鄭建常 王鵬 許崇濤 徐芳芳

1)山東省地震局，濟南市歷城區(qū)港西路2066號 250102

2)山東省五蓮地震臺，山東五蓮 262300

3)山東省榮成地震臺，山東榮成 264300

0 引言

有關(guān)前震活動特征及其判別的研究，多年來一直是國內(nèi)外地震學者關(guān)注的熱點，同時也是科學難點之一。有關(guān)前震的歷史震例在文獻中早有記載，但直到今天，我們對前震發(fā)生機理的認識仍不清楚，甚至對于前震從物理意義上仍然沒有確定的、得到普遍認可的定義(林邦慧等，1994)。因此，有效地識別前震，無疑是極具挑戰(zhàn)性的科學問題。深入研究前震與一般地震事件的震源機制和發(fā)生機理的差異，將極大推動地震預測的實用化進程，同時在加深對于大地震發(fā)生物理過程規(guī)律性的認識方面有著重要意義。

前震或前震序列的發(fā)生機理與普通震群存在差異，因此有可能通過對地震波形的分析識別發(fā)現(xiàn)二者的不同特征。蔡靜觀等(1994)研究發(fā)現(xiàn)，前震序列地震波的振幅比相對穩(wěn)定;馮德益等(1994)研究認為，前震S波頻譜的峰值頻率fM及拐角頻率fc都明顯偏小，可以作為識別前震的指標;Cheng等(2003)通過對2001年四川雅江6.0級地震及其5.0級前震的研究認為，主震前的前震序列的應(yīng)力降升高;倪四道等(2010)對2010年MS7.1玉樹地震的前震分析表明，幾次前震活動的波形相似程度非常高。

對于前震的波形或頻譜特征，自開展數(shù)字地震學研究以來已經(jīng)積累了大量的認識。Ishida等(1980)發(fā)現(xiàn)前震的峰值頻率要大于普通地震;Zuniga等(1987)研究表明，前震的視應(yīng)力、應(yīng)力降以及振幅比等都與余震活動存在差異;Pechmann等(1990)通過波形互相關(guān)發(fā)現(xiàn)，前震存在密集叢集;Webb(1994)同樣通過波形互相關(guān)和格林函數(shù)反褶積發(fā)現(xiàn)，前震具有空間叢集、高應(yīng)力降以及單側(cè)破裂等現(xiàn)象。Chepkunas等(2001)研究發(fā)現(xiàn)，前震的振幅譜中存在異常的高頻成份;Umino等(2002)使用交叉譜分析發(fā)現(xiàn)，前震序列存在由深到淺的破裂過程，并認為這與主震的成核過程有關(guān);Mori(1996)、Reymond等(2003)研究發(fā)現(xiàn)，主震破裂起始點位于前震破裂區(qū)的邊緣;Hahm等(2009)對比了韓國3次地震的前震、余震的不同特征。

2014年2月12日17時19分新疆于田發(fā)生MS7.3地震，震前約31h，震中曾發(fā)生MS5.4前震，形成了完整的前震-主震-余震序列活動。這次地震序列為我們研究前震活動的物理性質(zhì)和特征提供了很好的條件。本研究利用新疆區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的于田地震前震和余震序列的波形資料，基于Brune圓盤破裂模型，利用遺傳算法反演了于田地震序列的震源譜，對該序列進行頻譜特征分析，并對比了前震和余震序列觀測譜與震源譜之間的差異。

1 數(shù)據(jù)與方法

本研究選取新疆區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)2014年2月11～17日記錄到的279次地震的波形資料，為保證觀測資料的可靠性和一定的信噪比水平，選擇了其中的103次ML≥3.0地震進行分析，對其中大多數(shù)事件選用了距震中最近的3個臺站(YUT、YJB、MIF)的資料。圖1(a)給出了本研究中的臺站及于田地震序列的震中分布;圖1(b)給出了于田地震序列中用于本文計算的103次事件(含主震)的M-t圖。

2 理論與方法

臺站記錄的地震譜Sob(f)可以表示為

式中，Oob(f)為地震震源觀測譜;P(f)為路徑效應(yīng);G(f)表示場地響應(yīng);I(f)為儀器響應(yīng);f為頻率。

在近震源條件下，當觀測臺站的震中距較小時，可忽略非彈性衰減的影響，通過儀器響應(yīng)和幾何擴散校正后即可得到震源譜。本文選用的3個臺(YUT、YJB、MIF)的震中距最大不超過120km，因此采用該方法是合適的。

本研究中，幾何衰減采用單段衰減模型，衰減系數(shù)取為1;非彈性衰減Q值采用徐彥等(2005)的研究結(jié)果，選擇S波段時使用了到時關(guān)系法，手動讀取Pg、Sg到時，根據(jù)到時關(guān)系截取S波窗，求取傅里葉譜。圖2給出了3個臺站的2014年2月12日18時04分ML3.7余震的觀測震源譜以及擬合的理論譜。

圖2 2014年2月12日18時04分M L 3.7余震觀測譜及理論譜

根據(jù)中小地震的Brune圓盤模型，理論震源譜可以表示為

式中，Ω0為震源譜零頻極限;fc為拐角頻率。將Ω0、fc作為獨立變量，根據(jù)式(2)利用遺傳算法使觀測譜和理論譜具有最小殘差，可以確定震源譜參數(shù)Ω0和fc，并由下式計算地震矩

式中，Rθφ為輻射花樣系數(shù);ρ表示地殼介質(zhì)密度;vS為S波速度。

3 結(jié)果與分析

已有的研究大多顯示，震源參數(shù)如地震矩、拐角頻率、破裂半徑等存在明顯相關(guān)性。根據(jù)自相似的原理，地震發(fā)生過程中在拐角周期上輻射的能量最大，拐角頻率與成比例關(guān)系(Lyskova，1998)。張?zhí)熘械?2000)研究認為，在一定的震級范圍內(nèi)，地震矩M0、拐角頻率fc和震級ML之間存在半對數(shù)線性關(guān)系;Drouet等(2005)利用線性回歸給出了拐角頻率對數(shù)lgfc與震級ML之間的關(guān)系式;Izutani(2008)研究認為地震矩與拐角頻率存在如下關(guān)系

本文計算得到了于田地震序列的103次ML≥3級地震的震源參數(shù)。結(jié)果顯示，地震矩、拐角頻率和震級之間有很好的相關(guān)關(guān)系(圖3)(王鵬等，2015)，經(jīng)過線性擬合，得到

圖3 震源參數(shù)之間線性擬合

3.1 拐角頻率

利用于田地震序列的拐角頻率值，分析了主震前后其變化特征，結(jié)果見圖4。從圖4可見，主震之前的前震序列的拐角頻率值明顯偏小;而余震序列的拐角頻率值較大，明顯大于前震序列(圖4(a))。由于拐角頻率fc和地震矩M0有很好的相關(guān)性(圖3)，因此根據(jù)擬合得到的式(5)扣除地震矩對拐角頻率的影響，定義為由觀測譜擬合得到的拐角頻率為按照式(5)由地震矩M0計算得到經(jīng)驗拐角頻率。結(jié)果見圖4(b)，同樣可以看出余震序列的拐角頻率升高的趨勢。前震序列中有3次事件的f'c值較高，或許從這一角度可以認為這3次事件是2月12日17時24分MS5.4前震的余震。

3.2 臺站觀測譜

YUT(于田)臺是距離于田7.3級地震序列最近的臺站，該臺除了個別事件記錄中斷外，對序列中絕大部分事件都有很好記錄。由于于田地震序列的余震分布相對較為集中(圖1、6)，相對YUT臺的方位角變化不大，故一定程度上可以忽略震源的方向性效應(yīng);因此，可以對計算得到的YUT臺觀測譜進行交叉互相關(guān)分析，結(jié)果見圖5。圖5中縱、橫坐標均為102次前震、余震事件的序號，其中第22～25、33、61、97號事件無數(shù)據(jù)。

圖4 2014年2月11～17日于田地震序列(去除主震)的拐角頻率隨時間的變化

由圖5可以看出，于田地震序列的觀測譜整體相關(guān)系數(shù)較高，尤其是MS7.3主震后較短時間內(nèi)發(fā)生的幾次余震，其振幅譜相關(guān)系數(shù)均大于0.9;但前震序列的振幅譜相關(guān)系數(shù)變化差異較大，除2014年2月11日MS5.4前震及隨后的2次小震的相關(guān)系數(shù)較高外，其余3次前震活動的觀測譜均顯得較為獨立，不論與其他事件還是彼此之間的相關(guān)系數(shù)都不高(小于0.7)，與前面計算的值較高相一致。

圖5 YUT臺記錄于田地震序列觀測譜的互相關(guān)分析

將于田地震序列觀測譜與MS7.3主震的相關(guān)性表示到震中分布圖上，得到圖6，由圖6可以看出，相關(guān)性不高的小震發(fā)生在與主震不同的斷裂上，并且序列發(fā)展后期余震震中主要向SW方向擴展，這一時期的相關(guān)系數(shù)也相對偏低;同時還可以發(fā)現(xiàn)前震序列中3次相關(guān)系數(shù)偏低的小震均分布在主干斷層的東側(cè)，由于受實際觀測資料的限制，無法求解這些小震的震源機制，但推測其震源機制和斷層破裂性質(zhì)可能與MS5.4前震及MS7.3主震都有較大的不同。

圖6 于田地震序列事件與主震譜相關(guān)系數(shù)的空間分布

3.3 震源譜

由式(2)、(3)，震源譜可以寫為

式中，b為涉及到地殼介質(zhì)密度、S波速度及輻射花樣的系數(shù)。因此，對計算得到的震源譜可以除以地震矩M0，將其定義為歸一化震源譜|Onm(f)|。

對計算得到的102次前震、余震的震源譜除以事件的地震矩，扣除事件大小的影響，得到歸一化的震源譜，結(jié)果見圖7。對比可見，在10Hz以下的低頻部分，3次事件的歸一化振幅相差不大;在超過10Hz的高頻部分，ML5.0余震的譜振幅(藍色)大于MS5.7余震的(綠色)振幅，符合小地震明顯高頻衰減較慢的規(guī)律;而MS5.4前震的振幅明顯大于2次余震事件(雖然MS5.4前震震級大于ML5.0余震)，這一現(xiàn)象與Chepkunas等(2001)得到的前震振幅譜中存在異常的高頻成份的認識相一致。

圖7 于田地震序列歸一化震源譜

4 結(jié)論與討論

利用新疆區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的波形資料，對2014年2月12日于田MS7.3地震前震和余震序列的頻譜特征進行了分析。基于Brune模型，對S波記錄譜進行儀器響應(yīng)、傳播路徑和場地響應(yīng)的校正后，使用遺傳算法對于田地震序列103次ML≥3.0地震的理論震源譜進行了反演，得到了以下結(jié)論:

(1)前震序列的拐角頻率相對偏低，扣除地震矩影響后余震的拐角頻率有明顯增高趨勢;前震序列中有3次事件拐角頻率較高且與其他事件的相關(guān)系數(shù)偏低。

(2)距離震中最近的YUT臺資料分析顯示，于田地震6次ML≥3.0前震中，MS5.4前震與主震的觀測譜較為一致;而前震序列中后面3次事件則相對較為獨立，與主震以及彼此之間的相關(guān)系數(shù)不高，且震中位置偏離余震集中區(qū)，可能表明了前震發(fā)生后主震破裂孕育過程中在外圍發(fā)生的小的破裂。

(3)序列事件和主震的臺站觀測譜相關(guān)系數(shù)的變化反映了序列發(fā)展的動態(tài)破裂過程，相關(guān)系數(shù)較低的事件基本上偏離了主震破裂區(qū)，發(fā)生在分支斷裂上。

(4)與震級大小基本相同的余震事件相比，MS5.4前震的震源譜中存在異常的高頻成份。由于前震是震源區(qū)存在障礙體未能完全破裂所致，因此這一顯著高頻現(xiàn)象的成因可能與震源區(qū)介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)。

這些特征或許在一定程度上可以用于前震的識別，但由于受臺站布局、觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量等因素的影響，拐角頻率及其他震源參數(shù)測定的準確性相對不高，因此本文得到的上述認識仍需要有更多的震例進行檢驗和確認。

致謝:感謝兩位匿名審稿專家的意見和建議。本項工作得到中國地震臺網(wǎng)中心周龍泉研究員和薛艷副研究員的大力幫助，也得益于測震分析預報技術(shù)管理組和中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室各位專家的討論，在此一并表示感謝!