內(nèi)蒙古東部地區(qū)中小地震震源參數(shù)的反演

朱天元，劉 芳，趙艷紅，朱智勇

(內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局滿洲里地震臺(tái)，內(nèi)蒙古 滿洲里市 021400)

0 引言

地震臺(tái)記錄的地震波形是由許多不同類型信息疊加的綜合信息(稱為地震觀測譜)，包含有地震源信息、傳播路徑信息和站點(diǎn)響應(yīng)信息等。許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。王勤彩等[1]利用聯(lián)合反演方法產(chǎn)出了27個(gè)地震中25個(gè)臺(tái)站記錄的場地響應(yīng);李祖寧等[2]利用數(shù)字地震網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聯(lián)合反映福建地區(qū)的Q值、當(dāng)?shù)嘏_(tái)站的現(xiàn)場響應(yīng)及所選取震例的震源參數(shù)。2007年，中國地震局監(jiān)測預(yù)報(bào)司開始啟動(dòng)新參數(shù)地震目錄試編工作。《新一代地震參數(shù)目錄》增加矩震級(jí)、地震矩、地震應(yīng)力降、震源尺度4個(gè)震源參數(shù)。震源參數(shù)的計(jì)算在原理上不復(fù)雜，研究也相對成熟，但想要精確計(jì)算得到這些參數(shù)，目前還存在一定的難度，特別是路徑效應(yīng)和場地效應(yīng)對地震信號(hào)的影響。現(xiàn)階段，主要使用三段幾何衰減模型來確定在地震傳播過程中的幾何擴(kuò)散系數(shù)，確定不同的震中距中幾何擴(kuò)散系數(shù)的區(qū)別[3-4]。參照上述研究成果和方法，筆者嘗試采用聯(lián)合反演方法對內(nèi)蒙古東部地區(qū)的品質(zhì)因子(即Q值，用Q(f)表示)、臺(tái)站場地響應(yīng)以及2008-2015年震例的震源參數(shù)進(jìn)行確定，彌補(bǔ)震源參數(shù)研究在內(nèi)蒙古東部地區(qū)的空白。

1 東部地區(qū)構(gòu)造背景

內(nèi)蒙古自治區(qū)幅員寬廣，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，東西方差異較大[5]。內(nèi)蒙古東部地區(qū)位于東北板塊，包括天山-興安嶺斷裂褶皺系、北興安嶺斷裂褶皺帶和南興安嶺斷裂褶皺帶及其二級(jí)大地構(gòu)造單元。1980年2月10日、1981年4月26日，博客圖地區(qū)曾經(jīng)發(fā)生2次5.6級(jí)地震；2003年8月16日，巴林左旗發(fā)生5.9級(jí)地震；2004年3月24日東烏珠穆沁旗5.9級(jí)地震；2005年7月25日林甸地區(qū)發(fā)生5.1級(jí)地震；2005年9月19日陳巴爾虎旗-牙克石之間發(fā)生5.0級(jí)地震、2006年3月31日日乾郭發(fā)生5.0級(jí)地震。一系列中等強(qiáng)度的地震表明內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū)進(jìn)入了一個(gè)新的活躍期[6]。

對于東部地區(qū)，東北部構(gòu)造帶較少，主要構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分布于海拉爾斷裂以及呼倫湖斷裂附近，東南部構(gòu)造相對復(fù)雜，特別是西拉木倫斷裂以及東部地區(qū)的幾個(gè)斷裂帶，造成南北部地區(qū)構(gòu)造差異。

該研究將內(nèi)蒙古東部地區(qū)劃分為東北(46°～54°N，116°～126°E)、東南(42°～46°N，116°～126°E)兩部分，分別計(jì)算兩部分各站點(diǎn)的場地響應(yīng)以反映源參數(shù)的特點(diǎn)。

2 觀測資料的收集和處理

2.1 資料選取

運(yùn)用前人的Atkinson理論和Moya方法，基于遺傳算法，采用聯(lián)合反演的方法[5]，選取內(nèi)蒙古地震臺(tái)網(wǎng)記錄的2008-2016年30個(gè)東部地區(qū)ML≥2.8地震波形資料，利用ISDP軟件計(jì)算得出該地區(qū)的品質(zhì)因子和東部地區(qū)21個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)，同時(shí)ISDP和中國地震局預(yù)測研究所華衛(wèi)編寫的程序“source”聯(lián)合反演出該地區(qū)的震源參數(shù)。

選取內(nèi)蒙古地震監(jiān)測網(wǎng)記錄的東部地區(qū)(42°～54°N，116°～126°E)地震數(shù)據(jù)、記錄清晰的地震波形數(shù)據(jù)根據(jù)地震目錄按照軟件要求格式(evt格式)截取地震事件波形，進(jìn)行震相分析和定位，獲取相應(yīng)的波形文件和震相文件。選擇的每個(gè)地震要至少被3個(gè)臺(tái)站記錄到(要求臺(tái)站均勻分布在地震周圍，最大張角<180°，信噪比>1.5)，且每個(gè)臺(tái)站記錄到至少3次地震。

在研究初期，曾選用ML<2.8的地震事件來進(jìn)行計(jì)算，由于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū)地域廣，臺(tái)站分布稀疏，監(jiān)測能力不足，所記錄到的地震信噪比過低，無法使用程序計(jì)算得出震源參數(shù)。因此，最終選取記錄較為清晰的ML≥2.8的地震事件參與反演，其中東北部地區(qū)18個(gè)、東南部地區(qū)12個(gè)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

第一步，通過選定地震事件的P波和S波到時(shí)，計(jì)算震中距；第二步，選取信噪比大于1.5的信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，目的是對噪聲過大的信號(hào)進(jìn)行濾波，降噪后，得到經(jīng)過噪聲矯正的速度振幅譜；第三步，對S波的兩個(gè)水平分量除以2πf(儀器校正)，獲得儀器校正和噪聲校正之后的位移譜；最后在頻域中合成位移振幅譜。

3 方法與原理

震源參數(shù)，即震源力學(xué)參數(shù)，是用于描述震源力學(xué)特性的最基本參數(shù)。地震儀記錄的地震波是一個(gè)綜合信息，是震源效應(yīng)，地震波傳播路徑效應(yīng)(介質(zhì)幾何擴(kuò)散和介質(zhì)非彈性衰減)、臺(tái)站響應(yīng)、儀器響應(yīng)和噪聲的綜合表現(xiàn)。要獲得地震的震源信息，需要先獲得各種影響參數(shù)，如地震的路徑效應(yīng)、場地響應(yīng)和儀器響應(yīng)等，扣除這些影響參數(shù)，才能得到地震本身的震源信息，即求得震源譜[5]。

不同震中距的地震波有著不同的傳播特性。根據(jù)內(nèi)蒙古東部的具體情況，參照Atkinson和Mereu(1992)，提出以下三級(jí)幾何衰減模型。采用Brune的ω2震源模型作為理論震源譜。震源譜可以表示為：

式中：Ω0為零頻幅值；fc為拐角頻率。

Uij(f)=[Si(f)·Rθφ·Pij(f)·

Gj(f)+Nj(f)]·Surf·Ij(f)，

式中：Uij(f)為第j個(gè)臺(tái)站記錄到的第i個(gè)地震的位移譜；Si(f)表示第i個(gè)地震的震源譜；Rθφ表示輻射圖形因子；Pij(f)表示第i個(gè)地震傳播到第j個(gè)臺(tái)站的路徑效應(yīng)，分為幾何擴(kuò)散和非彈性衰減；Gj(f)表示第j個(gè)臺(tái)站的場地效應(yīng)；Nj(f)表示第j個(gè)臺(tái)站的噪聲；Surf表示自由表面效應(yīng)，對于SH波嚴(yán)格為2；Ij(f)表示第j個(gè)臺(tái)站的儀器響應(yīng)。根據(jù)第j個(gè)臺(tái)站記錄的第i個(gè)地震的觀測位移譜，即可反演得到震源譜Si(f)。其中主要是非彈性衰減(品質(zhì)因子Q(f))和場地響應(yīng)的計(jì)算。

品質(zhì)因子Q(f)與非彈性系數(shù)c(f)的關(guān)系由下式得到。

式中：β為S波速度。

非彈性衰減系數(shù)Q(f)通過Atkinson提出的方法[7-8]計(jì)算得到。選取27個(gè)采樣間隔為0.196 Hz、頻率范圍為1 Hz～20 Hz的頻點(diǎn)，首先，按照資料選擇原則選取臺(tái)站和震例，利用所需確定的場地范圍內(nèi)的品質(zhì)因子Q(f)、校正數(shù)據(jù)(非彈性衰減和幾何擴(kuò)散校正)獲得要確定地震的振幅譜；對同一地震的振幅譜求平均得到一個(gè)平均振幅，利用各臺(tái)站與平均振幅之間的差異確定該臺(tái)站的場地響應(yīng)；利用不同臺(tái)站的不同場地響應(yīng)，重新計(jì)算各臺(tái)站經(jīng)過校正后的平均振幅譜；調(diào)整Q值反復(fù)計(jì)算，使各臺(tái)站得到的振幅譜殘差最小[5]。

利用Moya在2000年提出的處理方法計(jì)算得到地震的震源譜參數(shù)和臺(tái)站場地響應(yīng)[9]；利用Brune的ω2模型處理每個(gè)震例，得到震例的震源譜參數(shù)[10]，運(yùn)用譜參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到所提供數(shù)據(jù)臺(tái)站的場地響應(yīng)。

由于臺(tái)站位置固定，認(rèn)為每個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)對于各個(gè)地震事件應(yīng)當(dāng)一致(即臺(tái)站的場地響應(yīng)對于不同地震的影響一致)，要得到標(biāo)準(zhǔn)偏差最小的場地響應(yīng)的不同震源譜參數(shù)。

根據(jù)Brune模型，通過獲得的震源譜參數(shù)，得到地震矩、應(yīng)力降和震源尺度等震源參數(shù)[5，10]。

地震矩：

式中：ρ是密度(取2.7 g/cm3)[10]；β是S波速度；Rθφ是震源的輻射圖形因子。

應(yīng)力降：

采用圓盤型震源模型計(jì)算震源尺度。

震源半徑：

4 結(jié)果分析

4.1 品質(zhì)因子Q值

選取21個(gè)臺(tái)站共同記錄到的地震(第7頁圖1為所選臺(tái)站部分地震的射線圖)，分別計(jì)算東南、東北部地區(qū)的品質(zhì)因子(見圖2)。從圖中看出，Q值與頻率存在很強(qiáng)的線性關(guān)系，選用的頻點(diǎn)數(shù)不相同，得到的Q值也有一定差別。研究得出內(nèi)蒙古東南、東北部地區(qū)Q的擬合關(guān)系分別為：

Q(f)se=354.6f0.525 6，

Q(f)ne=420.2f0.382 2。

圖1 內(nèi)蒙古東南部和東北部地區(qū)臺(tái)站及地震分布情況Fig.1 Distribution of stations and earthquakes in southeast and northeast Inner Mongolia

圖2 內(nèi)蒙古東南部和東北部地區(qū)Q值Fig.2 Q value of southeast and northeast Inner Mongolia

4.2 場地響應(yīng)

通過計(jì)算，得到內(nèi)蒙古東部地區(qū)21個(gè)地震臺(tái)站的場地響應(yīng)。圖3為其中6個(gè)清晰的場地響應(yīng)圖譜。可以看出，該研究與之前內(nèi)蒙古中西部地區(qū)所得到的結(jié)論相同，即所有臺(tái)站的場地響應(yīng)都不為理論值1[11]，在不同地區(qū)存在著不同的場地響應(yīng)，與其他學(xué)者所得結(jié)果也相吻合。在選取的21個(gè)臺(tái)站中，林西臺(tái)(LIX)的場地存在極小的響應(yīng)，霍林河臺(tái)(HLH)幾乎所有頻段均存在較大的場地效應(yīng)，其他各臺(tái)均處于較為理想的情況。

通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Q值的選取對于場地響應(yīng)的求取有很大影響，選取不同的地震，得到的Q值不同，給出不同的場地響應(yīng)，可能是由于地震傳播路徑的不同所造成。無論選用哪些地震、多少個(gè)地震，場地響應(yīng)總有差別，但總體趨勢不變。

圖3 研究所得部分臺(tái)站的場地響應(yīng)情況Fig.3 Site response of some stations

4.3 震源參數(shù)

經(jīng)過反演，得出30個(gè)地震的震源參數(shù)如第8頁表1所示。

各震源參數(shù)與震級(jí)的擬合關(guān)系如第8頁圖4、圖5、第9頁圖6至圖7所示。

應(yīng)力降(y)與震級(jí)(x)的擬合公式為：

y=54.707 9x-113.816。

地震矩(y)與震級(jí)(x)的擬合公式為：

y=0.558 86x+12.147 4。

由于地震樣本選于內(nèi)蒙古東部地區(qū)，震級(jí)為3.5～5.0級(jí)，地震少，樣本較零散，所得出的結(jié)果也比較離散。圖中看出，應(yīng)力降與震級(jí)、地震矩與震級(jí)均呈正相關(guān)，即地震的應(yīng)力降和地震矩均隨地震震級(jí)的增加而增大。

拐角頻率(y)與震級(jí)(x)的擬合公式為：

y=-3.137 5x+23.324 1。

零頻振幅(y)與震級(jí)(x)的擬合公式為：

y=75x-208.316 1。

由圖6、圖7可見，拐角頻率與震級(jí)呈負(fù)相關(guān)，零頻振幅與震級(jí)呈正相關(guān)。

Nutti(1983)認(rèn)為應(yīng)力降模型是由板塊之間和板塊內(nèi)地震的應(yīng)力降(Δσ)和地震矩(M0，或震級(jí)M)決定的。板間地震可以是恒定的應(yīng)力降模型(CSD，恒定應(yīng)力降模型)，即無論地震的大小如何，應(yīng)力降都是相同的，并且隨著地震矩的變化不會(huì)發(fā)生任何變化；板內(nèi)地震與增加的應(yīng)力降模型(ISD，即應(yīng)力降隨著地震矩或震級(jí)的增加而增加)一致[5，12]。由圖4看到，應(yīng)力降與震級(jí)成正比關(guān)系，應(yīng)力降隨著震級(jí)的增大而增大，因此，內(nèi)蒙古東部地區(qū)的應(yīng)力降模型是增加應(yīng)力降模型(ISD)。地震孕育過程中有一個(gè)明顯的特征，就是震源區(qū)及其鄰近地區(qū)的應(yīng)力持續(xù)增加。應(yīng)力降(Δσ)是地震期間應(yīng)力的釋放值。通常，震源區(qū)域的應(yīng)力值越大，地震期間發(fā)生的應(yīng)力降越大，震級(jí)也就越大。因此，這種某一地區(qū)的應(yīng)力突然大幅度增強(qiáng)的現(xiàn)象很有可能是地震的一種震兆信息。

表1 反演得出的地震震源參數(shù)Table 1 Seismic source parameters from inversion

圖4 應(yīng)力降與震級(jí)的關(guān)系Fig.4 Relationship between stress drop and magnitude

圖5 地震矩與震級(jí)的關(guān)系Fig.5 Relationship between seismic moment and magnitude

圖6 拐角頻率與震級(jí)的關(guān)系Fig.6 Relationship between corner frequency and magnitude

圖7 零頻振幅與震級(jí)的關(guān)系Fig.7 Relationship between zero frequency amplitude and magnitude

5 結(jié)論與討論

上述各參數(shù)之間的關(guān)系與前人相關(guān)研究[1-6，12]結(jié)果較一致。如果內(nèi)蒙古東部地區(qū)發(fā)生較大地震時(shí)，快速計(jì)算該地震的震源參數(shù)，對比地震前后區(qū)域的應(yīng)力變化，可能會(huì)捕捉到未來中強(qiáng)地震的震兆信息。因此，快速計(jì)算地震的震源參數(shù)對地震預(yù)測有一定的意義。

內(nèi)蒙古地區(qū)地震事業(yè)的發(fā)展受到經(jīng)濟(jì)、地域特征、東西部發(fā)展不均衡等諸多因素的影響，數(shù)字臺(tái)網(wǎng)建設(shè)較晚，臺(tái)站密度小，臺(tái)網(wǎng)孔徑大且臺(tái)站地理位置受城市因素影響，分布不均勻，這些原因均造成可記錄到清晰的震例較少(特別是東部地區(qū)),導(dǎo)致該研究選用符合要求的地震只有32個(gè)，參與計(jì)算的地震數(shù)據(jù)偏少，在一定程度上可能會(huì)影響結(jié)果的可信度。但該研究填補(bǔ)了內(nèi)蒙古東部地區(qū)新震源參數(shù)計(jì)算研究的空白，為研究內(nèi)蒙古東部地區(qū)地震孕震環(huán)境、深部動(dòng)力學(xué)過程等科學(xué)問題提供了基礎(chǔ)參考信息。

該研究得到內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局劉芳老師的幫助，在此深表感謝！