蘭州市及其附近地區(qū)介質(zhì)衰減特征研究①

郭 曉,張?jiān)?何 斌

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅蘭州 730000; 2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,甘肅蘭州 730000)

蘭州市及其附近地區(qū)介質(zhì)衰減特征研究①

郭 曉1,2,張?jiān)?,2,何 斌1

(1.中國(guó)地震局蘭州地震研究所,甘肅蘭州 730000; 2.中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所蘭州科技創(chuàng)新基地,甘肅蘭州 730000)

根據(jù)蘭州臨時(shí)微震臺(tái)網(wǎng)的數(shù)字化微震記錄,采用三段幾何衰減模型擬合,利用A tkinson方法和遺傳算法,得到蘭州市及其附近地區(qū)介質(zhì)的幾何衰減函數(shù),非彈性衰減Q值隨頻率的關(guān)系為Q(f)=45.1f1.488。并對(duì)研究結(jié)果對(duì)比其他地區(qū)進(jìn)行了分析討論。

蘭州;非彈性衰減;品質(zhì)因子;遺傳算法;微震

Abstract:On the base ofm icro-earthquake seismogram recordsof Lanzhou temporary digitalm icro-earthquake network,and a presum ed trilineargeom etrical sp readingmodel,the inelastic attenuation Qvalue is investigated by using genetic algorithm and them ethod proposed by Atkinson.The frequency-dependent of inelastic attenuation Qvalue in Lanzhou City and ad jacent regions is estim ated as Q(f)=45.1f1.488. And the resu lt is discussed and analyzed with the results from other regions.

Keywords:Lanzhou;Inelastic a ttenua tion;Qua lity factor;Genetic a lgor ithm;M icro-ear thquake

0 引言

地震波衰減性質(zhì)的研究是地震學(xué)研究的重要課題。地震臺(tái)站(地震儀)記錄到的地震波包含了地震震源效應(yīng)、地震波的傳播路徑效應(yīng)、臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)及儀器響應(yīng)。地震波傳播的路徑效應(yīng)(地震波衰減)除了隨距離存在幾何衰減外,還有一個(gè)重要的影響因素即介質(zhì)的非彈性衰減,用介質(zhì)品質(zhì)因子Q (f)值來度量。Q(f)值是通過遠(yuǎn)離震源的觀測(cè)資料對(duì)地震記錄進(jìn)行定量分析和研究震源性質(zhì)(如震源參數(shù)的測(cè)定等)所必需的重要參數(shù)。同時(shí),由于剪切波的振幅通常比P波振幅大,在有的情況下可達(dá)5倍左右,剪切波的衰減特征對(duì)于工程地震中的地震危險(xiǎn)性分析也具有十分重要的意義。

本文根據(jù)“十五”期間在蘭州市周圍架設(shè)的臨時(shí)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)記錄的微震數(shù)字化波形資料,采用互相銜接的三段幾何衰減模型擬合,通過在頻率域內(nèi)的分析,利用A tkinson方法[1-5]得到了蘭州市及其附近地區(qū)介質(zhì)Q(f)值,并對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行分析討論。

1 資料處理

分析的微震資料取自“十五”期間在蘭州市周圍架設(shè)的臨時(shí)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng),該臺(tái)網(wǎng)由7個(gè)地震臺(tái)。這些臺(tái)站都位于基巖上,每個(gè)臺(tái)站都安裝了三分量數(shù)字地震儀(型號(hào)為MDSR-1)。所有地震儀在1～20 Hz之間具有速度平坦的響應(yīng),采樣率為125 Hz。臨時(shí)微震臺(tái)網(wǎng)自2004年6月到2007年5月共記錄微震數(shù)百次。通過波形考察,初步選出蘭州及其附近地區(qū)微震53個(gè),共347條記錄作為候選的分析資料,然后通過信噪比的計(jì)算挑選出20個(gè)地震的106條記錄用于分析(圖1)。這些地震的震級(jí)范圍為ML0.2～2.0,震中距為5～78 km。

圖1 蘭州臨時(shí)微震臺(tái)網(wǎng)和本文使用的微震分布及傳播路徑Fig.1 D istribution of stations in Lanzhou temperaty micro-earthquake network and events,aswell aspathsof seismic records used in the study.

對(duì)于S波的的兩個(gè)水平分量(NS、EW分量),首先進(jìn)行帶通濾波(Butter濾波器,帶寬0.1～22 Hz)和水平校正處理,然后取“S窗”和“噪聲窗”進(jìn)行傅里葉變換信噪比分析。

把從S波開始到包括S波總能量的90%的時(shí)間段定義為“S窗”,如圖2所示。對(duì)于不同地震,由于震源深度和震中距不同“S窗”內(nèi)包含的震相也不盡相同。對(duì)于同一次地震,由于各臺(tái)站的震中距不同“S窗”的持續(xù)時(shí)間也不同。為了得到具有相同頻率間隔的振幅譜,采用了平移窗譜方法[4]。把“S窗”內(nèi)的波形信號(hào)分成若干個(gè)包含有256個(gè)采樣點(diǎn)的小段,并使相鄰信號(hào)段有50%的重疊;對(duì)于采樣率為125 Hz的地震記錄來說,進(jìn)行重采樣為50 Hz的地震記錄,每個(gè)信號(hào)段的時(shí)間長(zhǎng)度是5.12 s;在每一信號(hào)段的起始和末尾各加5%的cos邊瓣后,通過傅里葉變換得到每個(gè)信號(hào)段的傅里葉譜,這樣對(duì)于每一個(gè)臺(tái)站的記錄,就可以得到相同頻率間隔(0.196 Hz)的傅里葉譜;最后,對(duì)每個(gè)信號(hào)段的傅里葉譜進(jìn)行儀器校正,并通過式(1)得到整個(gè)“S窗”內(nèi)信號(hào)的速度振幅譜

式中vi(f)是經(jīng)過儀器校正的第i信號(hào)段的傅里葉譜;T為“S窗”的持續(xù)時(shí)間。該“S窗”內(nèi)包含了n個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度t為256個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)段。取P波初動(dòng)前256個(gè)采樣點(diǎn)(1個(gè)信號(hào)段)的噪聲信號(hào),通過式(2)得到與信號(hào)相同頻率間隔的噪聲譜

式中n(f)是經(jīng)過儀器校正的256個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的噪聲傅里葉譜。

圖2 鄒家峴臺(tái)記錄的2005年7月7日微震的兩個(gè)水平分量原始波形及其合成位移譜Fig.2 Thew aveform softwo horizontal components of them icroearthquake on July 7,2005,reco rded by ZJX station andits composite disp lacement spectrums.

然后,得到經(jīng)過噪聲校正的速度振幅譜

由于蘭州臨時(shí)微震臺(tái)網(wǎng)的資料是速度記錄,最后還需要把V(f)除以2πf,把速度譜轉(zhuǎn)換成位移譜。對(duì)于S波的兩個(gè)水平分量分別進(jìn)行上述處理,并通過式(4)得到S波水平分量合成位移譜

用以上處理方法,按每次地震至少有3個(gè)臺(tái)站記錄到,每個(gè)臺(tái)站至少有3條記錄的原則,挑選波形較好,能經(jīng)過信噪比檢驗(yàn)的地震記錄用于本研究。圖2給出了其中的一個(gè)實(shí)例,為zjx(鄒家峴)臺(tái)記錄到的2005年7月7日一個(gè)微震的兩個(gè)水平分量原始波形及其S波合成位移譜。

2 計(jì)算方法和結(jié)果

根據(jù)地震波譜的一般表達(dá),經(jīng)過上述資料預(yù)處理后,任一地震記錄觀測(cè)譜與震源譜均有如下關(guān)系:

其中f是頻率;Oij(f)是第j個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到第i個(gè)地震的譜振幅;Si(f)是第i個(gè)地震的震源譜振幅; G(Rij)為幾何衰減函數(shù);c(f)為非彈性衰減系數(shù);Rij是第i個(gè)地震至第j個(gè)臺(tái)站的震中距;Gj(f)是第j個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)。

非彈性衰減系數(shù)c(f)與區(qū)域介質(zhì)的品質(zhì)因子Q (f)之間的關(guān)系為

式中β為S波速度,取3.5 km/s。

幾何衰減函數(shù)G(Rij),參考黃玉龍等[7],采用互相銜接的三段幾何衰減函數(shù):

式中R≤R01時(shí),對(duì)應(yīng)于直達(dá)波的幾何衰減;當(dāng)R01＜R≤R02時(shí),對(duì)應(yīng)于過渡區(qū),在該源距范圍內(nèi),直達(dá)波加入了在地殼幾間斷面和莫霍面上的反射波;當(dāng)R＞R02時(shí),對(duì)應(yīng)于多次折射反射波。根據(jù)蘭州地區(qū)平均地殼厚度H約45 km[6],有關(guān)模型參數(shù)取值為b1=1.0,b2=0.0,b3=0.5,R01=1.5H=67.5 km, R02=2.5H=112.5 km。如果把該幾何衰減函數(shù)G (Rij)代入式(5),則式(5)變?yōu)閷?duì)參數(shù)c(f)(非彈性衰減系數(shù))和Gj(f)(臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng))進(jìn)行聯(lián)合反演的問題。

定義殘差為

式中l(wèi)og Si(f)是第i個(gè)地震的震源譜振幅對(duì)數(shù)的平均值,是對(duì)記錄到該地震的所有臺(tái)站計(jì)算得到的log Si(f)求平均。

非彈性衰減系數(shù)c(f)的求解采用計(jì)算式(8)求極小值得到:

采用A tkinson方法反演品質(zhì)因子Q(f)值和場(chǎng)地響應(yīng)的計(jì)算步驟可歸納為:

(1)先將所有臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)(Gj(f))設(shè)為1,選擇合適的參數(shù)c(f),使式(8)的殘差總和極小;

(2)利用得到的參數(shù),求場(chǎng)地響應(yīng)

其中mj為第j個(gè)臺(tái)站記錄的地震事件數(shù);

(3)將場(chǎng)地響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果代入,重新計(jì)算c(f)。重復(fù)(2)、(3)步,使上述殘差總和達(dá)到最小。

圖3 品質(zhì)因子Q(f)與頻率f的關(guān)系Fig.3 Relationship between quality factor Q(f) and frequencyf.

通過上述迭代反演可同時(shí)求得該地區(qū)的非彈性衰減系數(shù)c(f)和各臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng),進(jìn)而利用式(6)得到區(qū)域介質(zhì)的品質(zhì)因子Q(f)。在考慮頻率依賴的Q(f)模型時(shí),通常用頻率的冪函數(shù),即Q(f) =Q0(f)η的形式來擬合Q(f)與頻率的關(guān)系。圖3給出了其計(jì)算結(jié)果,由圖可見結(jié)果擬合較好。

品質(zhì)因子Q(f)與頻率的關(guān)系是

3 討論和結(jié)論

利用A tk inson方法和遺傳算法聯(lián)合反演了非彈性衰減系數(shù),得到的蘭州及其附近地區(qū)介質(zhì)的品質(zhì)因子計(jì)算結(jié)果為Q(f)=45.1f1.488。該方法較成熟,對(duì)于研究同一構(gòu)造區(qū)的介質(zhì)特性具有較高的可信度。與郭曉[7-9]等計(jì)算的青藏高原東北緣地區(qū)介質(zhì)的品質(zhì)因子結(jié)果(Q(f)=564.7f0.3)、甘東南地區(qū)介質(zhì)的品質(zhì)因子結(jié)果(Q(f)=404.2f0.264)、祁連山中東段地區(qū)的品質(zhì)因子結(jié)果(Q(f)=687.9f0.46)相比,蘭州及其附近地區(qū)的介質(zhì)非彈性衰減在頻率小于9 Hz時(shí)明顯低于青藏高原東北緣等地區(qū),說明頻率小于9 Hz的地震波在蘭州及其附近地區(qū)衰減比青藏高原東北緣等地區(qū)得快;而當(dāng)頻率大于9 Hz時(shí)蘭州及其附近地區(qū)的介質(zhì)非彈性衰減又高于青藏高原東北緣等地區(qū),說明頻率大于9 Hz的地震波在蘭州及其附近地區(qū)衰減比青藏高原東北緣等地區(qū)得慢。這可能與蘭州及其附近地區(qū)使用的地震射線相對(duì)較短(地震射線平均路徑長(zhǎng)度38 km)、地震震源深度較淺(絕大部分在5 km左右)、反映的是該區(qū)域淺部介質(zhì)的Q值特征有關(guān),而青藏高原東北緣等地區(qū)使用的地震射線相對(duì)較長(zhǎng),反映的是區(qū)域更深部介質(zhì)的Q值特征有關(guān)。

Castro[10]等計(jì)算的墨西哥Oaxaca地區(qū)介質(zhì)的品質(zhì)因子結(jié)果(Q(f)=56f1.01)總體上與本文蘭州及其附近地區(qū)介質(zhì)的品質(zhì)因子計(jì)算結(jié)果較為接近,使用的小震射線平均路徑長(zhǎng)度也相對(duì)較短,僅為33 km,地震震源深度也較淺,均在34 km以上(大部分為10～20 km)。結(jié)果顯示墨西哥Oaxaca地區(qū)與蘭州及其附近地區(qū)地震波的衰減吸收快且與頻率的依賴性強(qiáng)(低Q0高η),并且蘭州及其附近地區(qū)地震波的衰減與頻率的依賴性更強(qiáng),可能與使用的地震震源深度更淺有關(guān),反映的是該區(qū)域較淺部介質(zhì)的Q值特征,同時(shí)表明蘭州及其附近地區(qū)淺部介質(zhì)的非均勻性特別大。

致謝:本文所用程序由中國(guó)地震局臺(tái)網(wǎng)中心劉杰研究員提供,在此深表謝意!

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Study on the Inelastic Attenua tion of the Med ium in Lanzhou City and Adjacent Regions

GUO Xiao1,2,ZHANG Yuan-sheng1,2,HEB in1

(1.Lanzhou Institu te ofSeism ology,CEA,Lanzhou 730000,China; 2.Lanzhou Base of Institu te of Earthquake Pred iction,CEA,Lanzhou 730000,China)

P315.3+1

A

1000-0844(2010)03-0244-04

2009-03-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(40874029);中國(guó)地震局“十五”項(xiàng)目:“蘭州市活斷層探測(cè)與地震危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)”(1-4-28-1);中國(guó)地震局蘭州地震研究所論著編號(hào):LC2010005

郭 曉(1974-),男(漢族),江西上高人,助理研究員,主要從事地震學(xué)及衛(wèi)星遙感應(yīng)用研究.