地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (10): 4117-4123   PDF    
2017年8月8日九寨沟MS7.0地震震源谱及震中区域品质因子
王宏伟, 任叶飞 , 温瑞智     
中国地震局工程力学研究所, 中国地震局地震工程与工程振动重点实验室, 哈尔滨 150080
摘要:2017年8月8日四川省九寨沟县发生MS7.0地震,国家强震动台网中心正式发布了此次地震中收集的66组强震动记录,采用其中震源距不超过150 km且台站场地反应已确定的8组记录,基于S波傅氏谱反演方法确定了此次地震的震源谱及震中区域的地壳介质品质因子.结果为:品质因子Qf)=84.9f0.71,说明该区域的S波非弹性衰减较为强烈;根据ω-2震源谱模型,确定该地震的地震矩为9.42×1018Nm,其对数标准差为0.12,相应的矩震级MW=6.616±0.079,拐角频率为0.131±0.011 Hz,应力降为3.854 MPa,该值明显低于全球板内地震的应力降平均水平(4.89 MPa),但高于2013年芦山MW6.6地震的应力降.
关键词: 九寨沟地震      谱反演      震源谱      品质因子     
Source spectra of the 8 August 2017 Jiuzhaigou MS7.0 earthquake and the quality factor of the epicenter area
WANG Hong-Wei, REN Ye-Fei, WEN Rui-Zhi     
Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration; Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration of China Earthquake Administration, Harbin 150080, China
Abstract: On August 8, 2017 an MS7.0 earthquake rocked Jiuzhaigou, Sichuan Province. The China Strong-Motion Networks Center (CSMNC) officially released 66 strong-motion recordings collected during this event. Eight of them obtained at stations up to 150 km from the hypocenter, of which the site responses are available, were used to retrieve the source spectra of this earthquake and the frequency-dependent quality factor in the vicinity of the epicenter. The resultant quality factor is Q(f)=84.9f 0.71, indicating the strong non-elastic attenuation of S-waves. Based on the commonly used ω-2 source model, the grid-searching technique was used to determine the optimum source parameters for this earthquake. The results show that the seismic moment is 9.42×1018 Nm with the standard deviation 0.12 on the log10 scale, corresponding to the moment magnitude MW=6.616±0.079, and the corner frequency fc is 0.131±0.011 Hz. Based on these values of MW and fc, the Brune-type stress drop was estimated as 3.854 MPa, significantly lower than the average of the global intraplate earthquakes (4.89 MPa) but higher than that of the MW6.6 Lushan earthquake in 2013.
Key words: Jiuzhaigou earthquake    Spectral inversion    Source spectrum    Quality factor    
1 引言

据中国地震台网测定,2017年8月8日21:19:46,四川省阿坝藏族羌族自治州九寨沟县(震中:33.20°N,103.82°E)发生MS7.0地震,震源深度20 km,震中距离2008年汶川大地震的破裂面大约130 km(Fielding et al., 2013).此次地震发生于玛曲—荷叶断裂、岷江断裂与虎牙断裂之间,发震断层为虎牙断裂向北部的延伸段.20世纪70年代,自北向南在虎牙断裂上发生了一系列破坏性大地震,1973年黄龙M6.2地震位于此次地震震中东南侧约30 km处,1976年松潘地震序列(M=7.2、6.7、7.2) 距离此次地震震中最近约60 km.已有研究表明虎牙断裂有继续向北侧延伸的可能(Chen et al., 1994).根据全球矩心矩张量(Global Centroid Moment Tensor,GCMT)目录提供的震源机制解(http://www.globalcmt.org/),此次地震为走滑破裂,破裂面走向为N150°E,倾角为78°.

地震发生之后,国家强震动台网中心正式发布了66组强震动记录,其中四川省21组,甘肃省14组,陕西省25组,宁夏回族自治区6组.震源距100 km之内的记录仅有7组,100~200 km内的记录有20组,其他记录的震源距均不小于200 km.距离震中最近的(震源距约36.6 km)九寨百河台站(台站代码:051JZB)获取了最大峰值地面加速度(PGA)记录,其中EW、NS和UD分量的PGA分别为129.5、185.0和124.7 cm·s-2.

此次地震震中东北-南侧触发的多数台站同时在2008年汶川地震序列中也收集到了较多强震动记录,Ren等(2013)采用广义反演方法分离汶川余震序列强震动记录的S波傅氏谱确定了部分强震动台站的场地反应,其中包括在本次地震中触发的11个强震动台站,如图 1所示.震源谱表示震源的特征,在频域上移除传播路径和场地效应是估计地震震源谱的常用方法(Allmann and Shearer, 2009; Kane et al., 2013; Pacor et al., 2016).本文利用上述台站场地反应已确定的强震动记录,通过谱反演方法估计此次九寨沟地震的震源谱及震中附近区域的品质因子,并基于Brune震源模型(Brune, 1970),确定地震的地震矩、拐角频率和应力降.

图 1 九寨沟MS7.0地震中触发的部分强震动台站 绿色三角形表示场地反应已确定的11个台站(Ren et al., 2013),本文谱反演分析采用了震源距150 km范围内(蓝色圆圈所示)的其中8个台站. Fig. 1 Locations of some strong-motion stations triggered during the MS7.0 Jiuzhaigou earthquake Eleven stations at which the site responses were determined by Ren et al. (2013) are highlighted using green triangles. In this study, only 8 of them with hypocentral distances less than 150 km were adopted in spectral inversion analysis.
2 谱反演方法

震源形成的地震波在地壳介质中传播,经过多次反射、折射与透射,能量发生耗散而衰减,在上地表浅层介质由于波阻抗降低而被动力放大,通过人工布设传感器而被记录到.在频域上,第i个台站在第j次地震中观测到的强震动记录S波的傅氏谱Oij(f)可以表示为(Iwata and Irikura, 1988):

(1)

其中Sj(f)和Gi(f)分别表示第j次地震的震源谱和第i个台站的场地反应,Rij表示第i个台站到第j次地震的震源距,Rij-1表示几何扩散,β为震源处的剪切波速,本文取为3.6 km·s-1(Zheng et al., 2009),Q(f)表示与频率f相关的品质因子.

式(1) 两侧同时取自然对数可表示为线性叠加形式:

(2)

当台站的场地反应已知且只考虑一个地震时,(2) 式可表示为:

(3)

其中N表示台站总数,bi=lnOi(f)-lnGi(f)+lnRi,本文采用线性最小二乘方法求解式(3) 确定地震震源谱S(f)和品质因子Q(f).

3 数据及处理

在此次九寨沟地震中触发了66个强震动台站,其中11个台站的场地反应已由Ren等(2013)基于汶川余震序列的强震动记录采用广义反演方法得以确定,见图 1.为了可靠地截取强震动记录的S波部分(McNamara et al., 2012),本文只选取了震源距150 km以内的8个台站进行研究,包括051HSD、051HSL、051HSS、051JZW、051JZY、051MXD、062SHW和062WEX,震源距大约为45~150 km,其场地反应如图 2所示.需要说明的是,此次地震中上述8个台站记录的水平分量PGA均不超过100 cm·s-2,可近似认为其场地反应未进入非线性阶段(Ren et al., 2017),图 2给出的这8个台站场地反应可用于式(3) 的线性反演过程.

图 2 本文采用的8个台站的场地反应及其加减一倍标准差范围(阴影区域) Fig. 2 Site responses for the eight stations used in this study. The shaded areas represent the ranges of mean plus and minus one standard error, respectively

首先对记录进行零线校正和0.1~30 Hz巴特沃斯带通滤波处理,根据记录加速度时程的Husid函数(Husid, 1967)和累积均方根函数(McCann and Shah, 1979)截取记录两个水平分量(EW和NS)的S波部分,截取的051JYW台站记录的S波部分如图 3所示.为消除截断误差,对截取的S波部分进行边瓣加窗处理,即在S波前后分别增加相当于S波持续时间10%长度的余弦函数(见图 3).之后,计算两个水平分量的S波傅氏谱,并采用b=20的Konno和Ohmachi(1998)窗函数平滑傅氏谱,并将两个水平分量矢量合成以表示水平向S波的傅氏谱.对上述8个台站都进行同样的处理.

图 3 以051JZW台站为例说明对记录S波部分的截取处理 绿色部分表示消除截断误差在S波前后进行边瓣加窗处理. Fig. 3 An example illustrating the extracted S waves for the two horizontal components at 051JZW station The portions marked by green colors represent the tapered windows added at the beginning and end of the S-waves in order to remove the truncated errors.
4 震源谱与品质因子

基于上述8组记录的S波傅氏谱确定九寨沟地震的位移震源谱,为考虑场地反应不确定性对震源谱的影响,对于每个台站,均采用蒙特卡罗随机抽样方法产生500个服从对数正态分布的随机数(随机场地反应),其均值和标准差分别取台站场地反应的平均值及标准差(见图 2),基于所有8个台站的第k(k=1~500) 个随机场地反应,由式(3) 可确定第k个随机震源谱,如图 4a所示,图中可见,500个随机震源谱相差不大,高频段的衰减与ω-2震源谱形状(Brune, 1970)接近.如果不进行上述随机采样处理,仅以每个台站平均场地反应(图 2中黑色实线)反演震源谱,得到的结果与500个随机震源谱的对数平均值十分接近,由此说明上述随机采样过程是稳定的.另外,为检验反演过程是否稳健,取各台站的平均场地反应用于反演,从8组记录中任意剔除一组记录,基于剩余的7组记录根据式(3) 重新计算震源谱,每次剔除一组记录,重复进行8次,得到8个不同结果的震源谱,将它们与基于所有8组记录确定的震源谱进行比较(如图 4b),可以发现差异很小,由此说明震源谱反演过程是较为稳健的.

图 4 (a)考虑场地反应的不确定性,采用谱反演方法确定的500个随机位移震源谱及基于平均场地反应确定的位移震源谱;(b)检验反演过程的稳健性,仅基于7组记录确定的震源谱及最佳拟合的ω-2震源谱 Fig. 4 (a) 500 displacement source spectra derived from the spectral inversion analyses in order to consider the uncertainty of site responses and the source spectrum calculated using the mean of site response at each site. (b) The displacement source spectra calculated respectively using 7 recordings in order to test the robustness of inversion. The best-fitting ω-2 source spectrum for the one derived from mean site response is also displayed

采用ω-2震源谱模型(Brune, 1970)拟合震源谱(见图 4b),ω-2震源谱可表示为:

(4)

其中RΘΦ表示平均辐射模式的影响,Boore和Boatwright(1984)的研究系统地给出了发震断层类型不同(走滑和倾滑)的地震的P、S、SH和SV波在不同离源角范围(17°~25°、60°~120°和120°~180°)辐射花样系数的均方根、绝对值均值和对数平均值,本文采用震源距大约在45~150 km范围内的强震动记录的S波确定了近似为垂直走滑的九寨沟地震的震源谱,并在对数空间下确定此次地震的震源参数,因此本文RΘΦ取为0.60;V表示水平向S波能量占总S波能量的比例,常取为F表示自由表面放大效应,由于场地反应已经考虑了2倍的场地自由表面放大,在此取为1.0;ρ表示震源处的介质密度,取为2.7 g·cm-3R0=1.0 km表示参考距离;M0fc分别表示地震矩和拐角频率.对于每个随机震源谱,本文采用网格搜索方法在0.1~10.0 Hz频段内确定其最佳的M0fc(见图 5),使ω-2理论震源谱与反演得到的震源谱最为接近,为避免高频衰减的影响并未考虑大于10.0 Hz的频段.图中可见,基于500个随机震源谱得到的地震矩服从对数正态分布,其平均地震矩M0=9.42×1018Nm,对数标准差为0.12,而拐角频率服从正态分布,fc=0.131±0.011 Hz,根据矩震级MWM0的关系(Hanks and Kanamori, 1979),MW=6.616±0.079.GCMT确定的M0=7.62×1018Nm、MW=6.55,本文结果与其较为接近.

图 5 基于500个随机震源谱分别确定的地震矩M0和拐角频率fc Fig. 5 Values of seismic moment M0 and corner frequency fc estimated using 500 random source spectra

进一步根据M0fc,可以计算地震的应力降Δσ(Brune, 1970):

(5)

根据式(5),此次地震的应力降Δσ=3.854 MPa,其对数标准差为0.032,低于全球板内地震的应力降平均水平4.89 MPa(为与本文结果比较,统一转化为Brune震源模型且β=3.6 km·s-1的结果)(Allmann and Shearer, 2009),但此次地震的应力降明显高于2013年芦山MW6.6地震的应力降Δσ=1.5 MPa(Hao et al., 2013).

本文同时给出了九寨沟地震震中附近区域(震源距不超过150 km)的S波品质因子Q(f),如图 6所示,品质因子通常可以表示为Q0fn的形式,通过最小二乘法拟合得到Q(f)=84.9f0.71,与Ren等(2013)确定的汶川余震序列附近区域以及华卫等(2009)确定的龙门山断裂带西侧山区的品质因子相比,本文结果较小,表明九寨沟地震震中附近区域的非弹性衰减更强.较小的品质因子可能与该区域更大的地壳厚度(>50 km)有关(Laske et al., 2013).我们知道,品质因子与地震射线传播经过的地壳介质有关,通常深部地壳介质的品质因子更大,非弹性衰减更弱.当观测台站距离震源较远时,地震射线主要沿莫霍面传播; 台站距离震源较近时,地震射线主要沿上地壳传播.其临界距离大约是2.5倍的地壳厚度(Atkinson and Mereu, 1992),地壳厚度较大时相应的临界距离也较大,在地壳厚度较大的地区可能有更少的地震射线通过莫霍面传播至近源台站,相应的品质因子更小.

图 6 九寨沟地震震中附近区域的S波品质因子 Fig. 6 S-wave frequency-dependent quality factors in the vicinity of the epicenter for the Jiuzhaigou event
5 结论与讨论

2017年8月8日21:19:46四川省九寨沟县发生MS7.0地震,本文采用震源距不超过150 km且场地反应已确定的8个台站的强震动记录,基于S波傅氏谱反演方法同时确定了此次地震的震源谱和震中附近区域地壳介质的品质因子.本文确定的九寨沟地震的地震矩M0=9.42×1018Nm,对数标准差为0.12,相应的矩震级MW=6.616±0.079,拐角频率fc=0.131±0.011 Hz,应力降Δσ=3.854 MPa,其对数标准差为0.032,表明九寨沟地震的应力降较高,震中附近区域的品质因子Q(f)=84.9f0.71,地震波的非弹性衰减较强.

本文采用的8个台站的方位角分布范围较为有限,其中4个台站位于N50°—120°E范围内,4个台站位于N180°—210°E范围内,根据地壳介质S波速度模型(Zheng et al., 2009),这8个台站的地震波离源角在97°~115°之间,而式(4) 中RΘΦ=0.60是地震波离源角60°~120°、方位角0°~360°范围的对数平均值,因此这8个台站方位角和震源距范围的限制可能会对RΘΦ有一定的影响,进而影响M0fc的估计.

震源破裂方向性通常会引起不同方位的视震源谱差异,破裂前方视震源谱的视拐角频率大于破裂后方,相应的破裂前方视震源谱高频段明显高于破裂后方(Pacor et al., 2016),如果观测记录均匀分布在方位角0°~360°范围内,震源是否存在破裂方向性对fc的估计并无影响.然而本文采用的8个台站主要位于2个方位角范围内,方位角分布有限,此次地震破裂面走向约为N150°E,这些台站可能同为破裂前方台站或后方台站,由式(2) 计算的单个台站的视震源谱相差不大(见图 7)也证实了这一点,因此并不能排除震源破裂方向性可能的影响.如果仅从高应力降(即大拐角频率)的角度来看,猜测这些台站可能均为破裂前方台站,即此次地震自震中主要向N150°E方向破裂.本文的反演过程已证实较为稳健,估计的MW与GCMT给出的结果也比较接近,因此可推测台站的方位角和震源距范围单一对M0fc的反演结果影响有限,具体影响程度还需要进一步深入研究.

图 7 根据单个台站记录得到的视震源谱 Fig. 7 Apparent source spectra calculated using records at single stations used in this study
致谢

感谢国家强震动台网中心提供的观测记录.

参考文献
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