赣中西地区地震波谱分析

曾文敬，项月文，罗 丽，赵爱平

（江西省地震局，江西 南昌 330039）

赣中西地区地震波谱分析

曾文敬，项月文，罗 丽，赵爱平

（江西省地震局，江西 南昌 330039）

选取赣中西地区23个ML≥2.0地震的单台波形数据，基于遗传算法，分别采用ω-3和ω-2震源谱模型对每个地震每个水平向的振幅谱进行搜索，得到2组低频水平Ω0和拐角频率fc。目测发现大多数地震震源谱符合ω-3模型，除1个地震的fc接近6 Hz外，其余22个地震的fc均小于3.51 Hz，明显偏低。这23个地震除fc接近6 Hz的这个地震没有出现短周期面波外，其余22个地震短周期面波均比较发育。认为可能是这些地震震源浅造成P、S相干后形成了瑞利型短周期面波造成它们的拐角频率偏低。

赣中西部；地震；震源谱

引言

2009年以来,赣中西区域相继发生了一些小震，震中分布见图1。虽然震级小，但是震感却比较明显，一些地震还能听到沉闷的地声。特别是2009年的ML3.2、ML3.1级地震，其震中烈度达到V度。这些地震波形的最主要特点是整个波列中出现瑞利型短周期面波。并且，近震中的台站初动清晰向下，其余台站初动方向均不太清晰或难以判断。本区属岩溶地区，地下可溶岩 （主要为碳酸盐岩）地层发育，并与非可溶岩互层，且溶洞、伏流、暗河分布广泛[1]，还存有废弃的煤矿采空区。在地下水动力条件发生改变或因新构造运动造成区域构造应力场增强时可能会触发地下空间顶、侧面岩体陷落、滑动，引起地震。为了解这些地震波形在频域上的特征，我们利用距离震中最近的宜春台和丰城台资料，采用单台波形数据进行震源谱恢复计算与简析。

1 震源谱恢复计算方法

1.1 地面运动的傅里叶谱

图1 震中分布图Fig.1 Distribution map of stations and epicenters

观测到的地面运动的傅里叶谱扣除仪器响应后可以用下式来描述：

1.2 台站场地响应

因本文所取资料的台站位于基岩，且一般考虑基岩台站场地响应近似值为1，所以本文视台站场地响应为1。

1.3 几何衰减

本研究采用三段几何衰减函数[2～4]，见式 （2），并取b1=1，b2=0，b3=0.5，R01=49.5，R02=82.5。

1.4 非弹性衰减

本文取Q（f）函数为Q=77.4 f1.064，它是根据Aki[5]提出的地方震尾波单次散射理论，对研究区8个地震的垂直向数据进行计算后取平均得到的。

1.5 震源谱

理论上，震源位移谱可表示为[6]

其中A0（f）为理论震源位移谱幅值，单位为um。在震源位移谱双对数坐标中，Ω0为谱中低频部分的高度 （零频极限），它与地震矩成正比，单位为um；fc为拐角频率，即震源位移谱中低频部分水平线与高频部分衰减趋势线的交点，它与震源尺度成反比，单位为Hz；f为频率变量，单位为Hz；a和b为两个正的常数，ω=a×b，它表示震源位移谱高频衰减趋势。在Brune模型中[7、8]，ω=2；在Savage模型中[9]，ω=3。本文用遗传算法分别使用ω=2和ω=3搜索每个地震的Ω0和fc，使震源谱误差 （式4）最小，

然后，利用搜索得到的2对Ω0和fc值作2条震源谱曲线，目测与观测谱更为吻合的1条曲线作为该地震的震源谱曲线，即确定震源谱。

2 资料处理及计算过程

图2 原始及滤波后的波形。左图为表1中序号为2的地震，其瑞利面波发育；右图为序号为5的地震瑞利面波不发育。S-E为选取的S波段数据范围。Fig.2 The original wavefroms and waveforms after filter

图3 counts振幅谱（左为表1中2号地震，右为5号地震，上为EW，下为为NS）Fig.3 The counts amplitude spectrum

图4 位移振幅谱（左为表1中2号地震，右为5号地震，上为EW，下为为NS）Fig.4 The displacement amplitude spectrum

我们首先选取每一个地震的最近台站波形资料，即宜春台 （20个）和丰城台 （3个），它们的震中距大多数小于50 km。对波形数据据进行去倾斜及零线校正后，采用5阶buttonworth滤波器滤波，然后选取EW和NS向的S波窗的2N个数据 （截止于目测位置），如图2所示。两旁各加5%汉宁窗后，再进行快速傅里叶变换，得到频率域的counts振幅谱Av（2πf），如图3所示。将counts振幅谱扣除仪器响应后恢复为位移振幅谱 （将counts振幅谱 Av（2πf） 除以仪器位移频率响应函数 Gv（2πf）·2πfi， 即转换为位移谱 Ad（2πf）） 如图 4、 5所示。然后，进行沿传播路径的几何衰减补偿及其在传播介质中引起的非弹性衰减校正补偿，最后采用遗传算法按1.5节所述对位移谱进行搜索，得到该地震S波EW和NS向的低频谱值及拐角频率，并取其平均值。

图5 归一到1km处的位移振幅谱（左为表1中2号地震，右为5号地震，上为EW，下为为NS，红线为遗传算法拟合的理论震源谱）Fig.5 The displacement amplitude spectrum normalized to 1km distance from hypocenter

3 结果及讨论

选取赣中西的23个ML＞2.0地震进行计算得到：绝大多数地震震源谱高频衰减常数取值3比较合适，即本区地震理论震源谱符合3次方衰减模型。采用这一模型，对本区23个地震震源谱进行恢复计算，得到其拐角频率和低频谱值 （见表1）。从表中，不难看出本区地震 （震级ML在2.0～3.2间）除了序号5地震的拐角频率接近6 Hz外，其余均小于3.51 Hz，明显低于有关专家对天然地震研究得到的拐角频率。对康英等[11]计算的广东地区72个ML＞2.0的地震震源谱参数结果进行统计，其绝大多数ML3.0的拐角频率大于5 Hz,大多数ML2.0～2.9地震的拐角频率在10 Hz左右；统计王卫东等[12]在 《陕西省关中及邻区地震的震源参数研究》中计算列出的36个ML＞1.0地震的拐角频率，同样绝大多数拐角频率大于4.5 Hz。

表1 本区23个地震参数及震源谱参数Table 1 Parameters of 23 earthquakes in research area and their source spectral parameters

笔者用同样的方法，计算了江西寻乌县2008以来的ML大于1.8的全部14个地震，这14个地震中大多数地震适宜3次方高频衰减趋势模型，少数适宜2次方高频衰减趋势模型。寻乌境内地震的拐角频率基本上大于4 Hz，明显高于赣中西地区地震的拐角频率。

有关研究表明，震源谱的高频衰减常数对于较大的地震接近于2，对于小地震接近于3，而对于 “大”、 “小”之间的地震则通常不是一个整数，并且随地震尺度而变化。本文两个地区高频衰减常数均适宜3次方高频衰减模型，与这一结论是相符合的。另外，震源谱高频衰减趋势，它反映了断层面总体上的几何形态和地震传播过程[10]。我们认为，赣中西地区地震震源谱3次方高频衰减趋势可能与这些地震震源浅 （判断震源浅的依据：本区地震震级小烈度强）有关，因为地震波在地表浅源疏松的地层中传播,其高频成分易被充分吸收。

表2 表1寻乌14个地震参数及震源谱参数Table 2 Parameters of 14 earthquakes in Xunwu and their source spectral parameters

我们知道震源谱的拐角频率fc反映了震源尺度的大小，地震越大，fc越小，震源谱中包含的低频成分就越多。显然，与本区地震震级小拐角频率却偏大是矛盾的。观察这23个地震波形仅有序号5地震没有出现短周期面波，而其拐角频率接近6 Hz，与其它地区天然地震较接近。因此，我们认为这些地震波形中较发育的短周期面波是造成它们的拐角频率偏低的原因。而这些地震震源浅造成P、S波相干形成了较发育的瑞利型短周期面波。

［1］刘细元，马振兴，杨永革，等.宜春-新余一带岩溶基本特征及发育规律分析 ［J］.东华理工学院学报,2006,29(2):127-132.

［2］Atkinson G M,Mereu R F.The shape of ground motion attenuation curves in southeastern Canada ［J］.Bull Seism Soc Amer,1992,82:2014-2031.

［3］黄玉龙,郑斯华,刘杰,等.广东地区地震波衰减和场地响应的研究 ［J］.地球物理学报,2003,46(1):54-61.

［4］刘杰,郑斯华,黄玉龙.利用遗传算法反演非弹性衰减系数、震源参数和场地响应 ［J］.地震学报,2003,25(2):211-218.

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

［6］孙勇,郑斯华.利用数字化地震记录进行震源参数和介质衰减系数的联合反演 ［J］.东北地震研究,1995,11(2):1-13.

［7］Brune J.N..Tectonic stress and the spectrum of seismic shear waves from earthquakes ［J］.J.G.R.,1970,75(26):4997-5009.

［8］Brune J.N..Correction ［J］.J.G.R.,1971,76(20):5002.

［9］Savage J.C..Relation of corner frequeney to fault dimensions ［J］.J.G.R.,1972,77(20):3788-3795.

［10］陈运泰,吴忠良,王培德,等.数字地震学 ［M］.北京:地震出版社,2000.

［11］康英,郑斯华,刘杰,等.中小地震震源参数的求解及其相似关系 ［J］.华南地震,2004,24(2):11-21

［12］王卫东,张永志,狄秀玲,等.陕西省关中及邻区地震的震源参数研究 ［J］.地震研究,2004,27(4):330-333.

Spectral Analysis of Earthquakes in the Central and Western Jiangxi

ZENG Wenjing,LUO li,XIANG Yuewen,XIAO Jian,ZHAO Aiping,XIE Caimei,LI Chuanjiang

(Earthquake Administration of Jiangxi Province,Nanchang 330039,China)

Based on the digital data of 23 earthquakes with ML≥2.0 in the central and western Jiangxi,we obtained 23 pairs of lower frequency level limit(Ω0)and corner frequencies(fc)by source spectrum models of ω-3and ω-2,and the genetic algorithm.Comparing with the two source spectra of ω-3and ω-2for every earthquake， we find that most of these source spectra are consistantwiththeω-3attenuationmodel.Theirvaluesof fcarelessthan 3.51Hz.Correspondingly with obvious short-period surface wave.Only one earthquake shows no shortperiod surface wave with the value of fcof which is about 6 Hz.We believe that the lower corner frequencies are probably resulted from interferences of P wave and S wave radiated from shallow sources.

The central and western of Jiangxi;Earthquake;Source spectrum

P315.31

A

1001-8662（2011）02-0086-08

2010-11-15

曾文敬，男，1978年生，工程师.主要从事地震监测工作.E-mail:footballandsun@sina.com.