苏中沿海地区尾波Qc值特征研究①

2011-01-25霍祝青

地震工程学报 2011年2期

杨云，霍祝青

（1.中国科学技术大学，安徽合肥 230026；2.江苏省地震局，江苏南京 210014）

0 引言

在地震波的研究中，对地震尾波的研究近年来受到高度重视［1－3］。地震尾波是由地下介质的不均匀性所激发的，它是介质不均匀性的最直接证据之一。Jeffreys最早将尾波研究用于地震学。上世纪60－70年代Aki用散射模型解释了尾波的形成［4－6］：由于地球介质的不均匀性，弹性波在传播过程中遇到这些不均匀体发生散射，地震尾波就是台站记录到的这些延迟了的散射波。尾波Qc值就是描述地球介质非均匀程度的确定性指标，其大小及对频率的依赖程度反映了介质的非均匀性和非弹性特征。

目前尾波Qc值衰减特征的研究已经取得了一些重要的成果［7－13］很多地震研究工作者利用地方震尾波衰减探索了尾波Qc值在大震前后的变化，以此寻找大震的前兆信息。研究结果表明，虽然存在地震前尾波Qc值下降的震例，但是在大震前一两年靠近发震地点的地区尾波Qc值出现明显升高，并且在主震后该地区尾波Qc值迅速降低是更为普遍的现象。有研究者将该现象总结为：大震前由于受较强应力作用，地壳介质特别是韧性层破裂的增加可使尾波Qc值减小；但临近破裂时由于应力增强导致裂隙闭合，Qc值反而增大；大震后由于作用在地壳韧性层的应力得到释放，从而介质松弛，致使反映其介质衰减特征的尾波Qc减小。

本文利用江苏苏中沿海地区的射阳地震台和海安地震台记录到的2000年至2008年的地震波形资料，采用Sato单次散射模型，计算这两个台站100 km范围内的地震尾波Qc值，并对其特征进行讨论。

1 构造背景及资料的选取

苏中沿海地区属于长江中下游－南黄海地震带，在地质构造上位于南黄海南部坳陷和勿南沙隆起区。该区域地质构造复杂，断裂分布众多，主要断裂走向为NEE向，有些断裂迄今仍活动强烈。在苏中沿海沿岸发育有NW向滨海大断裂，穿经南部坳陷和勿南沙隆起区，研究表明该断裂具挤压右旋走滑性质，全新世以来有明显活动，是一条具有发生破坏性地震条件和能力的活动断裂。南部坳陷和勿南沙隆起的交界地带存在一条近东西向的拼茶河断裂，研究表明它是一条现今活动强烈的孕震构造。历史地震统计表明，苏中沿海地区的地震强度和频度都较高，是江苏及邻区中强地震活动的主体区域。但是该区域覆盖层较厚，地震波记录中噪声较大，对数字地震工作的开展造成了一定的困难。且该地区的地震台站较少，可用来开展研究的波形资料也较少。本文选取了台站周围100km范围内2000年至2008年的ML2.0以上波形记录较好的地震，其震中分布如图1。

2 数据分析原理及资料处理

2.1 数据分析原理

依据Sato模型，在一定频率下尾波振幅与时间的函数关系可以表示为

其中AS是S波的最大振幅；AC（t）是流逝时间t附近的尾波均方根振幅；a＝t／tS，tS为S波的流逝时间；K是依赖于时间的传播因子。K及AC分别由式（2）和（3）给出：

式中AT是所取时间窗内地震波均方根；An为P波到达前适当时间段记录的均方根，用于进行地震波的噪声校正。

式（1）中C（f）是与频率有关的影响因子，对相同地震的同一频率C（f）为常数，可见F（t）和t－tS之间存在线形关系，因此可根据式（1）拟合得到b，b与Qc的关系式为

图1 苏中沿海地区地震台站及震中分布图Fig.1 Distribution of seismic stations and epicenters in the coastal area of central Jiangsu province.

2.2 资料处理

资料处理过程中我们采用朱新运等研制的基于Sato模型的近震S波尾波Qc值求解及分析软件［14］，对每一条地震记录的三分向数字波形进行频谱分析。选用6级巴特沃斯滤波器进行滤波处理。为了更好的对尾波Qc值进行对比讨论，采用固定流逝时间70s，100s和140s分别进行计算。图2给出了典型波形的计算实例。

3 计算结果及分析

我们利用选取的地震数据进行拟合，获得了射阳地震台和海安地震台记录到的每个地震不同流逝时间下的尾波Q0值（频率为1时的Qc值）（表1，表2）。

表1 射阳地震台记录到的地震不同流逝时间下的尾波Q0计算结果比较

图2 流逝时间70s尾波Qc计算实例Fig.2 Example of coda Qcvalue with 70slapse time.

表2 海安地震台记录到的地震不同流逝时间下的尾波Q0计算结果比较

由表1和表2的结果可以看出，对同一地震，流逝时间越大得到的Qc值越大，并且Qc值和地震的震级大小无关，这和理论计算以及前人的结果是一致的。在较小流逝时间（70s）条件下尾波Qc值结果较稳定；而在100s和140s流逝时间下尾波Qc值的稳定性没有70s条件下好。其原因可能是：流逝时间越长，涉及散射波波阵面围成的椭球体的范围越大，而苏中沿海地区与周围邻近地区的地质构造背景有一定的差异，所以造成了长流逝时间下的尾波Qc值结果稳定性稍差。

研究中我们发现，不同的流逝时间得到的尾波Qc值绝对值虽然不同，但是随时间序列分布的变化形态是基本一致的。以70s流逝时间为例，对两个台站得到的尾波Q0作时间序列特征分析：射阳地震台附近的尾波Q0均值为43.879，η值均值为1.151；海安地震台附近的尾波Q0均值为59.804，η均值为1.144；表明该地区属于尾波Q0低值，对频率依赖强的地区。

在射阳地震台记录到的地震中（图3（a）），2006年8月19日和2007年1月26日两次地震的尾波Q0较高，分别达到85.06和75.27，其后在2007年5月6日发生响水ML4.0地震。在海安地震台记录到的地震中（图3（b）），2006年8月10日和2006年9月12日两次地震的尾波Q0较高，分别达到93.420和190.453，其后2006年11月份在原地发生了最大为ML4.1地震的东台震群活动；并且在主震后尾波Q0值迅速回复到原先的均值水平。可见在2006年东台震群和2007年响水地震前该区域的区域应力场都有一个增强过程，反应在尾波Q0值上就是出现明显增高，并且在地震之后应力迅速得到释放，尾波Q0值回复到均值水平。

图3 两个台记录的地震尾波Q0值曲线（流逝时间70s，频率1Hz）Fig.3 The coda Q0value curves recorded by two stations（lapse time＝70s，1Hz）.

另外我们对相同流逝时间下不同频率点的Qc值作时间序列特征分析发现，不同频率点下的尾波Qc值变化形态基本相似。

4 结论和讨论

尾波Qc值是通过对尾波衰减特征的研究求取区域介质品质因子的一种方法，Q0值的大小反映了地壳介质对地震波衰减程度的高低。Qc值对频率的依赖程度与地壳的均匀程度有关，依赖性越强，地壳介质均匀程度越低，地震活动水平越高。从计算结果来看，本文研究区域属于低Q0值且对频率强依赖地区。

由不同地震的尾波测量得到的品质因子对应于不同的地震波射线路径，品质因子的时间变化除了与区域应力场的变化因素有关之外，还与区域介质的横向和纵向非弹性程度和散射波波阵面围成的椭球体的范围有关。Q0值和η值的大小反映了地震波在震源和记录台站为两个焦点的散射椭球体范围内介质中传播时的衰减特征。计算过程中不同的流逝时间、震源距对应于不同的散射椭球体的体积。为了便于在时间轴上对计算结果进行比较，我们采用了相同的流逝时间结果做对比。鉴于研究过程中波形资料选取的限制，我们选择了台站100km范围内的地震，震中距相对较大，所以固定的流逝时间也较长，分别选取了70s，100s和140s。三种不同的流逝时间计算结果对比显示，相同地震的流逝时间选取越长所得到的尾波Q0值越大，和理论计算以及前人的结果一致；相同的一组地震，不同流逝时间条件下虽然尾波Q0值的绝对值不相同，但是它们随着时间变化的形态基本一致。

理论上可以根据观测台站记录的具有相同或相近射线路经的地震波尾波品质因子的时间变化动态特征来探讨其与地震孕育过程间的关系，也有很多研究取得了很好的成果。在本文的研究时段内苏中沿海地区没有发生M5以上破坏性地震，但是2006年11月在江苏东台发生最大震级为ML4.1的震群活动和2007年5月6日在江苏响水发生ML4.0地震，属于本地区显著性地震事件，分别距离海安地震台和射阳地震台的距离都小于100km。在对两个台站得到的尾波Q0值作时间序列特征分析时发现，在这两次显著地震事件前尾波Q0值都出现了明显增大，并且震后迅速回复到原均值水平。这个现象对该地区的中强地震的预报有一定的意义。目前本地区的尾波Q0值都处于均值水平，没有明显的增大迹象。

本文研究过程中得到浙江省地震局朱新运老师、江苏省地震局周云好研究员以及张鹏博士的热情帮助和悉心指导；在波形获取过程中得到江苏省地震台网中心全体同志的大力帮助，在此表示衷心的感谢。

［1］Andesong D L，R S Hart.Qof the Earth［J］.J.Geophys.Res.，1978，83（B12）：5869－5882.

［2］周连庆，赵翠萍，修济刚，等.利用天然地震研究地壳Q值的方法和进展［J］.国际地震动态，2008，2：1－11.

［3］徐彦，苏有锦，秦嘉政.Q 值研究动态［J］.地震研究，2004，27（4）：385－389.

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

［5］Aki K，Chouet B.Origin of coda waves：Source，attenuation and scattering effects［J］.J.Geophys.Res.，1975，80：3322－3342.

［6］Sato H.Energy propagation including scattering effect：Single isotropic scattering，approximation［J］.BSSA，1977，68：923－948.

［7］Jin A，Aki K.Temporal change in Qcbefore the Tanshan earthquake of 1976and the Haicheng earthquake of 1975［J］.J.Geophys.Res.，1986，91：665－673.

［8］李白基，秦嘉政，钱晓东，等.云南姚安地区的尾波衰减［J］.地震学报，2004，24（1）：47－52.

［9］马宏生，刘杰，张国民，等.尾波值随时间变化在地震预测中应用的研究［J］.地震，2005，25（4）：39－48.

［10］刘希强，石玉燕，曲均浩，等.品质因子的尾波测定方法讨论［J］.中国地震，2009，25（1）：11－23.

［11］朱新运，张帆.浙江及邻区尾波Q值研究［J］.西北地震学报，2006，28（2）：108－113.