且末地震臺記錄特定地區(qū)地震的震相特征

單曉琳 徐長銀 張小飛 鄧明文 劉青山

（中國新疆維吾爾自治區(qū)841000 庫爾勒地震臺）

0 引言

地震波是彈性波，包括體波和面波。面波是體波與自由界面相互作用的產(chǎn)物，具有能量強、頻率低、頻散的特點（馮銳等，1987）。地震發(fā)生后，地震波從震源發(fā)出直至被記錄，攜帶著大量地球內(nèi)部信息及震源信息，反映在地震記錄圖上，主要部分即為震相。震相分析就是根據(jù)各種震相特征對地震記錄的解釋，是地震觀測的重要任務(wù)之一（趙榮國，1999）。地震波在傳播過程中主要受到地面和地下不同介質(zhì)因素的影響，從而其傳播方式、強度以及穩(wěn)定性發(fā)生相應(yīng)改變。地震觀測人員要熟練掌握地震波形的分析方法和技巧，熟知不同地區(qū)地震波形的基本形態(tài)，進而確定震相信息以及傳播介質(zhì)的構(gòu)造特征。

地震發(fā)生時，震中距不同，記錄的波形特征也不同。一般，近震的震中距范圍在100—1 000 km，常見Pn、Pg、Sn、Sg 震相。不同地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)不同，地下介質(zhì)存在差異，受地殼結(jié)構(gòu)不均勻性的影響，震相波形記錄存在明顯的地區(qū)差異。本文中，對新疆且末國家數(shù)字地震臺（且末臺）記錄的特定區(qū)域數(shù)字地震波形進行短周期仿真以識別震相，運用MATLAB 軟件進行短時傅里葉變換（STFT），分析震相時頻變化特征。對近震波形和震相特征進行歸納總結(jié)，以提高震相識別水平，提升地震分析工作質(zhì)量。希望通過對特定區(qū)域震相的研究，深化認(rèn)識地震孕育和發(fā)生規(guī)律。

1 觀測背景

1.1 臺站介紹

且末臺位于新疆巴音郭楞蒙古自治州且末縣阿羌鄉(xiāng)東南（圖1）。臺基巖性為灰紅色、灰白色花崗巖。巖石總體呈中等塊狀，完整性較好。且末臺地處阿爾金山褶皺山系與塔里木盆地的交匯部位，屬青藏亞板塊阿爾金強烈隆起區(qū)北緣（陳宣華等，2001）。臺站以北為塔里木凹陷沉積區(qū)沖洪積扇，以南為早古生代海相碎屑巖地層及巖漿巖組成的中高山區(qū)。近EW 向阿爾金斷裂帶穿過臺站以北地區(qū)，且沿斷裂帶有零星花崗巖和超基性巖分布。

圖1 且末地震臺及所選地震分布Fig.1 Distribution of the Qiemo Seismic Station and selected earthquakes

且末臺觀測環(huán)境較為理想，干擾相對較少。臺站配備BBVS-120 甚寬頻帶地震計和EDAS-24IP 數(shù)據(jù)采集器，采用光纖專線傳輸數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

1.2 研究區(qū)域構(gòu)造背景

和田地區(qū)昆侖山北緣至新疆、西藏、青海3 省交界的特定研究區(qū)域，東西長達820 km，地殼平均厚度60—80 km。該區(qū)地處青藏高原北側(cè)，受印度板塊與歐亞板塊持續(xù)不斷的擠壓、碰撞、抬升作用的影響（羅文行等，2008），構(gòu)造運動強烈，地震活動頻度較高。

研究區(qū)內(nèi)主要分布阿爾金斷裂帶和康西瓦斷裂帶。阿爾金斷裂帶位于青藏高原北緣，自西昆侖山構(gòu)造帶NE 向延伸至祁連山，全長達1 600 km，由多條長達數(shù)百千米的斷裂組合而成，是中國西部一條著名的左旋走滑斷裂帶，主斷面多向ES 傾斜，產(chǎn)狀較陡，傾角50°—70°（國家地震局，1992）?？滴魍邤嗔褞挥谇嗖馗咴鞅辈?，喜馬拉雅帕米爾西構(gòu)造結(jié)東南部，北鄰西昆侖地體，南與甜水海地體相連，在中國境內(nèi)延伸約1 000 km，是一條長期活動的斷裂，由多條糜棱巖帶、片理化帶和角礫巖帶組成，斷層面相對較陡，傾向N，傾角65°—85°（張志德等，1987；李向東等1996）。

2 資料選取

在地震分析工作中發(fā)現(xiàn)，且末臺記錄的某些特定區(qū)域的近震波形特征與其他區(qū)域明顯不同，對于震中距在100—1 000 km 的地震，其波形均具有明顯的遠震面波特征。為更好地分析且末臺記錄的震相特征，以地震活動頻繁的和田地區(qū)昆侖山北緣至新疆、西藏、青海3 省交界的特定區(qū)域為研究區(qū)，選取2009 年1 月1 日至2019 年12 月31 日在研究區(qū)發(fā)生的31 個震相清晰的MS4.0—5.0 天然地震（震中距200—600 km）進行震相分析。所選地震參數(shù)見表1（以中國地震臺網(wǎng)中心地震目錄中的參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)），震中位置見圖1。

表1 且末臺記錄的31 個地震事件參數(shù)Table 1 Parameters of 31 earthquakes recorded at Qiemo Seismic Station

3 震相特征分析

近震是指震中距小于1 000 km 的地震。近震地震波包括直達波、反射波和首波（中國地震局監(jiān)測預(yù)報司，2007）。對于震中距600 km 左右的淺源地震，Pn、Sn 為主要體波。限于篇幅，以在特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生的2012 年2 月20 日新疆和田地區(qū)和田縣MS4.8、2018 年2 月15 日新疆和田地區(qū)于田縣MS4.5、2019 年7 月4 日西藏那曲市雙湖縣MS4.2 地震事件為典型震例，分析且末臺地震波形特征。

3.1 仿真記錄

3.1.1 新疆和田地區(qū)和田縣MS4.8 地震。2012 年2 月20 日21 時59 分，新疆和田地區(qū)和田縣發(fā)生MS4.8 地震（35.83°N，79.78°E），震源深度8 km，震中距535 km，且末臺記錄到地震在莫霍界面產(chǎn)生的Pn 波、Sn 波首波，原始波形曲線（掃描時間300 s）見圖2(a)。由圖2(a)可知原始波形記錄具有以下顯著特征：①Pn 首波初動較弱；②Sn 震相不易識別，清晰度不高，能量衰減較快；③S 波列后具有明顯的遠震面波特征，周期較大，振幅較強，波列持續(xù)時間較長，衰減緩慢。

將原始波形記錄進行短周期（W.A）仿真，波形記錄見圖2(b)，可見仿真波形與原始地震波形特征區(qū)別不大。

圖2 新疆和田地區(qū)和田縣MS 4.8 地震波形曲線(a)原始波形；(b)短周期仿真波形Fig.2 Waveform curve of the Hetian MS 4.8 earthquake in Hetian area,Xinjiang

3.1.2 新疆和田地區(qū)于田縣MS4.5 地震。2018 年2 月15 日18 時17 分在新疆和田地區(qū)于田縣發(fā)生MS4.5 地震（35.87°N，82.23°E），震源深度9 km，震中距330 km，且末臺記錄到地震在莫霍界面上產(chǎn)生的Pn、Sn 波首波，原始波形曲線（掃描時間300 s）見圖3(a)。由圖3(a)可知原始波形具有以下顯著特征：①Pn 首波震相清晰，初動較強；②Sn 波發(fā)育不完全，清晰度不高，能量衰減較快；③后續(xù)波形具有清晰的遠震面波特征，震相清晰干凈，周期、振幅較大。

將原始波形進行短周期（W.A）仿真，波形記錄見圖3(b)，可見仿真波形與原始震相特征無明顯區(qū)別。二者的顯著特征是面波清晰，發(fā)育較好。

圖3 新疆和田地區(qū)于田縣MS 4.5 地震波形曲線(a)原始波形；(b)短周期仿真波形Fig.3 Waveform curve of the Yutian MS 4.5 earthquake in Hetian area,Xinjiang

3.1.3 西藏那曲市雙湖縣MS4.2 地震。2019 年7 月4 日23 時13 分，西藏那曲市雙湖縣發(fā)生MS4.2 地震（35.95°N，87.10°E），震源深度8 km，震中距207 km，且末臺原始波形記錄曲線（掃描時間300 s）見圖4(a)，將原始波形進行短周期（W.A）仿真，得到仿真波形曲線，見圖4(b)。由圖4(a)可見原始波形具有以下顯著特征：①直達波Pg 震相清晰，初動較強；②Sg 波發(fā)育不完全，清晰度不高，能量衰減較快；③后續(xù)波形具有清晰的遠震面波特征，波列周期長、振幅較大。

圖4 西藏那曲市雙湖縣MS 4.2 地震的波形曲線(a)原始波形；(b)短周期仿真波形Fig.4 Waveform curve of the Shuanghu MS 4.2 earthquake in Nagqu City,Tibet

由圖4(b)可見，短周期仿真波形與原始波形震相特征無明顯區(qū)別。二者的顯著特征是，幾組面波記錄清晰，發(fā)育較好。

通過對以上3個震例的分析，可知在特定區(qū)域內(nèi)震中距200—600 km范圍內(nèi)MS4.0—5.0天然地震波形具有以下顯著特征：①面波發(fā)育較好，波形具有明顯的遠震面波特征；②S波清晰度不高，發(fā)育不完全，不易被識別，衰減較快，持續(xù)時間較短，與P 波相比，S 波列的周期和振幅明顯較大；③短周期（W.A）仿真波形與原始波形特征區(qū)別不大。

3.2 頻譜特征分析

以2018 年2 月15 日新疆和田地區(qū)于田縣MS4.5、2019 年7 月4 日西藏那曲市雙湖縣MS4.2 地震為例，采用短時傅里葉變換（STFT），對波形記錄進行頻譜分析。

非平穩(wěn)信號x(n)的短時傅里葉變換定義為

式中，w(n)為窗函數(shù)。通過滑動窗函數(shù)截取某段觀測信號，對不同時刻的短時信號進行傅里葉變換，對于每個不同時間間隔，均可得到一個不同頻譜，這些頻譜的總體就構(gòu)成一個時頻分布，即頻譜圖（萬永革，2012）。

選取2個近震震例波形，截取0—1.5 Hz頻率成分，使用MATLAB軟件進行時頻分析（萬永革，2012），得到地震波形時頻圖，見圖5。

3.2.1 2018 年2 月15 日新疆和田地區(qū)于田縣MS4.5 地震。由圖5(a)可見：①P 波初至到時約120 s，周期較小，波列周期約2 s，存在低頻、高頻信號，頻率范圍為0.5—1.2 Hz，振幅較?。虎诘綍r大于170 s，S 波列周期較大，最大周期約7 s，顯示出遠震面波周期特征，以低頻信號為主，頻率集中分布在0.15—0.3 Hz，到時在170—210 s，S 波振幅較大，圖中以高亮色彩顯示，到時約230 s，S 波尾波出現(xiàn)，波列周期約3 s，周期相對較大，主要是低頻信號，頻率范圍為0.3—0.5 Hz。

3.2.2 2019 年7 月4 日西藏那曲市雙湖縣MS4.2 地震。由圖5(b)可見：①P 波初至到時約60 s，周期較小，波列周期約2 s，存在低頻、高頻信號，頻率范圍為0.5—1.3 Hz，振幅相對較?。虎诘綍r大于100 s，S 波列周期較大，最大周期約7 s，顯示出遠震面波周期特征，以低頻信號為主，頻率集中分布在0.15—0.3 Hz，到時在120—150 s，S 波振幅較大，圖中以高亮色彩顯示，到時約160 s，S 波尾波出現(xiàn)，波列周期約3 s，周期相對較大，主要是低頻信號，頻率范圍在0.3—0.5 Hz。

圖5 所選地震波形記錄時頻分析(a)2018 年2 月15 日新疆和田地區(qū)于田縣MS 4.5 地震；(b)2019 年7 月4 日西藏那曲市雙湖縣MS 4.2 地震Fig.5 Time frequency analysis for the earthquake waveform records

通過對震例波形的時頻分析，得到該特定區(qū)域地震波頻率特征。S 波列和S 波尾波以低頻信號為主，頻率集中分布在0.15—0.5 Hz 范圍內(nèi)，且波列周期、振幅相對較大，具有遠震面波周期及頻率特征，表現(xiàn)出地震面波的頻散特性。所用處理軟件將P 波前較大周期的地脈動加入計算，導(dǎo)致P 波出現(xiàn)之前有一些低頻干擾。

3.3 特定區(qū)域震相產(chǎn)生原因

由且末臺對特定區(qū)域的近震波形記錄可知，波形具有明顯的遠震面波特征。參考以往觀測記錄，認(rèn)為特定區(qū)域近震波形出現(xiàn)面波特征有以下原因：①震源較淺，例如爆破、塌陷，發(fā)生在介質(zhì)密度相對較低、疏松的地表巖層（王林昌等，2011）；②地殼構(gòu)造破碎、不完整，地殼構(gòu)造松散，密度不均勻，對波列有放大、吸收、衰減作用，使其傳播頻率發(fā)生變化（王林昌等，2011）；③水庫、斷層阻隔，波列被大型水庫阻隔或斷層隔斷，從而發(fā)生變化（王林昌等，2011）；④地震波在傳播過程中有能量消耗，包含幾何擴散和物理吸收，特別是地表低速帶的存在，對高頻成分的地震波具有較強的吸收作用（夏江海，2015），使地震波高頻成分被“過濾”。

結(jié)合所選區(qū)域?qū)嶋H情況，排除水庫阻隔或斷層隔斷原因。因所選震例均為天然地震事件，排除爆破、塌陷原因。該震相的產(chǎn)生，應(yīng)與該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造背景有關(guān)。受印度板塊與歐亞板塊碰撞的影響，研究區(qū)構(gòu)造運動強烈，地震活動頻度較高。地震發(fā)生后，地震波在不同地塊中傳播，結(jié)合近震地震波的傳播路徑，可知波的傳播路程短，穿透深度小，所經(jīng)界面是上地殼、下地殼、上地幔（劉瑞豐等，2014）。各地塊地殼厚度變化及巖石的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和密度不同，彈性參數(shù)變化也不同，波速、傳播方向、振幅方向和振幅衰減等具有差異，地震波的衰減也不同。據(jù)顧芷娟等（2000）的研究，青藏高原地殼分層特征較明顯，普遍存在波速為5.6—5.7 km/s 的低速層。受地表低速層影響，地震波高頻成分被過濾、吸收。因此，該研究區(qū)域出現(xiàn)的震相特征與地表低速帶對高頻信號的吸收、過濾有關(guān)。

4 結(jié)論

由且末臺對特定區(qū)域近震波形記錄分析可知，該區(qū)域震相具有以下共同特征：①近震波形具有明顯的遠震面波特征，且面波發(fā)育較好；②與P 波相比，S 波列周期、振幅明顯較大，但S 波清晰度不高，發(fā)育不完全，不易被識別，且衰減較快，持續(xù)時間較短；③短周期仿真波形與原始震相無明顯區(qū)別。

運用MATLAB 軟件對波形進行頻譜分析，得到該特定區(qū)域內(nèi)地震波具有以下特征：①P 波列周期約2 s，頻率范圍在0.5—1.3 Hz，振幅較小；②S 波列周期較大，最大周期約7 s，頻率集中分布在0.15—0.3 Hz；③S 波尾波列周期約3 s，頻率范圍在0.3—0.5 Hz。

所選區(qū)域地處青藏高原北緣，受到印度板塊與歐亞板持續(xù)不斷的擠壓、抬起作用的影響，板塊運動活躍，地震斷裂帶發(fā)育，在阿爾金斷裂帶和康西瓦斷裂帶的共同作用下，且末臺記錄到研究區(qū)域地震波形特征明顯不同于其他地區(qū)。青藏高原普遍存在低速帶，對高頻信號有吸收作用。分析認(rèn)為，該區(qū)域地震波形存在面波特征與當(dāng)?shù)氐貧?gòu)造和淺層低速沉積層有密切關(guān)系；結(jié)合近震地震波的傳播路徑，可知地震波傳播路程短，穿透深度小，所經(jīng)界面是上地殼、下地殼、上地幔（劉瑞豐等，2014），傳播過程中有能量損失，使波列衰減較快，持續(xù)時間較短；受地殼結(jié)構(gòu)不均勻、不完整的影響，S 波在地殼內(nèi)經(jīng)過折射，能量消耗較多，衰減較快，震相波形不清晰。對該特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生的地震開展深入研究，有助于了解其內(nèi)部構(gòu)造，對加快實施透明地殼計劃有一定推動作用。