內(nèi)蒙古地區(qū)場地響應(yīng)區(qū)域特征分析1

王 鑫尹戰(zhàn)軍郝美仙張 暉

1）內(nèi)蒙古地震局監(jiān)測預(yù)報研究中心，呼和浩特 010080

2）內(nèi)蒙古地震局呼和浩特地震臺，呼和浩特 010080

內(nèi)蒙古地區(qū)場地響應(yīng)區(qū)域特征分析1

王 鑫1)尹戰(zhàn)軍1)郝美仙1)張 暉2)

1）內(nèi)蒙古地震局監(jiān)測預(yù)報研究中心，呼和浩特 010080

2）內(nèi)蒙古地震局呼和浩特地震臺，呼和浩特 010080

本文以內(nèi)蒙古地區(qū)臺站分布、地質(zhì)構(gòu)造和地震活動性為基礎(chǔ)，將內(nèi)蒙古的大部地區(qū)劃分為三個研究區(qū)域分別進行了場地響應(yīng)研究。對近幾年積累的大量ML≥3.0級以上地震，共計39個臺站記錄到的124次地震事件的785條波形，根據(jù)S波的觀測振幅譜，采用遺傳算法分別反演了三個區(qū)域的介質(zhì)非彈性衰減系數(shù)和臺站場地響應(yīng)，并對其進行了討論。本文得到的介質(zhì)衰減模型和臺站場地響應(yīng)，將對臺網(wǎng)測定ML震級需要考慮的量規(guī)函數(shù)、臺站校正值等提供重要參考。研究結(jié)果表明：除個別臺站存在場地放大或縮小的響應(yīng)外，絕大多數(shù)臺站的場地響應(yīng)表現(xiàn)出一定的區(qū)域性特征；西部區(qū)域（除極個別臺站外）對高頻存在明顯衰減；中東部區(qū)域?qū)φ麄€頻段的反映都比較穩(wěn)定；東部區(qū)域?qū)φ麄€頻段存在明顯放大，這與該區(qū)域覆蓋層厚度大相吻合。

內(nèi)蒙古地區(qū) 非彈性衰減 Q值 震源譜 遺傳算法 場地響應(yīng)

王鑫，尹戰(zhàn)軍，郝美仙，張暉，2015.內(nèi)蒙古地區(qū)場地響應(yīng)區(qū)域特征分析.震災(zāi)防御技術(shù)，10（1）：163—172.doi：10.11899/ zzfy20150117

引言

地震波是地震發(fā)生時由臺站地震儀器記錄到的波形，它是經(jīng)過傳播路徑、儀器、場地等因素的調(diào)制作用后才形成的地震記錄，所以它包含了地震震源、地震波傳播路徑、儀器影響和場地響應(yīng)等信息，是一種綜合信息?；诘卣饘W(xué)理論和各種計算技術(shù)，從地震波記錄中解析出地震波傳播介質(zhì)和場地響應(yīng)信息是地震研究的重要內(nèi)容。

近年來國內(nèi)外學(xué)者在利用數(shù)字化地震資料反演場地響應(yīng)方面做了大量的工作。目前采用的震源、場地譜聯(lián)合反演技術(shù)是在假定介質(zhì)的幾何擴散、介質(zhì)的非彈性衰減均為已知的基礎(chǔ)上進行的，這種方法只能計算震源參數(shù)與臺站的場地響應(yīng)。也有學(xué)者在假定巖石場地的響應(yīng)為1的基礎(chǔ)上（Atkinson 等，1992），提出震源參數(shù)、介質(zhì)衰減特征及相對于巖石臺站場地響應(yīng)的聯(lián)合反演技術(shù)。然而近年來的研究表明，巖石臺站在地表并不是完全沒有場地響應(yīng)（Moya等，2000；章文波等，2001），因此，所謂聯(lián)合反演方法得到的場地響應(yīng)只是相對的，采用該方法得到的震源參數(shù)等會存在一定的偏差。Moya等（2000）和劉杰等（2003）提出采用遺傳算法來聯(lián)合反演各種參數(shù)，這種方法的最大優(yōu)點是能得到臺站的絕對場地響應(yīng)，所以得到的震源參數(shù)也是比較可信的。另外還應(yīng)注意到，采用Moya等（2000）方法時的限制是，每次地震的震源譜參數(shù)初值必須小于基巖臺站的震源譜振幅低頻水平，其隱含的假定就是基巖臺站的場地響應(yīng)應(yīng)接近于1（劉杰等，2003）。

本文采用內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)2007—2013年間記錄質(zhì)量較高的地震事件波形資料，在介紹了以上兩種方法的原理和計算步驟的基礎(chǔ)上，基于遺傳算法，使用ISDP2.2軟件（中國地震局地震預(yù)測研究所）分別計算了三個研究區(qū)域的介質(zhì)品質(zhì)因子Q值和臺站的場地響應(yīng)。采用Atkinson等（1992；1995）的方法，得到了三個研究區(qū)域的品質(zhì)因子Q與頻率f 的關(guān)系式。從場地響應(yīng)計算結(jié)果看，除個別臺站因為受特殊地質(zhì)環(huán)境影響外，三個研究區(qū)域內(nèi)臺站的場地響應(yīng)均表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性特征。

1 觀測資料

內(nèi)蒙古測震臺網(wǎng)在“十五”數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化項目期間建成并正式運行。測震臺網(wǎng)由39個臺站組成，而且全部臺站都安裝了寬頻帶三分向地震計，部分臺站還配備了甚寬帶、超寬帶地震計。其中大部分臺站都位于基巖上，部分臺站巖性脆弱，有砂巖和灰?guī)r等。寬頻帶三分向地震計在較大頻率范圍內(nèi)具有速度平坦的響應(yīng)，低端頻率可以達到0.0028Hz，高端頻率可以達到50Hz，這對于所研究的地震都能有較好的記錄，而且地震計的有效動態(tài)范圍優(yōu)于120db，信號以100Hz采樣率實時傳輸。

內(nèi)蒙古自治區(qū)東西跨度接近3000km，而縱深卻很小、且十分不規(guī)則，因此臺站分布較為稀疏，現(xiàn)在阿拉善盟仍為地震監(jiān)測空區(qū)。筆者結(jié)合內(nèi)蒙古地區(qū)臺站的基巖特征，將內(nèi)蒙古地區(qū)劃分為三個小的研究區(qū)域。表1、表2和表3分別列出了這三個研究區(qū)域內(nèi)，臺站地震計型號、頻帶范圍、臺基巖性等情況。

表1 中西部區(qū)域17個臺站基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of 17 stations in the middle west area

續(xù)表

表2 中東部區(qū)域11個臺站基本參數(shù)Table 2 Basic parameters of 11 stations in the middle east area

表3 東部區(qū)域11個臺站基本參數(shù)Table 3 Basic parameters of 11 stations in the east area

本文選取2007—2013年間內(nèi)蒙古地區(qū)的地震波形資料，把從S波到時開始，包含S波能量90%的時間窗作為“S窗”進行記錄位移譜的計算。計算采用Chael（1987）的平移窗譜方法，用以獲得觀測信號傅立葉譜。在對傅立葉譜進行儀器響應(yīng)校正和噪聲校正后，合成兩個水平分量以得到信號觀測位移譜?？梢院Y選其中信噪比大于等于2的，且要求同1個地震至少被3個臺站記錄到、1個臺站至少可以記錄到3個地震；同時要求研究區(qū)域內(nèi)的地震射線要覆蓋均勻，圍繞地震選擇均勻分布的臺站記錄。根據(jù)以上要求，筆者確定了用于計算的地震記錄為3.0≤ML≤5.3，震中距在20—400km范圍。最終，在內(nèi)蒙古中西部研究區(qū)域共選定了50個地震事件的344條波形記錄；在內(nèi)蒙古中東部研究區(qū)域共選定了33個地震事件的189條波形記錄；在內(nèi)蒙古東部研究區(qū)域共選定了41個地震事件的252條波形記錄。具體如圖1所示。

圖1 臺站分布與選取的地震震中分布圖Fig.1 Distribution of earthquakes and stations in this study

2 品質(zhì)因子Q值的測定

在對S波資料進行處理時，在頻率域中，第j個臺站記錄到的第i個地震的S波傅立葉譜振幅（速度）可表示為（劉杰等，2003）：

式中，Ai0(f)為第i個地震的震源譜振幅；Rij為第j個臺站記錄到的第i個地震的震源距；G( Rij)為幾何衰減系數(shù)；Q( f)為品質(zhì)因子；Sj(f)為第j個臺站的場地響應(yīng)；Vs為剪切波波速。

對式（1）取對數(shù)可得：

其中非彈性衰減系數(shù)c( f)與介質(zhì)品質(zhì)因子Q( f)有如下關(guān)系：

參照Atkinson等（1992；1995）的結(jié)論，幾何衰減采用互相銜接的三段幾何衰減模型：

式中，b1=1、b2=0、b3=0.5；R01=1.5H、R02=2.5H，其中H為區(qū)域地殼厚度（內(nèi)蒙古三個研究區(qū)域的地殼厚度不一，西部地殼平均厚度大的為43km；中東部和東部均為37km左右）。

根據(jù)Atkinson等（1992）的假定，所有臺站場地響應(yīng)為1，可通過迭代反演求出c( f)和Sj(f)，其殘差定義為：

非彈性衰減系數(shù)c( f)采用下式計算：

當(dāng)殘差總和sum極小時，得到的參數(shù)可用于求取場地響應(yīng)：

式中，mj為第j個臺站記錄到的地震事件數(shù)。

將（7）式結(jié)果代入，重新計算c( f)，并重復(fù)（2）、（3）式計算，使殘差總和sum達到最小，可得到該區(qū)域的非彈性衰減系數(shù)c( f)，并通過（3）式求得介質(zhì)的品質(zhì)因子Q( f)（Atkinson等，1992；1995）。

通過上述計算，筆者得到了三個研究區(qū)域的介質(zhì)品質(zhì)因子Q與頻率f的關(guān)系式分別為：中西部區(qū)域Q( f)=817.43f0.1902；中東部區(qū)域Q( f)=458.48f0.3980；東部區(qū)域Q( f)=393.37f0.4164。

3 場地響應(yīng)Site原理及結(jié)果

3.1 多臺多地震聯(lián)合反演場地響應(yīng)原理

本文采用平移窗方法計算NS分量和EW分量的記錄譜（Atkinson等，1992）。當(dāng)去掉儀器響應(yīng)和噪聲后，合成兩分量、并通過坐標旋轉(zhuǎn)除以2πf可得到水平分量的位移譜。對于地表地震計的記錄譜還需要除以2，用以扣除臺站的自由表面效應(yīng)，然后采用遺傳算法來反演場地響應(yīng)和震源參數(shù)。

在幾何擴散和非彈性衰減Q( f)已知的情況下，在某個頻率f處，經(jīng)過上述校正后第j個臺站記錄到的第i個地震的觀測譜為：

式中，Ai0(f)為第i個地震的震源振幅譜；Pij(f)為第i個地震到第j個臺站的傳播路徑效應(yīng)；Sj(f)為第j個臺站的場地響應(yīng)項。

假定每個地震都滿足Brune（1970）模型，再設(shè)定每個震源的震源譜參數(shù)Ω0和fc（Ω0為震源譜低頻水平，fc為拐角頻率），可得到每個地震的理論震源譜：

在第k個頻率上，第i個地震對第j個臺站的場地響應(yīng)為：

在第k個頻率上，計算第j個臺站的由不同地震得到的場地響應(yīng)的平均值和標準偏差：

利用遺傳算法反復(fù)迭代給定范圍內(nèi)所有地震的震源譜參數(shù)Ω0和fc值，并對其不斷進行調(diào)整，使殘差達到極小：

在震源譜參數(shù)確定的情況下，利用（10）式計算各個臺站的場地響應(yīng)并取平均值。筆者在反演計算中發(fā)現(xiàn)，采用遺傳算法計算的殘差結(jié)果收斂速度較為緩慢，迭代500次時的結(jié)果才比較穩(wěn)定，為此，筆者在實際計算中對三個研究區(qū)域都統(tǒng)一選擇迭代600次。

3.2 三個研究區(qū)域的計算結(jié)果

3.2.1 內(nèi)蒙古中西部研究區(qū)域

圖2給出了中西部研究區(qū)域的17個臺站場地響應(yīng)。從圖中可以看出，17個臺站的場地響應(yīng)在頻率為1—20Hz范圍內(nèi)時，場地響應(yīng)因子的范圍為0.2—4。場地響應(yīng)等于1，表明場地對地震波信號沒有影響；場地響應(yīng)小于1，表明場地對地震波信號有衰減作用；場地響應(yīng)大于1，則對地震波信號有放大作用。17個臺站的場地響應(yīng)在低頻（1—2Hz）范圍接近1，或略有放大，大部分臺站高頻部分明顯衰減。其中，BYT臺在低頻放大因子為1—2，高頻衰減至0.2；BHS臺在1—20Hz放大因子為1—4，放大效應(yīng)明顯；WJH、DSM、XSZ臺在低頻接近1，高頻略有衰減；BLM、RLT臺整體較為平穩(wěn)且接近于1；WUH、HHC、LCH、BATO、JIN臺的場地響應(yīng)在大于10Hz后，隨地震波頻率增大而明顯減小。

3.2.2 內(nèi)蒙古中東部研究區(qū)域

圖3給出了中東部研究區(qū)域內(nèi)11個臺站場地的響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，11個臺站的場地響應(yīng)在頻率為1—20Hz范圍內(nèi)時，有10個臺站的場地響應(yīng)因子范圍為0.4—2，表明場地對地震波影響不盡相同，但變化幅度不大。大部分臺站場地響應(yīng)放大因子在低頻（1—2Hz）范圍接近于1，其中，BAC、LIX、NIC、CHF、XIH、LUB臺在頻率1—20Hz接近于1；AGL、JIP臺在低頻接近1，高頻衰減，尤其是AGL臺在1—20Hz范圍內(nèi)，從1衰減至0.07，衰減幅度大且明顯；HLH臺在低頻放大因子為2—3，高頻接近1；XLT、TIS臺則是低頻有衰減、高頻反而平穩(wěn)接近1。

圖2 內(nèi)蒙古中西部17個臺站的場地響應(yīng)均值曲線Fig.2 The mean response curve of 17 stations in the middle west of Inner Mongolia

圖3 內(nèi)蒙古中東部11個臺站的場地響應(yīng)均值曲線Fig.3 The mean response curve of 11 stations in the middle east of Inner Mongolia

3.2.3 內(nèi)蒙古東部研究區(qū)域

圖4給出了東部研究區(qū)域的11個臺站場地響應(yīng)。從圖中可以看出，10個臺站的場地響應(yīng)在頻率為1—20Hz范圍內(nèi)時，場地響應(yīng)因子的范圍為0.5—5。其中，ARS、GNH臺在頻率1—20Hz范圍的場地響應(yīng)略大于1，但接近1，較為穩(wěn)定；WLT、MZL臺在低頻接近1，高頻出現(xiàn)放大因子至2—4；XIQ、MDG、CHR、ZLT、NJT、IDR臺的場地響應(yīng)存在明顯的放大效應(yīng)，最大達到5；HLR臺在低頻明顯衰減，高頻在1左右。由此可見，該研究區(qū)域的大部分臺站場地放大效應(yīng)明顯。

圖4 內(nèi)蒙古東部11個臺站的場地響應(yīng)均值曲線Fig.4 The mean response curve of 11 stations in the east of Inner Mongolia

4 分析與結(jié)論

本文利用遺傳算法聯(lián)合反演Q值和臺站場地響應(yīng)，得到的Q值是所有射線行走路徑穿過的地殼介質(zhì)的平均值（趙翠萍等，2004）。場地響應(yīng)結(jié)果顯示，三個研究區(qū)域的39個臺站的場地響應(yīng)在頻率1—20Hz范圍內(nèi)，場地衰減或放大效應(yīng)不一，所以即使是基巖臺站的場地響應(yīng)也不能簡單取1。

內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的17個臺站與頻率有關(guān)的場地響應(yīng)顯示出以下四種變化特征：BLM、RLT臺的場地響應(yīng)接近于1、且變化平穩(wěn)，這反映出2個臺站基巖較為穩(wěn)定；WUH、DSM、WJH、XSZ、DOSH、BATO、CSQ、WLH、HLG、LCH臺的場地響應(yīng)低頻接近于1，高頻衰減，這與這些臺站基巖較為堅硬或臺站所處的地質(zhì)環(huán)境影響有關(guān)，這些臺站大多位于構(gòu)造和斷裂帶附近；BYT、HHC、JIN、QSH臺的場地響應(yīng)低頻放大，高頻衰減，這可能與臺基位于軟的沉積層受場地影響有關(guān)，這些臺站的臺基巖性都較為脆弱，多為砂巖或灰?guī)r；BHS臺的場地響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的場地放大，這可能是受場地周圍介質(zhì)影響，與臺站周圍覆蓋層較厚有關(guān)。相關(guān)的研究表明，土層臺對低頻率波放大作用高于對高頻率波的放大作用（朱新運，2012）。河套盆地周圍的幾個觀測環(huán)境基本相同的DSM、WJH、XSZ臺，其場地響應(yīng)曲線形態(tài)基本一致，這在一定程度上反映出該地區(qū)的場地特征。特別是該區(qū)域整體場地衰減效應(yīng)明顯，說明該區(qū)域的臺基較為堅硬。

內(nèi)蒙古中東部研究區(qū)域11個臺站的場地響應(yīng)顯示出以下四種變化特征：BAC、LIX、NIC、CHF、XIH、LUB臺的場地響應(yīng)接近于1，說明基巖較為穩(wěn)定；AGL、JIP臺的場地響應(yīng)低頻接近于1，高頻衰減，這與臺站所處的地質(zhì)環(huán)境影響有關(guān)；HLH臺的場地響應(yīng)低頻放大，高頻接近于1，這可能是受臺基位于軟的沉積層場地影響，臺基風(fēng)化較為嚴重；XLT、TIS臺的場地響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的低頻略有衰減，高頻接近于1，這可能是受場地周圍特殊介質(zhì)環(huán)境影響。開魯盆地周圍靠近隆起帶的NIC、CHF、XIH、LUB、TIS臺的場地響應(yīng)形態(tài)基本一致，這反映出該地區(qū)的場地特征。特別是該區(qū)域的大部分臺站場地響應(yīng)都在1左右，說明該區(qū)域的臺基相對來說比較穩(wěn)定和理想。僅AGL臺有明顯的場地衰減效應(yīng)、且幅度大，這可能與特殊臺基或斷裂構(gòu)造有關(guān)，還需做進一步的研究。

內(nèi)蒙古東部研究區(qū)域11個臺站的場地響應(yīng)顯示出以下四種變化特征：ARS、GNH臺的場地響應(yīng)接近于1、但略大于1，平穩(wěn)變化，這反映出這些臺站基巖較為穩(wěn)定；WLT、GNH臺的場地響應(yīng)低頻接近于1，高頻放大，這可能與臺站所處的周圍地質(zhì)環(huán)境影響有關(guān)，因為臺站周圍存在有一定厚度的覆蓋層或基巖不理想的情況；XIQ、MDG、CHR、ZLT、NJT、IDR臺的場地響應(yīng)存在明顯的放大效應(yīng)，這也是由于受臺基位于軟的沉積層或者周圍場地的影響，因為該地區(qū)存在較厚的覆蓋層；HLR臺的場地響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的低頻衰減，高頻接近于1，這可能與場地周圍特殊介質(zhì)環(huán)境有關(guān)，因為該臺站與周圍山體構(gòu)造連續(xù)相對應(yīng)。一般來說，由于密度和波速相對較低會造成介質(zhì)的阻抗較小（介質(zhì)的阻抗等于密度和波速的乘積），而地震波的振幅與阻抗的平方根成反比，當(dāng)?shù)卣鸩▊鞯降退?、低密度固體中時，振幅會增大。因此，與靠近位于基巖上的場地相比，不理想的臺站場地上由同一個地震產(chǎn)生的晃動更為劇烈（華衛(wèi)等，2010）。內(nèi)蒙古東部研究區(qū)域的臺站場地響應(yīng)都存在不同程度的放大，這反映出該地區(qū)存在較厚覆蓋層的情況，同時也在一定程度上反映了該地區(qū)的場地特征，其臺基最大放大為5倍，放大效應(yīng)明顯。根據(jù)對臺站的實地考察，該區(qū)域的大部分臺站理想基巖之上有松軟土層，或者場地表層的巖石與理想基巖不連續(xù)，破碎程度高，有松散等情況。

臺站場地響應(yīng)主要受臺站基底巖性以及場地所處的淺層地質(zhì)條件、沉積場地的覆蓋層厚度等多種因素的影響。本文的研究成果可以作為臺網(wǎng)基礎(chǔ)性參數(shù)，對進一步研究震級校正等有重要意義。

致謝：本研究得到了中國地震局預(yù)測研究所趙翠萍、王洪體老師的幫助與指導(dǎo)，在此深表感謝。

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Regional Characteristic Analysis on Site Response of Digital Stations in Inner Mongolia

Wang Xin, Yin Zhanjun, Hao Meixian and Zhang Hui
(Earthquake Administration of Inner Mongolia，Hohhot 010080，China)

Inner Mongolia region is divided into three areas on the basis of seismic activity, station layout and geological tectonics, in which 785 waveform recordings of 124 earthquakes with MLequal or greater than 3.0 from 39 stations are processed in this study. We applied a lag-window spectral technique to obtain a stable Fourier spectrum of signals and noises. By adopting Genetic algorithm, reflected respectively transmission medium inelastic attenuation coefficient and station site response of three different tectonic regions are analyzed in order to obtain medium attenuation model and spectrum of station site response, which will be significant in providing important reference to earthquake magnitude corrected value of station. The results show that site response of most stations is of regional characteristics. In specific, high frequency shows strong attenuation for stations in western region; whereas no strong attenuation from stations in middle east region; remarkable enhancement of whole frequency arrangement from stations in eastern region. The above observation is in good agreement with the thickness variation of covering layer in the area.

Inner Mongolia region；Q value；Inelastic attenuation；Genetic algorithm；Site response；The source spectrum

中國地震局“測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項”—內(nèi)蒙古測震臺站場地響應(yīng)及其對震級影響研究（20130204）資助

2014-06-06.

王鑫，男，生于1982年。2007年畢業(yè)于內(nèi)蒙古大學(xué)物理系，工程師。主要從事臺網(wǎng)地震監(jiān)測與系統(tǒng)運維工作。E-mail：wangxin0111@163.com