2014年于田M S 7.3地震序列的频谱特征分析及其前震识别

2015-09-04郑建常王鹏许崇涛徐芳芳

中国地震 2015年2期

关键词：主震拐角余震

郑建常王鹏许崇涛徐芳芳

1)山东省地震局，济南市历城区港西路2066号 250102

2)山东省五莲地震台，山东五莲 262300

3)山东省荣成地震台，山东荣成 264300

0 引言

有关前震活动特征及其判别的研究，多年来一直是国内外地震学者关注的热点，同时也是科学难点之一。有关前震的历史震例在文献中早有记载，但直到今天，我们对前震发生机理的认识仍不清楚，甚至对于前震从物理意义上仍然没有确定的、得到普遍认可的定义(林邦慧等，1994)。因此，有效地识别前震，无疑是极具挑战性的科学问题。深入研究前震与一般地震事件的震源机制和发生机理的差异，将极大推动地震预测的实用化进程，同时在加深对于大地震发生物理过程规律性的认识方面有着重要意义。

前震或前震序列的发生机理与普通震群存在差异，因此有可能通过对地震波形的分析识别发现二者的不同特征。蔡静观等(1994)研究发现，前震序列地震波的振幅比相对稳定;冯德益等(1994)研究认为，前震S波频谱的峰值频率fM及拐角频率fc都明显偏小，可以作为识别前震的指标;Cheng等(2003)通过对2001年四川雅江6.0级地震及其5.0级前震的研究认为，主震前的前震序列的应力降升高;倪四道等(2010)对2010年MS7.1玉树地震的前震分析表明，几次前震活动的波形相似程度非常高。

对于前震的波形或频谱特征，自开展数字地震学研究以来已经积累了大量的认识。Ishida等(1980)发现前震的峰值频率要大于普通地震;Zuniga等(1987)研究表明，前震的视应力、应力降以及振幅比等都与余震活动存在差异;Pechmann等(1990)通过波形互相关发现，前震存在密集丛集;Webb(1994)同样通过波形互相关和格林函数反褶积发现，前震具有空间丛集、高应力降以及单侧破裂等现象。Chepkunas等(2001)研究发现，前震的振幅谱中存在异常的高频成份;Umino等(2002)使用交叉谱分析发现，前震序列存在由深到浅的破裂过程，并认为这与主震的成核过程有关;Mori(1996)、Reymond等(2003)研究发现，主震破裂起始点位于前震破裂区的边缘;Hahm等(2009)对比了韩国3次地震的前震、余震的不同特征。

2014年2月12日17时19分新疆于田发生MS7.3地震，震前约31h，震中曾发生MS5.4前震，形成了完整的前震-主震-余震序列活动。这次地震序列为我们研究前震活动的物理性质和特征提供了很好的条件。本研究利用新疆区域数字地震台网记录到的于田地震前震和余震序列的波形资料，基于Brune圆盘破裂模型，利用遗传算法反演了于田地震序列的震源谱，对该序列进行频谱特征分析，并对比了前震和余震序列观测谱与震源谱之间的差异。

1 数据与方法

本研究选取新疆区域数字地震台网2014年2月11～17日记录到的279次地震的波形资料，为保证观测资料的可靠性和一定的信噪比水平，选择了其中的103次ML≥3.0地震进行分析，对其中大多数事件选用了距震中最近的3个台站(YUT、YJB、MIF)的资料。图1(a)给出了本研究中的台站及于田地震序列的震中分布;图1(b)给出了于田地震序列中用于本文计算的103次事件(含主震)的M-t图。

2 理论与方法

台站记录的地震谱Sob(f)可以表示为

式中，Oob(f)为地震震源观测谱;P(f)为路径效应;G(f)表示场地响应;I(f)为仪器响应;f为频率。

在近震源条件下，当观测台站的震中距较小时，可忽略非弹性衰减的影响，通过仪器响应和几何扩散校正后即可得到震源谱。本文选用的3个台(YUT、YJB、MIF)的震中距最大不超过120km，因此采用该方法是合适的。

本研究中，几何衰减采用单段衰减模型，衰减系数取为1;非弹性衰减Q值采用徐彦等(2005)的研究结果，选择S波段时使用了到时关系法，手动读取Pg、Sg到时，根据到时关系截取S波窗，求取傅里叶谱。图2给出了3个台站的2014年2月12日18时04分ML3.7余震的观测震源谱以及拟合的理论谱。

图2 2014年2月12日18时04分M L 3.7余震观测谱及理论谱

根据中小地震的Brune圆盘模型，理论震源谱可以表示为

式中，Ω0为震源谱零频极限;fc为拐角频率。将Ω0、fc作为独立变量，根据式(2)利用遗传算法使观测谱和理论谱具有最小残差，可以确定震源谱参数Ω0和fc，并由下式计算地震矩

式中，Rθφ为辐射花样系数;ρ表示地壳介质密度;vS为S波速度。

3 结果与分析

已有的研究大多显示，震源参数如地震矩、拐角频率、破裂半径等存在明显相关性。根据自相似的原理，地震发生过程中在拐角周期上辐射的能量最大，拐角频率与成比例关系(Lyskova，1998)。张天中等(2000)研究认为，在一定的震级范围内，地震矩M0、拐角频率fc和震级ML之间存在半对数线性关系;Drouet等(2005)利用线性回归给出了拐角频率对数lgfc与震级ML之间的关系式;Izutani(2008)研究认为地震矩与拐角频率存在如下关系

本文计算得到了于田地震序列的103次ML≥3级地震的震源参数。结果显示，地震矩、拐角频率和震级之间有很好的相关关系(图3)(王鹏等，2015)，经过线性拟合，得到

图3 震源参数之间线性拟合

3.1 拐角频率

利用于田地震序列的拐角频率值，分析了主震前后其变化特征，结果见图4。从图4可见，主震之前的前震序列的拐角频率值明显偏小;而余震序列的拐角频率值较大，明显大于前震序列(图4(a))。由于拐角频率fc和地震矩M0有很好的相关性(图3)，因此根据拟合得到的式(5)扣除地震矩对拐角频率的影响，定义为由观测谱拟合得到的拐角频率为按照式(5)由地震矩M0计算得到经验拐角频率。结果见图4(b)，同样可以看出余震序列的拐角频率升高的趋势。前震序列中有3次事件的f'c值较高，或许从这一角度可以认为这3次事件是2月12日17时24分MS5.4前震的余震。

3.2 台站观测谱

YUT(于田)台是距离于田7.3级地震序列最近的台站，该台除了个别事件记录中断外，对序列中绝大部分事件都有很好记录。由于于田地震序列的余震分布相对较为集中(图1、6)，相对YUT台的方位角变化不大，故一定程度上可以忽略震源的方向性效应;因此，可以对计算得到的YUT台观测谱进行交叉互相关分析，结果见图5。图5中纵、横坐标均为102次前震、余震事件的序号，其中第22～25、33、61、97号事件无数据。

图4 2014年2月11～17日于田地震序列(去除主震)的拐角频率随时间的变化

由图5可以看出，于田地震序列的观测谱整体相关系数较高，尤其是MS7.3主震后较短时间内发生的几次余震，其振幅谱相关系数均大于0.9;但前震序列的振幅谱相关系数变化差异较大，除2014年2月11日MS5.4前震及随后的2次小震的相关系数较高外，其余3次前震活动的观测谱均显得较为独立，不论与其他事件还是彼此之间的相关系数都不高(小于0.7)，与前面计算的值较高相一致。

图5 YUT台记录于田地震序列观测谱的互相关分析

将于田地震序列观测谱与MS7.3主震的相关性表示到震中分布图上，得到图6，由图6可以看出，相关性不高的小震发生在与主震不同的断裂上，并且序列发展后期余震震中主要向SW方向扩展，这一时期的相关系数也相对偏低;同时还可以发现前震序列中3次相关系数偏低的小震均分布在主干断层的东侧，由于受实际观测资料的限制，无法求解这些小震的震源机制，但推测其震源机制和断层破裂性质可能与MS5.4前震及MS7.3主震都有较大的不同。

图6 于田地震序列事件与主震谱相关系数的空间分布

3.3 震源谱

由式(2)、(3)，震源谱可以写为

式中，b为涉及到地壳介质密度、S波速度及辐射花样的系数。因此，对计算得到的震源谱可以除以地震矩M0，将其定义为归一化震源谱|Onm(f)|。

对计算得到的102次前震、余震的震源谱除以事件的地震矩，扣除事件大小的影响，得到归一化的震源谱，结果见图7。对比可见，在10Hz以下的低频部分，3次事件的归一化振幅相差不大;在超过10Hz的高频部分，ML5.0余震的谱振幅(蓝色)大于MS5.7余震的(绿色)振幅，符合小地震明显高频衰减较慢的规律;而MS5.4前震的振幅明显大于2次余震事件(虽然MS5.4前震震级大于ML5.0余震)，这一现象与Chepkunas等(2001)得到的前震振幅谱中存在异常的高频成份的认识相一致。