江苏部分测震台井下与地面观测震源参数对比

毛华锋，张义德，仇中阳，陈 健

(1.江苏省溧阳地震台，江苏 溧阳 233333;2.浙江省舟山地震台，浙江舟山 316000;3.江苏省淮安地震台，江苏 淮安 223001)

江苏省地处江淮、黄淮冲积和湖积平原，区域沉积厚度由西向东逐渐增加，覆盖层厚度浅的十几米，厚者数千米。独特的地理位置、工业化和城市化的快速发展所带来的地震观测环境干扰大、背景噪声高等因素给地震观测造成一定影响。为了解决经济建设与地震观测环境保护这一矛盾，“十五”期间江苏投入大量的人力物力增上了一批深井地震观测设备，有效地改善了地震观测环境，提高了地震监测能力。目前江苏测震台网内既有地面观测仪器，也有井下观测仪器，两种观测仪器摆放的位置不同，用其记录的数据计算出的各个地震参数也不一样。关于井下地震观测与地面地震观测的差别，已有了许多研究［1-4］，但这些研究是利用一个深井观测台站计算的结果进行对比，难免存在一定的局限性。本文利用江苏测震台网内的多个深井观测台站与多个地面观测台站观测的数据进行计算来加以对比研究，其结论具有一定代表性。我们利用地震波观测数据进行有关震源的物理量参数计算。地震波传播与传播路径和地壳介质特性有关，加上震源参数计算中对地震波震相识别精度要求相对不高，这样对于许多深井观测中初动不是十分清晰的地震波资料就可以得到利用，就能够计算有关震源的物理量参数，而这些震源参数的变化还反映出地震前后的震源区应力变化，所以震源参数的研究在地震预报方面得到广泛应用［5］。因此，研究地面观测与深井观测的震源参数差别并加以校正，为江苏的地震预报工作提供真实可靠的观测数据，具有一定的意义。

1 测震台网情况和震源参数计算公式

从构造上分，江苏北部为苏北平原，中部为下扬子盆岭带，南部为丘陵山岗。构造总体上呈北东、北东东走向，凹陷内有隆起，隆起中也有凹陷，组成了复杂的构造环境。江苏区域测震台网内的地震观测台站共有40个，分布在苏南、苏中和苏北3个区域。为了保证研究的资料一致性和井下、地面观测的可比性，从全省地震台网选中了地形地貌和构造条件基本相似的11个台站(地震台站分布参见图1)，其中井下观测的有6个，地面观测的有5个。这些台站分布在苏北平原内，位于江苏北部凹陷及凹陷边缘地带。所有地震观测仪器均为“十五”数字化改造增上的仪器，仪器记录频带宽(除淮安台记录仪为1～20 Hz，外)都在1～60 Hz，灵敏度高(参见表1)、采样率为100次每秒，地震信号的采集、处理过程使用统一的处理软件，这样可减少不同仪器和系统产生的系统误差。震源参数是描述地震在发生时震源区的物理量［6］。从运动学角度考虑，参数有断层尺度、断层面破裂传播速度和传播方式。我们采用圆形模型，圆形半径为尺度参数，断层破裂传播方向和传播速度以及由此得到的断裂面积等参数，这些地震破裂过程中的参数是地震的运动学重要参数。地震静力学参数有错距和地震矩，错距是地震前后断层错开的距离，而地震矩反映了断层形成前后震源状态变化，动力学参数还有地震能量、视应力、应力降、矩震级等。

本文根据布龙的圆位错模式计算震源参数，它们有下述关系:

图1 江苏北部台网部分台站分布

表1 江苏北部测震台网部分台站场址及仪器参数

(1)式中M0为地震矩，Ω(0)是由地震位移谱确定的波谱零额值。p是介质密度，p=2.8 g/cm3。r为震源距。V是震源区P波或S波的速度，分别取为Vp=6.0 km/s和Vs=3.5 km/s。R为辐射图型因子，这里取平均值0.63(由于参与计算的台站位于不同的方位，计算结果为多台平均值，可有效消除S波辐射图形影响);Pc为地震波的路径校正Pc=c.e-πft/Q，C为自由表面影响因子，按一般算法取C=2，f为主频率，t为地震波走时，Q为介质的品质因子，根据对江苏及邻区的研究成果，Q值平均取为300。(2)～(5)式中r是震源的等效圆位错半径，f0(p，s)是P波或S波的拐角频率，V(p，s)是震源区P波或S波的速度。△d为应力降，A为断层面面积，U是断层面上的错动距离。μ为切变模量，取μ=3.4×10 dvn/c。

2 资料选取与数据处理方法

江苏数字地震台网于1999年开始运行，后经“九五”和“十五”建设项目的实施，台网技术指标得到不断完善，2009年以后地震台网的观测能力得到了提升。本文的分析资料取自江苏北部地震台网内11个台站(台站分布和仪器技术参数参见表1)。根据2009年10月以来，ML2.8～5.2级的80个地震共计2 640条地震波形记录数据，进行分析筛选，最后选择了震中距台站距离在20～280 km范围的地震波记录清晰、信号噪声小的31个地震，1 026条地震波形数据进行计算。计算前剔除个别数值变化大的记录。先将井下摆台站和地面摆台站的地震记录波形进行识别和地震波形数据格式进行处理［7，8］，用MATLAB程序对格式转换后的地震波形数据进行回放，在事件波形的回放过程中扣除各台的仪器响应，进行地震波形的零点校正、倾斜校正和高通滤波。回放后的地震波形直接反映了地面运动速度(单位:cm/s)。震源参数计算主要是采用对S波计算，S波取值从S波起始至S波衰减，数据窗长20s，用快速傅里叶变换(FFT)对S波窗数据计算地震波位移谱。根据地震位移谱的低频部分确定波谱零频值W(0)计算地震矩，由谱的高低频渐近线确定频谱的拐角频率f0(图2)，地震距和拐角频率计算均为两水平分量的平均结果。对每一个地震，先对记录到该地震的各台资料计算出结果(表2)，图2～4和表2分别是2010年7月19日如东4.6级地震、2012年4月8日金湖4.1级地震、2012年7月20日高邮、宝应交界的5.3级地震地面观测和井下观测台站水平分量合成位移谱和震源参数的计算结果。再将地面观测台站和井下观测台站计算出来的各个震源参数求均值并进行对比。计算结果见表3。

表2 三次4级以上地震震源参数计算结果

表3 地面摆与井下摆的震源参数差值

3 结论与讨论

通过对江苏北部部分区域地震台站观测资料分析所得到的的震源参数(表3)，可以得到如下结论:(1)地面测震仪器观测得出的拐角频率、地震矩、断层错距、应力降以及矩震级要大于井下测震仪器观测计算出的相应的震源参数。断层错动的尺度参数和断层的破裂面积小于井下观测计算结果;(2)地面测震仪器与井下测震仪器的震源参数的平均差值分别为:拐角频率f0是0.397 Hz，地震矩M0是8.642×1014N·m，尺度参数(震源的等效圆位错半径)和断层破裂面积是-0.126 km、-0.221 km2，断层错距的差值为2.268 cm，应力降差值为:2.033 MPa，矩震级差值为:0.32级;(3)震源参数差值的变化幅度有高有低，其中地震矩的变化幅度最大，在0.038×1014～63.532×1014N·m之间，矩震级的差值变化较小，在0.02～0.87级之间。拐角频率的差值范围是0.03～1.909 Hz;(4)一般震级大、震中远的地震震源参数差值中的地震距、断层错动尺度参数、断层错动面积、断层错动矩和应力降变化较大。

上述结论表明，影响地震震源参数的主要因素是地震位移谱，在同一震源、同一地震的破裂方式、同一地震能量大小的作用下，出现地面观测与井下观测两种不同的震源参数结果可能与地面观测和井下观测不同观测环境、场地响应有关。关于地面观测仪器和井下观测仪器的场地响应研究将在今后的工作中做更为深入的研究。

［1］仇中阳.淮阴地震台井下摆水平方向的偏差研究［J］.地震学刊，1994，13(4):37-40.

［2］李留藏.井下地震仪的软定向［J］.地震地磁观测与研究，1992，13(4):57-62.

［3］仇中阳，郑照福，周政，等.淮安井下测震的偏差及校正［J］.地震地磁观测与研究，2006，27(8):40-50.

［4］徐元耀.大丰地震台井下摆震级偏差及台站校正［J］.地震地磁观测与研究，1993，14(3):33-36.

［5］赵翠萍，陈章立，华卫，等.中国大陆主要地震活动区中小地震震源参数研究［J］.地球物理学报2011，54(6).

［6］中国地震局监测预报司.实验场区地震预报新技术新方法［M］.北京:地震出版社，2002.

［7］叶建庆，张建国，杨品琼，等.红河断裂带两侧地块地震震源参数研究［J］.地震研究，2007，30(3):241-247.

［8］叶建庆.滇西实验场微震衰减与场地响应［J］.地震研究，1993，16(1):1-11.