湖北地區地震震源參數研究

申學林 魏貴春 丁文秀 戴苗

1）中國地震局地震研究所中國地震局地震大地測量重點實驗室，武漢市武昌區洪山側路40號 430071

2）湖北省地震局，武漢市武昌區洪山側路40號 430071

0 引言

20世紀 80年代以來，我國建成了一批高精度、寬頻帶的數字地震臺網，陳運泰等（1999）認為，通過“現代地震參數”的測定可以發揮數字地震臺網在防震減災方面的效益。新地震參數目錄相比傳統地震目錄（含地震發震時刻、震級、震中位置和震源深度等信息）主要增加了中小地震的震源矩、應力降、震源特征尺度等參數。震源參數的測定與應用對于認識地震孕震過程、促進地震預測研究的深入、提高預測水平均有一定的作用。

具有頻帶寬、動態范圍大、分辨率高以及便于使用計算機處理等優點的數字地震記錄為計算中小地震的震源參數提供了有利條件。地震波主要包含來自震源、傳播路徑介質、臺站場地以及記錄儀器的信息。為獲得來自震源的信息，須去除地震記錄中除震源外的其他效應。通過儀器的傳遞函數可扣除地震波形中記錄儀器的效應；通過地震波隨距離增加的幾何衰減和以介質品質因子Q值來度量的介質非彈性衰減（Atkinson et al，1992）可扣除傳播路徑效應；通過臺站場地響應（Moya，2000）可扣除臺站場地效應，從而獲得震源參數（劉杰等，2003；華衛等，2010；趙翠萍等，2011；高景春，2011）。

湖北數字地震臺網經過國家“九五”“十五”重大項目——中國數字地震觀測網絡項目、中國地震背景場探測項目改造完成后，臺站基本均勻分布于湖北全境，至今己積累大量的數字化資料。本文選取湖北地震臺網2009～2015年記錄的高質量數字資料，研究湖北地區的介質品質因子和場地響應，并計算地震的震源參數。

表1 本文研究所使用臺站的儀器型號和臺基巖性

1 地震數據

表1為湖北數字測震臺網29個臺站的信息。通過地震目錄初步選出該地區90個 ML≥2.5地震，再通過波形信噪比分析，選取其中61個地震的703條記錄用于計算。這些地震的震級為ML2.5～5.4，震中距為 16～498km（圖1）。

2 震源參數計算

2.1 品質因子Q值

本文采用多臺多震源聯合反演方法（Atkinson et al，1992）計算 S波 Q值，所截取的S波窗長定義為從S波開始到包含90%的S波總能量的時間段。高景春等（2011）測定河北省測震臺網中小地震矩震級時認為，S波窗長和Sg-Pg到時差之間具有線性關系。本文采用湖北數字地震臺網320個地震的震相到時擬合出湖北地區S波窗長與Sg-Pg到時差之間的線性關系為（圖2）

式中，TSw為S波窗長；TSg為 Sg到時；TPg為Pg到時。

該方法通過迭代反演獲得結果，其實質是使同一地震震源譜振幅的標準殘差最小。本文獲得的湖北地區Q值與頻率 f的關系為 Q（f）＝501.8f0.309（圖3）。由圖3可見，湖北地區具有較大的Q0值和較小的η值，表明該地區整體介質的均勻程度較高。與國內其他區域相比，湖北地區的Q值與頻率間的關系同廣東（黃玉龍等，2003）、山西（梁向軍等，2012）、甘肅（郭曉等，2008）等地區的結果相近。但湖北局部地區有較小的Q0值和較大的η值，如三峽水庫地區（華衛等，2010）及丹江口水庫地區（魏貴春等，2017）Q值與頻率 f間的關系分別為 Q（f）＝112f0.918、Q（f）＝146f0.77。

圖1 計算Q值和場地響應所選用地震的震中和射線分布

圖2 S波窗長與Sg-Pg到時差之間的關系

2.2 臺站場地響應

Moya（2000）方法的實質是使不同地震獲得最小的臺站場地響應標準殘差。本文在計算獲得湖北地區Q值的基礎上，得到29個臺站的場地響應（圖4）。由圖4可見，場地響應在1～20Hz頻率段變化范圍為0.2～10.0，大部分臺站場地響應在1附近波動，這與其基巖巖性相符。此外，恩施臺、利川臺、竹山臺場地響應在頻率為5Hz后隨地震波頻率的增加而減小；潛江臺、松滋臺的場地響應放大因子在4附近，這2個臺站均為井下擺。由于臺站場地響應隨頻率而變化，因此我們在計算地震震源譜時不得不考慮臺站場地對地震波的影響。

圖3 湖北地區Q值與頻率間的關系

圖4 湖北數字地震臺網臺站場地響應

2.3 震源參數

在扣除儀器響應、介質品質因子、場地響應后，計算時擬合理論震源譜計算震源參數為

式中，ρ為密度；Rθφ為S波的輻射花樣系數，其值為為S波速度；Ω0為震源位移譜的低頻水平。

式中，fc為拐角頻率。由式（2）～（5）計算2009～2015年ML≥2.5的162次地震震源參數，結果如圖5所示。由圖5（a）可見，地震矩與拐角頻率間呈反相關，這與震源標定律是一致的（Aki et al，1980）；由圖5（b）可見，湖北地區的地震近震震級與地震矩間的關系為 lg M0＝10.06＋1.093ML；由圖5（c）可見，地震的應力降范圍為 0.01～15.00MPa，其與地震矩之間沒有顯著的線性關系；由圖5（d）可見，地震震源半徑為100～500m，震源半徑與應力降間存在顯著的雙對數關系，即

圖5 地震矩、拐角頻率、應力降、震源半徑、震級之間的關系

3 結論與討論

本文采用湖北數字地震臺網資料獲得了湖北地區介質品質因子和臺站場地響應。在此基礎上，選用Brune（1970）的ω2震源模型，計算了2009～2015年湖北地區162個ML≥2.5地震的震源半徑、應力降及地震矩，得到以下初步結論：

（1）湖北地區品質因子Q與頻率f間的關系為：Q＝501.8f0.309，具有較大的 Q0值和較小的η值。

（2）湖北數字地震臺網大部分臺站獲得了與其基巖巖性相符的場地響應，即在1附近波動。各臺站場地響應隨頻率而變化，因此計算地震震源譜時應考慮臺站場地對地震波的影響。獲得的臺站場地響應對于分析湖北地區臺站資料及今后臺站建設具有一定的實際意義。

（3）湖北地區地震震級與地震矩對數間呈線性關系，即lg M0＝10.06＋1.093ML；震源半徑與應力降間呈雙對數線性關系，即lgΔσ＝10.52-2.01 lg r。地震矩與拐角頻率間整體上呈反相關。地震矩與應力降間關系不顯著，其主要原因為應力降與拐角頻率的立方成正比而且具有較大的誤差；其次，水庫誘發地震與構造地震的應力降存在差異，經統計，本文構造地震的平均應力降為水庫誘發地震平均應力降的2倍。

致謝：本文計算程序由河北省地震局高景春研究員，中國地震局地震預測研究所趙翠萍研究員、華衛研究員等提供，并得到他們諸多指導和幫助，在此深表謝意。