張洪艷，康建紅，盧燕紅，張 宇，陳 聰

(吉林省地震局，長春 130117)

2013年吉林前郭5.8級震群地震序列尾波Q值研究

張洪艷，康建紅，盧燕紅，張 宇，陳 聰

(吉林省地震局，長春 130117)

挑選出2013年10月31日至12月31日前郭地區(qū)發(fā)生的58次M1.0以上地震事件，基于Sato的單次散射模型分別計(jì)算了長嶺臺(tái)、松原臺(tái)和乾安臺(tái)的尾波Q值，獲得了3個(gè)臺(tái)尾波Q值與頻率的依賴關(guān)系，分別為：Qc=33.65f0.9782、Qc=33.00f0.9104、Qc=33.46f1.0299。初步認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)的Q值在2～18 Hz范圍內(nèi)與頻率有顯著的相關(guān)性，研究區(qū)內(nèi)的低Q值現(xiàn)象與該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、地震活動(dòng)性形成了較好的一致性。

吉林前郭；尾波Q值；地震序列

0 引言

Q值是一個(gè)無量綱參數(shù)，首先用在電學(xué)的電路分析中，是衡量電感器件的主要參數(shù)，用它來描述波動(dòng)的衰減，一般Q值大，則表明低損耗、高效率。在引入地震學(xué)后，稱其為地球介質(zhì)的品質(zhì)因子，用品質(zhì)因子Q來描述。實(shí)際觀測表明，地震波在地球介質(zhì)傳播中即便是特大地震，也很快的衰減殆盡，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因主要是地球介質(zhì)的非完全彈性以及介質(zhì)的非均勻性。Q值對地震構(gòu)造應(yīng)力所導(dǎo)致的破裂及溫度變化非常敏感，可以很好地反映地球內(nèi)部介質(zhì)由于應(yīng)力的變化而引起的巖石性質(zhì)的變化。

尾波Q值是利用地震尾波測定Q值，測算相對簡單、穩(wěn)定，1969年Aki最先詮釋了近震尾波的成因，即地球介質(zhì)的不均勻性普遍存在，地震波在傳播的過程中遇到這些不均勻體時(shí)會(huì)發(fā)生散射，于是臺(tái)站會(huì)接收到這些延遲的散射波，形成尾波。通常情況下，我們將地下介質(zhì)考慮為單一散射體模型。在地震學(xué)中，Q值的測定已經(jīng)相對成熟。研究的區(qū)域、方法、內(nèi)容等都有了很大的進(jìn)展。尾波Q值的應(yīng)用領(lǐng)域也很廣泛：火山活動(dòng)構(gòu)成、油氣的勘探、震源參數(shù)的研究、地震工程等。

2013年10月31日至12月31日，吉林前郭地區(qū)發(fā)生了一系列震群活動(dòng)，其中M5.0級以上地震達(dá)5次，是吉林有歷史記錄以來罕見的震群型地震活動(dòng)。震后，針對此次地震序列開展了多方面的研究，取得了多項(xiàng)研究成果：震源機(jī)制解、視應(yīng)力、精定位、序列分析等，但針對震區(qū)內(nèi)地下介質(zhì)方面的研究開展得較少，因此本文基于單次散射理論，利用Sato模型計(jì)算了震區(qū)內(nèi)松原臺(tái)、長嶺臺(tái)和乾安臺(tái)3個(gè)固定臺(tái)的尾波，了解區(qū)域尾波Q值的分布特征，進(jìn)而結(jié)合該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和地震活動(dòng)性，試圖探尋研究區(qū)內(nèi)部介質(zhì)性質(zhì)與地震活動(dòng)的關(guān)系。

1 研究區(qū)地震構(gòu)造背景

震區(qū)位于東北斷塊和松遼斷塊拗陷區(qū)內(nèi)，拗陷區(qū)的邊界斷裂發(fā)育，西有嫩江斷裂，東界為依蘭-伊通斷裂，南界有赤峰-開原斷裂，北界有訥莫爾河斷裂。基底由古生代變質(zhì)巖系組成，中、新生代形成大型斷陷-拗陷型盆地，兩翼不對稱，西翼陡、東翼緩，沉降幅度西深東淺。震源區(qū)附近共發(fā)育4條斷層，分別是NE向扶余-肇東斷裂(F4)、NWW向第二松花江斷裂(F2)、克山-大安斷裂(F1)及NW向查干泡-道字井?dāng)嗔?F5)(圖1)。震中區(qū)地殼厚度約35 km，該區(qū)沉積層較厚。

圖1 研究區(qū)歷史強(qiáng)震分布圖

研究區(qū)內(nèi)NE向斷裂規(guī)模最大，對松遼盆地的基底起著主要的控制作用，與NW向斷裂存在共軛關(guān)系，NE向與NW向斷裂交匯處往往是易震區(qū)[3]。

2 資料及方法

10月31日前郭5.5級地震發(fā)生后，吉林省地震局和黑龍江省地震局在前郭和乾安地區(qū)圍繞震中50 km之內(nèi)陸續(xù)布設(shè)了9個(gè)臨時(shí)觀測站，形成了臨時(shí)的小型觀測臺(tái)陣，對震區(qū)進(jìn)行了比較好地監(jiān)控。吉林臺(tái)網(wǎng)利用省內(nèi)臺(tái)、周邊共享臺(tái)站以及流動(dòng)臺(tái)的資料，共同處理此次地震序列。

本研究尾波的計(jì)算采用吉林臺(tái)網(wǎng)2013年10月31日至12月31日記錄的前郭地震序列數(shù)字化記錄波形，選取松原臺(tái)、乾安臺(tái)和長嶺臺(tái)3個(gè)固定臺(tái)清晰的地方震記錄，對目錄進(jìn)行了篩選、整理，共58次地震事件參與此次計(jì)算。其中1.0～1.9級地震22次，2.0～2.9級地震13次，3.0～3.9級地震12次，4.0～4.9級地震6次，5.0～5.9級地震5次。臺(tái)站和震中分布見圖2。

f1 扶余-肇東斷裂；F2 克山-大安斷裂；F3-1查干泡-道字井?dāng)嗔驯敝?；F3-2查干泡-道字井?dāng)嗔涯现?；F4第二松花江斷裂

Sato[4]、Aki[5-6]的單次散射理論認(rèn)為地震尾波是朝地震臺(tái)站方向傳播的散射波的合成。由于散射波在空間上的分布是隨機(jī)的，因此，因平均效應(yīng)，在不同臺(tái)站記錄的同一地方震的尾波振幅相同。而S波則不然，因不同臺(tái)站波的傳播路徑不同，記錄的振幅也不同。由于次級散射波的能量比由S波遇到散射體所激發(fā)的散射波(通常稱單次散射波)的能量小得多，因此在尾波Q值的研究中，往往僅考慮單次散射的問題。

本節(jié)使用Sato單次散射模型計(jì)算Q值，選用6階的Butterworth濾波器默認(rèn)值進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算。在計(jì)算中，選用波形記錄良好，可以較清晰地判讀P波和S波震相的地震，采用6階Butterworth濾波器，對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波。共計(jì)算17個(gè)中心濾波頻率點(diǎn)，分別為：2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18 Hz。

對各分向數(shù)據(jù)，從S波到達(dá)開始，以2 s的時(shí)間窗長，0.5 s的時(shí)間步長，依次計(jì)算時(shí)間窗內(nèi)采樣數(shù)據(jù)的均方根，并與噪聲參考值比較，當(dāng)比值低于1.5時(shí)，相應(yīng)位置即為尾波截?cái)鄷r(shí)間，這樣可以克服人為選取尾波截?cái)鄷r(shí)間的隨意性。一般認(rèn)為采樣深度隨著流逝時(shí)間的增加而加深，在考慮單次散射的前提下，為了保證比較一致的散射橢球體深度，對不同震中距的地震，適當(dāng)?shù)剡x取不同的流逝時(shí)間，以此來獲得同一深度層的介質(zhì)品質(zhì)因子[7-9]。

3 結(jié)果

在約束條件的限定下，利用Sato單次散射理論，針對篩選出的58次地震事件分別計(jì)算了松原臺(tái)、長嶺臺(tái)和乾安臺(tái)的尾波Q值，最終獲得松原臺(tái)55次、長嶺臺(tái)57次和乾安臺(tái)54次事件的最終結(jié)果。其中，長嶺臺(tái)Q0與f的波動(dòng)范圍分別為：24.01～44.42，0.849～1.115；

乾安臺(tái)Q0與f的波動(dòng)范圍分別為：24.18～39.94，0.887～1.218；松原臺(tái)Q0與f的波動(dòng)范圍分別為：21.63～46.95，0.806～1.020。

由松原臺(tái)55次、長嶺臺(tái)57次和乾安臺(tái)54次地震的不同地震不同頻率Q值分布及Q值與頻率的冪指數(shù)擬合曲線得到了松原臺(tái)、長嶺臺(tái)和乾安臺(tái)附近地震波衰減的平均特性。得出長嶺臺(tái)、乾安臺(tái)和松原臺(tái)品質(zhì)因子與頻率間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系分別為：Qc=33.65f0.9782,Qc=33.46f1.0299,Qc=33.00f0.9104。Q0和η值的95%置信誤差分別為4.44、0.063 5；3.74、0.070 7；5.51、0.056 5。計(jì)算結(jié)果見表1、圖3。

表1 各臺(tái)站的Q0值與η值結(jié)果

由Q值與頻率的冪指數(shù)擬合曲線可以看出，品質(zhì)因子在頻率2～18 Hz之間有較強(qiáng)的頻率依賴性，3個(gè)臺(tái)附近的品質(zhì)因子存在一定的不穩(wěn)定性，品質(zhì)因子的變化很大一部分是由于各臺(tái)站附近介質(zhì)的不均勻性引起的。文中選用的地震事件均為地方震,ts-tp在6～11 s之間，主要用小震中距事件、小流逝時(shí)間反映局部、淺層區(qū)域特性。

4 討論

4個(gè)臺(tái)附近介質(zhì)的Q0值和η值變化幅度較小，Q0值主要集中在30～40之間(圖4)，η值主要集中在0.9～1.1之間。尾波與頻率的關(guān)系中，Q0值主要反映從震源到臺(tái)站之間介質(zhì)的平均性質(zhì)，一般認(rèn)為，Q0值較高的背景，屬于構(gòu)造活動(dòng)相對較穩(wěn)定的地區(qū)，介質(zhì)的非均勻程度較低，地震波在通過此區(qū)域時(shí)能量衰減得較慢；Q0值較低的背景，屬于構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)烈的地區(qū)，介質(zhì)的非均勻程度較高，地震波在通過此區(qū)域時(shí)能量衰減較快[10-11]。本研究區(qū)3個(gè)臺(tái)的Q0值均較低，相差幅度較小，表示該區(qū)域介質(zhì)的非均勻程度較高，地震波通過時(shí)的能量衰減較快。同時(shí)，由圖3中Q0值和η值的變化情況，可以發(fā)現(xiàn)Q0值與η值之間負(fù)相關(guān)變化比較明顯，Q0值對頻率在2～18 Hz范圍內(nèi)表現(xiàn)出較強(qiáng)的依賴性，η值偏高，與該區(qū)域地震活動(dòng)水平偏高穩(wěn)合。因?yàn)镼值對頻率的依賴程度與地殼介質(zhì)的均勻程度密切相關(guān)，依賴程度越高，地殼介質(zhì)的均勻程度越低[12]。

圖3 不同地震不同頻率Q值分布及Q值與頻率的冪指數(shù)擬合曲線

研究區(qū)是吉林省內(nèi)地震較活躍的區(qū)域，被稱作松原老震區(qū)，不僅發(fā)生過1119年6級強(qiáng)震，而且在2006年發(fā)生1次5.0級孤立型地震，2013年再次發(fā)生震群型地震，數(shù)次地震導(dǎo)致地下巖體的整體性遭到破壞，穩(wěn)定性較差，剛性降低，加之小震群活動(dòng)再次加劇了淺層介質(zhì)的破碎，從而導(dǎo)致地震波在穿過此區(qū)域時(shí)能量耗損較大，衰減較快，進(jìn)而表現(xiàn)低Q值特征。

圖4 各臺(tái)站的Q0值和η值曲線

Q0與頻率的關(guān)系圖中(圖5)顯示研究區(qū)內(nèi)3個(gè)臺(tái)的Q0值略有差異，主要表現(xiàn)在低頻段尾波衰減幅度接近，在高頻段呈現(xiàn)出一定的差異性，但整體的差異性較小。初步認(rèn)為乾安臺(tái)和長嶺臺(tái)距離2006和2013年2次震群約45 km和41 km，松原臺(tái)附近1119年發(fā)生1次強(qiáng)震后，2003年發(fā)生過1次震群活動(dòng)，地震活動(dòng)對研究區(qū)地下的介質(zhì)結(jié)構(gòu)有不同程度地破壞，震后該地區(qū)的能量得到釋放，該區(qū)周邊地下介質(zhì)破碎，處于疏松狀態(tài)，所以地震波在經(jīng)過3個(gè)臺(tái)附近區(qū)域時(shí)衰減較快，同時(shí)不同區(qū)域的破壞程度存在一定的差異，進(jìn)而導(dǎo)致3個(gè)臺(tái)站附近的尾波呈現(xiàn)輕微不同的變化形態(tài)。

注：紅色表示松原臺(tái)；黑色表示長嶺臺(tái)； 藍(lán)色表示乾安臺(tái)

綜合分析認(rèn)為研究區(qū)附近的地震活動(dòng)和地下構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)，地震波在研究區(qū)內(nèi)的衰減最快，其下存在散射體的可能性較大。

5 結(jié)語

本文基于Sato單次散射模型分別獲取了松原臺(tái)、長嶺臺(tái)和乾安臺(tái)的尾波Q值，其中由松原臺(tái)55次事件得出品質(zhì)因子與頻率之間的依賴關(guān)系為：Qc=33.00f0.9104，由長嶺臺(tái)57次事件得出品質(zhì)因子與頻率之間的依賴關(guān)系為：Qc=33.65f0.9782，由乾安臺(tái)54次事件得出品質(zhì)因子與頻率之間的依賴關(guān)系為：Qc=33.46f1.0299。Q0和η值的95%置信誤差分別為5.51，0.056 5；4.44，0.063 5；3.74，0.070 7。

本文選用震中距較小的地震以反映局部的區(qū)域特性，松原臺(tái)、長嶺臺(tái)和乾安臺(tái)處于同一孕震構(gòu)造區(qū)，尾波值相差不大，表現(xiàn)為低Q值特征，與該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地震活動(dòng)性相符。

初步認(rèn)為研究區(qū)內(nèi)地下存在散射體的可能性較大，地震波通過研究區(qū)衰減較快，地下構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)于其它地區(qū)。

致謝：感謝朱新運(yùn)、劉杰研制的尾波分析計(jì)算軟件，感謝盤曉東給予本稿的指導(dǎo)意見，感謝劉俊清在繪圖方面給予的幫助，感謝審稿專家提出的寶貴意見！

[1]吳戈，房賀巖，李志田，等.1119年前郭地震考察與研究[J].東北地震研究，1988，4(1)：67-76.

[2]李傳友，汪一鵬，張良懷，等.吉林省松原地區(qū)1119年6級地震的發(fā)震構(gòu)造條件[J].中國地震，1999，15(3)：237-246.

[3]古成志.松遼平原活動(dòng)構(gòu)造遙感信息分析[J].地殼形變與地震，1993,13(2)：67-73.

[4]Sato H. Energy propagation including scattering effects: single isotropic scattering approximation[J]. J. phys. Earth., 1977,25:27-41.

[5]Aki K. Analysis of seismic coda of local earthquakes as scatter waves[J].J Geophys Res, 1969,74:615-631.

[6]Aki K, Chouet B. Origin of coda waves: sorce, attenuation, and scattering effects[J] .J Geophys Res,1975，180:3322-3342.

[7]呂堅(jiān)，朱新運(yùn)，高建華，等.江西九江-瑞昌震區(qū)的尾波衰減特征初探[J].地震，2006，26(4):15-20.

[8]劉希強(qiáng)，石玉燕，曲均浩，等.品質(zhì)因子的尾波測定方法討論[J].中國地震，2009,25(1):11-23.

[9]高金哲，劉杰，桑成良，等.長白山天池火山地區(qū)的尾波Q值估計(jì)[J].華北地震科學(xué),2007,23(4):400-409.

[10]李瓊，秦嘉政，錢曉東.2007年寧洱6.4級地震余震序列尾波QC值研究[J].地震研究，2007,30(4)：337-343.

[11]梁國經(jīng)，李仲巍，鄭雙鳳,等.龍崗火山區(qū)尾波Q值的初步研究[J].地震地質(zhì)，2011,33(1)：114-122.

[12]賀永忠，師海闊，朱新運(yùn),等.利用兩種模型對寧夏及鄰區(qū)尾波Q值進(jìn)行對比研究[J].大地測量與地球動(dòng)力學(xué),2012,32(S):10-17.

Study on Coda Q-value of the 2013 Jilin Qianguo Earthquake Sequence

ZHANG Hong-yan, KANG Jian-hong, LU Yan-hong, ZHANG Yu, CHEN Cong

(Earthquake Administration of Jilin Province, Changchun 130117, China)

Using 58M≥1.0 earthquakes in Qianguo between Oct. 31 to Dec.31, 2013, we calculated the Coda Q-value of Changling station, Songyuan station and Qianan station with the Sato single scattering model, We got the dependency relationship of Coda Q and frequency for the three digital observation stations，they are respectively :Qc=33.65f0.9782,Qc=33.00f0.9104,Qc=33.46f1.0299. The result indicate that the Coda Q was a bit low and had a high dependency with frequency during 2-18 Hz, this phenomenon had a good coincide with the tectonic structure and earthquake activities in the study area.

Jilin Qianguo; Coda Q; earthquake sequence

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.03.003

2014-04-15

測震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)(項(xiàng)目編號:20140307)

張洪艷(1979—)，女，工程師，主要從事地震編目及地震學(xué)相關(guān)工作.E-mail：56617347@qq.com

P315.3

A

1003-1375(2014)03-0010-06