利用Aki模型对宁夏及邻区尾波Q值分布特征的研究①

师海阔， 曾宪伟， 张立恒， 贺永忠

(1.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026； 2.宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001)



利用Aki模型对宁夏及邻区尾波Q值分布特征的研究①

师海阔1,2， 曾宪伟2， 张立恒2， 贺永忠2

(1.中国科学技术大学，安徽 合肥 230026； 2.宁夏回族自治区地震局，宁夏 银川 750001)

摘要：从2008年1月至2013年12月宁夏地震台网记录的665次ML≥2.0地震的数字地震波形资料中，选取波形记录清晰、噪声水平满足计算条件的数字地震波形记录，利用Aki模型，计算宁夏及邻区各区域尾波Q值，并与前人已有结果进行对比，得到该区尾波Q值的分布特征。结果表明：宁夏及邻区尾波Q值整体呈北高南低分布；吴忠、灵武地区该值相对较高，与该区域存在高速区相对应；阿拉善左旗西南该值较低；中卫、海原及附近地区该值相对较低，认为与该区域地壳深部的高温度与高热流值有关。

关键词：宁夏及邻区； Aki模型； 尾波Q值； 分布特征

0引言

Aki用单次散射模型解释尾波的形成，并在此基础上提出了一种从尾波的时间衰减确定尾波Q值的方法，后来得到不断修正，因其简单、易于数据运算而被广泛应用于区域Q值研究中[1-2]。尾波Q值与区域构造活动及地震活动性密切相关，可以作为衡量地区构造活动的重要指标，刻画构造应力场变化[2-5]。近年来国内外地震学家开展了广泛的地震尾波研究工作，取得了很多有意义的研究成果。对于宁夏及其周围地区的尾波Q值，赵卫明等[6]利用宁夏银川遥测地震台网自1996年10月后的资料，提出用采样深度表征各不同震中距地震的流逝时间，研究了宁夏中北部区域尾波Q值随频率和采样深度的变化特征。赵卫明等[7]应用宁夏9个台站1986年后记录的宁夏及邻区132次地震的200条DD-l仪模拟记录，对宁夏及邻区的分区尾波Q值进行了研究。贺永忠等[8]利用2008—2009年的数字化地震波资料，应用Aki模型和Sato模型计算得到宁夏及邻区四个小震密集区的Q值分布情况。本文拟通过利用Aki模型计算宁夏及邻近地区各区域尾波Q值，分析其分布特征，并与前人已有结果进行对比，从而对该区域的介质衰减特征及区域地震活动性进行客观评估。

1研究区划分

根据新构造特征的不同可将宁夏及邻区分为4个区域：银川-吉兰泰拉张构造区、青藏块体北东缘弧形构造区、鄂尔多斯地块和阿拉善地块[9][图1(a)]。其中鄂尔多斯和阿拉善地块均为新构造活动微弱的稳定地区。银川-贺兰山-吉兰泰地区和牛首山以南为新构造活动强烈的地区，但其新构造特征截然不同，前者主要活动断层和盆地为北北东走向，活动方式为正断兼右旋，显示拉张环境；而后者显示为弧形构造，活动断裂的北西西走向段落以左旋走滑为主，近南北向段落以挤压为主，为青藏断块区北东缘的重要组成部分。

图1　研究区划分依据Fig.1　The basis for the study area's division

按照构造特征以及2008年以来研究区弱震分布情况[图1(b)]，将宁夏及邻区细分为银川盆地、吉兰泰盆地、贺兰山区、吴忠灵武地区、阿拉善左旗西南和牛首山以南地区6个区域。由于宁夏及邻区6级以上地震自1604年起有比较完整的记载[10]，而1604年以后中卫、海原及附近区域6级以上地震数量就占全区总数的一半[图1(c)]，所以在牛首山以南地区将中卫、海原及附近区域划为一个单独的研究区域，从而更详细地研究宁夏及邻区尾波Q值分布的区域特征(图2)。

图2　分区示意图Fig.2　The partition map of the study area

2数据计算方法原理

依据Aki单次散射模型[1-2]，以某频率为中心频率，使用一定带宽滤波器滤波后的尾波振幅可以表述为

(1)

其中:S(f)为震源因子；t为发震时刻算起的地震波流逝时间；u为常数，体波u=1，面波u=0.5，本研究全部采用近震记录，因此u取值为1；Q(f)为对应于中心频率点f的尾波Q值；A(f,t)是对应t时刻一个采样周期的幅度最大值。对式(1)两边取自然对数并整理变为

(2)

(3)

尾波段起算时间从2倍的S波走时开始。

本研究在具体操作上，首先对地震波尾波以f为中心频率，f±1/3f为带宽，使用6阶Butterworth滤波器进行滤波，之后以f对应的周期T为采样步长，分别采集不同流逝时间t对应的A(f,t)，将所有数据点代入式(2)，用最小二乘法求解该频率的Q值。在研究整个区域地震波衰减总体特征时，先求该区域所有记录对不同频率的Q值，再求Q值平均值，用平均值作为该区域对应频率的Q值，并由此数据拟合频率与Q值的关系式：

(4)

3观测资料选取及处理

表 1　宁夏测震台网台站参数表

4计算结果与分析

图3　宁夏及邻区分区尾波Q值数据拟合情况及Q0值分布图Fig.3　The data fitting of every study area’s Q value of seismic coda and the distribution diagram　　　 of Q0 value in Ningxia and neighboring area

图4　宁夏及邻区各区域尾波Q0值随时间变化图Fig.4　Change of every study area's Q0 value with time

5与前人已有计算结果进行对比

赵卫明等[7]曾利用1986—2000年模拟记录的132个地震的200条尾波记录对宁夏及邻区尾波Q值分布特征进行研究，得到的宁夏及邻区分区尾波Q值基本与区域地质构造有关。Q值相对较低的区域多为新生代盆地，如吉兰泰盆地、海原盆地、银川盆地南段的吴忠、灵武地区，以及吴忠至盐池台之间；而Q值相对较高的区域为山脉或盆地之间的断隆，如贺兰山、银川盆地与临河盆地之间的乌海及附近。永宁-大武口之间属银川盆地的中、北段，Q值最高。

本研究中区域划分与赵卫明等[7]基本类似，由于尾波Q值计算与尾波流逝时间截取长度关系很大，我们仅对计算结果的相对大小与其进行对比分析(表2，图5)。

(1) 与赵卫明等[7]结果比较一致的地区为银川盆地、贺兰山区、阿拉善左旗西南、牛首山以南地区及中卫、海原及附近区域。其中，阿拉善左旗西南、牛首山以南地区及中卫、海原及附近区域均属于青藏块体北东缘具有挤压性质的弧形构造区，该区构造活动十分强烈，尾波Q0值相对较低;而银川盆地和贺兰山区均属于北部的拉张型构造区，该区构造活动虽然很强但仍低于南部地区，尾波Q0值相对较高。

图5　各区域尾波Q值分布图Fig.5　The distribution map of every study area's Q value of seismic coda

吉兰泰盆地银川盆地贺兰山区吴忠、灵武地区阿拉善左旗西南中卫、海原及附近牛首山以南地区赵卫明等[7]Q0值204291282168179184228样本数82896132178本研究Q0值372.1351.8351.7382.6248.2213.4208.8样本数404726511157498

(2) 本研究得到的吉兰泰盆地与吴忠、灵武地区尾波Q0值均相对较高，与赵卫明等[7]的结果正好相反。赵卫明认为:吉兰泰盆地为新生代沉积盆地，故该区域尾波Q0值较低；而吴忠、灵武地区的低Q0值则与该区域的第四纪沉积较厚，或地壳中上部介质强度较弱有关。本文认为：吉兰泰盆地为宁夏北部拉张构造区的最北端，该区虽然中强地震时有发生，但历史上并未有发生7.0级以上强震的记录，相对来说该区介质的破碎程度低于南部地区，故而尾波Q0值比南部地区要高；而吴忠、灵武地区本研究中所使用的数据量较多，且数字记录的资料相对模拟资料记录信息更丰富，且速度成像结果也显示该区域存在高速区[17]，即高应力集中区，与相对高Q0值有比较好的对应关系。故本研究结果可能更为可靠。

6结论与讨论

(1) 宁夏及邻区Q0值整体呈北高南低分布，宁夏北部的Q0值较高，而南部的Q0值较低，Q值与频率的依赖性指数分布则正好相反。这与宁夏及邻区的历史强震活动分布以及地质构造背景有关。由图1(c)可以看出，1604年以来宁夏北部只发生了1739年银川平罗8级地震，南部6级以上强震频次明显高于北部，尤其是1920年海原发生了8.5级特大地震，因此南部相对北部更为破碎，容易呈现Q0值北高南低的分布态势。从地质构造背景来看，位于宁夏北部的银川—贺兰山—吉兰泰地区和南部的牛首山以南地区均为新构造活动强烈的地区，但其新构造特征却正好相反；重力资料也显示宁夏北部和南部呈现出两种截然不同的失衡状态，可能与这两个地区的尾波Q0值迥异的分布有某种必然的联系，但究竟是何种联系，本文尚不能给出合理的解释，还望能在以后的研究中有所突破。

(2) 阿拉善左旗西南尾波Q0值相对较低。该区位于青藏高原东北缘弧形构造区的最北端，与构造性质比较稳定的阿拉善块体相接。与牛首山以南地区相比，该区域断裂活动强度相对较弱，但明显强于阿拉善块体。

(3) 吴忠、灵武地区尾波Q0值相对较高，与该区域处于高速区即高应力集中区有较好的对应关系，也说明目前该区域比较完整，地壳介质均匀程度较好。

(4) 中卫、海原及附近地区为弧形构造区内的压陷型盆地，对应该地区的尾波Q0值相对较低。这一区域地壳深部温度和热流值明显高于其他地区[16],由于尾波对温度变化非常敏感，故该区低Q0值可能与其地壳深部高温度和高热流值有关。

(5) 根据前人的研究，Q值在大震后普遍出现明显降低的现象。这是由于大地震临发生之前, 震源附近应力高度集中, 使得介质很紧密, 造成地震波在这种介质中传播能量损耗少, 因而Q值就大；大震后震源周围地区介质破碎程度显著增大, 使得Q值变小, 衰减增大[18-20]。由于样本量有限，并且研究区已经20多年未发生5级以上强震，所使用的资料时段内没有震例可以用于讨论中强震与Q0值变化形态之间的关系。鉴于此，查阅前人关于灵武地区的震例探讨成果[21]，即1984年11月23日灵武5.3级和1987年8月10日灵武5.5级地震前都出现了Q0值的上升和下降变化过程，震后Q0值一般维持在低水平上。结合前文中各区域得到的Q0随地震序号(即时间)的变化曲线(图4)，均未出现前人研究成果中震前Q0值显著升高的现象，或许意味着当前Q0值变化形态未出现异常，可以据此初步判定当前地震形势尚未达到非常严峻的程度。

致谢:衷心感谢浙江省地震局朱新运教师提供尾波Q值计算软件及宁夏地震局测震台网中心提供计算所用波形资料！

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Distribution Characteristics ofQValue of Seismic Coda in Ningxia and Neighboring Areas Based on Aki Model

SHI Hai-kuo1,2, ZENG Xian-wei2, ZHANG Li-heng2, HE Yong-zhong2

(1.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China;2.EarthquakeAdministrationofNingxiaHuiAutonomousRegion,Yinchuan750001,Ningxia,China)

Abstract：In this study, we analyze the distribution characteristics of Q value of seismic coda in Ningxia and neighboring areas by considering 665 digital wave data points of earthquakes with ML≥2.0 from January, 2008 to December, 2013 recorded by the Ningxia Earthquake Network using the Aki model. The selected waveform records are clear, and the noise levels satisfy the requirements. By comparing the Q values of seismic coda in each area of the Ningxia Province and its adjacent region with existing results, the distribution characteristics of Q value of seismic coda are obtained. The results show that the Q value of seismic coda is higher in the north than in the south. The Q values of seismic coda in Wuzhong and Lingwu areas are relatively high, corresponding to the high-speed zone. The Q values of seismic coda in the region southwest of Alashan Zuoqi and those in Zhongwei, Haiyuan, and their adjacent regions are relatively low. These results may be associated with the high temperatures and heat-flow values in the deep crust of those areas.

Key words：Ningxia and its adjacent areas; Aki model; Q value of seismic coda; distribution characteristics

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0051

中图分类号:P315.31

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)01-0051-07

作者简介：师海阔(1985-)，男(汉族)，甘肃临洮人，工程师，主要从事地震监测工作。E-mail: shihaikuo369@163.com。

基金项目：中国地震局三结合课题(143002)

收稿日期：①2015-03-31