南天山西段地震尾波Q值研究

尼魯帕爾·買買吐孫 夏愛國 海仁妮莎

1）新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊市新市區科學二街338號 830011

2）新疆維吾爾自治區地震局喀什基準地震臺，新疆喀什 844000

0 引言

地震波在地球介質中轉播時會很快衰減殆盡，造成這種現象的原因主要是地球介質的非完全彈性以及介質彈性的非均勻性。Q值是描述地球介質特性的主要參數，地殼中裂隙狀態、流體遷移、熱物質上涌等巖性變化都可能引起應力變化，從而造成品質因子Q值的變化（周慧蘭，1990）。Aki（1969）首次提出了尾波散射理論，提出可以利用尾波來研究震源區上部巖石圈的橫向不均勻性、區域地震活動性以及震源機制解等。Aki等（Aki，1969；Aki et al，1975）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計算方法。考慮到臺、源分離情況下震源至接收點距離的影響，Sato（1977）和Pulli（1984）對Aki等（1975）的尾波計算方法進行了必要的修正（即Sato模型）。

尾波Q值主要反映了以震源和記錄臺站為焦點的橢球范圍內的介質品質因子的特性，該品質因子作為衡量地區構造活動的重要指標，在震源物理、工程地震學和地震預測研究中都有重要的應用。與其他研究方法相比，利用尾波散射理論能較好地描述介質的某些特征，其優點在于它不是對介質進行確定的測量，而是給出介質在統計平均意義上的特征描述（李瓊等，2007）。諸多研究表明，Q值在地震活動頻繁的地區較低，在地震活動相對平靜的地區較高；在古老的地質單元或構造運動穩定地區較高，而在近代地質單元或構造活躍地區較低（馬云生等，1995；李白基等，2004；朱新運，2006：朱新運等，2006a、2006b；馬力等，2010；師海闊等，2011；賀永忠等，2012）。

本文利用南天山西段2009～2014年10個臺站各自附近60km范圍內的數字化地震波形資料，采用Aki尾波單次散射模型，對南天山西段的地震尾波Q值進行了研究。

1 研究區域及觀測資料

研究區域位于新疆南天山西段（37.0°～43.0°N，73°～82°E）。該區域中小地震豐富，地質構造比較復雜。喀什-烏恰交匯區是新疆地震活動最為強烈的地區之一，位于帕米爾弧的北段，是南天山與西昆侖2條地震帶的交匯區，區域內構造運動強烈，地殼縮短速率可達20mm／a，活動斷裂分布密集，主要斷裂有托特拱拜孜斷裂、卡茲特-阿爾特斷裂、烏魯克恰特斷裂以及塔拉斯-費爾干納斷裂等（馮先岳，1995；曲延軍等，2010）。

本研究使用南天山西段10個臺站的記錄，各臺站的基本情況見圖1（a）及表1。所選地震臺站的地震儀是以CMG和CTS型為主的甚寬頻帶地震儀，其采樣率均為100Hz，頻率在0.1～30Hz之間，均具有平坦的速度響應。選取分析樣本為新疆臺網地震目錄的起止時間為2009年1月～2014年4月，震中在南天山西段（37.0°～43.0°N，73°～82°E），震級為MS2.0～4.5的地震。其中MS2.0～2.9地震243次，MS3.0～3.9地震141次，MS4.0～4.5地震13次，最大地震為2013年2月18日阿圖什4.5級地震。所用地震波形記錄清晰，噪聲水平滿足計算條件（圖1（b））。

圖1 （a）研究區臺站、地震分布及射線路徑，（b）MS≥2.0地震M-T圖

表1研究區域地震臺站信息情況

2 方法原理

本文采用尾波方法求解Q值，用單次散射模型描述尾波衰減（Aki et al，1975），根據該單次散射模型，以某一中心頻率的一定帶寬濾波器濾波后的尾波振幅可表述為

式中，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，且體波的u＝1、面波的u＝0.5，因本文主要進行近震數據的分析，故u取值為1；QC（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，進而整理變換為

計算中首先對地震尾波以f為中心頻率，為寬帶，使用6階Butterworth濾波器進行濾波，之后以f對應的周期T為采樣率步長，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。在分析整個區域地震波衰減總體特征時，先求出研究區內所有地震記錄對不同頻率的Q值，再計算出這些Q值的平均值，用此平均值作為研究區對應頻率點的Q值，并由此數據擬合出頻率與Q值的關系式

式（4）給出了QC（f）值與f的關系，對此式兩邊取對數可得

從式（5）可以看出，由于lnQC（f）與lnf成線性關系，采用最小二乘法可以得出Q0和η值。

3 數據處理及結果分析

3.1 數據處理

本研究分析頻率段為4～18Hz，間隔1Hz，對應中心頻率f，寬帶取［采用每次事件記f，?f］，使用6階Butterworth帶通濾波器（朱新云等，2006）進行濾波。根據朱新云等（2006a、2006b）的研究成果，采用每次事件記錄之前3s的噪聲平均信號幅度作為標準噪聲信號，與等長時間尾波信號平均幅度相比，設置信噪比閥值為2，大于2表示在數據計算上結果可靠。由于不同臺站場地條件不同，可能獲取的尾波可用段也不同，對應流逝時間也不同。這樣挑選出符合條件的397次地震的記錄，對同一地震記錄3分向數據分別求解Q值，同時給出各個頻率3分向結果的平均值，并采用3分向數據的平均值作為判斷該地震波衰減特征的Q值指標（計算實例見圖2），最后擬合Q隨頻率的變化關系。

圖2 2010年5月14日23時31分MS2.1地震的阿合奇（AHQ）臺計算實例

3.2 計算結果

圖3和表2給出了以阿合奇臺為中心60km范圍內58次地震計算出來的Q0值和η值。由表2可見，阿合奇臺附近尾波Q0值在53～442之間，Q0值平均值為249，η值均值為0.73。

3.3 分頻Q C值時序進程分析

近年來，許多研究者利用地震尾波衰減探索了QC值大震前后的變化，以期借此發現大震的前兆信息。多數研究結果表明，主震前QC值變小，主要表現在12Hz以下的頻率范圍，但也有QC值在震前變大的結果（Sato et al，1988）。馬宏生等（2005）認為，大震前由于受較強應力作用，地殼介質特別是韌性層破裂的增加可使尾波QC值減小（Q－1C值變大），但臨近破裂時，由于應力增強，導致裂隙閉合，QC值反而增大；大震后，由于作用在地殼韌性層的應力得到釋放，從而介質松弛，以至反映其介質衰減特征的QC值減小，1976年的唐山地震就具有這個特點。

圖3 阿合奇臺Q0值與頻率關系

圖4給出了2009年1月～2014年4月阿合奇臺附近60km范圍內MS≥2.0以上地震在4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0Hz中心頻段QC隨時間的變化過程，圖中還同時標出了臺站周圍100km范圍內5級以上地震分布。由圖4可見，圖中8個頻段QC值變化形態基本一致，其中4.0Hz時的QC值時間進程圖較為平滑，2012年8月11日5.0級地震以及2013年3月11日5.1級地震前幾個頻段均出現QC值高值；震后呈現下降趨勢。

通過上述數據處理過程，對研究區域內的10個臺站60km范圍內MS≥2.0以上地震在4.0、6.0、8.0、10.0、12.0、14.0、16.0、18.0Hz中心頻段QC值隨時間的變化過程進行分析。

南天山西段臺站分布不是十分均勻，該區域所發生地震的位置常呈隨機的聚散狀，各臺能記到其周圍可供進行尾波QC值計算的地震并不相同。由于符合單次散射模型尾波功率譜分析的地震波形樣本所限，有的臺記錄波形樣本數較多，有的較少。10個臺站不同頻段QC值時序進程分析結果表明，不同臺站的分頻QC值時序進程曲線趨勢各異，但每個臺站在不同頻率的時間進程曲線趨勢大致一致。

表2阿合奇縣地震尾波Q0值結果

續表2

圖4 2009～2014年阿合奇臺周圍60km MS≥2.0地震分頻QC值時序進程圖

3.4 尾波衰減特征Q C值研究

基于近震尾波的單次散射理論，我們利用南天山西段10個臺記錄的397個信噪比較高的地震數字化波形資料，計算了該地區地球介質對不同頻率地震波衰減的品質因子QC。表3和圖5給出了研究區域內10個臺站為中心60km范圍內地震事件計算得到的Q0和η值的平均值結果。

表3南天山西段10個臺站周圍地震事件計算的Q 0與η值平均值

圖5 南天山西段各臺站附近尾波Q0值與主要活動構造分布

由表3可看出，南天山西段Q0值的平均值在140～390之間，頻率相關系數η的平均值在0.62～1.00之間，擬合平均QC值與對應頻率之間的關系結果為QC＝261.2±110.8f0.80±0.28，本文計算結果與李志海等（2011）對伽師地區Q0的計算結果基本一致；與趙翠萍等人（2011）得到的天山中段地區Q值（Q＝Q0fη＝344.1f0.553）相比較則顯現為南天山西段的Q0值小于天山中段地區的Q0值。傅承義等（1983）研究認為，Q值與介質均勻程度相關，或者說與介質強度有關。穩定地區介質均勻程度較高，其Q值較大；構造活動強烈地區介質均勻程度較低，其Q值較小。據此認為，南天山西段構造活動要強于天山中東段，這與兩個地區地震活動特征是一致的：南天山西段是我國地震活動最強烈的地區之一，以6級以上地震活動為主；而天山中段地震活動相對南天山西段要弱，以5級地震為主。巴楚臺附近的Q0值最高，達到390.3。研究區域10個臺站Q0值從大到小依次為：巴楚、阿克蘇、西克爾臺、八盤水磨、阿合奇、神木園、岳普湖、阿圖什、烏恰及喀什。從分布來看，塔里木盆地邊緣的阿克蘇、巴楚和西克爾臺較高的Q0值反映盆地邊緣介質的整合性相對較好，不像其他區域那樣破碎，與其他幾個臺站附近的尾波Q0值相比較而言，對地震波的散射較強。喀什和烏恰臺附近Q0值最小，反映該地區地殼破碎程度較高，與其較高的地質構造活動和較強地震活動水平相符合。

本文η值的部分計算結果出現了大于1的情況，表明頻率越高，衰減率越小，這與介質對地震波的吸收是隨頻率升高而增強的一般認識相悖。而馬云生等（1995）和馬力等（2010）在計算云南滇西實驗場地區的尾波QC值、北京及其周圍地區以及昆明臺附近尾波QC值分布特征的研究中，也出現過類似的現象。本文中討論的QC值是實際觀測資料按散射理論模式直接擬合得到的，有些η值大于1的原因，尚待進一步研究解釋。

4 結語

Q值大小反映了地震波衰減程度，Q值對頻率的依賴性與介質均勻程度有關，依賴程度越大，地殼介質均勻程度越低，相關區域構造活動越強烈，地震活動水平越高（朱新運等，2006a、2006b）。本文依據Aki尾波單次散射模型，利用南天山西段10個臺站附近地震事件頻帶資料計算了相應的尾波QC值，計算得到介質品質因子Q0值的平均值在140～390之間，頻率相關系數η的平均值在0.62～1.00之間。從Q0值大小分布來看，喀什、烏恰、阿圖什等臺站Q0值最小；與不同區域Q值及頻率相關系數相比較，本文研究區的Q0值較低，這與本地區的地震活動性相一致，表明該地區是以低Q0高η值為特征的構造活躍區。