福建仙游5.0级地震序列P波、S波拐角频率比值变化研究

蔡杏辉，段刚，邵平荣，张丽娜

（福建省地震局，福州350003）

福建仙游5.0级地震序列P波、S波拐角频率比值变化研究

蔡杏辉，段刚，邵平荣，张丽娜

（福建省地震局，福州350003）

利用福建仙游震区附近的3个数字地震台记录的仙游地震序列波形资料，采用PITSA软件，对2013年9月4日仙游ML5.0地震发生前后73个前、余震的P波、S波拐角频率比值进行分析。结果表明：3个地震台的拐角频率比值在主震前均出现较明显的下降趋势，不同台站间主震前后的变化形态存在较明显差异。

仙游ML5.0地震；地震序列；地震波谱；拐角频率比

蔡杏辉，段刚，邵平荣.福建仙游5.0级地震序列P波、S波拐角频率比值变化研究[J].华南地震，2015，35（2）：73-79.CAIXinghui，DUAN Gang，SHAO Pingrong，etal.Changes of P-wave，S-wave Corner Frequency Ratio of Xianyou ML5.0 Earthquake Sequence in Fujian Province[J]. South china journal of seismology，2015，35（2）：73-79.]

0　引言

大地震发生前，孕震区地壳介质处于应力加速和积累状态。地震发生后，震源周围的介质变化，这种变化可以通过地震仪器记录的地震波谱差异来反映。波谱是动力学特征，它既与震源的辐射图像有关，又依赖于传播介质的吸收性质[1]。利用地震波形资料，提取有关的波谱信息，是获得中强震前后震源区应力状态与孕震状态变化的一种重要方法。近年来，随着数字地震波形资料的积累，国内利用数字地震资料研究大地震前后地震波谱异常特征逐渐增多[2-8]，取得了初步进展。

随着福建“十五”台网建立，观测仪器得到改进和台站布局密度增大，观测精度得到提高，与模拟记录相比，数字化地震波资料的优点是：频带范围宽、动态范围大、分辨率高、观测精度高;产出丰富的数字地震波形数据为本地区地震序列波谱变化研究创造良好条件。2013年9月4日福建仙游发生ML5.0地震，地震的前震、余震丰富；计算仙游ML5.0地震前后中小地震纵横波的拐角频率比值，探索较大地震发生前小震波谱可能变化,为该地区强震预测和震后趋势判断提供有关地震波谱特征方面的参考依据。

1　资料选取与处理

1.1资料选取

2013年9月4日福建仙游发生ML5.0地震，震中位置为25.629°N，118.752°E。震区2009年以来共记录0级以上地震达到1 000余次以上，形成较为完整的地震序列。本文选取福建台网记录的福建仙游ML2.0以上地震进行研究，其中前震60个，余震13个，选取该序列ML2.0以上地震都有较好记录震源区附近的3个数字台，选取莆田荔城台、福清东张台、惠安净峰台，震中距分别为35 km、55 km、76 km，3个台均采用CMG-3ESPC-60型地震计，台基岩性分别为花岗岩、辉绿岩、花岗岩。图1给出了3个台站的位置及仙游地震序列的空间分布。

图1　仙游震区附近台站分布及地震序列Fig.1 Xianyou earthquake sequencemap and distribution of stations near Xianyou earthquake region

1.2资料处理

采用PITSA软件进行波谱分析，该软件是用于数字地震波形分析的实用软件，并且功能较强。PITSA软件可以处理ISAM、SUDS、ASCII格式的数据文件，而目前台网波形事件都是以SEED格式存储，因此在波谱分析前要先将选取事件进行格式转换，转换成ASCII格式文件。P波取垂直向，S波取南北向和东西向，窗长取S波初始震相到最大振幅间一定长度的波形数据。波形资料处理步骤：对原始速度记录进行去倾斜及水平基线校正后，做积分处理；积分运算后，采用4阶巴特沃斯带通滤波器进行数字滤波处理，最后对数据取余弦窗。得出位移谱图后，采用人工拟合的方法得到P波和S波拐角频率值，进而求得两者拐角频率比值。拐角频率的确定原则：波谱高频段与低频段的趋势渐近线交点处的频率值，也就是说振幅有明显衰减变化时所对应的频率。图2为波谱主要参数示意图。

图2　波谱主要参数示意图Fig.2 Schematic diagram of themain parameters of spectrum

2　计算结果与分析

2.1计算结果

测定了60个前震和13个余震3个台的P波和S波拐角频率比值，结果见表1。表中的参数P波取UD向计算结果，S波取NS和EW向平均结果。

表1给出了莆田荔城、福清东张、惠安净峰3个台74个ML2.0以上地震的P波和S波的拐角频率及其比值。地震波拐角频率主要与震源断层面的大小有关，反映了地震波高低频能量的分布特征；通常情况下，拐角频率大小与地震震级大小有关，地震越大，拐角频率越小[9]。图3为仙游地震序列拐角频率与震级的关系图，结果表明，地震越大，拐角频率越小，与前人研究结论是一致；但3个台的拐角频率与震级的相关性较弱（莆田荔城台P波、S波拐角频率与震级相关系数分别为-0.47、-0.42,福清东张台两者相关系数分别为-0.53、-0.37,惠安净峰台两者相关系数分别为-0.45、-0.31），同时拐角频率比值也能减弱震级的影响，因此在分析拐角频率比变化特征时不考虑震级大小的影响。

表1　仙游ML5.0地震前后P、S波拐角频率比变化Table 1 The change of the corner frequency ratio of P and Swave before and after Xianyou ML5.0 earthquake

（接表1）

2.2拐角频率比变化分析

从表1可见，莆田荔城台拐角频率比在0.72～1.41之间，平均值为1.02；福清东张台拐角频率比在0.60～1.55之间，平均值为1.03；惠安净峰台拐角频率比在0.60～1.37之间，平均值为0.99。张萍等[3]利用辽宁台网的资料研究所得平均拐角频率比为1.004；夏爱国等[4]对伽师地震序列的地震波谱变化研究所得3个台拐角频率比在0.86～4.58，平均值为2.06；刘富安等[5]对克拉玛依南地震波谱变化研究所得拐角频率比在0.70～2.10之间，平均值为1.18；张永久等[6]对雅江6.0级地震前后波谱变化研究所得3个台的拐角频率比在1.053～2.063之间变化，平均值为1.76。Molar以及陈运泰等提出拐角频率比的理论计算结果为1～3，Molnar模型以及陈运泰等提出的理论均认为P波的拐角频率要高于S波的拐角频率[1，10]，这与目前大多数观测事实相符。

图3　仙游地震序列拐角频率与震级的关系Fig.3 Relation betweenmagnitude and corner frequency of Xianyou ML5.0 earthquake sequence

本文所得拐角频率比值结果与张萍等人计算结果较为接近，从图4、图5、图6可见，3个台P波、S波拐角频率在ML5.0地震震前均出现低拐角频率阶段，每个台的P波和S波拐角频率变化曲线形态较为一致，S波拐角频率变化曲线比P波拐角频率变化曲线波动要大一些。3个台拐角频率比值的变化既有相似又有一定区别，相似之处在仙游ML5.0地震前都出现拐角频率比值出现明显下降，不同之处是3个台的拐角频率比值在仙游ML5.0地震前后的变化的具体形态存在差异。莆田荔城台拐角频率比在2012年06月14日开始缓慢下降，2012年11月25日达到次低值，之后逐步上升，于2013年02月11日又缓慢下降，2013年08月19日达到最低值，不久在上升过程中发生ML5.0地震，震后快速下降；福清东张台拐角频率比从2012年04月04日开始出现缓慢上升的趋势，并于2012年11月27日达到最高值后缓慢下降，2013年08月03日达到最低值后，在恢复接近正常比值情况下发生ML5.0地震，震后呈现回升趋势；惠安净峰台拐角频率比在2012年11月25日后缓慢上升，并于2012年11月30日达到最高值后缓慢下降，2013年08月19日达到最低值，之后不久在回升过程中发生ML5.0地震，震后恢复到接近均值。

图4　莆田荔城台P波、S波拐角频率和拐角频率比值的变化曲线Fig.4 Change curves of corner frequency of P and Swave and their ratio recorded by licheng station in Putian city

图5　福清东张台P波、S波拐角频率和拐角频率比值的变化曲线Fig.5 Change curves of corner frequency of Pand Swave and their ratio recorded by Dongzhang station in Fuqing country

图6　惠安净峰台P波、S波拐角频率和拐角频率比值的变化曲线Fig.6 Curves of corner frequency and their ratio of P and S wave recorded by Hiuanjinfeng station

3　讨论

拐角频率与震源区应力状态、发震过程有关，又受到接收台站场地、射线路径及仪器响应的影响。选用固定观测台站，记录同一地区发生的地震，断层走向、震中距、观测方位是相对稳定的，得到它们的拐角频率比值随时间变化特征，就可能反映地震震源处地下介质随时间的相对变化情况，对地震监测预报有一定参考意义[3]。

陈运泰等[1]研究认为，纵、横波拐角频率比和纵、横波速度比有关，还与破裂速度和观测点方位有关。本文研究表明，不同台拐角频率比值在强震前后变化具体形态存在差异，这反映了前述因素的影响。本文所得拐角频率比值结果与前人的理论结果和实际计算结果基本相符，3个台拐角频率比值在较大地震发生前短时间内均出现明显的下降异常，并在回返过程中发震，与张萍[3]等人岫岩5.4和5.1级地震序列研究结果较为一致；何璟林等人[7]对新丰江ML4.9地震序列研究则认为拐角频率比呈现震前上升震后下降的过程。一个地震序列的拐角频率比随地震序列的发展表现出一定的趋势变化特征，可用来判断未来地震序列的发展示趋势[8]；从国内外地震学者对大地震前后地震波谱异常特征进行研究取得结果来看，每次地震前后的地震波谱变化特征差异较大，地震波拐角频率比随地震序列变化特征可能与区域的应力场有关。本文研究所得仙游地震序列拐角频率比变化特征对今后该区域的地震序列的发展趋势的判识具有一定借鉴意义。

此外，由于在地震波的处理中涉及到仪器校正等必要步骤，拐角频率值采用人工拟合方法，会导致人为误差，需要积累更多基础资料，做深入研究，有待进一步震例检验。

[1]陈运泰，王妙月，林邦慧，等.中、小地震体波的频率和纵、横波拐角频率比[J].科学通报，1976（9）：414-417.

[2]许健生，尹志文．共和地震前后中小地震的波谱变化[J]．地震地磁观测与研究，1998，19（4）：30-36．

[3]张萍，王安东.岫岩5.4和5.1级地震前波谱异常特征研究[J].地震，2006，26(1)：57-65.

[4]夏爱国，赵翠萍.伽师地震序列的地震波谱变化研究[J].内陆地震，2007，21（4）：316-325.

[5]刘富安，盛琰．克拉玛依南地震波谱变化初探[J]．高原地震，2010，22（3）：33-37．

[6]张永久，程万正.雅江6.0级地震前后的序列的波谱变化[J].内陆地震，2004，18（4）：340-347.

[7]何璟琳，闻则刚，吕金水.新丰江ML4.9级地震序列的波谱分析[J].华南地震，2000，20（4）：65-70.

[8]朱新运，钟羽云，张震峰.地震波拐角频率对地震序列的依赖性研究[J].西北地震学报，2004，26（2）：131-136.

[9]中国地震局监测预报司.地震参数-数字地震学在地震预测中的应用[M].北京：地震出版社，2003.

[10]Molnar P，Tuker B E，Brune JN.Corner frequencies of P and Swaves and models of earthquake sources[J].B.S. S.A.,1973，63（6）：2 091-2 104.

Changes of P-wave，S-wave Corner Frequency Ratio of Xianyou ML5.0 Earthquake Sequence in Fujian Province

CAIXinghui，DUAN Gang，SHAO Pingrong，ZHANG Lina
（Earthquake Administration of Fujian Province，Fuzhou 350003，China）

By using wave data of Xianyou earthquake sequence recorded by three stations near the Xianyou epicenter region in Fujian,the paper analyzes the P,Swave corner frequency ratio of 73 earthquakes before and after the Xianyou ML5.0 earthquake sequence on Sep.4th,2013 by using the PITSA software.The result shows that the corner frequency ratio of the 3 stations has obvious downward trend before themain earthquake,and it is changing shape different between different stations before and after themain earthquake.

Xianyou ML5.0 earthquake；Earthquake sequence；Seismic wave spectrum；Corner frequency ratio

P315.31

A

1001-8662（2015）02-0073-07

10.13512/j.hndz.2015.02.012

2014-09-26

蔡杏辉（1976－），男，工程师，主要从事地震监测工作.

E-mail：13870511@sina.com.