2020年1月19日伽师MS6.4地震序列尾波QC值特征研究①

郭 寅， 刘建明

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

尾波QC值是描述地球介质非均匀程度的重要指标之一，反映地震到观测台站之间的椭球体的介质性质。QC值的变化能够反映构造应力的变化，通常认为地震活动频繁的地区QC值相对较低，地震活动相对平静的地区QC值则较高，因此可以运用这一特性来探讨地震的震兆特征和判定地震序列发展的趋势。Aki首次提出尾波散射理论，解释了尾波的形成原因，并提出了台、源重合情况下的尾波衰减系数计算方法[1-2]。Sato和Pulli对Aki尾波计算方法进行了必要的修正(即Sato模型)[3-4]。数字台网的建立为尾波QC值的计算提供了丰富的数字地震波形资料。马宏生通过计算云南地区尾波QC值，认为未来几年云南比较危险的区域可能位于滇中块体的东南边界附近、滇中块体的西南部及其西边界附近[5]。王伟君计算了1999年11月29日岫岩MS5.4地震序列QC值，研究结果表明QC在大震前后存在震前QC增高，震后降低的现象[6]。李琼计算云南2009年姚安MS6.0地震余震尾波QC值时发现主震发生后头几天，尾波Q值(1.5 Hz)波动较大，之后在±1.5倍方差线内趋于稳定，且没有超过MS5.0的强余震发生，认为这一现象可为该区震后趋势判定提供参考依据[7]。2020年1月19日新疆伽师县发生MS6.4地震，震前地磁、形变和测震学等都出现了不同程度的异常[8-10]。伽师MS6.4地震前一天在震区发生MS5.6前震，此地震构成前-主-余型地震。伽师地区属于南疆人口密集地区，地震多发，地震序列复杂。历史上曾发生了1997～1998年伽师6级地震震群和2003年2月24日伽师MS6.8地震，伽师MS6.8地震序列为主震余震型。因此，准确及时的对该区域的地震类型做出判断就显得较为迫切和重要。新疆已于2008年完成数字化改造，为伽师地区尾波计算提供了宝贵的基础资料，且该区域的监测能力可达ML2.5[11-13]。

1 地震概况及资料选取

据新疆数字地震台网测定，北京时间2020年1月19日21时27分55秒，新疆伽师县发生MS6.4地震，微观震中位置为39.83°N，77.21°E，震源深度16 km。为了保证数字波形的质量，确保尾波QC值计算值准确可靠，本次研究选择2020年1月19日至4月20日新疆地震台网记录的ML≥2.5余震波形资料，计算波形资料应满足记录清楚，信噪比较高；尾波足够长且波形连续的条件。按照上述要求，为了保证余震都在台站周围60 km范围内，选择八盘水磨台和西克尔台，2个台站的基本信息见表1。本文中计算了伽师MS6.4地震序列中近100个余震的尾波QC值。图1为伽师MS6.4地震序列震中及台站分布图，可以看出八盘水磨台和西克尔台分别位于主震西侧和东侧，余震多发生在主震的北面和西面，呈东西向展布。

图1 伽师MS6.4地震序列及台站位置分布Fig.1 Earthquake sequence of Jiashi MS6.4 earthquake and station distribution

表1 台站信息

2 方法及原理

本次研究拟采用Aki单次散射模型。求尾波Q值首先得求某一中心频率的一定带宽滤波器滤波后的尾波振幅A(f,t)，尾波振幅可表示为

A(f,t)=S(f)·t-u·e-πft/QC(f).

(1)

式中，S(f)为震源因子，t为从发震时刻算起的地震波流逝时间，u为常数(体波的u=1，面波u=0.5)。由于本次研究拟采用的数据均是近震，故取u=1，QC(f)为对应于中心频率点f的尾波Q值，A(f,t)为对应t时刻一个采样周期的幅度最大值。

对公式(1)两边取自然对数，可得

ln(A(f,t)·tu)=lnS(f)-a·t.

(2)

由于ln(A(f,t)·tu)和t之间存在线性关系，做线性拟合求出a，

(3)

求出α后，根据公式(3)可得

(4)

QC(f)=Q0(f)η.

(5)

对公式(5)两边取对数可得

lnQC(f)=lnQ0+ηlnf.

(6)

最后采用最小二乘法得出Q0和η值。

运用朱新运编制的震源参数程序，分析的尾波频率是4～18 Hz，选用6阶Butterworth带通滤波器进行滤波。图2为2020年1月20日15时33分31秒MS4.0余震西克尔台计算实例。

图2 2020年1月20日15时33分31秒MS4.0余震西克尔台计算实例(a) 波形截取 (b) 垂直向f=11 Hz时的数据拟合结果 (c) 三分量数据结果 (d) 平均数据结果Fig.2 Calculation example of MS4.0 aftershock by XKR station at 15:33:31 on January 20, 2020

3 尾波QC值计算结果及分析

3.1 计算结果

利用Aki模型计算八盘水磨台97个余震尾波QC值和88个西克尔台余震尾波QC值。计算结果显示，八盘水磨台尾波QC值在67.9～461.8之间，平均尾波Q0值为269.8，平均η值为0.75，QC值和频率的拟合关系为QC=269.8±103.3f0.75±0.16；西克尔台尾波QC值在96.9～467.0之间，平均尾波Q0值为267.2，平均η值为0.72，QC值和频率的拟合关系为QC=272.5±100.2f0.72±0.15。西克尔的尾波QC值和八盘水磨台QC值的计算结果相当。尼鲁帕尔计算的八盘水磨台的尾波Q0值为300.9，西克尔台尾波Q0值为310.5[14]。计算结果稍微低于尼鲁帕尔计算的结果，这可能是由于主震发生后震源区破碎程度较高造成的。根据八盘水磨台和西克尔台可得出伽师震源区的尾波衰减是267.2，平均值为0.74，QC值和频率的拟合关系为QC=267.2±101.54f0.74±0.15。李志海计算的伽师地区的尾波Q0值为213[15]，低于本文中计算结果。这可能与用于计算的台站和计算时间段有关。李志海利用的是伽师地区及附近11个台站2007年8月至2008年9月的波形数据，代表了当时的介质品质因子。本文中是利用伽师MS6.4地震序列的波形资料计算的数据，仅代表震源区震后的介质品质因子。

3.2 尾波QC随时间变化特征

对于地震前后尾波QC值的变化特征，研究者在不同地区得出不同的结论。有的研究者认为中强地震前后存在震前下降，震后变大的现象。如钱晓东研究云南施甸MS5.9地震尾波序列时发现最大余震发生前尾波QC值出现了低值现象[16]。有的研究者则认为地震序列中强余震发生前存在高的尾波QC值，如张北序列中1999年3月11日MS5.6强余震前出现了高值异常[17]。吕坚在研究九江—瑞昌地震序列的尾波QC值时则发现很难找出强余震前的尾波QC值异常特征[18]。2020年1月19日伽师MS6.4地震后发生了2次强余震，分别为2020年1月19日MS5.2和2月21日MS5.1地震。图3给出了八盘水磨台伽师MS6.4地震序列的尾波QC值的时序曲线图。由图3可见，伽师MS6.4地震发生后，该序列的尾波QC值处于高低值波动状态，主震后2小时发生了本次地震的最大余震MS5.2地震，最大余震后尾波QC值仍处波动状态，2020年1月25日后尾波QC值出现低值现象，2月13日后出现高值，在高值过程中发生了MS5.1强余震。地震发生后，序列尾波值处于波动状态。由图4可见，西克尔台的尾波QC值变化趋势和八盘水磨台一致。主震发生后一段时间尾波QC值处于波动状态，1月23日之后出现低值，2月10日尾波QC值出现高值，在高值过程中发生了MS5.1余震，该余震发生后尾波QC值呈波动状态。

图4 伽师MS6.4地震序列西克尔台尾波QC值时序进程图Fig.4 Seismic sequence of coda QC at XKR station on Jiashi MS6.4 earthquake

综合八盘水磨台和西克尔台的尾波QC随时间的变化特征，可将伽师MS6.4地震余震序列的尾波QC值分为3个阶段。第1阶段是尾波QC值高低值波动阶段，时间跨度为地震发生后7 d内，这一段内发生了MS5.2余震，属于在波动阶段发生的余震。由于MS5.2余震是震后2 h发生的，可能是受到震后应力调整的影响。第2阶段是震后8 d到MS5.1余震发生前，此时尾波QC值出现低值现象，高值回返后发生了MS5.1余震。第3阶段是MS5.1地震后，MS5.1地震后尾波QC值处于波动，此时余震活动也较弱，意味着地震序列将逐渐进入平静时段。伽师MS6.4地震的尾波QC值的变化特征也和低介质品质因子代表了构造活动较强这一认识一致。

4 结论和讨论

(1) 利用Aki模型计算了八盘水磨台和西克尔台伽师MS6.4余震序列中ML≥2.5地震的尾波QC值，得出其尾波QC值分别为67.9～461.8和96.9～467.0，二者的平均尾波Q0值分别为269.8和272.5，平均值为0.75和0.72，QC值和频率的拟合关系分别为QC=269.8±103.3f0.75±0.16和QC=272.5±100.2f0.72±0.15。伽师MS6.4地震震区的尾波Q0值为267.2，平均值为0.74，QC值和频率的拟合关系为QC=267.2±101.54f0.74±0.15。

(2) 由于构造不同，地震活动背景不同，不同学者对地震序列中尾波QC值对余震的判定作用持不同的态度，有的认为会出现高值或者低值异常，有的则认为无法判定。伽师MS6.4地震后，序列的尾波QC值较处于高低值波动状态。震后7 d，尾波QC值出现低值，高值回返后，发生了MS5.1余震，此后尾波QC值又恢复高低值波动状态,此时地震序列衰减也比较正常。

(3) 对伽师MS6.4地震余震序列尾波QC值计算后发现，MS5.1强余震发生前会出现“低值-高值-发震”的现象，但是由于对该区MS≥6.0地震序列的尾波QC值研究较少，震例较少，因此无法判定此现象是否属于该区6级地震序列尾波QC值的共同特征。值得注意的是，本次地震发生前未出现MS5.1余震尾波QC异常现象，主要是因为此次余震距主震的发震时间仅2 h，受主震的影响较大，认为运用尾波QC值在震后几小时内判定后续余震的发震情况还不可取。因此，MS5.1强余震发生前的“低值-高值-发震”的现象可在后续该区的MS≥6.0 地震余震判定中起参考作用，但判定效果也有待进一步检验，仍需结合该区的地质构造、地震活动特征等综合判定余震发展趋势。