利用Aki模型對寧夏及鄰區尾波Q值分布特征的研究①

師海闊， 曾憲偉， 張立恒， 賀永忠

(1.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026； 2.寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001)

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利用Aki模型對寧夏及鄰區尾波Q值分布特征的研究①

師海闊1,2， 曾憲偉2， 張立恒2， 賀永忠2

(1.中國科學技術大學，安徽 合肥 230026； 2.寧夏回族自治區地震局，寧夏 銀川 750001)

摘要：從2008年1月至2013年12月寧夏地震臺網記錄的665次ML≥2.0地震的數字地震波形資料中，選取波形記錄清晰、噪聲水平滿足計算條件的數字地震波形記錄，利用Aki模型，計算寧夏及鄰區各區域尾波Q值，并與前人已有結果進行對比，得到該區尾波Q值的分布特征。結果表明：寧夏及鄰區尾波Q值整體呈北高南低分布；吳忠、靈武地區該值相對較高，與該區域存在高速區相對應；阿拉善左旗西南該值較低；中衛、海原及附近地區該值相對較低，認為與該區域地殼深部的高溫度與高熱流值有關。

關鍵詞：寧夏及鄰區； Aki模型； 尾波Q值； 分布特征

0引言

Aki用單次散射模型解釋尾波的形成，并在此基礎上提出了一種從尾波的時間衰減確定尾波Q值的方法，后來得到不斷修正，因其簡單、易于數據運算而被廣泛應用于區域Q值研究中[1-2]。尾波Q值與區域構造活動及地震活動性密切相關，可以作為衡量地區構造活動的重要指標，刻畫構造應力場變化[2-5]。近年來國內外地震學家開展了廣泛的地震尾波研究工作，取得了很多有意義的研究成果。對于寧夏及其周圍地區的尾波Q值，趙衛明等[6]利用寧夏銀川遙測地震臺網自1996年10月后的資料，提出用采樣深度表征各不同震中距地震的流逝時間，研究了寧夏中北部區域尾波Q值隨頻率和采樣深度的變化特征。趙衛明等[7]應用寧夏9個臺站1986年后記錄的寧夏及鄰區132次地震的200條DD-l儀模擬記錄，對寧夏及鄰區的分區尾波Q值進行了研究。賀永忠等[8]利用2008—2009年的數字化地震波資料，應用Aki模型和Sato模型計算得到寧夏及鄰區四個小震密集區的Q值分布情況。本文擬通過利用Aki模型計算寧夏及鄰近地區各區域尾波Q值，分析其分布特征，并與前人已有結果進行對比，從而對該區域的介質衰減特征及區域地震活動性進行客觀評估。

1研究區劃分

根據新構造特征的不同可將寧夏及鄰區分為4個區域：銀川-吉蘭泰拉張構造區、青藏塊體北東緣弧形構造區、鄂爾多斯地塊和阿拉善地塊[9][圖1(a)]。其中鄂爾多斯和阿拉善地塊均為新構造活動微弱的穩定地區。銀川-賀蘭山-吉蘭泰地區和牛首山以南為新構造活動強烈的地區，但其新構造特征截然不同，前者主要活動斷層和盆地為北北東走向，活動方式為正斷兼右旋，顯示拉張環境；而后者顯示為弧形構造，活動斷裂的北西西走向段落以左旋走滑為主，近南北向段落以擠壓為主，為青藏斷塊區北東緣的重要組成部分。

圖1　研究區劃分依據Fig.1　The basis for the study area's division

按照構造特征以及2008年以來研究區弱震分布情況[圖1(b)]，將寧夏及鄰區細分為銀川盆地、吉蘭泰盆地、賀蘭山區、吳忠靈武地區、阿拉善左旗西南和牛首山以南地區6個區域。由于寧夏及鄰區6級以上地震自1604年起有比較完整的記載[10]，而1604年以后中衛、海原及附近區域6級以上地震數量就占全區總數的一半[圖1(c)]，所以在牛首山以南地區將中衛、海原及附近區域劃為一個單獨的研究區域，從而更詳細地研究寧夏及鄰區尾波Q值分布的區域特征(圖2)。

圖2　分區示意圖Fig.2　The partition map of the study area

2數據計算方法原理

依據Aki單次散射模型[1-2]，以某頻率為中心頻率，使用一定帶寬濾波器濾波后的尾波振幅可以表述為

(1)

其中:S(f)為震源因子；t為發震時刻算起的地震波流逝時間；u為常數，體波u=1，面波u=0.5，本研究全部采用近震記錄，因此u取值為1；Q(f)為對應于中心頻率點f的尾波Q值；A(f,t)是對應t時刻一個采樣周期的幅度最大值。對式(1)兩邊取自然對數并整理變為

(2)

(3)

尾波段起算時間從2倍的S波走時開始。

本研究在具體操作上，首先對地震波尾波以f為中心頻率，f±1/3f為帶寬，使用6階Butterworth濾波器進行濾波，之后以f對應的周期T為采樣步長，分別采集不同流逝時間t對應的A(f,t)，將所有數據點代入式(2)，用最小二乘法求解該頻率的Q值。在研究整個區域地震波衰減總體特征時，先求該區域所有記錄對不同頻率的Q值，再求Q值平均值，用平均值作為該區域對應頻率的Q值，并由此數據擬合頻率與Q值的關系式：

(4)

3觀測資料選取及處理

表 1　寧夏測震臺網臺站參數表

4計算結果與分析

圖3　寧夏及鄰區分區尾波Q值數據擬合情況及Q0值分布圖Fig.3　The data fitting of every study area’s Q value of seismic coda and the distribution diagram　　　 of Q0 value in Ningxia and neighboring area

圖4　寧夏及鄰區各區域尾波Q0值隨時間變化圖Fig.4　Change of every study area's Q0 value with time

5與前人已有計算結果進行對比

趙衛明等[7]曾利用1986—2000年模擬記錄的132個地震的200條尾波記錄對寧夏及鄰區尾波Q值分布特征進行研究，得到的寧夏及鄰區分區尾波Q值基本與區域地質構造有關。Q值相對較低的區域多為新生代盆地，如吉蘭泰盆地、海原盆地、銀川盆地南段的吳忠、靈武地區，以及吳忠至鹽池臺之間；而Q值相對較高的區域為山脈或盆地之間的斷隆，如賀蘭山、銀川盆地與臨河盆地之間的烏海及附近。永寧-大武口之間屬銀川盆地的中、北段，Q值最高。

本研究中區域劃分與趙衛明等[7]基本類似，由于尾波Q值計算與尾波流逝時間截取長度關系很大，我們僅對計算結果的相對大小與其進行對比分析(表2，圖5)。

(1) 與趙衛明等[7]結果比較一致的地區為銀川盆地、賀蘭山區、阿拉善左旗西南、牛首山以南地區及中衛、海原及附近區域。其中，阿拉善左旗西南、牛首山以南地區及中衛、海原及附近區域均屬于青藏塊體北東緣具有擠壓性質的弧形構造區，該區構造活動十分強烈，尾波Q0值相對較低;而銀川盆地和賀蘭山區均屬于北部的拉張型構造區，該區構造活動雖然很強但仍低于南部地區，尾波Q0值相對較高。

圖5　各區域尾波Q值分布圖Fig.5　The distribution map of every study area's Q value of seismic coda

吉蘭泰盆地銀川盆地賀蘭山區吳忠、靈武地區阿拉善左旗西南中衛、海原及附近牛首山以南地區趙衛明等[7]Q0值204291282168179184228樣本數82896132178本研究Q0值372.1351.8351.7382.6248.2213.4208.8樣本數404726511157498

(2) 本研究得到的吉蘭泰盆地與吳忠、靈武地區尾波Q0值均相對較高，與趙衛明等[7]的結果正好相反。趙衛明認為:吉蘭泰盆地為新生代沉積盆地，故該區域尾波Q0值較低；而吳忠、靈武地區的低Q0值則與該區域的第四紀沉積較厚，或地殼中上部介質強度較弱有關。本文認為：吉蘭泰盆地為寧夏北部拉張構造區的最北端，該區雖然中強地震時有發生，但歷史上并未有發生7.0級以上強震的記錄，相對來說該區介質的破碎程度低于南部地區，故而尾波Q0值比南部地區要高；而吳忠、靈武地區本研究中所使用的數據量較多，且數字記錄的資料相對模擬資料記錄信息更豐富，且速度成像結果也顯示該區域存在高速區[17]，即高應力集中區，與相對高Q0值有比較好的對應關系。故本研究結果可能更為可靠。

6結論與討論

(1) 寧夏及鄰區Q0值整體呈北高南低分布，寧夏北部的Q0值較高，而南部的Q0值較低，Q值與頻率的依賴性指數分布則正好相反。這與寧夏及鄰區的歷史強震活動分布以及地質構造背景有關。由圖1(c)可以看出，1604年以來寧夏北部只發生了1739年銀川平羅8級地震，南部6級以上強震頻次明顯高于北部，尤其是1920年海原發生了8.5級特大地震，因此南部相對北部更為破碎，容易呈現Q0值北高南低的分布態勢。從地質構造背景來看，位于寧夏北部的銀川—賀蘭山—吉蘭泰地區和南部的牛首山以南地區均為新構造活動強烈的地區，但其新構造特征卻正好相反；重力資料也顯示寧夏北部和南部呈現出兩種截然不同的失衡狀態，可能與這兩個地區的尾波Q0值迥異的分布有某種必然的聯系，但究竟是何種聯系，本文尚不能給出合理的解釋，還望能在以后的研究中有所突破。

(2) 阿拉善左旗西南尾波Q0值相對較低。該區位于青藏高原東北緣弧形構造區的最北端，與構造性質比較穩定的阿拉善塊體相接。與牛首山以南地區相比，該區域斷裂活動強度相對較弱，但明顯強于阿拉善塊體。

(3) 吳忠、靈武地區尾波Q0值相對較高，與該區域處于高速區即高應力集中區有較好的對應關系，也說明目前該區域比較完整，地殼介質均勻程度較好。

(4) 中衛、海原及附近地區為弧形構造區內的壓陷型盆地，對應該地區的尾波Q0值相對較低。這一區域地殼深部溫度和熱流值明顯高于其他地區[16],由于尾波對溫度變化非常敏感，故該區低Q0值可能與其地殼深部高溫度和高熱流值有關。

(5) 根據前人的研究，Q值在大震后普遍出現明顯降低的現象。這是由于大地震臨發生之前, 震源附近應力高度集中, 使得介質很緊密, 造成地震波在這種介質中傳播能量損耗少, 因而Q值就大；大震后震源周圍地區介質破碎程度顯著增大, 使得Q值變小, 衰減增大[18-20]。由于樣本量有限，并且研究區已經20多年未發生5級以上強震，所使用的資料時段內沒有震例可以用于討論中強震與Q0值變化形態之間的關系。鑒于此，查閱前人關于靈武地區的震例探討成果[21]，即1984年11月23日靈武5.3級和1987年8月10日靈武5.5級地震前都出現了Q0值的上升和下降變化過程，震后Q0值一般維持在低水平上。結合前文中各區域得到的Q0隨地震序號(即時間)的變化曲線(圖4)，均未出現前人研究成果中震前Q0值顯著升高的現象，或許意味著當前Q0值變化形態未出現異常，可以據此初步判定當前地震形勢尚未達到非常嚴峻的程度。

致謝:衷心感謝浙江省地震局朱新運教師提供尾波Q值計算軟件及寧夏地震局測震臺網中心提供計算所用波形資料！

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Distribution Characteristics ofQValue of Seismic Coda in Ningxia and Neighboring Areas Based on Aki Model

SHI Hai-kuo1,2, ZENG Xian-wei2, ZHANG Li-heng2, HE Yong-zhong2

(1.UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China;2.EarthquakeAdministrationofNingxiaHuiAutonomousRegion,Yinchuan750001,Ningxia,China)

Abstract：In this study, we analyze the distribution characteristics of Q value of seismic coda in Ningxia and neighboring areas by considering 665 digital wave data points of earthquakes with ML≥2.0 from January, 2008 to December, 2013 recorded by the Ningxia Earthquake Network using the Aki model. The selected waveform records are clear, and the noise levels satisfy the requirements. By comparing the Q values of seismic coda in each area of the Ningxia Province and its adjacent region with existing results, the distribution characteristics of Q value of seismic coda are obtained. The results show that the Q value of seismic coda is higher in the north than in the south. The Q values of seismic coda in Wuzhong and Lingwu areas are relatively high, corresponding to the high-speed zone. The Q values of seismic coda in the region southwest of Alashan Zuoqi and those in Zhongwei, Haiyuan, and their adjacent regions are relatively low. These results may be associated with the high temperatures and heat-flow values in the deep crust of those areas.

Key words：Ningxia and its adjacent areas; Aki model; Q value of seismic coda; distribution characteristics

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.01.0051

中圖分類號:P315.31

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)01-0051-07

作者簡介：師海闊(1985-)，男(漢族)，甘肅臨洮人，工程師，主要從事地震監測工作。E-mail: shihaikuo369@163.com。

基金項目：中國地震局三結合課題(143002)

收稿日期：①2015-03-31