库车东南震群谱振幅相关系数特征分析①

马倩雯, 宋春燕, 陈 勇, 郭 寅, 张琳琳

(新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011)

小震群序列是指空间上的某一小区域范围在较短时间内聚集性发生的一组MS≤5.0的中小地震。在小震群发生后,集中活动区及边缘地区存在出现破坏性地震的可能,因此对小震群是否是前兆震群的快速研判,为准确做出决策提供理论依据,对减轻地震灾害有着重要的现实意义[1]。但准确判定小震群序列类型,尤其是确定其是否为前兆震群,一直是地震预报研究中的重难题之一。20世纪初,林邦慧等[2]就对邢台地区强震前中小地震的“密集—平静”特征做出了分析。后期陆续有专家学者利用序列的各项特征,研究表征小震震群的特征指标,但在实际运用中仍需要多途径研究更为有效的判定方法[3]。2002年Lund[4]首次提出了小地震波谱振幅相关系数分析方法,随后崔子健等[1]改进了这一方法,利用谱振幅相关系数分析方法来研究震源机制一致性,为学者提供理论基础。学者利用这一方法对地震序列进行研究,通过对川滇、东北、云南、滇西等地区的研究,结果显示强震序列的谱振幅系数较高,说明应力水平高,而小震序列的谱振幅相关系数结果就小得多[5-10]。但利用谱振幅相关系数分析法对震群地震序列的研究还较少,通过对不同震群谱振幅相关系数的研究和计算,得出在强震前震群的谱振幅相关系数有明显的升高趋势,震后有明显回落,而一般小震群的谱振幅系数明显偏低,说明震群谱振幅系数较高时其区域应力水平也较高,同时震群的谱振幅系数结果与其震源机制解一致性呈正相关[11-13]。利用这一方法计算小震群谱振幅相关系数,能够直接反映地震序列的震源机制相对变化过程及震群区域的应力水平。然而,谱振幅相关系数的研究在新疆地区应用较少[14-15],且近年来新疆地区中强地震频发,库车东南震群处于年度重点关注区,而相关研究并不充分,本研究利用这一方法对此区域进行分析研究,能够更加全面的反映这一区域的地震活动性,为后续地震发生提供重要判定依据。

1 谱振幅相关系数原理及方法

一般把台站记录的位移谱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个地震事件,j表示第j个台站;f表示频率,r表示地震与台站之间的距离;θ,φ为地震到台站的离源角、方位角;Uij(f)为第j个台站记录的第i个地震的位移谱;Mi(f)为地震的震源谱;Φ(θ,φ)为地震波辐射花样因子;Pij(r)为几何扩散系数,仅与距离有关;Fij(f,r)为非弹性衰减系数;Gi(f)为台站场地响应系数,仅与频率有关;Ii(f)为仪器响应,仅与频率有关。

崔子健[1]将上述公式改进后得到如下表达式,

(2)

(3)

(4)

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

(5)

对台站记录的2次地震x、y,则有,

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

(6)

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

(7)

对于同一震源区两次事件的相同台站波形记录,使用直达P、S波零频谱振幅值计算相关系数。对于三分向波形记录,每个台站可以得到5个零频谱振幅值:垂直和径向P波(PZ和PR)、垂向、径向和切向的S波(SZ、SR和ST),称这5个谱值为谱值分量。计算其谱振幅相关系数rxy。

(8)

根据上述原理,对库车东南震群采用如下计算步骤:① 收集库车东南震群的数字波形,以2016—2019年库车3级地震数据为背景资料,选取2020年1月—2023年1月库车东南震群波形数据进行分析;② 把波形的水平分量旋转为径向和切向分量,并采用延迟时间窗方法[16-17]计算其位移谱(图1);③ 采用Atkinson和Mereu[18]反演的方法,利用库车周边约200 km范围内的背景地震资料,反演库车震群的背景Q值,QP=79.6f*0.689、QS=248.6f*0.631;④采用多台多事件联合反演台站的场地响应[19];⑤利用经过噪声、仪器响应、传播路径及场地响应校正的谱振幅,计算库车东南震群地震序列的谱振幅相关系数。

图1 库车台记录的一次地震的波形(a)及其位移谱(b)Fig.1 Wave forms of a earthquake recorded by Kuche Station (a),and its displacement spectra (b)

图1为库车台记录的一次地震波形及其位移谱,图中,U、E、N分别表示垂向、径向、切向分量;PR、PZ分别表示P波垂向和径向分量的位移谱;SR、ST、SZ分别表示S波垂向、径向和切向分量的位移谱。

2 震群数据及计算结果

2.1 震群概况及波形数据的选取

库车东南震群位于塔里木盆地北部,自2016年10月开始,库车地区地震活动频度和强度水平明显上升(图2)。2020年1月16日库车MS5.6地震后,该区又发生多次MS≥4.0地震[20-21]。

图2 库车东南震群M-t(a)、频度图(b)Fig.2 M-t(a) and frequency diagram(b) of southeast Kuche earthquake swarm

2020年1月—2023年1月共选取库车台(KUC)、库尔勒台(KOL)、轮台台(LTA)、拜城台(BAC)、小泉沟台(XQG)等5个地震台站记录到的92个ML3.0～4.4地震(图2)的波形数据计算其谱振幅相关系数,部分地震(ML≥3.8)的基本参数见表1。

表1 库车东南震群序列的基本参数(ML≥3.8)

2.2 结果分析

2.2.1 谱振幅相关系数特征分析

采用5个地震台站记录的92个地震的波形资料计算了库车东南震群的谱振幅相关系数,其相关系数值在0.34～0.54之间变化(图3),平均值0.49。这与刘建明等[14-15]研究呼图壁MS6.2地震序列谱振幅相关系数(相关系数0.35～0.4之间波动)和新源、和静交界ML6.8地震序列谱振幅相关系数(相关系数0.54～0.62之间波动)水平基本相当。

图3 库车东南震群谱振幅相关系数随时间变化曲线Fig. 3 Correlation coefficient of spectral amplitude varied with time of southeast Kuche earthquake swarm

虽然谱振幅相关系数的变化范围不大,但有明显的起伏。从相关系数随时间的变化来看,可以分为3个阶段:① 2020年1月16日库车MS5.6地震前相关系数相对较高,约为0.54;② 2020年1月—2021年2月发生多次MS≥4.0地震,地震后相关系数波动较大,2022年2月恢复平稳状态,在0.45～0.50之间浮动上升;③ 2022年2月相关系数上升至0.50之上,10月之后稳定在0.53～0.54之间。总体来说,库车东南震群在2020年初相关系数相对较高,2020年1月—2021年2月期间波动较大,2021年2月后恢复平稳状态。

分析该地区4个典型地震序列资料,2019年12月—2022年12月共选取库车台(KUC)、库尔勒台(KOL)、轮台台(LTA)、拜城台(BAC)、小泉沟台(XQG)等5个地震台站记录到波形数据分别计算其谱振幅相关系数。

2020年1月16日发生MS5.6地震,利用5个地震台站记录到的2019年12月12日—2020年2月22日24个MS≥2.3地震资料计算谱振幅相关系数,数值在0.35～0.79范围内波动(图4a),在地震前达到最高值0.79,地震后谱振幅相关系数存在大幅下降现象,降至0.42。

图4 库车东南震群谱振幅相关系数变化曲线(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日发生MS4.9地震,利用5个地震台站记录到的2020年9月1—30日15个MS≥2.0地震资料计算谱振幅相关系数,数值在0.30～0.50范围内波动(图4b),在地震前达到最高值0.54,地震后谱振幅相关系数存在大幅下降现象,降至0.41。

2021年11月29日发生MS4.1地震,利用5个地震台站记录到的2021年11月1日—12月15日20个MS≥3.0地震资料计算谱振幅相关系数,数值在0.55～0.69范围内波动(图4c),在地震前达到较高值0.56,地震后谱振幅相关系数下降,降至0.53。

2022年11月18日发生MS4.3地震,利用5个地震台站记录到的2022年10月1日—11月30日10个MS≥3.0地震资料计算谱振幅相关系数,数值在0.29～0.53范围内波动(图4d),在地震前达到较高值0.53,地震后谱振幅相关系数下降,降至0.52。

通过对该地区4个典型地震序列资料的分析可知,震前谱振幅相关系数有增强的趋势,震后会有一定的回落,这与其他学者的研究结果一致[11-13],在强震后均存在谱振幅相关系数明显下降的现象。

2.2.2 应力降相关分析

2020年1月—2023年1月,采用库车周边的神木园(SMY)、轮台(LTA)、拜城(BAC)、库车(KUC)等4个地震台记录的68个ML3.0～4.0地震的波形数据计算库车东南震群的的应力降,得到应力降及震级—时间变化曲线(图5)。其应力降值在0.02×10-1～3.67×10-1Mpa之间变化,其中大部分在0.50×10-1～1.0×10-1Mpa之间,平均值为0.85×10-1Mpa,目前应力降水平高于区域背景活动水平[22]。这表明应力降较高时与聂晓红[23]等对阿克陶MS6.7地震序列的研究发现结果一致。

图5 库车东南震群应力降时序图Fig.5 Dress drop timing diagram of southeast Kuche earthquake swarm

3 结论与讨论

库车东南震群在2016年开始活跃,谱振幅相关系数呈现逐渐上升的趋势,在2020年初达到了最高值0.54,后续对应了2020年1月16日的库车MS5.6地震,说明该区域谱振幅相关系数升高后续存在发生较大地震的可能。在2023年1月谱振幅相关系数再次稳定至0.53左右,表明其区域应力水平较高,2023年1月30日在距震群约100 km处发生沙雅MS6.1地震。本次地震后该震群的谱振幅相关系数的变化,需要进一步密切跟踪。

通过对该地区4个典型地震序列资料的进一步分析可知,谱振幅相关系数在震前有增强的趋势,震后也存在一定的回落,这与其他学者的研究结果一致,说明谱振幅相关系数方法对该区域有一定的适用性。目前库车东南震群的谱振幅相关系数保持相对较高的平稳状态,同时从库车东南震群应力降结果来看,目前该地区应力水平也高于背景活动水平。

采用谱振幅相关系数可以尽可能多的了解到震群区域应力水平的变化过程,在实际工作应用中有一定的参考价值,但谱振幅相关系数的计算,对台站的分布和密度有一定的要求,这对新疆一些地区来说具有较大的局限性,本研究台站半包围分布对结果可能产生一定的误差。在后续的研究中需对事件、台站的选取有更高的标准。