五大连池火山区地震活动特征分析

蔡金田 刘鸿城

摘  要：（1）整理《黑龙江省台网地震目录》1973-2017年五大连池火山区地震活动序列资料，在区域地震序列完整性分析基础上，用最大似然法进行b值时空扫描，由此获得五大连池火山区b=0.87。（2）选取五大连池火山地区2008年至2017年间ML>0.6火山地震事件90个，根据尾波散射理论，利用Sato模型计算其尾波Q值，獲得老黑山、火烧山附近区域尾波Q0值为21.50，结合计算结果对本区域地震活动性进行了分析并给予简单解释。

关键词：火山地震;b值;Q值;尾波散射理论;Sato模型

中图分类号：P315          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0047-03

Abstract： The seismicity sequence data of Wudalianchi volcanic area in Heilongjiang Seismic Network Catalogue from 1973 to 2017 are sorted out. Based on the analysis of the integrity of regional seismic sequence， the maximum likelihood method is used to scan the b value in time and space， from which the b=0.87 of Wudalianchi volcanic area is obtained. Then， selecting 90 ML>0.6 volcanic earthquakes in Wudalianchi volcano area from 2008 to 2017， according to the Coda Scattering Theory， we use Sato Model to calculate its coda Q value， and the coda Q0 value 21.50 in the vicinity of Laohei Mountan and Huoshao Mountain is obtained. Combined with the calculation results， the seismicity in this area is analyzed and explained.

Keywords： volcanic earthquake; b value; Q value; Coda Scattering Theory; Sato Model

引言

五大连池火山区位于黑龙江省西北部，在五大连池市讷谟尔河北岸。区内共发育火山锥14座，第四纪以来曾多次喷发。火山最近的喷发活动发生在1719年～1721年，喷发的结果形成老黑山和火烧山两座中国最新的火山。

根据中国火山活动性分类，五大连池火山属于有潜在活动可能的火山（洪汉净[1]，2007），80年代初以来的地震台网资料表明火山区微震活动频繁发生，1986年火山区附近连续发生4次中强地震，2011年1月15日火山区附近发生4.2级地震，均表明火山构造活动仍在持续。在以往五大连池火山区地震活动特征研究中，主要集中于区域地震地质构造环境、区域地壳应力场特征等研究。本文根据火山区及周边地区b值时空变化、区域内尾波Q值衰减情况来进一步分析五大连池火山区地震活动特征。

1 数据资料

用于地震活动性分析的资料取自黑龙江省地震监测中心汇编的《黑龙江省台网地震目录》，其中共记录到8155个地震事件，其中截取了五大连池火山及邻区1973年至2017年10月地震事件955个以及运用交切法和双差法重新定位的90个地震事件（张永刚[2]，2017）分别用于计算五大连池火山区及邻区b值、尾波Q值，根据所得结果，进一步分析五大连池火山区地震活动特征。

2 b值时空变化特征

2.1 计算方法

b值是由古登堡和里克特提出的大小地震之间的重要统计关系，一个地区b值时空变化特征表征该地区介质破裂发展的状态，b值有显著反映，有可能从b值随时间变化的定量分析中研究出地震活动异常特征和规律。

最小二乘法计算b值时一般采用累计频度来减小地震分档的影响，其更重视含有丰富信息量的较大地震的作用，低震级的地震则权重小。而最大似然法公式为：

Mc为完整起始震级，为平均震级，e为自然对数的底数。在计算b值时，误差估计由Shi和Bolt改进的公式求得：

（2）

式（2）中：n为地震样本总数;Mi为每个地震的震级Mi。由（2）可见，最大似然法对所有地震的震级用同样的权重求平均，相当于给数量较多的小地震信息加权。由于本文主要利用小震目录分析区域地震活动，因此采用最大似然法计算地震活动性参数a值与b值。

2.2 地震目录完整性分析

为尽量避免统计结果不受资料选取的影响。针对一个地震目录进行系统分析，并给出其最小完整性震级Mc的时、空域分布是有实际意义的，特别是对于各种时、空尺度的地震活动性研究。

完整起始震级Mc值的计算有多种方法。我们采用Wiemer等人提出的一种正演技术，对955次地震作拟合计算，在曲率最大处Mc值为1.1，与黑龙江省地震台网圈定的该区域的地震监测能力震级下限（图1）基本相符。

为保证地震序列的完整性，震级下限设定为该区域的最小完整性震级ML1.1，采用△M=0.1作为分档步长，以此来保证有较多的数据参与计算间接提高结果的可信度。Mc≥1.1的地震事件参与计算，共468次，最终获得了五大连池火山区的平均b值为0.875，误差为±0.04。

3 尾波Q值时空变化

3.1 计算方法

基于散射理论计算模型目前有Aki-Chouet（1975）模型与Sato（1977）模型。两种模型均基于单次散射模型理论，前者主要从尾波功率谱角度描述尾波随时间衰减，后者从尾波振幅角度描述尾波衰减与时间的关系，从能量本质上来看，两者是统一的（本次研究采用Sato模型）。

台、源分离：

根据Sato模型，在一定频率下，尾波振幅与时间的函数关系可表示为：

上式（3）中，AS是S波的最大振幅，Ac（t）是流逝时间附近的尾波均方根振幅，K（a）是依赖于时间传播因子，Ac（t）、K（a）及b分别由一下式（4）、（5）及（6）给出：

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;斜率b可由不同频率点拟合F（t）和（t-ts）线性关系求出，从而可由式（6）求得该频率点的Q值。最后，由各个频率点的Q值拟合出关系式为Q（f）=Q0f？浊（其中，Q0为对应频率1Hz的尾波衰减参数，？浊为Q值对频率f的依赖性指数）。

3.2 数据处理

（1）对原始事件波形进行分频率段滤波处理。（2）对滤波之后的数据，设定一定大小的时间窗与滑动步长，滑动计算求出不同时间点的尾波均方根振幅Ac（t）。（3）最小二乘法拟合对应时间t与F（t）数据，得到拟合直线斜率b=（2？仔flge）/Q，再以此计算该频点的Q。（4）最后根据所有频点Q值拟合得到关系式Q（f）=Q0f？浊。（5）将全部地震计算结果，拟合求取平均值。图2给出了五大连池火山区北山台所记录五大连池老黑山、火烧山附近Q0=21.50f1.123地震拟合实例图。

4 讨论与结果

4.1 b值计算结果

本文根据五大连池火山区实际情况，在区域地震序列完整性分析基础上，对所选区域进行时空扫描，经计算得到以下结论：

（1）自1973年以来，五大连池火山区小震记录的最小完整震级2.0，且随时间推移研究区最小完整性震级逐渐降低，2010年后最小完整震级为Mc1.1左右，与研究區现今监测水平基本相符。

（2）用最大似然法进行b值时空扫描，由此获得五大连池火山区b=0.87与邻区相比，五大连池火山区的b值是偏高的，与国外火山区地震活动高b的结果相符，低b值区域为五大连池邻区，表明该区域地壳介质处于高水平应力积累状态，可能是未来发生中强地震的危险区域。

4.2 Q值计算结果

（1）对所选资料计算，获得整个火山区尾波Q与频率 f关系Q（f）=（40.92±20.27）f0.9069±0.1570，表现为低Q高？浊值的火山构造活动活跃区域尾波特征，这说明本区域火山地质构造活动活跃，这与本区域地震活动水平较频繁（张凤鸣，1996）是一致的。

（2）获得的五大连池火山区尾波Q0值与国外Tres Tirgene火山、意大利埃奥列群岛火山、国内龙岗火山、长白山火山相比，Q0值较低，符合构造活动剧烈的介质特征。

本文数据计算使用了朱新运、刘杰老师研制的尾波分析软件，在此表示感谢。

参考文献：

[1]洪汉净，等.中国火山危险性等级与活动性分类[J].地震地质，2007，29（3）：448-458.

[2]张永刚，等.大庆地区地震精定位与震源机制解分析[J].地震地磁观测与研究，2017，38（2）：7-11.