有流体参与作用下的震源参数特征——以广西凌云凤山震群、龙滩库区地震为例

龙政强, 孙学军, 姚 宏, 刘双庆, 谢夜玉, 韦旭鸿

(1.广西壮族自治区地震局，南宁 530022； 2.天津市地震局，天津 300201)

有流体参与作用下的震源参数特征
——以广西凌云凤山震群、龙滩库区地震为例

龙政强1, 孙学军1, 姚 宏1, 刘双庆2, 谢夜玉1, 韦旭鸿1

(1.广西壮族自治区地震局，南宁 530022； 2.天津市地震局，天津 300201)

对广西暴雨诱发的地震、水库地震及天然地震的地震波数字频谱参数特征进行分析；计算凌云凤山震群、2007—2013年广西桂东南地区天然地震及龙滩库区ML≥2.5级地震波形资料，获得凌云凤山震群、桂东南天然地震、龙滩库区地震震源参数。研究表明：凌云凤山震群和龙滩库区地震的应力降、震源尺度和拐角频率在数值范围、平均值都基本相同；它们的应力降和拐角频率明显小于桂东南地区地震，其中应力降约小1个量级；而它们的震源尺度明显大于同震级的桂东南地区地震。这些特征显示出数字地震波频谱分析也可较好地反映凌云凤山震群由暴雨诱发所致的成因。

震群；水库地震；震源参数；地震矩；拐角频率

0 引言

宽频带、大动态响应是数字地震观测记录相对于模拟记录的显著特征。随着地震观测技术和研究方法的不断进步以及数字化地震记录资料的积累，各种构造背景条件下的中小地震震源参数特征研究一直是地震学者研究的重要领域，尤其在水库诱发地震与构造地震震源特征的差异方面取得了新的认识。如钟羽云等[1]对温州珊溪水库ML3.9震群震源参数特征研究表明，拐角频率总体偏小，震源破裂半径总体偏大，这可能是水库诱发地震不同于构造地震的一个特点。周昕等[2]研究表明珊溪水库地震与构造地震在地震波谱特征上也存在差异。

2010年6月27—30日广西西北部出现大暴雨过程，大范围积水，形成严重内涝，在降雨量最大的凌云凤山交界地区于6月27日至8月中旬发生了持续、密集、震感明显的震群活动。这些地震震源深度浅，90%以上的震源深度小于3 km，小震空间分布也与较大震级的破裂面走向不一致[3]。另外，利用传染型余震序列模型定量检测，也显示出流体对该震群有很强烈的触发作用，综合推断该震群为暴雨触发[3]。暴雨触发的地震活动现象自广西地震台网建设以来，记录罕见。为探求流体水参与作用的地震或震群的震源参数特征，本文将采用Brune 模型[4]，结合前期计算取得的广西区域非弹性衰减Q值和台站场地响应，计算得到凌云凤山震群、龙滩库区地震、桂东南天然地震的地震矩、应力降、震源尺度、拐角频率等震源参数。并将三者进行对比研究，以求为不同地震发震性质、震群类型研判提供一定的依据和借鉴。

1 研究方法

台站观测的任一地震地面运运的傅里叶谱可以表示为：

(1)

式中：Aij(f)是第j个台站记录到第i个地震的傅立叶谱振幅谱(观测谱)，Ai0(f)为第i个地震的震源谱振幅(震源谱)，Rij为震源距，G(Rij)为几何衰减函，Q(f)为频率依赖的品质因子，β为地震波速度(本研究中仅分析S波)，Sj(f)为第j个台站的场地响应项。Ij(f)为第j个台站的仪器响应项。

由(1)式可知，在频率域内对台站的观测位移谱Aij(f)进行几何衰减、非弹性衰减、场地响应及仪器响应校正后，才能得到震源谱Ai0(f)。目前一般采用1992年Atkinson提出的三段几何衰减模型来计算传播路径的影响，采用多台、多地震联合反演的Moya方法计算台站的场地响应[5-6]。笔者采用上述方法，利用2007—2013年广西数字测震台网记录到的ML2.5级以上地震波形共665条，反演得到广西地区介质因子Q(f)=366.3f0.47和各台站场地响应*龙政强，孙学军，姚宏，等．广西地区地震动衰减Q值和场地响应研究，另文投稿待发表。。

(2)

(3)

(4)

式中：ρ为介质密度，本文ρ取2.9 g/cm3；β为S波的速度，本文β为3.5 km/s；Rθφ为S波的辐射花样系数，由于没有每次地震的断层面解，故令其为常数，并取S波在震源球面的上平均值，即Rθφ=0.41[7]。

2 数据资料及处理

2.1 资料选取

2009年9月至2010年6月，中国西南滇、黔、桂大部分地区遭遇罕见的秋冬连旱，广西西部、西北部持续干旱少雨。2010年6月27—30日广西西北部出现大暴雨过程，大范围积水成涝。降雨量最大的凌云、凤山交界于6月28日17时开始出现密集的微震活动，至8月15日，共记录地震3 071次，其中ML2.0～2.9级41次，ML3.0级以上地震3次，最大为7月1日10时27分凤山ML3.2级地震。此次震群活动均表现出震源浅、频度高、烈度大、密集程度高、持续时间长等特点。

龙滩水电站工程位于珠江干流红水河上游的广西天峨县境内，电站设计绝对坝高220 m，库容(273×108) m3，水库正常蓄水位400 m，是一座典型高坝大库容水库。自2006年10月蓄水以来，库区中小地震活动频繁，2009年史水平等[8]通过定性判断法和概率统计分析法的验证表明，龙滩库区蓄水后出现的地震活动具有明显的水库诱发性质，属水库诱发地震。据统计，自2007—2013年，龙滩库区发生ML2.0以上地震172次，其中2.0～2.9级159次，3.0～3.9级11次，4.0～4.9级2次，最大地震为2007年7月17日11时24分广西天峨ML4.5级地震。

桂东南地区在行政区域上主要包括南宁、玉林、贵港、梧州、钦州、北海、防城港等市，是广西陆区地震活动水平最高的地区。区域内有北东向的防城-灵山、合浦-北流等活动断裂带和北西向的巴马-博白、百色-合浦断裂带东南段等活动断裂带，其地震活动主要沿断裂带或两侧或断裂交汇处展布。据统计，2007—2013年，该地区共发生ML≥2.5级地震25次，其中2.5～2.9级18次，3.0～3.9级7次，最大地震为2010年8月17日00时04分广西灵山ML3.6级地震。

2.2 资料处理

为确保参与本研究的每一个地震事件是真实的地震事件，避免将非地震事件参与计算，以得到结果的真实性，在数据应用时我们做了如下处理。首先结合当时广西地震台网监测能力，在地震精定位的基础上，对研究时空范围内的凌云凤山震群、龙滩库区地震，原则上取2007年以来且ML≥2.5的地震事件进行震源参数计算和研究，对ML<2.5地震事件，则需进行重新分析确认。然后根据震源参数计算要求和原则，即地震和台站的空间分布要尽可能均匀、信噪比大于2倍脉动噪声、震级上限要求MS≤5.0、每个台站须记录3个以上地震及每个地震须被3个台站记录到的原则进行挑选,经挑选分析确认，在研究时空范围内有47个地震事件波形及目录符合计算要求，分布如图1，其震级范围为ML2.5～4.5。桂东南的地震分布考虑文章篇幅不再给出。

图1 凌云凤山震群和龙滩库区地震震中分布图

3 震源参数结果及比对分析

采用上述方法计算得到凌云凤山震群、龙滩库区地震、桂东南地区的震源参数(表1)。龙滩库区单个地震最大地震矩、应力降为该库区内最大地震2007年7月17日ML4.5的地震矩和应力降，其值分别为1.24×1015N·m、7.557 MPa。

表1 凌云凤山震群、龙滩库区、桂东南地区地震震源参数

地震矩是对断层滑动引起的地震强度的直接量度，应力降是表征地震瞬间错动时位错面上的应力变化，拐角频率反映了地震波高低频能量的分布特征以及地震波的衰减变化特征。因此分析研究地震矩、应力降、震源尺度、拐角频率等有明确物理含义的震源参数特征对了解孕震过程、发震机理十分有益，对地震或震群类型研判亦有参考意义。我们采用总体均值(表1均值栏)与按震级分档后取均值(图2)对比的方法，对凌云凤山震群、龙滩水库区地震和桂东南地区天然地震的震源参数进行对比分析，以探索其相同、相似或差异之处。

图2 研究区震群的地震矩(a)、拐角频率(b)、应力降(c)、震源尺度(d)对比

通过以上方法分析凌云凤山震群、龙滩库区地震及桂东南地区地震的各震源参数发现其有3个特征。①凌云凤山震群和龙滩库区地震的应力降、震源尺度和拐角频率，在数值范围、平均值都基本相同。若扣除龙滩库区最大地震2007年7月17日ML4.5级地震地震矩对总体均值的影响，它们在相同震级范围内，地震矩的范围和平均值大小也很接近。②凌云凤山震群和龙滩库区地震的应力降和拐角频率明显小于桂东南地区的地震，其中应力降约小10倍。这与其他研究者结论相一致。如：2004年钟羽云等对温州珊溪水库ML3.9震群震源参数特征的研究表明水库诱发地震拐角频率明显小于同震级的构造地震。2010年华卫等[8]对三峡库区地震参数研究表明，与同震级的构造地震相比，水库地震的应力降值明显偏低，约小10倍。③凌云凤山震群和龙滩库区地震的震源尺度明显大于同震级的桂东南天然地震。这或许是水库地震与构造地震不同的特征之一，但还需积累更多资料加以验证。

4 地震矩与震级、拐角频率间的相互关系

地震矩是对断层滑动引起的地震强度的直接量度，由地震波振幅低频成分的大小决定，反映震源处破裂的大小，震级与地震距之间的线性回归关系能反映不同地区的地下介质状态和地震活动特点。我们选用凌云凤山震群和龙滩库区地震震源参数，采用最小二乘法拟合出地震矩与震级、震源尺度和拐角频率关系(图3)。

图3 震级与地震矩、拐角频率的关系

从地震矩与震级关系(图4a，凌云凤山震群，相关系数R为0.77；图4b，龙滩库区地震，相关系数R为0.83))可以看出，它们的地震矩与震级之间均呈现较好的线性关系，最小二乘法拟合关系式分别是logM0=1.27ML+9.82和logM0=1.04ML+10.63。与近年来其他研究学者利用水库区地震资料研究的结果基本一致。如2004年钟羽云等[1]对温州珊溪水库ML3.9震群研究，logM0=1.07ML+10.3，1.8≤ML≤3.9；2010年邬成栋等[10]对小湾水库区近场区地震震源参数研究，logM0=1.11ML+9.65；2010年华卫等[9]对三峡水库地区震源参数研究，logM0=1.07ML+9.76；2012年华卫等[11]以龙滩水库为例的水库诱发地震与构造地震震源参数特征差异性研究，logM0=1.07ML+10.17。

在震源参数研究中，拐角频率是基本参数，国内多位地震研究学者[6-13]研究表明，拐角频率随震级的增大而减小。从震级与拐角频率的关系(图4c，凌云凤山震群，相关系数R为0.77；图4d，滩库区地震，相关系数R为0.39)可以看出，凌云凤山震群的拐角频率与震级也呈现较好的线性关系，而龙滩库区地震的拐角频率与震级线性关系不明显，最小二乘法拟合关系式分别是log=-0.377logML+1.70和log=-0.168logML+1.22。

5 结论与讨论

凌云凤山震群是在前期严重干旱的背景下，突遇强暴雨形成大面积严重内涝，在流体自重及地表水体载荷压力的作用下，流体沿断裂破碎带及岩溶裂隙快速下渗，导致地下裂隙、断层及孔隙介质中的孔隙压力快速增大，断层、裂隙强度随之降低，流体触发作用显著增强，加之该区域碳酸盐岩类岩溶等浅层构造非常发育，地下溶洞、孔穴、暗河密布，从而触发的显著的震群活动[3]。我们在前述认识的基础上，对计算得到的凌云凤山震群、龙滩库区地震、桂东南天然地震的震源参数进行了比对分析，取得以下结果和认识：

(1)凌云凤山震群的地震矩在8.0×1012～1.06×1014N·m之间，应力降在0.129～1.335 MPa之间，震源尺度在157～540 m之间，拐角频率在2.4～8.3 Hz之间；龙滩库区地震的地震矩在5.94×1012～1.24×1015N·m之间，应力降在0.138～8.557 MPa之间，震源尺度在121～557 m之间，拐角频率为在2.3～10.7 Hz之间。桂东南地区地震的地震矩在1.26×1013～2.34×1014N·m之间，应力降在2.053～22.905 MPa之间，震源尺度在87～207 m之间，拐角频率为在7.8～12.9 Hz之间。

(2)凌云凤山震群和龙滩库区地震的地震矩与震级线性关系明显,即地震矩随震级的增大而增大，最小二乘法拟合关系式关系式分别是logM0=1.27ML+9.82、logM0=1.04ML+10.63。

(3)凌云凤山震群和龙滩库区地震的应力降、震源尺度和拐角频率，在数值范围、平均值大小很接近；凌云凤山震群和龙滩库区地震的应力降和拐角频率明显小于桂东南地区的地震，其中应力降约小10倍；凌云凤山震群和龙滩库区地震的震源尺度较明显大于同震级的桂东南天然地震。此结果与钟羽云等[1]和华卫等[11]对水库地震研究结果相一致，说明结果的可靠性，同时进一步佐证了水库地震与构造地震在拐角频率、应力降方面确实存在差异，即水库地震的应力降和拐角频率均小于同震级构造地震，其中应力降约小10倍。对于震源尺度明显大于同震级构造地震的结果还有待今后积累更多资料予以验证。造成拐角频率呈现这种差异，可能与水的作用有密切关系。根据实验结果，当孔隙度为0.15，岩体弹性模量减小23%时，拐角频率可以减小约29%，由此解释了水库诱发地震拐角频率偏小的原因，即主要是由裂隙发育和库水渗透扩散使地壳浅部岩体强度弱化引起的[14]。从目前已得到的研究结果看，水库诱发地震低应力降值的现象是个比较普遍存在的现象，而且能给出一定的物理解释。关于这方面，华卫等[11]已对国内外的研究现状进行了归纳，一种观点认为水压破裂可能因为完全不一样的滑动而具有较低的平均应力降，另一种观点认为非自然的环境局部地影响原来位置的应力水平，从而导致流体诱发(或采矿诱发)的地震可能发生在更低的构造应力地区。

致谢：本文计算软件由中国地震局地震预测研究所“地震图像与数字化地震资料应用实验室”提供，特此致谢！

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Characteristics of Seismic Source Parameters under the Influence of Fluid——Taking Guangxi Lingyun Fengshan Earthquake Swarm,Longtan Reservoir Earthquakes as Examples

LONG Zheng-qiang1, SUN Xue-jun1, YAO Hong1,

LIU Shuang-qing2, XIE Ye-yu1,WEI Xu-hong1

(1. Earthquake Administration of Guangxi Zhuang Autonomous Region, NanNing 530022, China;
2. Earthquake Administration of Tianjin municipality, Tianjin 300201, China)

In this article, digital seismic source spectrums of Guangxi earthquakes are analyzed, which include that induced by storm or reservoir and the natural occurrence. By calculating Lingyun-Fengshan earthquake swarm, the earthquakes (ML≥2.5) being adjacent to Longtan reservoir and the natural earthquake in southeastern Guangxi in 2007 to 2013, their parameters of seismic source are acquired respectively. The results indicate that for Lingyun-Fengshan and Longtan reservoir earthquakes, their stress drop, source radius and corner frequency are nearly the same at the range of values and the average. Their stress drop and the corner frequency are significantly less than these earthquakes in southeast of Guangxi. And their stress drops are smaller about 1 order of magnitude. However, the source radiuses are significantly greater than that of the same seismic magnitude in southeast of Guangxi. The above of characteristics show that spectrum analysis of digital seismic wave can also reflect the storm-induced cause of Lingyun Fengshan earthquake swarm.

earthquake swarm; reservoir earthquake; source parameters; seismic moment; corner frequency

10.3969/j.issn.1003-1375.2014.04.003

2014-08-26

中国地震局测震台网青年骨干培养专项(项目编号：20140318、20130202)

龙政强(1974—)，男，本科，工程师，从事地震监测与研究等工作.E-mail:longzhengqiang@126.com.

P315.3

A

1003-1375(2014)04-0010-07