廣西龍灘庫區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

(廣西壯族自治區地震局，廣西 南寧 530022)

廣西龍灘庫區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月廣西龍灘數字地震臺網記錄的1 284次ML≥1.0地震波形資料，利用Brune模型，通過幾何擴散校正、介質衰減校正、儀器校正等將速度記錄譜歸算為震源位移譜方法，通過遺傳算法計算拐角頻率及零頻極限，最后計算出地震矩、震源破裂半徑等震源參數。對拐角頻率特征進行了研究，結果表明：廣西龍灘水庫庫區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系不明顯；離壩區越近，拐角頻率與水位變化關系在時間上的一致性更強，負相關關系也越明顯，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定。

關鍵詞：龍灘水庫；Brune模型；震源參數；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，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，不僅與震源區應力狀態有關同時也與發震過程相關。因此，在研究一個地區的震源參數時，拐角頻率往往成為主要研究的一個基本參數，如康英等(2005)分析2004年廣東陽江MS4.9地震震源參數時，得出在拐角頻率連續出現正值后的下降過程中發震的結論；朱新運等(2004)對皎口、海城、陡和、渾源地震波拐角頻率研究時，認為一個地震序列的地震波拐角頻率與該地區背景地震拐角頻率的比值隨地震序列的發展表現出一定的趨勢性變化特征，可用來判斷未來地震序列的發展趨勢；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為，在較大地震前，縱、橫波拐角頻率比呈現出較明顯的下降異常變化等。除此之外，有諸多學者對水庫地震的拐角頻率等震源參數進行了深入研究，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域拐角頻率特征進行分析，試圖進一步認識龍灘水庫區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，屬于高山峽谷型高壩大庫容水庫，是國內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，龍灘水庫庫區一帶中小地震頻繁發生，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，極震區烈度達到VI度，造成嚴重的經濟損失和強烈的社會影響。

1研究方法

根據Brune(1970)圓盤型地震破裂模式，震源譜函數的譜形態擬合公式為

(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線的交點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資料選取及計算結果

筆者使用了廣西龍灘數字地震臺網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(頻帶寬度為0.03～40 Hz)，其余臺以FSS-3B地震計為主，數據采集器均采用EDAS-24L，采樣率均為100 Hz。在精定位的基礎上，筆者選用2006年9月～2013年7月龍灘庫區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，計算震源參數，得出936個結果，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系

在研究震源參數時，師海闊等(2010)，鐘羽云等(2004)，李發等(2012)對拐角頻率與地震矩的關系進行了表述，都得出拐角頻率和地震矩存在明顯的依賴關系，即地震矩越大，拐角頻率越小，這一規律在龍灘水庫區域也是適用的，龍灘庫區的拐角頻率與地震矩總體上呈明顯的負相關關系(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關系為

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現龍灘庫區的地震活動與水庫蓄水過程密切相關，成叢分布的地震活動分別表現出對水庫蓄水過程不同的響應過程和活動特征，表明龍灘庫區在巖性特征、滲透條件、地質構造及應力場等方面存在局部差異性。為進一步掌握龍灘庫區局部差異性特征，根據陳翰林等(2009)提出的龍灘庫區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)，進一步探討各個地震叢的拐角頻率與地震矩的關系(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相關關系。壩首地震叢打破了大多數研究結果中得到的拐角頻率與地震大小的負相關關系，這一現象與張永久和喬慧珍(2011)研究結果一致，導致壩首地震叢拐角頻率與地震大小的負相關關系不明顯的原因是什么呢？劉特培和康英(2004)認為這可能與參與計算的地震震級范圍有關；雷建設等(2009)研究認為可能與下地殼流體有關；錢曉東和秦嘉政(2005)分析認為是庫區蓄水壓力增加、巖體裂隙充水的影響；筆者分析認為應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，且壩首地震叢位于壩首，在庫水的作用下，該區域巖體強度相對較弱，較豐富的巖體裂隙長期飽和，對部分頻率有效吸收，從而導致拐角頻率變化無規律。

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算震源參數時，分析震前震源參數的變化，可以顯示出發震區的應力狀態和孕育過程。拐角頻率是一個關鍵參數，它直接影響震源尺度、位錯和應力降的計算結果，也影響到使用低于拐角頻率的頻譜值計算地震矩，這些震源參數正在被試用于地震預報工作中。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應力狀態有關，同時也與發震過程相關。研究表明，拐角頻率與震源破裂尺度有密切關系，一般是震源破裂尺度越小，拐角頻率越大，這一規律在龍灘庫區是成立的；拐角頻率隨震級的增大而減小，兩者之間具有較強的依賴關系，龍灘庫區地震拐角頻率的對數與震級的擬合關系式為

lgfc=-0.068lgML+0.902.

(5)

根據給定震級得到拐角頻率的估計值與實測拐角頻率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地震發生前，拐角頻率的變化較為穩定，地震發生在拐角頻率上升階段。

3.3拐角頻率與水位的變化關系

2006年10月～2013年11月，龍灘水庫共經歷了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，龍灘水庫區域拐角頻率與水位的變化整體上呈明顯的負相關關系，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系。羅妥地震叢拐角頻率與水位關系不明顯，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系無明顯規律(圖4c)；拉浪地震叢拐角頻率變化雖有滯后于水位的變化，但兩者呈明顯的負相關關系(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相關關系不僅明顯，在時間上也有很強的一致性。綜上所述，龍灘庫區地震拐角頻率與水位變化關系存在明顯的局部差異性，距壩區遠近的不同負相關關系明顯程度不同，變化時間上的一致性也不盡相同；離壩區越近，變化時間上的一致性更強，負相關關系也越明顯(圖4e、f)。

4討論與結論

(1)廣西龍灘庫區地震拐角頻率與地震矩關系整體上成負相關關系，即地震矩越大，拐角頻率越小，地震矩越小，拐角頻率越大。將該區域按順時針方向分為5個地震叢分別進行分析后，離壩首較近的壩首地震叢地震的拐角頻率與地震矩關系不明顯。這可能是與離庫壩區較近的壩首地震叢地震所在區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規模最大的天峨—谷金斷裂帶方向擴散和滲透有關的，由于場地軟介質對地震波的高頻成分有較強的吸收，對于小地震則會導致拐角頻率明顯變小。

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

(3)廣西龍灘庫區地震拐角頻率與水位變化關系存在明顯的局部差異性，即距壩區遠近的不同負相關關系明顯程度不同，變化時間上的一致性也不盡相同。離壩區越近，變化時間上的一致性更強，負相關關系也越明顯，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度降低引起的，離庫壩越近的區域對水庫蓄放水導致的壓力變化和庫區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！

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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. 基金項目：桂科攻1298005-2項目和桂科攻12426001項目資助.

中圖分類號：P315.3

文獻標識碼：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