2013年吉林前郭強震群序列的譜振幅相關系數(shù)變化特征

康建紅，鄭國棟，張 宇，張洪艷

（1.吉林省地震局，吉林 長春 130117；2.長春地震臺，吉林 長春 130117）

2013年吉林前郭強震群序列的譜振幅相關系數(shù)變化特征

康建紅1，鄭國棟2，張 宇2，張洪艷1

（1.吉林省地震局，吉林 長春 130117；2.長春地震臺，吉林 長春 130117）

前郭強震群；譜振幅相關系數(shù)；震源機制一致性；區(qū)域應力場

0 引言

2013年10月31日11時3分在吉林省松原市前郭縣發(fā)生MS5.5地震，震源深度8km，7分鐘之后，同一震中區(qū)再次發(fā)生MS5.0地震。之后地震活動進入衰減階段，余震序列地震數(shù)量偏少，較大震級余震成對發(fā)生；11月22日16時18分震中區(qū)再次發(fā)生MS5.3地震，次日在6時4分、6時32分連續(xù)發(fā)生MS5.8、MS5.0地震。地震序列十分復雜。如何根據(jù)當前序列發(fā)展，判斷未來震情發(fā)展趨勢，一直是科研人員致力解決的難題。

對地震序列的研究方法，尤其是基于地震目錄的分析方法很多，如吳開統(tǒng)的地震序列概論[1]、蔣海昆的中國大陸地震序列研究[2]等。近年來，隨著數(shù)字地震學的飛速發(fā)展，利用波形資料提取震源信息，并將其應用于地震序列的判斷，逐漸成為地震序列原有研究方法的重要補充。

震源機制解描述震源的幾何特性，根據(jù)震源機制解可以判斷發(fā)震斷層的錯動方式，推斷應力場的方向。陳颙[3]通過研究邢臺、海城等強震，提出使用震源機制一致性作為判別是否為前震的新指標；刁桂苓等[4-6]通過研究國內(nèi)外多個震例，得出主震前中小地震震源機制解趨于一致的結(jié)論；王俊國等[7]在研究千島弧地區(qū)震源機制一致性特征時，提出了震源機制和構(gòu)造應力場的一致性參數(shù)概念，并利用這一參數(shù)進行強震預測。

實踐中，由于受臺網(wǎng)布局及密度的影響，能記錄到小地震的臺站數(shù)量有限，因此，對于小地震，求解震源機制存在較大的不確定性，難以精確求解。為此，Lund等[8]曾提出小震體波譜振幅相關分析方法，很多學者利用這一方法計算地震序列中小地震體波譜振幅相關系數(shù)，對震源機制一致性進行歸一化量化，直接反映地震序列的震源機制相對變化過程。朱航等[9]利用該方法對2001—2003年川滇地區(qū)若干次地震序列的震源機制變化過程進行研究，結(jié)果表明，強震序列與小震序列的譜振幅相關系數(shù)曲線形態(tài)存在顯著差異，強震發(fā)生之前，震源機制有從散亂到一致的變化過程。崔子健等[10]利用該方法對云南西北部的五個震群的譜振幅相關系數(shù)進行計算，結(jié)果顯示，強震前的小震序列譜振幅相關系數(shù)接近1.0，比一般性小震序列明顯偏高，說明其震源機制一致性較高。

本文采用譜振幅相關分析法，計算了2013年前郭強震群序列中小地震體波譜振幅相關系數(shù)，總結(jié)其變化特征。

1 前郭強震群概況

截至2016年12月31日，前郭震群共記錄地震1356次，其中：MS5.0以上地震5次，MS4.0～4.9地震10次，MS2.0～3.9地震相對較少，大多數(shù)地震震級集中在MS0.0～1.0，4.0級以上地震成對發(fā)生（圖1、表1），最大地震為2013年11月23日MS5.8地震，是自1960年榆樹土橋5.8級地震以來吉林省遭遇的最強地震活動。依據(jù)中國地震局《地震現(xiàn)場工作大綱和技術指南》[11]，前郭地震序列為震群型，10月31日MS5.5地震為首發(fā)地震[12]。在G-R關系中，其序列b值為0.4，顯著低于東北地區(qū)平均水平（0.6～0.8）[13]。

圖1 前郭強震群序列M-T、頻度圖Fig.1 M-T and frequency diagrams of Qianguo strong earthquake swarm sequence

表1 前郭震群地震序列目錄（MS≥4.0）

2 資料選取

自2013年10月31日首震發(fā)生以來至2016年12月31日，前郭強震群共記錄地震1356次，其中，ML≥2.5地震66次。選取松原臺（SYT）、長春臺（CN2）、乾安臺（QAT）、白城臺（BCT）、長嶺臺（CLT）5個對震群包絡較好且觀測質(zhì)量較高的臺站，選取的地震事件要求5個臺站同時記錄清晰且信噪比高。本研究側(cè)重探討中小地震震源機制一致性與中強地震的關系，5個ML＞5.0地震不計算在內(nèi)。綜合以上原則，選擇序列中45次地震（2.5≤ML≤5.0）作為研究對象，分析前郭強震群的譜振幅相關系數(shù)變化特征。圖2為吉林及鄰省數(shù)字化地震臺網(wǎng)、主要斷裂及ML≥2.5地震震中分布圖。

圖2 前郭強震群及周圍臺站分布圖Fig.2 Distribution of Qianguo strong swarm and the surrounding stations

3 方法原理

在地震學中，臺站記錄126oE 地震波位移觀測譜振幅的表達式為：

（1）式中，Uij(f)為第j個臺站記錄的第i個地震的位移譜；f為頻率；r為震源距；Mi(f)為地震震源譜；φ(θ,?)為地震波輻射花樣因子， 、θ為地震到臺站的離源角、方位角；Pij(r)為幾何擴散系數(shù)；Fij(f,r)為非彈性衰減系數(shù)；Gj(f)為臺站場地響應系數(shù)，Ij(f)為儀器響應。

由式（1）可知：當多個地震位于同一個位置，或者地震之間的距離遠小于地震到臺站的距離時，由于地震波的傳播路徑以及臺站場地完全相同，因此，這些地震到同一個臺站的幾何擴散系數(shù)、非彈性衰減系數(shù)、儀器響應系數(shù)和場地響應系數(shù)是完全相同的，同一臺站記錄到的多個地震之間的零頻觀測譜的差異主要來源于地震之間的震源機制差異。由以上分析可知：通過對同一震源區(qū)、不同地震事件在同一個臺站得到的零頻觀測譜值進行對比，可以得到不同地震之間的震源機制相似程度。

在計算過程中，對同一震源區(qū)的兩次地震事件在同一臺站記錄的波形數(shù)據(jù)，使用直達P、S波的零頻譜振幅值來計算相關系數(shù)。每個臺站的3分向波形記錄可以轉(zhuǎn)換成5個零頻譜值，即垂向P波、徑向P波、垂向S波、徑向S波和切向S波5個譜值分量。計算地震x、y的譜振幅相關系數(shù)：

式（2）中，xij、yij為地震x、y在第i個臺站上的第j個譜值分量的對數(shù)。

譜振幅相關系數(shù)越接近于1，則說明臺站記錄的兩次地震波形越相似，其震源機制解的一致性越高；反之，相關系數(shù)較低，則兩次地震的波形越不相似，其震源機制解也不相同。由此可以認為，體波譜振幅相關系數(shù)是描述震源機制一致性程度的數(shù)值。

4 計算結(jié)果

利用前郭強震群周邊松原臺（SYT）、長春臺（CN2）、乾安臺（QAT）、白城臺（BCT）、長嶺臺（CLT）5個地震臺記錄到的45次2.5≤ML≤5.0的余震觀測資料，計算前郭強震群序列的譜振幅相關系數(shù)，圖3上圖為譜振幅相關系數(shù)隨時間變化曲線，由圖看出，其數(shù)值在0.85～0.95之間，平均值為0.90，該序列具有較高的震源機制一致性。

從該序列的譜振幅相關系數(shù)變化曲線圖上看，相關系數(shù)變化大致分為5個階段：（1）2013年10月31日首震發(fā)生后至12月13日，譜振幅相關系數(shù)最高達到0.95，地震活動密集，期間共發(fā)生11次MS≥4.0地震；（2）2013年12月13日至2014年8月5日，譜振幅相關系數(shù)低于0.92，與上一階段對比，相對較低，本階段發(fā)生1次MS≥4.0地震；（3）2014年8月5日至2015年2月17日，譜振幅相關系數(shù)為0.92～0.95，處于相對高值水平，此階段發(fā)生了2次MS≥4.0地 震；（4）2015年2月17日至同年10月21日，譜振幅相關系數(shù)低于0.90，此階段未發(fā)生MS≥4.0地震；（5）2015年10月21日以后，譜振幅相關系數(shù)逐漸升高，總體高于0.90，至2016年12月31日，發(fā)生1次MS≥4.0地震，震級為MS4.5。目前震群序列譜振幅相關系數(shù)值較高，接近0.94，說明震區(qū)受區(qū)域應力場控制仍較強。

圖3 2013年前郭強震群序列體波譜振幅相關系數(shù)隨時間變化曲線（上）及震級-時間圖（下）Fig.3 Curves of the correlation coefficient of spectral amplitude varied with time and M-T plot of Qianguo strong earthquake swarm

強余震發(fā)生之前，譜振幅相關系數(shù)達到較高水平（圖4）。2013年11月22日MS5.3地震發(fā)生之前，譜振幅相關系數(shù)出現(xiàn)上升，達到較高水平，最高為0.94。

在較大余震發(fā)生后小震機制有一定的發(fā)散[9]，即出現(xiàn)震源機制不相似現(xiàn)象，滑動平均譜振幅相關系數(shù)時序曲線下降。如圖4所示，2013年11月22日MS5.3地震之后，譜振幅相關系數(shù)降低，11月23日MS5.8地震后，譜振幅相關系數(shù)仍較低，但很快譜振幅相關系數(shù)又恢復至較高值。說明區(qū)域應力場強度較高，2次5級以上地震的發(fā)生并未改變區(qū)域應力場強度。

圖4 前郭強震群序列體波譜振幅相關系數(shù)變化曲線Fig.4 The correlation coefficient curve of spectral amplitude of Qianguo strong earthquake swarm

5 討論與結(jié)論

通過對比同一臺站記錄的來自同一震源區(qū)的不同地震的直達波零頻觀測譜值，可以得到不同地震事件之間的震源機制一致性程度，由此得到整個序列的震源機制一致性變化過程。本文經(jīng)計算得到2013年前郭強震群序列的譜振幅相關系數(shù)變化曲線，總體上，曲線高值時段較多，說明該震群序列的震源機制一致性較好，受區(qū)域應力場控制較強，這可能也是該震群序列一直持續(xù)發(fā)生的原因。

強余震發(fā)生在譜振幅相關系數(shù)較高的背景下，即震源機制一致性較高的背景下，與刁桂苓[14]、趙英萍[15]研究結(jié)果一致。11月22日MS5.3地震、11月23日MS5.8、5.0余震發(fā)生前，譜振幅相關系數(shù)曾達到較高值。

強余震發(fā)生后，出現(xiàn)譜振幅相關系數(shù)下降現(xiàn)象，即震源機制發(fā)散現(xiàn)象，與朱航[9]研究結(jié)果一致。5次MS≥5.0地震發(fā)生后，均出現(xiàn)了譜振幅相關系數(shù)明顯下降的現(xiàn)象。

[1] 吳開統(tǒng)， 焦遠碧， 呂培苓， 等. 地震序列概論[M]. 北京:北京大學出版社，1990，97-118.

[2] 蔣海昆， 傅征祥， 劉杰. 中國大陸地震序列研究[M]. 北京 : 地震出版社， 2007， 38-51.

[3] 陳颙. 用震源機制一致性作為描述地震活動性的新參數(shù)[J]. 地震物理學報， 1978， 21（2）: 142-159.

[4] 刁桂苓， 于新昌. 唐山地震前后京、津、唐、張地區(qū)的綜合斷層面解[J]. 西北地震學報， 1980， 2（3）: 39-47.[5] 刁桂苓， 于利民， 李欽祖. 強震前后震源區(qū)應力場變化一例 [J]. 地震學報， 1994， 16（1）: 64-69.

[6] 刁桂苓， 徐錫偉， 陳于高， 等. 汶川MW7.9和集集MW7.6地震前應力場轉(zhuǎn)換現(xiàn)象及其可能的前兆意義[J].地球物理學報， 2011， 54（1）: 128-136.

[7] 王俊國， 刁桂苓. 千島島弧大震前哈佛大學矩心矩張量（CMT）解一致性的預測意義[J]. 地震學報， 2005， 27（2）: 178-183.

[8] Lund B， Boevarsson R. Correlation of microearthquake body-wave spectral amplitudes[J]. Bull. Seism. Soc. Am.，2002， 92（6）: 2419-2433.

[9] 朱航， 劉杰， 陳天長. 采用體波譜振幅相關系數(shù)方法研究地震序列的震源機制變化過程[J]. 地震， 2006， 26（2）: 1-11.

[10] 崔子健， 李志雄， 陳章立， 等 . 判別小震群序列類型的新方法研究——譜振幅相關分析法[J]. 地球物理學報，2012， 55（5）: 1718-1724.

[11] 中國地震局. 地震現(xiàn)場工作大綱和技術指南[M]. 北京:地震出版社， 1998， 15-64.

[12] 蔣海昆， 曲延軍， 李永莉， 等. 中國大陸中強地震余震序列的部分統(tǒng)計特征[J]. 地球物理學報， 2006， 49（4）: 110-117.

[13] 劉正榮. b值特征的研究[J]. 地震研究， 1995， 18（2）:168-173.

[14] 刁桂苓， 趙英萍. 大同晚期強余震前震源機制的一致性特征 [J]. 內(nèi)陸地震， 2004， 18（3）: 202-206.

[15] 趙英萍， 刁桂苓. 張北強余震前震源機制的一致性特征[J]. 華北地震科學， 2004， 22（1）: 1-4.

Abstract:Using digital seismic waves recorded by Jilin digital seismic network, we calculated the correlation coefficient of spectral amplitude ofML≥2.5 earthquakes of Qianguo strong earthquake swarm occurred in 2013. The results show that the correlation coefficients of spectral amplitude of Qianguo earthquake swarm are generally high values, which are between 0.85 and 0.95. It means more consistency of focal mechanisms of Qianguo earthquake swarm and high level of the stress field in the source region.Perhaps it is the reason why Qianguo earthquake swarm has been continuous occurred. We also have found that the correlation coefficient of spectral amplitude climbed up beforeMS5.8 earthquake, and went down after it. It means that focal mechanisms become more consistency before strong earthquake and less consistency after it. The result agrees with those of previous researches.

Key words:Qianguo strong earthquake swarm；correlation coefficient of spectral amplitude；consistency of focal mechanism；Local stress field

Characteristics of the Correlation Coefficient of Spectral Amplitude of Qianguo Strong Earthquake Swarm in 2013

KANG Jian-hong1，ZHENG Guo-dong2，ZHANG Yu2，ZHANG Hong-yan1
( 1. Earthquake Administration of Jilin Province, Jilin Changchun 130117, China;2. Changchun Seismic Station, Jilin Changchun 130117, China )

P315.6

A

10.13693/j.cnki.cn21-1573.2017.03.017

1674-8565（2017）03-0092-05

吉林省地震局合同制科研課題資助（2016024）

2017-05-09

2017-07-03

康建紅（1979-），女，河北省昌黎縣人，2005年畢業(yè)于燕山大學，碩士，工程師，現(xiàn)主要從地震分析預報研究方面的工作。E-mail：13169035@qq.com