楊 貴，李祖寧

(福建省地震局，福建 福州 350003)

福建數(shù)字地震臺網(wǎng)新地震參數(shù)目錄的產(chǎn)出

楊 貴，李祖寧

(福建省地震局，福建 福州 350003)

回顧了福建數(shù)字地震臺網(wǎng)產(chǎn)出新地震參數(shù)目錄的過程：根據(jù)測定中小地震震源參數(shù)原理，計算了福建區(qū)域介質(zhì)平均非彈性衰減因子Q值和37個測震臺站的平均場地響應(yīng)，采用遺傳算法求得震源譜參數(shù)，應(yīng)用Brune圓盤模型公式計算震源參數(shù)，最后介紹了新地震參數(shù)目錄的主要內(nèi)容，并討論了求解新地震參數(shù)目錄的一些注意事項(xiàng)。

福建地區(qū)；地震波非彈性衰減因子；臺站場地響應(yīng)；震源參數(shù)；新地震參數(shù)目錄

0 引言

數(shù)字地震臺網(wǎng)提供的傳統(tǒng)地震目錄參數(shù)為 （T、λ、φ、h、M），即地震的發(fā)震時刻、震源位置、震級。傳統(tǒng)的地震目錄主要為用地震波運(yùn)動學(xué)特性反演的時間和空間參數(shù)，僅使用了地震波的部分信息，所提供的參數(shù)明顯少于描述地震的發(fā)生所需要的自由度，增加物理含義較明確的新的地震參數(shù)和介質(zhì)參數(shù)，可以促進(jìn)對孕震物理過程的了解。數(shù)字地震記錄包含了震源、地球內(nèi)部介質(zhì)以及臺站場地響應(yīng)等信息，由地震波形資料研究地震波衰減、臺站場地響應(yīng)，估算地震震源參數(shù)，如地震矩、應(yīng)力降、破裂半徑、矩震級等，對探索地震震源性質(zhì)和進(jìn)行地震預(yù)測與地震危險性分析具有十分重要的意義。近年來，我國許多地震工作者開展了震源參數(shù)的測定工作，如唐蘭蘭和李志海[1]，康英等[2]，劉麗芳等[3]，鄔成棟等[4]，楊晶瓊等[5]，他們分別反演計算了各自研究區(qū)域的地殼平均非彈性衰減及相應(yīng)的臺站場地響應(yīng)，對計算的震源參數(shù)進(jìn)行分析研究，并探索震源參數(shù)在地震監(jiān)測預(yù)報工作中的應(yīng)用。數(shù)字臺網(wǎng)在常規(guī)產(chǎn)出傳統(tǒng)地震目錄的基礎(chǔ)上，新增加矩震級MW、地震矩M0、應(yīng)力降Δσ、震源尺度r四個震源力學(xué)參數(shù)，即稱之為 “新”地震參數(shù)目錄。福建數(shù)字地震臺網(wǎng)“九五”系統(tǒng)從1998年10月1日正式運(yùn)行，經(jīng)過逐步的改擴(kuò)建，最后由29個測震臺站組成； “十五”網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目測震分項(xiàng)目完成后，臺站數(shù)增加到41個，于2008年10月1日開始正式運(yùn)行。臺網(wǎng)的建設(shè)與升級，提高了地震的監(jiān)測能力和監(jiān)測水平，記錄了豐富的中小地震資料，為測定中小地震的震源參數(shù)以及介質(zhì)參數(shù)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

要求得震源力學(xué)參數(shù)，就必須在地震觀測譜中扣除臺站場地響應(yīng)、傳播路徑效應(yīng)、儀器響應(yīng)及噪聲的影響。我們采用由中國地震局預(yù)測研究所地震圖像與數(shù)字化觀測資料應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室在全國地震系統(tǒng)推廣的多臺多地震聯(lián)合反演的Atkinson[6]方法計算了福建地區(qū)地殼平均非彈性衰減因子Q值，再用多臺多地震聯(lián)合反演的Moya[7]方法計算了地震臺站場地響應(yīng)，最后根據(jù)Brune[8]中小地震圓盤模型計算了震源參數(shù)。隨著新地震參數(shù)目錄產(chǎn)出技術(shù)的實(shí)用化，福建數(shù)字地震臺網(wǎng)新參數(shù)目錄的產(chǎn)出已經(jīng)常規(guī)化、日?；瑥?008年10月1日開始正式產(chǎn)出，現(xiàn)已運(yùn)行了3年多。

1 計算方法及原理

1.1 地震記錄的內(nèi)容

對速度型地震儀的地震記錄，通過積分可變?yōu)槲灰朴涗?，再通過傅里葉變換，轉(zhuǎn)為頻率域里，可用如下公式表示：

式（1）中Uij（f）是第j個臺站觀測到的第i個地震的傅里葉譜振幅，Uio（f）為第i個地震的震源譜振幅，Rθφ為震源輻射圖像因子，Pij（f）為地震波從震源i傳播至臺站j的傳播路徑效應(yīng)，Sj（f）為臺站j的場地響應(yīng)，Nj（f）為臺站j的地震運(yùn)動噪聲，Surf是自由表面效應(yīng)，Ij（f）為臺站j的儀器響應(yīng)。

Ij（f）可由儀器出廠值得到，Surf對于地表臺的SH波嚴(yán)格為2，Nj（f）可從地震波至前的地震儀器記錄得到。Rθφ在多臺多震源的聯(lián)合反演中，因平均效應(yīng)，消去了震源輻射圖像的影響。Pij（f）傳播路徑效應(yīng)包括幾何擴(kuò)散G（Rij)和非彈性衰減qij（f），其中非彈性衰減qij（f）=e-πRijf/uQ（f）[9]，式中Rij為震源距，ν為S波速度，Q（f）為介質(zhì)品質(zhì)因子。剪切波傅里葉譜SH分量可由公式 （1）化為如下公式 （2）：

對公式 （2）兩邊取對數(shù)，并令c（f）=log(e)·πf/[Q（f）ν]，c（f）稱為非彈性衰減系數(shù)，上式化為：

對于S波的幾何擴(kuò)散G（Rij)采用三段線性回歸函數(shù)[6]。三段幾何擴(kuò)散模型如圖1所示，可由如下公式 （4）表示。

式 （4）中，設(shè)地殼厚度為H，R1=1.5H，R2=2.5H，Rij為震源距。在Rij≤R1時記錄為直達(dá)波，R1≤Rij≤R2時，直達(dá)波列中混雜有反射波等震相，Rij＞R2時為Lg波，一般b1=1，b2=0， b3=0.5。

許多的研究表明，對于中小地震而言，震源譜與Brune[8]和Shearer[10]的ω2（ω=2πf）模型一致性較好，因此采用該震源譜模型，其公式如下：

式中，Ω0為震源譜的低頻漸近線值，即零頻極限值，fc為低頻漸近線與高頻漸近線交點(diǎn)處的頻率，即拐角頻率。

通過上述分析，通過記錄位移譜求解震源參數(shù)，需要先對式 （3）的非彈性衰減和臺站場地響應(yīng)進(jìn)行計算。

圖1 幾何擴(kuò)散系數(shù)的確定方法示意圖Fig.1 Determination method of geometric spread coefficient

1.2 Atkinson方法計算非彈性衰減因子Q值

采用Atkinson方法計算非彈性衰減因子Q值，其原理為：首先假定所有臺站的場地響應(yīng)均為1（即不考慮場地響應(yīng)），在非彈性衰減系數(shù)值（即c（f））給定的情況下，對各臺站記錄進(jìn)行幾何擴(kuò)散和衰減校正，得到相應(yīng)地震的震源譜振幅，通過調(diào)整c值使各臺站得到的同一地震的震源譜振幅殘差最??；其次設(shè)定某次地震的震源譜是不同臺站記錄獲得的震源譜振幅的平均，而各個臺站的場地響應(yīng)的對數(shù)就是該臺站得到的震源譜振幅對數(shù)與該地震的震源譜振幅對數(shù)之差的平均值；最后，再將各臺站得到的場地響應(yīng)考慮進(jìn)去，重新計算各臺站經(jīng)過校正后的震源譜振幅，通過調(diào)整c值，使對同一地震得到的震源譜的殘差最小，通過反復(fù)迭代反演，可得到該區(qū)域的非彈性衰減因子Q值系數(shù)，進(jìn)而得到區(qū)域介質(zhì)的品質(zhì)因子。該方法的詳細(xì)計算過程可參考文獻(xiàn) [6]。

在計算福建區(qū)域平均非彈性衰減因子Q值時，考慮福建多屬丘陵與山地地區(qū)，僅閩南少部分地區(qū)為平原，地表及地貌特征變化不明顯，而且福建省的面積也相對較小，因此僅分一個區(qū)進(jìn)行Q值計算。區(qū)域范圍為北緯21°～29°，東經(jīng)115°～121°。

在選擇地震事件數(shù)據(jù)時，考慮到地震和臺站的空間分布盡可能均勻，地震射線能較好覆蓋研究區(qū)域，并且地震的信噪比要大于2，地震記錄滿足信噪比的臺站數(shù)要大于3個，每個臺站至少要記錄到3次地震，滿足要求的地震和臺站射線分布足夠多。經(jīng)過篩選選取了2000～2007年福建數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的福建及臨近海域ML2.5級以上的70個地震事件，實(shí)際用于計算的地震記錄為561條。圖2給出了參加計算的地震震中、臺站分布與射線路徑分布圖。從圖2中可以看出，地震射線主要覆蓋福建省中部以南及臨近海域的大部分地區(qū)；北部、東部及臨近省界地區(qū)，受臺站布局及地震事件少影響，地震射線分布少甚至沒有；計算結(jié)果可能只代表了福建中南部地區(qū)介質(zhì)的平均Q值。

圖2 計算Q值和場地響應(yīng)所選用地震的震中和射線分布圖Fig.2 Epicenter and ray distribution of selected earthquakes for calculation of Q value and field response

應(yīng)用選好的70個地震事件，采用上述的Atkinson方法，反演得到福建地區(qū)Q值與頻率的關(guān)系為Q（f）=366.50f0.4282，見圖3，可見結(jié)果擬合較好。比較廣東省[11]Q（f）=437.50 f0.3937和Q（f）=423.60 f0.3912，浙江省[12]Q（f）=361.00 f0.458，可見計算結(jié)果與浙江省的Q0值與衰減系數(shù)較相近，Q0值比廣東的小，衰減系數(shù)大。

1.3 Moya方法計算臺站場地響應(yīng)

在幾何擴(kuò)散采用三段線性回歸函數(shù)和由Atkinson方法計算得到福建地區(qū)地殼平均非彈性衰減因子Q值情況下，我們采用Moya方法計算測震臺站的場地響應(yīng)，其原理為：選擇Brune[8]的ω2震源譜模型，假設(shè)每一個臺站對于不同地震事件的場地響應(yīng)相同，應(yīng)用遺傳算法，通過調(diào)整震源譜參數(shù)，使得不同事件得到的同一臺站場地響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差最小。在獲得震源譜參數(shù)后，利用經(jīng)過幾何擴(kuò)散和非彈性衰減校正后的位移振幅譜與震源譜相比就可以得到每個臺站的場地響應(yīng)。

首先對第i個地震在第j個臺站觀測到的S波傅里葉振幅譜，進(jìn)行幾何擴(kuò)散與衰減的校正，并將觀測譜從速度譜轉(zhuǎn)換成位移譜，通過設(shè)定每個震源的震源譜參數(shù) （震源譜的零頻極限Ω0和拐角頻率fc），從而得到每次地震的理論位移震源譜。

在第k個頻率點(diǎn)，由第i次地震事件對第j個臺站的場地響應(yīng)如（6）式：

圖3 福建地區(qū)介質(zhì)品質(zhì)因子與頻率的關(guān)系Fig.3 The relationship between Q value and frequency in Fujian province

計算在第k個頻率點(diǎn)上第j個臺站由不同地震得到的場地響應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用遺傳算法，通過調(diào)整每次地震的震源譜參數(shù)，使式 （7）值最小。

式（7）中std[Gij（fk）]為場地響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，mean[Gij（fk）]為場地響應(yīng)的平均值。

我們對 “九五”與 “十五”兩個系統(tǒng)的臺站場地響應(yīng)分別進(jìn)行反演。 “九五”系統(tǒng)反演使用了反演福建地區(qū)介質(zhì)品質(zhì)因子時使用的70個地震事件； “十五”系統(tǒng)由于運(yùn)行時間短，記錄的地震少，在僅考慮信噪比，未考慮臺站與震中布局的情況下，共有12個地震事件滿足計算要求。反演的臺站場地響應(yīng)結(jié)果見圖4。

使用 “九五”資料反演得到28個臺的場地響應(yīng)，使用 “十五”資料反演得到24個臺的場地響應(yīng)，兩次反演結(jié)果中有15個臺是相同的。比較這15個相同臺的兩次計算結(jié)果，有部分臺站結(jié)果相近，其它臺九五的比十五的大?！熬盼濉毕到y(tǒng)計算的大部分臺站都有一定的放大效應(yīng)，“十五”系統(tǒng)計算的部分場地響應(yīng)偏小，可能與地震樣本少，射線、臺站布局不理想有關(guān)，應(yīng)該說 “九五”系統(tǒng)計算的結(jié)果更可靠。兩次反演共得到37個臺的場地響應(yīng)，在后面使用時，使用由 “九五”系統(tǒng)計算的28個場地響應(yīng)及 “十五”新增的9個場地響應(yīng)。

1.4 震源參數(shù)計算

應(yīng)用上面求得的非彈性衰減和場地響應(yīng)，可從觀測譜各項(xiàng)參數(shù)中去掉幾何擴(kuò)散、非彈性衰減和臺站場地響應(yīng)及自由表面的影響等得到震源譜，再與理論震源譜擬合可得到零頻幅值和拐角頻率。

圖4 福建地震臺網(wǎng) “九五”、 “十五”臺站場地響應(yīng)平均值Fig.4 Average field response of Fujian station network during“Ninth Five-year Plan”and “Tenth Five-year Plan”

即一個地震的觀測震源譜為各臺站觀測震源譜的平均值，如式 （8）表示：

理論震源譜為Brune模型，如式 （9）表示：

定義理論與觀測震源譜的殘差為

由觀測譜的形態(tài)估計Ω0和fc的可能取值范圍，用遺傳算法迭代計算，直至式 （10）的ε不再減小，即可得到零頻幅值和拐角頻率。圖5顯示求解一個地震的震源譜參數(shù)，藍(lán)線代表這個事件各個臺記錄的震源譜，綠線為平均震源譜，紅線為擬合的理論震源譜。

根據(jù)上面求得的零頻幅值和拐角頻率，應(yīng)用Brune圓盤型震源模型求解中小地震震源參數(shù)的公式，進(jìn)而求得相應(yīng)的震源參數(shù)。

對于地震矩：

圖5 震源譜參數(shù)擬合圖Fig 5 Focal spectrum parameter fitting figure

式中ρ是密度，本研究取為2.65 g/cm3； VS是S波速度，取為3.55 km/s；Rθφ是S波的輻射花樣系數(shù)，對于SH波取震源輻射能量的平均值為。

震源半徑：

對于應(yīng)力降：

對于矩震級[13]：

1.5 震源參數(shù)關(guān)系討論

由上述方法，求解了福建臺網(wǎng)2000-01-01～2011-09-30記錄的福建省內(nèi)及臨近海域ML2.5級以上157次地震的震源參數(shù)。這些地震的震級在ML2.5到4.7之間，標(biāo)量地震矩在1.60×1012～4.19×1014N·m之間，應(yīng)力降在0.12～10.61MPa之間，震源半徑在86～347 m之間。 這些地震的地震矩與地方震震級ML有很好的相似關(guān)系，關(guān)系式為lgM0=0.99ML+9.91，見圖6（a）。震源尺度、應(yīng)力降與震級雖有隨震級增大相應(yīng)增大的趨勢，但難以給出定量關(guān)系，見圖6（b，c）。

圖6 震源參數(shù)地震矩 （a）、震源半徑 (b)、應(yīng)力降 (c)與震級ML關(guān)系圖Fig 6 The relationship between seismic torque(a)、focal radius(b)、stress drop(c)of focal parameter and seismic magnitude ML

2 新參數(shù)目錄產(chǎn)出實(shí)現(xiàn)的情況、內(nèi)容及注意事項(xiàng)

目前新參數(shù)目錄的測定，在十五系統(tǒng)JOPENS中已實(shí)現(xiàn)日?；Ｒ?guī)化產(chǎn)出。在計算震源參數(shù)的軟件Source中配置好相關(guān)的臺站場地響應(yīng)參數(shù)和區(qū)域介質(zhì)品質(zhì)因子Q值、衰減系數(shù)及當(dāng)?shù)氐牡貧に俣冉Y(jié)構(gòu)模型，并在JOPENS系統(tǒng)的MSDP.XML文件里配置好調(diào)用該程序的路徑，就可實(shí)現(xiàn)在JOPENS系統(tǒng)的MSDP界面上實(shí)現(xiàn)在線計算。通過MSDP打開波形數(shù)據(jù)，標(biāo)注震相，定位后，對波形及震相數(shù)據(jù)提交到數(shù)據(jù)庫后，調(diào)用JOPENS/MSDP界面中計算中小地震震源參數(shù)的功能模塊進(jìn)行計算，最后把震源參數(shù)寫入數(shù)據(jù)庫中。新地震參數(shù)目錄的內(nèi)容如表1，即在傳統(tǒng)目錄的基礎(chǔ)上增加四個震源參數(shù)和一些輔助項(xiàng)，在表中例舉了圖5計算的地震新參數(shù)目錄。

由于在計算震源參數(shù)時有較多要求，并不是每個地震都能得到計算結(jié)果的。首先上述方法是針對中小地震計算震源參數(shù)的方法，是基于Brune的圓盤模型進(jìn)行計算的，對地震的震源深度及震級有一定要求，主要為要求地震是發(fā)生于地殼內(nèi)的，且震級一般要小于M5.5；其次對地震記錄有一定的信噪比要求，本項(xiàng)工作中要求信噪比大于等于2，且要求同一地震至少要有3個臺站有如此好的記錄，如果不能滿足此項(xiàng)要求時，就不予計算。

根據(jù)震源參數(shù)計算公式可知，其結(jié)果主要源于對震源譜參數(shù)的計算，為了得到優(yōu)化的震源譜參數(shù)，在實(shí)際計算過程中還要注意以下事項(xiàng)：①為了消除震源輻射花樣的影響，盡量要求臺站包圍震中，且較均勻的分布。② 只測定發(fā)生在Q值覆蓋區(qū)內(nèi)的地震。③ 不計算雙震疊加的地震。④對于震源譜擬合不好的臺站要舍去。⑤地震事件前的波形記錄要避免異常記錄的干擾。⑥ 選用震中距較大的臺站時，要注意避免使用Lg波。⑦ 臺站儀器響應(yīng)值應(yīng)使用出廠值，等等。

表1 新地震參數(shù)目錄內(nèi)容及實(shí)例Table 1 Contents of new seismic parameter catalog and application case

3 結(jié)論與討論

通過對福建數(shù)字地震臺網(wǎng)資料的處理，反演了福建地區(qū)地殼的平均非彈性衰減因子Q值和37個測震臺站的場地響應(yīng)，為在福建開展震源力學(xué)參數(shù)計算提供了基礎(chǔ)。震源參數(shù)的地震矩、應(yīng)力降、破裂半徑、矩震級等已正式編入新地震參數(shù)目錄中。目前，福建臺網(wǎng)新地震參數(shù)目錄已實(shí)現(xiàn)常規(guī)化、日?；?、快速產(chǎn)生，對于發(fā)生較大的地震，可以較為快速地提供震源參數(shù)。

隨著福建地震臺網(wǎng) “十一五”建設(shè)的完成及運(yùn)行，臺點(diǎn)密度更高，布局更加合理，記錄更多的地震事件，可以開展計算福建區(qū)域更加精細(xì)的區(qū)域介質(zhì)品質(zhì)因子及補(bǔ)充新增臺點(diǎn)的場地響應(yīng)，產(chǎn)出的震源參數(shù)將更加可靠、準(zhǔn)確。

本文所用程序由中國地震局地震預(yù)測研究所趙翠萍研究員，高景春研究員，華衛(wèi)博士等提供，他們在理論與方法上給予諸多指導(dǎo)和幫助，在此深表謝意。

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The Output of New Seismic Parameter Catalog of Fujian Digital Seismic Network

YANG Gui，LI Zuning

(Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350003，China)

This article reviewed the process of the output of new seismic parameter catalog from Fujian digital seismic network.According to the principle of determining focal parameters of small and moderate earthquakes,the average non-elastic attenuation factor Q value in Fujian province and average field response of 37 seismic stations are calculated.Focal spectrum parameters are obtained using genetic algorithm,which are applied in Brune disc model formula for calculation of focal parameters.Finally,this paper introduces the main contents of the new seismic parameter catalog,and discusses a few considerations in solutions to new seismic parameter catalog.

Fujian Province；Seismic wave non-elastic attenuation factor；Field response；Focal parameters；New seismic parameter catalog

P315.331

A

1001-8662（2012）03-0031-10

2011-12-21

中國地震局行業(yè)專項(xiàng)子項(xiàng)目 “新地震參數(shù)測定及其在地震預(yù)測中的應(yīng)用”福建局子項(xiàng)目、福建省地震局 “新一代地震參數(shù)測定”項(xiàng)目聯(lián)合資助

楊 貴，男，1978年生，工程師，主要從事地震監(jiān)測與數(shù)字地震應(yīng)用研究. E-mail：765068979@qq.com.