利用SSR法研究鐘祥臺Lg波尾波衰減特征

趙 瑞 朱新運 李俊超

1 中國地震局地震大地測量重點實驗室, 武漢市洪山側路40號,430071 2 湖北省地震局，武漢市洪山側路48號,430071 3 浙江省地震局，杭州市塘苗路7號,310013

Lg波是攜帶地震波能量的主要成分，因而常被用于研究地殼淺層介質的地震波衰減，其波形可以被區域性短周期寬頻帶地震儀清晰地記錄到。本文使用單臺疊加頻譜比法(簡稱SSR法)[1]進行計算，該方法將Lg波尾波部分分割成等長數據并計算傅氏譜，在頻率域建立頻率與對應譜平均幅度之間的關系，通過擬合獲得衰減參數。該方法可以極大地削弱在頻譜疊加過程中與地殼介質固有衰減部分無關的物理效應，從而突出臺站下面地殼介質的固有衰減部分[2-3]。

本文研究對象為鐘祥臺。鐘祥臺是國家臺，每年出現Lg波的地震雖然不是很多，但可以從以往的地震目錄中找出符合震中距范圍內的區域地震來研究Lg波尾波的衰減特征，以便發現臺站下面的地殼結構中影響地震波衰減的主要成分。

1 構造背景

鐘祥地震臺位于鐘祥市東10 km處的盤石嶺林場內。臺站在地質構造上位于鄂中北北西向斷裂系統東側，大洪山隆起西南緣，臺基為晚白堊系鈣質礫巖，膠結完好，臺站西側為晚中生代北北西向的漢水地塹帶。主要斷裂分布如圖1所示。

圖1 鐘祥地區的大地構造和主要斷裂分布

2 數據資料及處理

2.1 數字地震波資料基本情況

使用鐘祥臺記錄的2010～2020年發生在湖北區域內的地震。在數據選擇上，首先保證各記錄波形具有清晰的Lg波尾波，其次排除震中距過大、震級過小的地震，最后截取數據時確保地震波形兩端有一定長度的背景噪聲。由于湖北處于弱震區，為了準確呈現研究結果，從50個地震中選擇30個震級較大的作為研究對象。使用SSR方法時只需要用到地震事件的垂直分量，同時在單臺數據計算中，Lg波尾波的起算點選為2TS(TS代表S波的走時)，當尾波小于背景噪聲水平時可作為Lg波的截止點(通常在P波前選擇一定時間段數據作為背景噪聲水平)，按照等長時間窗及固定移動步長依次截取信號數據，計算信號與噪聲的均方根振幅比，當信噪比小于設置初值時視為有效尾波窗。由于距離臺站不同方位發生的地震不同，故尾波走時不同，因此，在設定理論固定長度的基礎上，人工微調起止點，以減小計算誤差。

2.2 資料處理

利用SSR方法對鐘祥臺記錄的周邊地震Lg波尾波進行衰減分析，首先將evt格式的數據統一轉換為軟件讀取的asc格式，之后舉例說明方法和資料處理的過程(圖2)。使用的震例震情信息如下：發震時刻為北京時間2019-12-26 18：36：34，地點為湖北孝感市應城市楊嶺鎮(30.87°N，113.40°E)，震級為M4.9，震源深度為10 km。圖2中Tnoise為根據噪聲水平截斷信號點，實際計算使用的是尾波截斷點TLg-end，TLg-coda為尾波起算點，TP為縱波走時，TS為橫波走時[4]。圖2中紅色線條代表程序自動識別的P波和S波到時以及尾波的起算點，綠色線條為手動調整的起算點，一般信噪比高的地震二者會重合，其余地震需要手動調節才能得出結果。

圖2 使用SSR方法時Lg波尾波時間關系

圖3為利用SSR方法分析單個地震事件結果，圖中“+”表示各不同頻率處的實測SSR值，實線為擬合結果。經擬合計算Q0=693.00，運用固定速度窗方法截取Lg波段[5]，速度窗上限設置為3.65 km/s，下限設置為2.60 km/s。對截取得到的Lg波段補零至2的整數次方倍長，用快速傅里葉變換計算傅氏譜，同時在P波初動前取與Lg波等長數據段作為噪聲(圖2)計算信噪比。將信噪比在研究頻率范圍內大于2的數據作為有效數據，對Lg波的傅氏譜以3個頻率采樣步長平滑Lg波譜(圖4)。為防止譜泄漏，在兩端再加2%的余弦窗進行傅里葉變換、儀器校正、幾何衰減校正等。

圖3 利用SSR方法分析單個地震事件

圖4 圖3中Lg波速度窗截取分段的波譜圖

3 結果與分析

考慮到發生在湖北境內的地震不多，從歷年來臺站記錄到的50個地震中篩選出30個震級稍大的作為研究對象，減去區域疊加的部分，最終形成以鐘祥臺為中心的16個輻射狀的路徑(編號1～16)，研究臺站周邊區域構造活動的斷裂帶Q0值變化情況，結果如圖5及表1所示。可以看出，路徑3、4、6、10、11、13、14、16所對應的Q0值范圍約在130～200，表明這些路徑位于斷裂區，其Q0值為低值特性。路徑1、2、7、9、12、15表明，在離開斷裂區時Q0有上升趨勢，其值在200～400之間，即構造活動明顯減弱；路徑5、8的Q0值大于600，顯示其處在非斷裂區域，構造活動強度相對較弱。

表1 地震信息

圖5 鐘祥臺所接收的地震射線路徑

4 結 語

構造活動區的Q0值并不是固定不變的[6]，而是與該地區最新的一次構造活動距現在的時間相關。Mitchell[7]認為，構造活動區裂隙密度最大，并且產生熱，導致殼幔中的水熱反應；流體一經釋放，就會通過裂縫向上移動，并最終停留在地殼，所以構造活動區呈現低Q0值。由于裂隙充滿了流體，地震波的散射加強，能量衰減，Q0值下降；之后，隨著流體體積變小，Q0值上升，從而導致路徑1、2所在區域Q0值有一定差異。

本文利用SSR方法計算單臺記錄的湖北區域地震Q0值，結果表明，Q0值分布與構造活動密切相關，較低的Q0值分布在構造活動較強的區域，主要集中在斷裂周圍；在遠離斷裂的區域其構造活動比較穩定，Q0值較高。以鐘祥臺為中心，其構造活動的整體分布基本呈現東低西高、南高北低的特征。