蓋州青石嶺震群重復地震尾波Qc值變化特征

邵媛媛 王 亮 賈麗華 楊士超 王 巖

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110031

尾波Qc值是描述地球介質衰減特性和反映構造活動的重要參數，與區域構造活動及地震活動密切相關[1-3]。遼寧蓋州青石嶺地區在2012-02-02震群集中爆發，截至2017年底，該地震序列共記錄ML1.0～1.9地震560次，ML2.0～2.9地震146次，ML3.0～3.9地震21次，ML4.0～4.9 地震6次，最大地震為2015-08-04 ML4.8地震。本文收集研究區2012～2017年ML≥2.5地震波形資料，利用波形互相關方法提取蓋州青石嶺震群重復地震序列，排除與震源機制解、震源深度和傳播路徑等相關的不同非應力因素導致Qc值計算結果的差異[4-6]，再利用Sato模型計算地震序列Qc值對頻率的依賴關系以及尾波Qc值時間域變化特征，探討Qc值時序變化反映的介質應力變化特征，尋找可能的地震前兆，為蓋州及周邊地區中強震預測提供依據。

1 構造背景與資料

遼東半島位于華北地震區東北部，是遼寧省地震活動最頻繁的地區，歷史最大地震為1975-02-04海城7.3級地震。區內斷裂構造較發育，規模較大，NE向金州斷裂和NW向海城河斷裂活動性較強；NW向斷裂多為發震斷裂，如海城7.3級地震和岫巖5.4級地震均發生在NW向海城河斷裂上，而NE-NNE向構造控制著遼東半島的構造形態，其中NE向金州斷裂屬于中國東部最大的斷裂帶——郯廬斷裂帶的分支斷裂，全長200多km，規模最大，切割最深，延伸穩定，活動性強，構造行跡最為清晰，是遼東半島地區主要的控制斷裂[7]。該斷裂最新的活動性質為右旋走滑兼傾滑，斷裂帶附近發育一系列相關聯、近平行的小型分支斷裂，受其他方向構造影響，整條斷裂由南向北可分為金州-普蘭店、普蘭店-九寨、九寨-蓋縣北、蓋縣北-鞍山南4個不同的段落。2012年青石嶺震群活動主要集中在蓋縣北-鞍山南段與九寨-蓋縣北段相交部位，兩斷裂相距近9 km。海城7.3級地震后，蓋縣、熊岳-石硼峪地區的介質Q值由590減小為180。震后該地區的地震波衰減增大，巖石破碎程度較高，范圍也較大，成為該地區小震活躍的主要原因[8]。蓋州青石嶺震群雙差定位和較大地震的震源機制解結果表明[9-10]，該震群沿北西向分布，隨時間具有向北西向展布的態勢，震源深度逐漸變淺，并認為九寨-蓋縣北段西側存在NW向次級鏟式正斷層，震群活動由該斷層在區域應力場作用下不斷左旋走滑-拉張錯動所造成。

根據震群周邊斷層和固定臺站位置分布(圖1)，本文選用對地震序列記錄較好的營口臺和岫巖臺的波形資料進行分析，其中營口臺離震群約23 km，岫巖臺離震群約76 km，符合Sato單次散射模型[2]對近震計算的要求。收集2012～2017年青石嶺震群ML≥2.5地震波形，其中ML2.5～2.9地震51次，ML3.0～3.9地震21次，ML4.0～4.9地震6次，最大地震為2015-08-04 ML4.8地震(圖2)。

圖1 2012～2017年蓋州青石嶺震群ML≥2.5地震分布

圖2 2012～2017年蓋州青石嶺震群ML≥1.0和ML≥2.5地震序列M-T圖

2 數據處理方法

2.1 重復地震篩選

重復地震的識別和驗證主要依據波形互相關系數γ，再根據重復地震定義的識別閾值進行判定：

(1)

2.2 尾波Qc值計算

根據Sato模型,在一定頻率下尾波振幅可表示為：

C(f)-b(t-ts)

(2)

式中，As為S波的最大振幅，Ac(t)為流逝時間t附近的尾波均方根振幅，K為依賴于時間的傳播因子，C(f)為與頻率有關的影響因子。對于相同地震的同一頻率，C(f)為常數，通過擬合F(t)與(t-ts)的線性關系可得b值，b與Qc的關系可表示為：

(3)

對于不同頻率，根據F(t)和(t-ts)求出斜率b,進而得到該頻率對應的Qc值。最后對各頻率點Qc值進行擬合：

Qc(f)=Q0fη

(4)

當頻率f=1時，結果即為每個地震的Q0值。

3 數據處理

營口臺和岫巖臺數字波形記錄的采樣率均為100 Hz，選取P波到時前2 s、波形長度為4倍Sg和Pg震相走時差，每次滑動0.1 s，分別計算相關系數，并取極大值作為最終相關系數，當垂直分量的相關系數達到閾值0.8時，則認為是本文所需提取的“重復地震”。最終營口臺獲得54個重復地震，岫巖臺獲得13個重復地震，結果見圖3，其中營口臺只展示13條記錄。

圖3 營口臺和岫巖臺記錄波形互相關計算

(a)為Qc值擬合結果；(b)為f=11時擬合情況；(c)為f=11時濾波情況；(d)為計算所采用的尾波截斷部分；(e)為不同頻率點擬合時對應的相關系數

4 結果分析

在進行重復地震序列尾波Qc值計算過程中，舍棄的地震事件主要是由于地震時間間隔較短導致波形嚴重重疊以及信噪比低，無法擬合或擬合效果較差。最終在營口臺和岫巖臺分別獲得由53個和12個地震事件組成的重復地震序列，每條記錄以4～18整數頻率點為中心頻率，計算15個頻率點數據，將每個頻率點所有Qc值的平均值作為該頻率點該區域的品質傳播因子，擬合平均Qc值與對應頻率之間的關系式Qc(f)=Q0fη，營口臺計算結果(圖5)為：

Qc(f)=(105.72±16.53)f(0.783 7±0.058 5)

(5)

岫巖臺計算結果(圖6)為：

Qc(f)=(84.49±9.09)f(0.838 4±0.045 2)

(6)

根據2個臺站尾波Qc值在頻率4～18 Hz的擬合結果可以看出，Qc值在低頻范圍的擬合效果更好，變化趨勢相對較穩定，而在10 Hz以上線性擬合時存在離散現象。由尾波Qc值時間序列可知，營口臺記錄的重復地震序列尾波Qc值在2013-01-23燈塔5.1級地震前出現高低值波動，震前震后Qc值整體水平不同，震前Qc均值為115.57，震后Qc均值為98.21，即震后尾波Qc值隨著應力調整趨于平穩并略有降低(圖7(a))。圖5(b)中地震順序40～53對應的Qc值再次出現高低值現象，即在2015-08-04 ML4.8(地震序號41)地震后，尾波Qc值出現較為密集的高低值波動，說明局部介質較敏感而發生局部區域的應力調整。岫巖臺計算尾波Qc值的數據樣本相對較少(圖6(b))，在燈塔地震前尾波Qc值存在高低值波動，由于震后資料不足，無法確定其恢復水平。燈塔地震距離青石嶺震群約132 km，2個臺站的Qc值在燈塔地震前的高低值變化說明2個臺站與震群之間介質的應力調整與遼寧地區中強地震的發生具有一定相關性。青石嶺震群在2012-02-02開始并連續發生2次ML≥4.0地震，此后在2012-07～2013-03連續發生3次ML≥4.0地震。圖5(b)和圖7(a)均顯示在4級地震后尾波Qc值出現高低值波動，之后恢復并趨于穩定；在2015-08-04ML4.8地震后，Qc值再次出現高低值波動，且在本地4級地震后，尾波高低值波動相對密集。綜上分析認為，青石嶺地區地下介質對遼寧地區的中強地震活動比較敏感，在本地ML≥4.0地震后存在局部應力調整，尾波Qc值出現相對密集的高低值波動，說明蓋州青石嶺地區局部應力積累不足以孕育更大的地震，而是以多次中等地震的形式釋放局部積累的能量。

圖5 營口臺Qc值擬合結果

圖6 岫巖臺Qc值擬合結果

圖7 蓋州青石嶺震群重復地震序列與尾波Qc值變化對比

本文計算的Qc值反映的是臺站到地震之間半橢球體介質的衰減特性，其與地區的構造活動性和地震活動性密切相關。根據震源硬化模型理論可知[11]，應力積累可能會使該區原始裂紋閉合，造成剛度增強，因此在整個地震活躍階段尾波Qc值可能出現持續高值或波動。Qc值計算影響因素較多，除模型外，所用的觀測資料、尾波可用數據段信噪比、濾波器等對數據結果均有一定影響[12]。與以往研究相比，本文計算的Qc值存在一定差異，但與李宇彤等[13]在海城-岫巖地區2個臺站得到的Qc值范圍一致。本文計算的岫巖臺Qc值為84.49，接近岫巖5.4級地震前營口臺在相對平靜期的Qc值88.64[13]，說明區域性Qc值相對穩定，變化范圍較小，原地發生破壞性地震的可能性不大。

5 結 語

本文對營口臺和岫巖臺拾取的青石嶺重復地震序列尾波Qc值變化進行分析，結果表明，營口臺和岫巖臺與蓋州青石嶺之間的介質Qc值變化所反映的區域應力變化與遼寧地區中強地震具有一定相關性；在ML≥4.0地震后，區域Qc值存在高低值波動，說明局部介質對應力比較敏感，存在局部應力調整并恢復的特點，導致局部的應力積累不足以孕育更大的地震，而以多次中等地震的形式釋放局部積累的能量。該特征與海城7.3級地震后蓋州地區介質破碎程度較高有關，使該地區不易積累較高的能量。2017年后蓋州青石嶺地區ML2.5以上地震活動很少，震群活動明顯減弱，震群規模很小，這些地震活動實況剛好可驗證該觀點。本文結論在一定程度上符合實際地震活動，對于未來遼寧地區的震情研判具有一定指導意義。利用重復地震序列研究Qc值能有效排除震源機制解、震源深度和傳播路徑差異對結果的影響，后續可增加燈塔地震與震群方向的臺站數量以深入研究燈塔地震前后尾波Qc值的變化。

致謝：本文重復地震計算程序由江西省地震局查小惠提供，尾波Qc值軟件由浙江省地震局朱新運研究員提供，計算所用波形數據由遼寧省地震臺提供，在此表示感謝。