福建仙游5.0級(jí)地震序列P波、S波拐角頻率比值變化研究

蔡杏輝，段剛，邵平榮，張麗娜

（福建省地震局，福州350003）

福建仙游5.0級(jí)地震序列P波、S波拐角頻率比值變化研究

蔡杏輝，段剛，邵平榮，張麗娜

（福建省地震局，福州350003）

利用福建仙游震區(qū)附近的3個(gè)數(shù)字地震臺(tái)記錄的仙游地震序列波形資料，采用PITSA軟件，對(duì)2013年9月4日仙游ML5.0地震發(fā)生前后73個(gè)前、余震的P波、S波拐角頻率比值進(jìn)行分析。結(jié)果表明：3個(gè)地震臺(tái)的拐角頻率比值在主震前均出現(xiàn)較明顯的下降趨勢(shì)，不同臺(tái)站間主震前后的變化形態(tài)存在較明顯差異。

仙游ML5.0地震；地震序列；地震波譜；拐角頻率比

蔡杏輝，段剛，邵平榮.福建仙游5.0級(jí)地震序列P波、S波拐角頻率比值變化研究[J].華南地震，2015，35（2）：73-79.CAIXinghui，DUAN Gang，SHAO Pingrong，etal.Changes of P-wave，S-wave Corner Frequency Ratio of Xianyou ML5.0 Earthquake Sequence in Fujian Province[J]. South china journal of seismology，2015，35（2）：73-79.]

0　引言

大地震發(fā)生前，孕震區(qū)地殼介質(zhì)處于應(yīng)力加速和積累狀態(tài)。地震發(fā)生后，震源周圍的介質(zhì)變化，這種變化可以通過地震儀器記錄的地震波譜差異來反映。波譜是動(dòng)力學(xué)特征，它既與震源的輻射圖像有關(guān)，又依賴于傳播介質(zhì)的吸收性質(zhì)[1]。利用地震波形資料，提取有關(guān)的波譜信息，是獲得中強(qiáng)震前后震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)與孕震狀態(tài)變化的一種重要方法。近年來，隨著數(shù)字地震波形資料的積累，國內(nèi)利用數(shù)字地震資料研究大地震前后地震波譜異常特征逐漸增多[2-8]，取得了初步進(jìn)展。

隨著福建“十五”臺(tái)網(wǎng)建立，觀測(cè)儀器得到改進(jìn)和臺(tái)站布局密度增大，觀測(cè)精度得到提高，與模擬記錄相比，數(shù)字化地震波資料的優(yōu)點(diǎn)是：頻帶范圍寬、動(dòng)態(tài)范圍大、分辨率高、觀測(cè)精度高;產(chǎn)出豐富的數(shù)字地震波形數(shù)據(jù)為本地區(qū)地震序列波譜變化研究創(chuàng)造良好條件。2013年9月4日福建仙游發(fā)生ML5.0地震，地震的前震、余震豐富；計(jì)算仙游ML5.0地震前后中小地震縱橫波的拐角頻率比值，探索較大地震發(fā)生前小震波譜可能變化,為該地區(qū)強(qiáng)震預(yù)測(cè)和震后趨勢(shì)判斷提供有關(guān)地震波譜特征方面的參考依據(jù)。

1　資料選取與處理

1.1資料選取

2013年9月4日福建仙游發(fā)生ML5.0地震，震中位置為25.629°N，118.752°E。震區(qū)2009年以來共記錄0級(jí)以上地震達(dá)到1 000余次以上，形成較為完整的地震序列。本文選取福建臺(tái)網(wǎng)記錄的福建仙游ML2.0以上地震進(jìn)行研究，其中前震60個(gè)，余震13個(gè)，選取該序列ML2.0以上地震都有較好記錄震源區(qū)附近的3個(gè)數(shù)字臺(tái)，選取莆田荔城臺(tái)、福清東張臺(tái)、惠安凈峰臺(tái)，震中距分別為35 km、55 km、76 km，3個(gè)臺(tái)均采用CMG-3ESPC-60型地震計(jì)，臺(tái)基巖性分別為花崗巖、輝綠巖、花崗巖。圖1給出了3個(gè)臺(tái)站的位置及仙游地震序列的空間分布。

圖1　仙游震區(qū)附近臺(tái)站分布及地震序列Fig.1 Xianyou earthquake sequencemap and distribution of stations near Xianyou earthquake region

1.2資料處理

采用PITSA軟件進(jìn)行波譜分析，該軟件是用于數(shù)字地震波形分析的實(shí)用軟件，并且功能較強(qiáng)。PITSA軟件可以處理ISAM、SUDS、ASCII格式的數(shù)據(jù)文件，而目前臺(tái)網(wǎng)波形事件都是以SEED格式存儲(chǔ)，因此在波譜分析前要先將選取事件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成ASCII格式文件。P波取垂直向，S波取南北向和東西向，窗長取S波初始震相到最大振幅間一定長度的波形數(shù)據(jù)。波形資料處理步驟：對(duì)原始速度記錄進(jìn)行去傾斜及水平基線校正后，做積分處理；積分運(yùn)算后，采用4階巴特沃斯帶通濾波器進(jìn)行數(shù)字濾波處理，最后對(duì)數(shù)據(jù)取余弦窗。得出位移譜圖后，采用人工擬合的方法得到P波和S波拐角頻率值，進(jìn)而求得兩者拐角頻率比值。拐角頻率的確定原則：波譜高頻段與低頻段的趨勢(shì)漸近線交點(diǎn)處的頻率值，也就是說振幅有明顯衰減變化時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率。圖2為波譜主要參數(shù)示意圖。

圖2　波譜主要參數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of themain parameters of spectrum

2　計(jì)算結(jié)果與分析

2.1計(jì)算結(jié)果

測(cè)定了60個(gè)前震和13個(gè)余震3個(gè)臺(tái)的P波和S波拐角頻率比值，結(jié)果見表1。表中的參數(shù)P波取UD向計(jì)算結(jié)果，S波取NS和EW向平均結(jié)果。

表1給出了莆田荔城、福清東張、惠安凈峰3個(gè)臺(tái)74個(gè)ML2.0以上地震的P波和S波的拐角頻率及其比值。地震波拐角頻率主要與震源斷層面的大小有關(guān)，反映了地震波高低頻能量的分布特征；通常情況下，拐角頻率大小與地震震級(jí)大小有關(guān)，地震越大，拐角頻率越小[9]。圖3為仙游地震序列拐角頻率與震級(jí)的關(guān)系圖，結(jié)果表明，地震越大，拐角頻率越小，與前人研究結(jié)論是一致；但3個(gè)臺(tái)的拐角頻率與震級(jí)的相關(guān)性較弱（莆田荔城臺(tái)P波、S波拐角頻率與震級(jí)相關(guān)系數(shù)分別為-0.47、-0.42,福清東張臺(tái)兩者相關(guān)系數(shù)分別為-0.53、-0.37,惠安凈峰臺(tái)兩者相關(guān)系數(shù)分別為-0.45、-0.31），同時(shí)拐角頻率比值也能減弱震級(jí)的影響，因此在分析拐角頻率比變化特征時(shí)不考慮震級(jí)大小的影響。

表1　仙游ML5.0地震前后P、S波拐角頻率比變化Table 1 The change of the corner frequency ratio of P and Swave before and after Xianyou ML5.0 earthquake

（接表1）

2.2拐角頻率比變化分析

從表1可見，莆田荔城臺(tái)拐角頻率比在0.72～1.41之間，平均值為1.02；福清東張臺(tái)拐角頻率比在0.60～1.55之間，平均值為1.03；惠安凈峰臺(tái)拐角頻率比在0.60～1.37之間，平均值為0.99。張萍等[3]利用遼寧臺(tái)網(wǎng)的資料研究所得平均拐角頻率比為1.004；夏愛國等[4]對(duì)伽師地震序列的地震波譜變化研究所得3個(gè)臺(tái)拐角頻率比在0.86～4.58，平均值為2.06；劉富安等[5]對(duì)克拉瑪依南地震波譜變化研究所得拐角頻率比在0.70～2.10之間，平均值為1.18；張永久等[6]對(duì)雅江6.0級(jí)地震前后波譜變化研究所得3個(gè)臺(tái)的拐角頻率比在1.053～2.063之間變化，平均值為1.76。Molar以及陳運(yùn)泰等提出拐角頻率比的理論計(jì)算結(jié)果為1～3，Molnar模型以及陳運(yùn)泰等提出的理論均認(rèn)為P波的拐角頻率要高于S波的拐角頻率[1，10]，這與目前大多數(shù)觀測(cè)事實(shí)相符。

圖3　仙游地震序列拐角頻率與震級(jí)的關(guān)系Fig.3 Relation betweenmagnitude and corner frequency of Xianyou ML5.0 earthquake sequence

本文所得拐角頻率比值結(jié)果與張萍等人計(jì)算結(jié)果較為接近，從圖4、圖5、圖6可見，3個(gè)臺(tái)P波、S波拐角頻率在ML5.0地震震前均出現(xiàn)低拐角頻率階段，每個(gè)臺(tái)的P波和S波拐角頻率變化曲線形態(tài)較為一致，S波拐角頻率變化曲線比P波拐角頻率變化曲線波動(dòng)要大一些。3個(gè)臺(tái)拐角頻率比值的變化既有相似又有一定區(qū)別，相似之處在仙游ML5.0地震前都出現(xiàn)拐角頻率比值出現(xiàn)明顯下降，不同之處是3個(gè)臺(tái)的拐角頻率比值在仙游ML5.0地震前后的變化的具體形態(tài)存在差異。莆田荔城臺(tái)拐角頻率比在2012年06月14日開始緩慢下降，2012年11月25日達(dá)到次低值，之后逐步上升，于2013年02月11日又緩慢下降，2013年08月19日達(dá)到最低值，不久在上升過程中發(fā)生ML5.0地震，震后快速下降；福清東張臺(tái)拐角頻率比從2012年04月04日開始出現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，并于2012年11月27日達(dá)到最高值后緩慢下降，2013年08月03日達(dá)到最低值后，在恢復(fù)接近正常比值情況下發(fā)生ML5.0地震，震后呈現(xiàn)回升趨勢(shì)；惠安凈峰臺(tái)拐角頻率比在2012年11月25日后緩慢上升，并于2012年11月30日達(dá)到最高值后緩慢下降，2013年08月19日達(dá)到最低值，之后不久在回升過程中發(fā)生ML5.0地震，震后恢復(fù)到接近均值。

圖4　莆田荔城臺(tái)P波、S波拐角頻率和拐角頻率比值的變化曲線Fig.4 Change curves of corner frequency of P and Swave and their ratio recorded by licheng station in Putian city

圖5　福清東張臺(tái)P波、S波拐角頻率和拐角頻率比值的變化曲線Fig.5 Change curves of corner frequency of Pand Swave and their ratio recorded by Dongzhang station in Fuqing country

圖6　惠安凈峰臺(tái)P波、S波拐角頻率和拐角頻率比值的變化曲線Fig.6 Curves of corner frequency and their ratio of P and S wave recorded by Hiuanjinfeng station

3　討論

拐角頻率與震源區(qū)應(yīng)力狀態(tài)、發(fā)震過程有關(guān)，又受到接收臺(tái)站場(chǎng)地、射線路徑及儀器響應(yīng)的影響。選用固定觀測(cè)臺(tái)站，記錄同一地區(qū)發(fā)生的地震，斷層走向、震中距、觀測(cè)方位是相對(duì)穩(wěn)定的，得到它們的拐角頻率比值隨時(shí)間變化特征，就可能反映地震震源處地下介質(zhì)隨時(shí)間的相對(duì)變化情況，對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)有一定參考意義[3]。

陳運(yùn)泰等[1]研究認(rèn)為，縱、橫波拐角頻率比和縱、橫波速度比有關(guān)，還與破裂速度和觀測(cè)點(diǎn)方位有關(guān)。本文研究表明，不同臺(tái)拐角頻率比值在強(qiáng)震前后變化具體形態(tài)存在差異，這反映了前述因素的影響。本文所得拐角頻率比值結(jié)果與前人的理論結(jié)果和實(shí)際計(jì)算結(jié)果基本相符，3個(gè)臺(tái)拐角頻率比值在較大地震發(fā)生前短時(shí)間內(nèi)均出現(xiàn)明顯的下降異常，并在回返過程中發(fā)震，與張萍[3]等人岫巖5.4和5.1級(jí)地震序列研究結(jié)果較為一致；何璟林等人[7]對(duì)新豐江ML4.9地震序列研究則認(rèn)為拐角頻率比呈現(xiàn)震前上升震后下降的過程。一個(gè)地震序列的拐角頻率比隨地震序列的發(fā)展表現(xiàn)出一定的趨勢(shì)變化特征，可用來判斷未來地震序列的發(fā)展示趨勢(shì)[8]；從國內(nèi)外地震學(xué)者對(duì)大地震前后地震波譜異常特征進(jìn)行研究取得結(jié)果來看，每次地震前后的地震波譜變化特征差異較大，地震波拐角頻率比隨地震序列變化特征可能與區(qū)域的應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)。本文研究所得仙游地震序列拐角頻率比變化特征對(duì)今后該區(qū)域的地震序列的發(fā)展趨勢(shì)的判識(shí)具有一定借鑒意義。

此外，由于在地震波的處理中涉及到儀器校正等必要步驟，拐角頻率值采用人工擬合方法，會(huì)導(dǎo)致人為誤差，需要積累更多基礎(chǔ)資料，做深入研究，有待進(jìn)一步震例檢驗(yàn)。

[1]陳運(yùn)泰，王妙月，林邦慧，等.中、小地震體波的頻率和縱、橫波拐角頻率比[J].科學(xué)通報(bào)，1976（9）：414-417.

[2]許健生，尹志文．共和地震前后中小地震的波譜變化[J]．地震地磁觀測(cè)與研究，1998，19（4）：30-36．

[3]張萍，王安東.岫巖5.4和5.1級(jí)地震前波譜異常特征研究[J].地震，2006，26(1)：57-65.

[4]夏愛國，趙翠萍.伽師地震序列的地震波譜變化研究[J].內(nèi)陸地震，2007，21（4）：316-325.

[5]劉富安，盛琰．克拉瑪依南地震波譜變化初探[J]．高原地震，2010，22（3）：33-37．

[6]張永久，程萬正.雅江6.0級(jí)地震前后的序列的波譜變化[J].內(nèi)陸地震，2004，18（4）：340-347.

[7]何璟琳，聞則剛，呂金水.新豐江ML4.9級(jí)地震序列的波譜分析[J].華南地震，2000，20（4）：65-70.

[8]朱新運(yùn)，鐘羽云，張震峰.地震波拐角頻率對(duì)地震序列的依賴性研究[J].西北地震學(xué)報(bào)，2004，26（2）：131-136.

[9]中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司.地震參數(shù)-數(shù)字地震學(xué)在地震預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[M].北京：地震出版社，2003.

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Changes of P-wave，S-wave Corner Frequency Ratio of Xianyou ML5.0 Earthquake Sequence in Fujian Province

CAIXinghui，DUAN Gang，SHAO Pingrong，ZHANG Lina
（Earthquake Administration of Fujian Province，F(xiàn)uzhou 350003，China）

By using wave data of Xianyou earthquake sequence recorded by three stations near the Xianyou epicenter region in Fujian,the paper analyzes the P,Swave corner frequency ratio of 73 earthquakes before and after the Xianyou ML5.0 earthquake sequence on Sep.4th,2013 by using the PITSA software.The result shows that the corner frequency ratio of the 3 stations has obvious downward trend before themain earthquake,and it is changing shape different between different stations before and after themain earthquake.

Xianyou ML5.0 earthquake；Earthquake sequence；Seismic wave spectrum；Corner frequency ratio

P315.31

A

1001-8662（2015）02-0073-07

10.13512/j.hndz.2015.02.012

2014-09-26

蔡杏輝（1976－），男，工程師，主要從事地震監(jiān)測(cè)工作.

E-mail：13870511@sina.com.