江蘇部分測(cè)震臺(tái)井下與地面觀測(cè)震源參數(shù)對(duì)比

毛華鋒，張義德，仇中陽(yáng)，陳 健

(1.江蘇省溧陽(yáng)地震臺(tái)，江蘇 溧陽(yáng) 233333;2.浙江省舟山地震臺(tái)，浙江舟山 316000;3.江蘇省淮安地震臺(tái)，江蘇 淮安 223001)

江蘇省地處江淮、黃淮沖積和湖積平原，區(qū)域沉積厚度由西向東逐漸增加，覆蓋層厚度淺的十幾米，厚者數(shù)千米。獨(dú)特的地理位置、工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展所帶來(lái)的地震觀測(cè)環(huán)境干擾大、背景噪聲高等因素給地震觀測(cè)造成一定影響。為了解決經(jīng)濟(jì)建設(shè)與地震觀測(cè)環(huán)境保護(hù)這一矛盾，“十五”期間江蘇投入大量的人力物力增上了一批深井地震觀測(cè)設(shè)備，有效地改善了地震觀測(cè)環(huán)境，提高了地震監(jiān)測(cè)能力。目前江蘇測(cè)震臺(tái)網(wǎng)內(nèi)既有地面觀測(cè)儀器，也有井下觀測(cè)儀器，兩種觀測(cè)儀器擺放的位置不同，用其記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算出的各個(gè)地震參數(shù)也不一樣。關(guān)于井下地震觀測(cè)與地面地震觀測(cè)的差別，已有了許多研究［1-4］，但這些研究是利用一個(gè)深井觀測(cè)臺(tái)站計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，難免存在一定的局限性。本文利用江蘇測(cè)震臺(tái)網(wǎng)內(nèi)的多個(gè)深井觀測(cè)臺(tái)站與多個(gè)地面觀測(cè)臺(tái)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算來(lái)加以對(duì)比研究，其結(jié)論具有一定代表性。我們利用地震波觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有關(guān)震源的物理量參數(shù)計(jì)算。地震波傳播與傳播路徑和地殼介質(zhì)特性有關(guān)，加上震源參數(shù)計(jì)算中對(duì)地震波震相識(shí)別精度要求相對(duì)不高，這樣對(duì)于許多深井觀測(cè)中初動(dòng)不是十分清晰的地震波資料就可以得到利用，就能夠計(jì)算有關(guān)震源的物理量參數(shù)，而這些震源參數(shù)的變化還反映出地震前后的震源區(qū)應(yīng)力變化，所以震源參數(shù)的研究在地震預(yù)報(bào)方面得到廣泛應(yīng)用［5］。因此，研究地面觀測(cè)與深井觀測(cè)的震源參數(shù)差別并加以校正，為江蘇的地震預(yù)報(bào)工作提供真實(shí)可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)，具有一定的意義。

1 測(cè)震臺(tái)網(wǎng)情況和震源參數(shù)計(jì)算公式

從構(gòu)造上分，江蘇北部為蘇北平原，中部為下?lián)P子盆嶺帶，南部為丘陵山崗。構(gòu)造總體上呈北東、北東東走向，凹陷內(nèi)有隆起，隆起中也有凹陷，組成了復(fù)雜的構(gòu)造環(huán)境。江蘇區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)內(nèi)的地震觀測(cè)臺(tái)站共有40個(gè)，分布在蘇南、蘇中和蘇北3個(gè)區(qū)域。為了保證研究的資料一致性和井下、地面觀測(cè)的可比性，從全省地震臺(tái)網(wǎng)選中了地形地貌和構(gòu)造條件基本相似的11個(gè)臺(tái)站(地震臺(tái)站分布參見(jiàn)圖1)，其中井下觀測(cè)的有6個(gè)，地面觀測(cè)的有5個(gè)。這些臺(tái)站分布在蘇北平原內(nèi)，位于江蘇北部凹陷及凹陷邊緣地帶。所有地震觀測(cè)儀器均為“十五”數(shù)字化改造增上的儀器，儀器記錄頻帶寬(除淮安臺(tái)記錄儀為1～20 Hz，外)都在1～60 Hz，靈敏度高(參見(jiàn)表1)、采樣率為100次每秒，地震信號(hào)的采集、處理過(guò)程使用統(tǒng)一的處理軟件，這樣可減少不同儀器和系統(tǒng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。震源參數(shù)是描述地震在發(fā)生時(shí)震源區(qū)的物理量［6］。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度考慮，參數(shù)有斷層尺度、斷層面破裂傳播速度和傳播方式。我們采用圓形模型，圓形半徑為尺度參數(shù)，斷層破裂傳播方向和傳播速度以及由此得到的斷裂面積等參數(shù)，這些地震破裂過(guò)程中的參數(shù)是地震的運(yùn)動(dòng)學(xué)重要參數(shù)。地震靜力學(xué)參數(shù)有錯(cuò)距和地震矩，錯(cuò)距是地震前后斷層錯(cuò)開(kāi)的距離，而地震矩反映了斷層形成前后震源狀態(tài)變化，動(dòng)力學(xué)參數(shù)還有地震能量、視應(yīng)力、應(yīng)力降、矩震級(jí)等。

本文根據(jù)布龍的圓位錯(cuò)模式計(jì)算震源參數(shù)，它們有下述關(guān)系:

圖1 江蘇北部臺(tái)網(wǎng)部分臺(tái)站分布

表1 江蘇北部測(cè)震臺(tái)網(wǎng)部分臺(tái)站場(chǎng)址及儀器參數(shù)

(1)式中M0為地震矩，Ω(0)是由地震位移譜確定的波譜零額值。p是介質(zhì)密度，p=2.8 g/cm3。r為震源距。V是震源區(qū)P波或S波的速度，分別取為Vp=6.0 km/s和Vs=3.5 km/s。R為輻射圖型因子，這里取平均值0.63(由于參與計(jì)算的臺(tái)站位于不同的方位，計(jì)算結(jié)果為多臺(tái)平均值，可有效消除S波輻射圖形影響);Pc為地震波的路徑校正Pc=c.e-πft/Q，C為自由表面影響因子，按一般算法取C=2，f為主頻率，t為地震波走時(shí)，Q為介質(zhì)的品質(zhì)因子，根據(jù)對(duì)江蘇及鄰區(qū)的研究成果，Q值平均取為300。(2)～(5)式中r是震源的等效圓位錯(cuò)半徑，f0(p，s)是P波或S波的拐角頻率，V(p，s)是震源區(qū)P波或S波的速度。△d為應(yīng)力降，A為斷層面面積，U是斷層面上的錯(cuò)動(dòng)距離。μ為切變模量，取μ=3.4×10 dvn/c。

2 資料選取與數(shù)據(jù)處理方法

江蘇數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)于1999年開(kāi)始運(yùn)行，后經(jīng)“九五”和“十五”建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施，臺(tái)網(wǎng)技術(shù)指標(biāo)得到不斷完善，2009年以后地震臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)能力得到了提升。本文的分析資料取自江蘇北部地震臺(tái)網(wǎng)內(nèi)11個(gè)臺(tái)站(臺(tái)站分布和儀器技術(shù)參數(shù)參見(jiàn)表1)。根據(jù)2009年10月以來(lái)，ML2.8～5.2級(jí)的80個(gè)地震共計(jì)2 640條地震波形記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析篩選，最后選擇了震中距臺(tái)站距離在20～280 km范圍的地震波記錄清晰、信號(hào)噪聲小的31個(gè)地震，1 026條地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算前剔除個(gè)別數(shù)值變化大的記錄。先將井下擺臺(tái)站和地面擺臺(tái)站的地震記錄波形進(jìn)行識(shí)別和地震波形數(shù)據(jù)格式進(jìn)行處理［7，8］，用MATLAB程序?qū)Ω袷睫D(zhuǎn)換后的地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，在事件波形的回放過(guò)程中扣除各臺(tái)的儀器響應(yīng)，進(jìn)行地震波形的零點(diǎn)校正、傾斜校正和高通濾波。回放后的地震波形直接反映了地面運(yùn)動(dòng)速度(單位:cm/s)。震源參數(shù)計(jì)算主要是采用對(duì)S波計(jì)算，S波取值從S波起始至S波衰減，數(shù)據(jù)窗長(zhǎng)20s，用快速傅里葉變換(FFT)對(duì)S波窗數(shù)據(jù)計(jì)算地震波位移譜。根據(jù)地震位移譜的低頻部分確定波譜零頻值W(0)計(jì)算地震矩，由譜的高低頻漸近線(xiàn)確定頻譜的拐角頻率f0(圖2)，地震距和拐角頻率計(jì)算均為兩水平分量的平均結(jié)果。對(duì)每一個(gè)地震，先對(duì)記錄到該地震的各臺(tái)資料計(jì)算出結(jié)果(表2)，圖2～4和表2分別是2010年7月19日如東4.6級(jí)地震、2012年4月8日金湖4.1級(jí)地震、2012年7月20日高郵、寶應(yīng)交界的5.3級(jí)地震地面觀測(cè)和井下觀測(cè)臺(tái)站水平分量合成位移譜和震源參數(shù)的計(jì)算結(jié)果。再將地面觀測(cè)臺(tái)站和井下觀測(cè)臺(tái)站計(jì)算出來(lái)的各個(gè)震源參數(shù)求均值并進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 三次4級(jí)以上地震震源參數(shù)計(jì)算結(jié)果

表3 地面擺與井下擺的震源參數(shù)差值

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)江蘇北部部分區(qū)域地震臺(tái)站觀測(cè)資料分析所得到的的震源參數(shù)(表3)，可以得到如下結(jié)論:(1)地面測(cè)震儀器觀測(cè)得出的拐角頻率、地震矩、斷層錯(cuò)距、應(yīng)力降以及矩震級(jí)要大于井下測(cè)震儀器觀測(cè)計(jì)算出的相應(yīng)的震源參數(shù)。斷層錯(cuò)動(dòng)的尺度參數(shù)和斷層的破裂面積小于井下觀測(cè)計(jì)算結(jié)果;(2)地面測(cè)震儀器與井下測(cè)震儀器的震源參數(shù)的平均差值分別為:拐角頻率f0是0.397 Hz，地震矩M0是8.642×1014N·m，尺度參數(shù)(震源的等效圓位錯(cuò)半徑)和斷層破裂面積是-0.126 km、-0.221 km2，斷層錯(cuò)距的差值為2.268 cm，應(yīng)力降差值為:2.033 MPa，矩震級(jí)差值為:0.32級(jí);(3)震源參數(shù)差值的變化幅度有高有低，其中地震矩的變化幅度最大，在0.038×1014～63.532×1014N·m之間，矩震級(jí)的差值變化較小，在0.02～0.87級(jí)之間。拐角頻率的差值范圍是0.03～1.909 Hz;(4)一般震級(jí)大、震中遠(yuǎn)的地震震源參數(shù)差值中的地震距、斷層錯(cuò)動(dòng)尺度參數(shù)、斷層錯(cuò)動(dòng)面積、斷層錯(cuò)動(dòng)矩和應(yīng)力降變化較大。

上述結(jié)論表明，影響地震震源參數(shù)的主要因素是地震位移譜，在同一震源、同一地震的破裂方式、同一地震能量大小的作用下，出現(xiàn)地面觀測(cè)與井下觀測(cè)兩種不同的震源參數(shù)結(jié)果可能與地面觀測(cè)和井下觀測(cè)不同觀測(cè)環(huán)境、場(chǎng)地響應(yīng)有關(guān)。關(guān)于地面觀測(cè)儀器和井下觀測(cè)儀器的場(chǎng)地響應(yīng)研究將在今后的工作中做更為深入的研究。

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