2013年廣西平果震群尾波衰減特征研究

史水平 周斌 黃樹生 陸麗娟 蒙陸斌 張帆

廣西壯族自治區地震局，南寧市古城路33號 530022

0 引言

尾波理論是地震波衰減研究的重要理論。Aki（1969）在研究地震尾波中，提出一種統計模型來解釋尾波的激發機制。他認為介質中均勻地分布著一些散射體，當地震波在傳播過程中經過這些散射體時就發生逆向散射。在此基礎上，Aki等（1975）研究了只發生1次散射的情況，并在單次散射模型基礎上提出了臺、源重合情況下的尾波衰減系數的計算方法。該研究結果成功地解釋了尾波的許多特點，并為眾多觀測事實所支持，從而使地震波衰減的研究工作得到了迅速的發展。Aki等（1975）列舉了尾波的幾個重要性質：尾波不是直接從震源傳播來的慢面波，尾波功率譜的衰減與臺站-震源間的距離、射線路徑均無關，且與震級也無關（至少對于M＜6地震如此）。考慮到臺、源分離情況下震源至接收點距離的影響，Sato（1977）成功地把“單次各向同性散射模型”推廣到臺站與震源分離的情況，該模型由于計算方法簡單而得到了廣泛應用（Liu et al，1994；Naval et al，1999；Castro et al，2003；Horasan et al，2004）。

2013年6～7月，在廣西平果縣中鋁廣西分公司3號排泥庫附近出現密集小震群活動，地震造成泥漿泄漏，給當地造成顯著的社會和經濟影響。此次震群的密集程度在該地區地震史上是罕見的，并被初步判斷為前兆型震群，但是其后該地區并未發生中強地震。本研究搜集了近場記錄的信噪比較高的數字地震波資料，采用單次散射的Sato計算模型，計算地震波衰減參數，以期對中鋁廣西分公司3號排泥庫區域地震波衰減特征有一定的認識。

1 理論與方法

依據 Sato模型（Sato，1997；Dominguez et al，1997；Wong，2001），在一定頻率下，尾波振幅與時間的函數關系可表示為

式中，AS是S波的最大振幅；AC（t）是流逝時間t附近的尾波均方根振幅；K（a）及AC（t）分別由式（2）、（3）給出，K（a）是依賴于時間的散射體附近的幾何擴散因子。

式中，a=t/tS，tS為S波的走時，t為從發震時刻算起的尾波流逝時間。

AT為1個采樣周期T的地震波均方根振幅（Drouet et al，2005）；ST（NS）和ST（EW）分別為南北及東西分量。An為P波到達前適當時間段（2s）噪聲均方根振幅，用以進行地震波的噪聲校正（Pulli，1984）。C（f）是與頻率有關的影響因子，對同一地震的同一頻率，C（f）為常數，擬合出F（t）與（t-tS）的線性關系，得到b。b與QC的關系由下式給出

品質因子QC（f）與頻率的關系表示為

由于介質的品質因子Q值反應了衰減特征，品質因子值高則表示衰減慢。因此本文中將品質因子QC（f）作為頻率為f時的尾波衰減參數，Q0為頻率f=1Hz時的尾波衰減參數；η代表尾波衰減參數QC對頻率f的依賴性指數。

2 資料及數據處理

2.1 基本資料

中鋁廣西分公司3號排泥庫位于廣西平果縣馬頭鎮龍來村板下屯，總庫容4437萬m3，有效庫容4126萬m3，含泥度28%，庫面標高394m，2012年12月投入運行。庫區地處右江褶皺帶，存在NE、NW向的2組斷裂，這2組斷裂可能在晚更新世仍有活動，構造復雜，但地震活動性較弱，歷史上距庫區100km范圍內沒有顯著地震事件發生。2013年6月16日排泥庫及其附近開始出現震群活動，至2013年7月25日，共記錄到1147次地震，其中1.0級以下 1104次，1.0～1.9級38次，2.0～2.9級5次，最大為6月21日、7月3日2次MS2.3（ML3.0）地震。此次震群距離平果縣城約12km。震群發生時，平果縣果化鎮那榮村、布榮村、山營村，馬頭鎮那塘村、龍來村有明顯震感，平果鋁業公司及縣城一帶有震感。2013年6月17日，位于平果縣馬頭鎮龍來村板下屯的中鋁廣西分公司3號排泥庫開始出現泥漿泄漏，泄漏點距右江河約12km。此次震群活動在當地造成了較大的經濟損失。

震區開始出現震群活動后，震源區先后布設了4個流動臺站。盡管該序列地震震級不大，但近距離流動臺仍獲得了較多高信噪比的數字地震波資料。而平果臺（PGX）、大新臺（DXX）、南圩臺（NAX）和巖灘臺（YTT）等4個固定臺距震中區小于70km，也記錄了許多的數字地震波資料。此次震群極短時間間隔內地震連發，致使部分地震無法進行尾波衰減參數的計算，因此本研究搜集了此次震群可用于計算尾波Q值的ML≥1.0地震近場記錄的波形資料，根據信噪比及計算要求，從中挑選出146次地震在7個臺站的273條記錄，計算尾波衰減參數。地震震中及臺站分布見圖1。

圖1 臺站及震中分布

2.2 數據處理

通過原始記錄讀取Pg、Sg震相到時，在Pg波到時前取2s為背景噪聲，使用均方根振幅比作為信噪比，其值大于2則滿足尾波衰減參數進一步計算的基本條件，截取可用尾波波形（朱新運等，2005、2006）。在滿足信噪比的情況下，將流逝時間固定為60s，在近場地7個臺站記錄的146次地震中，挑選出地震波形記錄273條。對每條記錄，確定分析頻率段為4～18Hz，間隔 1Hz，使用 6階 Butterworth帶通濾波器，對分析頻率f，以［（2/3）f，（4/3）f］帶寬濾波。尾波從S波震相到時之后5s開始起算，取采樣窗長2s，滑動步長0.5s，根據式（3）、（4）計算各時間點的合成振幅，求解尾波QC（f）；根據式（6）擬合QC（f）與f的關系，獲得Q0及η。計算過程見圖2。

圖2 尾波衰減參數計算過程實例

3 結果

3.1 震區及各臺站統計的衰減系數特征

尾波Q值主要反映了以震源和記錄臺站為2個焦點的橢球范圍內的品質因子特性。用1個臺站記錄到的不同地震求出的QC值，反映了臺站附近的品質因子特征。如果用某一區域內所有臺站資料計算QC值，即可得到該區域的品質因子特征。經過對震區全部可用地震事件計算結果進行統計，地震波衰減參數可表示為下式，數據分布見圖3。

圖3 震區全部所用臺站記錄的尾波衰減參數與頻率間的關系

為進一步對數據進行分析，本研究按有記錄的臺站來統計地震波衰減參數與頻率的關系，統計實例見式（8）及圖4，各臺站統計的衰減參數見表1。

由NAX臺單臺獲得的尾波衰減參數與頻率間的關系為

圖4 NAX臺站記錄的尾波衰減參數與頻率間的關系

由表1可見，距排泥庫庫區較近的平果臺（PGX）、流動臺1（L4501）、流動臺2（L4502）和流動臺3（L4503）等4個臺站達到80左右且標準偏差高達55%；其余臺站獲得的為63以下且標準偏差小于30%。因此，震源區（庫區）近距離觀測臺站所獲得的尾波衰減參數相對一致。

已有研究（Pulli，1984；Wong，2001）表明，在震源距及地震剪切波速度確定的情況下，流逝時間越長，采樣橢球體越大，采樣也越深。而隨著深度增加、應力增大，介質的非均勻性降低（Jacobson et al，1984；Carpenter et al，1985；劉希強等，2009），QC（f）值隨尾波流逝時間的增加而增大，介質對地震波造成衰減的程度也降低。但也有不同，如Petukhin等（2003）在研究Kinki區域地震波衰減時，按地震震源深度將其分為孕震層地震（0～20km）和非孕震層地震（20～70km）來研究淺層及深層的地震波衰減。其研究結果表明，淺層地震波衰減的于深層的。本研究同一研究區剪切波速度基本一致，地震均為淺源地震，尾波流逝時間相同。相比之下，大新（DXX）、南圩（NAX）和巖灘（YTT）等3個臺站震中距大于庫區臺站，按照尾波采樣公式（Pulli，1984），其尾波采樣深度小于庫區臺站尾波采樣深度，而獲得的小于庫區臺站的結果，這說明該區域淺層采樣的尾波衰減較快，區域存在淺層高衰減層。

表1 各臺站數據統計結果

3.2 庫區Q值衰減系數變化分析

3.2.1 近距離臺記錄的衰減系數統計特征

Q值是表征一個地區地下介質均勻程度的物理量，低Q0值表示地下介質非均勻程度高，Q值與頻率有關；η為頻率的相關系數（也叫吸收系數），其高值表示Q值與頻率的依賴關系較強，表明介質的均勻程度低。與國內不同區域Q值及其對頻率的依賴程度相比，本研究都表現為高Q0、低η的現象，庫區Q值相對較高，地震波衰減較慢，且Q值對頻率的依賴性不強。

3.2.2 平果臺記錄的衰減系數特征

流動臺穩定性相對較差，故障率較高，單臺對序列地震記錄的完整性不佳。從表1可以看出，7個臺站記錄的146次地震中，實際獲取的記錄僅273條，流動臺有效記錄僅94條。相比而言，在7個臺站中記錄最完整的是庫區附近的平果臺，在146次地震中有效記錄達95次。

圖5 近臺臺站Q C（f）與頻率 f間的關系

圖6 近臺臺站尾波衰減參數Q0隨地震時間序列的變化

繪制平果臺單臺獲得的尾波衰減系數Q0和衰減指數η隨地震時間序列的變化圖（圖8），由圖8（a）可見，在地震序列發展過程中，尾波衰減系數Q0存在波動變化，且前期波動較大，后期較小，但沒有趨勢性上升或下降，或趨勢性特征不明顯。而由圖8（b）所反映的η除了波動變化以外，整體上表現出低值現象。在序列發展后期，η整體上還表現出上升的趨勢。根據式（6）中QC（f）、Q0、η、f之間的關系，在Q0不變的情況下，η越小，在高頻率端的QC（f）則越小，這說明隨著序列的發展，高頻率波衰減系數增大，衰減趨勢變緩。

圖7 近臺臺站尾波衰減指數η隨地震時間序列的變化

圖8 平果臺獲得的尾波衰減參數Q0（a）和η（b）隨地震時間序列的變化

4 討論與結論

為了與本文的研究結果進行對比，我們搜集了使用同樣方法在國內外其它區域獲得的尾波衰減參數（表2）。魏紅梅等（2009）研究重慶榮昌區域尾波衰減參數時限定流逝時間為60s，其結果中Q0明顯小于本研究獲得的Q0，而頻率的依賴性指數η則大于本研究的，說明重慶榮昌區域地震活動性高于中鋁廣西分公司3號排泥庫庫區，這與兩區域實際的地震活動水平一致。師海闊等（2011）計算的寧夏區域尾波Q0值表明，寧夏全區或分區的尾波衰減參數小于本研究區的結果，但其計算尾波衰減參數使用的流逝時間是80s，本研究使用的是60s，兩者相差20s。一般情況下，流逝時間越長，反映的尾波采樣越深，Q0值越大。按數據推斷，以同樣60s的流逝時間計算，寧夏全區或分區的尾波衰減系數Q0值小于中鋁廣西分公司3號排泥庫的Q0值。同樣，寧夏全區的地震活動水平也高于本研究區。表2中，劉芳等（2007）選取的尾波流逝時間為70～80s（大于本研究），而其統計的Q0值也大于本研究的Q0值，但其研究區域包括整個內蒙古中西部地區，故數據結果難以比較；Amerbeh等（1989）對喀麥隆火山區、Domínguez等（1997）對巴哈北部地區的尾波衰減參數的研究沒有固定尾波流逝時間，其數據的隨機波動非常大，無法進行比較；而Wong（2001）在研究特雷斯火山區尾波衰減時雖然沒有固定流逝時間，但限制了12s的尾波窗，在震源距變化不大的情況下，尾波窗相對長度與流逝時間是等比例的，其衰減數據結果與本研究基本相當。朱新運等（2012）選取尾波流逝時間為60s（與本研究相同），而其統計的Q0值卻小于本研究的Q0值，這與珊溪水庫庫區的地震活動水平（2014年10月25日再次發生4.1級地震）高于本研究區相一致。

表2 國內外不同區域尾波衰減參數比較

諸多研究認為，尾波Q值是衡量某地區構造活動的一個指標，地震活動頻繁的地區Q值低，地震活動相對平靜的地區Q值高。年代久遠的地質單元或構造運動穩定的地區Q值高，反之，晚近代地質單元或構造運動活躍地區Q值低。與國內不同區域Q值及其對頻率的依賴程度相比，本區Q值相對較高，地震波衰減較慢，且Q值對頻率的依賴性相對稍低。由此可以認為，研究區區域介質非均勻性程度較低，介質較為穩定。

致謝：本研究所用尾波Q值計算軟件由浙江省地震局朱新運博士提供，計算所用波形數據由廣西地震臺網中心提供，在此深表謝意。