地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (5): 1718-1724   PDF    
引用本文
崔子健, 李志雄, 陈章立, 等. 判别小震群序列类型的新方法研究——谱振幅相关分析法. 地球物理学报, 2012, 55(5): 1718-1724, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.05.028.  
CUI Z J, LI Z X, CHEN Z L, et al. A study on the new method for determining small earthquake sequence type —Correlation analysis of spectral amplitude. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 2012, 55(5): 1718-1724, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.05.028.  
判别小震群序列类型的新方法研究——谱振幅相关分析法
崔子健1, 李志雄1 , 陈章立2, 赵翠萍1, 郑斯华1, 周连庆1     
1. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036;
2. 中国地震局, 北京 100036
收稿日期 2011-04-14, 2012-03-23 收修定稿
基金项目: 大震应急流动观测与科学产品加工关键技术研究与应用(201108014)和中国地震局地震联合科学基金(A07007)资助.
作者简介: 崔子健, 男, 1983年生, 硕士, 主要从事地震预测、数字地震学等研究.E-mail:c_z_j@163.com
通讯作者: 李志雄, 男, 1963年生, 博士, 研究员, 主要从事地震预测方法及理论等研究.E-mail:lzx6308@seis.ac.cn
摘要: 已有研究表明, 与一般性小震群相比, 前震序列的震源机制更趋于一致.鉴于小地震的震源机制不易求解, 本文利用谱振幅相关分析法研究小地震震源机制是否相似的问题, 以探讨小震群序列类型判定的可能性.选择小震群活动频繁的云南西北部作为研究区域, 计算发生在该地区的五个震群的谱振幅相关系数.结果显示, 2001年施甸MS5.9级及2001年永胜MS6.0级强震震前的小震群序列谱振幅相关系数平均值分别为0.88、0.93;2002年漾濞、2003年洱源、2005年宾川三个一般性小震群的谱振幅相关系数平均值分别为0.48、0.68和0.63.表明, 强震前的小震群序列与一般性小震群序列相比, 谱振幅相关系数明显较大, 接近于1.0, 说明其震源机制相似性更为显著.本文针对小震群类型判定所作的理论推测与所研究震例实测结果基本相符合, 初步表明, 谱振幅相关分析法可能是判定小震群类型的物理意义较为明确的方法, 具有实用价值, 值得进一步深入研究.
关键词: 震群类型      震源机制      相似性      谱振幅相关系数     
A study on the new method for determining small earthquake sequence type —Correlation analysis of spectral amplitude
CUI Zi-Jian1, LI Zhi-Xiong1, CHEN Zhang-Li2, ZHAO Cui-Ping1, ZHENG Si-Hua1, ZHOU Lian-Qing1     
1. Institute of Earthquake Science, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
2. China Earthquake Administration, Beijing 100036, China
Abstract: Study shows that the focal mechanisms of foreshock sequence are more consistent than those of general small earthquake swarm. Due to the intricacy of calculating the focal mechanism of small earthquakes, we use correlation coefficient of spectral amplitude to study the consistency of focal mechanism of small earthquakes, so as to analyze the possibility of determining the type of small earthquake swarm. We apply the method to five earthquake swarms in the northwest of Yunnan Province where small earthquake occurs frequently. The results show that the mean correlation coefficient of spectral amplitude of foreshocks of the Shidian MS5.9 earthquake in 2001 is 0.88, the Yongsheng MS6.0 earthquake in 2001 is 0.93, while the general small earthquake swarms in Yangbi (2002), Eryuan (2003), Binchuan (2005) is 0.48, 0.68, and 0.63 respectively. The results suggest that the correlation coefficient of spectral amplitude of foreshock sequence is larger, closer to 1.0 than that of general small earthquake swarm, which leads to more similarity of focal mechanisms of foreshock sequence. In this paper, the theoretical expectations conform to the actual calculated results in these earthquake cases. This feature preliminarily implies that the correlation analysis of spectral amplitude could serve as a method that has clear physical significance and practical utility in determining the type of the earthquake swarm, and thus be worthy of further study.
Key words: Type of earthquake swarm      Focal mechanism      Similarity      Correlation coefficient of spectral amplitude     
1 引言

小震群序列意指在较短的时间内在局部小区域里密集发生的一组中小地震(Ms≤5.0) . 一组有感小震群发生后,地方政府与群众最为关心的是,之后会不会发生更大的破坏性地震. 及时、准确回答这一问题是政府迅速作出决策,做好防震减灾工作、安定民心、避免造成不必要的经济损失的重要依据. 因此,小震群序列类型的快速、准确判别,即对正在活动过程中的小震群,其究竟是“中强以上地震(Ms≥5.0) ”的前震序列,还是并不伴有大震发生的一般性小震群活动作出准确判断,对于减轻地震灾害和维护社会稳定具有重要的现实意义.

小震群序列类型的判定研究是当今世界上地震预报研究中的诸多难题之一. 在我国,从1966年起便曾在邢台及海城等地区用大震前小震的“密集-平静”等特点推测未来的大震[1],随后不少人从序列的时、空、强表现出来的某些特征,以及序列的发展寻找表征前兆性震群的某些特征指标(如b值、h值、初动和频度变化等异常值)[2]. 各种指标在实际地震预测应用中都显示了一定的效能,但多数方法是统计性的,依其所做的判别难免存在不同程度的不确定性. 因此,有必要多途径研究探索物理含义较为明确、结果更为有效的判别方法.

2 物理基础

自从开展短时间尺度的地震预测研究以来,国内外先后提出多种孕震物理模式,如DD 模式[3-5]、IPE 模式[6]等. 虽然各种模式彼此存在某些差异,但都强调孕育大震的震源区及邻近区域应力水平有增强的过程,震源区介质的微裂隙呈明显的优势取向排列,介质呈显著的各向异性,这决定着与一般小震群相比,强震的前震序列震源机制应更趋于一致. 陈[7]根据邢台、海城等强震震例,从震源机制角度分析了前震、余震和地震群的不同特点,提出用震源机制的一致性作为判别前震的新参数；刁桂苓等[8-10]根据国内外多个震例的研究指出,主震前中小地震震源机制解趋于一致；王俊国等[11]根据千岛弧地区震源机制解一致性特征,提出利用震源机制和构造应力场的一致性参数a进行地震预测的思路.

已有理论研究[12]和上述震例总结分析结果均表明,在区域应力场应力作用增强的背景下,孕震的震源区地壳内的裂隙逐渐呈现出优势取向排列,期间发生的小地震的节面将趋于一致. 这表现为震源及其附近地区地壳介质的各向异性增强,中小地震的震源机制解将会显示出较高的相似性. 本文作者根据这一特性,认为可以将强震前中小地震震源机制具有较高的相似性应用于小震群序列类型的判定研究. 然而,受台网布局和观测点密度的制约,直接求解小震群中诸多地震的震源机制解往往存在较大的困难,也难以精确给出其中多数小地震的震源机制解[13-14]. 为了解决这一问题,本文根据Lund等[15]提出的微震体波谱振幅相关分析的方法,对云南地区发生的几个典型震群开展了微震体波谱振幅相关分析,以探讨小震群序列类型判定的可能性.

3 谱振幅相关系数方法

可不失一般性地把地震记录位移谱Uij(f)表达为

(1)

式中Uij(f)为第j个台站记录的第i个地震的位移谱；f为频率；Si(f)为第i个地震包含辐射图型因子的震源谱；Pij(f)为第i个地震至第j个台站之间的传播路径效应,往往也称其为格林函数,描述地震波在传播过程中的衰减；L′j(f)为第j个台站的局部场地效应,即台站j附近近地表地层介质对地面运动的放大效应；Nj(f)为第j个台站附近的地面运动噪声；Ij(f)为第j个台站的仪器响应；Surj 为台站j附近地表自由表面效应.

式(1) 中的Si(f)为

(2)

式中S′i(f)为地震i的震源谱,也叫震源效应. 根据Brune模型[16],S′i(f)可表示为

(3)

式中Ω′0i为地震i的震源谱低频渐近线值,即零频极限值；fc 为低频渐近线与高频渐近线交点处的频率,称为拐角频率.

式(2) 中的φij为地震i的震源辐射图型因子,φij由震源机制解的断层面走向、倾角、滑动角以及台站j相对于震源i的位置所确定,反映了震源机制信息. 根据震源理论可知,同一个震源的P、S 波辐射花样不同,而利用二者的综合信息可以得到更为可靠的震源机制解[17].

定义谱振幅Ω0ij为台站j记录到的地震i的包含辐射图型因子的震源谱零频极限值,Ω0ij表示为

(4)

式(1) 中的Pij(f)可表示为

(5)

式中Gij为几何扩散因子,Rij为震源距,Q(f)为介质的品质因子,v为地震波P波或S波传播速度.

从地震记录中扣除噪声和仪器响应,并令Lj(f)＝L′j(f)Surj(Lj称为广义的台站场地效应) 后,则地震i在台站j的地面运动位移谱Uij(f)为

(6)

对台站j记录的两次地震x、y,有:

(7)

(8)

由式(7) 、(8) 及式(2) 、(3) 不难看出,若这两次地震震源位置足够接近,即其间距比震源距Rij小得多,且震源机制(辐射图型因子)相同,则台站j记录的这两次地震的地面运动位移谱Uxj(f)与Uyj(f)的相对大小只与这两次地震的Ω′0 相对大小有关；若震源机制不同,则还应与这两次地震震源机制的差异有关. 反过来说,当由地震记录来反演谱振幅时,若这两次地震震源机制相同,则反演得到的Ω0xj和Ω0yj的相对大小只与Ω′0x和Ω′0y的相对大小有关；如果震源机制不同,则尚与震源机制有关. 因此可由台站的地震记录反演地震x与y的谱振幅Ω0xj、Ω0yj,通过计算其相关系数rxy来描述震源机制是否相似的问题,若震源机制相似,谱振幅相关系数rxy应较大,接近于1；若震源机制不相似,则相关系数较小.

地震x、y的谱振幅相关系数rxy可表示为[15]

(9)

式中xjl、yjl分别表示台站j记录的地震x、y的l分量波形资料所反演得到的谱振幅Ω0xj、Ω0yj的对数值；珚x、珔y分别为xjl与yjl的平均值；n表示所使用的台站数目；l取值为1到5,依次表示径向、垂向分量的P波记录,径向、切向、垂向的S波记录. 这里取5 个不同分量的P 波、S波波形分别计算谱振幅后再进行互相关计算,目的是为了充分使用P、S波中所包含的震源机制解信息,提高研究结果的置信度.

本文研究中,考虑到小震群震源机制是否相似是针对多数地震而言的,故将小震群中的地震按发生时间顺序排列,地震m与其前面m-1个地震为一组,计算组内每两个地震的rxy,得出N＝m(m-1) /2个相关系数rxy,对rxy求算术平均值,其结果代表了地震m时刻的组内谱振幅的相关程度. 以步长为1进行滑动,计算每个组内的谱振幅相关系数的算术平均值,最后可以得到随时间变化的谱振幅相关系数.

根据上述原理分析,对每个小震群,设计如下计算步骤:

(1) 收集小震群波形资料,精确定位；

(2) 将三分量地震记录旋转为径向、切向、垂向,并计算其位移谱,本文采用延迟时间窗方法[18-19],图 1为本文使用的一个地震的波形及其位移谱图像；

图 1 云龙台记录到的一个地震波形(a)及计算得到的相应观测位移谱(b) Fig. 1 Waveform of one earthquake recorded by YuL station (a), and the calculated spectrum of the observed displacement (b)

(3) 反演Q值,本文采用多台联合反演方法[20],利用云南西北部地区背景地震资料反演得到其QP ＝98.8f0.449,QS ＝137.7f0.512；

(4) 反演台站场地响应,本文采用Noya等[21]给出的方法；

(5) 获得经过路径及场地校正后的谱振幅[22-23]；

(6) 计算各分组的谱振幅相关系数.

4 震群资料及计算结果

本文利用云南西北部地区五个震群资料(图 2) ,采用上述方法开展震群类型判别的应用研究. 其中,2001年施甸、2001年永胜小震群属于强震的前震序列；2002年漾濞、2003年洱源及2005年宾川小震群属于一般性小震群.

图 2 云南西北部地区五个震群及周围台站分布 1:施甸震群区；2:永胜震群区；3:漾濞震群区；4:洱源震群区；5:宾川震群区. Fig. 2 Distributions of the five earthquake swarms in northwest of Yunnan Province and the surrounding stations 1: Shidian earthquake swarm zone； 2: Yongsheng earthquake swarm zone; 3: Yangbi earthquake swarm zone； 4: Eryuan earthquake swarm zone； 5: Binchuan earthquake swarm zone.
4.1 前震序列

2001年4月12日云南施甸发生MS5.9级地震(24.83°N,99.01°E),在震前三天内,该地区共发生1.5级以上地震58 次(图 3a),本研究利用云龙台(YuL)、团山台(TuS)、云县台(YuX)、畹町台(WaD)记录到的32个2.2级以上前震资料计算谱振幅相关系数,其值在0.86～0.89之间波动(图 4a).

图 3 五个震群的震级-时间图 (a)2001年施甸震群；(b)2001年永胜震群；(c)2002年漾濞震群；(d)2003年洱源震群；(e)2005年宾川震群. Fig. 3 M-t plots of the five earthquake swarms (a) Shidian earthquake swarm in 2001； (b) Yongsheng earthquake swarm in 2001； (c) Yangbi earthquake swarm in 2002； (d)
图 4 五个震群的各分组谱振幅相关系数 (a)2001年施甸震群；(b)2001年永胜震群；(c)2002年漾濞震群；(d)2003年洱源震群；(e)2005年宾川震群. Fig. 4 The correlation coefficient of spectral amplitude of the ffve earthquake swarms in groups (a) Shidian earthquake swarm m 2001； (b) Yongsheng earthquake swarm in 2001； (c) Yangb i earthquake swarm in 2002； (d) Eryuan earthquake swarm in 2003； (e) Binchuan earthquake swarm in 2005.

2001年9月6日至9月14日云南永胜与宾川交界附近(26.17°N,100.73°E)发生1.0 级以上小地震12次,此后10 月27 日云南永胜(26.23°N,100.57°E)发生MS6.0级强震(图 3b),鉴于小震群与永胜MS6.0 级地震震中仅相距十几公里,位于6.0级地震余震区[24]的边缘,且时间比较接近,故把该小震群作为永胜地震的前震序列进行谱振幅相关系数研究. 利用永胜台(YoS)、丽江台(LiJ)、鹤庆台(HeQ)、团山台(TuS)、洱源台(EYA)记录到的6 个2.0级以上的前震资料计算谱振幅相关系数,其值在0.91～0.95之间波动(图 4b).

4.2 一般性小震群

2002年1 月4 日至31 日,在云南漾濞附近(25.7°N,99.7°E)发生1.0级以上小地震187次(图 3c),其后三个月内无MS5.0级以上地震发生,属于一般性小震群. 利用鹤庆台(HeQ)、团山台(TuS)、保山台(BaS)、洱源台(EYA)记录到的35个2.0级以上小地震资料计算谱振幅相关系数,其值在0.40～0.54之间波动(图 4c).

2003年11月23日至12月24日,云南洱源附近(26.1°N,100.0°E)发生1.0级以上小地震169次(图 3d),其后三个月内震源区及附近无MS5.0级以上地震发生,属于一般性小震群. 利用丽江台(LiJ)、云龙台(YuL)、鹤庆台(HeQ)、团山台(TuS)、保山台(BaS)记录到的21 个2.0 级以上小地震资料计算谱振幅相关系数,其值在0.61～0.76 之间波动(图 4d),虽然最大值为0.76,但平均值不高,仅为0.68.

2005年5 月26 日至6 月29 日云南宾川附近(25.8°N,100.5°E)发生1.0级以上小地震29次(图 3e),其后三个月内震源区及附近无MS5.0 级以上地震发生,属于一般性小震群. 利用永胜台(YoS)、丽江台(LiJ)、鹤庆台(HeQ)、团山台(TuS)、洱源台(EYA)记录到的17个1.5级以上小地震资料计算谱振幅相关系数,其值在0.53～0.75之间波动(图 4e).

5 讨论与结论 5.1 讨论

表 1为上述5个不同类型震群序列谱振幅相关系数统计一栏表,从表 1 看出,2001 年施甸MS5.9 级地震及2001年永胜MS6.0级地震的两个前震序列谱振幅相关系数平均值都在0.85以上,而2002年漾濞、2003年洱源和2005 年宾川三个一般小震群的平均值都小于0.70. 两种不同类型的小震群在相关系数方面存在着显著差异,这种差异可能是不同类型的小震群震区应力状态和介质性质差异的反映. 根据裂隙应力场相互作用原理[12],在区域应力场应力作用增强的背景下,若局部地区介质各向异性明显,裂隙呈优势取向排列,发生的中小地震的震源机制应相似,并且有利于诸裂隙的贯通,形成大的裂隙和震源区应力的增强,发生大地震；否则,裂隙无优势取向排列,裂隙扩展受阻,不利于裂隙贯通和应力的增强,因而不易发生较强的地震. 前两个小震群,相关程度显著或较为显著是因为施甸5.9 级和永胜6.0级地震的孕育已接近于发震,其震源区应力水平较高,介质已呈明显的各向异性,裂隙呈优势取向排列,从而使小震震源机制较一致；后三个小震群,相关程度不显著或较不显著,表明每个震群内的小地震震源机制较为紊乱,局部应力场强度较低,这类小震群活动不伴有较大地震发生,为一般性小震群.

表 1 不同类型震群谱振幅相关系数统计表 Table 1 The correlation coefficient of spectral amplitude of the earthquake warms of different types

值得注意的是,2001年永胜6.0级地震前发生的小震群活动位置与2005 年宾川小震群活动位置接近,永胜小震群主要集中分布在以(26.17°N,100.73°E)为中心的范围内,宾川小震群活动位置中心在(25.8°N,100.5°E). 尽管上述两次震群的地点很接近,但根据两次震群的小地震分别计算得出的谱振幅相关系数存在显著差异. 永胜震群谱振幅相关系数在0.91～0.95之间波动,均值为0.93；而宾川震群计算得出的谱振幅相关系数在0.53～0.75 之间变化,均值为0.63. 此结果表明,永胜6.0级强地震的前震序列,其发生显然与震源及邻区应力处于较高强度有关,诸小地震的震源机制解较为相似；而宾川震群诸小地震谱振幅相关系数明显偏低,说明该震群序列中的小地震的震源机制解相似程度低,这一时期在此地区集中发生的小震群,可能是局部小地震的随机活动,与本地应力积累和强地震孕育无关.

本研究利用谱振幅相关系数方法,对多个小震群的序列类型予以判断,其判断结论与实际震例情况相一致,初步证实了本文所提出的震群序列类型的判定思路具有一定的实效性.

5.2 结论

通过对多个震群的谱振幅相关系数计算和分析,初步得出以下结论:

前震序列和非前震序列的谱振幅相关系数存在明显差异. 前震序列震源机制相似程度较显著,表现在谱振幅相关系数接近1.0；非前震序列震源机制相似程度较弱,谱振幅相关系数偏离1.0 较大. 表明,利用谱振幅相关系数方法可以对震群序列类型做出较好的判断.

本文方法是基于在大震孕育过程中震源区介质应力水平增强,裂隙呈优势取向排列,中小地震震源机制相似的考虑提出的. 但我们知道,求解小震震源机制,往往受台网布局和密度的制约,而谱振幅相关系数的测定和分析,只要小震群周围有若干数字地震台站即可. 因此,该方法不仅物理含义较明确,而且具有一定的可操作性,我国区域数字地震台网的建立和加密已为开展这方面的工作提供了非常有利的条件.

致谢

感谢中国地震局地震预测研究所华卫博士、王勤彩博士对本研究提出的建设性建议,云南省地震局付虹研究员、中国地震台网中心史海霞提供的数据资料,以及两位匿名审稿人提出的宝贵意见与建议.

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