龙岗火山区尾波Q值的初步研究

梁国经 李仲巍 郑双凤刘俊清 刘达峰 綦 伟

1)吉林省龙岗火山监测站，抚松 134528

2)吉林省地震局，长春 130022

龙岗火山区尾波Q值的初步研究

梁国经1)李仲巍1)郑双凤1)刘俊清2)刘达峰1)綦 伟1)

1)吉林省龙岗火山监测站，抚松 134528

2)吉林省地震局，长春 130022

基于Sato单次散射模型，利用2007年5月至2010年2月龙岗火山测震台网记录到的发生在火山区及邻近地区内的41次ML≥1.6地震的波形资料，计算了龙岗火山区的尾波Q值，得出尾波 Q 值与频率的关系为 Q(f)=(42.65 ±7.53)f(0.8459±0.1642)，具有以低 Q 值高 η 值为特征的火山构造活跃地区的尾波性质。火山区尾波Q值的空间分布显示，金龙顶子火山附近的金川台尾波Q0值为31.98，明显低于其它台站。结合深地震探测和垂直形变资料成果，佐证了龙岗火山岩浆囊的位置可能在金龙顶子火山附近。

尾波Q值 Sato模型 龙岗火山

0 引言

龙岗火山群位于吉林省辉南和靖宇境内的龙岗山脉中段，EW向长约70km，SN向宽约40km，涉及范围约2500km2。168座火山呈近EW向的带状展布，火山锥数量和密度在国内第四纪火山区居于前列。火山区内断裂构造发育，主要有NE向、NW向和EW向3组，火山均分布于断裂带附近或2组断裂的交会部位。火山活动始于新近纪，第四纪更新世为鼎盛期，全新世以来仍有较强的喷发活动，最具有代表性的金龙顶子火山是距今1600a左右有过喷发的活火山，也是中国境内为数不多的几座活火山之一(刘若新，2000;樊祺诚等，2002)。新生代以来，由于西太平洋板块通过日本海俯冲带对东北大陆造成挤压作用，区域断裂构造发生继承性活动，龙岗火山区及周围小震活动较为频繁，特别是靖宇、抚松一带小震活动呈密集分布，表明龙岗火山活动较为明显。

地震波传播因子Q值是度量地震波衰减的地球介质的基本参数，可用于分析震源和地球内部结构的分布特征(周连庆等，2008)。Q值的大小及其对频率的依赖程度反映了介质的非均匀性和非弹性特征。应力变化造成的岩石性质的变化，如裂隙状态、流体迁移、热物质上涌等，都可造成品质因子Q值的变化。由于地震波在介质中的衰减与Q值直接相关，通过天然地震研究地球介质的Q值，可进一步了解地球内部介质的特性，推断其热力学状态，了解地球内部的结构组成及其变化。尾波Q值被用于探测在地壳和上地幔中是否存在类似部分熔融的异常带，是研究火山构成和火山活动的重要工具。在近震的地震波形记录中，P，S波后出现的尾波可用地球介质中随机分布的各种非均匀体对原生波的散射来解释。Aki(1969)根据散射模型解释了尾波的形成，即由于地球介质具有很不相同的不均匀体，弹性波在传播过程中遇到这些不均匀体时就会产生散射，台站就会记录到这些延迟了的散射波，形成尾波。使用1个台站记录到的不同地震求出的Q值，反映的是以台站与震源为2个焦点的椭球范围内的品质因子特性，使用某一区域内的所有台站资料计算出的Q值就是该区域的Q值。

地震记录受记录系统、震源和台站间的介质传递系统及台站场地响应等因素的影响，要使用一种确定性的方法研究与传播路径有关的参数(Q值)几乎是不可能的。Aki提出了利用地震尾波的统计性方法求解Q值的模型，后来又得到了不断的修正，因其简单、易于数据运算而被广泛应用于区域Q值研究中。利用尾波衰减特征研究火山地震前兆，认识火山地震的成因、孕育过程及介质性质等非均匀前兆变化有重要的实际意义。尽管对龙岗火山的研究文献很多，但至今还未发现有关龙岗火山介质方面的研究文献。本文则利用龙岗火山地震台网的数字地震记录资料，依据Sato(1977)单次散射模型，研究和讨论龙岗火山区的尾波Q值衰减特征，以探寻该区地震活动与地球内部介质性质的关系。

1 研究资料

采用“十五”期间建成的龙岗火山数字测震台网记录的地震观测资料，研究了龙岗火山区的尾波Q值。龙岗火山数字测震台网由1个台网中心(抚松台)和4个无人值守的子台构成，2007年5月开始试运行，2008年1月正式运行。各台的地震观测数据通过SDH专线实时传输到火山台网中心，使用区域台网JOPENS软件系统，实现了火山台网各台站的波形数据汇集、分析和存储。5个数字测震台站均采用EDAS-24IP型地震数据采集器。地震计采用三分量速度型宽频带地震仪，抚松台地震计类型为CMG-3ESPC，4个子台(靖宇台、金川台、柳河台、白山台)的为BBVS-60。仪器频率响应曲线在0.2～20Hz均为平坦，采样率均为100Hz。龙岗火山数字测震台网的其它基本情况见表1。

表1 龙岗火山测震台网的台站基本情况Table 1 The basic information of stations in Longgang volcano seismic network

本文收集了2007年5月到2010年2月发生在龙岗火山区及邻近地区内ML≥1.0的火山地震事件86个。按照每个地震至少3个台站有清晰的记录、震中距＜75km、地震射线的空间分布掠过龙岗火山区域、信噪比较高、尾波持续时间相对较长、振幅不饱和、干扰小、S波清晰的要求，共筛选出ML≥1.6的符合Sato单次散射模型的火山地震事件41个，用于计算尾波Q值。震级分布范围为ML1.6～5.0，震源深度5～10km。5个台站共截取符合要求的波形数据93条用于计算，这些地震记录均为三分向，地震震中、台站分布及被采用的地震记录射线路径见图1。

图1 台站、地震震中分布及被采用的地震记录传播路径示意图Fig.1 Ray-path coveragemap.Solid lines indicate source-receiver ray paths，circles represent earthquakes，and triangles symbolize stations.

2 方法原理

测量S波品质因子QS的方法可分为2类：一类根据S波振幅随距离衰减的性质，常用的有Aki(1980)的尾波归一法，它要求联合使用分布在一定距离范围内和多方位多次的地震，消除震源辐射的方向性;另一类根据尾波振幅随时间衰减的性质，有适当长度的单台尾波记录即可获得结果，最常用的有单次散射的Aki等(1975)的模型和Sato(1977)的模型。许多观测结果表明，Sato模型可用于测QS，因为尾波由S波的散射波组成，尾波Qc和S波QS是一致的。

龙岗火山台网开始运行以来，针对发生在龙岗火山及邻近地区的地震，台网记录到的地震波长度较短，地震震级较小，多数地震为ML1.6～2.7的小震。同时由于台站密度稀疏，布局不均匀，高质量、覆盖均匀的地震较少。Sato(1977)模型将S波和尾波联合使用，适合短尾波记录(Steck et al.，1989)。因此，本文研究区采用适当长度的单台尾波记录的Sato(1977)模型。

依据Sato单次散射模型，在一定的频率下，尾波振幅与时间的函数关系可表示为

式(1)中AS是S波的最大振幅，AC(t)是流逝时间t附近的尾波平均振幅，K(a)是依赖于时间的传播因子，AC(t)及K(a)分别由式(2)、(3)给出：

式(2)、(3)中：AT为所取时间窗内地震波的平均振幅;An为P波到达前适当时间段的地震波平均振幅，用以进行地震波的噪声校正;a=t/tS，tS为S波的到时;t为从地震发震时刻起算的尾波流逝时间。

式(1)中的 C(f)是与频率f有关的因子，对于特定频率可视为常数;b=(2πf lg e)/Q，对于不同的频率点，用最小二乘法拟合F(t)和(t-tS)的线性关系，求出斜率b，即可得到该频率点的Q值。最后，由各个频率点的Q值拟合出尾波Q值与频率的关系。

式(4)中 Q0为f=1.0Hz时的Q值，η为Q值对频率的依赖系数。

3 数据处理及结果

本研究采用在时间域中求取尾波Q值的方法，分析频率段为2～18Hz，间隔1Hz，对原始波形进行带宽［0.7f，1.3f］的六阶Butterworth滤波器滤波。对滤波后的数据从S波到时开始取窗长2s、步长0.5s滑动计算求出不同时间点的平均振幅。尾波起算时间为2倍S波走时，背景噪声取P波初动以前2s的平均信号，当采样信号的能量密度＜1.5倍的背景噪声能量密度时，终止采样。为保证数据可靠，尾波截断处信噪比＞2。图2给出了抚松台记录的2009年8月9日10时32分ML2.0地震拟合示意图。

图2 2009年8月9日ML 2.0地震拟合实例示意图Fig.2 Simulative examples of the ML 2.0 earthquake of August9，2009.

由于不同的流逝时间反映了不同深度的Q值，计算时同一台站记录到的不同地震所取的尾波流逝时间应尽量一致。同时，为保持线性拟合的稳定性，所截取的尾波窗长不能太短。考虑到龙岗火山地震波形记录的尾波流逝时间较短，短流逝时间的尾波仍以单次散射为主，我们取尾波流逝时间为30s，但各台略有差别，目的是为了能够在不同台站不同震源距的情况下获得相近的平均采样深度，反映同一深度的介质品质因子特征，用椭球体公式计算尾波最大采样深度约为50km。拟合时如果某个台站某个地震的计算结果相关系数＜0.6，则剔除该条记录。对挑选出的符合条件的地震，计算17个频率点数据，对每个频率点的所有Q值求平均值作为该频率点该区域的Q值，采用方程式(4)拟合平均Q值与对应频率的关系。表2为拟合平均Q值得到的5个测震台站尾波Q值与η的结果。图3给出了龙岗火山区Q0值的平均结果，拟合得出尾波 Q(f)=(42.65 ± 7.53)f(0.8459±0.1642)。Q0值在 24.24 ～ 54.87 之间变化，平均值为42.57;η值在0.6575～1.0511之间变化，平均值为0.8606，与图2利用所有数据拟合得到的结果基本一致。拟合结果表明，龙岗火山区Q值与频率有较强的相关性。

表2 龙岗火山测震台网台站的Q值与η值结果Table 2 Q value andηvalue calculated by stations in Longgang volcano seismic network

图3 龙岗火山区尾波Q值与频率的关系Fig.3 Relationship between Q value and frequency in Longgang volcano area

图4为龙岗火山区尾波Q值与频率之间的关系及与国内外相关研究的对比。与国内外其他研究者获得的Q值与频率的依赖程度相比较，龙岗火山区尾波Q值明显低于美国夏威夷火山(Chouct，1976)、意大利埃奥列群岛火山(Del Pczzo et al.，1985)、腾冲火山区(t＜52s; 李白基等，2000)，高于墨西哥加利福尼亚Tres Tirgenes火山区(Victor Wong，2001)，与长白山天池火山区相当。

4 分析与讨论

根据单次散射模型，在时间域中研究了龙岗火山区的尾波衰减特征，拟合尾波Q值与频率的关系式为 Q(f)=(42.65 ±7.53)f(0.8459±0.1642，显示尾波 Q 值与频率(2 ～16Hz)之间有较强的相关性。在尾波Q值与频率的关系中，Q0值反映了震源和地震台站周围介质的平均性质。Q0值的大小与介质的非均匀程度相关联，介质的非均匀程度高，地震波通过时的能量耗损大，衰减快，Q0值则较低。介质的非均匀程度低，情况则相反。一般来说，构造活动较稳定的地区介质的非均匀程度较低，构造活动强烈的地区介质的非均匀程度相对较高。与之相应前者的Q0值较高，后者的Q0值较低。而η值则相反，介质均匀程度较低的地区，Q值与频率的依赖关系较强，η值可能较大些;介质均匀程度较高的地区，Q值与频率的依赖关系较弱，η值可能较小些。本文计算的Q0值较低，且与频率有较强的相关性，这与大多数构造活跃地区的介质特性一致。

图4 尾波Q值与频率的关系及与国内外相关研究成果的比较Fig.4 Comparison among the domestic and foreign research results for coda Q value with frequency.

Sato(1977)研究发现，火山地区和浅部地壳尾波Q值明显偏低。地震学家在意大利的Aeolian，Phlegraean，Etna 和美国的 Hawaii，Mt St Helens活火山地区，依据Aki等的单次散射尾波模型获得的尾波衰减在约3～6Hz以上几乎不再随频率变化，这与许多非火山地区的Q值存在明显的差异，显示为火山型异常衰减。在火山区低Q值曾被大量观测到，但Q值与频率无关的现象并不普遍。尾波Q值与频率呈弱相关性，Aki认为这一现象可能是由于大量岩浆存在而导致的结果。本研究中测得的Q值和频率的相关性与长白山天池火山区(高金哲等，2007)的结果比较接近，均未表现出异常衰减的特征。龙岗火山区尾波Q0=42.65;长白山天池火山区QC=(47±2)f(0.74±0.01)，Q0=47，显然龙岗火山区的 Q0值与活动性较强的长白山天池火山区的Q0值相当，说明龙岗火山区的介质特性与长白山天池火山区相似。龙岗火山与天池火山都属于广义上的长白山火山，其火山岩分布具有空间相邻、火山活动时代相似的特点，火山岩均由钾质粗面玄武岩组成，但经历了不同的演化过程(樊祺诚，2008)。天池火山一方面来自地幔钾质粗面玄武岩浆直接喷出地表，另一方面钾质粗面玄武岩浆持续补给地壳岩浆房，发生岩浆分离结晶作用和混合作用导致喷发;而龙岗火山来自地幔的钾质粗面玄武岩未经演化和混染直接喷出地表，形成了单一的钾质粗面玄武岩区。因此，结合本文的计算结果，基本排除了龙岗火山区地壳内存在大量岩浆的可能性。

此外，龙岗火山测震台网各子台尾波Q值的计算结果显示，靠近最年轻的金龙顶子火山的金川台，其尾波Q0值为31.98，明显低于其它4个台站 (图5)。这种现象在许多火山地区被观测到，如VicterWang(2001)用墨西哥加利福尼亚Tres Tiegenes火山区近震记录得到的Q0值为50;而同样地区，火山口附近台站得到的Q0值为4.3。长白山尾波Q值的研究显示(Wu et al.，2006)，火山口附近的尾波Q值比外围地区明显减小。一般认为，高温或岩浆囊存在的区域Q值较低。垂直形变资料的反演结果表明(胡亚轩等，2009)，龙岗火山区岩浆的位置在42.1°N，126.5°E附近(即金龙顶子火山附近)，相对于长白山天池火山，压力源等效半径变化较大，达到183m，源的深度为30km，相对较深。

图5 龙岗火山区尾波Q值和η值的空间分布Fig.5 Distribution of coda Q value and η value in Longgang volcano area.

本文所用尾波流逝时间为30s，取平均震源距(震源到台站的距离)40km，以S波速度3.6km/s(段永红等，2003)计算，Q值反映的最大采样体深度达50km左右。而龙岗火山地壳厚度为30km(张先康等，2002)，Q值反映的是龙岗火山区地壳和上地幔的平均介质特性。

5 结语

龙岗火山区的尾波Q值与频率(2～18Hz)之间有较强的相关性，即Q(f)=(42.65±7.53)·f(0.8459±0.1642)，与高金哲等(2007)用Aki单次散射模型得出的长白山天池火山区QC=(47±2)·f(0.74±0.01)比较接近，都具备以低Q值高η值为特征的构造活跃地区的尾波性质。事实上，龙岗火山与长白山天池火山地域相邻，都属于广义上的长白山火山，有着类似的地震活动等级和类似的介质，反映出相近的Q值是合理的结果。

在龙岗火山区尾波Q值的空间分布中，靠近金龙顶子火山的金川台明显低于其它4个台站，暗示金龙顶子火山附近的地下介质似乎有较高的非均匀性，这与深地震探测的相关研究成果(张先康等，2002)及垂直形变资料的反演结果(胡亚轩等，2009)相符，它佐证了龙岗火山区可能的岩浆位置在金龙顶子火山附近。

由于尾波Q值产生的机制比较复杂，与反映的采样范围、各次散射的成分及区域构造有关，且有些机制尚存争议，所以本文得到的结果及相应的解释是初步的，有待于进一步的探讨。

本文数据计算使用了朱新运、刘杰研制的尾波分析计算软件，在此表示感谢。

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PRIMARY STUDY ON CODA Q VALUE IN LONGGANG VOLCANO AREA

LIANG Guo-jing1)LIZhong-wei1)ZHENG Shuang-feng1)LIU Jun-qing2)LIU Da-feng1)QIWei1)
1)Volcanic Observatory of Longgang，Jilin，Fusong 134528，China
2)Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130022，China

According to Sato(1977)single scatteringmodel and using 41 earthquakeswith ML≥1.6 in the Longgang volcano and the nearby regions recorded by Longgang volcano digital seismic network from 2007 to February 2010，the coda Q value in the Longgang volcanic region was determined.All of events used in this paper occurred at depths from 6 to 10km，with the epicentral distances less than 75km.The results show that the coda Q has a dependencewith frequency as Q(f)=(41.65 ±11.74)f(0.8459±0.1642)，which is characteristic of coda in active volcanic regions as low Q value and high η value.Compared to other volcanic areas in the world，the average Qcof the Longgang volcanic area is obviously lower.Distribution of coda Q value on Longgang volcano shows that coda Q0value at Jinchuan seismic station near Jinlongdingzi volcano is 31.98，significantly lower than other stations’，which，in combination with the deep seismic sounding data and vertical deformation data，proves that themagma chambers probably locate in the vicinity of Jinlongdingzi volcano.For the lower coda Q0value，we interpret the strong attenuation of coda waves near the Longgang volcano is possibly related to high temperaturemedium caused bymagma chambers.

coda Q value，Satomodel，Longgang volcano

P315.3+1

A

0253-4967(2011)01-0114-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.011

2010-04-09收稿，2011-01-27改回。

梁国经，男，1960年生，1990年毕业于吉林工业大学，现主要从事火山监测与研究工作，电话：0439-6570555，E-mail：fslgj 0511@163.com。