福建数字地震台网新地震参数目录的产出

杨 贵，李祖宁

(福建省地震局，福建 福州 350003)

福建数字地震台网新地震参数目录的产出

杨 贵，李祖宁

(福建省地震局，福建 福州 350003)

回顾了福建数字地震台网产出新地震参数目录的过程：根据测定中小地震震源参数原理，计算了福建区域介质平均非弹性衰减因子Q值和37个测震台站的平均场地响应，采用遗传算法求得震源谱参数，应用Brune圆盘模型公式计算震源参数，最后介绍了新地震参数目录的主要内容，并讨论了求解新地震参数目录的一些注意事项。

福建地区；地震波非弹性衰减因子；台站场地响应；震源参数；新地震参数目录

0 引言

数字地震台网提供的传统地震目录参数为 （T、λ、φ、h、M），即地震的发震时刻、震源位置、震级。传统的地震目录主要为用地震波运动学特性反演的时间和空间参数，仅使用了地震波的部分信息，所提供的参数明显少于描述地震的发生所需要的自由度，增加物理含义较明确的新的地震参数和介质参数，可以促进对孕震物理过程的了解。数字地震记录包含了震源、地球内部介质以及台站场地响应等信息，由地震波形资料研究地震波衰减、台站场地响应，估算地震震源参数，如地震矩、应力降、破裂半径、矩震级等，对探索地震震源性质和进行地震预测与地震危险性分析具有十分重要的意义。近年来，我国许多地震工作者开展了震源参数的测定工作，如唐兰兰和李志海[1]，康英等[2]，刘丽芳等[3]，邬成栋等[4]，杨晶琼等[5]，他们分别反演计算了各自研究区域的地壳平均非弹性衰减及相应的台站场地响应，对计算的震源参数进行分析研究，并探索震源参数在地震监测预报工作中的应用。数字台网在常规产出传统地震目录的基础上，新增加矩震级MW、地震矩M0、应力降Δσ、震源尺度r四个震源力学参数，即称之为 “新”地震参数目录。福建数字地震台网“九五”系统从1998年10月1日正式运行，经过逐步的改扩建，最后由29个测震台站组成； “十五”网络项目测震分项目完成后，台站数增加到41个，于2008年10月1日开始正式运行。台网的建设与升级，提高了地震的监测能力和监测水平，记录了丰富的中小地震资料，为测定中小地震的震源参数以及介质参数提供了基础数据服务。

要求得震源力学参数，就必须在地震观测谱中扣除台站场地响应、传播路径效应、仪器响应及噪声的影响。我们采用由中国地震局预测研究所地震图像与数字化观测资料应用研究实验室在全国地震系统推广的多台多地震联合反演的Atkinson[6]方法计算了福建地区地壳平均非弹性衰减因子Q值，再用多台多地震联合反演的Moya[7]方法计算了地震台站场地响应，最后根据Brune[8]中小地震圆盘模型计算了震源参数。随着新地震参数目录产出技术的实用化，福建数字地震台网新参数目录的产出已经常规化、日常化，从2008年10月1日开始正式产出，现已运行了3年多。

1 计算方法及原理

1.1 地震记录的内容

对速度型地震仪的地震记录，通过积分可变为位移记录，再通过傅里叶变换，转为频率域里，可用如下公式表示：

式（1）中Uij（f）是第j个台站观测到的第i个地震的傅里叶谱振幅，Uio（f）为第i个地震的震源谱振幅，Rθφ为震源辐射图像因子，Pij（f）为地震波从震源i传播至台站j的传播路径效应，Sj（f）为台站j的场地响应，Nj（f）为台站j的地震运动噪声，Surf是自由表面效应，Ij（f）为台站j的仪器响应。

Ij（f）可由仪器出厂值得到，Surf对于地表台的SH波严格为2，Nj（f）可从地震波至前的地震仪器记录得到。Rθφ在多台多震源的联合反演中，因平均效应，消去了震源辐射图像的影响。Pij（f）传播路径效应包括几何扩散G（Rij)和非弹性衰减qij（f），其中非弹性衰减qij（f）=e-πRijf/uQ（f）[9]，式中Rij为震源距，ν为S波速度，Q（f）为介质品质因子。剪切波傅里叶谱SH分量可由公式 （1）化为如下公式 （2）：

对公式 （2）两边取对数，并令c（f）=log(e)·πf/[Q（f）ν]，c（f）称为非弹性衰减系数，上式化为：

对于S波的几何扩散G（Rij)采用三段线性回归函数[6]。三段几何扩散模型如图1所示，可由如下公式 （4）表示。

式 （4）中，设地壳厚度为H，R1=1.5H，R2=2.5H，Rij为震源距。在Rij≤R1时记录为直达波，R1≤Rij≤R2时，直达波列中混杂有反射波等震相，Rij＞R2时为Lg波，一般b1=1，b2=0， b3=0.5。

许多的研究表明，对于中小地震而言，震源谱与Brune[8]和Shearer[10]的ω2（ω=2πf）模型一致性较好，因此采用该震源谱模型，其公式如下：

式中，Ω0为震源谱的低频渐近线值，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，即拐角频率。

通过上述分析，通过记录位移谱求解震源参数，需要先对式 （3）的非弹性衰减和台站场地响应进行计算。

图1 几何扩散系数的确定方法示意图Fig.1 Determination method of geometric spread coefficient

1.2 Atkinson方法计算非弹性衰减因子Q值

采用Atkinson方法计算非弹性衰减因子Q值，其原理为：首先假定所有台站的场地响应均为1（即不考虑场地响应），在非弹性衰减系数值（即c（f））给定的情况下，对各台站记录进行几何扩散和衰减校正，得到相应地震的震源谱振幅，通过调整c值使各台站得到的同一地震的震源谱振幅残差最小；其次设定某次地震的震源谱是不同台站记录获得的震源谱振幅的平均，而各个台站的场地响应的对数就是该台站得到的震源谱振幅对数与该地震的震源谱振幅对数之差的平均值；最后，再将各台站得到的场地响应考虑进去，重新计算各台站经过校正后的震源谱振幅，通过调整c值，使对同一地震得到的震源谱的残差最小，通过反复迭代反演，可得到该区域的非弹性衰减因子Q值系数，进而得到区域介质的品质因子。该方法的详细计算过程可参考文献 [6]。

在计算福建区域平均非弹性衰减因子Q值时，考虑福建多属丘陵与山地地区，仅闽南少部分地区为平原，地表及地貌特征变化不明显，而且福建省的面积也相对较小，因此仅分一个区进行Q值计算。区域范围为北纬21°～29°，东经115°～121°。

在选择地震事件数据时，考虑到地震和台站的空间分布尽可能均匀，地震射线能较好覆盖研究区域，并且地震的信噪比要大于2，地震记录满足信噪比的台站数要大于3个，每个台站至少要记录到3次地震，满足要求的地震和台站射线分布足够多。经过筛选选取了2000～2007年福建数字地震台网记录到的福建及临近海域ML2.5级以上的70个地震事件，实际用于计算的地震记录为561条。图2给出了参加计算的地震震中、台站分布与射线路径分布图。从图2中可以看出，地震射线主要覆盖福建省中部以南及临近海域的大部分地区；北部、东部及临近省界地区，受台站布局及地震事件少影响，地震射线分布少甚至没有；计算结果可能只代表了福建中南部地区介质的平均Q值。

图2 计算Q值和场地响应所选用地震的震中和射线分布图Fig.2 Epicenter and ray distribution of selected earthquakes for calculation of Q value and field response

应用选好的70个地震事件，采用上述的Atkinson方法，反演得到福建地区Q值与频率的关系为Q（f）=366.50f0.4282，见图3，可见结果拟合较好。比较广东省[11]Q（f）=437.50 f0.3937和Q（f）=423.60 f0.3912，浙江省[12]Q（f）=361.00 f0.458，可见计算结果与浙江省的Q0值与衰减系数较相近，Q0值比广东的小，衰减系数大。

1.3 Moya方法计算台站场地响应

在几何扩散采用三段线性回归函数和由Atkinson方法计算得到福建地区地壳平均非弹性衰减因子Q值情况下，我们采用Moya方法计算测震台站的场地响应，其原理为：选择Brune[8]的ω2震源谱模型，假设每一个台站对于不同地震事件的场地响应相同，应用遗传算法，通过调整震源谱参数，使得不同事件得到的同一台站场地响应的标准差最小。在获得震源谱参数后，利用经过几何扩散和非弹性衰减校正后的位移振幅谱与震源谱相比就可以得到每个台站的场地响应。

首先对第i个地震在第j个台站观测到的S波傅里叶振幅谱，进行几何扩散与衰减的校正，并将观测谱从速度谱转换成位移谱，通过设定每个震源的震源谱参数 （震源谱的零频极限Ω0和拐角频率fc），从而得到每次地震的理论位移震源谱。

在第k个频率点，由第i次地震事件对第j个台站的场地响应如（6）式：

图3 福建地区介质品质因子与频率的关系Fig.3 The relationship between Q value and frequency in Fujian province

计算在第k个频率点上第j个台站由不同地震得到的场地响应的平均值和标准偏差，采用遗传算法，通过调整每次地震的震源谱参数，使式 （7）值最小。

式（7）中std[Gij（fk）]为场地响应的标准差，mean[Gij（fk）]为场地响应的平均值。

我们对 “九五”与 “十五”两个系统的台站场地响应分别进行反演。 “九五”系统反演使用了反演福建地区介质品质因子时使用的70个地震事件； “十五”系统由于运行时间短，记录的地震少，在仅考虑信噪比，未考虑台站与震中布局的情况下，共有12个地震事件满足计算要求。反演的台站场地响应结果见图4。

使用 “九五”资料反演得到28个台的场地响应，使用 “十五”资料反演得到24个台的场地响应，两次反演结果中有15个台是相同的。比较这15个相同台的两次计算结果，有部分台站结果相近，其它台九五的比十五的大。“九五”系统计算的大部分台站都有一定的放大效应，“十五”系统计算的部分场地响应偏小，可能与地震样本少，射线、台站布局不理想有关，应该说 “九五”系统计算的结果更可靠。两次反演共得到37个台的场地响应，在后面使用时，使用由 “九五”系统计算的28个场地响应及 “十五”新增的9个场地响应。

1.4 震源参数计算

应用上面求得的非弹性衰减和场地响应，可从观测谱各项参数中去掉几何扩散、非弹性衰减和台站场地响应及自由表面的影响等得到震源谱，再与理论震源谱拟合可得到零频幅值和拐角频率。

图4 福建地震台网 “九五”、 “十五”台站场地响应平均值Fig.4 Average field response of Fujian station network during“Ninth Five-year Plan”and “Tenth Five-year Plan”

即一个地震的观测震源谱为各台站观测震源谱的平均值，如式 （8）表示：

理论震源谱为Brune模型，如式 （9）表示：

定义理论与观测震源谱的残差为

由观测谱的形态估计Ω0和fc的可能取值范围，用遗传算法迭代计算，直至式 （10）的ε不再减小，即可得到零频幅值和拐角频率。图5显示求解一个地震的震源谱参数，蓝线代表这个事件各个台记录的震源谱，绿线为平均震源谱，红线为拟合的理论震源谱。

根据上面求得的零频幅值和拐角频率，应用Brune圆盘型震源模型求解中小地震震源参数的公式，进而求得相应的震源参数。

对于地震矩：

图5 震源谱参数拟合图Fig 5 Focal spectrum parameter fitting figure

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S波的辐射花样系数，对于SH波取震源辐射能量的平均值为。

震源半径：

对于应力降：

对于矩震级[13]：

1.5 震源参数关系讨论

由上述方法，求解了福建台网2000-01-01～2011-09-30记录的福建省内及临近海域ML2.5级以上157次地震的震源参数。这些地震的震级在ML2.5到4.7之间，标量地震矩在1.60×1012～4.19×1014N·m之间，应力降在0.12～10.61MPa之间，震源半径在86～347 m之间。 这些地震的地震矩与地方震震级ML有很好的相似关系，关系式为lgM0=0.99ML+9.91，见图6（a）。震源尺度、应力降与震级虽有随震级增大相应增大的趋势，但难以给出定量关系，见图6（b，c）。

图6 震源参数地震矩 （a）、震源半径 (b)、应力降 (c)与震级ML关系图Fig 6 The relationship between seismic torque(a)、focal radius(b)、stress drop(c)of focal parameter and seismic magnitude ML

2 新参数目录产出实现的情况、内容及注意事项

目前新参数目录的测定，在十五系统JOPENS中已实现日常化常规化产出。在计算震源参数的软件Source中配置好相关的台站场地响应参数和区域介质品质因子Q值、衰减系数及当地的地壳速度结构模型，并在JOPENS系统的MSDP.XML文件里配置好调用该程序的路径，就可实现在JOPENS系统的MSDP界面上实现在线计算。通过MSDP打开波形数据，标注震相，定位后，对波形及震相数据提交到数据库后，调用JOPENS/MSDP界面中计算中小地震震源参数的功能模块进行计算，最后把震源参数写入数据库中。新地震参数目录的内容如表1，即在传统目录的基础上增加四个震源参数和一些辅助项，在表中例举了图5计算的地震新参数目录。

由于在计算震源参数时有较多要求，并不是每个地震都能得到计算结果的。首先上述方法是针对中小地震计算震源参数的方法，是基于Brune的圆盘模型进行计算的，对地震的震源深度及震级有一定要求，主要为要求地震是发生于地壳内的，且震级一般要小于M5.5；其次对地震记录有一定的信噪比要求，本项工作中要求信噪比大于等于2，且要求同一地震至少要有3个台站有如此好的记录，如果不能满足此项要求时，就不予计算。

根据震源参数计算公式可知，其结果主要源于对震源谱参数的计算，为了得到优化的震源谱参数，在实际计算过程中还要注意以下事项：①为了消除震源辐射花样的影响，尽量要求台站包围震中，且较均匀的分布。② 只测定发生在Q值覆盖区内的地震。③ 不计算双震叠加的地震。④对于震源谱拟合不好的台站要舍去。⑤地震事件前的波形记录要避免异常记录的干扰。⑥ 选用震中距较大的台站时，要注意避免使用Lg波。⑦ 台站仪器响应值应使用出厂值，等等。

表1 新地震参数目录内容及实例Table 1 Contents of new seismic parameter catalog and application case

3 结论与讨论

通过对福建数字地震台网资料的处理，反演了福建地区地壳的平均非弹性衰减因子Q值和37个测震台站的场地响应，为在福建开展震源力学参数计算提供了基础。震源参数的地震矩、应力降、破裂半径、矩震级等已正式编入新地震参数目录中。目前，福建台网新地震参数目录已实现常规化、日常化、快速产生，对于发生较大的地震，可以较为快速地提供震源参数。

随着福建地震台网 “十一五”建设的完成及运行，台点密度更高，布局更加合理，记录更多的地震事件，可以开展计算福建区域更加精细的区域介质品质因子及补充新增台点的场地响应，产出的震源参数将更加可靠、准确。

本文所用程序由中国地震局地震预测研究所赵翠萍研究员，高景春研究员，华卫博士等提供，他们在理论与方法上给予诸多指导和帮助，在此深表谢意。

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The Output of New Seismic Parameter Catalog of Fujian Digital Seismic Network

YANG Gui，LI Zuning

(Earthquake Administration of Fujian Province，Fuzhou 350003，China)

This article reviewed the process of the output of new seismic parameter catalog from Fujian digital seismic network.According to the principle of determining focal parameters of small and moderate earthquakes,the average non-elastic attenuation factor Q value in Fujian province and average field response of 37 seismic stations are calculated.Focal spectrum parameters are obtained using genetic algorithm,which are applied in Brune disc model formula for calculation of focal parameters.Finally,this paper introduces the main contents of the new seismic parameter catalog,and discusses a few considerations in solutions to new seismic parameter catalog.

Fujian Province；Seismic wave non-elastic attenuation factor；Field response；Focal parameters；New seismic parameter catalog

P315.331

A

1001-8662（2012）03-0031-10

2011-12-21

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.