依舒斷裂帶北段尾波Q值特征研究

李繼業(yè) 孫鵬宇 武曉軍 張彥吉任建輝 秦麗巖 孫強

1）黑龍江省地震局，哈爾濱市南崗區(qū)鴻翔路24號 150090 2）哈爾濱市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)委員會，哈爾濱 150700

3）哈爾濱市防震減災(zāi)技術(shù)中心，哈爾濱 150021

0 引言

地震波Q值是除了地震波速度以外，用以研究地球深部結(jié)構(gòu)及地球動力的重要的地球物理學(xué)參數(shù)。它可以理解為地震波由于地殼層內(nèi)介質(zhì)不均勻性而引起的散射作用和介質(zhì)產(chǎn)生了非彈性吸收而導(dǎo)致的地震波能量衰減。一般情況下地震波衰減在橫向上變化量級在幾十倍以上，但地殼和上地幔地震波速度在橫向上的變化未超過10%。研究表明，地震波穿過構(gòu)造活動相對穩(wěn)定地區(qū)時，能量衰減不明顯且具有高Q值；而穿過構(gòu)造活動地區(qū)時，能量會發(fā)生強烈衰減且具有低Q值。所以對地殼Q值的研究，可以更加準(zhǔn)確地認(rèn)識地殼結(jié)構(gòu)特征，更好得認(rèn)識地殼內(nèi)低速層、斷層分布以及深部動力學(xué)特征。應(yīng)力變化造成巖石性質(zhì)發(fā)生變化，例如流體的遷移、存在的裂隙狀態(tài)、熱物質(zhì)的上涌等，這些都有可能造成Q值的變化。通過研究Qc值的時間變化和空間分布特征，嘗試將其應(yīng)用于地震預(yù)測預(yù)報。

郯廬斷裂帶北段蘿北、通河地區(qū)經(jīng)常發(fā)生中小地震，地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，是黑龍江省地震監(jiān)測重點區(qū)域。利用Sato模型（Sato，1977）對依舒斷裂帶北段蘿北-通河地區(qū)（44°～49°N，126°～136°E）15個不同臺站記錄到的266個ML≥2.0地震尾波 Qc值進(jìn)行了分析和研究，討論了Qc值隨頻率變化的關(guān)系，對黑龍江省蘿北地區(qū)進(jìn)行了Q值計算，得到了該地區(qū)品質(zhì)因子隨著頻率變化的關(guān)系及Q0值的空間分布特征，有效地分析了該區(qū)域介質(zhì)狀態(tài)的變化過程，對蘿北地區(qū)地震活動性的研究和預(yù)測有指導(dǎo)意義。

1 Qc值計算方法

常用測量S波品質(zhì)因子QS的方法有兩類：一類是利用S波振幅隨距離衰減的性質(zhì)，常用的有Aki的尾波歸一法（Aki，1980），它適用于分布在一定距離范圍和多方位的多次地震的聯(lián)合使用，消除震源輻射方向性，求取平均值；另一類是利用尾波振幅隨時間衰減的性質(zhì)，有適當(dāng)長度單臺尾波記錄即可獲得結(jié)果，最常用的有單次散射的Aki和Chouet模型（Aki K et al，1975）以及 Sato模型（Sato，1977），可用于測量 QS，是因為許多觀測結(jié)果證明，尾波是由S波的散射波組成，尾波 Qc和 S波 QS一致（Rautian et al，1978；Aki，1980；Herrmann，1980）。尾波方法的優(yōu)勢在于僅用一個地震記錄，就可以得到Q值與頻率的關(guān)系（李白基等，2004），因而非常適合于依舒斷裂帶北段地震的尾波Q值的計算。

本文采用基于Sato（1977）提出的散射模型來計算地方震S尾波 Qc值：對于特定的頻率，可以將此種尾波的振幅和時間的關(guān)系表示為

式中，AS為 S波最大振幅；Ac（t）為流逝時間 t附近的尾波均方根振幅；a＝t/tS，tS為 S波的流逝時間；K（a）為依賴于時間的傳播因子；K（a）及 Ac（t）分別由下式給出

式中，AT為所取時間窗內(nèi)地震波均方根，An為P波到達(dá)前適當(dāng)時間段記錄的地震波均方根，用它進(jìn)行地震波的噪聲改正（高金哲，2007）。

式（1）中，C（f）為與頻率 f有關(guān)的影響因子，對同一地震的同一頻率，C（f）為常數(shù)，由此可見 F（f）與（t－tS）之間存在線性關(guān)系，因此可根據(jù)式（1）擬合得到斜率 b，b＝（2πf lg e）/Qc，就可得到該頻率點的Qc，然后由各個頻率點的Qc值，擬合出Qc（f）＝Q0fη，其中η為頻率依賴指數(shù)，與Q0呈負(fù)相關(guān)性。

2 數(shù)據(jù)選取

數(shù)據(jù)選取2002年以來黑龍江省數(shù)字地震臺網(wǎng)記錄到的ML≥2.0地震波形資料266條，采用朱新運等（2005）研制的基于Sato模型的近震S波尾波Qc值求解及分析軟件，利用依舒斷裂帶北段15個地震臺站（圖1）記錄到的三分向波形計算尾波Qc值，每個臺站選取一條尾波持續(xù)時間相對長且振幅不飽和、干擾小且S波清晰的地震波形，對尾波Qc值與頻率的關(guān)系進(jìn)行分析。在計算臺站周圍區(qū)域內(nèi)的平均尾波Qc值時，既要地震波形質(zhì)量好，還要考慮計算結(jié)果的殘差分布及標(biāo)準(zhǔn)偏差是否合適。在數(shù)理統(tǒng)計中，殘差是指實際觀察值與估計值（擬合值）之間的差，殘差越小，說明擬合結(jié)果越好。選取殘差處于正態(tài)分布，且標(biāo)準(zhǔn)偏差小于10的計算結(jié)果，這樣可信度高、可以應(yīng)用。

圖1 依舒斷裂帶北段地震和周邊臺站分布

3 依舒斷裂帶北段Qc值空間分布特征分析

計算時使用6級Butterworth濾波器進(jìn)行濾波，尾波段起點取2倍的S波走時，采樣窗長取2s，采樣步長取0.5s，為保證數(shù)據(jù)可靠，尾波截斷處信噪比大于2。每條地震記錄以4～18整數(shù)頻率點為中心頻率，計算15個頻率點數(shù)據(jù)，對Qc值與頻率之間的依賴關(guān)系進(jìn)行擬合，由Qc值的求解公式可以得知，Qc值與頻率成正比關(guān)系，即頻率越高，Qc值越大。當(dāng)頻率f為1時，得出每個地震的Q0值（表1）。由于有的臺站記錄信噪比不高，可用于計算的地震記錄也相對較少；有的臺記記錄波形樣本數(shù)存在較大差異，導(dǎo)致能得到較好擬合結(jié)果的地震射線不多，所以樣本少的臺站結(jié)果只能作為該地區(qū)介質(zhì)均勻程度好壞的一個參考值。

表1 依舒斷裂帶北段附近15個臺站周圍平均Q0值及平均η值

尾波Qc值與區(qū)域構(gòu)造活動及地震活動性密切相關(guān)，主要反映了震源和地震臺站周圍介質(zhì)的平均性質(zhì)（朱新運等，2006），Qc值的變化反映了構(gòu)造活動時應(yīng)力的變化。構(gòu)造活動越強烈的地區(qū)，這個半橢球體的介質(zhì)的均勻程度就越低，地震波射線穿過此介質(zhì)時能量的消耗就越大，衰減就會越快，Q值就會比較低；而在構(gòu)造活動比較穩(wěn)定的地區(qū)則相反，即地下介質(zhì)的均勻程度越高，地震波射線在穿過該介質(zhì)時衰減就越慢，Q值就越高（萬永革，2016）。一般而言，Q0值與其對應(yīng)的頻率依賴指數(shù)η值之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，即Q0值越小，對頻率的依賴程度越大，相關(guān)區(qū)域地殼均勻程度就越低，地震活動水平也越強；否則Q0值越大，對頻率的依賴程度越小，地殼均勻程度就越高，有關(guān)區(qū)域構(gòu)造活動水平也越弱（Singh et al，1983；Rhea，1984；劉長生等，2015）。

通過計算依舒斷裂帶北段15個地震臺站周邊地區(qū)Q0值，發(fā)現(xiàn)依舒斷裂帶北段Q0值具有顯著的分區(qū)特征，呈南、北地區(qū)高，東、西地區(qū)偏低的分布特征（圖2），其中蘿北地區(qū)和通河地區(qū)Q0值相對較高，且蘿北地區(qū)Qc值又遠(yuǎn)低于通河地區(qū)；同時，依舒斷裂帶北段的蘿北、通河地區(qū)也是黑龍江省內(nèi)中小地震活動最頻繁的兩個地區(qū)，且蘿北附近地區(qū)地震活動頻次和強度遠(yuǎn)高于通河附近地區(qū)，這與前人研究的Q0值與地震活動性之間的關(guān)系規(guī)律基本一致。

圖2 依舒斷裂帶北段Q0值等值線（f＝1Hz）

為進(jìn)一步驗證計算結(jié)果的可靠性，繪制了 f＝11Hz時依舒斷裂帶北段 Qc值等值線圖（圖3），通過對圖2、3對比可以看出，不同頻率下的蘿北、通河附近地區(qū)Q值分布特征一致，二者之間的相互差異也比較一致，說明本文計算結(jié)果可靠。這種差異特征是由于蘿北和通河地區(qū)都位于依舒斷裂帶北段，依舒斷裂帶是黑龍江省東部地區(qū)地震活動的控制構(gòu)造帶，該斷裂帶附近中小地震活動頻繁，長期的中小地震活動造成這2個區(qū)域附近的介質(zhì)破碎程度增加，介質(zhì)中的應(yīng)力無法過度累積，只能以中小地震的形式釋放掉，不易積累更大的能量，因此這2個區(qū)域的應(yīng)力一直處于積累-釋放的循環(huán)過程。由于區(qū)域介質(zhì)承受的應(yīng)力不斷變化，導(dǎo)致地殼介質(zhì)的彈性強度和均勻性逐漸增強，于是地震波傳播過程中損耗的能量減少，造成依舒斷裂帶北段蘿北和通河附近的Q0值相對較高。

4 結(jié)論

本文以Sato模型作為理論基礎(chǔ)，研究了郯廬斷裂帶北段蘿北、通河附近地區(qū)尾波衰減特征，得出如下結(jié)論：

（1）本文對依舒斷裂帶北段15個數(shù)字化地震臺站接收到的266條地震波形進(jìn)行分析和處理，計算了15個臺站地下及周圍介質(zhì)平均 Qc值，黑龍江蘿北及周邊地區(qū)平均 Qc（f）＝（24.24±9.527）f0.9951±0.1340。

（2）黑龍江蘿北、通河附近地區(qū)Qc值具有明顯的復(fù)雜性和差異性，且蘿北地區(qū)Qc值遠(yuǎn)低于通河地區(qū)，其原因一方面與這兩個區(qū)域構(gòu)造活動有關(guān)，另一方面與區(qū)域地殼構(gòu)造復(fù)雜、地下介質(zhì)破碎、區(qū)域應(yīng)力不斷變化有關(guān)。

（3）地震尾波是巖石介質(zhì)中的非均勻體散射產(chǎn)生的，巖石裂隙也是非均勻體的重要部分，是導(dǎo)致地震波散射的重要原因，應(yīng)力變化導(dǎo)致巖石裂隙特征如裂隙長度、寬度、流體靜壓力等的變化會給地震波散射造成直接影響。由于尾波Q值產(chǎn)生的機制比較復(fù)雜，與反映的采樣范圍、各次散射的成分及區(qū)域構(gòu)造有關(guān)，且有些機制尚存爭議，所以本文得到的結(jié)果及相應(yīng)的解釋是初步的，還有待于進(jìn)一步的探討。

圖3 依舒斷裂帶北段Qc值等值線（f＝11Hz）

致謝：本文采用浙江省地震局朱新運和中國地震臺網(wǎng)中心劉杰研制的尾波分析軟件進(jìn)行計算，審稿老師提出了建設(shè)性修改意見，特此致謝。