基于Sato模型研究?jī)?nèi)蒙古赤峰及周邊地區(qū)尾波Q值特征

李 娟，韓曉明，裴東洋，王祿軍

（內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局,呼和浩特 010010）

0 引言

Q值的求解可追溯至1969年由Aki首次提出的散射模型，該模型解釋了尾波的形成過程，即地震波在地殼和上地幔遇到不均勻體時(shí)發(fā)生的散射，可使用單臺(tái)單源法計(jì)算出震源和記錄臺(tái)站的橢球范圍內(nèi)的介質(zhì)品質(zhì)因子。Sato等[8]對(duì)Aki等的尾波計(jì)算方法進(jìn)行了必要的修正，將S波和尾波聯(lián)合并用，得到了適合短尾波記錄的Sato模型。中國學(xué)者利用Sato模型進(jìn)行了大量的Q值研究，王偉君和劉杰[9]利用近場(chǎng)臺(tái)站岫巖臺(tái)和營口臺(tái)波形資料，分析了1999年岫巖地震序列，認(rèn)為震前QC值增高，震后降低；李繼業(yè)等[10]分析了依舒斷裂帶北段QC值，發(fā)現(xiàn)QC值低值區(qū)為地下介質(zhì)復(fù)雜區(qū)域；陳婷等[11]分析了唐山地區(qū)QC值時(shí)空分布特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)震群易發(fā)生在Q值相對(duì)較低區(qū)域；翟浩等[12]計(jì)算了內(nèi)蒙古東北部地區(qū)QC值，發(fā)現(xiàn)北部偏高，南部偏低的特點(diǎn)。

內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰地區(qū)近年來小震頻次較高，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，是地震監(jiān)測(cè)重點(diǎn)區(qū)域[13]。本文利用Sato模型[8]，使用朱新運(yùn)等[14]研制的近震尾波QC值計(jì)算分析軟件，對(duì)赤峰及周邊地區(qū)17個(gè)臺(tái)站記錄的2013年以來ML≥2.5地震進(jìn)行尾波QC值計(jì)算分析，通過考察赤峰及周邊地區(qū)Q值的時(shí)空演化特征，分析該地區(qū)地下結(jié)構(gòu)非均勻性和衰減特征，評(píng)估區(qū)域地殼介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)，挖掘可能的孕震信息。

1 理論與方法

根據(jù)Sato模型[8，15-16]，在一定頻率下，尾波振幅與實(shí)踐的函數(shù)關(guān)系可表示為

式中：AS是S波的最大振幅，AC（t）是流逝時(shí)間t附近的尾波均方根振幅，K 及 AC（t）分別由（2）、（3）式給出，K是依賴時(shí)間的傳播因子。

AT為所取時(shí)間窗內(nèi)地震波均方根振幅，An為P波到達(dá)前適當(dāng)時(shí)間段記錄的均方根振幅，用以進(jìn)行地震波的噪聲校正[17-18]。其中a=t/tS，t為流逝時(shí)間，tS為S波的流逝時(shí)間，C（f）是與頻率有關(guān)的影響因子，對(duì)相同地震的統(tǒng)一頻率，C（f）為常數(shù)，擬合出F（t）與（t-tS）的線性關(guān)系，得到b，b與Q的關(guān)系由（4）式給出

衰減參數(shù)與頻率的關(guān)系表示為

式中：QC（f）為頻率f時(shí)的尾波衰減參數(shù)，Q0為f=1的尾波衰減參數(shù)，η代表尾波衰減參數(shù)QC對(duì)頻率f的依賴性指數(shù)。

2 資料與數(shù)據(jù)

赤峰市位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東南部，地質(zhì)資料表明，赤峰地區(qū)處在NE向大興安嶺斷塊隆起帶與EW向燕山斷塊隆起帶的交匯部位，其東側(cè)有松遼斷塊凹陷。研究區(qū)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，有NE-NNE、近EW向、NW向3組；NE向斷裂主要分布在大興安嶺隆起帶，是隆起帶主體構(gòu)造線的一部分，有大興安嶺主脊斷裂、嫩江斷裂和八里罕斷裂等，是區(qū)域上的控制性構(gòu)造[19]；EW向斷裂主要展布在松遼盆地及邊緣，長(zhǎng)度較大，有西拉木倫河斷裂、赤峰-開原斷裂等；NW向最少，有兆兒河斷裂（圖1）。歷史上，研究區(qū)曾發(fā)生8次5級(jí)以上地震，震級(jí)最大的為1920年寧城6?級(jí)地震，距今時(shí)間最近的中強(qiáng)地震為2013年通遼5.3級(jí)地震。

小麥種子處理既能剔除雜草種子，又能延遲、減輕紋枯病的發(fā)生，同時(shí)還能防控黑穗病、根腐病等種傳、土傳病害，是生產(chǎn)中最省工節(jié)本、經(jīng)濟(jì)有效的措施，也是促進(jìn)齊苗壯苗的重要手段。因此，“蘇麥188”種子播種前用6%戊唑醇懸浮種衣劑（立克秀）10 mL拌麥種20-25 kg；拌種時(shí)，先用少量清水將藥劑調(diào)拌均勻后，與種子充分拌勻，使藥劑均勻粘在每粒麥種上，隨拌隨播，或短期貯存后播種。

圖1 赤峰及周邊地區(qū)斷裂構(gòu)造、地震及測(cè)震臺(tái)站分布圖

赤峰及周邊地區(qū)有17個(gè)地震觀測(cè)臺(tái)站，空間分布較為均勻，基本覆蓋了整個(gè)研究區(qū)域，地震計(jì)型號(hào)主要為BBVS-60和GL-S60兩種，均為寬頻帶地震計(jì)，具體參數(shù)見表1。本文在計(jì)算中選取的資料起止時(shí)間為2013—2019年，震級(jí)下限ML2.5，共獲取154條地震記錄，其空間及時(shí)間分布見圖1、圖2。

表1 赤峰及周邊區(qū)域臺(tái)站建設(shè)基本參數(shù)

圖2 赤峰及周邊地區(qū)ML≥2.5地震M-t圖

收集波形形態(tài)良好，可以清晰讀取P波、S波震相的地震記錄，從中選取信噪比比較高的有效地震記錄來計(jì)算Q值，經(jīng)篩選，128條地震記錄滿足計(jì)算要求。

3 結(jié)果分析

3.1 計(jì)算結(jié)果

對(duì)赤峰及周邊區(qū)域全部結(jié)果進(jìn)行擬合，地震波衰減參數(shù)可表達(dá)為式（6），研究結(jié)果見圖4。

圖4 全區(qū)域所有臺(tái)站記錄的尾波衰減參數(shù)與頻率關(guān)系

Q0=58.34，標(biāo)準(zhǔn)偏差 25.88，η=0.911 8，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.084 9，屬于低Q0值高η值的構(gòu)造活躍地區(qū)的尾波性質(zhì)[18]。擬合殘差數(shù)據(jù)較好地體現(xiàn)為正態(tài)分布，且主要分布在0值附近，擬合效果較好。

為考察Q0和η值的參數(shù)特征，按地震發(fā)生的先后順序，繪制衰減參數(shù)Q0及對(duì)頻率的依賴參數(shù)η值的分布圖（圖5），從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，赤峰地區(qū)衰減參數(shù)Q0值分布范圍在12.21～148.94，頻率的依賴參數(shù)η值分布范圍在0.61～1.32。衰減參數(shù)Q0與對(duì)頻率的依賴參數(shù)η值成反比，這一規(guī)律與師海闊等[21]和張錦鈴等[22]研究結(jié)果一致，即Q0值越高，QC值對(duì)頻率的依賴性越強(qiáng)，Q0值越低，QC值對(duì)頻率的依賴性越弱。

圖5 衰減參數(shù)Q0與對(duì)頻率的依賴參數(shù)η值隨地震順序分布圖

3.2 Q0值與臺(tái)站基巖巖性的關(guān)系

本文選取17個(gè)臺(tái)站的波形記錄，求取每個(gè)臺(tái)站的平均衰減參數(shù)Q0值及η值（表2），結(jié)果顯示，赤峰周邊臺(tái)站Q0值范圍在48.67～81.66，平均值為59.45，η 值范圍在0.863 7～0.996 2，平均值為0.910 3。

表2 各臺(tái)站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從臺(tái)站平均衰減參數(shù)Q0值分布圖（圖6）上看，Q0值總體呈現(xiàn)西高東低分布。尾波Qc值與區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)及地震活動(dòng)性密切相關(guān)，主要反映了震源和地震臺(tái)站周圍介質(zhì)的平均性質(zhì)[4]。由于研究時(shí)段內(nèi)敖漢旗地震較為活躍，因此XIH臺(tái)Q0值相對(duì)較小，另外FIX臺(tái)、AGL臺(tái)、BEP臺(tái)附近地震活動(dòng)較為活躍，因此其Q0值也相對(duì)較??；而地震活動(dòng)較為平靜的WEC、LOH臺(tái)附近區(qū)域的Q0值則較大。另外，在斷裂分布集中區(qū)域，如赤峰-開原斷裂沿線，東西兩端臺(tái)站Q0值相對(duì)較高，如WEC臺(tái)和DQL臺(tái)；位于斷裂中間段的臺(tái)站Q0值相對(duì)較低，如CHF臺(tái)和XIH臺(tái)；反映了該斷裂中間段地殼介質(zhì)較為破碎，地震波穿過此區(qū)域時(shí)能量損耗較大。

圖6 17個(gè)臺(tái)站的Q0值空間分布圖

研究過程中發(fā)現(xiàn)，Q0值大小與臺(tái)站基巖巖性有一定相關(guān)性。研究涉及的17個(gè)臺(tái)站巖性主要有結(jié)構(gòu)較為致密的輝綠巖、花崗巖、斑狀混合巖，結(jié)構(gòu)相對(duì)較為疏松、孔隙度大的玄武巖，以及硬度較小、導(dǎo)水性較好的灰?guī)r。將同一巖性的臺(tái)站平均衰減參數(shù)Q0值求取平均值（圖7），結(jié)果顯示灰?guī)r、玄武巖類Q0值最小，結(jié)構(gòu)致密的斑狀混合巖、花崗巖Q0值較大，而巖性為輝綠巖的臺(tái)站為AGL臺(tái)，巖性結(jié)構(gòu)致密，但Q0值最小，可能是由于2013年臺(tái)站附近發(fā)生通遼5.3級(jí)地震后，震源區(qū)地殼介質(zhì)體變得較為破碎，尾波在該區(qū)傳播過程中能量消耗過多導(dǎo)致。

圖7 臺(tái)站基巖巖性與Q0值的關(guān)系

3.3 Q0值時(shí)空分布特征

為考察震源附近的尾波Qc值特征，求取單次地震多個(gè)臺(tái)站得到的平均衰減參數(shù)Q0值及η值，繪制了研究區(qū)Q0值空間分布圖（圖8），結(jié)果顯示，Q0值同樣呈現(xiàn)西高東低特征，在霍林郭勒灰?guī)r巖性區(qū)域及通遼5.3級(jí)震源區(qū)呈現(xiàn)較為明顯的低Q0值分布，表明尾波Qc值與地震活動(dòng)和地殼介質(zhì)的物化性質(zhì)密切相關(guān)。

圖8 研究區(qū)Q0值空間分布圖

為分析Q0值隨時(shí)間的變化特征，繪制Q0值時(shí)序分布圖（圖9）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2013年4月22日通遼5.3級(jí)地震前后，尾波Q0值出現(xiàn)較為顯著的“突降-回升”變化；自2013年2月開始，Q0值有持續(xù)下降過程，震前最低達(dá)到32.41，而主震Q0值高達(dá)129.66；震后，Q0值持續(xù)降低后起伏發(fā)展并逐漸恢復(fù)到震前水平，產(chǎn)生這種變化的主要原因是大震前由于作用在孕震區(qū)的應(yīng)力較強(qiáng)，使得地殼介質(zhì)破裂增加，尾波Q值相應(yīng)減小，但臨近破裂時(shí)持續(xù)增強(qiáng)的應(yīng)力導(dǎo)致裂隙逐漸閉合，介質(zhì)剛性增強(qiáng)使得Q值增大[23]。震后由于應(yīng)力釋放，地殼介質(zhì)破裂嚴(yán)重和裂隙增加而使Q值降低[9]。

圖9 Q0值時(shí)序分布圖

4 結(jié)論與討論

本文基于Sato模型，計(jì)算赤峰及周邊地區(qū)尾波Q值，研究其在時(shí)間和空間上的變化特征，得到以下結(jié)論：

1）區(qū)域Q值結(jié)果顯示，赤峰及周邊地區(qū)的QC值與頻率的關(guān)系為QC（f）=58.34±25.88f0.9118±0.0849，屬于低Q0值和高η值的構(gòu)造活躍地區(qū)。衰減參數(shù)Q0與對(duì)頻率的依賴參數(shù)η值成反比，即Q0值越高，QC值對(duì)頻率的依賴性越強(qiáng)，Q0值越低，QC值對(duì)頻率的依賴性越弱。

2）尾波Qc值與構(gòu)造及地震活動(dòng)性密切相關(guān)。本文計(jì)算了17個(gè)臺(tái)站的Q值，結(jié)果顯示，臺(tái)站平均尾波衰減參數(shù)Q0總體呈現(xiàn)西高東低的分布特征，在地震活躍或震群發(fā)生區(qū)域及赤峰開原斷裂中段，臺(tái)站Q0值相對(duì)較低，顯示了尾波Qc值與區(qū)域斷裂構(gòu)造及地震活動(dòng)性的密切相關(guān)性。

3）尾波Q0值與巖性的相關(guān)性。本文的計(jì)算結(jié)果顯示，臺(tái)站平均尾波衰減參數(shù)Q0值與臺(tái)站基巖巖性具有一定的相關(guān)性，結(jié)構(gòu)致密的花崗巖、混合巖等，Q0值相對(duì)較大；而結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松多孔、導(dǎo)水性較好的玄武巖和灰?guī)r，Q0值相對(duì)較低。

4）尾波Q0值可以反映震源區(qū)的應(yīng)力作用狀態(tài)及介質(zhì)體破裂特征。尾波Q0值時(shí)序分布結(jié)果顯示，2013年通遼5.3級(jí)地震前，地震平均尾波衰減參數(shù)Q0持續(xù)下降，主震發(fā)生時(shí)Q0值瞬時(shí)升高，震后Q0值持續(xù)下降后，恢復(fù)震前水平。反映了大震前，由于作用在孕震區(qū)的應(yīng)力較強(qiáng)，使得地殼介質(zhì)破裂增加，尾波Q值減小；臨近破裂時(shí)，由于持續(xù)增強(qiáng)的應(yīng)力導(dǎo)致介質(zhì)體裂隙逐步閉合，剛性增強(qiáng)，而使Q值增大；震后，由于應(yīng)力釋放，介質(zhì)破裂嚴(yán)重，Q值隨之減小。

致謝本文所用尾波Q值計(jì)算軟件由浙江省地震局朱新運(yùn)研究員提供，地震波形資料由內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局監(jiān)測(cè)中心提供，在此表示感謝。