龍崗火山區尾波Q值的初步研究

梁國經 李仲巍 鄭雙鳳劉俊清 劉達峰 綦 偉

1)吉林省龍崗火山監測站，撫松 134528

2)吉林省地震局，長春 130022

龍崗火山區尾波Q值的初步研究

梁國經1)李仲巍1)鄭雙鳳1)劉俊清2)劉達峰1)綦 偉1)

1)吉林省龍崗火山監測站，撫松 134528

2)吉林省地震局，長春 130022

基于Sato單次散射模型，利用2007年5月至2010年2月龍崗火山測震臺網記錄到的發生在火山區及鄰近地區內的41次ML≥1.6地震的波形資料，計算了龍崗火山區的尾波Q值，得出尾波 Q 值與頻率的關系為 Q(f)=(42.65 ±7.53)f(0.8459±0.1642)，具有以低 Q 值高 η 值為特征的火山構造活躍地區的尾波性質。火山區尾波Q值的空間分布顯示，金龍頂子火山附近的金川臺尾波Q0值為31.98，明顯低于其它臺站。結合深地震探測和垂直形變資料成果，佐證了龍崗火山巖漿囊的位置可能在金龍頂子火山附近。

尾波Q值 Sato模型 龍崗火山

0 引言

龍崗火山群位于吉林省輝南和靖宇境內的龍崗山脈中段，EW向長約70km，SN向寬約40km，涉及范圍約2500km2。168座火山呈近EW向的帶狀展布，火山錐數量和密度在國內第四紀火山區居于前列。火山區內斷裂構造發育，主要有NE向、NW向和EW向3組，火山均分布于斷裂帶附近或2組斷裂的交會部位。火山活動始于新近紀，第四紀更新世為鼎盛期，全新世以來仍有較強的噴發活動，最具有代表性的金龍頂子火山是距今1600a左右有過噴發的活火山，也是中國境內為數不多的幾座活火山之一(劉若新，2000;樊祺誠等，2002)。新生代以來，由于西太平洋板塊通過日本海俯沖帶對東北大陸造成擠壓作用，區域斷裂構造發生繼承性活動，龍崗火山區及周圍小震活動較為頻繁，特別是靖宇、撫松一帶小震活動呈密集分布，表明龍崗火山活動較為明顯。

地震波傳播因子Q值是度量地震波衰減的地球介質的基本參數，可用于分析震源和地球內部結構的分布特征(周連慶等，2008)。Q值的大小及其對頻率的依賴程度反映了介質的非均勻性和非彈性特征。應力變化造成的巖石性質的變化，如裂隙狀態、流體遷移、熱物質上涌等，都可造成品質因子Q值的變化。由于地震波在介質中的衰減與Q值直接相關，通過天然地震研究地球介質的Q值，可進一步了解地球內部介質的特性，推斷其熱力學狀態，了解地球內部的結構組成及其變化。尾波Q值被用于探測在地殼和上地幔中是否存在類似部分熔融的異常帶，是研究火山構成和火山活動的重要工具。在近震的地震波形記錄中，P，S波后出現的尾波可用地球介質中隨機分布的各種非均勻體對原生波的散射來解釋。Aki(1969)根據散射模型解釋了尾波的形成，即由于地球介質具有很不相同的不均勻體，彈性波在傳播過程中遇到這些不均勻體時就會產生散射，臺站就會記錄到這些延遲了的散射波，形成尾波。使用1個臺站記錄到的不同地震求出的Q值，反映的是以臺站與震源為2個焦點的橢球范圍內的品質因子特性，使用某一區域內的所有臺站資料計算出的Q值就是該區域的Q值。

地震記錄受記錄系統、震源和臺站間的介質傳遞系統及臺站場地響應等因素的影響，要使用一種確定性的方法研究與傳播路徑有關的參數(Q值)幾乎是不可能的。Aki提出了利用地震尾波的統計性方法求解Q值的模型，后來又得到了不斷的修正，因其簡單、易于數據運算而被廣泛應用于區域Q值研究中。利用尾波衰減特征研究火山地震前兆，認識火山地震的成因、孕育過程及介質性質等非均勻前兆變化有重要的實際意義。盡管對龍崗火山的研究文獻很多，但至今還未發現有關龍崗火山介質方面的研究文獻。本文則利用龍崗火山地震臺網的數字地震記錄資料，依據Sato(1977)單次散射模型，研究和討論龍崗火山區的尾波Q值衰減特征，以探尋該區地震活動與地球內部介質性質的關系。

1 研究資料

采用“十五”期間建成的龍崗火山數字測震臺網記錄的地震觀測資料，研究了龍崗火山區的尾波Q值。龍崗火山數字測震臺網由1個臺網中心(撫松臺)和4個無人值守的子臺構成，2007年5月開始試運行，2008年1月正式運行。各臺的地震觀測數據通過SDH專線實時傳輸到火山臺網中心，使用區域臺網JOPENS軟件系統，實現了火山臺網各臺站的波形數據匯集、分析和存儲。5個數字測震臺站均采用EDAS-24IP型地震數據采集器。地震計采用三分量速度型寬頻帶地震儀，撫松臺地震計類型為CMG-3ESPC，4個子臺(靖宇臺、金川臺、柳河臺、白山臺)的為BBVS-60。儀器頻率響應曲線在0.2～20Hz均為平坦，采樣率均為100Hz。龍崗火山數字測震臺網的其它基本情況見表1。

表1 龍崗火山測震臺網的臺站基本情況Table 1 The basic information of stations in Longgang volcano seismic network

本文收集了2007年5月到2010年2月發生在龍崗火山區及鄰近地區內ML≥1.0的火山地震事件86個。按照每個地震至少3個臺站有清晰的記錄、震中距＜75km、地震射線的空間分布掠過龍崗火山區域、信噪比較高、尾波持續時間相對較長、振幅不飽和、干擾小、S波清晰的要求，共篩選出ML≥1.6的符合Sato單次散射模型的火山地震事件41個，用于計算尾波Q值。震級分布范圍為ML1.6～5.0，震源深度5～10km。5個臺站共截取符合要求的波形數據93條用于計算，這些地震記錄均為三分向，地震震中、臺站分布及被采用的地震記錄射線路徑見圖1。

圖1 臺站、地震震中分布及被采用的地震記錄傳播路徑示意圖Fig.1 Ray-path coveragemap.Solid lines indicate source-receiver ray paths，circles represent earthquakes，and triangles symbolize stations.

2 方法原理

測量S波品質因子QS的方法可分為2類：一類根據S波振幅隨距離衰減的性質，常用的有Aki(1980)的尾波歸一法，它要求聯合使用分布在一定距離范圍內和多方位多次的地震，消除震源輻射的方向性;另一類根據尾波振幅隨時間衰減的性質，有適當長度的單臺尾波記錄即可獲得結果，最常用的有單次散射的Aki等(1975)的模型和Sato(1977)的模型。許多觀測結果表明，Sato模型可用于測QS，因為尾波由S波的散射波組成，尾波Qc和S波QS是一致的。

龍崗火山臺網開始運行以來，針對發生在龍崗火山及鄰近地區的地震，臺網記錄到的地震波長度較短，地震震級較小，多數地震為ML1.6～2.7的小震。同時由于臺站密度稀疏，布局不均勻，高質量、覆蓋均勻的地震較少。Sato(1977)模型將S波和尾波聯合使用，適合短尾波記錄(Steck et al.，1989)。因此，本文研究區采用適當長度的單臺尾波記錄的Sato(1977)模型。

依據Sato單次散射模型，在一定的頻率下，尾波振幅與時間的函數關系可表示為

式(1)中AS是S波的最大振幅，AC(t)是流逝時間t附近的尾波平均振幅，K(a)是依賴于時間的傳播因子，AC(t)及K(a)分別由式(2)、(3)給出：

式(2)、(3)中：AT為所取時間窗內地震波的平均振幅;An為P波到達前適當時間段的地震波平均振幅，用以進行地震波的噪聲校正;a=t/tS，tS為S波的到時;t為從地震發震時刻起算的尾波流逝時間。

式(1)中的 C(f)是與頻率f有關的因子，對于特定頻率可視為常數;b=(2πf lg e)/Q，對于不同的頻率點，用最小二乘法擬合F(t)和(t-tS)的線性關系，求出斜率b，即可得到該頻率點的Q值。最后，由各個頻率點的Q值擬合出尾波Q值與頻率的關系。

式(4)中 Q0為f=1.0Hz時的Q值，η為Q值對頻率的依賴系數。

3 數據處理及結果

本研究采用在時間域中求取尾波Q值的方法，分析頻率段為2～18Hz，間隔1Hz，對原始波形進行帶寬［0.7f，1.3f］的六階Butterworth濾波器濾波。對濾波后的數據從S波到時開始取窗長2s、步長0.5s滑動計算求出不同時間點的平均振幅。尾波起算時間為2倍S波走時，背景噪聲取P波初動以前2s的平均信號，當采樣信號的能量密度＜1.5倍的背景噪聲能量密度時，終止采樣。為保證數據可靠，尾波截斷處信噪比＞2。圖2給出了撫松臺記錄的2009年8月9日10時32分ML2.0地震擬合示意圖。

圖2 2009年8月9日ML 2.0地震擬合實例示意圖Fig.2 Simulative examples of the ML 2.0 earthquake of August9，2009.

由于不同的流逝時間反映了不同深度的Q值，計算時同一臺站記錄到的不同地震所取的尾波流逝時間應盡量一致。同時，為保持線性擬合的穩定性，所截取的尾波窗長不能太短。考慮到龍崗火山地震波形記錄的尾波流逝時間較短，短流逝時間的尾波仍以單次散射為主，我們取尾波流逝時間為30s，但各臺略有差別，目的是為了能夠在不同臺站不同震源距的情況下獲得相近的平均采樣深度，反映同一深度的介質品質因子特征，用橢球體公式計算尾波最大采樣深度約為50km。擬合時如果某個臺站某個地震的計算結果相關系數＜0.6，則剔除該條記錄。對挑選出的符合條件的地震，計算17個頻率點數據，對每個頻率點的所有Q值求平均值作為該頻率點該區域的Q值，采用方程式(4)擬合平均Q值與對應頻率的關系。表2為擬合平均Q值得到的5個測震臺站尾波Q值與η的結果。圖3給出了龍崗火山區Q0值的平均結果，擬合得出尾波 Q(f)=(42.65 ± 7.53)f(0.8459±0.1642)。Q0值在 24.24 ～ 54.87 之間變化，平均值為42.57;η值在0.6575～1.0511之間變化，平均值為0.8606，與圖2利用所有數據擬合得到的結果基本一致。擬合結果表明，龍崗火山區Q值與頻率有較強的相關性。

表2 龍崗火山測震臺網臺站的Q值與η值結果Table 2 Q value andηvalue calculated by stations in Longgang volcano seismic network

圖3 龍崗火山區尾波Q值與頻率的關系Fig.3 Relationship between Q value and frequency in Longgang volcano area

圖4為龍崗火山區尾波Q值與頻率之間的關系及與國內外相關研究的對比。與國內外其他研究者獲得的Q值與頻率的依賴程度相比較，龍崗火山區尾波Q值明顯低于美國夏威夷火山(Chouct，1976)、意大利埃奧列群島火山(Del Pczzo et al.，1985)、騰沖火山區(t＜52s; 李白基等，2000)，高于墨西哥加利福尼亞Tres Tirgenes火山區(Victor Wong，2001)，與長白山天池火山區相當。

4 分析與討論

根據單次散射模型，在時間域中研究了龍崗火山區的尾波衰減特征，擬合尾波Q值與頻率的關系式為 Q(f)=(42.65 ±7.53)f(0.8459±0.1642，顯示尾波 Q 值與頻率(2 ～16Hz)之間有較強的相關性。在尾波Q值與頻率的關系中，Q0值反映了震源和地震臺站周圍介質的平均性質。Q0值的大小與介質的非均勻程度相關聯，介質的非均勻程度高，地震波通過時的能量耗損大，衰減快，Q0值則較低。介質的非均勻程度低，情況則相反。一般來說，構造活動較穩定的地區介質的非均勻程度較低，構造活動強烈的地區介質的非均勻程度相對較高。與之相應前者的Q0值較高，后者的Q0值較低。而η值則相反，介質均勻程度較低的地區，Q值與頻率的依賴關系較強，η值可能較大些;介質均勻程度較高的地區，Q值與頻率的依賴關系較弱，η值可能較小些。本文計算的Q0值較低，且與頻率有較強的相關性，這與大多數構造活躍地區的介質特性一致。

圖4 尾波Q值與頻率的關系及與國內外相關研究成果的比較Fig.4 Comparison among the domestic and foreign research results for coda Q value with frequency.

Sato(1977)研究發現，火山地區和淺部地殼尾波Q值明顯偏低。地震學家在意大利的Aeolian，Phlegraean，Etna 和美國的 Hawaii，Mt St Helens活火山地區，依據Aki等的單次散射尾波模型獲得的尾波衰減在約3～6Hz以上幾乎不再隨頻率變化，這與許多非火山地區的Q值存在明顯的差異，顯示為火山型異常衰減。在火山區低Q值曾被大量觀測到，但Q值與頻率無關的現象并不普遍。尾波Q值與頻率呈弱相關性，Aki認為這一現象可能是由于大量巖漿存在而導致的結果。本研究中測得的Q值和頻率的相關性與長白山天池火山區(高金哲等，2007)的結果比較接近，均未表現出異常衰減的特征。龍崗火山區尾波Q0=42.65;長白山天池火山區QC=(47±2)f(0.74±0.01)，Q0=47，顯然龍崗火山區的 Q0值與活動性較強的長白山天池火山區的Q0值相當，說明龍崗火山區的介質特性與長白山天池火山區相似。龍崗火山與天池火山都屬于廣義上的長白山火山，其火山巖分布具有空間相鄰、火山活動時代相似的特點，火山巖均由鉀質粗面玄武巖組成，但經歷了不同的演化過程(樊祺誠，2008)。天池火山一方面來自地幔鉀質粗面玄武巖漿直接噴出地表，另一方面鉀質粗面玄武巖漿持續補給地殼巖漿房，發生巖漿分離結晶作用和混合作用導致噴發;而龍崗火山來自地幔的鉀質粗面玄武巖未經演化和混染直接噴出地表，形成了單一的鉀質粗面玄武巖區。因此，結合本文的計算結果，基本排除了龍崗火山區地殼內存在大量巖漿的可能性。

此外，龍崗火山測震臺網各子臺尾波Q值的計算結果顯示，靠近最年輕的金龍頂子火山的金川臺，其尾波Q0值為31.98，明顯低于其它4個臺站 (圖5)。這種現象在許多火山地區被觀測到，如VicterWang(2001)用墨西哥加利福尼亞Tres Tiegenes火山區近震記錄得到的Q0值為50;而同樣地區，火山口附近臺站得到的Q0值為4.3。長白山尾波Q值的研究顯示(Wu et al.，2006)，火山口附近的尾波Q值比外圍地區明顯減小。一般認為，高溫或巖漿囊存在的區域Q值較低。垂直形變資料的反演結果表明(胡亞軒等，2009)，龍崗火山區巖漿的位置在42.1°N，126.5°E附近(即金龍頂子火山附近)，相對于長白山天池火山，壓力源等效半徑變化較大，達到183m，源的深度為30km，相對較深。

圖5 龍崗火山區尾波Q值和η值的空間分布Fig.5 Distribution of coda Q value and η value in Longgang volcano area.

本文所用尾波流逝時間為30s，取平均震源距(震源到臺站的距離)40km，以S波速度3.6km/s(段永紅等，2003)計算，Q值反映的最大采樣體深度達50km左右。而龍崗火山地殼厚度為30km(張先康等，2002)，Q值反映的是龍崗火山區地殼和上地幔的平均介質特性。

5 結語

龍崗火山區的尾波Q值與頻率(2～18Hz)之間有較強的相關性，即Q(f)=(42.65±7.53)·f(0.8459±0.1642)，與高金哲等(2007)用Aki單次散射模型得出的長白山天池火山區QC=(47±2)·f(0.74±0.01)比較接近，都具備以低Q值高η值為特征的構造活躍地區的尾波性質。事實上，龍崗火山與長白山天池火山地域相鄰，都屬于廣義上的長白山火山，有著類似的地震活動等級和類似的介質，反映出相近的Q值是合理的結果。

在龍崗火山區尾波Q值的空間分布中，靠近金龍頂子火山的金川臺明顯低于其它4個臺站，暗示金龍頂子火山附近的地下介質似乎有較高的非均勻性，這與深地震探測的相關研究成果(張先康等，2002)及垂直形變資料的反演結果(胡亞軒等，2009)相符，它佐證了龍崗火山區可能的巖漿位置在金龍頂子火山附近。

由于尾波Q值產生的機制比較復雜，與反映的采樣范圍、各次散射的成分及區域構造有關，且有些機制尚存爭議，所以本文得到的結果及相應的解釋是初步的，有待于進一步的探討。

本文數據計算使用了朱新運、劉杰研制的尾波分析計算軟件，在此表示感謝。

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PRIMARY STUDY ON CODA Q VALUE IN LONGGANG VOLCANO AREA

LIANG Guo-jing1)LIZhong-wei1)ZHENG Shuang-feng1)LIU Jun-qing2)LIU Da-feng1)QIWei1)
1)Volcanic Observatory of Longgang，Jilin，Fusong 134528，China
2)Earthquake Administration of Jilin Province，Changchun 130022，China

According to Sato(1977)single scatteringmodel and using 41 earthquakeswith ML≥1.6 in the Longgang volcano and the nearby regions recorded by Longgang volcano digital seismic network from 2007 to February 2010，the coda Q value in the Longgang volcanic region was determined.All of events used in this paper occurred at depths from 6 to 10km，with the epicentral distances less than 75km.The results show that the coda Q has a dependencewith frequency as Q(f)=(41.65 ±11.74)f(0.8459±0.1642)，which is characteristic of coda in active volcanic regions as low Q value and high η value.Compared to other volcanic areas in the world，the average Qcof the Longgang volcanic area is obviously lower.Distribution of coda Q value on Longgang volcano shows that coda Q0value at Jinchuan seismic station near Jinlongdingzi volcano is 31.98，significantly lower than other stations’，which，in combination with the deep seismic sounding data and vertical deformation data，proves that themagma chambers probably locate in the vicinity of Jinlongdingzi volcano.For the lower coda Q0value，we interpret the strong attenuation of coda waves near the Longgang volcano is possibly related to high temperaturemedium caused bymagma chambers.

coda Q value，Satomodel，Longgang volcano

P315.3+1

A

0253-4967(2011)01-0114-09

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.011

2010-04-09收稿，2011-01-27改回。

梁國經，男，1960年生，1990年畢業于吉林工業大學，現主要從事火山監測與研究工作，電話：0439-6570555，E-mail：fslgj 0511@163.com。