有流體參與作用下的震源參數(shù)特征
——以廣西凌云鳳山震群、龍灘庫(kù)區(qū)地震為例

龍政強(qiáng), 孫學(xué)軍, 姚 宏, 劉雙慶, 謝夜玉, 韋旭鴻

(1.廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022； 2.天津市地震局，天津 300201)

有流體參與作用下的震源參數(shù)特征
——以廣西凌云鳳山震群、龍灘庫(kù)區(qū)地震為例

龍政強(qiáng)1, 孫學(xué)軍1, 姚 宏1, 劉雙慶2, 謝夜玉1, 韋旭鴻1

(1.廣西壯族自治區(qū)地震局，南寧 530022； 2.天津市地震局，天津 300201)

對(duì)廣西暴雨誘發(fā)的地震、水庫(kù)地震及天然地震的地震波數(shù)字頻譜參數(shù)特征進(jìn)行分析；計(jì)算凌云鳳山震群、2007—2013年廣西桂東南地區(qū)天然地震及龍灘庫(kù)區(qū)ML≥2.5級(jí)地震波形資料，獲得凌云鳳山震群、桂東南天然地震、龍灘庫(kù)區(qū)地震震源參數(shù)。研究表明：凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震的應(yīng)力降、震源尺度和拐角頻率在數(shù)值范圍、平均值都基本相同；它們的應(yīng)力降和拐角頻率明顯小于桂東南地區(qū)地震，其中應(yīng)力降約小1個(gè)量級(jí)；而它們的震源尺度明顯大于同震級(jí)的桂東南地區(qū)地震。這些特征顯示出數(shù)字地震波頻譜分析也可較好地反映凌云鳳山震群由暴雨誘發(fā)所致的成因。

震群；水庫(kù)地震；震源參數(shù)；地震矩；拐角頻率

0 引言

寬頻帶、大動(dòng)態(tài)響應(yīng)是數(shù)字地震觀測(cè)記錄相對(duì)于模擬記錄的顯著特征。隨著地震觀測(cè)技術(shù)和研究方法的不斷進(jìn)步以及數(shù)字化地震記錄資料的積累，各種構(gòu)造背景條件下的中小地震震源參數(shù)特征研究一直是地震學(xué)者研究的重要領(lǐng)域，尤其在水庫(kù)誘發(fā)地震與構(gòu)造地震震源特征的差異方面取得了新的認(rèn)識(shí)。如鐘羽云等[1]對(duì)溫州珊溪水庫(kù)ML3.9震群震源參數(shù)特征研究表明，拐角頻率總體偏小，震源破裂半徑總體偏大，這可能是水庫(kù)誘發(fā)地震不同于構(gòu)造地震的一個(gè)特點(diǎn)。周昕等[2]研究表明珊溪水庫(kù)地震與構(gòu)造地震在地震波譜特征上也存在差異。

2010年6月27—30日廣西西北部出現(xiàn)大暴雨過(guò)程，大范圍積水，形成嚴(yán)重內(nèi)澇，在降雨量最大的凌云鳳山交界地區(qū)于6月27日至8月中旬發(fā)生了持續(xù)、密集、震感明顯的震群活動(dòng)。這些地震震源深度淺，90%以上的震源深度小于3 km，小震空間分布也與較大震級(jí)的破裂面走向不一致[3]。另外，利用傳染型余震序列模型定量檢測(cè)，也顯示出流體對(duì)該震群有很強(qiáng)烈的觸發(fā)作用，綜合推斷該震群為暴雨觸發(fā)[3]。暴雨觸發(fā)的地震活動(dòng)現(xiàn)象自廣西地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)以來(lái)，記錄罕見(jiàn)。為探求流體水參與作用的地震或震群的震源參數(shù)特征，本文將采用Brune 模型[4]，結(jié)合前期計(jì)算取得的廣西區(qū)域非彈性衰減Q值和臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)，計(jì)算得到凌云鳳山震群、龍灘庫(kù)區(qū)地震、桂東南天然地震的地震矩、應(yīng)力降、震源尺度、拐角頻率等震源參數(shù)。并將三者進(jìn)行對(duì)比研究，以求為不同地震發(fā)震性質(zhì)、震群類(lèi)型研判提供一定的依據(jù)和借鑒。

1 研究方法

臺(tái)站觀測(cè)的任一地震地面運(yùn)運(yùn)的傅里葉譜可以表示為：

(1)

式中：Aij(f)是第j個(gè)臺(tái)站記錄到第i個(gè)地震的傅立葉譜振幅譜(觀測(cè)譜)，Ai0(f)為第i個(gè)地震的震源譜振幅(震源譜)，Rij為震源距，G(Rij)為幾何衰減函，Q(f)為頻率依賴的品質(zhì)因子，β為地震波速度(本研究中僅分析S波)，Sj(f)為第j個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)項(xiàng)。Ij(f)為第j個(gè)臺(tái)站的儀器響應(yīng)項(xiàng)。

由(1)式可知，在頻率域內(nèi)對(duì)臺(tái)站的觀測(cè)位移譜Aij(f)進(jìn)行幾何衰減、非彈性衰減、場(chǎng)地響應(yīng)及儀器響應(yīng)校正后，才能得到震源譜Ai0(f)。目前一般采用1992年Atkinson提出的三段幾何衰減模型來(lái)計(jì)算傳播路徑的影響，采用多臺(tái)、多地震聯(lián)合反演的Moya方法計(jì)算臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)[5-6]。筆者采用上述方法，利用2007—2013年廣西數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)記錄到的ML2.5級(jí)以上地震波形共665條，反演得到廣西地區(qū)介質(zhì)因子Q(f)=366.3f0.47和各臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)*龍政強(qiáng)，孫學(xué)軍，姚宏，等．廣西地區(qū)地震動(dòng)衰減Q值和場(chǎng)地響應(yīng)研究，另文投稿待發(fā)表。。

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為介質(zhì)密度，本文ρ取2.9 g/cm3；β為S波的速度，本文β為3.5 km/s；Rθφ為S波的輻射花樣系數(shù)，由于沒(méi)有每次地震的斷層面解，故令其為常數(shù)，并取S波在震源球面的上平均值，即Rθφ=0.41[7]。

2 數(shù)據(jù)資料及處理

2.1 資料選取

2009年9月至2010年6月，中國(guó)西南滇、黔、桂大部分地區(qū)遭遇罕見(jiàn)的秋冬連旱，廣西西部、西北部持續(xù)干旱少雨。2010年6月27—30日廣西西北部出現(xiàn)大暴雨過(guò)程，大范圍積水成澇。降雨量最大的凌云、鳳山交界于6月28日17時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)密集的微震活動(dòng)，至8月15日，共記錄地震3 071次，其中ML2.0～2.9級(jí)41次，ML3.0級(jí)以上地震3次，最大為7月1日10時(shí)27分鳳山ML3.2級(jí)地震。此次震群活動(dòng)均表現(xiàn)出震源淺、頻度高、烈度大、密集程度高、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)。

龍灘水電站工程位于珠江干流紅水河上游的廣西天峨縣境內(nèi)，電站設(shè)計(jì)絕對(duì)壩高220 m，庫(kù)容(273×108) m3，水庫(kù)正常蓄水位400 m，是一座典型高壩大庫(kù)容水庫(kù)。自2006年10月蓄水以來(lái)，庫(kù)區(qū)中小地震活動(dòng)頻繁，2009年史水平等[8]通過(guò)定性判斷法和概率統(tǒng)計(jì)分析法的驗(yàn)證表明，龍灘庫(kù)區(qū)蓄水后出現(xiàn)的地震活動(dòng)具有明顯的水庫(kù)誘發(fā)性質(zhì)，屬水庫(kù)誘發(fā)地震。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自2007—2013年，龍灘庫(kù)區(qū)發(fā)生ML2.0以上地震172次，其中2.0～2.9級(jí)159次，3.0～3.9級(jí)11次，4.0～4.9級(jí)2次，最大地震為2007年7月17日11時(shí)24分廣西天峨ML4.5級(jí)地震。

桂東南地區(qū)在行政區(qū)域上主要包括南寧、玉林、貴港、梧州、欽州、北海、防城港等市，是廣西陸區(qū)地震活動(dòng)水平最高的地區(qū)。區(qū)域內(nèi)有北東向的防城-靈山、合浦-北流等活動(dòng)斷裂帶和北西向的巴馬-博白、百色-合浦?jǐn)嗔褞|南段等活動(dòng)斷裂帶，其地震活動(dòng)主要沿?cái)嗔褞Щ騼蓚?cè)或斷裂交匯處展布。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007—2013年，該地區(qū)共發(fā)生ML≥2.5級(jí)地震25次，其中2.5～2.9級(jí)18次，3.0～3.9級(jí)7次，最大地震為2010年8月17日00時(shí)04分廣西靈山ML3.6級(jí)地震。

2.2 資料處理

為確保參與本研究的每一個(gè)地震事件是真實(shí)的地震事件，避免將非地震事件參與計(jì)算，以得到結(jié)果的真實(shí)性，在數(shù)據(jù)應(yīng)用時(shí)我們做了如下處理。首先結(jié)合當(dāng)時(shí)廣西地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力，在地震精定位的基礎(chǔ)上，對(duì)研究時(shí)空范圍內(nèi)的凌云鳳山震群、龍灘庫(kù)區(qū)地震，原則上取2007年以來(lái)且ML≥2.5的地震事件進(jìn)行震源參數(shù)計(jì)算和研究，對(duì)ML<2.5地震事件，則需進(jìn)行重新分析確認(rèn)。然后根據(jù)震源參數(shù)計(jì)算要求和原則，即地震和臺(tái)站的空間分布要盡可能均勻、信噪比大于2倍脈動(dòng)噪聲、震級(jí)上限要求MS≤5.0、每個(gè)臺(tái)站須記錄3個(gè)以上地震及每個(gè)地震須被3個(gè)臺(tái)站記錄到的原則進(jìn)行挑選,經(jīng)挑選分析確認(rèn)，在研究時(shí)空范圍內(nèi)有47個(gè)地震事件波形及目錄符合計(jì)算要求，分布如圖1，其震級(jí)范圍為ML2.5～4.5。桂東南的地震分布考慮文章篇幅不再給出。

圖1 凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震震中分布圖

3 震源參數(shù)結(jié)果及比對(duì)分析

采用上述方法計(jì)算得到凌云鳳山震群、龍灘庫(kù)區(qū)地震、桂東南地區(qū)的震源參數(shù)(表1)。龍灘庫(kù)區(qū)單個(gè)地震最大地震矩、應(yīng)力降為該庫(kù)區(qū)內(nèi)最大地震2007年7月17日ML4.5的地震矩和應(yīng)力降，其值分別為1.24×1015N·m、7.557 MPa。

表1 凌云鳳山震群、龍灘庫(kù)區(qū)、桂東南地區(qū)地震震源參數(shù)

地震矩是對(duì)斷層滑動(dòng)引起的地震強(qiáng)度的直接量度，應(yīng)力降是表征地震瞬間錯(cuò)動(dòng)時(shí)位錯(cuò)面上的應(yīng)力變化，拐角頻率反映了地震波高低頻能量的分布特征以及地震波的衰減變化特征。因此分析研究地震矩、應(yīng)力降、震源尺度、拐角頻率等有明確物理含義的震源參數(shù)特征對(duì)了解孕震過(guò)程、發(fā)震機(jī)理十分有益，對(duì)地震或震群類(lèi)型研判亦有參考意義。我們采用總體均值(表1均值欄)與按震級(jí)分檔后取均值(圖2)對(duì)比的方法，對(duì)凌云鳳山震群、龍灘水庫(kù)區(qū)地震和桂東南地區(qū)天然地震的震源參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，以探索其相同、相似或差異之處。

圖2 研究區(qū)震群的地震矩(a)、拐角頻率(b)、應(yīng)力降(c)、震源尺度(d)對(duì)比

通過(guò)以上方法分析凌云鳳山震群、龍灘庫(kù)區(qū)地震及桂東南地區(qū)地震的各震源參數(shù)發(fā)現(xiàn)其有3個(gè)特征。①凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震的應(yīng)力降、震源尺度和拐角頻率，在數(shù)值范圍、平均值都基本相同。若扣除龍灘庫(kù)區(qū)最大地震2007年7月17日ML4.5級(jí)地震地震矩對(duì)總體均值的影響，它們?cè)谙嗤鸺?jí)范圍內(nèi)，地震矩的范圍和平均值大小也很接近。②凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震的應(yīng)力降和拐角頻率明顯小于桂東南地區(qū)的地震，其中應(yīng)力降約小10倍。這與其他研究者結(jié)論相一致。如：2004年鐘羽云等對(duì)溫州珊溪水庫(kù)ML3.9震群震源參數(shù)特征的研究表明水庫(kù)誘發(fā)地震拐角頻率明顯小于同震級(jí)的構(gòu)造地震。2010年華衛(wèi)等[8]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)地震參數(shù)研究表明，與同震級(jí)的構(gòu)造地震相比，水庫(kù)地震的應(yīng)力降值明顯偏低，約小10倍。③凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震的震源尺度明顯大于同震級(jí)的桂東南天然地震。這或許是水庫(kù)地震與構(gòu)造地震不同的特征之一，但還需積累更多資料加以驗(yàn)證。

4 地震矩與震級(jí)、拐角頻率間的相互關(guān)系

地震矩是對(duì)斷層滑動(dòng)引起的地震強(qiáng)度的直接量度，由地震波振幅低頻成分的大小決定，反映震源處破裂的大小，震級(jí)與地震距之間的線性回歸關(guān)系能反映不同地區(qū)的地下介質(zhì)狀態(tài)和地震活動(dòng)特點(diǎn)。我們選用凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震震源參數(shù)，采用最小二乘法擬合出地震矩與震級(jí)、震源尺度和拐角頻率關(guān)系(圖3)。

圖3 震級(jí)與地震矩、拐角頻率的關(guān)系

從地震矩與震級(jí)關(guān)系(圖4a，凌云鳳山震群，相關(guān)系數(shù)R為0.77；圖4b，龍灘庫(kù)區(qū)地震，相關(guān)系數(shù)R為0.83))可以看出，它們的地震矩與震級(jí)之間均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，最小二乘法擬合關(guān)系式分別是logM0=1.27ML+9.82和logM0=1.04ML+10.63。與近年來(lái)其他研究學(xué)者利用水庫(kù)區(qū)地震資料研究的結(jié)果基本一致。如2004年鐘羽云等[1]對(duì)溫州珊溪水庫(kù)ML3.9震群研究，logM0=1.07ML+10.3，1.8≤ML≤3.9；2010年鄔成棟等[10]對(duì)小灣水庫(kù)區(qū)近場(chǎng)區(qū)地震震源參數(shù)研究，logM0=1.11ML+9.65；2010年華衛(wèi)等[9]對(duì)三峽水庫(kù)地區(qū)震源參數(shù)研究，logM0=1.07ML+9.76；2012年華衛(wèi)等[11]以龍灘水庫(kù)為例的水庫(kù)誘發(fā)地震與構(gòu)造地震震源參數(shù)特征差異性研究，logM0=1.07ML+10.17。

在震源參數(shù)研究中，拐角頻率是基本參數(shù)，國(guó)內(nèi)多位地震研究學(xué)者[6-13]研究表明，拐角頻率隨震級(jí)的增大而減小。從震級(jí)與拐角頻率的關(guān)系(圖4c，凌云鳳山震群，相關(guān)系數(shù)R為0.77；圖4d，灘庫(kù)區(qū)地震，相關(guān)系數(shù)R為0.39)可以看出，凌云鳳山震群的拐角頻率與震級(jí)也呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，而龍灘庫(kù)區(qū)地震的拐角頻率與震級(jí)線性關(guān)系不明顯，最小二乘法擬合關(guān)系式分別是log=-0.377logML+1.70和log=-0.168logML+1.22。

5 結(jié)論與討論

凌云鳳山震群是在前期嚴(yán)重干旱的背景下，突遇強(qiáng)暴雨形成大面積嚴(yán)重內(nèi)澇，在流體自重及地表水體載荷壓力的作用下，流體沿?cái)嗔哑扑閹Ъ皫r溶裂隙快速下滲，導(dǎo)致地下裂隙、斷層及孔隙介質(zhì)中的孔隙壓力快速增大，斷層、裂隙強(qiáng)度隨之降低，流體觸發(fā)作用顯著增強(qiáng)，加之該區(qū)域碳酸鹽巖類(lèi)巖溶等淺層構(gòu)造非常發(fā)育，地下溶洞、孔穴、暗河密布，從而觸發(fā)的顯著的震群活動(dòng)[3]。我們?cè)谇笆稣J(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算得到的凌云鳳山震群、龍灘庫(kù)區(qū)地震、桂東南天然地震的震源參數(shù)進(jìn)行了比對(duì)分析，取得以下結(jié)果和認(rèn)識(shí)：

(1)凌云鳳山震群的地震矩在8.0×1012～1.06×1014N·m之間，應(yīng)力降在0.129～1.335 MPa之間，震源尺度在157～540 m之間，拐角頻率在2.4～8.3 Hz之間；龍灘庫(kù)區(qū)地震的地震矩在5.94×1012～1.24×1015N·m之間，應(yīng)力降在0.138～8.557 MPa之間，震源尺度在121～557 m之間，拐角頻率為在2.3～10.7 Hz之間。桂東南地區(qū)地震的地震矩在1.26×1013～2.34×1014N·m之間，應(yīng)力降在2.053～22.905 MPa之間，震源尺度在87～207 m之間，拐角頻率為在7.8～12.9 Hz之間。

(2)凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震的地震矩與震級(jí)線性關(guān)系明顯,即地震矩隨震級(jí)的增大而增大，最小二乘法擬合關(guān)系式關(guān)系式分別是logM0=1.27ML+9.82、logM0=1.04ML+10.63。

(3)凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震的應(yīng)力降、震源尺度和拐角頻率，在數(shù)值范圍、平均值大小很接近；凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震的應(yīng)力降和拐角頻率明顯小于桂東南地區(qū)的地震，其中應(yīng)力降約小10倍；凌云鳳山震群和龍灘庫(kù)區(qū)地震的震源尺度較明顯大于同震級(jí)的桂東南天然地震。此結(jié)果與鐘羽云等[1]和華衛(wèi)等[11]對(duì)水庫(kù)地震研究結(jié)果相一致，說(shuō)明結(jié)果的可靠性，同時(shí)進(jìn)一步佐證了水庫(kù)地震與構(gòu)造地震在拐角頻率、應(yīng)力降方面確實(shí)存在差異，即水庫(kù)地震的應(yīng)力降和拐角頻率均小于同震級(jí)構(gòu)造地震，其中應(yīng)力降約小10倍。對(duì)于震源尺度明顯大于同震級(jí)構(gòu)造地震的結(jié)果還有待今后積累更多資料予以驗(yàn)證。造成拐角頻率呈現(xiàn)這種差異，可能與水的作用有密切關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)孔隙度為0.15，巖體彈性模量減小23%時(shí)，拐角頻率可以減小約29%，由此解釋了水庫(kù)誘發(fā)地震拐角頻率偏小的原因，即主要是由裂隙發(fā)育和庫(kù)水滲透擴(kuò)散使地殼淺部巖體強(qiáng)度弱化引起的[14]。從目前已得到的研究結(jié)果看，水庫(kù)誘發(fā)地震低應(yīng)力降值的現(xiàn)象是個(gè)比較普遍存在的現(xiàn)象，而且能給出一定的物理解釋。關(guān)于這方面，華衛(wèi)等[11]已對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納，一種觀點(diǎn)認(rèn)為水壓破裂可能因?yàn)橥耆灰粯拥幕瑒?dòng)而具有較低的平均應(yīng)力降，另一種觀點(diǎn)認(rèn)為非自然的環(huán)境局部地影響原來(lái)位置的應(yīng)力水平，從而導(dǎo)致流體誘發(fā)(或采礦誘發(fā))的地震可能發(fā)生在更低的構(gòu)造應(yīng)力地區(qū)。

致謝：本文計(jì)算軟件由中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所“地震圖像與數(shù)字化地震資料應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室”提供，特此致謝！

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Characteristics of Seismic Source Parameters under the Influence of Fluid——Taking Guangxi Lingyun Fengshan Earthquake Swarm,Longtan Reservoir Earthquakes as Examples

LONG Zheng-qiang1, SUN Xue-jun1, YAO Hong1,

LIU Shuang-qing2, XIE Ye-yu1,WEI Xu-hong1

(1. Earthquake Administration of Guangxi Zhuang Autonomous Region, NanNing 530022, China;
2. Earthquake Administration of Tianjin municipality, Tianjin 300201, China)

In this article, digital seismic source spectrums of Guangxi earthquakes are analyzed, which include that induced by storm or reservoir and the natural occurrence. By calculating Lingyun-Fengshan earthquake swarm, the earthquakes (ML≥2.5) being adjacent to Longtan reservoir and the natural earthquake in southeastern Guangxi in 2007 to 2013, their parameters of seismic source are acquired respectively. The results indicate that for Lingyun-Fengshan and Longtan reservoir earthquakes, their stress drop, source radius and corner frequency are nearly the same at the range of values and the average. Their stress drop and the corner frequency are significantly less than these earthquakes in southeast of Guangxi. And their stress drops are smaller about 1 order of magnitude. However, the source radiuses are significantly greater than that of the same seismic magnitude in southeast of Guangxi. The above of characteristics show that spectrum analysis of digital seismic wave can also reflect the storm-induced cause of Lingyun Fengshan earthquake swarm.

earthquake swarm; reservoir earthquake; source parameters; seismic moment; corner frequency

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.04.003

2014-08-26

中國(guó)地震局測(cè)震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專(zhuān)項(xiàng)(項(xiàng)目編號(hào)：20140318、20130202)

龍政強(qiáng)(1974—)，男，本科，工程師，從事地震監(jiān)測(cè)與研究等工作.E-mail:longzhengqiang@126.com.

P315.3

A

1003-1375(2014)04-0010-07