庫車東南震群譜振幅相關系數特征分析①

馬倩雯, 宋春燕, 陳 勇, 郭 寅, 張琳琳

(新疆維吾爾自治區地震局,新疆 烏魯木齊 830011)

小震群序列是指空間上的某一小區域范圍在較短時間內聚集性發生的一組MS≤5.0的中小地震。在小震群發生后,集中活動區及邊緣地區存在出現破壞性地震的可能,因此對小震群是否是前兆震群的快速研判,為準確做出決策提供理論依據,對減輕地震災害有著重要的現實意義[1]。但準確判定小震群序列類型,尤其是確定其是否為前兆震群,一直是地震預報研究中的重難題之一。20世紀初,林邦慧等[2]就對邢臺地區強震前中小地震的“密集—平靜”特征做出了分析。后期陸續有專家學者利用序列的各項特征,研究表征小震震群的特征指標,但在實際運用中仍需要多途徑研究更為有效的判定方法[3]。2002年Lund[4]首次提出了小地震波譜振幅相關系數分析方法,隨后崔子健等[1]改進了這一方法,利用譜振幅相關系數分析方法來研究震源機制一致性,為學者提供理論基礎。學者利用這一方法對地震序列進行研究,通過對川滇、東北、云南、滇西等地區的研究,結果顯示強震序列的譜振幅系數較高,說明應力水平高,而小震序列的譜振幅相關系數結果就小得多[5-10]。但利用譜振幅相關系數分析法對震群地震序列的研究還較少,通過對不同震群譜振幅相關系數的研究和計算,得出在強震前震群的譜振幅相關系數有明顯的升高趨勢,震后有明顯回落,而一般小震群的譜振幅系數明顯偏低,說明震群譜振幅系數較高時其區域應力水平也較高,同時震群的譜振幅系數結果與其震源機制解一致性呈正相關[11-13]。利用這一方法計算小震群譜振幅相關系數,能夠直接反映地震序列的震源機制相對變化過程及震群區域的應力水平。然而,譜振幅相關系數的研究在新疆地區應用較少[14-15],且近年來新疆地區中強地震頻發,庫車東南震群處于年度重點關注區,而相關研究并不充分,本研究利用這一方法對此區域進行分析研究,能夠更加全面的反映這一區域的地震活動性,為后續地震發生提供重要判定依據。

1 譜振幅相關系數原理及方法

一般把臺站記錄的位移譜Uif(f)可表示,

Uij(f)=Mi(f)Φ(θ,φ)Pij(r)Fij(f,r)Gi(f)Ii(f).

(1)

式中:i表示第i個地震事件,j表示第j個臺站;f表示頻率,r表示地震與臺站之間的距離;θ,φ為地震到臺站的離源角、方位角;Uij(f)為第j個臺站記錄的第i個地震的位移譜;Mi(f)為地震的震源譜;Φ(θ,φ)為地震波輻射花樣因子;Pij(r)為幾何擴散系數,僅與距離有關;Fij(f,r)為非彈性衰減系數;Gi(f)為臺站場地響應系數,僅與頻率有關;Ii(f)為儀器響應,僅與頻率有關。

崔子健[1]將上述公式改進后得到如下表達式,

(2)

(3)

(4)

Uij(f)=Si(f)Pij(f)Lj(f).

(5)

對臺站記錄的2次地震x、y,則有,

Uxj(f)=Sx(f)Pxj(f)Lj(f).

(6)

Uyj(f)=Sy(f)Pyj(f)Lj(f).

(7)

對于同一震源區兩次事件的相同臺站波形記錄,使用直達P、S波零頻譜振幅值計算相關系數。對于三分向波形記錄,每個臺站可以得到5個零頻譜振幅值:垂直和徑向P波(PZ和PR)、垂向、徑向和切向的S波(SZ、SR和ST),稱這5個譜值為譜值分量。計算其譜振幅相關系數rxy。

(8)

根據上述原理,對庫車東南震群采用如下計算步驟:① 收集庫車東南震群的數字波形,以2016—2019年庫車3級地震數據為背景資料,選取2020年1月—2023年1月庫車東南震群波形數據進行分析;② 把波形的水平分量旋轉為徑向和切向分量,并采用延遲時間窗方法[16-17]計算其位移譜(圖1);③ 采用Atkinson和Mereu[18]反演的方法,利用庫車周邊約200 km范圍內的背景地震資料,反演庫車震群的背景Q值,QP=79.6f*0.689、QS=248.6f*0.631;④采用多臺多事件聯合反演臺站的場地響應[19];⑤利用經過噪聲、儀器響應、傳播路徑及場地響應校正的譜振幅,計算庫車東南震群地震序列的譜振幅相關系數。

圖1 庫車臺記錄的一次地震的波形(a)及其位移譜(b)Fig.1 Wave forms of a earthquake recorded by Kuche Station (a),and its displacement spectra (b)

圖1為庫車臺記錄的一次地震波形及其位移譜,圖中,U、E、N分別表示垂向、徑向、切向分量;PR、PZ分別表示P波垂向和徑向分量的位移譜;SR、ST、SZ分別表示S波垂向、徑向和切向分量的位移譜。

2 震群數據及計算結果

2.1 震群概況及波形數據的選取

庫車東南震群位于塔里木盆地北部,自2016年10月開始,庫車地區地震活動頻度和強度水平明顯上升(圖2)。2020年1月16日庫車MS5.6地震后,該區又發生多次MS≥4.0地震[20-21]。

圖2 庫車東南震群M-t(a)、頻度圖(b)Fig.2 M-t(a) and frequency diagram(b) of southeast Kuche earthquake swarm

2020年1月—2023年1月共選取庫車臺(KUC)、庫爾勒臺(KOL)、輪臺臺(LTA)、拜城臺(BAC)、小泉溝臺(XQG)等5個地震臺站記錄到的92個ML3.0～4.4地震(圖2)的波形數據計算其譜振幅相關系數,部分地震(ML≥3.8)的基本參數見表1。

表1 庫車東南震群序列的基本參數(ML≥3.8)

2.2 結果分析

2.2.1 譜振幅相關系數特征分析

采用5個地震臺站記錄的92個地震的波形資料計算了庫車東南震群的譜振幅相關系數,其相關系數值在0.34～0.54之間變化(圖3),平均值0.49。這與劉建明等[14-15]研究呼圖壁MS6.2地震序列譜振幅相關系數(相關系數0.35～0.4之間波動)和新源、和靜交界ML6.8地震序列譜振幅相關系數(相關系數0.54～0.62之間波動)水平基本相當。

圖3 庫車東南震群譜振幅相關系數隨時間變化曲線Fig. 3 Correlation coefficient of spectral amplitude varied with time of southeast Kuche earthquake swarm

雖然譜振幅相關系數的變化范圍不大,但有明顯的起伏。從相關系數隨時間的變化來看,可以分為3個階段:① 2020年1月16日庫車MS5.6地震前相關系數相對較高,約為0.54;② 2020年1月—2021年2月發生多次MS≥4.0地震,地震后相關系數波動較大,2022年2月恢復平穩狀態,在0.45～0.50之間浮動上升;③ 2022年2月相關系數上升至0.50之上,10月之后穩定在0.53～0.54之間?？傮w來說,庫車東南震群在2020年初相關系數相對較高,2020年1月—2021年2月期間波動較大,2021年2月后恢復平穩狀態。

分析該地區4個典型地震序列資料,2019年12月—2022年12月共選取庫車臺(KUC)、庫爾勒臺(KOL)、輪臺臺(LTA)、拜城臺(BAC)、小泉溝臺(XQG)等5個地震臺站記錄到波形數據分別計算其譜振幅相關系數。

2020年1月16日發生MS5.6地震,利用5個地震臺站記錄到的2019年12月12日—2020年2月22日24個MS≥2.3地震資料計算譜振幅相關系數,數值在0.35～0.79范圍內波動(圖4a),在地震前達到最高值0.79,地震后譜振幅相關系數存在大幅下降現象,降至0.42。

圖4 庫車東南震群譜振幅相關系數變化曲線(a) 2019年12月12日—2020年2月22日 (b) 2020年9月1—30日 (b) 2021年11月1日—12月15日 (d) 2022年10月1日—11月30日Fig. 4 Correlation coefficient curves of spectral amplitude of southeast Kuche earthquake swarm

2020年9月13日發生MS4.9地震,利用5個地震臺站記錄到的2020年9月1—30日15個MS≥2.0地震資料計算譜振幅相關系數,數值在0.30～0.50范圍內波動(圖4b),在地震前達到最高值0.54,地震后譜振幅相關系數存在大幅下降現象,降至0.41。

2021年11月29日發生MS4.1地震,利用5個地震臺站記錄到的2021年11月1日—12月15日20個MS≥3.0地震資料計算譜振幅相關系數,數值在0.55～0.69范圍內波動(圖4c),在地震前達到較高值0.56,地震后譜振幅相關系數下降,降至0.53。

2022年11月18日發生MS4.3地震,利用5個地震臺站記錄到的2022年10月1日—11月30日10個MS≥3.0地震資料計算譜振幅相關系數,數值在0.29～0.53范圍內波動(圖4d),在地震前達到較高值0.53,地震后譜振幅相關系數下降,降至0.52。

通過對該地區4個典型地震序列資料的分析可知,震前譜振幅相關系數有增強的趨勢,震后會有一定的回落,這與其他學者的研究結果一致[11-13],在強震后均存在譜振幅相關系數明顯下降的現象。

2.2.2 應力降相關分析

2020年1月—2023年1月,采用庫車周邊的神木園(SMY)、輪臺(LTA)、拜城(BAC)、庫車(KUC)等4個地震臺記錄的68個ML3.0～4.0地震的波形數據計算庫車東南震群的的應力降,得到應力降及震級—時間變化曲線(圖5)。其應力降值在0.02×10-1～3.67×10-1Mpa之間變化,其中大部分在0.50×10-1～1.0×10-1Mpa之間,平均值為0.85×10-1Mpa,目前應力降水平高于區域背景活動水平[22]。這表明應力降較高時與聶曉紅[23]等對阿克陶MS6.7地震序列的研究發現結果一致。

圖5 庫車東南震群應力降時序圖Fig.5 Dress drop timing diagram of southeast Kuche earthquake swarm

3 結論與討論

庫車東南震群在2016年開始活躍,譜振幅相關系數呈現逐漸上升的趨勢,在2020年初達到了最高值0.54,后續對應了2020年1月16日的庫車MS5.6地震,說明該區域譜振幅相關系數升高后續存在發生較大地震的可能。在2023年1月譜振幅相關系數再次穩定至0.53左右,表明其區域應力水平較高,2023年1月30日在距震群約100 km處發生沙雅MS6.1地震。本次地震后該震群的譜振幅相關系數的變化,需要進一步密切跟蹤。

通過對該地區4個典型地震序列資料的進一步分析可知,譜振幅相關系數在震前有增強的趨勢,震后也存在一定的回落,這與其他學者的研究結果一致,說明譜振幅相關系數方法對該區域有一定的適用性。目前庫車東南震群的譜振幅相關系數保持相對較高的平穩狀態,同時從庫車東南震群應力降結果來看,目前該地區應力水平也高于背景活動水平。

采用譜振幅相關系數可以盡可能多的了解到震群區域應力水平的變化過程,在實際工作應用中有一定的參考價值,但譜振幅相關系數的計算,對臺站的分布和密度有一定的要求,這對新疆一些地區來說具有較大的局限性,本研究臺站半包圍分布對結果可能產生一定的誤差。在后續的研究中需對事件、臺站的選取有更高的標準。