灯塔5.1 级地震Lg 波Q 值变化特征

邵媛媛，夏彩韵，王 岩，任 雪

（辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

Lg 波一般认为是在地壳介质中经过多次全反射形成的，在区域震相中强度最为突出，能量最大的震相[1-2]，对地壳构造及地壳介质物理参数的变化更为敏感[3-4]。Lg 波的Q值大小反映了地壳中形状、厚度变化、非均匀散射与介质衰减，是描述区域地壳结构及介质物理特性的重要参数之一。一般地下介质的Q值反映了地震波的衰减程度，高Q值对应弱衰减，低Q值对应强衰减，是研究区域地震波传播特征，进行强地面运动模拟和确定地震震级的重要参数[5]。

在地震台站记录图中，把场地效应与地震波沿传播路径的共同的衰减效应分离开是比较困难的，朱新运[6-7]提出基于Lg 波谱比与台站场地响应的联合反演方法，利用路径衰减与台站震中距有关、而场地效应与震中距无关这一特点，实现了衰减参数与场地效应的分离，并在浙江、华北等地区有比较好的应用，邵媛媛[8]应用该方法获得了辽宁地区Lg 波衰减参数和参与评估的32 个台站的场地响应特征。本文利用该方法对辽宁地区灯塔5.1 级地震前后Lg 波衰减变化特征进行分析，为辽宁中强地震震情分析提供科学的参考依据。

1 Lg 波谱比与台站场地响应联合反演方法介绍

该方法由朱新运和陈运泰[5]提出，地震台站记录的地震波谱A（f，d）可以表示为[9]：

式中，f表示频率，SO（f）表示震源因子项，R（f，θ）表示震源辐射图型因子，d表示震中距，I（f）表示仪器响应，Si（f）表示场地响应，G（d）表示几何扩散因子。

μ 表示几何扩散特性的参数，对于Lg 波，μ=-0.5；ψ（f，d）表示介质衰减项。

U表示Lg 波的群速度。

假定参与运算的地震数为m，k=1，2，3，…，m；需要评估的台站数为n，两个台站（第i与第j=1，2，3，…，n） 对同一地震（第k次地震） 的记录谱的比可以表示为：

利用（6）式解方程组，其中对应衰减部分为γ（f），利用（4）可以获得Q（f），其它部分为场地效应比值。

2 资料的选取与处理

收集灯塔5.1 级地震周边160 公里范围内的台站记录波形，筛选2008—2014 年震中距大于90km 且震级在ML2.5～5.3 的地震事件。参与反演计算的台站布设仪器采样率为100Hz，对在筛选范围内的台站所记录的地震波形逐条检查，去除断记、畸形等问题波形，对保留的地震记录使用1.8～2.6km 的速度波形窗截取Lg 波段[10-11]，为防止谱泄露，对截取的Lg 波段进行补零至2 的整数次方倍，在两端加2%的余弦窗进行傅里叶变换、仪器校正和几何衰减校正，并以3 个单位频率步长采样进行平滑处理，这样对于每一个Lg 信号段可以得到相同频率间隔的波谱，计算Lg 波谱。

3 灯塔5.1 级地震前后Lg 波地震衰减参数Q 与η

通过对震中160 公里范围内的地震射线，预处理后，共获得参与反演地震记录488 条，台站数18 个（图1）。在频率域1～7Hz 范围内，以0.2Hz 间隔进行采样来构造矩阵方程求解Lg波衰减参数与台站场地响应，并对衰减参数进行Q（f）=Q0fη形式的拟合，其中f为频率，η是频率依赖指数，Q0是Q（f）在1Hz 时的值。本文以36 个地震为窗长，2 个地震为步长滑动，窗内地震样本进行联合反演拟合各窗长内地震Lg 波衰减参数Q和η，反应的是该样本时段内的介质的地震波衰减特性。图2 是滑动扫描计算第12 个滑动窗内的Lg 波三分量Q与频率的拟合图后，即可获得时间尺度上的Lg 波衰减参数Q和η 在时间尺度上的变化特征。图4 中横坐标为地震滑动窗序号，第17 个地震滑动窗的末尾地震事件为灯塔5.1 级地震。Lg 波衰减参数Q值三分向差异较小，震前震后Q值和η 都有明显的变化。窗内的末尾地震事件时间序列上看(图3)，从统计时间2010 年8 月至2012年Q值上升至150～220，2012 年3 月后开始小幅下降，至2012 年7 月又开始上升直至地震发生，震后Q值下降。而地震波衰减参数的频率依赖指数，整体变化趋势与Q值相反，震前下降，震后上升恢复至震前水平。

图1 灯塔5.1 级地震周边160km 地震射线投影图Fig.1 The seismic ray around Dengta 5.1 earthquake within 160km

图2 第12 个滑动窗内地震Q 与f 拟合图（窗内最后一个地震时间2012 年7 月12 日）Fig.2 Relationship between Q and f in the 12th sliding window（the last earthquake occurred on 12th July，2012）

图3 滑动窗内末尾地震的M-t 图Fig.3 The M-t of the last earthquake in each sliding window

图4 灯塔5.1 级地震震前后Lg 波衰减参数Q 值与η 随时间变化曲线（a：U-D；b：E-W；c：N-S）Fig.4 The Lg wave attenuation parameter Q and η vary with time before and after the Dengta Ms5.1 earthquake.（a：U-D；b：E-W；c：N-S）

4 结论与讨论

通过灯塔5.1 级地震震中160km 范围内的地下介质Lg 波衰减参数Q值和η 的变化计算结果发现：在灯塔地震前后有明显的变化，但趋势相反，震后大致恢复到震前的水平。一般认为，震前区域的介质衰减强度有减弱到增强的过程。震前由于受较强应力作用，地壳介质特别是韧性层破裂的增加可使尾波Q值变小，但临近破裂时，由于应力的增强，导致裂隙闭合，Q值反而增大。震后，由于作用在地壳韧性层的应力得到释放，从而介质松弛，以致反映其介质衰减特性的Q值减小[12]。灯塔地震前后的Q值变化符合这一特点，即震前有降低再增大的变化，震后下降恢复；Q值在E-W 向上平均值在100 左右，低于其他两个方向分量的平均值，可能与区域地质结构差异有关，导致不同方向上的地震波衰减特性不同。从η 值的变化看，η 三分量平均值震前0.8 左右，震后恢复到0.6 左右，说明该区域介质均匀程度不高，地震波衰减特性对频率依赖较强。

由于台站分布的不均匀性和地震活动数量不够充足，震后Lg 波Q值和η 的信息不充足，未能看到恢复的最终水平，但两个参数在地震前后的变化趋势和差异特征对辽宁省内中强地震的震情研判有一定的参考作用。1999 年岫岩5.4 级地震后，辽宁地区发生了灯塔5.1 级地震和科尔沁5.3 级地震两次中强地震，后续可以加入科尔沁震例的地震波衰减参数变化的特征对比分析讨论。

致谢：感谢浙江省地震局朱新运研究员提供的反演计算程序!

东北地区2022 年第一季度ML≥3.0 级地震目录The Earthquakes（ML≥3.0） Catalogue of the First Quarter in Northeastern Area，2022.