庫(kù)車東南震群譜振幅相關(guān)系數(shù)特征分析①

馬倩雯, 宋春燕, 陳 勇, 郭 寅, 張琳琳

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局,新疆 烏魯木齊 830011)

小震群序列是指空間上的某一小區(qū)域范圍在較短時(shí)間內(nèi)聚集性發(fā)生的一組MS≤5.0的中小地震。在小震群發(fā)生后,集中活動(dòng)區(qū)及邊緣地區(qū)存在出現(xiàn)破壞性地震的可能,因此對(duì)小震群是否是前兆震群的快速研判,為準(zhǔn)確做出決策提供理論依據(jù),對(duì)減輕地震災(zāi)害有著重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。但準(zhǔn)確判定小震群序列類型,尤其是確定其是否為前兆震群,一直是地震預(yù)報(bào)研究中的重難題之一。20世紀(jì)初,林邦慧等[2]就對(duì)邢臺(tái)地區(qū)強(qiáng)震前中小地震的“密集—平靜”特征做出了分析。后期陸續(xù)有專家學(xué)者利用序列的各項(xiàng)特征,研究表征小震震群的特征指標(biāo),但在實(shí)際運(yùn)用中仍需要多途徑研究更為有效的判定方法[3]。2002年Lund[4]首次提出了小地震波譜振幅相關(guān)系數(shù)分析方法,隨后崔子健等[1]改進(jìn)了這一方法,利用譜振幅相關(guān)系數(shù)分析方法來(lái)研究震源機(jī)制一致性,為學(xué)者提供理論基礎(chǔ)。學(xué)者利用這一方法對(duì)地震序列進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)川滇、東北、云南、滇西等地區(qū)的研究,結(jié)果顯示強(qiáng)震序列的譜振幅系數(shù)較高,說(shuō)明應(yīng)力水平高,而小震序列的譜振幅相關(guān)系數(shù)結(jié)果就小得多[5-10]。但利用譜振幅相關(guān)系數(shù)分析法對(duì)震群地震序列的研究還較少,通過(guò)對(duì)不同震群譜振幅相關(guān)系數(shù)的研究和計(jì)算,得出在強(qiáng)震前震群的譜振幅相關(guān)系數(shù)有明顯的升高趨勢(shì),震后有明顯回落,而一般小震群的譜振幅系數(shù)明顯偏低,說(shuō)明震群譜振幅系數(shù)較高時(shí)其區(qū)域應(yīng)力水平也較高,同時(shí)震群的譜振幅系數(shù)結(jié)果與其震源機(jī)制解一致性呈正相關(guān)[11-13]。利用這一方法計(jì)算小震群譜振幅相關(guān)系數(shù),能夠直接反映地震序列的震源機(jī)制相對(duì)變化過(guò)程及震群區(qū)域的應(yīng)力水平。然而,譜振幅相關(guān)系數(shù)的研究在新疆地區(qū)應(yīng)用較少[14-15],且近年來(lái)新疆地區(qū)中強(qiáng)地震頻發(fā),庫(kù)車東南震群處于年度重點(diǎn)關(guān)注區(qū),而相關(guān)研究并不充分,本研究利用這一方法對(duì)此區(qū)域進(jìn)行分析研究,能夠更加全面的反映這一區(qū)域的地震活動(dòng)性,為后續(xù)地震發(fā)生提供重要判定依據(jù)。

1 譜振幅相關(guān)系數(shù)原理及方法

一般把臺(tái)站記錄的位移譜Uif(f)可表示,

Uij(f)=Mi(f)Φ(θ,φ)Pij(r)Fij(f,r)Gi(f)Ii(f).

(1)

式中:i表示第i個(gè)地震事件,j表示第j個(gè)臺(tái)站;f表示頻率,r表示地震與臺(tái)站之間的距離;θ,φ為地震到臺(tái)站的離源角、方位角;Uij(f)為第j個(gè)臺(tái)站記錄的第i個(gè)地震的位移譜;Mi(f)為地震的震源譜;Φ(θ,φ)為地震波輻射花樣因子;Pij(r)為幾何擴(kuò)散系數(shù),僅與距離有關(guān);Fij(f,r)為非彈性衰減系數(shù);Gi(f)為臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)系數(shù),僅與頻率有關(guān);Ii(f)為儀器響應(yīng),僅與頻率有關(guān)。

崔子健[1]將上述公式改進(jìn)后得到如下表達(dá)式,

(2)

(3)

(4)

Uij(f)=Si(f)Pij(f)Lj(f).

(5)

對(duì)臺(tái)站記錄的2次地震x、y,則有,

Uxj(f)=Sx(f)Pxj(f)Lj(f).

(6)

Uyj(f)=Sy(f)Pyj(f)Lj(f).

(7)

對(duì)于同一震源區(qū)兩次事件的相同臺(tái)站波形記錄,使用直達(dá)P、S波零頻譜振幅值計(jì)算相關(guān)系數(shù)。對(duì)于三分向波形記錄,每個(gè)臺(tái)站可以得到5個(gè)零頻譜振幅值:垂直和徑向P波(PZ和PR)、垂向、徑向和切向的S波(SZ、SR和ST),稱這5個(gè)譜值為譜值分量。計(jì)算其譜振幅相關(guān)系數(shù)rxy。

(8)

根據(jù)上述原理,對(duì)庫(kù)車東南震群采用如下計(jì)算步驟:① 收集庫(kù)車東南震群的數(shù)字波形,以2016—2019年庫(kù)車3級(jí)地震數(shù)據(jù)為背景資料,選取2020年1月—2023年1月庫(kù)車東南震群波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;② 把波形的水平分量旋轉(zhuǎn)為徑向和切向分量,并采用延遲時(shí)間窗方法[16-17]計(jì)算其位移譜(圖1);③ 采用Atkinson和Mereu[18]反演的方法,利用庫(kù)車周邊約200 km范圍內(nèi)的背景地震資料,反演庫(kù)車震群的背景Q值,QP=79.6f*0.689、QS=248.6f*0.631;④采用多臺(tái)多事件聯(lián)合反演臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)[19];⑤利用經(jīng)過(guò)噪聲、儀器響應(yīng)、傳播路徑及場(chǎng)地響應(yīng)校正的譜振幅,計(jì)算庫(kù)車東南震群地震序列的譜振幅相關(guān)系數(shù)。

圖1 庫(kù)車臺(tái)記錄的一次地震的波形(a)及其位移譜(b)Fig.1 Wave forms of a earthquake recorded by Kuche Station (a),and its displacement spectra (b)

圖1為庫(kù)車臺(tái)記錄的一次地震波形及其位移譜,圖中,U、E、N分別表示垂向、徑向、切向分量;PR、PZ分別表示P波垂向和徑向分量的位移譜;SR、ST、SZ分別表示S波垂向、徑向和切向分量的位移譜。

2 震群數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果

2.1 震群概況及波形數(shù)據(jù)的選取

庫(kù)車東南震群位于塔里木盆地北部,自2016年10月開(kāi)始,庫(kù)車地區(qū)地震活動(dòng)頻度和強(qiáng)度水平明顯上升(圖2)。2020年1月16日庫(kù)車MS5.6地震后,該區(qū)又發(fā)生多次MS≥4.0地震[20-21]。

圖2 庫(kù)車東南震群M-t(a)、頻度圖(b)Fig.2 M-t(a) and frequency diagram(b) of southeast Kuche earthquake swarm

2020年1月—2023年1月共選取庫(kù)車臺(tái)(KUC)、庫(kù)爾勒臺(tái)(KOL)、輪臺(tái)臺(tái)(LTA)、拜城臺(tái)(BAC)、小泉溝臺(tái)(XQG)等5個(gè)地震臺(tái)站記錄到的92個(gè)ML3.0～4.4地震(圖2)的波形數(shù)據(jù)計(jì)算其譜振幅相關(guān)系數(shù),部分地震(ML≥3.8)的基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 庫(kù)車東南震群序列的基本參數(shù)(ML≥3.8)

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 譜振幅相關(guān)系數(shù)特征分析

采用5個(gè)地震臺(tái)站記錄的92個(gè)地震的波形資料計(jì)算了庫(kù)車東南震群的譜振幅相關(guān)系數(shù),其相關(guān)系數(shù)值在0.34～0.54之間變化(圖3),平均值0.49。這與劉建明等[14-15]研究呼圖壁MS6.2地震序列譜振幅相關(guān)系數(shù)(相關(guān)系數(shù)0.35～0.4之間波動(dòng))和新源、和靜交界ML6.8地震序列譜振幅相關(guān)系數(shù)(相關(guān)系數(shù)0.54～0.62之間波動(dòng))水平基本相當(dāng)。

圖3 庫(kù)車東南震群譜振幅相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間變化曲線Fig. 3 Correlation coefficient of spectral amplitude varied with time of southeast Kuche earthquake swarm

雖然譜振幅相關(guān)系數(shù)的變化范圍不大,但有明顯的起伏。從相關(guān)系數(shù)隨時(shí)間的變化來(lái)看,可以分為3個(gè)階段:① 2020年1月16日庫(kù)車MS5.6地震前相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高,約為0.54;② 2020年1月—2021年2月發(fā)生多次MS≥4.0地震,地震后相關(guān)系數(shù)波動(dòng)較大,2022年2月恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài),在0.45～0.50之間浮動(dòng)上升;③ 2022年2月相關(guān)系數(shù)上升至0.50之上,10月之后穩(wěn)定在0.53～0.54之間?？傮w來(lái)說(shuō),庫(kù)車東南震群在2020年初相關(guān)系數(shù)相對(duì)較高,2020年1月—2021年2月期間波動(dòng)較大,2021年2月后恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。

分析該地區(qū)4個(gè)典型地震序列資料,2019年12月—2022年12月共選取庫(kù)車臺(tái)(KUC)、庫(kù)爾勒臺(tái)(KOL)、輪臺(tái)臺(tái)(LTA)、拜城臺(tái)(BAC)、小泉溝臺(tái)(XQG)等5個(gè)地震臺(tái)站記錄到波形數(shù)據(jù)分別計(jì)算其譜振幅相關(guān)系數(shù)。

2020年1月16日發(fā)生MS5.6地震,利用5個(gè)地震臺(tái)站記錄到的2019年12月12日—2020年2月22日24個(gè)MS≥2.3地震資料計(jì)算譜振幅相關(guān)系數(shù),數(shù)值在0.35～0.79范圍內(nèi)波動(dòng)(圖4a),在地震前達(dá)到最高值0.79,地震后譜振幅相關(guān)系數(shù)存在大幅下降現(xiàn)象,降至0.42。

圖4 庫(kù)車東南震群譜振幅相關(guān)系數(shù)變化曲線(a) 2019年12月12日—2020年2月22日 (b) 2020年9月1—30日 (b) 2021年11月1日—12月15日 (d) 2022年10月1日—11月30日Fig. 4 Correlation coefficient curves of spectral amplitude of southeast Kuche earthquake swarm

2020年9月13日發(fā)生MS4.9地震,利用5個(gè)地震臺(tái)站記錄到的2020年9月1—30日15個(gè)MS≥2.0地震資料計(jì)算譜振幅相關(guān)系數(shù),數(shù)值在0.30～0.50范圍內(nèi)波動(dòng)(圖4b),在地震前達(dá)到最高值0.54,地震后譜振幅相關(guān)系數(shù)存在大幅下降現(xiàn)象,降至0.41。

2021年11月29日發(fā)生MS4.1地震,利用5個(gè)地震臺(tái)站記錄到的2021年11月1日—12月15日20個(gè)MS≥3.0地震資料計(jì)算譜振幅相關(guān)系數(shù),數(shù)值在0.55～0.69范圍內(nèi)波動(dòng)(圖4c),在地震前達(dá)到較高值0.56,地震后譜振幅相關(guān)系數(shù)下降,降至0.53。

2022年11月18日發(fā)生MS4.3地震,利用5個(gè)地震臺(tái)站記錄到的2022年10月1日—11月30日10個(gè)MS≥3.0地震資料計(jì)算譜振幅相關(guān)系數(shù),數(shù)值在0.29～0.53范圍內(nèi)波動(dòng)(圖4d),在地震前達(dá)到較高值0.53,地震后譜振幅相關(guān)系數(shù)下降,降至0.52。

通過(guò)對(duì)該地區(qū)4個(gè)典型地震序列資料的分析可知,震前譜振幅相關(guān)系數(shù)有增強(qiáng)的趨勢(shì),震后會(huì)有一定的回落,這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致[11-13],在強(qiáng)震后均存在譜振幅相關(guān)系數(shù)明顯下降的現(xiàn)象。

2.2.2 應(yīng)力降相關(guān)分析

2020年1月—2023年1月,采用庫(kù)車周邊的神木園(SMY)、輪臺(tái)(LTA)、拜城(BAC)、庫(kù)車(KUC)等4個(gè)地震臺(tái)記錄的68個(gè)ML3.0～4.0地震的波形數(shù)據(jù)計(jì)算庫(kù)車東南震群的的應(yīng)力降,得到應(yīng)力降及震級(jí)—時(shí)間變化曲線(圖5)。其應(yīng)力降值在0.02×10-1～3.67×10-1Mpa之間變化,其中大部分在0.50×10-1～1.0×10-1Mpa之間,平均值為0.85×10-1Mpa,目前應(yīng)力降水平高于區(qū)域背景活動(dòng)水平[22]。這表明應(yīng)力降較高時(shí)與聶曉紅[23]等對(duì)阿克陶MS6.7地震序列的研究發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致。

圖5 庫(kù)車東南震群應(yīng)力降時(shí)序圖Fig.5 Dress drop timing diagram of southeast Kuche earthquake swarm

3 結(jié)論與討論

庫(kù)車東南震群在2016年開(kāi)始活躍,譜振幅相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì),在2020年初達(dá)到了最高值0.54,后續(xù)對(duì)應(yīng)了2020年1月16日的庫(kù)車MS5.6地震,說(shuō)明該區(qū)域譜振幅相關(guān)系數(shù)升高后續(xù)存在發(fā)生較大地震的可能。在2023年1月譜振幅相關(guān)系數(shù)再次穩(wěn)定至0.53左右,表明其區(qū)域應(yīng)力水平較高,2023年1月30日在距震群約100 km處發(fā)生沙雅MS6.1地震。本次地震后該震群的譜振幅相關(guān)系數(shù)的變化,需要進(jìn)一步密切跟蹤。

通過(guò)對(duì)該地區(qū)4個(gè)典型地震序列資料的進(jìn)一步分析可知,譜振幅相關(guān)系數(shù)在震前有增強(qiáng)的趨勢(shì),震后也存在一定的回落,這與其他學(xué)者的研究結(jié)果一致,說(shuō)明譜振幅相關(guān)系數(shù)方法對(duì)該區(qū)域有一定的適用性。目前庫(kù)車東南震群的譜振幅相關(guān)系數(shù)保持相對(duì)較高的平穩(wěn)狀態(tài),同時(shí)從庫(kù)車東南震群應(yīng)力降結(jié)果來(lái)看,目前該地區(qū)應(yīng)力水平也高于背景活動(dòng)水平。

采用譜振幅相關(guān)系數(shù)可以盡可能多的了解到震群區(qū)域應(yīng)力水平的變化過(guò)程,在實(shí)際工作應(yīng)用中有一定的參考價(jià)值,但譜振幅相關(guān)系數(shù)的計(jì)算,對(duì)臺(tái)站的分布和密度有一定的要求,這對(duì)新疆一些地區(qū)來(lái)說(shuō)具有較大的局限性,本研究臺(tái)站半包圍分布對(duì)結(jié)果可能產(chǎn)生一定的誤差。在后續(xù)的研究中需對(duì)事件、臺(tái)站的選取有更高的標(biāo)準(zhǔn)。