師海闊， 曾憲偉， 張立恒， 賀永忠

(1.中國科學技術(shù)大學，安徽 合肥 230026； 2.寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001)

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利用Aki模型對寧夏及鄰區(qū)尾波Q值分布特征的研究①

師海闊1,2， 曾憲偉2， 張立恒2， 賀永忠2

(1.中國科學技術(shù)大學，安徽 合肥 230026； 2.寧夏回族自治區(qū)地震局，寧夏 銀川 750001)

摘要：從2008年1月至2013年12月寧夏地震臺網(wǎng)記錄的665次ML≥2.0地震的數(shù)字地震波形資料中，選取波形記錄清晰、噪聲水平滿足計算條件的數(shù)字地震波形記錄，利用Aki模型，計算寧夏及鄰區(qū)各區(qū)域尾波Q值，并與前人已有結(jié)果進行對比，得到該區(qū)尾波Q值的分布特征。結(jié)果表明：寧夏及鄰區(qū)尾波Q值整體呈北高南低分布；吳忠、靈武地區(qū)該值相對較高，與該區(qū)域存在高速區(qū)相對應(yīng)；阿拉善左旗西南該值較低；中衛(wèi)、海原及附近地區(qū)該值相對較低，認為與該區(qū)域地殼深部的高溫度與高熱流值有關(guān)。

關(guān)鍵詞：寧夏及鄰區(qū)； Aki模型； 尾波Q值； 分布特征

0引言

Aki用單次散射模型解釋尾波的形成，并在此基礎(chǔ)上提出了一種從尾波的時間衰減確定尾波Q值的方法，后來得到不斷修正，因其簡單、易于數(shù)據(jù)運算而被廣泛應(yīng)用于區(qū)域Q值研究中[1-2]。尾波Q值與區(qū)域構(gòu)造活動及地震活動性密切相關(guān)，可以作為衡量地區(qū)構(gòu)造活動的重要指標，刻畫構(gòu)造應(yīng)力場變化[2-5]。近年來國內(nèi)外地震學家開展了廣泛的地震尾波研究工作，取得了很多有意義的研究成果。對于寧夏及其周圍地區(qū)的尾波Q值，趙衛(wèi)明等[6]利用寧夏銀川遙測地震臺網(wǎng)自1996年10月后的資料，提出用采樣深度表征各不同震中距地震的流逝時間，研究了寧夏中北部區(qū)域尾波Q值隨頻率和采樣深度的變化特征。趙衛(wèi)明等[7]應(yīng)用寧夏9個臺站1986年后記錄的寧夏及鄰區(qū)132次地震的200條DD-l儀模擬記錄，對寧夏及鄰區(qū)的分區(qū)尾波Q值進行了研究。賀永忠等[8]利用2008—2009年的數(shù)字化地震波資料，應(yīng)用Aki模型和Sato模型計算得到寧夏及鄰區(qū)四個小震密集區(qū)的Q值分布情況。本文擬通過利用Aki模型計算寧夏及鄰近地區(qū)各區(qū)域尾波Q值，分析其分布特征，并與前人已有結(jié)果進行對比，從而對該區(qū)域的介質(zhì)衰減特征及區(qū)域地震活動性進行客觀評估。

1研究區(qū)劃分

根據(jù)新構(gòu)造特征的不同可將寧夏及鄰區(qū)分為4個區(qū)域：銀川-吉蘭泰拉張構(gòu)造區(qū)、青藏塊體北東緣弧形構(gòu)造區(qū)、鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊[9][圖1(a)]。其中鄂爾多斯和阿拉善地塊均為新構(gòu)造活動微弱的穩(wěn)定地區(qū)。銀川-賀蘭山-吉蘭泰地區(qū)和牛首山以南為新構(gòu)造活動強烈的地區(qū)，但其新構(gòu)造特征截然不同，前者主要活動斷層和盆地為北北東走向，活動方式為正斷兼右旋，顯示拉張環(huán)境；而后者顯示為弧形構(gòu)造，活動斷裂的北西西走向段落以左旋走滑為主，近南北向段落以擠壓為主，為青藏斷塊區(qū)北東緣的重要組成部分。

圖1　研究區(qū)劃分依據(jù)Fig.1　The basis for the study area's division

按照構(gòu)造特征以及2008年以來研究區(qū)弱震分布情況[圖1(b)]，將寧夏及鄰區(qū)細分為銀川盆地、吉蘭泰盆地、賀蘭山區(qū)、吳忠靈武地區(qū)、阿拉善左旗西南和牛首山以南地區(qū)6個區(qū)域。由于寧夏及鄰區(qū)6級以上地震自1604年起有比較完整的記載[10]，而1604年以后中衛(wèi)、海原及附近區(qū)域6級以上地震數(shù)量就占全區(qū)總數(shù)的一半[圖1(c)]，所以在牛首山以南地區(qū)將中衛(wèi)、海原及附近區(qū)域劃為一個單獨的研究區(qū)域，從而更詳細地研究寧夏及鄰區(qū)尾波Q值分布的區(qū)域特征(圖2)。

圖2　分區(qū)示意圖Fig.2　The partition map of the study area

2數(shù)據(jù)計算方法原理

依據(jù)Aki單次散射模型[1-2]，以某頻率為中心頻率，使用一定帶寬濾波器濾波后的尾波振幅可以表述為

(1)

其中:S(f)為震源因子；t為發(fā)震時刻算起的地震波流逝時間；u為常數(shù)，體波u=1，面波u=0.5，本研究全部采用近震記錄，因此u取值為1；Q(f)為對應(yīng)于中心頻率點f的尾波Q值；A(f,t)是對應(yīng)t時刻一個采樣周期的幅度最大值。對式(1)兩邊取自然對數(shù)并整理變?yōu)?/p>

(2)

(3)

尾波段起算時間從2倍的S波走時開始。

本研究在具體操作上，首先對地震波尾波以f為中心頻率，f±1/3f為帶寬，使用6階Butterworth濾波器進行濾波，之后以f對應(yīng)的周期T為采樣步長，分別采集不同流逝時間t對應(yīng)的A(f,t)，將所有數(shù)據(jù)點代入式(2)，用最小二乘法求解該頻率的Q值。在研究整個區(qū)域地震波衰減總體特征時，先求該區(qū)域所有記錄對不同頻率的Q值，再求Q值平均值，用平均值作為該區(qū)域?qū)?yīng)頻率的Q值，并由此數(shù)據(jù)擬合頻率與Q值的關(guān)系式：

(4)

3觀測資料選取及處理

表 1　寧夏測震臺網(wǎng)臺站參數(shù)表

4計算結(jié)果與分析

圖3　寧夏及鄰區(qū)分區(qū)尾波Q值數(shù)據(jù)擬合情況及Q0值分布圖Fig.3　The data fitting of every study area’s Q value of seismic coda and the distribution diagram　　　 of Q0 value in Ningxia and neighboring area

圖4　寧夏及鄰區(qū)各區(qū)域尾波Q0值隨時間變化圖Fig.4　Change of every study area's Q0 value with time

5與前人已有計算結(jié)果進行對比

趙衛(wèi)明等[7]曾利用1986—2000年模擬記錄的132個地震的200條尾波記錄對寧夏及鄰區(qū)尾波Q值分布特征進行研究，得到的寧夏及鄰區(qū)分區(qū)尾波Q值基本與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有關(guān)。Q值相對較低的區(qū)域多為新生代盆地，如吉蘭泰盆地、海原盆地、銀川盆地南段的吳忠、靈武地區(qū)，以及吳忠至鹽池臺之間；而Q值相對較高的區(qū)域為山脈或盆地之間的斷隆，如賀蘭山、銀川盆地與臨河盆地之間的烏海及附近。永寧-大武口之間屬銀川盆地的中、北段，Q值最高。

本研究中區(qū)域劃分與趙衛(wèi)明等[7]基本類似，由于尾波Q值計算與尾波流逝時間截取長度關(guān)系很大，我們僅對計算結(jié)果的相對大小與其進行對比分析(表2，圖5)。

(1) 與趙衛(wèi)明等[7]結(jié)果比較一致的地區(qū)為銀川盆地、賀蘭山區(qū)、阿拉善左旗西南、牛首山以南地區(qū)及中衛(wèi)、海原及附近區(qū)域。其中，阿拉善左旗西南、牛首山以南地區(qū)及中衛(wèi)、海原及附近區(qū)域均屬于青藏塊體北東緣具有擠壓性質(zhì)的弧形構(gòu)造區(qū)，該區(qū)構(gòu)造活動十分強烈，尾波Q0值相對較低;而銀川盆地和賀蘭山區(qū)均屬于北部的拉張型構(gòu)造區(qū)，該區(qū)構(gòu)造活動雖然很強但仍低于南部地區(qū)，尾波Q0值相對較高。

圖5　各區(qū)域尾波Q值分布圖Fig.5　The distribution map of every study area's Q value of seismic coda

吉蘭泰盆地銀川盆地賀蘭山區(qū)吳忠、靈武地區(qū)阿拉善左旗西南中衛(wèi)、海原及附近牛首山以南地區(qū)趙衛(wèi)明等[7]Q0值204291282168179184228樣本數(shù)82896132178本研究Q0值372.1351.8351.7382.6248.2213.4208.8樣本數(shù)404726511157498

(2) 本研究得到的吉蘭泰盆地與吳忠、靈武地區(qū)尾波Q0值均相對較高，與趙衛(wèi)明等[7]的結(jié)果正好相反。趙衛(wèi)明認為:吉蘭泰盆地為新生代沉積盆地，故該區(qū)域尾波Q0值較低；而吳忠、靈武地區(qū)的低Q0值則與該區(qū)域的第四紀沉積較厚，或地殼中上部介質(zhì)強度較弱有關(guān)。本文認為：吉蘭泰盆地為寧夏北部拉張構(gòu)造區(qū)的最北端，該區(qū)雖然中強地震時有發(fā)生，但歷史上并未有發(fā)生7.0級以上強震的記錄，相對來說該區(qū)介質(zhì)的破碎程度低于南部地區(qū)，故而尾波Q0值比南部地區(qū)要高；而吳忠、靈武地區(qū)本研究中所使用的數(shù)據(jù)量較多，且數(shù)字記錄的資料相對模擬資料記錄信息更豐富，且速度成像結(jié)果也顯示該區(qū)域存在高速區(qū)[17]，即高應(yīng)力集中區(qū)，與相對高Q0值有比較好的對應(yīng)關(guān)系。故本研究結(jié)果可能更為可靠。

6結(jié)論與討論

(1) 寧夏及鄰區(qū)Q0值整體呈北高南低分布，寧夏北部的Q0值較高，而南部的Q0值較低，Q值與頻率的依賴性指數(shù)分布則正好相反。這與寧夏及鄰區(qū)的歷史強震活動分布以及地質(zhì)構(gòu)造背景有關(guān)。由圖1(c)可以看出，1604年以來寧夏北部只發(fā)生了1739年銀川平羅8級地震，南部6級以上強震頻次明顯高于北部，尤其是1920年海原發(fā)生了8.5級特大地震，因此南部相對北部更為破碎，容易呈現(xiàn)Q0值北高南低的分布態(tài)勢。從地質(zhì)構(gòu)造背景來看，位于寧夏北部的銀川—賀蘭山—吉蘭泰地區(qū)和南部的牛首山以南地區(qū)均為新構(gòu)造活動強烈的地區(qū)，但其新構(gòu)造特征卻正好相反；重力資料也顯示寧夏北部和南部呈現(xiàn)出兩種截然不同的失衡狀態(tài)，可能與這兩個地區(qū)的尾波Q0值迥異的分布有某種必然的聯(lián)系，但究竟是何種聯(lián)系，本文尚不能給出合理的解釋，還望能在以后的研究中有所突破。

(2) 阿拉善左旗西南尾波Q0值相對較低。該區(qū)位于青藏高原東北緣弧形構(gòu)造區(qū)的最北端，與構(gòu)造性質(zhì)比較穩(wěn)定的阿拉善塊體相接。與牛首山以南地區(qū)相比，該區(qū)域斷裂活動強度相對較弱，但明顯強于阿拉善塊體。

(3) 吳忠、靈武地區(qū)尾波Q0值相對較高，與該區(qū)域處于高速區(qū)即高應(yīng)力集中區(qū)有較好的對應(yīng)關(guān)系，也說明目前該區(qū)域比較完整，地殼介質(zhì)均勻程度較好。

(4) 中衛(wèi)、海原及附近地區(qū)為弧形構(gòu)造區(qū)內(nèi)的壓陷型盆地，對應(yīng)該地區(qū)的尾波Q0值相對較低。這一區(qū)域地殼深部溫度和熱流值明顯高于其他地區(qū)[16],由于尾波對溫度變化非常敏感，故該區(qū)低Q0值可能與其地殼深部高溫度和高熱流值有關(guān)。

(5) 根據(jù)前人的研究，Q值在大震后普遍出現(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象。這是由于大地震臨發(fā)生之前, 震源附近應(yīng)力高度集中, 使得介質(zhì)很緊密, 造成地震波在這種介質(zhì)中傳播能量損耗少, 因而Q值就大；大震后震源周圍地區(qū)介質(zhì)破碎程度顯著增大, 使得Q值變小, 衰減增大[18-20]。由于樣本量有限，并且研究區(qū)已經(jīng)20多年未發(fā)生5級以上強震，所使用的資料時段內(nèi)沒有震例可以用于討論中強震與Q0值變化形態(tài)之間的關(guān)系。鑒于此，查閱前人關(guān)于靈武地區(qū)的震例探討成果[21]，即1984年11月23日靈武5.3級和1987年8月10日靈武5.5級地震前都出現(xiàn)了Q0值的上升和下降變化過程，震后Q0值一般維持在低水平上。結(jié)合前文中各區(qū)域得到的Q0隨地震序號(即時間)的變化曲線(圖4)，均未出現(xiàn)前人研究成果中震前Q0值顯著升高的現(xiàn)象，或許意味著當前Q0值變化形態(tài)未出現(xiàn)異常，可以據(jù)此初步判定當前地震形勢尚未達到非常嚴峻的程度。

致謝:衷心感謝浙江省地震局朱新運教師提供尾波Q值計算軟件及寧夏地震局測震臺網(wǎng)中心提供計算所用波形資料！

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Distribution Characteristics ofQValue of Seismic Coda in Ningxia and Neighboring Areas Based on Aki Model

SHI Hai-kuo1,2, ZENG Xian-wei2, ZHANG Li-heng2, HE Yong-zhong2

(1.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China;2.EarthquakeAdministrationofNingxiaHuiAutonomousRegion,Yinchuan750001,Ningxia,China)

Abstract：In this study, we analyze the distribution characteristics of Q value of seismic coda in Ningxia and neighboring areas by considering 665 digital wave data points of earthquakes with ML≥2.0 from January, 2008 to December, 2013 recorded by the Ningxia Earthquake Network using the Aki model. The selected waveform records are clear, and the noise levels satisfy the requirements. By comparing the Q values of seismic coda in each area of the Ningxia Province and its adjacent region with existing results, the distribution characteristics of Q value of seismic coda are obtained. The results show that the Q value of seismic coda is higher in the north than in the south. The Q values of seismic coda in Wuzhong and Lingwu areas are relatively high, corresponding to the high-speed zone. The Q values of seismic coda in the region southwest of Alashan Zuoqi and those in Zhongwei, Haiyuan, and their adjacent regions are relatively low. These results may be associated with the high temperatures and heat-flow values in the deep crust of those areas.

Key words：Ningxia and its adjacent areas; Aki model; Q value of seismic coda; distribution characteristics

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0051

中圖分類號:P315.31

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0051-07

作者簡介：師海闊(1985-)，男(漢族)，甘肅臨洮人，工程師，主要從事地震監(jiān)測工作。E-mail: shihaikuo369@163.com。

基金項目：中國地震局三結(jié)合課題(143002)

收稿日期：①2015-03-31