2020年1月19日伽師MS6.4地震序列尾波QC值特征研究①

郭 寅， 劉建明

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

尾波QC值是描述地球介質(zhì)非均勻程度的重要指標之一，反映地震到觀測臺站之間的橢球體的介質(zhì)性質(zhì)。QC值的變化能夠反映構造應力的變化，通常認為地震活動頻繁的地區(qū)QC值相對較低，地震活動相對平靜的地區(qū)QC值則較高，因此可以運用這一特性來探討地震的震兆特征和判定地震序列發(fā)展的趨勢。Aki首次提出尾波散射理論，解釋了尾波的形成原因，并提出了臺、源重合情況下的尾波衰減系數(shù)計算方法[1-2]。Sato和Pulli對Aki尾波計算方法進行了必要的修正(即Sato模型)[3-4]。數(shù)字臺網(wǎng)的建立為尾波QC值的計算提供了豐富的數(shù)字地震波形資料。馬宏生通過計算云南地區(qū)尾波QC值，認為未來幾年云南比較危險的區(qū)域可能位于滇中塊體的東南邊界附近、滇中塊體的西南部及其西邊界附近[5]。王偉君計算了1999年11月29日岫巖MS5.4地震序列QC值，研究結(jié)果表明QC在大震前后存在震前QC增高，震后降低的現(xiàn)象[6]。李瓊計算云南2009年姚安MS6.0地震余震尾波QC值時發(fā)現(xiàn)主震發(fā)生后頭幾天，尾波Q值(1.5 Hz)波動較大，之后在±1.5倍方差線內(nèi)趨于穩(wěn)定，且沒有超過MS5.0的強余震發(fā)生，認為這一現(xiàn)象可為該區(qū)震后趨勢判定提供參考依據(jù)[7]。2020年1月19日新疆伽師縣發(fā)生MS6.4地震，震前地磁、形變和測震學等都出現(xiàn)了不同程度的異常[8-10]。伽師MS6.4地震前一天在震區(qū)發(fā)生MS5.6前震，此地震構成前-主-余型地震。伽師地區(qū)屬于南疆人口密集地區(qū)，地震多發(fā)，地震序列復雜。歷史上曾發(fā)生了1997～1998年伽師6級地震震群和2003年2月24日伽師MS6.8地震，伽師MS6.8地震序列為主震余震型。因此，準確及時的對該區(qū)域的地震類型做出判斷就顯得較為迫切和重要。新疆已于2008年完成數(shù)字化改造，為伽師地區(qū)尾波計算提供了寶貴的基礎資料，且該區(qū)域的監(jiān)測能力可達ML2.5[11-13]。

1 地震概況及資料選取

據(jù)新疆數(shù)字地震臺網(wǎng)測定，北京時間2020年1月19日21時27分55秒，新疆伽師縣發(fā)生MS6.4地震，微觀震中位置為39.83°N，77.21°E，震源深度16 km。為了保證數(shù)字波形的質(zhì)量，確保尾波QC值計算值準確可靠，本次研究選擇2020年1月19日至4月20日新疆地震臺網(wǎng)記錄的ML≥2.5余震波形資料，計算波形資料應滿足記錄清楚，信噪比較高；尾波足夠長且波形連續(xù)的條件。按照上述要求，為了保證余震都在臺站周圍60 km范圍內(nèi)，選擇八盤水磨臺和西克爾臺，2個臺站的基本信息見表1。本文中計算了伽師MS6.4地震序列中近100個余震的尾波QC值。圖1為伽師MS6.4地震序列震中及臺站分布圖，可以看出八盤水磨臺和西克爾臺分別位于主震西側(cè)和東側(cè)，余震多發(fā)生在主震的北面和西面，呈東西向展布。

圖1 伽師MS6.4地震序列及臺站位置分布Fig.1 Earthquake sequence of Jiashi MS6.4 earthquake and station distribution

表1 臺站信息

2 方法及原理

本次研究擬采用Aki單次散射模型。求尾波Q值首先得求某一中心頻率的一定帶寬濾波器濾波后的尾波振幅A(f,t)，尾波振幅可表示為

A(f,t)=S(f)·t-u·e-πft/QC(f).

(1)

式中，S(f)為震源因子，t為從發(fā)震時刻算起的地震波流逝時間，u為常數(shù)(體波的u=1，面波u=0.5)。由于本次研究擬采用的數(shù)據(jù)均是近震，故取u=1，QC(f)為對應于中心頻率點f的尾波Q值，A(f,t)為對應t時刻一個采樣周期的幅度最大值。

對公式(1)兩邊取自然對數(shù)，可得

ln(A(f,t)·tu)=lnS(f)-a·t.

(2)

由于ln(A(f,t)·tu)和t之間存在線性關系，做線性擬合求出a，

(3)

求出α后，根據(jù)公式(3)可得

(4)

QC(f)=Q0(f)η.

(5)

對公式(5)兩邊取對數(shù)可得

lnQC(f)=lnQ0+ηlnf.

(6)

最后采用最小二乘法得出Q0和η值。

運用朱新運編制的震源參數(shù)程序，分析的尾波頻率是4～18 Hz，選用6階Butterworth帶通濾波器進行濾波。圖2為2020年1月20日15時33分31秒MS4.0余震西克爾臺計算實例。

圖2 2020年1月20日15時33分31秒MS4.0余震西克爾臺計算實例(a) 波形截取 (b) 垂直向f=11 Hz時的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果 (c) 三分量數(shù)據(jù)結(jié)果 (d) 平均數(shù)據(jù)結(jié)果Fig.2 Calculation example of MS4.0 aftershock by XKR station at 15:33:31 on January 20, 2020

3 尾波QC值計算結(jié)果及分析

3.1 計算結(jié)果

利用Aki模型計算八盤水磨臺97個余震尾波QC值和88個西克爾臺余震尾波QC值。計算結(jié)果顯示，八盤水磨臺尾波QC值在67.9～461.8之間，平均尾波Q0值為269.8，平均η值為0.75，QC值和頻率的擬合關系為QC=269.8±103.3f0.75±0.16；西克爾臺尾波QC值在96.9～467.0之間，平均尾波Q0值為267.2，平均η值為0.72，QC值和頻率的擬合關系為QC=272.5±100.2f0.72±0.15。西克爾的尾波QC值和八盤水磨臺QC值的計算結(jié)果相當。尼魯帕爾計算的八盤水磨臺的尾波Q0值為300.9，西克爾臺尾波Q0值為310.5[14]。計算結(jié)果稍微低于尼魯帕爾計算的結(jié)果，這可能是由于主震發(fā)生后震源區(qū)破碎程度較高造成的。根據(jù)八盤水磨臺和西克爾臺可得出伽師震源區(qū)的尾波衰減是267.2，平均值為0.74，QC值和頻率的擬合關系為QC=267.2±101.54f0.74±0.15。李志海計算的伽師地區(qū)的尾波Q0值為213[15]，低于本文中計算結(jié)果。這可能與用于計算的臺站和計算時間段有關。李志海利用的是伽師地區(qū)及附近11個臺站2007年8月至2008年9月的波形數(shù)據(jù)，代表了當時的介質(zhì)品質(zhì)因子。本文中是利用伽師MS6.4地震序列的波形資料計算的數(shù)據(jù)，僅代表震源區(qū)震后的介質(zhì)品質(zhì)因子。

3.2 尾波QC隨時間變化特征

對于地震前后尾波QC值的變化特征，研究者在不同地區(qū)得出不同的結(jié)論。有的研究者認為中強地震前后存在震前下降，震后變大的現(xiàn)象。如錢曉東研究云南施甸MS5.9地震尾波序列時發(fā)現(xiàn)最大余震發(fā)生前尾波QC值出現(xiàn)了低值現(xiàn)象[16]。有的研究者則認為地震序列中強余震發(fā)生前存在高的尾波QC值，如張北序列中1999年3月11日MS5.6強余震前出現(xiàn)了高值異常[17]。呂堅在研究九江—瑞昌地震序列的尾波QC值時則發(fā)現(xiàn)很難找出強余震前的尾波QC值異常特征[18]。2020年1月19日伽師MS6.4地震后發(fā)生了2次強余震，分別為2020年1月19日MS5.2和2月21日MS5.1地震。圖3給出了八盤水磨臺伽師MS6.4地震序列的尾波QC值的時序曲線圖。由圖3可見，伽師MS6.4地震發(fā)生后，該序列的尾波QC值處于高低值波動狀態(tài)，主震后2小時發(fā)生了本次地震的最大余震MS5.2地震，最大余震后尾波QC值仍處波動狀態(tài)，2020年1月25日后尾波QC值出現(xiàn)低值現(xiàn)象，2月13日后出現(xiàn)高值，在高值過程中發(fā)生了MS5.1強余震。地震發(fā)生后，序列尾波值處于波動狀態(tài)。由圖4可見，西克爾臺的尾波QC值變化趨勢和八盤水磨臺一致。主震發(fā)生后一段時間尾波QC值處于波動狀態(tài)，1月23日之后出現(xiàn)低值，2月10日尾波QC值出現(xiàn)高值，在高值過程中發(fā)生了MS5.1余震，該余震發(fā)生后尾波QC值呈波動狀態(tài)。

圖4 伽師MS6.4地震序列西克爾臺尾波QC值時序進程圖Fig.4 Seismic sequence of coda QC at XKR station on Jiashi MS6.4 earthquake

綜合八盤水磨臺和西克爾臺的尾波QC隨時間的變化特征，可將伽師MS6.4地震余震序列的尾波QC值分為3個階段。第1階段是尾波QC值高低值波動階段，時間跨度為地震發(fā)生后7 d內(nèi)，這一段內(nèi)發(fā)生了MS5.2余震，屬于在波動階段發(fā)生的余震。由于MS5.2余震是震后2 h發(fā)生的，可能是受到震后應力調(diào)整的影響。第2階段是震后8 d到MS5.1余震發(fā)生前，此時尾波QC值出現(xiàn)低值現(xiàn)象，高值回返后發(fā)生了MS5.1余震。第3階段是MS5.1地震后，MS5.1地震后尾波QC值處于波動，此時余震活動也較弱，意味著地震序列將逐漸進入平靜時段。伽師MS6.4地震的尾波QC值的變化特征也和低介質(zhì)品質(zhì)因子代表了構造活動較強這一認識一致。

4 結(jié)論和討論

(1) 利用Aki模型計算了八盤水磨臺和西克爾臺伽師MS6.4余震序列中ML≥2.5地震的尾波QC值，得出其尾波QC值分別為67.9～461.8和96.9～467.0，二者的平均尾波Q0值分別為269.8和272.5，平均值為0.75和0.72，QC值和頻率的擬合關系分別為QC=269.8±103.3f0.75±0.16和QC=272.5±100.2f0.72±0.15。伽師MS6.4地震震區(qū)的尾波Q0值為267.2，平均值為0.74，QC值和頻率的擬合關系為QC=267.2±101.54f0.74±0.15。

(2) 由于構造不同，地震活動背景不同，不同學者對地震序列中尾波QC值對余震的判定作用持不同的態(tài)度，有的認為會出現(xiàn)高值或者低值異常，有的則認為無法判定。伽師MS6.4地震后，序列的尾波QC值較處于高低值波動狀態(tài)。震后7 d，尾波QC值出現(xiàn)低值，高值回返后，發(fā)生了MS5.1余震，此后尾波QC值又恢復高低值波動狀態(tài),此時地震序列衰減也比較正常。

(3) 對伽師MS6.4地震余震序列尾波QC值計算后發(fā)現(xiàn)，MS5.1強余震發(fā)生前會出現(xiàn)“低值-高值-發(fā)震”的現(xiàn)象，但是由于對該區(qū)MS≥6.0地震序列的尾波QC值研究較少，震例較少，因此無法判定此現(xiàn)象是否屬于該區(qū)6級地震序列尾波QC值的共同特征。值得注意的是，本次地震發(fā)生前未出現(xiàn)MS5.1余震尾波QC異?，F(xiàn)象，主要是因為此次余震距主震的發(fā)震時間僅2 h，受主震的影響較大，認為運用尾波QC值在震后幾小時內(nèi)判定后續(xù)余震的發(fā)震情況還不可取。因此，MS5.1強余震發(fā)生前的“低值-高值-發(fā)震”的現(xiàn)象可在后續(xù)該區(qū)的MS≥6.0 地震余震判定中起參考作用，但判定效果也有待進一步檢驗，仍需結(jié)合該區(qū)的地質(zhì)構造、地震活動特征等綜合判定余震發(fā)展趨勢。