利用SSR法研究鐘祥臺(tái)Lg波尾波衰減特征

趙 瑞 朱新運(yùn) 李俊超

1 中國(guó)地震局地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢市洪山側(cè)路40號(hào),430071 2 湖北省地震局，武漢市洪山側(cè)路48號(hào),430071 3 浙江省地震局，杭州市塘苗路7號(hào),310013

Lg波是攜帶地震波能量的主要成分，因而常被用于研究地殼淺層介質(zhì)的地震波衰減，其波形可以被區(qū)域性短周期寬頻帶地震儀清晰地記錄到。本文使用單臺(tái)疊加頻譜比法(簡(jiǎn)稱SSR法)[1]進(jìn)行計(jì)算，該方法將Lg波尾波部分分割成等長(zhǎng)數(shù)據(jù)并計(jì)算傅氏譜，在頻率域建立頻率與對(duì)應(yīng)譜平均幅度之間的關(guān)系，通過(guò)擬合獲得衰減參數(shù)。該方法可以極大地削弱在頻譜疊加過(guò)程中與地殼介質(zhì)固有衰減部分無(wú)關(guān)的物理效應(yīng)，從而突出臺(tái)站下面地殼介質(zhì)的固有衰減部分[2-3]。

本文研究對(duì)象為鐘祥臺(tái)。鐘祥臺(tái)是國(guó)家臺(tái)，每年出現(xiàn)Lg波的地震雖然不是很多，但可以從以往的地震目錄中找出符合震中距范圍內(nèi)的區(qū)域地震來(lái)研究Lg波尾波的衰減特征，以便發(fā)現(xiàn)臺(tái)站下面的地殼結(jié)構(gòu)中影響地震波衰減的主要成分。

1 構(gòu)造背景

鐘祥地震臺(tái)位于鐘祥市東10 km處的盤石嶺林場(chǎng)內(nèi)。臺(tái)站在地質(zhì)構(gòu)造上位于鄂中北北西向斷裂系統(tǒng)東側(cè)，大洪山隆起西南緣，臺(tái)基為晚白堊系鈣質(zhì)礫巖，膠結(jié)完好，臺(tái)站西側(cè)為晚中生代北北西向的漢水地塹帶。主要斷裂分布如圖1所示。

圖1 鐘祥地區(qū)的大地構(gòu)造和主要斷裂分布

2 數(shù)據(jù)資料及處理

2.1 數(shù)字地震波資料基本情況

使用鐘祥臺(tái)記錄的2010～2020年發(fā)生在湖北區(qū)域內(nèi)的地震。在數(shù)據(jù)選擇上，首先保證各記錄波形具有清晰的Lg波尾波，其次排除震中距過(guò)大、震級(jí)過(guò)小的地震，最后截取數(shù)據(jù)時(shí)確保地震波形兩端有一定長(zhǎng)度的背景噪聲。由于湖北處于弱震區(qū)，為了準(zhǔn)確呈現(xiàn)研究結(jié)果，從50個(gè)地震中選擇30個(gè)震級(jí)較大的作為研究對(duì)象。使用SSR方法時(shí)只需要用到地震事件的垂直分量，同時(shí)在單臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算中，Lg波尾波的起算點(diǎn)選為2TS(TS代表S波的走時(shí))，當(dāng)尾波小于背景噪聲水平時(shí)可作為L(zhǎng)g波的截止點(diǎn)(通常在P波前選擇一定時(shí)間段數(shù)據(jù)作為背景噪聲水平)，按照等長(zhǎng)時(shí)間窗及固定移動(dòng)步長(zhǎng)依次截取信號(hào)數(shù)據(jù)，計(jì)算信號(hào)與噪聲的均方根振幅比，當(dāng)信噪比小于設(shè)置初值時(shí)視為有效尾波窗。由于距離臺(tái)站不同方位發(fā)生的地震不同，故尾波走時(shí)不同，因此，在設(shè)定理論固定長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，人工微調(diào)起止點(diǎn)，以減小計(jì)算誤差。

2.2 資料處理

利用SSR方法對(duì)鐘祥臺(tái)記錄的周邊地震Lg波尾波進(jìn)行衰減分析，首先將evt格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為軟件讀取的asc格式，之后舉例說(shuō)明方法和資料處理的過(guò)程(圖2)。使用的震例震情信息如下：發(fā)震時(shí)刻為北京時(shí)間2019-12-26 18：36：34，地點(diǎn)為湖北孝感市應(yīng)城市楊嶺鎮(zhèn)(30.87°N，113.40°E)，震級(jí)為M4.9，震源深度為10 km。圖2中Tnoise為根據(jù)噪聲水平截?cái)嘈盘?hào)點(diǎn)，實(shí)際計(jì)算使用的是尾波截?cái)帱c(diǎn)TLg-end，TLg-coda為尾波起算點(diǎn)，TP為縱波走時(shí)，TS為橫波走時(shí)[4]。圖2中紅色線條代表程序自動(dòng)識(shí)別的P波和S波到時(shí)以及尾波的起算點(diǎn)，綠色線條為手動(dòng)調(diào)整的起算點(diǎn)，一般信噪比高的地震二者會(huì)重合，其余地震需要手動(dòng)調(diào)節(jié)才能得出結(jié)果。

圖2 使用SSR方法時(shí)Lg波尾波時(shí)間關(guān)系

圖3為利用SSR方法分析單個(gè)地震事件結(jié)果，圖中“+”表示各不同頻率處的實(shí)測(cè)SSR值，實(shí)線為擬合結(jié)果。經(jīng)擬合計(jì)算Q0=693.00，運(yùn)用固定速度窗方法截取Lg波段[5]，速度窗上限設(shè)置為3.65 km/s，下限設(shè)置為2.60 km/s。對(duì)截取得到的Lg波段補(bǔ)零至2的整數(shù)次方倍長(zhǎng)，用快速傅里葉變換計(jì)算傅氏譜，同時(shí)在P波初動(dòng)前取與Lg波等長(zhǎng)數(shù)據(jù)段作為噪聲(圖2)計(jì)算信噪比。將信噪比在研究頻率范圍內(nèi)大于2的數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)，對(duì)Lg波的傅氏譜以3個(gè)頻率采樣步長(zhǎng)平滑Lg波譜(圖4)。為防止譜泄漏，在兩端再加2%的余弦窗進(jìn)行傅里葉變換、儀器校正、幾何衰減校正等。

圖3 利用SSR方法分析單個(gè)地震事件

圖4 圖3中Lg波速度窗截取分段的波譜圖

3 結(jié)果與分析

考慮到發(fā)生在湖北境內(nèi)的地震不多，從歷年來(lái)臺(tái)站記錄到的50個(gè)地震中篩選出30個(gè)震級(jí)稍大的作為研究對(duì)象，減去區(qū)域疊加的部分，最終形成以鐘祥臺(tái)為中心的16個(gè)輻射狀的路徑(編號(hào)1～16)，研究臺(tái)站周邊區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)的斷裂帶Q0值變化情況，結(jié)果如圖5及表1所示?？梢钥闯?，路徑3、4、6、10、11、13、14、16所對(duì)應(yīng)的Q0值范圍約在130～200，表明這些路徑位于斷裂區(qū)，其Q0值為低值特性。路徑1、2、7、9、12、15表明，在離開斷裂區(qū)時(shí)Q0有上升趨勢(shì)，其值在200～400之間，即構(gòu)造活動(dòng)明顯減弱；路徑5、8的Q0值大于600，顯示其處在非斷裂區(qū)域，構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較弱。

表1 地震信息

圖5 鐘祥臺(tái)所接收的地震射線路徑

4 結(jié) 語(yǔ)

構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的Q0值并不是固定不變的[6]，而是與該地區(qū)最新的一次構(gòu)造活動(dòng)距現(xiàn)在的時(shí)間相關(guān)。Mitchell[7]認(rèn)為，構(gòu)造活動(dòng)區(qū)裂隙密度最大，并且產(chǎn)生熱，導(dǎo)致殼幔中的水熱反應(yīng)；流體一經(jīng)釋放，就會(huì)通過(guò)裂縫向上移動(dòng)，并最終停留在地殼，所以構(gòu)造活動(dòng)區(qū)呈現(xiàn)低Q0值。由于裂隙充滿了流體，地震波的散射加強(qiáng)，能量衰減，Q0值下降；之后，隨著流體體積變小，Q0值上升，從而導(dǎo)致路徑1、2所在區(qū)域Q0值有一定差異。

本文利用SSR方法計(jì)算單臺(tái)記錄的湖北區(qū)域地震Q0值，結(jié)果表明，Q0值分布與構(gòu)造活動(dòng)密切相關(guān)，較低的Q0值分布在構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)的區(qū)域，主要集中在斷裂周圍；在遠(yuǎn)離斷裂的區(qū)域其構(gòu)造活動(dòng)比較穩(wěn)定，Q0值較高。以鐘祥臺(tái)為中心，其構(gòu)造活動(dòng)的整體分布基本呈現(xiàn)東低西高、南高北低的特征。