蘆山余震震源參數(shù)及震源區(qū)品質(zhì)因子反演

溫瑞智，王宏偉，任葉飛，冀 昆

(中國地震局工程力學(xué)研究所，150080哈爾濱)

2013年4月20日四川省蘆山縣發(fā)生MS7.0級地震，蘆山主震震中位于龍門山斷裂帶西南端的彭縣-灌縣斷裂上，主震過后余震活動十分頻繁，余震沿發(fā)震斷層向主震兩側(cè)延伸，主要分布在長約32 km、寬約15～20 km、深度為5～24 km的范圍內(nèi)［1］，余震破裂類型以逆沖型為主［2］.蘆山地震發(fā)震區(qū)域位于龍門山斷裂及鮮水河-小江斷裂的“Y”形交界處，在過去的40年里，距離蘆山地震震中200 km范圍內(nèi)發(fā)生過多次MS6.0級以上地震，其中包括2008年MS8.0級汶川地震及其余震，這一區(qū)域地震多發(fā)人口密集，地震危險性很高.

我國測震資料相對豐富，國內(nèi)研究人員大多基于Atkinson方法與遺傳算法采用測震記錄反演我國地震多發(fā)地區(qū)的品質(zhì)因子及震源參數(shù)，比如甘肅、云南和四川地區(qū)［3-5］.隨著我國高質(zhì)量強(qiáng)震動記錄的增加，采用強(qiáng)震動記錄反演中小地震震源參數(shù)及品質(zhì)因子已經(jīng)逐漸得到推廣［6-8］.我國數(shù)字強(qiáng)震動臺網(wǎng)在龍門山地區(qū)密度相對較大，蘆山余震序列中臺站多次觸發(fā)，記錄到2.0～5.4級余震176次，共收集到超過1 000組加速度記錄，這為反演蘆山余震震源參數(shù)及品質(zhì)因子提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù).本文基于參考事件的廣義反演方法估計了發(fā)震區(qū)域剪切波品質(zhì)因子及震源參數(shù)，包括地震矩、拐角頻率、應(yīng)力降、破裂半徑及地震波能量，進(jìn)一步確定了震源參數(shù)的定標(biāo)關(guān)系.

1 廣義反演方法

自由表面水平地震動剪切波加速度傅里葉幅值譜可表示為

式中:Oij(f)表示第j個臺站觀測到第i個地震的記錄剪切波水平方向加速度傅里葉幅值譜;Si(f)表示第i個地震的加速度震源譜;GS(Rij)表示幾何擴(kuò)散;Rij表示第i個地震到第j個臺站的震源距;exp(-πfRij/Q(f)Vs)表示地震波非彈性衰減;Q(f)表示與頻率f相關(guān)的品質(zhì)因子;Vs表示震源處剪切波速，取為3.6 km/s;Gj(f)表示第j個臺站的場地反應(yīng).

本文幾何擴(kuò)散采用Atkinson等［9］給出的三段線性衰減曲線，表示為

式中:R01=1.5D，R02=2.5D，b1=1.0，b2=0.5，D表示地殼厚度.蘆山地震序列震中附近區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地殼厚度從西北側(cè)的52.5 km減小至東南側(cè)的 41.5 km［1］，近似以平均地殼厚度47 km作為地殼厚度，則R01=70.5 km，R02=117.5 km.

式(1)兩邊同時取對數(shù)，得到線性疊加形式:

式(3)矩陣形式為

式中:A是每一行包含3個非零項(兩個1和-πfRij/Vs)的稀疏矩陣;X表示式(3)右邊所有未知量的向量;b表示式(3)左邊所有已知量的向量.該矩陣方程可詳細(xì)表示為式(5)所示形式.采用奇異值分解方法求解式(4)，在每個頻率上確定Ⅰ(地震個數(shù))+J(臺站個數(shù))+1(Q值)個未知數(shù)，由于存在一個未加約束的自由度，需要考慮震源與場地間的權(quán)衡問題，通常采用參考場地法或參考事件法來解決.蘆山余震序列中6個觸發(fā)基巖臺站水平/垂直譜比法估計的場地反應(yīng)均不能滿足參考場地應(yīng)在整個頻段上不存在場地放大的要求，因此本文采用參考事件法.

2 數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理

采用以下原則選取合適的強(qiáng)震記錄用于廣義反演:

1)記錄震源距范圍為25～100 km.蘆山余震震源深度主要分布于5～24 km，為避免震源深度不確定性對震源距計算的影響和減少截取的剪切波中面波引起的干擾分別設(shè)定最小和最大震源距限制［10］.

2)對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行零線校正及0.1～30 Hz巴特沃斯帶通濾波處理后，為減小噪聲對記錄的影響和避免場地出現(xiàn)非線性反應(yīng)選取三分量峰值地面加速度均滿足5～100 cm/s2的記錄［11］.

3)為減小反演結(jié)果的離散性，在滿足1)和2)的基礎(chǔ)上，選擇同時滿足不少于4次地震中觸發(fā)的臺站以及不少于4個臺站記錄到的地震所對應(yīng)的記錄.

根據(jù)上述3個原則選取了25個臺站在34次地震中記錄到的262組記錄，臺站記錄震源距分布見圖1，圖中陰影區(qū)域表示5 km間隔范圍內(nèi)記錄數(shù)量分布直方圖圍成的區(qū)域，64表示最大頻數(shù).由圖1可見，縱坐標(biāo)51DXY及以上臺站(A組)，記錄震源距大多不超過70 km，主要分布于25～45 km范圍內(nèi);縱坐標(biāo) 51DXY以下臺站(B組)，震源距主要分布于80～90 km范圍內(nèi).A、B兩組臺站記錄震源距差異決定了傳播路徑不同，由于品質(zhì)因子對地殼介質(zhì)橫向和垂直方向的不均勻性特別敏感，A、B兩組臺站記錄品質(zhì)因子差異較大［12］.

圖1 臺站記錄震源距分布

本文在A組臺站數(shù)據(jù)中選取了30次地震中15個臺站記錄到的179組記錄用于廣義反演.臺站及余震震中分布見圖2.所有傳播路徑分布均勻且交織在一起，方位角對震源影響及傳播介質(zhì)不均勻性對品質(zhì)因子影響可忽略.A組記錄震源距不超過R01(即70.5 km)，幾何擴(kuò)散GS(R)取為R-1.

圖2 臺站、地震震中位置及震源與臺站間傳播路徑分布

廣義反演方法需截取記錄的剪切波部分，剪切波抵達(dá)時間和結(jié)束時間分別定義為Husid函數(shù)中地震波能量開始急劇增加的點(diǎn)和累加均方根函數(shù)開始下降的點(diǎn)對應(yīng)的時間［13］.在截取的剪切波前后各乘以10%的剪切波持時的余弦邊瓣窗口以消除截斷誤差，計算剪切波兩個水平方向的傅里葉譜，采用b=20的Konno和 Ohmachi窗口函數(shù)平滑傅氏譜［14］，并以兩個水平方向譜的矢量和作為記錄水平傅氏譜.

3 參考事件震源譜

Ren等［11］以62WIX臺站作為參考場地基于廣義反演方法估計了96個汶川余震加速度震源譜.本文選取2013年4月20日09:37:29發(fā)生的4.9級地震作為參考事件，從96個汶川余震中選取與參考事件震級相差不超過 0.1(4.9±0.1)的余震13個.采用下文4.1節(jié)提到的網(wǎng)格搜索方法確定選取的13個余震的平均位移震源譜的理論震源參數(shù)，地震矩M0=2.427×1023dyne·cm、拐角頻率fc=0.89 Hz、高頻滾降系數(shù) γ=2.0，以該理論震源譜作為參考事件的實(shí)際震源譜用于廣義反演.

4 結(jié)果分析及討論

4.1 震源參數(shù)

基于參考事件的廣義反演方法分離了上文所選15個臺站的場地反應(yīng)、30個地震的加速度震源譜以及區(qū)域品質(zhì)因子.反演得到的余震位移震源譜見圖3，圖中可見，位移震源譜較符合Aki［15］提出的ω2震源譜模型.采用震源參數(shù)(M0、fc)及γ表示的實(shí)際位移震源譜的理論形式:

圖3 反演得到的30次余震位移震源譜

式中:RΘΦ為點(diǎn)源輻射圖型因子，隨方位角呈對稱性變化，在此取平均值0.55;V表示地震波水平分量含剪切波能量的比例，取為0.707;F為半空間表面放大，本文取為1;ρs為震源處介質(zhì)密度，取為2 700 kg/m3;R0為參考距離，通常取為1 km.

其中矩震級MW與地震矩有如下關(guān)系［16］:

采用網(wǎng)格搜索方法在0.5～20 Hz頻段內(nèi)搜索滿足理論位移震源譜與實(shí)際位移震源譜相對面積差最小的MW、fc及γ，即

式中:n表示0.5～20 Hz內(nèi)所有頻率點(diǎn)數(shù);fi表示第i個點(diǎn)的頻率;SS(fi)與SO(fi)分別表示搜索的理論位移震源譜及基于廣義反演方法確定的實(shí)際位移震源譜.理論震源譜的搜索過程中MW變化范圍為余震震級±0.5，變化步長0.01;fc變化范圍為0.01～5.0 Hz，變化步長為 0.01 Hz;γ 變化范圍為2±0.3，變化步長 0.1.

最小二乘擬合地震矩與拐角頻率可得:

Aki［15］認(rèn)為M0fc3是一個與應(yīng)力降有關(guān)的常數(shù)，故將式(9)斜率固定為-3.00后擬合得:

擬合結(jié)果見圖4，M0fc3=1.73×1023dyne·cm·s-3，略低于Dutta等［17］研究阿拉斯加中南部地區(qū)中小地震得到的M0fc3=2.09×1023dyne·cm·s-3和Hassani等［13］研究伊朗中東部地區(qū)中小地震得到的M0fc3=2.48×1023dyne·cm·s-3.蘆山余震平均應(yīng)力降為 3.14 MPa，略低于喻畑等［8］研究13次汶川余震 (MW＞5.0)震源參數(shù)得到的3.80 MPa平均等效應(yīng)力降.

圖4 地震矩與拐角頻率關(guān)系(陰影區(qū)域表示加減一倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍)

根據(jù)Brune［18］提出的圓盤形應(yīng)力脈沖震源模式，計算了余震震源半徑r及應(yīng)力降Δσ.地震矩與震源半徑r的關(guān)系見圖5，圖中同時給出了余震的應(yīng)力降分布范圍(1.0～10.0 MPa).應(yīng)力降與震級沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，與Moya等［19］研究阪神地震余震得到的結(jié)論一致.

圖5 地震矩與震源半徑散點(diǎn)分布圖

基于Izutani-kanamori理論譜方法同時考慮地震波能量補(bǔ)償將積分上限提高至最大拐角頻率(拐角頻率上限為 5 Hz)的 10 倍，即 50 Hz［20］.本文分別計算了地震波能量Es和視應(yīng)力σA.

地震波能量與地震矩的關(guān)系見圖6，雙對數(shù)坐標(biāo)下線性擬合得到 logEs=0.82logM0-7.7，相關(guān)系數(shù)R=0.91，擬合直線斜率0.82 接近1.0，近似有Es∝M0，固定斜率為1擬合得

Es/M0平均值為2.19×10-12，與 Hassani等［13］得到的Es/M0=2.50×10-12較為接近，但明顯大于Dutta 等［17］得到的Es/M0=1.20×10-12.

圖6 地震波能量與地震矩關(guān)系

本文確定的視應(yīng)力為 0.17～2.21 MPa，低于程萬正等［21］研究2000—2004年四川地區(qū)中小地震得到的視應(yīng)力變化范圍 0.1～10.0 MPa，推斷可能是發(fā)生于主震破裂面的余震初始應(yīng)力降低所致.根據(jù)應(yīng)力降與視應(yīng)力的計算結(jié)果，線性擬合得Δσ=6.78σA-1.05，R=0.91，表明應(yīng)力降越高視應(yīng)力越大，單位地震矩輻射的地震波能量越大，本文余震σA/Δσ的平均值為0.258.

不考慮面波震級MS和地方震級ML之間的換算，通過最小二乘法擬合可得到地震面波震級與矩震級的關(guān)系:MW=0.876 2MS+0.563 9(R=0.83)，如圖7所示，本文確定的矩震級與面波震級關(guān)系與Ren等［11］反演汶川余震得到的結(jié)果較為一致，整體上矩震級擬合結(jié)果與面波震級一致，對于小震級余震，矩震級略高于面波震級;對于中等震級余震，矩震級略低于面波震級.

圖7 矩震級與面波震級關(guān)系

4.2 品質(zhì)因子

品質(zhì)因子Q(f)通常表示為Q0fn的形式，本文反演確定的蘆山余震區(qū)域剪切波品質(zhì)因子見圖8，擬合得到0.5～20 Hz頻段品質(zhì)因子為Q(f)=31.867f1.0375，蘆山地震近場區(qū)地震波衰減表現(xiàn)出吸收快且與頻率依賴性強(qiáng)的特點(diǎn)(低Q0高n).蘆山發(fā)震區(qū)與汶川地區(qū)臨近，其頻率相關(guān)的品質(zhì)因子對頻率的依賴性相近，即n值較一致，一定程度上可推斷本文反演的品質(zhì)因子較為可靠.與四川其他地區(qū)相比［4，5，11］，本文反演確定的蘆山余震區(qū)域品質(zhì)因子結(jié)果較小，主要原因有兩方面:1)廣義反演方法確定的品質(zhì)因子反映了所有傳播路徑的平均非彈性衰減，本文選取的余震震源深度主要分布于10～25 km范圍內(nèi)，該研究區(qū)域地殼平均厚度約為47 km，震源距集中在25～45 km范圍，地震波傳播路徑主要集中在上地殼，而其他研究成果采用較遠(yuǎn)震源距的記錄，地震波傳播路徑主要集中在下地殼，眾所周知地殼深處Q值相對較大;2)本文研究區(qū)域集中于蘆山地震發(fā)震區(qū)，該區(qū)域地殼活動強(qiáng)烈，一般認(rèn)為，在地殼活動相對穩(wěn)定地區(qū)Q值相對較高，在地殼活動強(qiáng)烈的地區(qū)Q值相對較小.

圖8 頻率相關(guān)的品質(zhì)因子

5 結(jié)論

1)采用蘆山強(qiáng)余震記錄基于廣義反演方法估了余震震源參數(shù) (M0、fc、r、Δσ、Es、σA)及該區(qū)域剪切波品質(zhì)因子Q(f)，并給出了震源參數(shù)間的定標(biāo)關(guān)系.

2)蘆山余震M0fc3=1.73×1023dyne·cm·s-3，相應(yīng)于3.14 MPa的平均應(yīng)力降，略低于汶川地震余震平均等效應(yīng)力降;應(yīng)力降主要在0.1～10.0 MPa范圍內(nèi)變化，與震級沒有明顯的相關(guān)性;視應(yīng)力與應(yīng)力降正相關(guān)，由蘆山余震視應(yīng)力低于2000—2004年四川余震結(jié)果推斷發(fā)生于主震斷層面上的余震初始應(yīng)力可能較低.蘆山余震震源參數(shù)M0fc

3及Es/M0與 Hassani等［13］研究伊朗中東部中小震級地震的結(jié)果十分接近，初步推斷兩地區(qū)余震震源破裂過程以及區(qū)域構(gòu)造環(huán)境可能存在相似性.

3)0.5～20 Hz頻段內(nèi)本文估計的剪切波品質(zhì)因子Q(f)=31.867f1.0375，分析表明地震波衰減吸收較快且與頻率的依賴性較強(qiáng);本文獲得的蘆山地震區(qū)域品質(zhì)因子低于四川其他地區(qū)的結(jié)果，主要是由于所用記錄震源距相對較小且該區(qū)域地殼活動較為活躍.另外，需要說明的是，本文研究區(qū)域位于青藏高原與四川盆地過渡地帶，存在地殼介質(zhì)橫向不均勻性.廣義反演確定的品質(zhì)因子僅體現(xiàn)該區(qū)域的平均水平，該方法無法考慮單一區(qū)域內(nèi)品質(zhì)因子的橫向變化性.考慮到本文研究區(qū)域相對較小(半徑約70 km)，暫不考慮地殼介質(zhì)橫向不均勻性對本文反演結(jié)果的影響.

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