五大連池火山區(qū)地震活動特征分析

蔡金田 劉鴻城

摘? 要：（1）整理《黑龍江省臺網(wǎng)地震目錄》1973-2017年五大連池火山區(qū)地震活動序列資料，在區(qū)域地震序列完整性分析基礎(chǔ)上，用最大似然法進(jìn)行b值時空掃描，由此獲得五大連池火山區(qū)b=0.87。（2）選取五大連池火山地區(qū)2008年至2017年間ML>0.6火山地震事件90個，根據(jù)尾波散射理論，利用Sato模型計算其尾波Q值，獲得老黑山、火燒山附近區(qū)域尾波Q0值為21.50，結(jié)合計算結(jié)果對本區(qū)域地震活動性進(jìn)行了分析并給予簡單解釋。

關(guān)鍵詞：火山地震;b值;Q值;尾波散射理論;Sato模型

中圖分類號：P315? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0047-03

Abstract： The seismicity sequence data of Wudalianchi volcanic area in Heilongjiang Seismic Network Catalogue from 1973 to 2017 are sorted out. Based on the analysis of the integrity of regional seismic sequence， the maximum likelihood method is used to scan the b value in time and space， from which the b=0.87 of Wudalianchi volcanic area is obtained. Then， selecting 90 ML>0.6 volcanic earthquakes in Wudalianchi volcano area from 2008 to 2017， according to the Coda Scattering Theory， we use Sato Model to calculate its coda Q value， and the coda Q0 value 21.50 in the vicinity of Laohei Mountan and Huoshao Mountain is obtained. Combined with the calculation results， the seismicity in this area is analyzed and explained.

Keywords： volcanic earthquake; b value; Q value; Coda Scattering Theory; Sato Model

引言

五大連池火山區(qū)位于黑龍江省西北部，在五大連池市訥謨爾河北岸。區(qū)內(nèi)共發(fā)育火山錐14座，第四紀(jì)以來曾多次噴發(fā)?；鹕阶罱膰姲l(fā)活動發(fā)生在1719年～1721年，噴發(fā)的結(jié)果形成老黑山和火燒山兩座中國最新的火山。

根據(jù)中國火山活動性分類，五大連池火山屬于有潛在活動可能的火山（洪漢凈[1]，2007），80年代初以來的地震臺網(wǎng)資料表明火山區(qū)微震活動頻繁發(fā)生，1986年火山區(qū)附近連續(xù)發(fā)生4次中強(qiáng)地震，2011年1月15日火山區(qū)附近發(fā)生4.2級地震，均表明火山構(gòu)造活動仍在持續(xù)。在以往五大連池火山區(qū)地震活動特征研究中，主要集中于區(qū)域地震地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境、區(qū)域地殼應(yīng)力場特征等研究。本文根據(jù)火山區(qū)及周邊地區(qū)b值時空變化、區(qū)域內(nèi)尾波Q值衰減情況來進(jìn)一步分析五大連池火山區(qū)地震活動特征。

1 數(shù)據(jù)資料

用于地震活動性分析的資料取自黑龍江省地震監(jiān)測中心匯編的《黑龍江省臺網(wǎng)地震目錄》，其中共記錄到8155個地震事件，其中截取了五大連池火山及鄰區(qū)1973年至2017年10月地震事件955個以及運(yùn)用交切法和雙差法重新定位的90個地震事件（張永剛[2]，2017）分別用于計算五大連池火山區(qū)及鄰區(qū)b值、尾波Q值，根據(jù)所得結(jié)果，進(jìn)一步分析五大連池火山區(qū)地震活動特征。

2 b值時空變化特征

2.1 計算方法

b值是由古登堡和里克特提出的大小地震之間的重要統(tǒng)計關(guān)系，一個地區(qū)b值時空變化特征表征該地區(qū)介質(zhì)破裂發(fā)展的狀態(tài)，b值有顯著反映，有可能從b值隨時間變化的定量分析中研究出地震活動異常特征和規(guī)律。

最小二乘法計算b值時一般采用累計頻度來減小地震分檔的影響，其更重視含有豐富信息量的較大地震的作用，低震級的地震則權(quán)重小。而最大似然法公式為：

Mc為完整起始震級，為平均震級，e為自然對數(shù)的底數(shù)。在計算b值時，誤差估計由Shi和Bolt改進(jìn)的公式求得：

（2）

式（2）中：n為地震樣本總數(shù);Mi為每個地震的震級Mi。由（2）可見，最大似然法對所有地震的震級用同樣的權(quán)重求平均，相當(dāng)于給數(shù)量較多的小地震信息加權(quán)。由于本文主要利用小震目錄分析區(qū)域地震活動，因此采用最大似然法計算地震活動性參數(shù)a值與b值。

2.2 地震目錄完整性分析

為盡量避免統(tǒng)計結(jié)果不受資料選取的影響。針對一個地震目錄進(jìn)行系統(tǒng)分析，并給出其最小完整性震級Mc的時、空域分布是有實(shí)際意義的，特別是對于各種時、空尺度的地震活動性研究。

完整起始震級Mc值的計算有多種方法。我們采用Wiemer等人提出的一種正演技術(shù)，對955次地震作擬合計算，在曲率最大處Mc值為1.1，與黑龍江省地震臺網(wǎng)圈定的該區(qū)域的地震監(jiān)測能力震級下限（圖1）基本相符。

為保證地震序列的完整性，震級下限設(shè)定為該區(qū)域的最小完整性震級ML1.1，采用△M=0.1作為分檔步長，以此來保證有較多的數(shù)據(jù)參與計算間接提高結(jié)果的可信度。Mc≥1.1的地震事件參與計算，共468次，最終獲得了五大連池火山區(qū)的平均b值為0.875，誤差為±0.04。

3 尾波Q值時空變化

3.1 計算方法

基于散射理論計算模型目前有Aki-Chouet（1975）模型與Sato（1977）模型。兩種模型均基于單次散射模型理論，前者主要從尾波功率譜角度描述尾波隨時間衰減，后者從尾波振幅角度描述尾波衰減與時間的關(guān)系，從能量本質(zhì)上來看，兩者是統(tǒng)一的（本次研究采用Sato模型）。

臺、源分離：

根據(jù)Sato模型，在一定頻率下，尾波振幅與時間的函數(shù)關(guān)系可表示為：

上式（3）中，AS是S波的最大振幅，Ac（t）是流逝時間附近的尾波均方根振幅，K（a）是依賴于時間傳播因子，Ac（t）、K（a）及b分別由一下式（4）、（5）及（6）給出：

式中AT為所取時間窗內(nèi)地震波均方根振幅;An為P波到達(dá)前適當(dāng)時段的平均振幅，用以進(jìn)行地震波的噪聲校正;斜率b可由不同頻率點(diǎn)擬合F（t）和（t-ts）線性關(guān)系求出，從而可由式（6）求得該頻率點(diǎn)的Q值。最后，由各個頻率點(diǎn)的Q值擬合出關(guān)系式為Q（f）=Q0f？濁（其中，Q0為對應(yīng)頻率1Hz的尾波衰減參數(shù)，？濁為Q值對頻率f的依賴性指數(shù)）。

3.2 數(shù)據(jù)處理

（1）對原始事件波形進(jìn)行分頻率段濾波處理。（2）對濾波之后的數(shù)據(jù)，設(shè)定一定大小的時間窗與滑動步長，滑動計算求出不同時間點(diǎn)的尾波均方根振幅Ac（t）。（3）最小二乘法擬合對應(yīng)時間t與F（t）數(shù)據(jù)，得到擬合直線斜率b=（2？仔flge）/Q，再以此計算該頻點(diǎn)的Q。（4）最后根據(jù)所有頻點(diǎn)Q值擬合得到關(guān)系式Q（f）=Q0f？濁。（5）將全部地震計算結(jié)果，擬合求取平均值。圖2給出了五大連池火山區(qū)北山臺所記錄五大連池老黑山、火燒山附近Q0=21.50f1.123地震擬合實(shí)例圖。

4 討論與結(jié)果

4.1 b值計算結(jié)果

本文根據(jù)五大連池火山區(qū)實(shí)際情況，在區(qū)域地震序列完整性分析基礎(chǔ)上，對所選區(qū)域進(jìn)行時空掃描，經(jīng)計算得到以下結(jié)論：

（1）自1973年以來，五大連池火山區(qū)小震記錄的最小完整震級2.0，且隨時間推移研究區(qū)最小完整性震級逐漸降低，2010年后最小完整震級為Mc1.1左右，與研究區(qū)現(xiàn)今監(jiān)測水平基本相符。

（2）用最大似然法進(jìn)行b值時空掃描，由此獲得五大連池火山區(qū)b=0.87與鄰區(qū)相比，五大連池火山區(qū)的b值是偏高的，與國外火山區(qū)地震活動高b的結(jié)果相符，低b值區(qū)域?yàn)槲宕筮B池鄰區(qū)，表明該區(qū)域地殼介質(zhì)處于高水平應(yīng)力積累狀態(tài)，可能是未來發(fā)生中強(qiáng)地震的危險區(qū)域。

4.2 Q值計算結(jié)果

（1）對所選資料計算，獲得整個火山區(qū)尾波Q與頻率 f關(guān)系Q（f）=（40.92±20.27）f0.9069±0.1570，表現(xiàn)為低Q高？濁值的火山構(gòu)造活動活躍區(qū)域尾波特征，這說明本區(qū)域火山地質(zhì)構(gòu)造活動活躍，這與本區(qū)域地震活動水平較頻繁（張鳳鳴，1996）是一致的。

（2）獲得的五大連池火山區(qū)尾波Q0值與國外Tres Tirgene火山、意大利埃奧列群島火山、國內(nèi)龍崗火山、長白山火山相比，Q0值較低，符合構(gòu)造活動劇烈的介質(zhì)特征。

本文數(shù)據(jù)計算使用了朱新運(yùn)、劉杰老師研制的尾波分析軟件，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]洪漢凈，等.中國火山危險性等級與活動性分類[J].地震地質(zhì)，2007，29（3）：448-458.

[2]張永剛，等.大慶地區(qū)地震精定位與震源機(jī)制解分析[J].地震地磁觀測與研究，2017，38（2）：7-11.