震級、震源距對地震信號H/V影響分析

耿冠世 俞言祥

1） 中國北京100081中國地震局地球物理研究所2） 中國天津300180中國地震局第一監(jiān)測中心

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震級、震源距對地震信號H/V影響分析

1） 中國北京100081中國地震局地球物理研究所2） 中國天津300180中國地震局第一監(jiān)測中心

本文采用喜馬拉雅科學(xué)探測臺(tái)陣四川省境內(nèi)10個(gè)臺(tái)站， 計(jì)算了所有地震信號0.5—15 Hz的H/V譜比， 分析了震級、 震源距對H/V譜比的影響， 并與各臺(tái)站場地地脈動(dòng)H/V譜比進(jìn)行了比較． 結(jié)果表明： 震級對各臺(tái)站地震信號的H/V譜比振幅值以及峰值頻率幾乎沒有影響； 震源距對譜峰明顯的H/V譜比曲線的譜形和峰值頻率影響不大， 但對譜峰不明顯的H/V譜比曲線的峰值頻率有一定影響；H/V譜峰明顯的臺(tái)站， 地震信號與地脈動(dòng)信號的H/V譜比曲線的峰值頻率具有很高的一致性，H/V譜峰不明顯的臺(tái)站， 二者的峰值頻率有一定差異．

H/V譜比 震級 震源距 峰值頻率

引言

在20世紀(jì)80年代末， 日本學(xué)者Nakamura（1989）提出一種基于同一地表測點(diǎn)地脈動(dòng)水平分量與豎向分量傅里葉振幅譜比值（H/V）估計(jì)場地特征的方法． 該方法有兩個(gè)基本假設(shè)： 基巖處水平分量與豎向分量比值為1； 軟弱層對豎向分量幾乎沒有放大作用．

Nakamura提出的H/V譜比方法是一種基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得到的經(jīng)驗(yàn)方法， 沒有明確的物理解釋． 其確認(rèn)地脈動(dòng)數(shù)據(jù)和地震信號數(shù)據(jù)都可以采用H/V譜比分析方法， 并且相同的場地二者具有非常相近的譜形和峰值， 但前提是信號中不能含有面波成分（Nakamura， 2000， 2008）． 該方法自提出以來， 一直存在較大的爭議， 眾多地震工作者從實(shí)驗(yàn)和理論方面對此方法進(jìn)行了研究． Javier和Francisco（1994）認(rèn)為在0.3—5 Hz范圍內(nèi)， 采用地脈動(dòng)數(shù)據(jù)確定沉積層場地卓越周期能夠得到可信的結(jié)果， 其中Nakamura的方法得到的結(jié)果能夠粗略地估計(jì)傳遞函數(shù)基頻附近的場地放大水平； 通過簡單的一維模擬數(shù)據(jù)， 他們發(fā)現(xiàn)即使地脈動(dòng)數(shù)據(jù)中包含瑞雷面波成分， Nakamura提出的方法仍然有效， 而且認(rèn)同Nakamura提出的H/V譜比方法與震源無關(guān)的結(jié)論． Theodulidis等（1996）采用南加州地區(qū)加納谷的鉆孔臺(tái)陣研究了Nakamura方法與地質(zhì)條件的關(guān)系， 通過地震加速度記錄譜比得到了H/V譜比要比實(shí)際場地放大效應(yīng)小的結(jié)論． Zhang和Matsunami（2000）利用唐山地區(qū)強(qiáng)震觀測臺(tái)站的數(shù)據(jù)， 采用S波反演方法、 傳統(tǒng)的S波比值方法（地震動(dòng)隨機(jī)模擬）以及S波接收函數(shù)法（H/V譜比方法）分析了場地的放大效應(yīng)， 結(jié)果表明， 3種方法獲得的場地土層卓越頻率一致性良好， 但在譜比的幅值上， S波反演與S波比值方法的結(jié)果相近， 而H/V幅值與另外兩種方法相比則差別較大． Sawada等（2004）通過利用日本強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)KiK-net、 K-net以及Nobi Plain的強(qiáng)震觀測記錄檢驗(yàn)了Nakamura方法， 他們觀測了共221個(gè)場地地表的地脈動(dòng)數(shù)據(jù)， 并將其H/V譜比值與地震數(shù)據(jù)的H/V譜比值比較后發(fā)現(xiàn)， 地脈動(dòng)的H/V譜比值在地表和基巖處均與地震數(shù)據(jù)的H/V譜比值接近， 并且能夠有效地估計(jì)場地卓越頻率． 盧滔等（2006）以唐山響嘡局部地形影響臺(tái)陣3號測井所獲取的近場地震記錄和地脈動(dòng)記錄為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)， 分別采用傳遞函數(shù)法和Nakamura方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 并將兩者統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比， 檢驗(yàn)Nakamura方法的兩個(gè)基本假定及該方法的合理性， 結(jié)果表明， 在響嘡場地Nakamura的兩個(gè)假設(shè)均不成立， 并且H/V譜比振幅值要低于實(shí)際場地放大效應(yīng)， 但其能夠有效地估計(jì)場地卓越頻率．

從上述研究可以看出： 關(guān)于地脈動(dòng)H/V譜比能否真實(shí)反映場地效應(yīng)， 其結(jié)論并不一致， 因此利用其估計(jì)場地效應(yīng)需謹(jǐn)慎； 對于其估計(jì)場地卓越頻率的有效性方面， 上述研究結(jié)論較為一致， 這也是地脈動(dòng)H/V譜比方法在工程上得到廣泛應(yīng)用的原因之一； 至于地震信號的H/V譜比， Zhang和Matsunami（2000）、 Sawada等（2004）以及盧濤等（2006）的研究結(jié)果均認(rèn)為其可以確定場地的卓越頻率．

對于H/V譜比方法而言： 地震信號能量較強(qiáng)， 不易受到隨機(jī)干擾， 但資料獲取需要一定的時(shí)間； 微動(dòng)信號能量較弱， 易受到隨機(jī)干擾， 但其在較長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定， 獲取方便． 如果能將二者結(jié)合起來進(jìn)行分析， 無疑能夠更為準(zhǔn)確地分析場地效應(yīng)． 喜馬拉雅科學(xué)探測臺(tái)陣一期覆蓋我國西南部分地區(qū)， 記錄了大量的地震事件， 為本文研究地震信號和地脈動(dòng)H/V譜比特征以及二者相互關(guān)系提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)． 本文期望通過分析臺(tái)站場地地震事件H/V譜比特征探究震級、 震源距對地震信號H/V譜比的影響．

1 數(shù)據(jù)來源

喜馬拉雅科學(xué)探測臺(tái)陣一期覆蓋云南全境以及四川、 貴州和廣西的部分區(qū)域． 該地區(qū)地震多發(fā)， 自臺(tái)陣架設(shè)完成以來， 各臺(tái)站均獲得了大量的地震記錄， 為本文研究提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)． 本文選擇四川省境內(nèi)地震記錄在50條以上的10個(gè)地震臺(tái)站， 分析各場地H/V特征． 各臺(tái)站的經(jīng)緯度信息見表1， 震級隨震源距分布見圖1．

表1 臺(tái)站經(jīng)緯度、 場地信息及地震記錄條數(shù)Table 1 Location and site condition of stations as well as seismic records

圖1 震級隨震源距分布圖

2 數(shù)據(jù)處理

本文中所利用的H/V譜比方法和地震動(dòng)隨機(jī)模擬方法均采用剪切波進(jìn)行計(jì)算， 因此在計(jì)算之前需要從地震記錄中截取S波． 本文所選擇的地震記錄在經(jīng)過去均值、 濾波等預(yù)處理后， 均截取3個(gè)分量的S波．

獲得三分量剪切波時(shí)間序列后需要計(jì)算傅里葉譜， 本文采用有重疊的平移窗譜的方法進(jìn)行計(jì)算． 時(shí)間窗口的長度設(shè)置為512個(gè)點(diǎn)， 相鄰時(shí)間序列有256個(gè)點(diǎn)重合； 計(jì)算每一時(shí)間段的傅里葉譜， 去除儀器響應(yīng)后（馬淑田， 張德存， 1997）進(jìn)行疊加平均:

（1）

式中：ui（f）為經(jīng)過儀器校正的第i段時(shí)間序列的傅里葉譜；f為頻率；T為S波窗的持續(xù)時(shí)間， 包含m個(gè)時(shí)間長度；t為512個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間序列． 其中水平分量可以按照下式合成：

（2）

獲得水平分量的振幅譜后， 便可采用Nakamura提出的H/V譜比方法計(jì)算各臺(tái)站的譜比．

3 結(jié)果分析

本文計(jì)算了表1中各臺(tái)站0.5—15 Hz范圍內(nèi)的H/V譜比， 并確定每一個(gè)頻率點(diǎn)的信噪比均在3以上．

圖2 地震記錄的H/V譜比曲線及其平均值（紅色曲線）

3.1 地震信號H/V譜比的一致性分析

從圖2中可以直觀地觀察各臺(tái)站的H/V譜比曲線． 從整體來看， 各臺(tái)站地震記錄的H/V譜形在0.5—15 Hz范圍內(nèi)具有很好的一致性． 雖然地震科學(xué)探測臺(tái)陣數(shù)據(jù)中心對臺(tái)站場地的描述均為基巖， 但據(jù)圖觀察， 各臺(tái)站H/V譜比整體均大于1， 且各臺(tái)站場地的H/V譜形在0.5—15 Hz范圍內(nèi)均有起伏． 特別是51007和51058臺(tái)站， 其主峰非常明顯， 峰值很大． 由此可以推斷， 臺(tái)站場地為基巖的描述需要進(jìn)一步確認(rèn)． 此工作超出本文范疇， 在此暫不作詳細(xì)論述．

3.2 震級對H/V譜形的影響

為了觀察震級對地震信號H/V譜比的影響， 根據(jù)圖1中各臺(tái)站震級隨震源距的分布， 本文挑選了6個(gè)臺(tái)站的震源距在300—400 km范圍內(nèi)的地震記錄， 并按照地方震級將其分為3組， 分別為ML<3.5， 3.5≤ML<4.0和ML≥4.0． 各臺(tái)站3組地震記錄的H/V譜比平均值見圖3． 可以看出， 除51019臺(tái)站外， 震級對臺(tái)站的H/V譜比影響不大， 特別是對于譜峰明顯的51007臺(tái)站， 3組地震記錄H/V譜比的平均值非常接近． 51019臺(tái)站的3條H/V譜比曲線雖然一致性稍差， 但彼此之間幅值差別不大． 比較圖3中的6個(gè)臺(tái)站： 峰值明顯的51007臺(tái)站及峰值較為明顯的51008臺(tái)站， 3條H/V譜比曲線的一致性很好； 譜形平緩的其余臺(tái)站的3條H/V譜比曲線一致性稍差， 各頻率點(diǎn)的H/V幅值不為1， 而是在2附近浮動(dòng)．

圖3 震級對H/V譜比的影響

3.3 震源距對H/V譜形的影響

根據(jù)震源距將10個(gè)臺(tái)站地震記錄的H/V譜比分為3組： ① 小于150 km； ② 150—250 km； ③ 250 km以上． 不同震源距的H/V譜比結(jié)果見圖4． 從整體來看， 震源距對各臺(tái)站H/V整體幅值水平影響不大． 具體而言， 對于H/V譜峰非常明顯的51007和51058臺(tái)站及譜峰較為明顯的51027臺(tái)站， 各組H/V譜比及其平均值曲線所對應(yīng)的峰值頻率非常接近， 表明震源距的不同不會(huì)對確定峰值頻率造成影響．

圖4 不同震源距的H/V譜比

其余臺(tái)站各組H/V譜比曲線比較平緩， 譜峰不是很明顯. 按不同震源距分組的曲線的峰值頻率有一定差異． 以51002臺(tái)站為例， 震源距小于150 km的H/V譜比曲線對應(yīng)的峰值頻率約為10 Hz， 而其平均值和其余兩條曲線對應(yīng)的峰值頻率約為6 Hz； 除此之外， 在10 Hz附近的峰值有隨震源距增大而減弱的趨勢． 51008臺(tái)站在6 Hz和8 Hz附近也存在類似的現(xiàn)象．

圖5展示了51002臺(tái)站不同震源距的H/V譜比及其平均值曲線． 從圖5a可以看出， 小于150 km的H/V譜比曲線在10 Hz附近的峰值非常明顯. 隨著震源距的增大， 圖5b中大部分H/V譜比曲線在10 Hz附近還能較為明顯地分辨譜峰， 但圖5c中絕大部分H/V譜比曲線在10 Hz附近的峰值已經(jīng)非常微弱， 難以分辨． 從圖4來看， 這種現(xiàn)象并不普遍， 但是對于判斷H/V譜峰不明顯的場地卓越頻率會(huì)產(chǎn)生影響， 因此這種現(xiàn)象值得注意． 至于引起這種現(xiàn)象的原因， 尚需要詳細(xì)調(diào)查臺(tái)站的地質(zhì)情況以及更多的地震資料， 進(jìn)行更深入的研究之后或可解釋．

圖5 51002臺(tái)站不同震源距的H/V譜比曲線及其平均值（紅色曲線）

3.4 地震信號與地脈動(dòng)H/V譜比的比較

圖6展示了各臺(tái)站地震信號以及地脈動(dòng)H/V譜比的對比． 可以看出， 對于H/V譜峰明顯的51007和51058臺(tái)站， 地震信號與地脈動(dòng)H/V譜比曲線盡管在整體幅值上有所差異， 但其對應(yīng)的峰值頻率非常契合， 因此該類型的場地卓越頻率比較容易確定， 而且可信度很高．

對于H/V譜峰不明顯的場地， 地震信號與地脈動(dòng)H/V在整體譜形和所對應(yīng)的峰值頻率上均有一定差異． 確定該類型的場地卓越頻率較為困難， 需要更多的數(shù)據(jù)資料． 特別是前面提到的針對51002臺(tái)站在10 Hz附近出現(xiàn)的特殊現(xiàn)象， 在地脈動(dòng)H/V譜比曲線中也有所體現(xiàn). 從圖6中的51002臺(tái)站來看， 地脈動(dòng)H/V譜比曲線在10 Hz附近擁有最大值．

圖6 地震信號（黑色實(shí)線）與地脈動(dòng)（藍(lán)色虛線）H/V譜比曲線

4 討論與結(jié)論

本文利用喜馬拉雅科學(xué)探測臺(tái)陣四川省境內(nèi)部分臺(tái)站的地震記錄， 分析了震級、 震源距對地震信號H/V譜比的影響， 并與各臺(tái)站地脈動(dòng)H/V譜比作了比較． 結(jié)果表明：

1） 所有臺(tái)站地震信號H/V譜比值在各頻率點(diǎn)均不為1． Nakamula關(guān)于基巖場地H/V譜比為1的結(jié)論在此處不成立． 因此， 簡單地使用地震信號或地脈動(dòng)的H/V譜比峰值來表征場地放大效應(yīng)是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模?/p>

2） 震級對地震信號H/V譜比影響不大．

3） 對于譜比峰值明顯的地震信號的H/V譜比曲線， 震源距對其譜形和對應(yīng)峰值頻率影響不大； 對于譜比峰值不明顯的H/V譜比曲線， 震源距對H/V整體幅值影響不大， 但是對峰值頻率的確定有一定影響． 其中， 51002臺(tái)站H/V譜比曲線在10 Hz附近出現(xiàn)的峰值隨震源距增大而減弱的現(xiàn)象值得引起注意． 雖然本文尚不能斷定此種現(xiàn)象完全由震源距引起， 但其至少說明了只采用震源距過于接近的地震事件的H/V譜比來確定場地的卓越頻率， 有可能會(huì)造成誤差．

4） 對于H/V譜比峰值明顯的臺(tái)站， 地震信號與地脈動(dòng)H/V對應(yīng)的峰值頻率具有很高的一致性， 此種類型的場地卓越頻率較為容易確定并且具有很高的可信度； 對于H/V譜比峰值不明顯的臺(tái)站， 地震信號與地脈動(dòng)H/V在整體譜形以及峰值頻率方面均存在一定的差異， 需要更多的資料才可準(zhǔn)確地確定場地的卓越頻率． 由于場地卓越頻率是劃分場地類別的重要參考因素， 因此準(zhǔn)確地確定場地的卓越頻率對于場地類別的劃分具有重要意義． 利用地震事件和地脈動(dòng)H/V譜比共同確定場地的卓越頻率， 對于提高其準(zhǔn)確率有很大的幫助．

本文數(shù)據(jù)引自地震科學(xué)探測臺(tái)陣數(shù)據(jù)中心， 作者在此表示感謝！

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Influence of magnitude and hypocentral distance onH/Vspectral ratio of seismic signal

1）InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China2）FirstMonitoringCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China

This paper computesH/Vspectral ratio between 0.5 Hz and 15 Hz of seismic records from the ten stations of the Himalayan array located in Sichuan Province, and the influence of magnitude and hypocentral distance on theH/Vspectral ratio is analyzed. Finally theH/Vspectral ratios of seismic signals are compared with those of microtremor. The results indicate that the magnitude almost has no influence on amplitude and peak frequency ofH/Vspectral ratio of seismic signal. On the other hand, hypocentral distance has no influence on amplitude shape and peak frequency ofH/Vspectral ratio of seismic signal when the spectra peak is obvious, whereas when the spectra peak is not obvious, it may have some influence on the peak frequency. For the stations with obvious spectra peak, peak frequency ofH/Vspectral ratio of seismic signal is coincident with that of microtremor, while different from each other for the stations without obvious spectra peak.

H/Vspectral ratio; magnitude; hypocentral distance; peak frequncey

10.11939/jass.2015.03.005.

國家科技支撐計(jì)劃課題（2012BAK15B01）資助.

2014-07-15收到初稿， 2014-08-25決定采用修改稿.

e-mail: yuyx@cea-igp.ac.cn

10.11939/jass.2015.03.005

P315.9

A

耿冠世, 俞言祥. 2015. 震級、 震源距對地震信號H/V影響分析. 地震學(xué)報(bào), 37（3）: 420--428.

Geng G S, Yu Y X. 2015. Influence of magnitude and hypocentral distance onH/Vspectral ratio of seismic signal.ActaSeismologicaSinica, 37（3）: 420--428. doi:10.11939/jass.2015.03.005.