師海闊 朱新運(yùn) 賀永忠 張立恒

(1)寧夏回族自治區(qū)地震局中衛(wèi)地震臺(tái),中衛(wèi) 755000 2)中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081 3)浙江省地震局,杭州 310013)

寧夏及鄰區(qū)地震震源參數(shù)研究＊

師海闊1)朱新運(yùn)2,3)賀永忠1)張立恒1)

(1)寧夏回族自治區(qū)地震局中衛(wèi)地震臺(tái),中衛(wèi) 755000 2)中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081 3)浙江省地震局,杭州 310013)

利用寧夏地震臺(tái)網(wǎng)記錄的寧夏及鄰區(qū)數(shù)字地震波資料,采用Brune(1970)模型,通過(guò)幾何擴(kuò)散校正、介質(zhì)衰減校正、儀器校正等將速度記錄譜歸算為震源位移譜。使用遺傳算法計(jì)算拐角頻率及零頻極限,進(jìn)而計(jì)算震源半徑、地震矩等小震震源參數(shù),并系統(tǒng)分析了各種參數(shù)之間的關(guān)系。使用發(fā)生于2003年6月—2007年12月ML1.7～4.4的 186次地震事件估算的震源參數(shù)表明：地震矩、近震震級(jí)、破裂半徑、拐角頻率等之間可以擬合為對(duì)數(shù)或半對(duì)數(shù)線性關(guān)系。地震應(yīng)力降、視應(yīng)力與震源半徑?jīng)]有表現(xiàn)出明顯的依賴關(guān)系,但與地震矩之間表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。與其他地區(qū)相比,此研究區(qū)屬于低應(yīng)力釋放區(qū)域。

Brune模型;震源參數(shù);相互關(guān)系;應(yīng)力;寧夏及鄰區(qū)

1 引言

寧夏地處青藏塊體、阿拉善塊體和鄂爾多斯塊體的交匯地帶,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、斷裂發(fā)育、新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈、地震活動(dòng)頻繁,曾發(fā)生過(guò) 1739年平羅 8.0級(jí)及 1920年海原 8.5級(jí)地震。地質(zhì)構(gòu)造上,寧夏北部屬銀川-吉蘭泰拉張構(gòu)造區(qū),由北東、北北東走向的兩塹夾一壘平行排列組合而成,地貌上分別為山地和盆地。而寧夏南部則屬于青藏塊體北東緣弧形構(gòu)造區(qū)活動(dòng)斷裂,活動(dòng)斷裂分割山地和盆地,走向自西而東,由北西西或近東西逐漸過(guò)渡為北西、北北西,甚至近北南[1]。以往的研究結(jié)果表明,寧夏及鄰區(qū)的地震大多發(fā)生在地殼中層,震源深度 15～20 km者居多,屬于淺源構(gòu)造地震[2]。

一個(gè)地區(qū)的震源參數(shù)反映著該地區(qū)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力應(yīng)變等狀態(tài),是地震研究的基礎(chǔ)內(nèi)容。研究各種地震震源參數(shù)的時(shí)空變化特征可以了解地震孕育、發(fā)生的應(yīng)力背景,對(duì)于該地區(qū)地震趨勢(shì)的估計(jì)、未來(lái)大震的預(yù)測(cè)、以及地震危險(xiǎn)性的評(píng)估都具有實(shí)際意義。為此,本文將使用朱新運(yùn)等[3]研制的小震震源參數(shù)計(jì)算軟件,研究寧夏及鄰區(qū)應(yīng)力降等地震震源參數(shù)。

2 計(jì)算方法

臺(tái)站記錄的地震波譜可以表示為[4-7]

式中,Qth(f)表示理論震源譜,Ω0表示震源譜低頻極限值,fc表示拐角頻率。把Ω0和 fc作為獨(dú)立變量,根據(jù)式 (2),采用遺傳算法或最小二乘法,使觀測(cè)譜和理論譜具有最小殘差,確定Ω0和 fc,并由下式獲得地震矩

式中,RS(φ,θ)為輻射方向性因子,Re為自由表面反射系數(shù),ρ表示地殼介質(zhì)密度,β表示 S波速度。震源半徑 r0、應(yīng)力降Δ σ為:

視應(yīng)力σapp為

式中μ表示介質(zhì)剪切模量。

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 觀測(cè)資料的選取

研究使用的是寧夏臺(tái)網(wǎng)記錄的 2003年 6月—2007年 12月“九五”數(shù)字化波形資料,地震波記錄的采樣率為 50Hz(表 1)。選取的波形為發(fā)生在寧夏境內(nèi)及周邊,地震震級(jí)為ML1.7～4.4,記錄清晰,且信噪比較高的 186次地震,地震全部取自寧夏臺(tái)網(wǎng)月報(bào)目錄。臺(tái)站及地震分布見(jiàn)圖 1。

表 1 寧夏測(cè)震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站參數(shù)表Tab.1 Station parameters of Ni ngxia seis m ic stations

圖1 地震和臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of earthquake epicenters and seismostations

3.2 振幅譜計(jì)算

取水平向 S波記錄數(shù)據(jù)計(jì)算傅氏譜,要求所取波段包含 90%以上 S波能量[8,9],同時(shí)具有較高的信噪比。為了保證地震波譜數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性,在計(jì)算傅氏譜時(shí)采用 Chael[10]提出的延時(shí)窗技術(shù)。該技術(shù)先把 S波段分割為 256點(diǎn)的小數(shù)據(jù)段,計(jì)算傅氏譜,之后以 128點(diǎn)數(shù)據(jù)段前移,前次計(jì)算數(shù)據(jù)段的一半被重疊,進(jìn)行第二次計(jì)算,依次類推,這樣就獲得了整個(gè)數(shù)據(jù)段分割、重疊的 n段譜數(shù)據(jù),用式 (8)把 n小段數(shù)據(jù)歸算為全部 S波段波譜數(shù)據(jù)

式中,O(f)為觀測(cè)位移譜,n為數(shù)據(jù)段總數(shù),T為整段 S波窗長(zhǎng),t為數(shù)據(jù)分段窗長(zhǎng),f代表頻率。使用數(shù)據(jù)為速度記錄,進(jìn)行譜計(jì)算時(shí)使用系數(shù) 1/2πf轉(zhuǎn)換為位移譜。使用式 (8)分別計(jì)算東西、南北分量震源譜,并根據(jù)式 (9)合成最終震源觀測(cè)譜[11]:

式中,OEW(f)、ONS(f)分別為東西、南北向觀測(cè)譜。在計(jì)算 S波位移譜的同時(shí)計(jì)算噪聲譜,對(duì)噪聲太大的地震波記錄予以舍棄,對(duì)同一地震使用多臺(tái)記錄的振幅譜均值作為有效振幅譜(圖 2)。由于計(jì)算中使用體波數(shù)據(jù),幾何衰減使用 r-1校正。大量的研究表明,S波非彈性、非均勻性衰減與其本身的尾波衰減相一致[12-15],本研究采用尾波衰減獲得的結(jié)果[4]進(jìn)行校正,記錄臺(tái)站均為基巖場(chǎng)地,其響應(yīng)簡(jiǎn)化處理。

圖 2 2004年 8月 6日 5時(shí) 40分 4.1級(jí)地震波形及譜數(shù)據(jù)擬合圖Fig.2 Simulation diagrams of earthquake waveform and spectrum ofML4.1 earthquake occurred at 05：40 on August 6, 2004

3.3 獨(dú)立參量計(jì)算

依據(jù) Brune模型[5],地震位移譜包含零頻極限和拐角頻率。本研究采用遺傳算法獲得零頻極限和拐角頻率,即:

式中,p為頻率點(diǎn)數(shù),ε表示目標(biāo)函數(shù)值,Oob為同一地震的波譜轉(zhuǎn)化為震源位移譜后的多臺(tái)平均值,Oth為根據(jù)ω2模型計(jì)算的震源譜,k為頻率點(diǎn)序號(hào)。

4 計(jì)算結(jié)果

利用Aki模型[14]求得區(qū)域介質(zhì)的 Q值與頻率的關(guān)系,得到寧夏及鄰區(qū)的非彈性衰減模型為Q(f) =212×f0.7584。根據(jù)寧夏及鄰區(qū)的實(shí)際情況,計(jì)算時(shí)取介質(zhì)密度為 2.8×103kg/m3,S波速度為 3.6 km/s,S波平均輻射圖形因子為 2/5,自由表面校正項(xiàng)取 2.0。研究使用寧夏及鄰區(qū)發(fā)生的 186次地震事件。結(jié)果如下：地震矩范圍為 2.72×1012～3.17×1015Nm,震源破裂半徑為 315～910 m,地震應(yīng)力降范圍為 8.69×103～4.17×106Pa,地震視應(yīng)力范圍為 3.54×103～1.7×106Pa。各震源參數(shù)之間表現(xiàn)出一定的線性、半對(duì)數(shù)線性或?qū)?shù)線性關(guān)系。

1)近震震級(jí)與地震矩、矩震級(jí)的定標(biāo)關(guān)系

用最小二乘法擬合出近震震級(jí)ML與地震矩M0之間的關(guān)系 (圖 3(a))為

根據(jù) Kanamori[16]給出的地震矩與地震矩震級(jí)之間的關(guān)系為

矩震級(jí)Mw與近震震級(jí)ML的線性回歸關(guān)系式(圖 3 (b))可擬合為

圖 3 地震矩、矩震級(jí)與近震震級(jí)的關(guān)系Fig.3 Relations among seismic moment,momentmagnitude and body-wave magnitude

2)地震矩與震源半徑、拐角頻率的定標(biāo)關(guān)系

利用最小二乘法擬合地震矩與震源半徑之間半對(duì)數(shù)關(guān)系 (圖 4(a)),其結(jié)果為

圖 4 地震矩與震源半徑、拐角頻率的關(guān)系Fig.4 Relations among seismic moment,hypocentral radius and corner frequency

拐角頻率與地震矩有明顯的依賴關(guān)系。一般來(lái)說(shuō),震級(jí)越小,拐角頻率越高。利用最小二乘法擬合地震矩與拐角頻率之間的關(guān)系式(圖 4(b))為

3)地震應(yīng)力降Δ σ

應(yīng)力降表征地震瞬間斷層錯(cuò)動(dòng)時(shí)位錯(cuò)面上的應(yīng)力變化,通過(guò)分析研究地震的應(yīng)力降可以了解地震過(guò)程中構(gòu)造應(yīng)力釋放水平,從而間接地認(rèn)識(shí)地震發(fā)生地區(qū)的構(gòu)造場(chǎng)的背景應(yīng)力。用寧夏及鄰區(qū) 186次地震求得的地震應(yīng)力降在 8.69×103～4.17×106Pa之間,平均應(yīng)力降為 2.96×105Pa。從地震應(yīng)力降與震源半徑及地震應(yīng)力降與地震矩之間的關(guān)系(圖 5)看,應(yīng)力降沒(méi)有對(duì)震源半徑表現(xiàn)出明顯的依賴關(guān)系,而應(yīng)力降與地震矩之間的依賴關(guān)系則較為顯著,即：地震矩越大,應(yīng)力降越大。應(yīng)力降與地震矩之間的關(guān)系可擬合為

圖 5 應(yīng)力降與震源半徑、地震矩的關(guān)系Fig.5 Relations among stress drop,hypocentral radius and seismic moment

4)地震視應(yīng)力σapp

用寧夏及鄰區(qū) 186次地震求得的地震視應(yīng)力為3.54×103～1.7×106Pa,平均視應(yīng)力為 1.21×105Pa。從地震視應(yīng)力與震源半徑及地震視應(yīng)力與地震矩之間的關(guān)系(圖 6)看,視應(yīng)力不隨震源尺度的增大而增大,而視應(yīng)力與地震矩之間的依賴關(guān)系則較為明顯,即：震級(jí)越大,視應(yīng)力越大。視應(yīng)力與地震矩之間的關(guān)系可擬合為

圖 6 視應(yīng)力與震源半徑、地震矩的關(guān)系Fig.6 Relations among apparent stress,hypocentral radius and seismic moment

5 結(jié)論與討論

1)用寧夏地震臺(tái)網(wǎng)記錄的寧夏及鄰區(qū)的地震事件,估算出的震源參數(shù)表明：地震矩、近震震級(jí)、破裂半徑、拐角頻率等之間可以擬合為對(duì)數(shù)或半對(duì)數(shù)線性關(guān)系;地震應(yīng)力降、視應(yīng)力與震源半徑?jīng)]有明顯的依賴關(guān)系,但與地震矩之間有良好的正相關(guān)關(guān)系。

2)對(duì)相關(guān)參數(shù)擬合數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行比較 (表2)[9,17-26],發(fā)現(xiàn)本研究結(jié)果與同類研究結(jié)果基本一致。地震矩、震源破裂半徑和地震應(yīng)力降等與其他地區(qū)獲得的地震標(biāo)定律結(jié)果相近。

3)視應(yīng)力常被用來(lái)研究震源區(qū)的應(yīng)力水平,即地震視應(yīng)力越高,震源區(qū)的應(yīng)力水平就越高;反之,震源區(qū)的應(yīng)力水平則低。因此,視應(yīng)力的變化反映了震源區(qū)應(yīng)力積累和釋放的水平,從而可用于判定區(qū)域地震趨勢(shì)。用寧夏及鄰區(qū) 186次地震求得的地震應(yīng)力降在 3.54×103～1.7×106Pa之間。研究區(qū)平均視應(yīng)力為 1.21×105Pa,與內(nèi)蒙古中部的 2.8× 105Pa[27]、內(nèi)蒙古西部的 3.0×105Pa及云南地區(qū)的2.5×105Pa[28]相比較,本研究區(qū)屬于低應(yīng)力釋放地區(qū)。

表 2 相關(guān)參數(shù)擬合數(shù)據(jù)結(jié)果比較Tab.2 Comparison among the fitled results of corresponding parameters

致謝 衷心感謝朱新運(yùn)老師的指導(dǎo)和提供計(jì)算軟件,以及寧夏地震局測(cè)震臺(tái)網(wǎng)中心提供有關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)!

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RESEARCH ON HYPOCENTRAL PARAM ETERS OF NINGXIA AND ADJACENT REGION

Shi Haikuo1),Zhu Xinyun2,3),He Yongzhong1)and ZhangLiheng1)

(1)Zhongwei Seism ostation of Earthquake Adm inistration of N ingxia Hui Autonom ous Region,Zhongwei 755000 2)Institute of Geophysics,CEA,Beijing 100081 3)Earthquake Adm inistration of Zhejiang Province,Hangzhou 310013)

Using the Brune model(1970)and the digital seismic wave data of Ningxia and the adjacent regions,which was recorded byNingxia seismic network,we transferred the recorded velocity spectrum into hypocenter displacement spectrum by geometry diffusion correction,dielectric attenuation correction and instrumental correction.The corner frequency and zero frequencywere calculated by using genetic algorithm,further,the hypocentral parameters including hypocentral radius and seis mic momentwere calculated and the relationships among them were analyzed systematically.186 earthquake events fromML1.7 toML4.4 which occurred from June,2003 to December,2007 were studied.The estimated results show that the relations between seismic moment,body-wave magnitude,rupture radius and corner frequency are near log-linearor semi-log-linear.Seismic stress drop and apparent stress show little obvious correlation with hypocenter radius,but display positive correlation with seis mic moment. Compared with other regions,there are lower stresses released in the studied region.

Brune model;hypocentral parameters;correlation;stress;Ningxia and adjacent regions

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0038-06

2010-04-29

師海闊,男,1985年生,助理工程師,主要從事地震監(jiān)測(cè)工作.Email：shihaikuo369@163.com

P315.63

A