2013年蘆山M_S7.0地震余震序列震源機制一致性的時空變化

段云歌 陳天長 蘇金蓉 雷建設 唐琳 吳朋

摘要：利用體波譜振幅相關系數分析方法，對2013年4月20日至6月30日蘆山MS7.0地震余震序列中四川地震臺網固定臺站記錄的ML2.0～4.0地震的震源機制一致性進行了研究。將主要研究區分為5個子區，分區計算震群的平均相關系數。結果顯示，同一時段內，震后2區平均相關系數最高，達0.809，隨著與該區距離的增大而逐漸減小。4區2013年6月平均相關系數最低，僅為0.524；整個研究區的總平均相關系數由0.785變至0.575。主震發生后，隨著時間的推移，各子區內地震的平均相關系數均逐漸減?。浑S著區域應力場能量的釋放，震群的震源機制一致性逐漸變差。

關鍵詞：蘆山MS7.0地震；余震序列；譜振幅相關系數；震源機制一致性

中圖分類號：P315.7 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）02-0251-07

0 引言

震源機制解描述了震源的幾何特性，反映了地震破裂的運動學特征，是研究區域構造應力的基礎。地震學的發展和數字記錄的應用使震源機制的研究進入了新的階段，目前有多種測定震源機制解的方法，如P波初動法、地震矩張量反演等。其中大多數方法對地震觀測臺站的記錄數有較高的要求，目前由于受臺網布局和觀測點密度的制約，大量中小地震、尤其是小地震的臺站記錄數往往很有限，很難用P波初動等方法求出可靠的震源機制解，因此，直接求解小震震群中單個地震的震源機制解存在較大的困難。

對較大地震的前震與余震的波形進行研究，得到地震前后震源機制的變化過程，歷來是地震預測研究關注的問題（劉澤民等，2010；付虹等，2011；澤仁志瑪等，2009）。籌В？978）根據海城前震序列的研究，提出用震源機制的一致性作為判別前震的新參數；崔子健等（2012）認為譜振幅相關分析法可能是判定小震群類型的物理意義較為明確的方法，且具有實用價值；程萬正等（2006）對川滇地區4個次級地塊上的925次地震進行震源機制解一致性分析，通過對次級地塊大量區域小震震源機制解的測定，給出了應力場變化信息。前震序列、余震序列‘震源機制的變化過程存在規律性，具有重要的地震前兆意義（國家地震局監測預防司，1997）。因此，對中小地震震源機制解進行綜合分析，就有可能捕捉到與強震發生有關的應力場變化信息。朱航等（2006）曾提出了一種方法，即采用體彼譜振幅相關系數來研究地震序列中震源機制是否相似，該方法給出的不是單個地震的震源機制解，而是地震序列震源機制一致性的變化特征。

2013年4月20日8時2分，四川蘆山發生MS7.0強震，根據中國地震臺網中心測定，震中位置為（30.3°N，103.0°E），震源深度17km。主震后隨著余震的發生，地殼內部能量得以釋放，區域應力場也隨之發生一些變化，本文利用體波譜振幅相關方法分析蘆山MS7.0地震余震相關系數的變化規律，從震源機制一致性的變化中探討蘆山地區的區域應力變化情況。

1 基本原理及計算方法

在地震學中，臺站j記錄第i個地震波位移的譜振幅可表示為：

Ouj（f）=Mi（f）·Rij（θ，φ）·Pij（r）·Fij（f，r）·Gj（f）·Ij（f）（1）式中：f表示頻率；r表示地震與臺站之間的距離；Mi（f）是震源譜；Rij（θ，φ）為輻射圖型因子；θ、φ表示地震到臺站的方位角和離源角；Pij（r）是幾何擴展系數，僅與距離相關；Fij（f，r）是地震波的衰減項；Ij（f）是儀器響應，Gj（f）是場地響應。其中，Mi（f）的表達式為：式中：M0為地震矩，fc為拐角頻率。

如果2次地震（a，b）震源位置相同，或者2次地震震源之間的距離遠小于地震到臺站之間的距離，那么這2個地震到同一個臺站的幾何擴散、非彈性衰減、儀器響應和場地響應是一樣的。對于同一頻率，在同一個臺站上2次地震事件的觀測譜值之比可表示為：當f≤fc時，式（3）可表達為：式中：Oaj（f0）和Obj（f0）表示2個臺站觀測譜的零頻譜值；

由式（4）可知，對于發生在同一震源區的2個地震，在同一個臺站的零頻觀測譜值之比與其輻射圖型因子之比線性相關，而輻射圖型因子取決于震源機制解的幾何特性（走向、傾角和滑動角）?？梢酝浦瑢ν徽鹪磪^的不同地震在不同臺站得到的零頻觀測譜值進行比較，應該可以得到不同地震之間的震源機制差異。

Lund和Boovarson（2002）提出一種計算體波譜振幅相關性的方法，即對同一震源區2次事件在相同臺站的波形記錄，使用直達P、S波的零頻譜振幅值計算相關系數。

對于3分向地震波形記錄，經過旋轉每個臺站可以得到5個零頻譜值：垂向和徑向P波（PZ和PR），垂向、徑向和切向S波（SZ、SR和ST），稱這5個譜值為譜值分量。根據臺站和震中位置，計算臺站在震源球上的方位角。然后根據地震與臺站間的方位角，對臺站記錄的2個水平分量進行旋轉，得到徑向和切向分量：

R（t）=N（t）cos（Az）+EN、sin（Az） （5）

T（t）=-N（t）sin（Az）+E（t）cos（Az）式中：R（t）和T（t）表示徑向和切向分量；N（t）和E（t）表示南北和東西分量記錄；Az表示方位角。

2 資料選取及初步分析

2013年4月20日蘆山MS7.0地震后，發生了大量余震，截至2013年6月30日，四川地震臺網共記錄到余震近萬次。本文選取2013年4月20日至6月30日震中空間分布相對集中的1129次ML2.0～4.0地震序列做為研究對象。

由于研究區（30.1°～30.4°N，102.8°～103.1°E）范圍較大，故將主要研究區劃分為5個子區分別進行計算（圖1），分別是1區（30.1°～30.2°N，102.8°～102.9°E）、2區（30.2°～30.3°N，102.8°～102.9°E）、3區（30.2°～30.3°N，102.9°～103.0°E）、4區（30.3°～30.4°N，102.9°～103.0°E）、5區（30.3°～30.4°N，103.0°～103.1°E）。這樣，每個子區控制在經緯度0.1°左右的范圍內（約11km×11km），分區后，每個子區內小震群相對于所選臺站來看，可理想地看作是一個點。蘆山地震主震震中位于3區內。

對所選余震的波形記錄、震相拾取進行核對，分析過程中刪去了不滿足計算條件的地震記錄，主要包括：①震相記錄不清晰以及單臺事件；②主震過后背景噪聲的影響過大，導致臺站波形記錄不滿足計算所需信噪比條件的地震事件。精選后，樣本數量有一定變化（表1），其中2013年6月1區、2區、5區的樣本數為0或1，樣本數量太少，無法計算。

為滿足本研究方法的基本原理并保證計算的合理性，選取震中周圍不同方位上使用寬頻帶地震計的固定臺站；臺站與震群距離在70～150km，既保證臺站與震群之間的距離遠大于震群中地震之間的距離，又保證初至波為直達波。同時，由于所選地震震級較小，又要有盡量多的臺站有清晰的記錄，最終選取GZA（姑咱臺）、EMS（峨眉山臺）、YGD（仁壽臺）、XJI（小金臺）、YZD（油榨坪臺）、JYA（井研臺）、SMI（石棉臺）、WCH（汶川臺）、WME（沐川臺）、JJS（中江臺）10個臺站（圖1），且這10個臺站均有清晰的記錄。

將研究時段劃分為2013年4月20-30日（第一時段）、5月1-31日（第二時段）、6月1-30日（第三時段）3個時段，分別求取每個時段內小震群的平均相關系數。

3 計算及結果

基于校核震相后的Pg，Sg到時，選取不同分量Pg和Sg波計算觀測波形的傅里葉譜，并從速度譜轉為位移譜。對每個臺站記錄數據的5個分量分別做頻譜圖，如圖2為小金臺（XJI）記錄的2013年4月20日13時17分地震事件的Pg波和Sg波5個分量的頻譜圖，頻譜顯示圖為“兩段式”，且有明顯的“拐點”。用MatLab中的退火算法，計算出波譜曲線的最佳擬合，求得每次地震每個臺站的零頻譜振幅值。

用計算所得零頻譜振幅值，根據式（6）計算其線性相關系數，可以得到2次事件的相似性：式中：xij為一次事件在i臺站的j譜值分量的對數；yij為另一次事件的譜值分量的對數；x、y分別是xij、yij的平均值。這里定義rxy為波形相關系數。如果該值接近1.0，那么各臺記錄到的2次事件波形應該相似，震源機制解的幾何特征相同；若該值較低，則說明震源機制解的幾何特征具有不同程度的差異（崔子健等，2012）。反映在波形上就表現為，相關系數較高的2次事件，其波形互相關性也較好，反之則較差，如圖3所示。圖3a中2次地震事件的平均相關系數為0.34，遠低于圖3b中的0.95，從波形上看，圖3b的波形互相關要優于圖3a。

計算得到單位時段內余震的平均相關系數（表2），計算結果顯示，2區震后第一時段的平均相關系數最高，達0.809，4區第三時段的平均相關系數最低，僅0.524；從第一時段到第三時段整個研究區的總平均相關系數由0.785變至0.575。其變化趨勢如圖4、5所示。圖4顯示在同一時間段內，2區的平均相關系數最高，向外圍逐漸降低。蘆山地震主震震中位于3區，并非平均相關系數下降最快的區域。圖5顯示在主震之后，隨著時間的推移，每個子區的平均相關系數均逐漸減小。

4 討論

平均相關系數的變化規律反映到震源機制一致性上來，則是在主震剛發生后，震源機制的一致性相對較好，這可能是區域應力的聚集作用。而主震后隨著能量的逐漸釋放，區域應力得以恢復，此時余震的震源機制一致性逐漸變差。

研究結果表明，蘆山主震過后應力釋放使得應力場對于破裂方向的約束逐漸減弱，以致序列的震源機制一致性變差，相關系數降低。震源機制和應力場的一致，顯示了構造應力場控制作用較強，反之，則表明構造應力場控制作用減弱，地震將以離散發生的中小地震為主（趙英萍等，2004）。

陳颙（1978）指出，某一巖層或某一構造受到應力作用，產生前震時，構造基本結構沒有變化；而主震后，基本結構發生了變化，因此余震機制就顯得紊亂。本文認為某一效應在主震前后所發生的變化，可視作基本結構變化的一種量度，根據這個道理，就可判斷主震是否已經過去。地震之后大部分區域的應力得到釋放（董培育等，2013），因此主震和較大地震發生后小震機制有一定的發散（朱航等，2006；崔子健等，2012；澤仁志瑪等，2010）。此外，孕震應力場的應力強度對孕震區內地震的破裂方向有明顯的約束作用，對單純的小震序列而言，孕震應力場的應力強度較低，故震源機制比較紊亂（朱航，何暢，2014）。

小地震是地下介質中瞬間發生的微小破裂，震源機制解表示了微破裂的空間幾何參數和破裂錯動的方向。小范圍一群微破裂幾何參數的一致意味著微裂隙的定向排列。震源機制一致性的變化趨勢，可反映區域應力的變化，結合其他研究結果，可以為地震分析預報工作提供參考。5結論

本文通過體波譜振幅方法對蘆山地震余震序列進行計算和分析后，并從震源機制一致性的變化中探討蘆山地區的區域應力變化情況，得出以下結論：體波譜振幅相關系數分析方法不需要計算每一次地震事件的震源參數，只需震群相對集中且有一定數量的臺站較好包圍在震群周圍，適于分析一個震群震源機制一致性的變化情況。

平均相關系數的變化可以反應震源機制一致性的變化，前者越高則震源機制一致性越好，反之則越差。大震過后余震序列的平均相關系數存在較明顯的變化趨勢，2區震后第一時段的平均相關系數最高，達0.809，4區第三時段的平均相關系數最低，僅0.524；從第一時段到第三時段整個研究區的總平均相關系數由0.785變至0.575。主震發生后隨著時間的推移，各子區內地震的平均相關系數均逐漸減??；同一時段內，2區內平均相關系數最高，隨著與該區距離的增大而逐漸減小。

總體來說，大震過后較短時間內發生的余震序列，其平均相關系數較高。隨著時間的推移，平均相關系數逐漸降低，反映出隨著能量的釋放，震源機制一致性逐漸變差。

參考文獻：

陳颙.1978.用震源機制一致性作為描述地震活動性的新參數[J].地球物理學報，21（2）：142-159.

程萬正，阮祥，張永久，2006.川滇次級地塊震源機制解類型與-致性參數[J].地震學報，28（6）：561-573.

崔子健，李志雄，陳章立，等.2012.判別小震群序列類型的新方法研究—譜振幅相關分析法[J].地球物理學報，55（5）：1718-1724.

董培育，程惠紅，曾祥方，等.2013.四川蘆山MS7.0級地震導致周邊斷層的應力變化[J].科技導報，31（12）：19-22.

付虹，王紹晉，李麗，等.2011.滇中地區震源機制一致性參數時空分布與強震活動[J].地震研究，34（2）：113-118

國家地震局監測預防司.1997.測震學分析預報方法[M].北京：地震出版社，131-136.

劉澤民，劉東旺，夏仕安，等.2010.體波譜振幅相關系數法在肥東地震序列震后判定中的應用[J].地震地磁觀測與研究，31（5）：13-16.

澤仁志瑪，刁桂苓，李志雄，等.2009.千島島弧2006年MW8.3地震前震源機制解的一致性變化[J].地震學報，31（4）：167-170

澤仁志瑪，刁桂苓，李志雄，等.2010.大震前顯示的地震震源機制趨于一致的變化[J]，地震，30（1）：108-114

趙英萍，刁桂苓，高景春，等，2004.張北強余震前震源機制解的一致性特征[J].華北地震科學，22（1）：1-4.

朱航，何暢.2014.注水誘發地震序列的震源機制變化特征：以四川長寧序列為例[J].地球科學：中國地質大學學報，39（12）：1776-1782.

朱航，劉杰，陳夫長.2006.采用體波譜振幅相關系數方法研究地震序列的震源機制變化過程[J].地震，26（2）：1-11.

Lund B，Boovarson B.2002.Correlation of Microearthquake Body-WaveSpectral Amplitudes[J].Bull Seism Soc Amer，92（6）：2419-2433.