廣西龍灘庫區(qū)地震拐角頻率時空差異性特征*

陸麗娟，黃樹生，張　帆，周　斌，閻春恒

(廣西壯族自治區(qū)地震局，廣西 南寧 530022)

廣西龍灘庫區(qū)地震拐角頻率時空差異性特征*

陸麗娟，黃樹生，張帆，周斌，閻春恒

(廣西壯族自治區(qū)地震局，廣西 南寧 530022)

摘要：采用2006年9月～2013年7月廣西龍灘數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄的1 284次ML≥1.0地震波形資料，利用Brune模型，通過幾何擴(kuò)散校正、介質(zhì)衰減校正、儀器校正等將速度記錄譜歸算為震源位移譜方法，通過遺傳算法計(jì)算拐角頻率及零頻極限，最后計(jì)算出地震矩、震源破裂半徑等震源參數(shù)。對拐角頻率特征進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：廣西龍灘水庫庫區(qū)地震拐角頻率存在明顯的局部差異性，離壩首較近的壩首地震叢地震的拐角頻率與地震矩關(guān)系不明顯；離壩區(qū)越近，拐角頻率與水位變化關(guān)系在時間上的一致性更強(qiáng)，負(fù)相關(guān)關(guān)系也越明顯，同時拐角頻率也相對較低。2010年9月18日廣西天峨與貴州交界的ML4.8地震發(fā)生在拐角頻率上升階段，此前1年多拐角頻率的變化較為穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：龍灘水庫；Brune模型；震源參數(shù)；拐角頻率

0引言

拐角頻率是震源譜低頻和高頻趨勢線的交點(diǎn)，反映了震源譜高頻和低頻成分的比例，對于研究頻譜很有意義，它主要反映地震波高低頻能量的分布特征，不僅與震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)同時也與發(fā)震過程相關(guān)。因此，在研究一個地區(qū)的震源參數(shù)時，拐角頻率往往成為主要研究的一個基本參數(shù)，如康英等(2005)分析2004年廣東陽江MS4.9地震震源參數(shù)時，得出在拐角頻率連續(xù)出現(xiàn)正值后的下降過程中發(fā)震的結(jié)論；朱新運(yùn)等(2004)對皎口、海城、陡和、渾源地震波拐角頻率研究時，認(rèn)為一個地震序列的地震波拐角頻率與該地區(qū)背景地震拐角頻率的比值隨地震序列的發(fā)展表現(xiàn)出一定的趨勢性變化特征，可用來判斷未來地震序列的發(fā)展趨勢；張萍等(2006)研究遼寧岫巖5.4級地震前后拐角頻率比的變化特征時認(rèn)為，在較大地震前，縱、橫波拐角頻率比呈現(xiàn)出較明顯的下降異常變化等。除此之外，有諸多學(xué)者對水庫地震的拐角頻率等震源參數(shù)進(jìn)行了深入研究，得出了水庫地震拐角頻率的影響因素及水庫地震與構(gòu)造地震拐角頻率的特征差異性等。筆者通過對廣西龍灘水庫區(qū)域拐角頻率特征進(jìn)行分析，試圖進(jìn)一步認(rèn)識龍灘水庫區(qū)域的局部差異性特征等。

龍灘水庫位于珠江干流紅水河上游的廣西天峨縣境內(nèi)，屬于高山峽谷型高壩大庫容水庫，是國內(nèi)在建的僅次于長江三峽水庫及金沙江溪洛渡電站的特大型水電工程。自2006年9月蓄水以來，龍灘水庫庫區(qū)一帶中小地震頻繁發(fā)生，截至2013年7月，已記錄4 482次ML≥0.0地震，其中ML3.0～3.9共11次，ML≥4.0共3次，最大為2010年9月18日廣西天峨與貴州交界的ML4.8地震，極震區(qū)烈度達(dá)到VI度，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和強(qiáng)烈的社會影響。

1研究方法

根據(jù)Brune(1970)圓盤型地震破裂模式，震源譜函數(shù)的譜形態(tài)擬合公式為

(1)

式中，ω為圓頻率(ω=2πf)；ωc為拐角頻率(ωc=2πfc)；Ω(0)為低頻率水平時的位移譜值。

根據(jù)地震位移譜的低頻部分確定零頻譜值Ω(0)和由譜的高低頻漸進(jìn)線的交點(diǎn)確定頻譜的拐角頻率值(fc=ωc/2π)。地震矩M0可表示為

M0=b·Ω0，

(2)

b=4πβ3ρ·[Rs(φ,θ)·Re]-1.

(3)

2資料選取及計(jì)算結(jié)果

筆者使用了廣西龍灘數(shù)字地震臺網(wǎng)12個固定臺站的記錄波形資料，除天峨臺配CMG-3ESPC型寬頻帶地震計(jì)(頻帶寬度為0.03～40 Hz)，其余臺以FSS-3B地震計(jì)為主，數(shù)據(jù)采集器均采用EDAS-24L，采樣率均為100 Hz。在精定位的基礎(chǔ)上，筆者選用2006年9月～2013年7月龍灘庫區(qū)蓄水以來信噪比較高且三分向波形記錄完整的1 284次ML≥1.0中小地震的波形資料(圖1)，利用震源譜分析方法，計(jì)算震源參數(shù)，得出936個結(jié)果，拐角頻率值介于2.1～18 Hz，地震矩介于3.28×1010～7.67×1014N·m。

圖1龍灘庫區(qū)ML≥1.0地震震中及臺站分布圖

Fig.1Distribution of epicenters ofML≥1.0 earthquakes and seismic stations in Longtan Reservoir

3拐角頻率特征分析

3.1拐角頻率與地震矩的關(guān)系

在研究震源參數(shù)時，師海闊等(2010)，鐘羽云等(2004)，李發(fā)等(2012)對拐角頻率與地震矩的關(guān)系進(jìn)行了表述，都得出拐角頻率和地震矩存在明顯的依賴關(guān)系，即地震矩越大，拐角頻率越小，這一規(guī)律在龍灘水庫區(qū)域也是適用的，龍灘庫區(qū)的拐角頻率與地震矩總體上呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖2a)。利用最小二乘法擬合拐角頻率與地震矩之間的雙對數(shù)關(guān)系為

lgfc=-0.13lgM0+2.37.

(4)

陳翰林等(2009)對龍灘水庫地震精定位及活動特征研究時發(fā)現(xiàn)龍灘庫區(qū)的地震活動與水庫蓄水過程密切相關(guān)，成叢分布的地震活動分別表現(xiàn)出對水庫蓄水過程不同的響應(yīng)過程和活動特征，表明龍灘庫區(qū)在巖性特征、滲透條件、地質(zhì)構(gòu)造及應(yīng)力場等方面存在局部差異性。為進(jìn)一步掌握龍灘庫區(qū)局部差異性特征，根據(jù)陳翰林等(2009)提出的龍灘庫區(qū)5個地震叢，即羅妥地震叢、八茂地震叢、拉浪地震叢、壩首地震叢、布柳河地震叢(圖1)，進(jìn)一步探討各個地震叢的拐角頻率與地震矩的關(guān)系(圖2)。從圖2b～f可看出，除壩首地震叢外，其他4個地震叢拐角頻率與地震矩呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。壩首地震叢打破了大多數(shù)研究結(jié)果中得到的拐角頻率與地震大小的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這一現(xiàn)象與張永久和喬慧珍(2011)研究結(jié)果一致，導(dǎo)致壩首地震叢拐角頻率與地震大小的負(fù)相關(guān)關(guān)系不明顯的原因是什么呢？劉特培和康英(2004)認(rèn)為這可能與參與計(jì)算的地震震級范圍有關(guān)；雷建設(shè)等(2009)研究認(rèn)為可能與下地殼流體有關(guān)；錢曉東和秦嘉政(2005)分析認(rèn)為是庫區(qū)蓄水壓力增加、巖體裂隙充水的影響；筆者分析認(rèn)為應(yīng)該與天峨主要的八臘斷裂與天峨—谷金斷裂兩條斷裂位于壩首地震叢附近有關(guān)，且壩首地震叢位于壩首，在庫水的作用下，該區(qū)域巖體強(qiáng)度相對較弱，較豐富的巖體裂隙長期飽和，對部分頻率有效吸收，從而導(dǎo)致拐角頻率變化無規(guī)律。

3.2拐角頻率隨時間的變化

目前在使用地震波頻譜方法計(jì)算震源參數(shù)時，分析震前震源參數(shù)的變化，可以顯示出發(fā)震區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)和孕育過程。拐角頻率是一個關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響震源尺度、位錯和應(yīng)力降的計(jì)算結(jié)果，也影響到使用低于拐角頻率的頻譜值計(jì)算地震矩，這些震源參數(shù)正在被試用于地震預(yù)報(bào)工作中。它主要反映地震波高低頻能量的分布特征，拐角頻率不僅與震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，同時也與發(fā)震過程相關(guān)。研究表明，拐角頻率與震源破裂尺度有密切關(guān)系，一般是震源破裂尺度越小，拐角頻率越大，這一規(guī)律在龍灘庫區(qū)是成立的；拐角頻率隨震級的增大而減小，兩者之間具有較強(qiáng)的依賴關(guān)系，龍灘庫區(qū)地震拐角頻率的對數(shù)與震級的擬合關(guān)系式為

lgfc=-0.068lgML+0.902.

(5)

根據(jù)給定震級得到拐角頻率的估計(jì)值與實(shí)測拐角頻率fc之差隨時間的變化曲線繪于圖3，從圖3看出，在2010年9月18日廣西天峨與貴州交界的ML4.8地震發(fā)生前，拐角頻率的變化較為穩(wěn)定，地震發(fā)生在拐角頻率上升階段。

3.3拐角頻率與水位的變化關(guān)系

2006年10月～2013年11月，龍灘水庫共經(jīng)歷了7次水位上升過程，上升幅度最大為第1次蓄水，即2006年10月1日～12月13日，庫水位從220 m急速上升到320 m，上升幅度達(dá)100 m；上升幅度最小為第4次，即2009年6月24日～8月14日，庫水位從338 m上升到360 m，上升幅度僅22 m。7次蓄水上升平均值為45 m。

圖4為滑動平均后繪制出的拐角頻率與水位變化曲線。從圖4a來看，龍灘水庫區(qū)域拐角頻率與水位的變化整體上呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即水位上升時，拐角頻率下降；水位下降時，拐角頻率上升，在時間上有較好的一致性。拐角頻率低值主要集中出現(xiàn)在水庫水位大幅度上升后，這與張永久和趙翠萍(2009)、張永久和喬慧珍(2011)的研究結(jié)果一致。為更具體地掌握拐角頻率的局部差異性特征，筆者分析各個地震叢的拐角頻率與水位變化的關(guān)系。羅妥地震叢拐角頻率與水位關(guān)系不明顯，但在2010年9月18日廣西天峨與貴州交界的ML4.8地震發(fā)生時，拐角頻率有明顯的下降趨勢(圖4b)；八茂地震叢拐角頻率與水位變化關(guān)系無明顯規(guī)律(圖4c)；拉浪地震叢拐角頻率變化雖有滯后于水位的變化，但兩者呈明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖4d)；壩首地震叢、布柳河地震叢拐角頻率變化與水位變化負(fù)相關(guān)關(guān)系不僅明顯，在時間上也有很強(qiáng)的一致性。綜上所述，龍灘庫區(qū)地震拐角頻率與水位變化關(guān)系存在明顯的局部差異性，距壩區(qū)遠(yuǎn)近的不同負(fù)相關(guān)關(guān)系明顯程度不同，變化時間上的一致性也不盡相同；離壩區(qū)越近，變化時間上的一致性更強(qiáng)，負(fù)相關(guān)關(guān)系也越明顯(圖4e、f)。

4討論與結(jié)論

(1)廣西龍灘庫區(qū)地震拐角頻率與地震矩關(guān)系整體上成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即地震矩越大，拐角頻率越小，地震矩越小，拐角頻率越大。將該區(qū)域按順時針方向分為5個地震叢分別進(jìn)行分析后，離壩首較近的壩首地震叢地震的拐角頻率與地震矩關(guān)系不明顯。這可能是與離庫壩區(qū)較近的壩首地震叢地震所在區(qū)域在水庫蓄水后水體迅速向離壩首較近的NNE向八臘斷裂及近場區(qū)規(guī)模最大的天峨—谷金斷裂帶方向擴(kuò)散和滲透有關(guān)的，由于場地軟介質(zhì)對地震波的高頻成分有較強(qiáng)的吸收，對于小地震則會導(dǎo)致拐角頻率明顯變小。

(2)廣西龍灘庫區(qū)拐角頻率的對數(shù)與震級呈線性關(guān)系，擬合關(guān)系式為lgfc=-0.068ML+0.902。在扣除震級對拐角頻率影響后的結(jié)果顯示，2010年9月18日廣西天峨與貴州交界處發(fā)生ML4.8地震前，拐角頻率的變化較為穩(wěn)定，在拐角頻率上升階段發(fā)生了該次地震。

(3)廣西龍灘庫區(qū)地震拐角頻率與水位變化關(guān)系存在明顯的局部差異性，即距壩區(qū)遠(yuǎn)近的不同負(fù)相關(guān)關(guān)系明顯程度不同，變化時間上的一致性也不盡相同。離壩區(qū)越近，變化時間上的一致性更強(qiáng)，負(fù)相關(guān)關(guān)系也越明顯，同時拐角頻率也相對較低，這可能是水庫蓄水后裂隙增加、庫水滲透和巖石軟化強(qiáng)度降低引起的，離庫壩越近的區(qū)域?qū)λ畮煨罘潘畬?dǎo)致的壓力變化和庫區(qū)巖體裂隙充水程度的變化越為敏感。

本文在撰寫過程中得到朱新運(yùn)研究員、史水平高級工程師的幫助，在此向他們表示衷心感謝！

參考文獻(xiàn)：

陳翰林，趙翠萍，修濟(jì)剛，等.2009.龍灘水庫地震精定位及活動特征研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，52(8)：2036-2043.

華衛(wèi)，陳章立，鄭斯華，等.2012.水庫誘發(fā)地震與構(gòu)造地震震源參數(shù)特征差異性研究——以龍灘水庫為例[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，27(3)：924-935.

康英，楊選，呂金水，等.2005.2004年陽江MS4.9地震震源參數(shù)分析[J].地震，25(3)：109-114.

雷建設(shè)，趙大鵬，蘇金蓉，等.2009.龍門山斷裂帶地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)與汶川地震發(fā)震機(jī)理[J].地球物理學(xué)報(bào)，52(2)：339-345.

李發(fā)，李罡風(fēng)，裴紅云.2012.安慶4.8級地震序列的地震波譜變化研究[J].高原地震，24(1)：23-27.

劉特培，康英.2004.廣東地區(qū)地震波譜和震源參數(shù)某些特征及與地震預(yù)報(bào)的關(guān)系[J].地震地磁觀測與研究，25(6)：41-48.

錢曉東，秦嘉政.2005.瀾滄江流域水電工程地區(qū)的環(huán)境剪應(yīng)力及震源參數(shù)[J].地震研究，28(1)：64-70.

師海闊，朱新運(yùn)，賀永忠.2010.寧夏及鄰區(qū)地震震源參數(shù)研究[J].大地測量與地球動力學(xué)，(增刊)：38-43.

張萍，陳忠奇，曹鳳娟，等.2006.岫巖5.4級地震前后拐角頻率比的變化特征[J].四川地震，(4)：19-36.

張永久，喬慧珍.2011.紫坪鋪水庫庫區(qū)震源波譜參數(shù)研究[J].西北地震學(xué)報(bào)，33(2)：117-122.

張永久，趙翠萍.2009.紫萍鋪水庫庫區(qū)介質(zhì)衰減、臺站響應(yīng)和震源參數(shù)研究[J].地震地質(zhì)，31(4)：664-674.

鐘羽云，朱新運(yùn)，張震峰.2004.溫州珊溪水庫ML3.9震群震源參數(shù)特征[J].地震，24(3)：107-114.

朱新運(yùn)，鐘羽云，張震峰.2004.地震波拐角頻率對地震序列的依賴性研究[J].西北地震學(xué)報(bào)，26(2)：131-136.

Brune J.N..1970.Tectonic Stress and the Spectra of Seismic Shear Waves from Earthquakes[J].JGR，75：4997-5009.

Using the Brune model and the 1 284ML≤1.0 seismic wave data recorded by Guangxi Longtan Digital Seismic Network from Sep.，2006 to Jul.，2013，we transferred the velocity recording spectrum into hypocenter displacement spectrum by geometry diffusion correction，dielectric attenuation correction and instrumental correction etc..Then we calculated the corner frequency and zero frequency limit by using genetic algorithm and obtained the source parameters of seismic moment and rupture radius etc.finally.The analysis result of corner frequency characteristic shows that the corner frequency of the earthquake had obvious local difference in Longtan Reservoir of Guangxi，the relationship between the corner frequency and seismic moment of C4 earthquake that is near the dam head plexus was not obvious.The closer from the dam area，the consistency of change relationship between corner frequency and water level is stronger on the time，the negative correlation is more obvious and the corner frequency is relatively lower.TheML4.8 earthquake on Sep.18，2010 occurred in the rise stage of corner frequency at the junction of Guangxi Tian’e and Guizhou，but the corner frequency was stable before more than 1 year before the earthquake.

Key words：Longtan Reservoir；Brune model；epicenter parameter；corner frequency

*收稿日期：2014-07-01. 基金項(xiàng)目：桂科攻1298005-2項(xiàng)目和桂科攻12426001項(xiàng)目資助.

中圖分類號：P315.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-0666(2015)03-0352-07

Characteristic of Temporal and Spatial Differences of Corner Frequency of the Earthquake in Longtan Reservoir of Guangxi

LU Li-juan，HUANG Shu-sheng，ZHANG Fan，ZHOU Bin，YAN Chun-heng

(Earthquake Administration of Guangxi Zhuang Autonomous Region，Nanning 530022，Guangxi，China)

Abstract