利用Sato模型研究宁夏及邻区尾波Q值分布特征

师海阔曾宪伟田小慧张立恒1）中国合肥230026中国科学技术大学2）中国银川750001宁夏回族自治区地震局



利用Sato模型研究宁夏及邻区尾波Q值分布特征

师海阔1),2)曾宪伟2)田小慧2)张立恒2)
1）中国合肥230026中国科学技术大学2）中国银川750001宁夏回族自治区地震局

摘要利用Sato模型，选取2008年1月至2013年12月宁夏地震台网记录的波形清晰、噪声水平满足计算条件的ML≥2.0地震，计算宁夏及邻区各区域尾波Q值，与前人研究结果进行对比，得到研究区尾波Q值的分布特征。结果表明：宁夏及邻区尾波Q值整体呈北高南低分布；吴忠、灵武地区尾波Q值相对较高，与该区域存在高速区相对应；阿拉善左旗西南尾波Q值较低；盐池地区尾波Q值相对较高，对应该区稳定的地质构造；中卫、海原及附近地区尾波Q值相对较高，认为与该区域地壳深部的高温度与高热流值有关。

关键词宁夏及邻区；Sato模型；尾波Q值；分布特征

0 引言

尾波Q值主要反映以震源和记录台站为两个焦点的椭球范围内的品质因子特性（Aki，1969；Aki et al，1975），是衡量某个地区地壳介质非均匀程度和区域构造活动的一个指标（Roecher，1982；Singh et al，1983；Rhea，1984；Jin et al，1985）。一般认为，尾波Q值的变化可反映构造应力的变化。基于尾波衰减的理论模式，国内外地震学者开展了大量尾波衰减研究，如：张天中等（1990）对滇西实验场区的Q0值分布特征进行了研究，马云生等（1995）对北京及周围地区的尾波Q0值分布特征进行了研究。对于同一个地区，较大地震前后Q值在时间上存在一些前兆变化，为中强地震和地震序列中显著地震的预测提供了一个新的途径。如：秦嘉政（1992）、秦嘉政等（1995）、钱晓东等（2004）分别对云南不同地区尾波Q值的区域变化和大震前后的起伏展开了研究。对于宁夏及周围地区的尾波Q值，赵卫明等（2002）应用宁夏9个台站1986年后记录的宁夏及邻区132次地震的200条DD-l仪模拟记录，研究分区尾波Q值。贺永忠等（2012）分别利用Aki模型和Sato模型，计算2008—2009年数字化地震波资料，得到宁夏及邻区4个小震密集区的Q值分布。本文拟通过利用Sato模型，计算宁夏及邻近地区各区域尾波Q值，分析Q值分布特征，并与前人研究结果进行对比，从而对该区域介质衰减特征及区域地震活动性进行客观评估。

1 研究区划分

根据新构造特征的不同可将宁夏及邻区分为4个新构造特征不同的区域：银川—吉兰泰拉张构造区、青藏块体北东缘弧形构造区、鄂尔多斯地块和阿拉善地块（杨明芝等，2007）［图1(a)］。其中，鄂尔多斯和阿拉善地块均为新构造活动微弱的稳定地区。银川—贺兰山—吉兰泰地区和牛首山以南为新构造活动强烈的地区，但其新构造特征截然不同，前者主要活动断层和盆地为北北东走向，活动方式为正断兼有右旋，显示拉张环境。而后者显示为弧形构造，活动断裂的北西西走向段落以左旋走滑为主，近南北向段落以挤压为主，为青藏断块区的北东缘的重要组成部分。

图1　研究区划分依据(a)新构造分区（杨明芝等，2007）；(b)弱震及台站分布（2008—2013年）；(c)1604年以来6级以上地震分布Fig.1 The basis for the division of study area

图2　分区示意Fig.2 The partition of the study area

按照此构造特征及2008年以来研究区弱震分布［图1(b)］，本研究将宁夏及邻区细分为银川盆地、吉兰泰盆地、贺兰山区、吴忠灵武地区、阿拉善左旗西南、盐池地区和牛首山以南地区7个区域。宁夏及邻区6级以上地震自1604年起有比较完整的记载（黄玮琼等，1994），查记载可知，1604年以后中卫、海原及附近区域6级以上地震数量占全区总数的一半［图1(c)］，所以，将牛首山以南地区的中卫、海原及附近区域划为一个单独的研究区域，以便详细研究宁夏及邻区尾波Q值分布的区域特征（图2）。

2 计算方法

依据Sato单次散射模型（Sato H，1977；Domingguez T et al，1997），在一定频率下，尾波振幅与时间的函数关系可表示为

式中，AS是S波的最大振幅，AC(t)是尾波流逝时间t附近的一个时间窗尾波振幅，K(α)是依赖于时间的传播因子，tS为S波到时，t为从地震发震时刻起算的尾波流逝时间，C(f)是与频率f有关的因子，对于特定频率可视为常数，b为对于不同频率点拟合F(t)和（t - tS）线性关系的斜率。其中，AC(t)、K(α)和b分别为

式中：AT为所取时间窗内地震波均方根振幅，An为P波到达前适当时段的平均振幅，用以进行地震波的噪声校正（Pulli J et al，1984；李白基等，2004）；斜率b可由不同的频率点拟合F(t)和（t - tS）线性关系求出，从而可由式(4)求得该频率点的Q值。最后，由各个频率点的Q值，得出拟合关系式：Q( f )=Q0fη（其中，Q0为对应频率1 Hz的尾波衰减参数，η为Q值对频率的依赖性指数）。

3 资料选取

宁夏地震台网记录的数字化波形资料，采样率为100 Hz（部分台站采样率在此期间由50 Hz修正为100 Hz）。本研究所用资料选用的台站参数见表1及图1(b)。

表1　宁夏测震台网台站参数Table 1 Station parameters of Ningxia Earthquake Net

选取2008年1月—2013年12月，波形记录清晰，宁夏及周边ML2.0—4.9地震（取自宁夏地震台网地震月报目录）进行分析。本研究采用在时间域中求取尾波Q值的方法，分析频率段为4—18 Hz，间隔1 Hz，对原始波形使用6阶Butterworth带通滤波器，对分析频率f，以［2f/3，4f/3］带宽滤波，从S波尾波起算，取窗长2 s，步长0.5 s滑动计算，求出各时间点的平均振幅。根据宁夏地震台网实际记录，选取的尾波流逝时间为（80±5）s，尾波起算时间以S波到时后5 s开始计算，背景噪声取P波初动前3 s左右的平均信号，计算每条记录各频率Q值，拟合Q值随频率的变化关系。

4 数据分析

利用上述尾波Q值计算方法，对各区域符合条件的每条记录以4—18 Hz之间的15个整数频率点为中心频率，计算对应频率的Q值，然后对每个频率点的所有Q值求平均值 ，作为该频率点各研究区域的Q值，就可以利用公式Q( f )=Q0fη拟合得到Q值与对应频率之间的关系（朱新运，2005；师海阔，2011）（图3）。

图3　宁夏及邻区分区尾波Q值数据拟合及Q0值分布(a)银川盆地；(b)吉兰泰盆地；(c)贺兰山区；(d)吴忠、灵武地区；(e)阿拉善左旗西南；(f)中卫、海原及附近；(g)牛首山以南地区；(h)盐池地区；(i) 各区Q0值分布Fig.3 The data fi tting of every study area’s coda wave Q value and the distribution diagram of Q0value

由各区域尾波Q0值可以看出，宁夏及邻区尾波Q0值整体呈北高南低分布（图3）。北部的银川—吉兰泰地区和牛首山以南均为新构造活动强烈地区，但其新构造特征截然不同。前者主要活动断层和盆地为北北东走向，活动方式为正断兼右旋，显示拉张环境，计算得到的银川盆地、吉兰泰盆地及贺兰山区的高Q0值可能与这两个区域的拉张构造性质有关；而后者显示为弧形构造，活动断裂的北西西走向段落以左旋走滑为主，近北南向段落以挤压为主，为青藏断块区北东缘的重要组成部分，计算得到的牛首山以南地区低Q值可能与这种挤压的弧形构造特征有关。其中，中卫、海原及附近区域的尾波Q0偏高，可能与该地区的高温度和高热流值有关（李松林，2001）。阿拉善左旗西南地区虽与构造性质比较稳定的阿拉善块体相接，但仍属于青藏高原东北缘弧形构造区最北端，与牛首山以南地区相比，该区域断裂活动强度相对较弱，明显强于阿拉善块体，故该区域尾波Q0值较低。吴忠、灵武地区位于青藏高原东北缘弧形构造区和鄂尔多斯地块交汇地带，是一块比较完整的区域，地壳介质均匀程度较好，速度成像结果也显示该区域存在高速区（金延龙，1999），即高应力集中区，与相对高Q0值有比较好的对应关系。

5 与前人研究结果进行对比

赵卫明等（2002）利用1986—2000年132个地震200条尾波模拟记录，对宁夏及邻区尾波Q值分布特征进行研究，得到的分区尾波Q值基本与区域地质构造有关。Q值相对较低的区域多为新生代盆地，如吉兰泰盆地、海原盆地、银川盆地南段的吴忠、灵武地区，以及吴忠至盐池台之间。Q值相对较高的区域则为山脉或盆地之间的断隆，如贺兰山、银川盆地与临河盆地之间的乌海及附近。永宁—大武口之间属银川盆地的中、北段，Q值相对最高［图4(a)］。

图4　各区域尾波Q值分布(a)各区域尾波Q值（赵卫明等，2002）；(b)各区域尾波Q值（本研究）Fig.6 The distribution map of coda wave Q value in every study areas

本研究中区域划分与赵卫明等（2002）的研究基本类似［图4(b)］，由于尾波Q值计算与尾波流逝时间截取长度关系较大，仅就计算结果的相对大小进行对比分析（表2，图4）。

表2　各区域尾波Q值比较Table 2 Comparison of coda wave Q values in every study areas

（1）与赵卫明等（2002）结果比较一致的地区为银川盆地、贺兰山区、阿拉善左旗西南、牛首山以南地区。其中，银川盆地和贺兰山区均属于北部的拉张型构造区，尾波Q0值相对较高；而阿拉善左旗西南和牛首山以南地区均属于青藏块体北东缘具有挤压性质的弧形构造区，尾波Q0值相对较低。

（2）本研究得到的吉兰泰盆地与吴忠、灵武地区尾波Q0值均相对较高，与赵卫明等（2002）的结果正好相反。赵卫明认为，吉兰泰盆地为新生代沉积盆地，故该区域尾波Q0值较低；而吴忠、灵武地区的低Q0值则与该区域的第四纪沉积较厚，或地壳中上部介质强度较弱有关。笔者认为，吉兰泰盆地为宁夏北部拉张构造区的最北端，为典型的拉张型断陷盆地，此拉张性质与该区域的高Q0值刚好对应；而吴忠、灵武地区本研究中所使用的数据量较多，且数字记录的资料相对模拟资料记录信息更丰富，且速度成像结果也显示该区域存在高速区（金延龙，1999），即高应力集中区，与相对高Q0值有比较好的对应关系。故本研究结果可能更为可靠。

（3）赵卫明等（2002）的结果显示盐池地区的尾波Q0值明显偏低，认为与鄂尔多斯台地浅层页岩的强吸收有关；而本研究得到的盐池地区的尾波Q0值相对较高，该地区位于中国大陆中最为完整和稳定块体之一的鄂尔多斯地块，为宁夏及邻区鲜少有地震发生的区域。一般情况下，在地质构造比较稳定的地区，尾波Q0值相对较高，故本研究结果可能更具有说服力。

（4）本研究得到的中卫、海原及附近地区的尾波Q0值相对于牛首山以南地区处于一个相对较高水平，与赵卫明等的结果不太一致。由于尾波对温度变化敏感，而此区域地壳深部温度和热流值明显高于其他地区（李松林，2001），故该区较高的尾波Q0值可能与其地壳深部高温度和高热流值有关。

6 结论

（1）宁夏及邻区Q0值整体呈北高南低分布，Q值与频率的依赖性指数分布相反，与该区历史强震活动分布以及地质构造背景有关。由图1(c)可见，1604年以来，宁夏北部只发生过1739年银川平罗8级地震，南部6级以上强震频次明显高于北部，尤其是1920年海原发生了8.5级特大地震，距今不到100年，因此，南部相对北部更为破碎，容易呈现Q0值北高南低的分布态势。从地质构造背景看，位于宁夏北部的银川—贺兰山—吉兰泰地区和南部的牛首山以南地区均为新构造活动强烈地区，但其新构造特征截然不同，前者主要活动断层和盆地为北北东走向，活动方式为正断兼右旋，显示拉张环境，银川盆地和吉兰泰盆地的高Q0值可能与这两个区域的拉张构造性质有关；而后者显示为弧形构造，活动断裂的北西西走向段落以左旋走滑为主，近北南向段落以挤压为主，为青藏断块区北东缘的重要组成部分，牛首山以南地区的低Q0值可能与挤压的弧形构造特征有关。

（2）阿拉善左旗西南尾波Q0值相对较低。该区位于青藏高原东北缘弧形构造区的最北端，与构造性质比较稳定的阿拉善块体相接。与牛首山以南地区相比，该区域断裂活动强度相对较弱，但明显强于阿拉善块体。

（3）吴忠、灵武地区尾波Q0值相对较高，与该区域处于高速区即高应力集中区有较好的对应关系，也说明目前该区域比较完整，地壳介质均匀程度较好。

（4）一般，在地质构造比较稳定的地区，尾波Q0值相对较高，而在构造活动比较强烈的地区，尾波Q0值相对较低。盐池地区为宁夏及邻区鲜少发生地震的区域，该区位于鄂尔多斯地块，是中国大陆中最为完整和稳定的块体之一。由于长期处于剥蚀状态，台地上第四纪松散沉积物较薄。块体内活动断裂不发育，地貌及地层发育状况表明，该块体新构造活动表现方式为整体缓慢抬升。本研究结果显示，该区域尾波Q0值相对较高，与其构造活动背景比较吻合。

（5）中卫、海原及附近地区尾波Q0值相对较高。由于尾波对温度变化敏感，而本区域地壳深部温度和热流值明显高于其他地区（李松林等，2001），故该区较高的尾波Q0值可能与其地壳深部高温度和高热流值有关。但是，此区域位于弧形构造区内的压陷型盆地，对应其尾波Q0值应该相对较低，又与本研究结果相矛盾，对此需作进一步研究。

感谢浙江省地震局朱新运教师提供尾波Q值计算软件及宁夏地震局测震台网中心提供计算所用波形资料。

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The research on distribution characteristics of coda wave Q value in Ningxia and adjacent region based on the Sato model

Shi Haikuo1),2)，Zeng Xianwei2)，Tian Xiaohui2)and Zhang Liheng2)
1) University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China 2) Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region， Yinchuan 750001， China

Abstract

Based on the Sato model， 565 earthquakes digital wave data above ML2.0 from January，2008 to December， 2013 are adopted， which was recorded by Ningxia Earthquake Nets. The selected waveform records are clear and the noise levels meet requirements. By calculating the coda wave Q value of every area in Ningxia and adjacent region and comparing existing results，the distribution characteristics of coda wave Q value are obtained. The results show that the coda wave Q value in the north is higher than that in the south; The coda wave Q value in Wuzhong and Lingwu is relatively high， which corresponds with its high speed zone; Coda wave Q value of the southwest of Alashan Zuoqi is relatively low; Coda wave Q value in Yanchi is rather higher than other regions because of its steady geological structure. Coda wave Q value in Zhongwei，Haiyuan and their nearby regions is relatively high， and it is thought to be associated with the high temperature and heat- fl ow value in the deep crust of the area.

Key words：Ningxia and adjacent regions，Sato model，the coda wave Q value，distribution characteristics

更 正

2015年第6期第38页作者单位误排，应为

1）中国石家庄050021河北省地震局

2）中国北京100085中国地震局地壳应力研究所

特此更正。

本刊

2016-01-23

doi:10. 3969/j. issn. 1003-3246. 2016. 01. 004

收稿日期：本文2015-06-28

基金项目：中国地震局三结合课题（143002）

作者简介：师海阔（1985—），男，工程师，研究生在读，主要从事地震监测研究工作。E-mail: shihaikuo369@163.com