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福建水口及仙游地震序列的譜振幅相關系數變化特征

2016-11-29 06:00:32袁麗文李強陳智勇
華南地震 2016年3期
關鍵詞:仙游水口臺站

袁麗文,李強,陳智勇

(福建省地震局,福州350003)

福建水口及仙游地震序列的譜振幅相關系數變化特征

袁麗文,李強,陳智勇

(福建省地震局,福州350003)

利用福建省數字地震臺網記錄的波形數據,計算了水口和仙游地震序列的譜振幅相關系數,結果顯示水口序列譜振幅相關系數在0.90-0.98之間變化,相關系數高,序列地震震源機制解相似程度高;仙游序列譜振幅相關系數在0.72-0.81之間變化,相關系數略低,震源機制解整體相似程度不高。結合福建地區(qū)同期地震活動背景水平分析認為,較高的譜振幅相關系數與福建地區(qū)較高的背景應力積累水平存在一定相關性。水口和仙游序列譜振幅相關系數時序變化顯示,序列最大地震發(fā)生前的譜振幅相關系數存在上升變化,顯示較大地震發(fā)生前震區(qū)應力水平有增強跡象。

地震序列;譜振幅相關系數;震源機制一致性;應力水平

0 引言

基于多種孕震物理模式的研究發(fā)現(xiàn),在大地震孕育過程中,震前在震源區(qū)及鄰近地區(qū)應力水平有增強過程。在區(qū)域應力水平增強的背景下,震源區(qū)介質的微裂隙呈現(xiàn)某一優(yōu)勢方向上的定向排列,介質各向異性增強,強震前的前震序列震源機制解應趨于一致。我國研究學者對國內外多次強震前小震的震源機制解進行了研究,顯示出主震前中小地震震源機制解趨于一致的現(xiàn)象明顯[1-5]。因此,利用小震震源機制解一致性判定小震群后續(xù)地震活動趨勢,,進而判定小震群序列類型是可行的。然而,受觀測臺網布局和臺站密度等的觀測條件的限制,有時直接求解小震群中大量中小地震的震源機制解存在一定困難,其求解精度也難以保證。因此,Lund等[6]提出了微震體波譜振幅相關分析方法,將求解大量中小地震震源機制解是否相似的問題轉化為求解其零頻譜振幅是否相關的。

國內許多研究人員利用譜振幅相關系數方法開展了一系列地震序列的研究工作,獲得了譜振幅相關系數與序列地震震源機制一致性、區(qū)域應力水平和地震活動趨勢判定等的研究成果。崔子健[7]等對云南西北部5組小震群序列開展了震例的回溯性檢驗工作,通過譜振幅相關系數的研究顯示,前兆震群的譜振幅相關系數較高,一般性的非前兆震群活動其譜振幅相關系數較低,提出可利用譜振幅相關系數的大小判定小震群的前兆性質,從而進行區(qū)域地震危險性預測研究。黃浩等[8]對滇西地區(qū)6組地震序列(含4種不同序列類型)進行譜振幅相關系數研究,分析認為其較高的譜振幅相關系數與區(qū)域較高的應力積累水平有關,利于后續(xù)中強地震的發(fā)生,但不能把譜振幅相關系數較高作為判定前震序列的充分條件。王瑩等[9]對陜西及周邊地區(qū)4個中小地震叢集序列進行了研究,指出譜振幅相關系數較高的地震序列所在區(qū)域,其后續(xù)強震危險性較大。除了上述利用強震發(fā)生前的小震序列譜振幅相關系數進行中強地震活動趨勢預測之外,也有研究通過對主震后余震序列譜振幅相關系數的時序分析,指出余震活動時段的譜振幅相關系數上升或持續(xù)高值可能與強余震活動或震源區(qū)周邊中強地震活動有關[10-11],若余震序列的譜振幅相關系數下降,則后續(xù)余震活動發(fā)生更大地震可能性不大[12]。張致偉等[13]將譜振幅相關系數和地震視應力研究結合起來,對四川自貢和長寧兩個注水誘發(fā)的地震序列進行了研究,指出譜振幅相關系數的高值不一定對應區(qū)域處于高應力水平,也可能是區(qū)域應力場受到流體作用影響。此外,亦有研究人員利用振幅相關系數的聚類分析法研究序列地震震源機制變化特征,由震源機制一致性增強或減弱的變化來判定區(qū)域未來發(fā)生中強地震的危險性[14-16]。

本文利用譜振幅相關系數方法,對近年來福建省最顯著的水口和仙游地震序列活動進行分析研究,類比已有震例的研究結果,分析兩個序列譜振幅相關系數變化與震源機制一致性、序列顯著地震活動和區(qū)域應力水平的相關性。

1 原理及方法

地震記錄位移譜包含了震源效應、地震與臺站之間的傳播路徑效應、臺站場地效應、臺站附近的地面運動噪聲、地震儀的儀器響應和臺站附近地表自由表面效應等信息,可將其表達為:

其中,Uij(f)表示地震i在臺站j記錄到的位移譜,f為頻率;i為地震;j為臺站;Si(f)為地震i包含輻射圖型因子的震源譜;Pij(f)為地震i與臺站j之間的傳播路徑效應;Nj(f)為臺站j附近的地面運動噪聲;L'j(f)為臺站j處的局地場地效應;Ij(f)為臺站j的儀器響應;Surj為臺站j附近地表的自由表面效應。

Si(f)為地震i包含輻射圖型因子的震源譜,可表達為:

式(2)中,S'i(f)為地震i的震源譜;φij為地震i的震源輻射圖型因子。震源輻射圖型因子包含了震源處地震的震源機制信息(斷層的走向、傾角、滑動角)和震源位置信息(震源到臺站的方位角、離源角)。

根據Brune模型[17],地震i的震源譜可表達為:

式(3)中,Ω'0i為地震i的零頻極限值;fc為拐角頻率。

將(3)式帶入(2)式中有:

式(4)中,Ω'0iφij表示臺站j記錄到的地震i的包含輻射圖型因子的震源譜零頻極限值,即譜振幅Ω0ij。

地震i與臺站j之間的傳播路徑效應可表示為:

式(5)可見,地震與臺站間的傳播路徑效應受到幾何擴散因子Gij、震源距Rij、介質品質因子Q(f)和地震波波速v的影響。當兩次地震被同一個臺站記錄到,且兩次地震之間的距離足夠接近時,其傳播路徑效應幾乎相等。

當地震x和地震y的距離足夠接近時,地震射線到同一臺站的傳播路徑幾乎一樣,即Pxj(f)與Pyj(f)幾乎相等,根據公式(4)可見,臺站j記錄到的地震x和地震y的地面運動位移譜Uxj(f)、Uyj(f)與Ω'0x、Ω'0y和φxj、φyj有關。當震源機制相同的情況下,即φxj=φyj時,地面運動位移譜只與Ω'0x、Ω'0y的相對大小有關;在震源機制不同的時,則還與表征震源機制信息的φxj、φyj有關。因此,通過地震記錄反演譜振幅時,若震源機制相同,反演得到的譜振幅Ω0xj和Ω0yj的相對大小只與Ω'0x和Ω'0y的相對大小有關;否則,還與震源機制有關。因此,可由臺站記錄反演地震x與y的譜振幅,通過計算相關系數rxy來描述兩次地震震源機制是否相似的問題。

地震x與y的譜振幅相關系數rxy可表示為[6]:

式(9)中:xjl和yjl分別表示臺站j記錄的地震x和y的l分量波形資料反演所得到的譜振幅Ω0xj和Ω0yj的對數值;l為地震波形的分量,包含P波垂向、徑向和S波垂向、徑向和切向共5個分量,對地震波形的5分量分別計算譜振幅,而后進行互相關計算,可以充分利用地震波形所包含的震源機制信息,提高研究結果信度。

對一組地震序列按地震發(fā)生時間順序進行排列,序列第m(m≥2)次地震與前面m-1次地震編為一組,計算組內兩兩地震之間的譜振幅相關系數rxy,將所有兩兩地震間的相關系數求算數平均值,則得到第m個地震時的譜振幅相關系數。以滑動步長為1進行滑動,依次完成每個地震時刻譜振幅相關系數的計算,則可得到隨時間變化的譜振幅相關系數。

根據上述原理分析,對水口和仙游地震序列采取如下計算步驟:

(1)收集水口和仙游序列地震波形資料。

(2)將南北、東西和垂直向的三分量地震記錄旋轉到徑向、切向和垂直向上,采用延遲時間窗方法[18-19]計算地震位移譜。圖1為本文使用的一個地震的旋轉后的波形及其位移譜圖像。

(3)分別利用水口和仙游周邊地區(qū)背景地震資料(圖2),采用多臺聯(lián)合反演方法[20]反演水口和仙游地區(qū)的Q值,得到水口地區(qū)QP=34.8f0.906,QS=83.5f0.829;仙游地區(qū)QP=47.7f0.843,QS= 210.5f0.631。

(4)采用Moya等[21]引入的遺傳算法反演各臺站的場地效應。

(5)獲得經過傳播路徑、場地響應、噪聲和儀器響應校正后的譜振幅,并計算譜振幅相關系數。

2 計算結果

2.1 2007至2008年水口地震序列

福建水口地區(qū)自1993年7月開始小震活動,之后地震活動呈斷續(xù)起伏狀態(tài),但震級水平不高,但自2007年10月開始,水口地區(qū)地震活動頻次和強度水平顯著上升,截止2008年12月共發(fā)生ML2.5級以上地震45次,其中ML4.0級以上地震3次,最大地震為2008年3月6日福建水口ML4.8級地震(26.37°N,118.67°E)。本研究利用南平臺(NAP)、福州臺(FUZ)、閩清臺(MIQ)、古田臺(GUT)、尤溪臺(YOX)、寧德臺(NID)、德化湯頭臺(DHTT)等7個地震臺站記錄到的33次ML2.5級以上地震(圖3)的波形資料計算譜振幅相關系數。水口序列地震的譜振幅相關系數在0.90~0.98之間變化(圖4),相關系數數值高,表明序列小震震源機制解一致性好。

圖1 永定臺(YOD)記錄到的一次地震的波形(a)及計算所得的相應觀測位移譜(b)Fig.1 Waveform of one earthquake recorded by YOD station(a),and the calculated spectrum of the observed displacement(b)

圖2 地震與臺站射線分布圖Fig.2 Distribution of earthquakes and stations

2.2 2012至2014年仙游地震序列

福建仙游地區(qū)自2010年10月開始小震群活動,隨后地震活動斷續(xù)起伏,截止2014年12月序列仍有ML2.0級以上地震活動。序列共發(fā)生ML4.0級以上地震5次,其中最大地震為2013年9月3日福建仙游ML5.0(MS4.8)級地震(25.63°N, 118.75°E)。本研究利用安溪長坑臺(AXCK)、安溪參內臺(AXCN)、德化唐寨臺(DHTZ)、福清東張臺(FQDZ)、福州城門臺(FZCM)、福州瑯岐臺(FZLQ)、福州日溪臺(FZRX)、惠安凈峰臺(HAJF)、閩侯竹岐臺(MHZQ)、閩清東橋(MQDQ)、莆田埭頭(PTDT)、莆田荔城臺(PTLC)、莆田湄洲臺(PTMZ)、莆田南日臺(PTNR)、泉港前黃臺(QGQH)、泉州臺(QZH)、仙游西苑臺(XYXY)、永春石鼓臺(YCSG)、永泰葛嶺臺(YTGL)、永泰蓋洋臺(YTGY)、尤溪坂面臺(YXBM)等21個地震臺記錄到的52次ML2.5級以上地震(圖5)的波形資料計算譜振幅相關系數。仙游序列地震譜振幅相關系數在0.72~0.81之間變化(圖6),相關系數略低,說明序列小震震源機制一致性不高。

圖3 2007—2008年水口地震序列及周邊臺站分布Fig.3 Earthquakes and stations around Shuikou area between 2007 and 2008

圖4 水口地震序列譜振幅相關系數和M-t圖Fig.4 The correlation coefficient of spectral amplitude and M-t plot of Shuikou earthquake sequence

3 討論與結論

3.1 譜振幅相關系數與序列地震參數

譜振幅相關系數從震源物理角度提供了對震源機制解一致性、區(qū)域應力場狀態(tài)的描述,為判定地震序列活動趨勢提供了重要信息。在我國的地震分析預報實踐中,許多學者利用地震目錄,通過多大量震例的分析研究,總結出了利用表征震群能量釋放均勻度U值、震群歸一化信息熵K值、序列地震時間叢集程度ρ值、序列頻次衰減快慢程度h值和序列大小地震比例關系b值等對序列活動特征及趨勢進行判定,并提出了一套關于前兆震群判定的指標體系[22-24]。當其中任一參數符合前兆震群閾值范圍,則判定震群為前兆震群,通常多指標判定效果優(yōu)于單一指標。鑒于水口和仙游地震序列持續(xù)活動時間較長,序列地震活動活躍-平靜交替現(xiàn)象明顯,根據序列參數定義,對兩個序列進行分時段序列參數的計算。U值、K值、ρ值、b值和h值計算結果見表1。

圖5 2012—2014年仙游地震序列及周邊臺站分布Fig.5 Earthquakes and stations around Xianyou area between 2012 and 2014

圖6 仙游地震序列譜振幅相關系數和M-t圖Fig.6The correlation coefficient of spectral amplitude and M-t plot of Xianyou earthquake sequence

表1 水口、仙游地震序列測震學參數統(tǒng)計表Table 1 The seismometry parameters of Shuikou and Xianyou earthquake sequence

從表1中看出,編號1的水口序列h值,ρ值符合前震序列判斷閾值,該序列具有前兆性質,且該時段內譜振幅相關系數高,尤其在2007年10月為研究時段的最高值,顯示這一時期區(qū)域應力場增強,小震震源機制解一致性程度增強,隨后發(fā)生2008年3月6日水口ML4.8級地震(序列最大地震),該地震后水口序列持續(xù)活動;編號2地震序列參數計算結果僅ρ值還存在一定的前兆性質,同期譜振幅相關系數雖然數值高,但整體呈下降趨勢(圖4),隨后水口序列雖然仍持續(xù)了長時間的活動,但整體地震活動水平呈衰減狀態(tài)。編號3的仙游序列除K值不符合前震序列判斷閾值外,其余參數均表現(xiàn)出明顯的前兆性質,該時段發(fā)生的最大地震為2012年4月15日仙游ML4.1級地震,譜振幅相關系數為研究時段內最高,且ML4.1級地震前相關系數逐漸增大,顯示小震震源機制解趨于一致;編號4與編號5的仙游序列U值和ρ值符合前震序列判斷閾值,顯示序列具有一定的前兆性質,但對比編號3的前兆性質不明顯,同期譜振幅相關系數處于研究時段較低水平(圖6)。綜上所述,水口和仙游序列分時段的序列參數計算均顯示出一定的前兆性質,兩個序列最大地震發(fā)生前的序列參數其前兆性質更為明顯,相應的譜振幅相關系數也相對較高。

3.2 譜振幅相關系數與震源機制解

利用P初動求解了研究時段內水口序列ML3.0級以上地震震源機制,顯示具有較好的一致性,與譜振幅相關系數在高值波動(0.90~0.98)所顯示出的震源機制解一致性好是吻合的;利用Hash方法求解了研究時段內仙游地區(qū)150次ML2.0級以上震源機制,其震源機制解一致性較好,但其譜振幅相關系數在0.72~0.81之間變化,數值略低,顯示出震源機制解一致性程度不高,分析認為這種差異性的存在可能與應力水平的高低有關。

3.3 譜振幅相關系數與應力水平

從譜振幅相關系數的時序變化來看,在兩個序列最大地震發(fā)生前,譜振幅相關系數均存在高值上升而后下降的變化,顯示出序列顯著地震前局地的區(qū)域應力場有增強的現(xiàn)象。從譜振幅相關系數數值來看,水口序列高于仙游序列。本文水口序列譜振幅相關系數研究時段(2007—2008年)前后,福建省正處于ML4.0級地震集中活躍時期,2007—2009年福建省陸域及近海發(fā)生10次ML4.0級以上地震(含水口地區(qū)3次),是我省1971年以來陸域ML4級地震最活躍時期,其中9次發(fā)生在以水口為中心半徑200 km范圍內,水口序列的譜振幅相關系數的高值與福建地區(qū)整體處于高應力背景水平有關。仙游序列譜振幅相關系數數值略低,仙游序列ML4.0級地震活動前福建省ML4.0級以上地震持續(xù)平靜超過3年,且ML3級地震活動水平偏低,仙游序列地震活動平靜后,福建地區(qū)地震活動也逐漸平靜,截止2015年底超過2年福建地區(qū)未發(fā)生ML4.0級以上地震。由此可見,仙游序列發(fā)生前后福建地區(qū)中等地震活動水平低,福建地區(qū)處于較低的應力背景水平,與其譜振幅相關系數偏低一致。仙游序列中等地震活動主要受制于小區(qū)域的應力調整活動,不存在福建整體區(qū)域的高應力背景。

致謝:中國地震局預測研究所崔子健博士為本研究提供了計算程序,并在程序使用等方面提供了悉心的幫助與指導;福建數字地震臺網為本研究提供了高質量的觀測數據。作者在此一并表示感謝。

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Variation Characteristics of the Correlation Coefficient of Spectral Amplitude of Shuikou and Xianyou Earthquake Sequences in Fujian

YUAN Liwen,LI Qiang,CHEN Zhiyong
(Earthquake Administration of Fujian Province,F(xiàn)uzhou 350003,China)

By using digital seismic waves recorded by Fujian Digital Seismic Network,the paper calculated the correlation coefficient of spectral amplitude of Shuikou and Xianyou earthquake sequences.The results shows that the correlation coefficient of spectral amplitude of Shuikou varies between 0.90-0.98,the high value of correlation coefficient indicates that the focal mechanism of the Shuikou small earthquakes are more consistent; the correlation coefficient of spectral amplitude of Xianyou varies between 0.72-0.81,the lower value of correlation coefficient indicates that the focal mechanism of the Shuikou small earthquakes are less consistent. Considering the seismicity background in Fujian area,the high correlation coefficient of spectral amplitude is related to the high background stress level in Fujian.The rising changes of correlation coefficient of spectralamplitude before maximum earthquake may be caused by the enhance of regional stress level.

Earthquake sequence;Correlation coefficient of spectral amplitude;Consistency of focal mechanism;Stress level

P315.31

A

1001-8662(2016)03-0035-08

10.13512/j.hndz.2016.03.005

2016-07-20

福建省地震局青年科技基金(Y201302)資助

袁麗文(1982-),女,工程師,碩士,主要從事地震活動性及數字地震學研究工作.

E-mail:lwysz@126.com.

袁麗文,李強,陳智勇.福建水口及仙游地震序列的譜振幅相關系數變化特征[J].華南地震,2016,36(3):35-42.YUAN Liwen,LI Qiang,CHEN Zhiyong.Variation Characteristics of the Correlation Coefficient of Spectral Amplitude of Shuikou and Xianyou Earthquake Sequences in Fujian[J].South china journal of seismology,2016,36(3):35-42.]

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