。討論了震源Brune模型位移譜形狀系數(shù)以及局部場地條件對估算參數(shù)的影響，結果顯示，譜形狀系數(shù)對參數(shù)估算影響不大，但ω2和ω3源譜模型分別能與遠場和近場記錄獲取的源譜吻合更好；同時，僅在場地的卓越頻率小于1 Hz時，場地條件影響參數(shù)的估算，由于13個臺站均處于Ⅰ～Ⅱ類場地上，局部場地條件對本文參數(shù)計算結果影響不大。

關鍵詞：魯?shù)榈卣穑粡娬饎佑涗?；震源參?shù)；位移譜

中圖分類號：P315.9 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）04-0605-08

0 前言

震源參數(shù)譜分析（Boatwright，1978，1980；黃明偉，2006）是個被廣泛應用的方法，在云南地區(qū)，秦嘉政等（2003，2005）、葉建慶等（2007）應用該方法研究了發(fā)生于云南的多個地震序列，對地震特征獲得了有益的認識。2014年8月3日，云南省魯?shù)榭h發(fā)生MS6.5強烈地震，震中位置（27.1°N，103.3°E），震源深度12 km。分布于震區(qū)及其周邊地區(qū)的80多個強震動臺站獲取了主震記錄（崔建文等，2014）。本次地震發(fā)生在兩條斷層的交匯處，具有較為復雜的震源過程（Li et al，2015；張勇等，2015），對這次地震更深入的了解，有賴于獲取震源的更多信息。本文從80多個強震動記錄中，選取部分信噪比較高的記錄，采用震源參數(shù)譜分析方法計算震源參數(shù)（地震矩M0、矩震級MW、拐角頻率fC以及斷層尺度等），其結果有助于加深對本次地震的物理過程、震源特征認識。

1 數(shù)據(jù)

各地震監(jiān)測機構給出的魯?shù)镸S6.5地震震級及震中位置不盡相同（表1），中國地震臺網(wǎng)中心（CENC）給出的震中位置與云南地震臺網(wǎng)中心結果是一致的，只是前者給出的數(shù)據(jù)精度僅到小數(shù)點后1位，USGS雖然也給出高精度的震中坐標，但從現(xiàn)場破壞情況看，其坐標位置偏離了極震區(qū)，后期開展的一些地震定位工作（徐甫坤等，2014；何驍慧等，2015；王未來等，2014；張廣偉等，2014；趙小艷，孫楠，2014）均給出了與云南地震臺網(wǎng)中心相近的震中坐標，但震源深度從9.5 km到15 km不等，有明顯差距。張廣偉等（2014）采用gCAP方法，得到震源最佳質心深度為5 km，其雙差分定位的震源深度是13.3 km，前者反映了地震破裂面的質心深度，代表了地震能量的集中點，后者是地震破裂的開始點，表明地震由較深的位置開始破裂，然后向淺部發(fā)展，與張勇等（2014，2015）的震源破裂過程相一致。

在后面參數(shù)的計算中，采用的是記錄中完整的SH波，其對應的應該是地震能量的集中點，采用破裂面質心作為震源應該更合理，其深度為5 km。

為獲取可靠的震源參數(shù)，使用的記錄應該具有高的信噪比（SNR），尤其在低頻段。本文計算了震中距在100 km以內的臺站記錄的信噪比，在0.03～25 Hz的頻帶內，選取了SNR值大于100的記錄參與計算，最終選擇13個臺站的記錄，臺站情況見表2。圖1顯示了所選取臺站的分布，可以看到，除震中上方NNW—NNE方位以外，其他方位均有臺站環(huán)繞震中分布。圖2是魯?shù)辇堫^山強震動臺站記錄的信噪譜比，圖3是13個臺站記錄的信噪譜比，龍頭山強震動臺站記錄具有非常高信噪比，其SNR值大于1 000。

3 數(shù)據(jù)處理及結果

3.1 記錄時程積分及旋轉

強震動加速度記錄經一次積分得到速度時程，經兩次積分得到位移時程。兩次積分獲取位移時程時存在著嚴重的漂移（Akkar，Boore，2009）。目前，已有多種消除漂移的方法（Akkar，Boore，2009；Chiu，2012，Huang et al，2013），其中，高通濾波是最常用也非常有效的方法，但會丟失在震源參數(shù)譜分析法中最具價值的低頻信息，采用多項式擬合方法消除地震動時程中存在的趨勢項，可以在保留地震動低頻信息的同時，解決加速度時程積分產生的漂移問題。圖4顯示了采用高次多項式擬合消除時程趨勢的效果，圖4a是魯?shù)榈卣瘕堫^山臺的東西向未進行漂移校正的位移記錄，圖4b是經過21次多項式趨勢校正的位移記錄，可以看到，大的趨勢漂移已經基本消除。實際處理時，多項式的次數(shù)根據(jù)漂移的程度選擇。

對記錄進行譜分析時，選用記錄的SH波，為此，將2個記錄水平向旋轉到地震波傳播方向（徑向R）及垂直地震波傳播的方向（切向T），并從切向記錄中選擇SH波。圖5顯示了位移時程曲線方位角旋轉前后及SH波選取情況。

3.2 影響校正

將觀測的地面運動譜還原到震源的運動譜，需進行儀器、傳播路徑和局部場地影響的校正。由于獲取記錄的強震動儀的幅頻特性曲線在0～200 Hz內是值為1的平坦直線，在本文討論的頻帶內不需進行儀器的影響校正。

傳播路徑的影響包括波的幾何擴散和非彈性衰減。幾何擴散效應校正采用Atkinson和Mereu（1992）的模型：

G（R）=r-b1，r≤r1；rb2-b11r-b2，r1≤r

式中，r為震源距，并且取b1=1.0，b2=1.0，b3=1.0，r1=60 km，r2=100 km（Lam，2000；阮祥，2007）。

對云南東部地區(qū)，蘇有錦等（2006）研究得到的介質非彈性品質因子Q=199.6f 0.434，則在式（1）中取c（f）=πfQ（f）β可對獲取的位移時程頻譜進行介質的非彈性衰減校正，其中β為剪切波速。

局部場地的校正需要場地的頻率響應，但由于場地響應在1 Hz以上時才有較明顯的效應，主要影響高頻成分，對于1 Hz以下的地震動影響有限，因此，這里不做考慮，后面結合實際數(shù)據(jù)分析結果，討論其影響。

3.3 數(shù)據(jù)處理結果

對13個時程記錄進行方位角旋轉、積分、漂移校正以及各種影響校正，對選取的SH波進行5%Cosine Taper的矩形窗處理。對選取的速度、位移時程SH波作傅氏變換，可得到震源的速度、位移傅氏振幅譜，用式（3）擬合震源位移傅氏振幅譜，確定Ω0、fc。擬合時，對式（3）中的控制形狀的常數(shù)n，同時取2、3兩種情況，并采用遺傳算法搜尋使擬合誤差最小的Ω0、fc，進而計算地震的矩震級MW、地震矩M0、應力降Δσ等源參數(shù)。這里，以震中龍頭山臺記錄為例，圖6a顯示了該臺站位移源譜及其擬合情況。

4 討論

4.1 結果分析

從表3可以看到，13個臺站之間參數(shù)估計結果有差異，就地震矩、矩震級、拐角頻率而言，除龍頭山臺站以外，其他臺站的離散性較小，平均矩震級MW=6.3，與實際情況相吻合；但震源的等效位錯半徑、應力降、斷層位錯等參數(shù)離散較大，其原因在于，震源的等效位錯半徑對拐角頻率較敏感，后者的較小變化將導致前者較大的變化，而應力降、斷層位錯等其他參數(shù)均與震源的等效位錯半徑的平方、三次方成正比或反比，小的拐角頻率差異在應力降等參數(shù)中得到了相當程度的放大。導致各臺站估計結果差異的因素有很多，如信噪比、擬合方法等，而臺站的震中距、方位的分布也應該是因素之一。在一個方位上，估計值也許會偏大，而在另一個方位上，也許會偏小，因此，如果能擁有在震中距、方位角上完善分布的臺站，則這些臺站的估計值的平均值應該能接近于期望的結果。本文13個臺站分布在除震中上方NNW—NNE方位以外其它方位和震中距上，較好地包含了方位角、震中距影響的信息，13個臺站估計值的平均應能較好地消除各臺站因方位角、震中距影響導致的估值偏差。

龍頭山臺的估計值矩震級明顯偏小、拐角頻率明顯偏大，這可能與該臺非?？拷鹪炊cBrune模型的遠場假定不符有關，此外普格白水臺的矩震級估計結果也明顯偏小，但拐角頻率估值合理，其原因有待探討。

4.2 Brune源譜模型常系數(shù)n的影響

在Brune源譜模型式（3）中，雖然大量的研究都支持譜形狀控制常數(shù)n取為2，即稱之為ω2模型（Chael，1987；Shearer，1999），但也有許多研究認為震源譜為ω3模型（Savage，1972）或其它模型（Boatwright，Choy，1992；Joyner，1984；Atkinson，Silva，1997）。本文同時采用了ω2和ω3模型進行參數(shù)計算，對于所有參與計算的臺站，2種模型都給出了幾乎相同的參數(shù)，即模型的基本選擇不影響fc、M0和MW等主要震源參數(shù)的估計。圖7是13個臺站中震中距最大的臺站的震源譜及其擬合情況，可以看到，在頻率高于2 Hz以后，ω2模型與觀測譜吻合比ω3模型更好，而在震中距很小的圖6a顯示的頻率范圍內，ω3模型比ω2模型更符合實際。就13個臺站采用ω2和ω3模型的擬合效果而言，隨著震中距的增加，在高頻段，好的擬合效果逐漸由ω3模型過渡為ω2模型。因此，近場宜用ω3模型，遠場宜用ω2模型。

4.3 場地影響

局部場地對地震動有強烈影響，一般情況下，基巖上的覆蓋土層放大地震動，用這種受到影響的記錄來估計源譜參數(shù)，必然會影響參數(shù)估計的結果。但這種影響有多大，是否會導致結果出現(xiàn)重大的偏差，則是個值得探討的問題。從表3可以看到，13個臺站得到的MW有較大的離散性，如果通過場地影響校正可以降低這種離散性，則這種校正就具有較大的價值。

在以擬合誤差為控制的觀測源譜與Brune模型擬合估計源譜參數(shù)時，低頻成分（小于1 Hz）遠遠大于高頻成分，因此低頻成分起主導作用，高頻成分的變化不影響擬合結果，采用ω2和ω3模型得到相近的結果能很好地說明這一結論。因此，如果說場地效應只對高頻成分產生影響，則不進行場地影響校正并不影響源譜參數(shù)的估計結果，但如果場地對低頻成分有影響，則就必須進行場地校正。局部場地對地震動的影響雖然是個復雜的問題，但還是有規(guī)律可循，在Ⅰ～Ⅳ類場地中，場地卓越周期由小變大，對應著對地震動頻率成分的影響由高頻逐漸向低頻過渡，場地的卓越周期大約為T=4H/vS（H為場地土層厚度，vS為土層剪切波速），則按照建筑抗震設計規(guī)范（GB50011—2010），Ⅰ類場地的卓越頻率約大于12.5 Hz，Ⅱ類場地的在3～12.5 Hz范圍內，Ⅲ類場地的在0.47～3 Hz之間，Ⅳ類場地的小于0.47 Hz。因此，Ⅰ、Ⅱ類場地的場地效應不會影響源譜參數(shù)的估計，部分Ⅲ類場地有影響，而Ⅳ類場地有大的影響。本文中13個臺站，其場地類型大部分為Ⅱ類，僅有昭通臺和鉛廠臺為Ⅰ類，進行場地校正并不能改善參數(shù)估計的結果。

5 結論

本文基于魯?shù)榈卣?3個強震動臺站獲取的強震動觀測記錄，應用震源參數(shù)的譜分析方法估計主震的地震矩、矩震級、拐角頻率等。結果表明，13個臺站參數(shù)估計的平均值可給出合理的結果，矩震級MW的估計平均值為6.3。除龍頭山臺站外，其它臺站頻率拐角值差異不大，但基于拐角頻率計算的其它參數(shù)，較大程度對拐角頻率的差異進行了放大，導致了13個臺站的應力降、震源的等效位錯半徑等參數(shù)的估計值之間有較大的離散性。除改進方法外，采用多個能很好地環(huán)繞震中分布的臺站可改善參數(shù)估計的效果。

進行譜曲線擬合估計參數(shù)時，無論采用ω2還是ω3模型，結果均相近，但近場時，宜采用ω3模型，遠場時ω2更好。

僅在臺站場地為Ⅲ、Ⅳ類時場地效應會影響源參數(shù)的估計，在場地為Ⅰ、Ⅱ類時，可不進行場地影響的校正。

兩位匿名審稿專家對本文提出了許多建設性的修改意見，部分圖件采用了GMT軟件繪制，筆者在此表示衷心地感謝。

參考文獻：

崔建文，劉瓊仙，段建新.2014.2014年云南魯?shù)?.5級地震強震動觀測記錄及初步分析.地震研究，37（4）：542-548.

何驍慧，倪四道，劉杰.2015.2014 年8 月3 日云南魯?shù)镸6.5 地震破裂方向性研究.中國科學：地球科學，45（3）：253-263.

黃明偉.2006.使用強震動記錄估算1999年集集大地震余震之輻射能量與地震力矩.臺灣：國立中央大學地球物理研究所.

秦嘉政，錢曉東，葉建慶.2005.2001年施甸MS5.9地震序列的震源參數(shù)研究.地震學報，27（3）：250-259.

秦嘉政，葉建慶，錢曉東.2003.2000年云南姚安地震的震源參數(shù).地球物理學報，46（4）：633-641.

阮祥.2007.川滇中小地震震源參數(shù)的研究.蘭州：中國地震局蘭州地震研究所.

蘇有錦，劉杰，鄭斯華等.2006.云南地區(qū)S波非彈性衰減Q值研究.地震學報，28（2）：206-212.

王生文，李艷娥，郭祥云等.2014.1999年11月29日岫巖MS5.4地震序列視應力的再研究.地震，34（3）：50-61.

王未來，吳建平，房立華等.2014.云南魯?shù)榈卣鹦蛄械碾p差定位.地球物理學報，57（9）：3042-3051.

徐甫坤，李靜，蘇有錦.2014.2014年云南魯?shù)?.5級地震序列重定位研究.地震研究，37（4）：241-247.

葉建慶，張建國，楊晶瓊等.2007.紅河斷裂帶兩側地塊地震震源參數(shù)研究.地震研究，30（3）：241-247.

張廣偉，雷建設，梁姍姍等.2014.2014年8月3日云南魯?shù)?.5級地震序列重定位與震源機制研究.地球物理學報，57（9）：3042-3051.

張勇，陳運泰，許力生等.2015.2014年云南魯?shù)镸W6.1地震：一次共軛破裂地震.地球物理學報，5（1）：153-162.

張勇，許力生，陳運泰等.2014.2014年8月3日云南魯?shù)镸W6.1（MS6.5）地震破裂過程.地球物理學報，57（9）：3052-3059.

趙小艷，孫楠.2014.2014 年云南魯?shù)?.5級地震震源位置及震源區(qū)速度結構聯(lián)合反演.地震研究，37（4）：523-531.

Akkar S，Boore D M.2009.On baseline corrections and uncertainty in response spectra for baseline variations commonly encountered in digital accelerograph records.Bull Seism Soc Am，99（99）：1671-1690.

Atkinson G M，Mereu R F.1992.The shape of ground motion attenuation curve in Southeastern Canada.Bull Seism Soc Am，82（5）：2014-2031.

Atkinson G，Silva W.1997.An empirical study of earthquake source spectra for California earthquakes.Bull Seism Soc Am，87（1）：97-113.

Boatwright J，Choy G L.1992.Acceleration source spectra anticipated for large earthquakes in northeastern North America.Bull Seism Soc Am，82（2）：660-682.

Boatwright J.1978.Detailed spectral analysis of two small New York state earthquakes.Bull Seism Soc Am，68（4）：1117-1131.

Boatwright J.1980.A spectral theory for circular seismic sources：Simple estimates of source dimension，dynamic stress drop and radiated seismic energy.Bull Seism Soc Am，70（1）：1-27.

Brune J N.1970.Tectonic stress and spetra of seismic shear wave from earthquake.J Geophys Res，75（4）：4997-5009.

Chael E P.1987.Spectral scaling of earthquakes in the Miramichi region of New Brunswick.Bull Seism Soc Am，77（2）：347-365.

Chiu H-C.2012.A Compatible Baseline Correction Algorithm for Strong-Motion Data.Terr Atmos Ocean Sci，23（2）：171-180.

Huang J Y，Wen K L，Li X J，et al.2013.Coseismic Deformation Time History Calculated from Acceleration Records Using an EMD-Derived Baseline Correction Scheme：A New Approach Validated for the 2011 Tohoku Earthquake.Bull Seism Soc Am，103（2B）：1321-1335.

Joyner W B.1984.A scaling law for the spectra of large earthquakes.Bull Seism Soc Am，74（4）：1167-1188.

Kanamori H.1977.The energy release in great earthquakes.J Geophys Res，82（20）：2981-2987.

Lam N T K，Wilson J L，Hutchinson G L.2000.Generation of synthetic earthquake accelerograms using seismological modeling：a review.Journal of Earthquake Engineering，4（3）：321-354.

Li X，Xu X W，Ran Y K，et al.2015.Compound Fault Rupture in the 2014 MS6.5 Ludian，China，Earthquake and Significance to Disaster Mitigation.Seismological Research Letters，86（3）：764-774.

Savage J C.1972.Relation of corner frequency to fault dimensions.J Geophys Res，77（20）：3788-3795.

Shearer P M，1999.Introduction to Seismology.NewYork：CambridgeUniversityPress，16.

GB50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范.