新疆柯坪塊體震源參數的初步研究與應用①

潘振生，劉 輝，谷美菊，李曉東，沈 琦

（新疆維吾爾自治區地震局阿克蘇中心地震臺，新疆阿克蘇 843000）

新疆柯坪塊體震源參數的初步研究與應用①

潘振生，劉 輝，谷美菊，李曉東，沈 琦

（新疆維吾爾自治區地震局阿克蘇中心地震臺，新疆阿克蘇 843000）

采用多臺多地震聯合反演的方法得到了新疆柯坪塊體2006－2008年53次MS≥3.0中小地震的震源譜，進而計算了103次MS≥2.5地震的應力降、地震矩、震源破裂半徑、視應力等震源參數，并討論了它們與震級之間的關系。在此基礎上分析了2006年以來柯坪塊體上普昌斷裂兩側區域及整個塊體上應力降和地震視應力空間演化特征，并結合柯坪5.2級地震對研究結果應用于地震趨勢預測和短臨跟蹤的可行性進行了探討。

震源參數；聯合反演；柯坪塊體；應力降；視應力

Abstract：Using the joint inversion method，we obtain the source spectrums of 53 MS≥3.0earthquakes in Keping block，Xinjiang Uygur Autonomous Region，form 2006to 2008，calculate the source parameters of 103 MS≥2.5earthquakes such as seismic moments，stress drops，apparent stress，corner frequencies，and discuss the relationships between these parameters and magnitude.Based on this work，the spatial－temporal evolution patterns of stress fall，apparent stress in Keping block and on both sides of Puchang fault are separately analyzed.The possibility for applying the results to earthquake tendency forecast and short－term seismic activity tracing is also discussed with the case of Keping MS5.2earthquake in 2009.

Key words：Source parameters；Joint inversion；Keping block；Stress fall；apparent stress

0 前言

隨著數字觀測技術及數字地震學的迅速發展，應用數字地震波進行震源參數的計算和研究，并將研究成果應用于地震預報及大震后地震趨勢的快速判定，已經取得了大量的研究成果和較好的地震預報效果［1－8］。目前中國地震局和許多省局已開展了新參數地震目錄的研究工作，此項工作將對地震預報的效能和水平產生深遠的影響。本文選取新疆境內具有相對獨立構造單元的柯坪塊體（N39.5°－ 41.8°，E75.1°－80.0°）作為研究區，采用多臺多地震聯合反演震源參數（包括震源尺度、拐角頻率、應力降和視應力等）的方法，計算柯坪塊體2006－2008年中小地震的震源參數，初步求得應力降、視應力等震源參數的背景值，為今后柯坪塊體及其周邊地區中強以上地震的分析預報提供基礎性的研究資料，以期對柯坪塊體未來的地震趨勢做出一定程度的預測。

1 方法簡介及資料處理

影響震源參數計算結果的主要因素有兩個：第一個為傳播路徑、場地響應、儀器響應和震源效應等；第二個主要是從位移譜中讀取低頻水平和拐角頻率是否具有一定的合理性和客觀性［9］。本文采用多臺多地震聯合反演法：先將各臺得到的記錄觀測譜歸算到震源譜，理論上由各臺歸算得到的震源譜應該是相同的，因此可將各臺得到的震源譜進行疊加，得到多臺合成的平均震源譜；再由多臺合成的平均震源譜求取一個低頻幅值和一個拐角頻率；最后求出各震源參數。具體方法為：（1）采用Atkinson提出的方法計算非彈性衰減系數Q值：首先在某個頻率上設定區域的品質因子Q值，對臺站記錄進行幾何擴散和非彈性衰減校正，得到相應地震的譜振幅；對同一地震的譜振幅求平均，利用各臺站與平均振幅之間的差異確定臺站的場地響應；再考慮各臺站場地響應，重新計算各臺站經過校正后的平均譜振幅，調整Q值反復計算，使各臺站得到的上述譜振幅的殘差最小，最終得到該區域的非彈性衰減系數c（f），介質的品質因子Q（f）以及品質因子Q（f）與頻率的關系D（f）＝Q0fγ。（2）采用Moya方法確定每個地震的震源譜參數和臺站的場地響應。（3）將轉換后的場地響應代入Atkinson方法，進行Q值、幾何衰減和非彈性校正。（4）應用程序得到研究區每個地震的平均震源譜，然后在ω平方震源模型約束下用遺傳算法搜索得到每個地震震源譜的零頻譜值和拐角頻率，最后根據Brune的圓盤震源模型計算各震源參數。

柯坪塊體位于南天山地震帶西段，是一個相對獨立的構造單元，主要由坷坪、托特拱拜孜、闊克薩勒、哈爾克、普昌斷裂構成［10］。上述斷裂均為深達巖石圈的大斷裂［11］。其中坷坪、闊克薩勒、哈爾克斷裂的走向為NEE，托特拱拜孜斷裂呈近EW向展布。NNW走向的普昌斷裂斜切柯坪斷裂和托特拱拜孜斷裂，將柯坪塊體分為東、西兩部分。普昌斷裂東側構造性質簡單，西側斷裂分布及斷裂性質較為復雜。柯坪塊體是新疆乃至全國6級地震活動的主體區域，破壞性地震沿柯坪斷裂頻頻發生［12］，發生在柯坪塊體西部的1902年阿圖什地震是有記錄以來南天山地震帶的最大地震，其發震構造為有走滑分量的NEE向托特拱拜孜斷裂［13］。研究區內中小地震頻發，2006年1月至2008年12月共發生100多次2.5級以上地震。

研究區內的阿圖什、西克爾等8個數字地震臺，基本上沿斷裂的走向分布，東西跨度約420km，南北跨度約200km，組成了一個相對獨立的數字地震觀測臺網（圖1）。8個臺站的臺基均為基巖，使用的儀器為16位數據采集器的CMG－3ESPC型、BBVS－60型數字地震計和24位數據采集器的CTS－1型數字地震計，2007年4月數據采集器的采樣率為由50Hz升級為100Hz。因儀器架設的時間不同（阿克蘇、阿合奇、巴楚、烏什、八盤水磨臺2006年1月之前架設，其余3個臺架設于2006年1月之后），所選的資料的時段也不同。研究時段內的每個地震都至少被4個以上的臺記錄到，每個臺環境噪聲水平都在Ⅱ級以上。所選地震和臺站基本覆蓋了該研究區，基本能夠滿足多臺多地震聯合反演法所需條件，具體分布見圖1。本文計算了柯坪塊體103次MS≥2.5地震的應力降、地震矩、震源破裂半徑、震源破裂面積等震源參數，考慮到柯坪塊體上普昌斷裂兩側區域構造性質的不同，對這兩個區域的震源參數進行了對比分析。

圖1 柯坪塊體臺站及所選地震分布圖Fig.1 Distribution of seismic stations and chosed earthquakes in Keping block.

2 柯坪塊體介質品質因子Q的計算結果

非彈性衰減系數與頻率有明顯的依賴關系，在考慮頻率依賴的Q模型時，通常用頻率的冪函數，即Q（f）＝Q0fγ的形式來擬合Q與頻率的關系，參數γ反映了Q對頻率的依賴程度［14］。本文挑選出柯坪塊體2006年1月至2008年12月，8個臺站記錄較好，擬合效果好的MS3.0以上的53個地震反復反演計算介質品質因子Q（f）與頻率的關系為：Q＝298.1＊f0.453（圖2）。從圖2可以看出，Q值與頻率變化的線性關系較好，27個頻點基本上在一條直線附近上下波動。

3 各種震源參數結果及其相互關系分析

圖2 坷坪塊體介質品質因子與頻率關系圖ig.2 Relationship between the medium quality factors and frequencies in Keping block.

3.1 地震矩、矩震級與震級之間的關系

地震矩Mo是對斷層滑動引起的地震強度的直接測量，地震波振幅低頻成分越大周期越長。研究中選用了研究時段內柯坪塊體上震級為ML3.2～ 4.7的103次地震，計算得到的標量地震矩介于1020～1021dyn·cm之間。在單對數坐標下Mo與ML震級呈現出很好的相關性（圖3），用最小二乘法擬合其相關系數為97.4%，擬合得到二者的關系為lg Mo＝0.905 ML＋17.67

圖3 坷坪塊體地震矩與震級關系圖Fig.3 Relationship between the seismic moments and magnitudes in Keping block.

矩震級反映了形變規模的大小，是目前量度地震大小的最好物理量，也是一個描述地震大小的絕對力學標度，不會產生飽和問題。研究中反演計算了ML≥3.2（MS2.5）的103次地震矩震級，統計后發現，ML震級均大于矩震級Mw，此結論與夏愛國等用聯合反演法計算得出的天山中東段ML＞3時，ML＞Mw的結論基本一致［1］。

3.2 震級與應力降及視應力之間的關系

應力降是表征地震瞬間錯動時位錯面上的應力變化。中強地震前應力降有明顯的升高，尤其是S波段計算得到的應力降震前升高的趨勢更加明顯［15］，因此跟蹤研究應力降值的變化可作為未來大震發生的依據。研究區內中小地震的應力降與震級的關系見圖4（a）。可以看出應力降隨震級變化基本呈離散狀態。但從應力降隨震級變化的優勢分布上大致可看出有兩段變化趨勢：ML＜4.2的地震應力降值變化范圍較大，應力降隨震級增大有著某種增大的趨勢（圖4（a）中的兩條虛線區域）；ML＞4.2的地震的應力降隨震級變化不明顯，其中大部分地震的應力降處在100～220bar之間，變化范圍較小。由此可以得出如下結論：聯合反演計算出的ML＞4.2（MS3.7）的地震的應力降可以直接應用于地震預報和日常短臨跟蹤工作中。

地震視應力是地震效率和震源平均應力的乘積，可以通過平均應力反映震源平均的強弱，在地震學中可以用視應力描述區域應力的水平。Pulido和Irikura（2000）根據震源破裂過程的數字地震成像的結果，通過地震能量和視應力的時間變化，估計決定地震破裂性質的動力學參數。因此地震視應力可能具有大震前的某種前兆信息。Choy和Boatwright（1995）根據美國國家地震信息中心（NEIC）的寬頻帶輻射能量測定結果和哈佛矩心矩張量（CMT）測定結果，討論了全球地震視應力的分布，得到全球地震視應力的平均值為0.5MPa。吳忠良等用類似的方法和資料計算了中國大陸地震的視應力分布，發現中國大陸地震的視應力略高于全球平均水平［16］。將地震視應力的定義為［4］

式中，σapp為地震視應力；β為S波速度，根據王盛澤等（1988）在新疆分區地殼模型中對柯坪塊體極其附近地區地殼中上部橫波速度結構的研究結果，本文取β＝3.397km／s；μ為震源區介質剪切模量，計算時取μ＝3.0×10MPa（Choy，Boatwright，1995）；ρ為介質密度，本文取ρ＝2.7×10kg／m3；Rθφ為S波的輻射圖型因子，取Rθφ＝（Andrews，1986）。

圖4 坷坪塊體應力降、視應力與震級關系圖Fig.4 Relationships between the stress drop，apparent stress and magnitudes in Keping block.

本研究中根據柯坪塊體中小地震反演得出的地震距Mo和fc計算出該區域中小地震的平均視應力1.76MPa，是全球平均值的3倍多。圖4（b）給出了視應力與震級之間的關系，可以看出視應力隨震級的變化不明顯。因此由聯合反演結果計算出的視應力可以直接應用于地震預報和日常短臨跟蹤工作中。

4 柯坪塊體震源參數計算結果的初步應用

4.1 應力降、視應力時序變化分析

為從應力降的時空演化特征中尋找中強震前后震源區應力狀態和孕震狀態變化信息，在一定程度上扣除震級大小對應力降值的影響，定義某區域的應力降值相對于長期平均值（即本底值）的增長幅度為

若D≤0，表示該區的應力降值處于長期本底值之下；若D＞0，表示該區的應力降值比長期本底值高，D值越大則該區的地震危險性越大。

斜切柯坪塊體北西走向的普昌斷裂對該區域中強地震活動起到了一定的調整作用［17］，其兩側的地震構造各不相同。本研究將柯坪塊體以普昌斷裂為界分為東西兩個區進行研究，計算出東區應力降平均值為76.5bar，西區應力降平均值高于東區。計算結果顯示，2007年8月至2009年2月柯坪塊體應力降增長幅度D值總體上呈增大的趨勢，這可能表明該區域的應力釋放水平逐漸升高，處于高應力狀態。從東區的應力降增長幅度D值時序曲線（圖5（a））可以看出，2008年4月以來D值在高于本底值的范圍變化，且呈逐步上升的趨勢，2009年2月20日發生了柯坪5.2級地震；根據上文公式計算了柯坪塊體的中小地震的視應力（圖5（b）），可以看出總體上視應力值變化不穩定，大部分中小地震的視應力在1MPa左右，一部分地震的視應力較高，但2007年10月至2009年2月視應力整體上高于之前的水平，這可能表明2007年10月至2009年2月20日柯坪5.2級地震發生前該區域的應力水平較高。

4.2 應力降、視應力空間演化分析

為在空間上表現出區域應力的釋放程度和區域應力空間分布隨時間的演化情況，分別對柯坪塊體2006年1－12月，2007年1－12月（圖略）和2008年1－12月應力降D值進行了空間掃描（圖6（a）、（b））。2006年整個研究區處在低D值狀態，且分布較為均勻，僅在普昌斷裂以東的阿合奇西南和普昌斷裂西北附近的小區域內應力釋放程度較高；2007年在阿合奇東南、柯坪附近區域和普昌斷裂西側及北端附近區域形成了D值高值區，分布較為分散；2008年D值高值集中分布在普昌斷裂附近區域。2006年至2008年，柯坪塊體應力降D值高值分布經歷了由普昌斷裂兩側向其附近集中的過程，且2008年高值區梯度變化大于前兩年。2009年2月20日在2008年D值梯度變化較的大的高值區的邊緣發生了柯坪5.2級地震。2003年2月14日新疆石河子5.4級地震前天山中東段的應力降D值也曾出現類似的空間變化過程［11］。

圖5 坷坪塊體應力降D值、視應力時序曲線Fig.5 Curves of apparent stress and stress drop Din Keping block.

圖6 坷坪塊體應力降、視應力D值等值線演化圖Fig.6 The isolines evolution diagrams of the apparent stress and stress drop Dvalue in Keping block.

地震視應力方法將中等強度以上地震的時空演化圖像轉換成地震視應力異常區的時空演化圖像，在尋找顯著應力變化區、預測強震發震地區方面顯示出圖像清晰、量化、預測空間明確等優點［5］。分別做了2006年1－12月、2007年1－12月（圖略）和2008年1月－12月柯坪塊體中小地震視應力等值線圖（圖6（c）、（d））。分析表明，2006年在阿合奇以西、西克爾西北及烏什東北區域存在視應力高值區；2007年的視應力高值區為阿合奇東北、西克爾以西區域；2008年阿合奇與西克爾之間區域視應力較高，這可能意味著此區域的應力水平較高。2009年2月20日在視應力高值區域（阿合奇與西克爾之間區域）的邊緣發生了柯坪5.2級地震。

5 結論與討論

（1）本文應用多臺多地震聯合反演的方法，根據2006年1月至2008年12月柯坪塊體上8個臺站記錄全，擬合效果好的MS3.0以上的53個地震，反復反演計算介質品質因子Q（f）與頻率的關系為Q＝298.1＊f0.453。此結果與劉杰等［7］計算的唐山地區的結果Q＝214＊f0.55較為接近，但與郭曉等［18］計算的祁連山中東段的結果Q＝687.9＊f0.460相差較大，這可能是由于地震波在不同的地區衰減快慢程度不同造成的，也可能說明不同地區沉積層的薄、厚程度不同。由Moya方法得到臺站的場地響應后，應用Atkinson方法進行Q值、幾何衰減和非彈性校正，通過對每個地震的記錄觀測譜進行幾何衰減、非彈性衰減、場地響應等的逐項扣除，反演計算了柯坪塊體2006年1月至2008年12月發生的103次2.5級以上地震的震源參數。Q值是衡量地震波在地殼介質中衰減特性的主要物理量［19］，一般來說地震活動性強的地區巖石破碎程度較高，Q值較小。趙翠萍等研究得出新疆北天山中東段地區介質品質因子Q（f）與頻率的關系為Q＝344＊f0.55［20］，本文研究的柯坪塊體地震活動水平高于北天山中東段地區，因此本區域的Q值低于北天山中東段地區，符合Q值與地震活動性強弱關系的一般規律。

（2）本文計算了研究時段內柯坪塊體上ML3.2－4.7的103次地震的地震矩Mo，用最小二乘法擬合出地震矩Mo與ML震級的關系發現，lg Mo與震級ML存在著較好的線性關系，103次ML≥3.2（MS2.5）地震的矩震級Mw均小于ML震級。應力降的標度性，即應力降如何隨地震強度大小而變化，是震源參數研究中廣泛討論的問題，也是將它應用于地震預報實踐中首先要考慮的基本問題［21］。本文研究了柯坪塊體103次MS2.5以上地震的應力降隨震級變化的情況，結果表明二者間存在兩段變化趨勢：ML＜4.2的地震應力降值變化范圍較大，應力降隨震級增大有一定程度的增大趨勢；ML＞ 4.2的地震的應力降隨震級變化不明顯。此結論與吳忠良等研究1988年瀾滄一耿馬地震部分余震得出的小地震的應力降隨地震尺度而增加，大地震的應力降保持不變的結論基本一致［21］。本文計算出柯坪塊體中小地震的平均視應力1.76MPa，是全球平均值的3倍多，且視應力隨震級的變化不明顯，因此似乎可初步將MS2.5以上地震的視應力值超過1.76MPa作為判定本文區域應力水平高低的一個標度值。

（3）本文反演得出普昌斷裂東側區域MS2.5以上地震的應力降平均值為76.5bar，西側區域的應力降平均值高于東區。2009年2月20日普昌斷裂東側區域發生了柯坪5.2級地震，震前普昌斷裂東側區域的應力降增長幅度D值自2008年4月以來在高于本底值的范圍內變化，且呈逐步上升的趨勢；柯坪塊體中小地震的視應力值總體變化不穩定，2007年10月至2009年2月視應力值整體上高于之前的水平，這可能表明柯坪5.2級地震發生前該區域的應力水平較高。

（4）將聯合反演得到的震源參數應用于地震預報是有一定依據的，一些中小地震的應力降明顯超出一定震級范圍內地震應力降的總體水平，可能顯示出一定的地震前兆意義。地震視應力通過平均應力反映了震源平均的強弱，可以直接描述區域應力的水平，而區域應力水平的強弱是預測未來發生中強以上地震的重要依據。由于研究區的地震樣本不足，臺站分布存在一定的局限性，地震構造也較復雜，且研究時段內只發生了1次5級以上地震，因此本文的研究結果只是初步的，還有待于今后地震發生的實際來檢驗。筆者本著邊研究、邊應用、邊預報的原則，將初步研究成果應用在實際地震預報中，以期取得一定的預報效果。

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Preliminary Study on Source Parameters of Earthquakes Occurred in Keping Block，Xinjiang

PAN Zhen－sheng，LUI Hui，GU Mei－ju，LI Xiao－dong，SHEN Qi
（Central Seismic Station of Akesu，Earthquake Administration of Xinjiang Uygur Autonomous Region，Xinjiang，Akesu843000，China）

P315.31

A

1000－0844（2010）04－0357－06

2009－04－29

新疆地震科學基金（200804）

潘振生（1976－），男（漢族），甘肅武威人，工程師，主要從事地震監測工作..