福建古田水口水库ML4.8级地震序列震源参数研究

杨 贵，李祖宁，陈祥熊，沈健健

(福建省地震局，福建 福州 350003)

福建古田水口水库ML4.8级地震序列震源参数研究

杨 贵，李祖宁，陈祥熊，沈健健

(福建省地震局，福建 福州 350003)

应用福建省区域数字地震台网观测记录到的古田水口水库ML4.8级地震序列的资料，在扣除地震记录数据中传播路径效应、台站场地响应和仪器响应后，采用Atkinson单地震、多台记录平均的反演方法计算震源参数，共计算了序列中的38个ML≥2.5级地震的震源参数。结果显示：地震矩与震级之间有较好的线性关系，统计关系式为logM0=1.08ML+9.63；建立了用ML震级估算矩震级MW的公式 MW=0.72ML+0.387；其它的参数间虽有一定的相关性，但很难给出定量的关系。对地震序列应力降随时间发展的变化分析认为，在前震期水口水库区域存在应力加速积累的过程，有出现高应力降异常值的发生，临近主震时，应力降有所回调；最大余震后，应力降呈逐步衰减，未出现高异常值。

水库诱发地震；地震序列；震源参数；应力降；福建水口水库

0 引言

反演中小地震的震源参数，如地震矩、破裂半径、应力降等，并将其应用于研究地震的预测与地震前兆信息的探求，成为现今许多作者的研究课题。

通过对地震序列震源参数的研究，提取地震孕育过程和震源区物理状态的某些特征，有助于判断一次地震或一组地震事件发生后发震区或相关区域未来地震活动发展趋势，提高对地震发生发展规律的认识水平。

福建古田水口水库是华东地区最大的的水库，1993年3月31日下闸蓄水以来，地震活动较为频繁。2008年3月6日，水口水库发生了ML4.8级地震，此次地震是水库蓄水以来记录到的最大地震。此次主震的前半年，水库就发生了许多中小地震活动，主震后中小地震活动也很活跃，至2010年5月31日，整个地震序列中，共发生了ML≥2.5地震50次，最后一次为2009年10月18日发生的ML3.4级地震。

福建数字地震台网很好地监测到该次地震序列的全过程，为地震震源参数的测定与地震序列发展过程震源参数的变化特征研究，提供了丰富的原始资料。

本文应用中国地震局行业项目 “新参数测定及其在地震预测中的应用”福建子项目的部分成果，即福建区域介质品质因子Q值和福建测震台网的各台台站场地响应，从观测谱中扣除传播路径效应和场地响应等因素的影响，得到地震震源位移谱，然后利用遗传算法对震源位移谱进行拟合，进而得到震源谱参数—零频极限和拐角频率，再根据Brune模型计算震源参数的公式，得到震源参数，所使用的计算软件为中国地震局预测研究所提供的isdp，source软件。

1 方法

根据Brune[1]的震源模型，不同频率上的震源位移谱为

其中Ω0表示零频极限，fc表示拐角频率。

要反演震源参数，先得求解震源位移谱。由观测位移谱求解震源位移谱，必须扣除地震波振幅随距离的几何扩散、非弹性衰减，场地响应和仪器响应等影响。对于S波几何扩散系数，采用三段几何衰减模型[2]；对于非弹性衰减，应用由Atkinson[2]多地震、多台站联合反演方法求得的福建区域平均地壳介质非弹性衰减模型Q(f)=3.665·f0.4282；场地响应使用由Moya[3]的多地震、多台站联合反演方法反演求得的福建测震台网37个测震台的场地响应。从观测谱中扣除传播路径效应和场地响应等因素的影响，得到各台记录的震源位移谱，采用Atkinson单个地震、多台记录求平均的反演方法计算震源谱参数，然后利用遗传算法对震源位移谱进行拟合，进而得到震源谱参数——零频极限Ω0和拐角频率fc。最后根据Brune圆盘型震源模型，求解中小地震震源参数的公式，应用上面求得的震源谱参数，可以求得相应的震源参数。计算公式及采用的参数如下:

地震矩：

式中ρ是密度，本研究取为2.65 g/cm3；VS是S波速度，取为3.55 km/s；Rθφ是辐射花样系数，由于我们没有每次地震的断层面解，所以令Rθφ为一常数，取S波在全震源球上的平均值的

震源半径：

应力降：

矩震级[4]：

2 资料选取

水口水库坝址位于福建省最大的河流闽江干流上，上游距南平市94 km，下游距闽清县14 km，距省会城市福州84 km（见图1）。库区周边分布有古田水口、古田玉田、闽清雄江、闽清东桥、南平樟湖等台站，能较好监控库区的地震活动情况。

图1 福建水口水库及周边地震台站分布图Fig 1 Distribution Map for Shuikou Reservoir and Peripheral Seismic Stations

自1993年3月蓄水以来至2010年5月，库区地震活动较为频繁，其间1996年4月21日发生了ML4.1级地震，2008年3月6日发生了ML4.8级地震，此外中小地震常有发生。福建台网1998年10前的地震记录为模拟记录；数字化后至2005年10月3日，记录的最大古田地震为1999年11月2日的ML3.2级地震；2005年的10月4日开始至2007年9月10日，未记录有0级以上古田地震。2007年的9月11日开始记录到0级以上地震活动，此后小震活动频繁，直至2008年3月6日发生了ML4.8级地震；4.8级主震之后，余震活动时间延续很长，自2010年5月后才少有地震发生。因此我们对ML4.8级古田地震序列的研究时段取为2007年的9月11日至2010年5月31日。统计该时段0级以上地震目录，共有4 044个地震，震中位置见图1，做M-T及月频度图如图2。

图2 福建古田ML4.8级地震序列M-T及月频度图Fig 2 M-T and Monthly Frequency Diagram for ML4.8 Earthquake Sequence in Gutian,Fujian

由图2可知，2007年9月11日至2008年3月6日4.8级地震发生前，库区有近5个月，小震活动频繁，共发生830次地震，最大前震为ML4.1级；主震之后，余震活动时间延续很长，至2008年10月底，近8个月里，余震的频度及级别都较高，共发生2 695次地震，最大余震为ML4.1级；2008年11月至2010年5月，19个月时间，余震的活动频度及级别都较低，共发生518次地震，最大地震为ML3.6级。根据地震序列的活动特征，把整个序列相对ML4.8主震，分为前震期，余震密集期，余震衰减后期三个时段进行研究。在整个研究时段，序列里共发生有ML≥2.5级以上地震50个，三个分时段ML≥2.5地震的个数分布情况（不包括主震）如下表1所示。

各个研究时段里样本都较为丰富，为研究序列地震震源参数在各个时段的变化特征，提供了丰富的资料。

3 结果与分析

3.1 震源参数计算结果

本研究在计算时，对受前一次地震尾波或后一次地震初至波影响的地震，不予采用，其中ML4.8的主震因与前面地震波形叠加，没有采用。其它地震使用具有3个台以上记录且信噪比大于2.0的进行反演。50个ML≥2.5地震，共计算得到38个地震的震源谱参数和震源参数，结果汇总于表2。

表2 震源参数反演结果Table 2 The results of inversion of source parameters

表中H深为震源深度，ML为地方性震级，Ω0为零频极限，M0为地震矩，fc为拐角频率，r为震源半径，Δσ为应力降，MW为矩震级。

由表可知，水口水库ML4.8级地震序列的地震波谱和震源参数的总体特征为：震源谱的零频极限范围为 0.5～29.2 μm·s， 拐角频率范围为 4.8～15.0 Hz， 地震矩范围为 1.60×1012～1.06×1014 N·m，应力降范围为0.12～3.32 MPa，震源半径为100～268 m，矩震级MW范围为2.1～3.3。

3.2 震源各参数的相似关系

用最小二乘法拟合地震矩M0和震级ML之间的关系，可见logM0和震级ML有很强的线性关系，其拟合曲线如图3，统计关系式为：

对比福建邻省地区的计算结果，即康英[5]对广东地区72个地震计算的地震矩与地震震级的关系logM0=1.02ML+9.64和邹振轩[6]对浙江珊溪水库地震计算的地震矩与地震震级的关系logM0=1.09ML+9.92，可见地震矩与震级ML都有很好的线性关系，且线性相关的系数都较为接近。利用建立的地震矩M0与震级ML的关系式，可以用震级ML来估算矩震级M0。再应用公式4，可建立应用震级ML来估算矩震级MW的公式MW=0.72ML+0.387。

用地震矩与震源半径作图（见图4），可知地震矩与震源半径呈现一定的线性关系，但较为离散，在150 m后的震源半径，对应的地震矩有可能差异较大。

图3 古田地震序列地震矩M0与震级ML的关系Fig 3 Relation between M0and MLof the Earthquake Sequence in Gutian

图4 古田地震序列地震矩M0与震源半径的关系Fig 4 Relation between M0and Source Radius of the Earthquake Sequence in Gutian

用应力降与震级ML作图（见图5），可见应力降有随震级增大而增大趋势，但具体关系难以确定。用地震矩与应力降作图（图6），可见地震应力降随着地震矩的增加而增大，但未显示出明显的依赖关系。用拐角频率与震级ML作图（图7），可见拐角频率的对数随着震级ML的增大而减小。

图5 应力降与震级ML的关系Fig 5 TRelation between Stress Drop and ML

图6 应力降与地震矩的关系Fig 6 Relation between Stress Drop and Seismic Moment

图7 拐角频率与ML震级的关系Fig 7 Relation between Corner Frequency and ML

3.3 地震序列应力降随时间的变化

应力降为地震时断层面上所释放的应力，是一个与地震活动、震源介质、区域构造应力水平密切相关的参数。从力学观点出发，处于高应力状态下发生的一些中小地震，其应力降必然会与正常应力状态或低应力状态下的应力降有所不同，中强地震前后必会有明显的差异[7]。我们对序列发展过程中的应力降变化进行分析，得出了应力降的一些变化特征。

图8给出了地震序列应力降随时间的变化曲线，图中ML4.1级的两次地震分别为最大前震和最大余震。应力降范围为0.12～3.32 MPa，其中1.50 MPa以下的应力降占了60.5%。由图可知最大前震前应力降多次出现较高值，相对最大前震有3次显示出高异常值；最大余震后，应力降在余震密集期内有个逐步加速释放的过程，且未出现相对最大余震应力降的高异常值的出现，衰减后期的应力降都较小。

前震期的高应力降事件显示该区域的应力处于加速积累的过程，由于最大前震与本次序列的主震发生于同一小时内，可见临近主震，应力降有个回调的过程，随后发生了ML4.8级主震；最大余震发生于主震后4天内，在密集期内未出现有高值异常应力降，到衰减后期整个应力降回归到较低的水平。

图8 古田ML4.8级地震序列应力降随时间的变化过程Fig 8 Variation of Stress Drop with Time of the ML4.8 Earth3quake Sequence in Gutian

4 结论与讨论

本文在计算2008年水口水库ML4.8级地震序列震源参数中，扣除了地震波的非弹性衰减和台站的场地响应，所得结果具有较高的可信度。分析了各震源参数关系，结果显示地震矩的对数与震级之间有较好的线性关系，关系式为logM0=1.08ML+9.63（2.5≤ML≤4.1），并建立了用ML震级估算矩震级的公式MW=0.72ML+0.387；其它的参数间虽有一定的相关性，但很难给出定量的关系。

对地震序列应力降随时间发展的变化特征分析认为，在前震期水口水库区域存在应力加速积累的过程，有出现高应力降异常值的发生，临近主震时，应力降有所回调；最大余震后，应力降呈逐步衰减，未出现高值异常。

[1]Brune J N．Tectonic stress and the spectrum of seismic shear waves from earthquakes[J]．J Geophy Res,1970.75(26)： 4997－5009．

[2]Atkinson G M,Mereu R F．The shape of ground motion attenuation curves in Southeastern Canada[J]．Bull Seism Soc Amer， 1992， 82(5)： 2014－2031．

[3]Moya C A， Aguirre J．Inversion of source parameters and site effects from strong ground motion records using genetic algorithms[J]．Bull Seism Soc Amer， 2000， 90(4)： 977－992．

[4]Kanamori H．.The energy release in great earthquake[J]．J Geophys Res,1977， 82(20)： 2981－2987．

[5]康英，郑斯华，刘杰，吕金水，等．中小地震震源参数的求解及其相似关系 [J]．华南地震，2004，24（2）： 11－21．

[6]邹振轩，李金龙，俞铁宏，王政，等．温州珊溪水库地震序列震源参数研究 [J]．华南地震，2007，27（4）： 11－18．

[7]韦士忠，李玉萍．大同地震前后介质Q值和小震震源参数的变化[J]．地震，1992，(2)：30-38．

Abstract:This Paper,based on the data regarding the ML4.8 earthquake sequence to Gutian Shuikou Reservoir recorded by the regional digital seismic network of Fujian,and after taking out the propagation path effect,site response and instrument response from the seismic records,works out the source parameters for 38 earthquakes (ML≥2.5)by adopting the inversion method of Atkinson,i.e.average over data recorded by several machines for a single earthquake.The calculation results show that favorable linear relation between the seismic moment and the magnitude is found,with the statistical relation of logM0=1.08ML+9.63;a formula to estimate the moment magnitude MWusing the magnitude MLis established as MW=0.72ML+0.387;it is hard to give a quantitative relation among other parameters in spite of the certain degree of relevance.An analysis on the variation of stress drop of the earthquake sequence with time considers that,during the pre-earthquake period,there is an accelerated accumulation of stress in ShuiKou Reservoir area,with abnormally high value of stress drop,which is found with a callback when it approaches the main shock and declines gradually after the largest aftershock without any abnormally high value.

Keywords:Reservoir-induced Earthquake；Earthquake Sequence;Source Parameter;Stress drop;Fujian Shuikou Reservoir

A Study on Source Parameters of ML4.8 Earthquake Sequence at Shuikou Reservoir,Gutian,Fujian

YANG Gui， LI Zhuning， CHEN Xiangxiong， SHEN Jianjian
(Earthquake Administration of Fujian Province,Fuzhou,350003,China)

P315.71

A

1001-8662（2012）02-0112-09

2011-11-06

中国地震局行业专项子项目 “新地震参数测定及其在地震预测中的应用”福建局子项目，福建省地震局 “新一代地震参数测定”项目联合资助。

杨 贵，男，1978年生，工程师，主要从事地震监测与数字地震应用研究.E-mail：765068979@qq.com.