基于Sato模型研究内蒙古赤峰及周边地区尾波Q值特征

李 娟，韩晓明，裴东洋，王禄军

（内蒙古自治区地震局,呼和浩特 010010）

0 引言

Q值的求解可追溯至1969年由Aki首次提出的散射模型，该模型解释了尾波的形成过程，即地震波在地壳和上地幔遇到不均匀体时发生的散射，可使用单台单源法计算出震源和记录台站的椭球范围内的介质品质因子。Sato等[8]对Aki等的尾波计算方法进行了必要的修正，将S波和尾波联合并用，得到了适合短尾波记录的Sato模型。中国学者利用Sato模型进行了大量的Q值研究，王伟君和刘杰[9]利用近场台站岫岩台和营口台波形资料，分析了1999年岫岩地震序列，认为震前QC值增高，震后降低；李继业等[10]分析了依舒断裂带北段QC值，发现QC值低值区为地下介质复杂区域；陈婷等[11]分析了唐山地区QC值时空分布特征，结果发现震群易发生在Q值相对较低区域；翟浩等[12]计算了内蒙古东北部地区QC值，发现北部偏高，南部偏低的特点。

内蒙古自治区赤峰地区近年来小震频次较高，地质构造复杂，是地震监测重点区域[13]。本文利用Sato模型[8]，使用朱新运等[14]研制的近震尾波QC值计算分析软件，对赤峰及周边地区17个台站记录的2013年以来ML≥2.5地震进行尾波QC值计算分析，通过考察赤峰及周边地区Q值的时空演化特征，分析该地区地下结构非均匀性和衰减特征，评估区域地壳介质应力状态，挖掘可能的孕震信息。

1 理论与方法

根据Sato模型[8，15-16]，在一定频率下，尾波振幅与实践的函数关系可表示为

式中：AS是S波的最大振幅，AC（t）是流逝时间t附近的尾波均方根振幅，K 及 AC（t）分别由（2）、（3）式给出，K是依赖时间的传播因子。

AT为所取时间窗内地震波均方根振幅，An为P波到达前适当时间段记录的均方根振幅，用以进行地震波的噪声校正[17-18]。其中a=t/tS，t为流逝时间，tS为S波的流逝时间，C（f）是与频率有关的影响因子，对相同地震的统一频率，C（f）为常数，拟合出F（t）与（t-tS）的线性关系，得到b，b与Q的关系由（4）式给出

衰减参数与频率的关系表示为

式中：QC（f）为频率f时的尾波衰减参数，Q0为f=1的尾波衰减参数，η代表尾波衰减参数QC对频率f的依赖性指数。

2 资料与数据

赤峰市位于内蒙古自治区东南部，地质资料表明，赤峰地区处在NE向大兴安岭断块隆起带与EW向燕山断块隆起带的交汇部位，其东侧有松辽断块凹陷。研究区断裂构造较为发育，有NE-NNE、近EW向、NW向3组；NE向断裂主要分布在大兴安岭隆起带，是隆起带主体构造线的一部分，有大兴安岭主脊断裂、嫩江断裂和八里罕断裂等，是区域上的控制性构造[19]；EW向断裂主要展布在松辽盆地及边缘，长度较大，有西拉木伦河断裂、赤峰-开原断裂等；NW向最少，有兆儿河断裂（图1）。历史上，研究区曾发生8次5级以上地震，震级最大的为1920年宁城6¾级地震，距今时间最近的中强地震为2013年通辽5.3级地震。

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图1 赤峰及周边地区断裂构造、地震及测震台站分布图

赤峰及周边地区有17个地震观测台站，空间分布较为均匀，基本覆盖了整个研究区域，地震计型号主要为BBVS-60和GL-S60两种，均为宽频带地震计，具体参数见表1。本文在计算中选取的资料起止时间为2013—2019年，震级下限ML2.5，共获取154条地震记录，其空间及时间分布见图1、图2。

表1 赤峰及周边区域台站建设基本参数

图2 赤峰及周边地区ML≥2.5地震M-t图

收集波形形态良好，可以清晰读取P波、S波震相的地震记录，从中选取信噪比比较高的有效地震记录来计算Q值，经筛选，128条地震记录满足计算要求。

3 结果分析

3.1 计算结果

对赤峰及周边区域全部结果进行拟合，地震波衰减参数可表达为式（6），研究结果见图4。

图4 全区域所有台站记录的尾波衰减参数与频率关系

Q0=58.34，标准偏差 25.88，η=0.911 8，标准偏差为0.084 9，属于低Q0值高η值的构造活跃地区的尾波性质[18]。拟合残差数据较好地体现为正态分布，且主要分布在0值附近，拟合效果较好。

为考察Q0和η值的参数特征，按地震发生的先后顺序，绘制衰减参数Q0及对频率的依赖参数η值的分布图（图5），从统计结果看，赤峰地区衰减参数Q0值分布范围在12.21～148.94，频率的依赖参数η值分布范围在0.61～1.32。衰减参数Q0与对频率的依赖参数η值成反比，这一规律与师海阔等[21]和张锦铃等[22]研究结果一致，即Q0值越高，QC值对频率的依赖性越强，Q0值越低，QC值对频率的依赖性越弱。

图5 衰减参数Q0与对频率的依赖参数η值随地震顺序分布图

3.2 Q0值与台站基岩岩性的关系

本文选取17个台站的波形记录，求取每个台站的平均衰减参数Q0值及η值（表2），结果显示，赤峰周边台站Q0值范围在48.67～81.66，平均值为59.45，η 值范围在0.863 7～0.996 2，平均值为0.910 3。

表2 各台站数据统计结果

从台站平均衰减参数Q0值分布图（图6）上看，Q0值总体呈现西高东低分布。尾波Qc值与区域构造活动及地震活动性密切相关，主要反映了震源和地震台站周围介质的平均性质[4]。由于研究时段内敖汉旗地震较为活跃，因此XIH台Q0值相对较小，另外FIX台、AGL台、BEP台附近地震活动较为活跃，因此其Q0值也相对较小；而地震活动较为平静的WEC、LOH台附近区域的Q0值则较大。另外，在断裂分布集中区域，如赤峰-开原断裂沿线，东西两端台站Q0值相对较高，如WEC台和DQL台；位于断裂中间段的台站Q0值相对较低，如CHF台和XIH台；反映了该断裂中间段地壳介质较为破碎，地震波穿过此区域时能量损耗较大。

图6 17个台站的Q0值空间分布图

研究过程中发现，Q0值大小与台站基岩岩性有一定相关性。研究涉及的17个台站岩性主要有结构较为致密的辉绿岩、花岗岩、斑状混合岩，结构相对较为疏松、孔隙度大的玄武岩，以及硬度较小、导水性较好的灰岩。将同一岩性的台站平均衰减参数Q0值求取平均值（图7），结果显示灰岩、玄武岩类Q0值最小，结构致密的斑状混合岩、花岗岩Q0值较大，而岩性为辉绿岩的台站为AGL台，岩性结构致密，但Q0值最小，可能是由于2013年台站附近发生通辽5.3级地震后，震源区地壳介质体变得较为破碎，尾波在该区传播过程中能量消耗过多导致。

图7 台站基岩岩性与Q0值的关系

3.3 Q0值时空分布特征

为考察震源附近的尾波Qc值特征，求取单次地震多个台站得到的平均衰减参数Q0值及η值，绘制了研究区Q0值空间分布图（图8），结果显示，Q0值同样呈现西高东低特征，在霍林郭勒灰岩岩性区域及通辽5.3级震源区呈现较为明显的低Q0值分布，表明尾波Qc值与地震活动和地壳介质的物化性质密切相关。

图8 研究区Q0值空间分布图

为分析Q0值随时间的变化特征，绘制Q0值时序分布图（图9）。结果发现，2013年4月22日通辽5.3级地震前后，尾波Q0值出现较为显著的“突降-回升”变化；自2013年2月开始，Q0值有持续下降过程，震前最低达到32.41，而主震Q0值高达129.66；震后，Q0值持续降低后起伏发展并逐渐恢复到震前水平，产生这种变化的主要原因是大震前由于作用在孕震区的应力较强，使得地壳介质破裂增加，尾波Q值相应减小，但临近破裂时持续增强的应力导致裂隙逐渐闭合，介质刚性增强使得Q值增大[23]。震后由于应力释放，地壳介质破裂严重和裂隙增加而使Q值降低[9]。

图9 Q0值时序分布图

4 结论与讨论

本文基于Sato模型，计算赤峰及周边地区尾波Q值，研究其在时间和空间上的变化特征，得到以下结论：

1）区域Q值结果显示，赤峰及周边地区的QC值与频率的关系为QC（f）=58.34±25.88f0.9118±0.0849，属于低Q0值和高η值的构造活跃地区。衰减参数Q0与对频率的依赖参数η值成反比，即Q0值越高，QC值对频率的依赖性越强，Q0值越低，QC值对频率的依赖性越弱。

2）尾波Qc值与构造及地震活动性密切相关。本文计算了17个台站的Q值，结果显示，台站平均尾波衰减参数Q0总体呈现西高东低的分布特征，在地震活跃或震群发生区域及赤峰开原断裂中段，台站Q0值相对较低，显示了尾波Qc值与区域断裂构造及地震活动性的密切相关性。

3）尾波Q0值与岩性的相关性。本文的计算结果显示，台站平均尾波衰减参数Q0值与台站基岩岩性具有一定的相关性，结构致密的花岗岩、混合岩等，Q0值相对较大；而结构相对疏松多孔、导水性较好的玄武岩和灰岩，Q0值相对较低。

4）尾波Q0值可以反映震源区的应力作用状态及介质体破裂特征。尾波Q0值时序分布结果显示，2013年通辽5.3级地震前，地震平均尾波衰减参数Q0持续下降，主震发生时Q0值瞬时升高，震后Q0值持续下降后，恢复震前水平。反映了大震前，由于作用在孕震区的应力较强，使得地壳介质破裂增加，尾波Q值减小；临近破裂时，由于持续增强的应力导致介质体裂隙逐步闭合，刚性增强，而使Q值增大；震后，由于应力释放，介质破裂严重，Q值随之减小。

致谢本文所用尾波Q值计算软件由浙江省地震局朱新运研究员提供，地震波形资料由内蒙古自治区地震局监测中心提供，在此表示感谢。