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摘 要：1．物理思路
地震波在地球内部传播时，同时经历着两个物理过程，一个是几何扩散，另一个过程是衰减，其中衰减主要是通过两种方式进行，一种是机械能变成热能，另一种是沿直线传播的地震波在地球内部小的非均匀体上发生散射。地震波频散归因于介质的滞弹性(Wuenschel,1965；Doornbos，1983)，频散是由它所经历的传播路径中的地球结构决定的。因此，频散对地球内部结构有明显的反映。介质品质因子( 值)是描述地震波衰减频散特性的一个基本参数。研究发现，地壳和上地幔的横波品质因子的地区性变化是显著的，稳定地区品质因子的值明显比构造活动地区高（Canas，Mitchel，1978；Lee，Solomon，1979；Sipkin，Jordan，1980；Hwang，Mitchell，1987；Zucca et al.,1994；Sanders and Nixon, 1995）。地震波的衰减比弹性波速对地球结构和组成的变化更敏感（Winkler and Nur，1982；Mitchell，1995)。在上地幔中，地震波速度的横向变化不过百分之几，而地震波衰减的横向变化可能达到50～100%，甚至更大（Romanowicz，1990)。因而通过对地壳、上地幔中衰减结构横向和纵向变化的研究，将有助于我们对研究区构造活动性、动力学特征、热结构及粘滞结构等的进一步认识。测量 值的方法有很多（Bianco et al.,1999;Giampiccolo et al.,2003），主要有两种：振幅衰减和频散衰减。振幅衰减方法已经有很多应用(Al-Shukri et al.,1988；Hamilton et al.,1990；Lees et al.,1994；Liu et al ,1994；Gupta et al.,1995； ZHAO et al.,1996；ZHANG et al, 1998）；随着数字化地震观测数据处理技术的提高，频散衰减方法也越来越得到人们的重视（Trong and Granet,1980；Giampiccolo et al.,2002；Correig and Mitchell,1989；Cong et al, 2000；Liu et al.,2005)。Correig(1991a,1991b)和Cong et al.（2000 ）的研究结果认为，地震波的衰减频散测量方法有以下五方面的优点：第一，聚焦和散焦效应对衰减频散测量的结果影响比较小。第二，衰减频散研究仅要求单个台站的记录和测量，而不需要知道震源破裂情况；第三，衰减频散方法适合于小地震、近距离的介质非均匀特性进行研究；第四，利用小地震记录资料可以有效避免象较大地震发生时震源沿断层表面移动所造成的地震波记录的复杂性。第五，利用P波初动的第一个周期记录研究衰减频散可有效避免各种噪音的干扰。基于此，我们的研究思路如下，基于单台垂直分向记录的区域小地震资料，研究Pg波第一周期信号的衰减频散特征，发展一种频散测量的带通滤波方法；为更有效地提高P波频散测量的分辨率和信噪比水平，减小系统误差，使频散测量的精度得到进一步提高，使用了数据重采样技术；根据线性滞弹性体松弛模型反演和实际观测的频散曲线得到介质品质因子；研究品质因子的区域特征及其与区域构造地震孕育和发生过程的的关系，深入揭示地震动力学成因和地球物理场及其动态演化过程。
２．技术实现和研究结果
选取距离1999年台湾集集强震震中距离分别为9.2和37.9公里远的CWBSN台网中的ALS和SML两个台站记录的区域小地震资料，所选的震中距离小于30公里，时间段从1995年到2003年。经筛选得到了近1000个地震的处理结果。采用技术和取得的研究结果分述如下：
（1）改进了一种基于单台记录的直达Pg波第一周期信号的衰减频散特性来测量介质品质因子的方法，是研究小震震中区（短距离传播路径）介质特性变化的新的技术途径。
（2）根据台湾西部层状速度模型(Shin and Ho 1994)和台网定位中的深度参数计算不同震中距的Pg、Sg以及地震所在层位的折射波P、S的理论走时。由实际测量得到的Sg-Pg到时差并结合相应理论走时，得到单台记录的Pg波传播走时和相对于记录台站的震中距。
（3）为了提高直达Pg波中第一周期信号频谱成分的分辨率，采用Newton数值插值和Gauss 滤波方法对原数据进行处理，将原采样率是50p/s或100p/s的数据提高到1000p/s，进一步减小了观测误差。
（4）提出了一种基于Morlet小波滤波的新方法，并将其应用到直达Pg波第一周期信号谱分量的相对群延迟测量中。
（5）为了从实际观测的相对群延迟数据中得到与理论模型误差最小的品质因子，本文使用了遗传算法。经对比实验，确定了目标函数、线性变化的适应度函数、变异概率随染色体码位的线性变化函数类型、交配概率，变异概率初始值以及种群数量等参数的大小。实验发现这些函数类型和参数大小是能否保证反演能够达到最优解的关键。经过改进的算法保证了所反演参数与实际的误差能够达到最小。
（6）由SML和ALS台站周围不同震源深度区间的平均 值呈现出随震中距和震源深度的增加而增大的变化特征，而与震级的变化没有关系。这与Cong(2000)得到的 值随震中距增加但与震级无关的研究结果是吻合的。初步分析认为， 值随震中距和震源深度的增加而增大的原因可能主要是由垂向介质性质的差异引起的，表明随深度增加，介质具有相对较弱的滞弹性性质。
（7）去除 值随震中距的线性增长趋势变化后，所得到的不同深度范围的 值残差（显著偏离均值和一倍方差部分）随时间的变化与台站周围（30公里范围内）发生的1999年集集强震（含余震）与外围（小于100公里）6.5级以上强震活动有明显的对应关系。
1999年集集7.6级强震之前，由近震源区SML台站记录的震源深度为25公里以上地震测定的 值残差在1997年初开始出现明显的趋势上升变化；1998年上半年开始出现由高到低的趋势下降变化，集集强震就发生在其下降变化中；由震源深度为25公里以下地震记录测定的 值残差变化从1998年上半年开始出现高值，这一高值状态一直持续到1999年集集7.6级强震发生，强震发生后完全恢复正常。研究结果表明，集集强震的明显孕震过程开始于1997年3月；深浅部区 值残差高值的不同步变化，说明浅部介质的滞弹性性质要明显强于深部介质；集集地震震中周围区域背景应力场经过了一个由弱逐渐增强的一个过程，当应力达到一定背景水平后，浅部局部区域介质由于破裂强度相对较低而出现裂隙密度增加和流体渗入的现象，从而导致多相介质体对地震波的吸收能力增强，出现了 值增大的特征；深浅部局部介质滞弹性性质的差异变化可能是集集强震发生的构造背景条件。
由近场区的ASL台站记录测定的 值残差在1999年4月开始出现明显的趋势升高变化，集集强震就发生在高值持续过程中。与同一时期SML所出现的趋势下降变化不同。表明强震震源区与外围区区域背景应力场水平存在差异性，震时的应力水平源区要大于外围地区。综合分析认为，集集地震是在深浅部介质的滞弹性性质存在明显差异、震源区与外围的局部应力场存在明显差异的条件下发生的。
研究结果与Chen et al.(2001)研究中所指出的震源区在震前出现的低P波波速异常、Liu et al.(2004)以及Fruneau et al. (2001)研究中所指出震前形变异常的时段和区域比较吻合。
本项目得到台湾行政院国科会项目资助。
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