南天山西段地震尾波Q值研究

尼魯帕爾·買(mǎi)買(mǎi)吐孫 夏愛(ài)國(guó) 海仁妮莎

1）新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊市新市區(qū)科學(xué)二街338號(hào) 830011

2）新疆維吾爾自治區(qū)地震局喀什基準(zhǔn)地震臺(tái)，新疆喀什 844000

0 引言

地震波在地球介質(zhì)中轉(zhuǎn)播時(shí)會(huì)很快衰減殆盡，造成這種現(xiàn)象的原因主要是地球介質(zhì)的非完全彈性以及介質(zhì)彈性的非均勻性。Q值是描述地球介質(zhì)特性的主要參數(shù)，地殼中裂隙狀態(tài)、流體遷移、熱物質(zhì)上涌等巖性變化都可能引起應(yīng)力變化，從而造成品質(zhì)因子Q值的變化（周慧蘭，1990）。Aki（1969）首次提出了尾波散射理論，提出可以利用尾波來(lái)研究震源區(qū)上部巖石圈的橫向不均勻性、區(qū)域地震活動(dòng)性以及震源機(jī)制解等。Aki等（Aki，1969；Aki et al，1975）在單次散射模型基礎(chǔ)上提出了臺(tái)、源重合情況下的尾波衰減系數(shù)計(jì)算方法?？紤]到臺(tái)、源分離情況下震源至接收點(diǎn)距離的影響，Sato（1977）和Pulli（1984）對(duì)Aki等（1975）的尾波計(jì)算方法進(jìn)行了必要的修正（即Sato模型）。

尾波Q值主要反映了以震源和記錄臺(tái)站為焦點(diǎn)的橢球范圍內(nèi)的介質(zhì)品質(zhì)因子的特性，該品質(zhì)因子作為衡量地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的重要指標(biāo)，在震源物理、工程地震學(xué)和地震預(yù)測(cè)研究中都有重要的應(yīng)用。與其他研究方法相比，利用尾波散射理論能較好地描述介質(zhì)的某些特征，其優(yōu)點(diǎn)在于它不是對(duì)介質(zhì)進(jìn)行確定的測(cè)量，而是給出介質(zhì)在統(tǒng)計(jì)平均意義上的特征描述（李瓊等，2007）。諸多研究表明，Q值在地震活動(dòng)頻繁的地區(qū)較低，在地震活動(dòng)相對(duì)平靜的地區(qū)較高；在古老的地質(zhì)單元或構(gòu)造運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定地區(qū)較高，而在近代地質(zhì)單元或構(gòu)造活躍地區(qū)較低（馬云生等，1995；李白基等，2004；朱新運(yùn)，2006：朱新運(yùn)等，2006a、2006b；馬力等，2010；師海闊等，2011；賀永忠等，2012）。

本文利用南天山西段2009～2014年10個(gè)臺(tái)站各自附近60km范圍內(nèi)的數(shù)字化地震波形資料，采用Aki尾波單次散射模型，對(duì)南天山西段的地震尾波Q值進(jìn)行了研究。

1 研究區(qū)域及觀測(cè)資料

研究區(qū)域位于新疆南天山西段（37.0°～43.0°N，73°～82°E）。該區(qū)域中小地震豐富，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜?？κ?烏恰交匯區(qū)是新疆地震活動(dòng)最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一，位于帕米爾弧的北段，是南天山與西昆侖2條地震帶的交匯區(qū)，區(qū)域內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，地殼縮短速率可達(dá)20mm／a，活動(dòng)斷裂分布密集，主要斷裂有托特拱拜孜斷裂、卡茲特-阿爾特?cái)嗔?、烏魯克恰特?cái)嗔岩约八?費(fèi)爾干納斷裂等（馮先岳，1995；曲延軍等，2010）。

本研究使用南天山西段10個(gè)臺(tái)站的記錄，各臺(tái)站的基本情況見(jiàn)圖1（a）及表1。所選地震臺(tái)站的地震儀是以CMG和CTS型為主的甚寬頻帶地震儀，其采樣率均為100Hz，頻率在0.1～30Hz之間，均具有平坦的速度響應(yīng)。選取分析樣本為新疆臺(tái)網(wǎng)地震目錄的起止時(shí)間為2009年1月～2014年4月，震中在南天山西段（37.0°～43.0°N，73°～82°E），震級(jí)為MS2.0～4.5的地震。其中MS2.0～2.9地震243次，MS3.0～3.9地震141次，MS4.0～4.5地震13次，最大地震為2013年2月18日阿圖什4.5級(jí)地震。所用地震波形記錄清晰，噪聲水平滿足計(jì)算條件（圖1（b））。

圖1 （a）研究區(qū)臺(tái)站、地震分布及射線路徑，（b）MS≥2.0地震M-T圖

表1研究區(qū)域地震臺(tái)站信息情況

2 方法原理

本文采用尾波方法求解Q值，用單次散射模型描述尾波衰減（Aki et al，1975），根據(jù)該單次散射模型，以某一中心頻率的一定帶寬濾波器濾波后的尾波振幅可表述為

式中，S（f）為震源因子；t為發(fā)震時(shí)刻算起的地震波流逝時(shí)間；u為常數(shù)，且體波的u＝1、面波的u＝0.5，因本文主要進(jìn)行近震數(shù)據(jù)的分析，故u取值為1；QC（f）為對(duì)應(yīng)于中心頻率點(diǎn)f的尾波Q值，A（f，t）是對(duì)應(yīng)t時(shí)刻一個(gè)采樣周期的幅度最大值。

對(duì)式（1）兩邊取自然對(duì)數(shù)，進(jìn)而整理變換為

計(jì)算中首先對(duì)地震尾波以f為中心頻率，為寬帶，使用6階Butterworth濾波器進(jìn)行濾波，之后以f對(duì)應(yīng)的周期T為采樣率步長(zhǎng)，分別采集不同流逝時(shí)間t對(duì)應(yīng)的A（f，t），將所有數(shù)據(jù)點(diǎn)代入式（2），用最小二乘法求解該頻率的Q值。在分析整個(gè)區(qū)域地震波衰減總體特征時(shí)，先求出研究區(qū)內(nèi)所有地震記錄對(duì)不同頻率的Q值，再計(jì)算出這些Q值的平均值，用此平均值作為研究區(qū)對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)的Q值，并由此數(shù)據(jù)擬合出頻率與Q值的關(guān)系式

式（4）給出了QC（f）值與f的關(guān)系，對(duì)此式兩邊取對(duì)數(shù)可得

從式（5）可以看出，由于lnQC（f）與lnf成線性關(guān)系，采用最小二乘法可以得出Q0和η值。

3 數(shù)據(jù)處理及結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

本研究分析頻率段為4～18Hz，間隔1Hz，對(duì)應(yīng)中心頻率f，寬帶?。鄄捎妹看问录沠，?f］，使用6階Butterworth帶通濾波器（朱新云等，2006）進(jìn)行濾波。根據(jù)朱新云等（2006a、2006b）的研究成果，采用每次事件記錄之前3s的噪聲平均信號(hào)幅度作為標(biāo)準(zhǔn)噪聲信號(hào)，與等長(zhǎng)時(shí)間尾波信號(hào)平均幅度相比，設(shè)置信噪比閥值為2，大于2表示在數(shù)據(jù)計(jì)算上結(jié)果可靠。由于不同臺(tái)站場(chǎng)地條件不同，可能獲取的尾波可用段也不同，對(duì)應(yīng)流逝時(shí)間也不同。這樣挑選出符合條件的397次地震的記錄，對(duì)同一地震記錄3分向數(shù)據(jù)分別求解Q值，同時(shí)給出各個(gè)頻率3分向結(jié)果的平均值，并采用3分向數(shù)據(jù)的平均值作為判斷該地震波衰減特征的Q值指標(biāo)（計(jì)算實(shí)例見(jiàn)圖2），最后擬合Q隨頻率的變化關(guān)系。

圖2 2010年5月14日23時(shí)31分MS2.1地震的阿合奇（AHQ）臺(tái)計(jì)算實(shí)例

3.2 計(jì)算結(jié)果

圖3和表2給出了以阿合奇臺(tái)為中心60km范圍內(nèi)58次地震計(jì)算出來(lái)的Q0值和η值。由表2可見(jiàn)，阿合奇臺(tái)附近尾波Q0值在53～442之間，Q0值平均值為249，η值均值為0.73。

3.3 分頻Q C值時(shí)序進(jìn)程分析

近年來(lái)，許多研究者利用地震尾波衰減探索了QC值大震前后的變化，以期借此發(fā)現(xiàn)大震的前兆信息。多數(shù)研究結(jié)果表明，主震前QC值變小，主要表現(xiàn)在12Hz以下的頻率范圍，但也有QC值在震前變大的結(jié)果（Sato et al，1988）。馬宏生等（2005）認(rèn)為，大震前由于受較強(qiáng)應(yīng)力作用，地殼介質(zhì)特別是韌性層破裂的增加可使尾波QC值減?。≦－1C值變大），但臨近破裂時(shí)，由于應(yīng)力增強(qiáng)，導(dǎo)致裂隙閉合，QC值反而增大；大震后，由于作用在地殼韌性層的應(yīng)力得到釋放，從而介質(zhì)松弛，以至反映其介質(zhì)衰減特征的QC值減小，1976年的唐山地震就具有這個(gè)特點(diǎn)。

圖3 阿合奇臺(tái)Q0值與頻率關(guān)系

圖4給出了2009年1月～2014年4月阿合奇臺(tái)附近60km范圍內(nèi)MS≥2.0以上地震在4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0Hz中心頻段QC隨時(shí)間的變化過(guò)程，圖中還同時(shí)標(biāo)出了臺(tái)站周?chē)?00km范圍內(nèi)5級(jí)以上地震分布。由圖4可見(jiàn)，圖中8個(gè)頻段QC值變化形態(tài)基本一致，其中4.0Hz時(shí)的QC值時(shí)間進(jìn)程圖較為平滑，2012年8月11日5.0級(jí)地震以及2013年3月11日5.1級(jí)地震前幾個(gè)頻段均出現(xiàn)QC值高值；震后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)處理過(guò)程，對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的10個(gè)臺(tái)站60km范圍內(nèi)MS≥2.0以上地震在4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0Hz中心頻段QC值隨時(shí)間的變化過(guò)程進(jìn)行分析。

南天山西段臺(tái)站分布不是十分均勻，該區(qū)域所發(fā)生地震的位置常呈隨機(jī)的聚散狀，各臺(tái)能記到其周?chē)晒┻M(jìn)行尾波QC值計(jì)算的地震并不相同。由于符合單次散射模型尾波功率譜分析的地震波形樣本所限，有的臺(tái)記錄波形樣本數(shù)較多，有的較少。10個(gè)臺(tái)站不同頻段QC值時(shí)序進(jìn)程分析結(jié)果表明，不同臺(tái)站的分頻QC值時(shí)序進(jìn)程曲線趨勢(shì)各異，但每個(gè)臺(tái)站在不同頻率的時(shí)間進(jìn)程曲線趨勢(shì)大致一致。

表2阿合奇縣地震尾波Q0值結(jié)果

續(xù)表2

圖4 2009～2014年阿合奇臺(tái)周?chē)?0km MS≥2.0地震分頻QC值時(shí)序進(jìn)程圖

3.4 尾波衰減特征Q C值研究

基于近震尾波的單次散射理論，我們利用南天山西段10個(gè)臺(tái)記錄的397個(gè)信噪比較高的地震數(shù)字化波形資料，計(jì)算了該地區(qū)地球介質(zhì)對(duì)不同頻率地震波衰減的品質(zhì)因子QC。表3和圖5給出了研究區(qū)域內(nèi)10個(gè)臺(tái)站為中心60km范圍內(nèi)地震事件計(jì)算得到的Q0和η值的平均值結(jié)果。

表3南天山西段10個(gè)臺(tái)站周?chē)卣鹗录?jì)算的Q 0與η值平均值

圖5 南天山西段各臺(tái)站附近尾波Q0值與主要活動(dòng)構(gòu)造分布

由表3可看出，南天山西段Q0值的平均值在140～390之間，頻率相關(guān)系數(shù)η的平均值在0.62～1.00之間，擬合平均QC值與對(duì)應(yīng)頻率之間的關(guān)系結(jié)果為QC＝261.2±110.8f0.80±0.28，本文計(jì)算結(jié)果與李志海等（2011）對(duì)伽師地區(qū)Q0的計(jì)算結(jié)果基本一致；與趙翠萍等人（2011）得到的天山中段地區(qū)Q值（Q＝Q0fη＝344.1f0.553）相比較則顯現(xiàn)為南天山西段的Q0值小于天山中段地區(qū)的Q0值。傅承義等（1983）研究認(rèn)為，Q值與介質(zhì)均勻程度相關(guān)，或者說(shuō)與介質(zhì)強(qiáng)度有關(guān)。穩(wěn)定地區(qū)介質(zhì)均勻程度較高，其Q值較大；構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)介質(zhì)均勻程度較低，其Q值較小。據(jù)此認(rèn)為，南天山西段構(gòu)造活動(dòng)要強(qiáng)于天山中東段，這與兩個(gè)地區(qū)地震活動(dòng)特征是一致的：南天山西段是我國(guó)地震活動(dòng)最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，以6級(jí)以上地震活動(dòng)為主；而天山中段地震活動(dòng)相對(duì)南天山西段要弱，以5級(jí)地震為主。巴楚臺(tái)附近的Q0值最高，達(dá)到390.3。研究區(qū)域10個(gè)臺(tái)站Q0值從大到小依次為：巴楚、阿克蘇、西克爾臺(tái)、八盤(pán)水磨、阿合奇、神木園、岳普湖、阿圖什、烏恰及喀什。從分布來(lái)看，塔里木盆地邊緣的阿克蘇、巴楚和西克爾臺(tái)較高的Q0值反映盆地邊緣介質(zhì)的整合性相對(duì)較好，不像其他區(qū)域那樣破碎，與其他幾個(gè)臺(tái)站附近的尾波Q0值相比較而言，對(duì)地震波的散射較強(qiáng)?？κ埠蜑跚∨_(tái)附近Q0值最小，反映該地區(qū)地殼破碎程度較高，與其較高的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)和較強(qiáng)地震活動(dòng)水平相符合。

本文η值的部分計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)了大于1的情況，表明頻率越高，衰減率越小，這與介質(zhì)對(duì)地震波的吸收是隨頻率升高而增強(qiáng)的一般認(rèn)識(shí)相悖。而馬云生等（1995）和馬力等（2010）在計(jì)算云南滇西實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)的尾波QC值、北京及其周?chē)貐^(qū)以及昆明臺(tái)附近尾波QC值分布特征的研究中，也出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的現(xiàn)象。本文中討論的QC值是實(shí)際觀測(cè)資料按散射理論模式直接擬合得到的，有些η值大于1的原因，尚待進(jìn)一步研究解釋。

4 結(jié)語(yǔ)

Q值大小反映了地震波衰減程度，Q值對(duì)頻率的依賴(lài)性與介質(zhì)均勻程度有關(guān)，依賴(lài)程度越大，地殼介質(zhì)均勻程度越低，相關(guān)區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)越強(qiáng)烈，地震活動(dòng)水平越高（朱新運(yùn)等，2006a、2006b）。本文依據(jù)Aki尾波單次散射模型，利用南天山西段10個(gè)臺(tái)站附近地震事件頻帶資料計(jì)算了相應(yīng)的尾波QC值，計(jì)算得到介質(zhì)品質(zhì)因子Q0值的平均值在140～390之間，頻率相關(guān)系數(shù)η的平均值在0.62～1.00之間。從Q0值大小分布來(lái)看，喀什、烏恰、阿圖什等臺(tái)站Q0值最小；與不同區(qū)域Q值及頻率相關(guān)系數(shù)相比較，本文研究區(qū)的Q0值較低，這與本地區(qū)的地震活動(dòng)性相一致，表明該地區(qū)是以低Q0高η值為特征的構(gòu)造活躍區(qū)。