Characteristics of moderate-strong seismicity in the western Ludong-Huanghai block and the influence from surrounding earthquakes
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摘要:
鲁东—黄海地块西部为华北地块东侧的次级地块，其地震活动具有显著的周期特征，地块内部的中强地震活动特征和周边大震对该地区的影响对研究该地区地震活动状态有重要意义。采用小波分析方法定量计算了鲁东—黄海地块西部历史地震的活动周期，并结合中强地震活动的定性分析、时空演化、能量释放及周边大震等资料，探讨了该地区的地震活动特征。结果显示：① 鲁东—黄海地块西部M5.0以上地震活动存在着60.6—78.6 a的长周期，该周期反映了地震活跃—平静的韵律特征，据此M≥5.0地震可划分为活跃时段 Ⅰ （1844—1879年）、活跃时段 Ⅱ（1905—1949年）和活跃时段Ⅲ（1974年至今）。1997年以来，该地区处于活跃时段末期的弱释放阶段；② 在三个活跃时段，地震活动的主体地区不同，活跃时段 Ⅰ ， Ⅱ以海域地震活动为主，并且地震活动水平海域强、陆域弱。活跃时段Ⅲ陆域、海域均有M≥6.0地震活动；③ 1815年以来，鲁东—黄海地块西部M≥5.0地震与华北M≥6.0地震活动大致同步，当鲁东—黄海地块西部中强地震恰好处于较强活跃时段时，华北地块M6.0地震显著平静后，M≥6.0地震先从鲁东—黄海地块西部开始活动，然后向华北地块中西部地区活动；④ 当太平洋板块西侧的俯冲带上MW≥5.0中深源地震活跃，并发生MW≥7.0地震时，鲁东—黄海地块西部易于发生MS≥6.0地震，这可能是太平洋板块西侧深部俯冲构造动力作用增强导致的结果。
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关键词:
- 鲁东—黄海地块 /
- 地震活动 /
- Morlet小波变换 /
- 地震周期特征
Abstract:The seismicity in the western Ludong-Huanghai block, a sub block in the eastern side of the North China block, has a significant periodic characteristic. Therefore, it is of great importance to study the seismicity in this area, the characteristics of its internal moderate strong seismicity and the influence from surrounding large earthquakes. In this paper, the wavelet analysis method is used to quantitatively calculate the activity period of historical earthquakes in the block. At the same time, in combination with the data on qualitative analysis of moderate-strong earthquakes, spatio-temporal evolution, energy release and the influence from surrounding large earthquakes, the state and characteristics of seismicity in the block are discussed. The results show that: ① There is a long periodicity of 60.6−78.6 years for M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block, which reflects the rhythmic characteristics of seismic active-quiescence. Based on which, M≥5.0 earthquakes can be divided into active periods Ⅰ （1844−1879）, Ⅱ （1905−1949）, and Ⅲ （1974 to present）. Since 1997, the seismicity in the western Ludong-Huanghai block has been in the weak release stage at the end of the active period; ② In the three active periods, the main seismic areas are different. In the first and second active periods, the seismicity in the sea is dominant, and the earthquakes in the sea are stronger than those in the land, while in the third active period, it is very different. In which, M≥6.0 earthquakes presented in both land and sea; ③ Since 1815, M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block and those with M≥6.0 earthquakes in the North China block have roughly exhibited synchronous activity characteristics. In other words, when M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block happen in a strong active period, it generally firstly broke the significant calm of M≥6.0 earthquakes in the North China block. Then, the seismicity moves towards the central and western areas of the North China block; ④ When intermediate and deep-focus earthquakes with MW≥5.0 in the subduction zone are active and those with MW≥7.0 happen at the same time on the western side of the Pacific plate, it may promote the occurrence of MS≥6.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block, which may reflect the strengthening of deep subduction tectonic dynamic action.
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引言
场地卓越周期是描述场地特性的重要指标． 地表土层对不同周期的地震波有选择放大作用，致使在地震记录图上显示某些周期的波形特别多且好，即显得“卓越”，故称为地震卓越周期(《岩土工程手册》编写委员会，1994)． 确定场地卓越周期的方法有以下3种(童广才，刘康和，2000): ① 当场地内有强震动记录时，通过频谱分析确定； ② 由常时微动测试分析确定； ③ 根据场地分层剪切波速测试结果按其子层周期求和公式计算． 前两种方法均是通过确定场地的地震动卓越周期以进一步确定场地的卓越周期． 高广运等(2000)和陈鹏等(2009)将卓越周期分为记录卓越周期Tr、 测试卓越周期Tm和波速卓越周期Tv． Tr为真实反应地震动的卓越周期(利用地震动卓越周期间接反映场地卓越周期，该周期也在不同程度上受到地震震源谱特性和区域地壳介质对地震波传播的影响)，当工程场地范围内有适宜的强震动记录时，抗震设计应首选Tr; Tm为接近场地固有周期的卓越周期; Tv为与场地固有周期相比有一定误差的卓越周期，除非地基土层基本满足均匀平行的条件，否则应尽量避免选用．
场地卓越周期在数值上与卓越频率互为倒数，因此卓越周期可由卓越频率求倒得出． 目前日本强震动观测台网KiK-net记录中既有场地地下记录(NS1，EW1，UD1)，也有地表记录(NS2，EW2，UD2)，因此对场地内强震记录通过频谱分析确定其卓越频率时可以采用以下3种方法： ① 地表记录的傅里叶谱分析法； ② 地表水平/垂直傅里叶谱比法(Wen et al，2006； 任叶飞等，2013)； ③ 地表/地下傅里叶谱比法．
本文拟选取日本强震动观测台网中两个基岩台站和两个Ⅲ类场地台站的数百条记录，分别采用上述3种方法对两个基岩台站和两个Ⅲ类场地台站的卓越频率进行分析，并对比分析各种方法的优缺点及其适用情况．
1. 强震动数据
本文从日本强震动观测台网中选取了FKOH06和KGSH03两个基岩台站以及TCGH16和IBRH17两个Ⅲ类场地台站，这些台站分别有地表和相应的地下观测点，各台站分别获得了大量的地震事件记录． 在选择台站地震动记录时，对地震事件随机选取，但是需注意所选的地震动记录峰值加速度的分布应尽量能覆盖各个等级． 最终用于本文研究的强震动记录为： FKOH06台站29次地震事件的地表和地下记录，共174条； KGSH03台站25次地震事件的地表和地下条记录，共150条； TCGH16台站45次地震事件的地表和地下记录，共270条； IBRH17台站33次地震事件的地表和地下记录，共198条．
2. 数据分析
首先使用ViewWave软件读取地震记录，该软件默认对记录进行滤波和基线校正； 其次进行傅里叶变换，分别绘制出各条记录的傅里叶谱以及地表/地下和地表水平分量/垂直分量的傅里叶谱比曲线，读取傅里叶谱最大幅值以及傅里叶谱比曲线中谱比最大值所对应的频率值，即为卓越频率； 然后分别绘制出各场地经上述3种方法分析得到的卓越频率的散点分布图； 最后对比卓越频率的分布情况，分析在确定场地卓越频率时各方法的适用性．
图 1—6给出了FKOH06和KGSH03两个基岩台站所在场地的卓越频率分布． 由图 1和图 4可以看出，基岩台站地下和地表记录的3个分量的傅里叶谱卓越频率分布均很分散． 由图 2和图 5可以看出，台站所在场地的地表水平/垂直傅里叶谱比卓越频率分布也都很分散． 由图 3和图 6可以看出，场地的水平分量和垂直分量的地表/地下傅里叶谱比卓越频率分布不同： 对于FKOH06台站所在场地，水平分量南北向和东西向卓越频率分布比较分散，而垂直分量卓越频率分布相对集中； 对于KGSH03台站所在场地则得到相反的结论． 综上，对于基岩场地卓越频率，上述3种方法所得结果均很分散，无法给出一个准确的卓越频率值，这表明基岩地震动的卓越周期主要反映的是地震震源谱特性和区域地壳介质对地震波传播的影响，而局部基岩场地对地震动卓越周期的影响则不明显．
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图 1 基岩台站FKOH06所在场地的地下(a)和地表(b)傅里叶谱卓越频率分布 图中数字1和2分别表示地下和地表， 下同Figure 1. The distribution of Fourier spectrum dominant frequency in the site of bedrock station FKOH06 on the underground (a) and surface (b) The numbers one and two represent the underground and surface， respectively， the same below![]()
图 2 基岩台站FKOH06的地表水平/垂直 傅里叶谱比卓越频率分布Figure 2. The distribution of surface horizontal/ vertical Fourier spectral ratio dominant frequency in bedrock station FKOH06![]()
图 3 基岩台站FKOH06的地表/地下 傅里叶谱比卓越频率分布Figure 3. The distribution of surface/underground Fourier spectral ratio dominant frequency in bedrock station FKOH06![]()
图 4 基岩台站KGSH03所在场地的地下(a)和地表(b)傅里叶谱卓越频率分布Figure 4. The distribution of Fourier spectrum dominant frequency in the site of bedrock station KGSH03 on the underground (a) and surface (b)![]()
图 5 基岩台站KGSH03的地表水平/垂直 傅里叶谱比卓越频率分布Figure 5. The distribution of surface horizontal/ vertical Fourier spectral ratio dominant frequency in bedrock station KGSH03![]()
图 6 基岩台站KGSH03的地表/地下 傅里叶谱比卓越频率分布Figure 6. The distribution of surface/underground Fourier spectral ratio dominant frequency in bedrock station KGSH03图 7—12为Ⅲ类场地台站的卓越频率分布图. 由图 7和图 10可以看出: Ⅲ类场地台站TCGH16和IBRH17地下记录的3个分量的傅里叶谱卓越频率分布比较分散； TCGH16台站地表水平分量的傅里叶谱卓越频率分布比较集中，约为4.47 Hz，而其垂直分量的傅里叶谱卓越频率分布比较分散； IBRH17台站地表水平分量和垂直分量的傅里叶谱卓越频率分布均比较集中，分别约为8.96 Hz和10.26 Hz． 由图 8和图 11可以看出，TCGH16台站所在场地的地表水平/垂直傅里叶谱比卓越频率分布比较集中，约为4.53 Hz，而IBRH17台站所在场地则比较分散． 由图 9和图 12可以看出，TCGH16和IBRH17台站所在场地的地表/地下傅里叶谱比卓越频率分布均比较集中，其所在场地的水平分量的地表/地下傅里叶谱比卓越频率分别约为4.54 Hz和9.35 Hz，相应垂直分量约为11.29 Hz和11.39 Hz． 由上述结果可知： 对于TCGH16台站所在场地，3种方法均能给出一个相对确定的卓越频率值，分别为4.47 Hz，4.53 Hz和4.54 Hz； 对于IBRH17台站所在场地，地表水平/垂直傅里叶谱比卓越频率分布比较分散，而由地表记录傅里叶变换所得到的卓越频率为8.96 Hz，由地表/地下傅里叶谱比法得到的卓越频率为9.35 Hz．
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图 7 TCGH16台站所在场地的地下(a)和地表(b)傅里叶谱卓越频率分布Figure 7. The distribution of Fourier spectrum dominant frequency in the site of station TCGH16 on the underground (a) and surface (b)![]()
图 8 TCGH16台站的地表水平/垂直 傅里叶谱比卓越频率分布Figure 8. The distribution of surface horizontal/ vertical Fourier spectral ratio dominant frequency in station TCGH16![]()
图 9 TCGH16台站的地表/地下傅里叶 谱比卓越频率分布Figure 9. The distribution of surface/underground Fourier spectral ratio dominant frequency in station TCGH16![]()
图 10 IBRH17台站所在场地的地下(a)和地表(b)傅里叶谱卓越频率分布Figure 10. The distribution of Fourier spectrum dominant frequency in the site of station IBRH17 on the underground (a) and surface (b)![]()
图 11 IBRH17台站的地表水平/垂直傅里叶 谱比卓越频率分布Figure 11. The distribution of surface horizontal/ vertical Fourier spectral ratio dominant frequency in station IBRH17![]()
图 12 IBRH17台站的地表/地下傅里叶 谱比卓越频率分布Figure 12. The distribution of surface/underground Fourier spectral ratio dominant frequency in station IBRH173. 讨论与结论
对于基岩台站FKOH06和KGSH03所在场地，由3种方法所得的卓越频率分布均比较分散，无法给出一个确定的数值，初步认为是由于场地岩层坚硬、 局部场地条件对地震动影响较小所致，因此场地地表和地下记录所体现的主要还是地震震源谱特性和区域地壳介质对地震波传播的影响，而场地上不同地震的震源及地震波传播路径存在较大差异，从而导致所得的场地卓越频率分布比较分散．
对于Ⅲ类场地，TCGH16和IBRH17台站所在场地的土层条件不同，上述3种方法在具体场地的适用性也不同． 对于TCGH16台站所在场地，3种方法均能给出一个确定的卓越频率数值，且3种方法所得数值很接近． 对于IBRH17台站的所在场地，地表水平/垂直傅里叶谱比卓越频率分布比较分散，无法给出确定数值，而另外两种方法均可给出确定数值，但数值相差较大． 结合两个台站所在场地的具体土层条件分析，TCGH16和IBRH17台站所在场地土层均为砂层、 砂砾夹有黏土层，但等效剪切波速(前者172 m/s左右，后者272 m/s)及覆盖土层厚度(前者约75 m，而后者深达235 m)差别较大，初步认为是地表土层剪切波速及土层厚度的影响所导致的．
综合上述3种方法的分析结果，可以得到如下结论：
1)地表记录傅里叶谱分析法所得的卓越频率所包含信息较多，既有地震震源和区域地壳介质的影响，也有局部场地特性影响． 对于基岩场地，由于场地条件对地震动影响较小，而地震震源和区域地壳介质的影响比较突出，因此同一场地上由不同记录得出的结果偏差较大，如上述两个基岩台站所在场地． 但对于地表有土层的场地，场地条件对地震动影响明显，可以得出较为准确的结果．
2)地表水平/垂直傅里叶谱比法的前提是认为场地条件对地震动垂直分量的影响相对于水平分量要小得多，但当场地地表为较厚土层时，场地条件对地震动垂直分量的影响也较大，因此该方法在某些场地适用(如TCGH16台站所在场地)，但在某些场地所得结果却很分散(如IBRH17台站所在场地)．
3)地表/地下傅里叶谱比法理论上最能反映场地条件对地震动的影响，本文认为该方法所得场地卓越频率是比较准确的． 作者还选取了20次不同地震事件在TCGH16台站的地震动记录与相邻的TCGH12台站的地震动记录进行了对比分析，结果显示两个台站地下记录的傅里叶谱差异很小(图 13)，但在地表差异却较大(图 14)，这说明地表/地下傅里叶谱比法确实能很好地体现场地条件对地震动的影响，从而验证了该方法的准确性．
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图 13 TCGH16(a)和TCGH12(b)台站地下记录的傅里叶谱Figure 13. Fourier spectrum recorded by station TCGH16 (a) and TCGH12 (b) on the underground![]()
图 14 TCGH16(a)和TCGH12(b)台站地表记录的傅里叶谱Figure 14. Fourier spectrum recorded by station TCGH16 (a) and TCGH12 (b) on the surface对于基岩场地，由于局部场地条件的影响相对较弱，地震动频谱中包含的场地特性影 响信息很少，所以3种方法所得结果均很分散； 对于地表存在土层的场地，地表水平/垂直傅里叶谱比法所得结果存在不确定性，而地表/地下傅里叶谱比法则能给出一个相对较为准确的场地卓越频率值．
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图 1 鲁东—黄海地块西部M≥5.0历史地震及东部（125°E以东） 1973年以来M≥5.0地震分布
125°E以西地震来自历史地震目录和速报目录；125°E以东地震来自1973年以来NEIC地震目录（USGS，2022）；活动地块边界参考张培震等（2003）活动地块研究结果
Figure 1. Distribution of M≥5.0 historical earthquakes in the western Ludong-Huanghai block and M≥5.0 earthquakes in the eastern part （east of 125°E） since 1973
The earthquakes in the west of 125°E come from the historical earthquakes catalog and the earthquakes rapid report catalog；the earthquakes in the east of 125°E is from the NEIC earthquakes catalog （USGS，2022） since 1973；the boundary of active blocks refers to the research results of Zhang et al （2003）
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图 3 鲁东—黄海地块西部M≥5.0地震M-t图
Figure 3. M-t diagram of M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block
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图 4 1840年以来鲁东—黄海地块西部M≥5.0地震M-t图（a），年释放能量（b）和年频次（60个月窗长，1个月滑动步长）（c）
Figure 4. M-t diagram （a），annual released energy （b） and annual frequency （60 months window length，1 month sliding） （c） of M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block
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图 5 各活跃时段强、弱释放阶段释放能量、最大震级差、年频次特征（a）及活跃时段Ⅱ，Ⅲ M5.0以上地震频次图，窗长60个月（b）
Figure 5. Released energy，maximum magnitude difference，annual frequency characteristics of strong and weak release stages in each active period （a） and frequency diagram of M≥5.0 earthquakes in active period Ⅱ and Ⅲ window length of 60 months （b）
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图 6 鲁东—黄海地块西部M≥5.0地震贝尼奥夫应变周期（a）与小波总功率谱（b）
Figure 6. Benioff strain period （a） and total wavelet power spectrum （b） of M≥5.0 earthquakes in western Ludong-Huanghai block
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图 8 鲁东—黄海西部M≥5.0地震（a）和华北地块M≥6.0地震（b）的M-t图
Figure 8. M-t diagrams of M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block （a） and M≥6.0 earthquakes in North China block （b）
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图 10 鲁东—黄海地块以东太平洋西带MW≥7.0地震及鲁东—黄海地块西部M≥5.0地震震中分布
Figure 10. Epicenter distribution of MW≥7.0 earthquakes in the western Pacific belt to the east of Ludong-Huanghai block and M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block
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图 11 鲁东—黄海地块以东太平洋西带MW≥7.0地震及鲁东—黄海地块西部M≥5.0地震的时序曲线和蠕变曲线
Figure 11. Time series and creep curves of MW≥7.0 earthquakes in the western Pacific belt to the east of Ludong-Huanghai block and M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block
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图 12 鲁东—黄海以东太平洋西带MW≥7.0地震M-t图和MW≥5.0中深源地震年频次及鲁东—黄海地块西部M≥5.0地震
Figure 12. M-t map of MW≥7.0 earthquakes in the western Pacific zone to the east of Ludong-Huanghai block，annual frequency of MW≥5.0 intermediate and deep focus earthquakes and M≥5.0 earthquakes in the western Ludong-Huanghai block
表 1 鲁东—黄海地块西部活跃时段地震活动特征统计表
Table 1 Statistics of seismicity characteristics during active period in the western Ludong-Huanghai block
活跃时段 起止年份 持续时间/a M≥5.0地震
总能量/（1014J）M≥5.0地震
频次M≥6.0地震
频次最大震级/M M≥5.0地震
平均年频次Ⅰ 1 844—1 879 36 33.3 16 7 7.0 0.44 Ⅱ 1 905—1 949 45 24.3 1 9 6 6.8 0.42 Ⅲ 1 974—2 013 40 4.19 15 4 6.2 0.36 1 974年至今 50.5 4.21 16 4 6.2 0.32 
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表 2 鲁东—黄海地块西部活跃时段强、弱释放活动特征统计表
Table 2 Statistics of characteristics of strong and weak release activities during active period in the western Ludong-Huanghai block
活跃时段 起止
年份持续
时间/aM≥5.0地震
总能量/JM≥5.0
地震频次M≥6.0
地震频次最大地震
震级/MM≥5.0地震
平均年频次弱释放时段
与强释放
时段能量
百分比强释放时段
与弱释放时段
最大地震
震级差弱释放期与强
释放期M≥5.0
地震平均年频次
的百分比Ⅰ ① 1 844—1 853 10 2.94×1015 11 6 7.0 1.1 13.3% 0.5 18.2% ② 1 854—1 879 26 3.91×1014 5 1 6.5 0.2 Ⅱ ① 1 905—1 932 28 2.32×1015 15 5 6.8 0.5 4.7% 0.8 40% ② 1 933—1 949 17 1.08×1014 4 1 6.0 0.2 Ⅲ ① 1 974—1 996 23 4.09×1014 11 4 6.2 0.5 2.4% 0.9 40% ② 1 997—2 013
1997年至今17
27.59.63×1012
1.16×10134
50
05.1
5.10.2
0.22.8% 0.9 40% 注：① 强释放；② 弱释放。
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表 3 鲁东—黄海地块以东太平洋西带MW≥7.0地震对鲁东—黄海地块西部中强地震影响的预报效能
Table 3 Prediction effect of MW≥7.0 earthquakes in the western Pacific belt to the east of Ludong-Huanghai block on moderate strong earthquakes in the western Ludong-Huanghai block
滞后时间/d 效能检验 滞后时间/d 效能检验 R R0 R R0 30 0.02 0.02 350 0.17 0.16 90 0.01 0.08 380 0.15 0.16 180 0.07 0.13 530 0.18 0.16 220 0.15 0.15 560 0.19 0.17 260 0.19 0.15 580 0.17 0.17 300 0.21 0.16 600 0.16 0.17
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