2019年甘肃夏河Ms5.7地震的时频分析及能量分布特征

2019年10月28日在甘肃省甘南州夏河县(北纬35.10°,东经102.69°)发生M s5.7级地震,这是继2013年岷县—漳县M s 6.6地震之后,发生在甘肃省的又一次较大地震,这次地震位于青藏块体、华南块体和鄂尔多斯块体的交汇部位,也处在中国南北地震带上松潘—西秦岭构造结的位置。

关于这次地震已有一些研究成果发表[1-3],但总体而言,关于这一区域构造地质及发震断层方面的研究文献不多。

本项研究基于甘肃地震台网的记录数据,对波形数据进行
了时频分析和峰值空间分析,希望初步探讨这次地震的时频特征及振幅峰值分布特征,为研究这次地震的发震机理和灾情评估提供一些参考信息。

1地震参数及构造环境
这次夏河县M s5.7地震发生后,德国地球科学研
究中心(G FZ ),美国地质调查局(U SG S )、全球矩张量目录项目研究组(G CM T ),以及中国地震局的一些机构和个人给出了这次地震的震源机制解,见表1。

2019年甘肃夏河M s5.7地震的时频分析及能量分布特征*
王维欢,蒲
举△,王祖东,陈晓龙
(甘肃省地震局,甘肃兰州730000)
摘
要:对甘肃测震台网测定的2019年10月28日发生在甘肃省夏河县M s 5.7地震的宽频带地震记录,采用短时傅里
叶变换(STFT )进行了分析,结果显示,地震波的优势能量在面波段,优势频段在1H z以下,第二优势能量在S波段,频带略宽于面波。

峰值振幅主要分布在震中南侧,与O kada理论模型给出的地面位移分布结果大体一致,峰值区走向与一些机构给出的断裂走向基本相符,也佐证了这种方法的可靠性。

同时也表明该方法简单快捷,在大震后可以快速提供地震振幅峰值的地理分布特征,能够为地震机理、发震构造确定,以及灾情分布的预估提供一些参考依据。

关键词:夏河M s5.7地震;地震波形;时频分析;能量分布中图分类号:P315.2
*基金项目:甘肃省科技计划资助重点研发项目“甘肃省非天然地震快速判别系统研究”(21Y F5FA 031)。

△通信作者:蒲举(1985-),女,高级工程师,主要从事地震学和人工智能研究。

E-m ai l :312164762@ 。

表1
不同机构给出的甘肃夏河M s5.7地震的震源机制解
序号走向/°倾角/°滑动角/°
机构和作者
1336/57/84G FZ 2307/37/40U SG S 3307/48/40G CM T
4356/28/114中国地震台网中心台网部应急组5322/49/67中国地震局地震预测研究所
6
312/48/48
刘旭宙等[3]
甘肃科技
G ansuSci enceandTechnol ogy
第39卷第7期
2023年7月
V ol .39N o.7
Jul .2023
从表1可以看出,虽然不同机构和个人给出的震源机制解在数值上存在差异,但一个大体指向就是发震断层走向为北西走向。

震中处于西秦岭北缘
断裂带和临潭—宕昌断裂带之间,震中附近还有一条新近发现的夏河断裂(图1)。

第7期2数据及方法
本项研究选用了震中周围10个宽频带地震台
的垂直向记录,采样率为每秒100点。

传统的傅里叶变换建立了信号在频域和时域的映射关系,多年来已经在各个领域得到非常广泛的应用,但是其只适用于频率等特征量不随时间变化的平稳信号,而对于地震信号这样的非平稳信号,则无法反映出时频局域性特征。

20世纪40年代,G abor [4]首次提出了短时傅里叶变换(STFT ),将一维的时域信号扩展到二维的时频平面上,得到了信号的时频信息[5]。

基本思路就是将时序信号分成许多时间段(滑动窗口),计算每个片段的傅里叶变换,
得到每段的频率特征,从而获得整个时间段频率的变化过程。

对于一个时序信号,短时傅里叶变换可用式(1)表示:
F (τ,ω)=+
∞
-∞
∫
f (t +τ)
g (t )e -j ωt dt
(1)
式中:ω为频率,g (t )为窗函数。

对于离散时间序
列,如果数据点数为n,窗长为m ,采样间隔为T ,则t =m T,τ=nT,Ω=ωT 。

式(1)可改写为:
F (n ,Ω)=∞
m =-∞∑f (m +n )g (m )e -j Ωm
(2)
这种方法的优点是没有交叉项,计算简单易行。

但由于滑动窗口长度固定,受H ei s enber g测不准原理的约束,若要得到某时刻的信号幅值S (t 0),就要在整个频域积分,若要得到某个频点的信号幅值S (f 0
),则要在整个时段积分,不具有同时对时间和频率定位的功能[6],这是其不足之处。

具体使用中常常根据研究的侧重点设置窗长。

本项研究中选取窗长为5s ,10个台垂直向记录在去倾后进行时频分析,结果在图2中给出。

从原始记录和时频分析结果的对比可以看出,数据处理结果较好得到了地震波形的时间特征和频率特征。

为了考察此次地震振幅分布的空间特征,分别取得9个台P波段和S波段的速度峰值,使用网格内插方法估算了速度峰值大致的空间分布,在图3中给出。

图2、图3中用浅色表示高值,深色表示低值。

图1夏河地震、台站及附近断裂分布
36.0°N
35.5°N
35.0°N
34.5°N
34.0°N
102.0°E
102.5°E
103.0°E
103.5°E
104.0°E
104.5°E
105.0°E
玛曲台同仁台
碌曲台
合作台
临潭台
岷县台
武山台
渭源台
临夏台
兰州台
地震图例断
层
地震台
王维欢等:2019年甘肃夏河M s 5.7地震的时频分析及能量分布特征45
甘肃科技
第39卷
图2
夏河地震M s5.7垂直向波形时频分析
合作台原始记录
×104
合作台时频分析
×104
543210图3夏河M s5.7地震的峰值分布(左图P 波,右图S 波)
经度/°
35.6
35.4
35.2
35
34.8
34.6
102.4102.6102.8103103.2103.4103.6103.8104
750
700650
600
550500
450400
350300
250
M s5.6
35.6
35.4
35.2
35
34.8
34.6
M s 5.6
102.4102.6102.8103103.2103.4103.6103.8104
300
250
200
150
100
经度/°
10
-101020304050
10
20304050
10
20304050
10
20304050
10
20304050
10
20304050
10
20304050
010
20304050
10
20304050
10
20304050
碌曲台原始记录
碌曲台时频分析
临潭台原始记录
临潭台时频分析
临夏台原始记录
临夏台时频分析
兰州台原始记录
兰州台时频分析
玛曲台原始记录
碌曲台时频分析
岷县台原始记录
岷县台时频分析
同仁台原始记录
同仁台时频分析
武山台原始记录武山台时频分析
渭源台原始记录
渭源台时频分析
50000
-5000
50000-5000
2000
-2000
5000-500
10000
-1000
20000
-2000
2000
0-2000
1000
-1000
1000
0-1000
时间/秒
时间/秒
54321010
2030405010
20304050
10
2030405010
20304050
10
2030405010
20304050
10
203040
50
10
20304050
10203040501020304050
543210543210543210543210543210543210
543210
543210
46
第7期
3结果与讨论
从图2可见,地震波的最大振幅主要集中在面波段,第二优势峰值在S波段。

面波段的优势频段在1H z 以下,S波段的优势频率相对面波更宽一些。

武山台的记录较为特殊,Pm波段显示较强的振幅,意味着这一区域存在强烈的莫霍面的反射,是区域构造差异的结果。

尽管较近台站的S波段和面波在时序上很接近,但从时频分析结果仍可显示出波束分离,并展示出能量分布的各自特征。

临夏台和碌曲台分别位于震中北侧和南侧,震中距大致相当,但峰值速度存在较大差异,碌曲台峰值大约是临夏台的1.4倍;同样,处于震中西侧和东侧的同仁台、临潭台的震中距也大致相当,峰值速度也存在差异,临潭台的峰值大约是同仁台的1.2倍。

本研究认为这个差异除了台
站场地效应的影响外,主要与震源的错动方式有关。

图3展示了选用台站P波段和S波段峰值空间分布图,颜色表示峰值速度,可见P波段优势能量主要在震中南侧,S波优势能量分布大体和P波一致,但在沿断层走向上范围更大一些,意味着存在一定的走滑分量。

有研究表明,台站记录的地震动受震级、距离、方位角和震源机制的控制[7],以文献[3]给出的此次地震的震源参数为依据,基于文献[7]给出的理论模型计算了此次地震地面三分向合成位移分布,在图4中给出。

浅色表示位移高值(单位是m m),黑色圆点表示震中位置。

图3和图4的对比可以看出,两者高值区的分布形状比较相似。

理论模拟结果表明,地面位移的峰值区主要在震中南侧。

而图3中高值区也显示在震中南侧,其分布走向与机构给出的断裂走向大体一致。

存在的差异是实际观测的高值区距离震中略远一些,震中东北侧实际观测的峰值略低,这可能是与震中附近台站分布密度不够及分布不均匀性造成的,但这一问题尚需进一步研究。

4结语
2019年发生在甘肃省夏河县的M s5.7地震,基于观测的地面振动峰值分布特征显示,速度峰值区主要分布在震中南侧,与机构给出的断裂走向基本一致,也与理论模拟的位移分布大体一致,但也有差异,造成这种差异因素较多,但震中附近台站密度不够可能是主要因素之一。

由于短时傅里叶变换方法其时间窗口长度是固定的,依据海森堡测不准原理,不具有同时对时间和频率的定位能力。

尽管存在这样的局限,但其具有计算快捷,没有交叉项干扰的优点,在大地震发生后,可以根据关注的频段设定时窗长度,快速分析地震的频率特征和振幅分布特征,高值区意味着是地面破坏性可能较重的区域,为灾害情况的预估提供参考,振幅高低区域的分布,也可为断层错动方式和发震构造的判定提供一些地震学依据。

参考文献:
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cal R es ear ch,2013,118(7):3630-3641.
图4基于文献[7]估算的理论地面位移
35.4
35.3
35.2
35.1
35
34.9
34.8
102.2102.3102.4102.5102.6102.7102.8102.9103103.1103.2
经度/°
3
2.5
2
1.5
1
0.5
王维欢等:2019年甘肃夏河M s5.7地震的时频分析及能量分布特征47。