云南地區(qū)非彈性衰減系數(shù)及場地響應研究

李丹寧 馬志斌 續(xù)外芬 高 洋 馬紅虎 徐 彥

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224 2 云南省有色地質局，昆明市東風巷29號，650051 3 玉溪市防震減災局，玉溪市紅龍路1號，653100 4 云南大學資源與環(huán)境學院，昆明市翠湖北路2號，650091

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云南地區(qū)非彈性衰減系數(shù)及場地響應研究

李丹寧1馬志斌2續(xù)外芬3高 洋1馬紅虎1徐 彥4

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148號，650224 2 云南省有色地質局，昆明市東風巷29號，650051 3 玉溪市防震減災局，玉溪市紅龍路1號，653100 4 云南大學資源與環(huán)境學院，昆明市翠湖北路2號，650091

利用2011～2015年云南區(qū)域地震臺網(wǎng)的數(shù)字波形資料，選取互相銜接的3段幾何衰減模型，運用基于遺傳算法的Atkinson方法反演云南地區(qū)的介質品質因子Q(f)，得到云南地區(qū)Q值與頻率的關系為Q(f)=193.8f0.528。采用Brune的ω平方模型約束震源位移譜，使用Moya方法聯(lián)合多臺多地震數(shù)據(jù)計算得到46個臺站的場地響應。結果顯示，巖石臺基對地震波信號在不同頻段的放大作用并不相同，云南地區(qū)場地響應總體存在明顯的低頻放大、高頻衰減現(xiàn)象，在卓越頻段1～4 Hz場地放大倍數(shù)大多在1～10倍，而在高頻段(10 Hz以上)場地的衰減大多在0.05～1倍。

非彈性衰減；Q值；場地響應

介質品質因子Q值是度量介質衰減的基本物理參數(shù)之一，反映了介質的非均勻性和非彈性。Q值越大，地震波損失的能量就越小，介質越接近完全彈性；反之，則介質為非完全彈性。1992年，Atkinson等[1]提出區(qū)域范圍射線傳播路徑上幾何衰減隨震中距變化的3段幾何衰減模型，并采用多臺多地震聯(lián)合迭代反演；蘇有錦等[2]采用Atkinson方法和遺傳算法，運用云南臺網(wǎng)的22個子臺，研究云南地區(qū)S波的非彈性衰減Q值，并討論Q值的分區(qū)特征；周龍泉等[3]根據(jù)云南地區(qū)1999～2007年35個數(shù)字地震臺站記錄的近震波形資料，采用遺傳算法對S波位移譜的高頻衰減進行擬合，反演得到云南地區(qū)的地殼Q值分布。

目前測量場地響應的方法主要有3種：地面運動反演法(Moya方法)、水平與垂直向之比法(HVSR法)和參考臺站法。Moya方法是一個依賴于震源模型但獨立于參考場地的估計場地響應的方法[4];其他兩種方法則分別假設垂直向不放大或參考臺站的場地響應為1，得到的結果是一種相對場地響應，受參考對象的影響較大[5]。在云南地區(qū)，葉建慶[6]使用滇西實驗場區(qū)資料，采用振幅譜頻率比方法，研究區(qū)域衰減效應和局部場地響應；劉麗芳等[7]采用1999～2003年地震波形記錄，運用Moya方法得到云南地區(qū)數(shù)字地震臺網(wǎng)早期22個臺站的場地響應，并進行了相關分析。本文采用Moya方法，針對目前發(fā)展較成熟的云南地區(qū)區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)的47個子臺(不含貴陽臺GYA和昆明臺KMI，另加入2013年新架設的鎮(zhèn)源臺ZHY)，利用最近幾年間的地震波形記錄來計算這些臺站的場地響應，以保證日常震源參數(shù)產(chǎn)出的可靠性。

1 數(shù)據(jù)資料

通過以下條件對云南地區(qū)及周邊的地震數(shù)據(jù)進行篩選：1)以地震和臺站的空間分布盡可能均勻為大前提；2)每個事件至少被3個地震臺站記錄到；3)每個地震臺站至少記錄到3個事件。由于滇東地區(qū)地震較少，為確保得到這一地區(qū)臺站的場地響應，選擇事件時在這些地區(qū)有所增加。另外由于川滇交界處，尤其是滇東北臺站在計算時能同時符合條件2)和3)的事件不多，為得到較為可靠的結果，在這些區(qū)域的事件選擇上也有所側重。除此之外，研究區(qū)域整體的射線覆蓋較為均勻。最終我們選擇了2011～2015年震級在M3.0～5.0的70個地震參與計算。本次研究選取的臺站記錄除了波形可用外，還有信噪比等條件的限制，保證臺站記錄在對所選事件進行分析時的可靠性。

2 品質因子Q值

2.1 方法

從觀測譜中扣除儀器響應、自由表面效應和噪聲后，任一個地震在某一臺站觀測到的地面運動的剪切波傅里葉譜SH分量為：

(1)

式中，Aij(f)是第j個臺站觀測到第i個地震的譜振幅，Ai0(f)是第i個地震的震源譜振幅，Rij是震源距，G(Rij)是幾何衰減函數(shù)，c(f)是非彈性衰減系數(shù)，Sj(f)是第j個臺站的場地響應。

對式(1)兩邊取對數(shù)，得：

(2)

式中，非彈性系數(shù)c(f)與介質品質因子Q之間的關系為：

(3)

S波幾何衰減函數(shù)G(Rij)采用3段模型[1]：

(4)

式中，R01和R02分別為3段幾何衰減中第1段和第3段轉折點到震源的距離，b1、b2、b3分別為1、0、0.5。

假定某地區(qū)的地殼厚度為已知，未知參量就只有非彈性系數(shù)和各臺站的場地響應。本文通過迭代反演過程求得這些參數(shù)。

假設不同臺站得到的同一地震的震源譜是相同的，殘差定義為：

(5)

(6)

利用遺傳算法，以sum為目標，通過反復迭代即可求得非彈性衰減系數(shù)和幾何衰減函數(shù)中的各系數(shù)。

2.2 Q值

圖1給出70個地震利用上述方法得到的云南Q值與頻率的關系。

圖1 Q(f)的擬合曲線Fig.1 Fitted Q(f) curves of studied regions

本文結果Q(f)=193.8f0.528與蘇有錦等[2]2006年利用云南臺網(wǎng)22個臺站數(shù)據(jù)得到的結果Q(f)=238f0.388相比，Q0值接近但較低，η值較高，這與所用臺站數(shù)增加且所選事件發(fā)生的時間段不同有關。本次計算所用的臺站數(shù)比蘇有錦等[2]所用的22個臺站增加了1倍多，在選取地震事件分布范圍大致相同(覆蓋云南全省范圍)的條件下，臺站分布加密，平均震中距減小，射線路徑明顯縮短，射線所經(jīng)路徑的深度比較淺，從而導致計算的Q值比蘇有錦等的結果要小。因為一般情況下，射線越長，射線經(jīng)過路徑的深度就越深，Q值就會偏大。周龍泉[3]等根據(jù)35個數(shù)字臺站記錄的云南地區(qū)1999～2007年近震波形資料，得到云南地區(qū)地殼平均Q值為400。這是由于該研究假設Q值與頻率無關，而這一假設會直接影響Q值的大??；本文的研究結果是用與頻率相關的反演得出的，因此兩者結果存在較大差異。

3 場地響應

3.1 方法

本研究采用Moya方法計算臺站場地響應，其原理是：首先對每個地震選擇Brune[8]震源譜參數(shù)，每個震源譜參數(shù)被用于計算已記錄地震的臺站場地響應。假定每個臺站的場地響應無論哪個地震事件均相同，運用遺傳算法通過尋找不同的震源譜參數(shù)，使得由不同事件得到的臺站場地響應標準偏差最小。在獲得震源譜參數(shù)后，用經(jīng)過幾何衰減和非彈性衰減校正后的位移譜與震源譜相比較，可得到每個臺站的場地響應。

1)對第i個地震在第j個臺站觀測到的S波Fourier振幅譜進行幾何擴散和非彈性衰減校正，并從速度譜轉換成位移譜。在計算幾何擴散時，采用3段線性回歸函數(shù)。

①R≤R01時，直達波衰減為：

(7)

②R01

(8)

③R02

(9)

2)設定每個震源的震源譜參數(shù)(Ω和fc)，可得到每個地震的理論震源譜：

(10)

3)在第k個頻率上，第i個地震對第j個臺站的場地響應為：

(11)

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

(12)

通過不斷迭代搜尋fc和Ω0，使由不同地震得到的上述標準偏差最小。調整震源參數(shù)，使下式極?。?/p>

(13)

計算所有地震對同一臺站的場地響應，利用遺傳算法調整地震的震源參數(shù)，使場地響應函數(shù)的偏差最小，從而得到最穩(wěn)定的場地響應估計和震源譜參數(shù)。

值得注意的是Ω0、fc上下限的確定。在本研究中，Ω0的上限取震源譜中最低臺站1～2 Hz頻段的平均值，下限取上限的1/5，fc取2～10 Hz，

3.2 結果與討論

通過計算，除去達不到場地響應計算條件的宣威臺，最終計算了云南地區(qū)46個臺的場地響應結果。云南地區(qū)地質結構復雜，不同臺站基巖性質差別很大，圖2給出包含臺基巖性的臺站分布，但不包括相同基巖的不同臺站風化程度不同、基巖完整性不同等差別。根據(jù)不同巖性，將計算得到的46個臺站的場地響應結果排列如圖3。

圖2 云南地區(qū)計算了場地響應的46個臺站臺基巖性分布Fig.2 The station bedrock lithology of the 46 stations in Yunnan area

1)受觀測臺站場地增益的影響，地震波振幅會增大。通常用場地響應來描述臺基附近理想基巖上覆蓋的軟土層對地震波振幅的影響，理想基巖被認為是對地震波振幅沒有影響的[8]。臺站場地響應主要與臺站附近近地表地層介質阻抗有關[5]，即場地響應與臺站所在地區(qū)的構造性質有很大關系?？傮w來看，46個臺站記錄到的近震事件橫波最大振幅的卓越頻率f在1～4 Hz之間，而在高頻段(約10 Hz以上)場地響應的衰減比較明顯。云南地區(qū)場地的放大作用是比較明顯的，大多在1～10倍之間，不同的基巖風化程度、沉積層類型或厚度，都可能造成基巖臺站或沉積層臺站場地響應的差異。

2)值得注意的是，在滇西北，臺基為片麻巖的貢山臺場地響應最為平穩(wěn)，1～15 Hz頻段的放大倍數(shù)均在1倍左右；在其附近的中甸臺場地響應也相對平緩，除了8 Hz以上高頻段有較明顯的衰減之外，1～8 Hz頻段的放大倍數(shù)波動在4倍以內(nèi)，這可能與滇西北地區(qū)區(qū)內(nèi)深大活動斷裂發(fā)育、鄰近青藏高原、地殼厚度較厚、速度較低有關。另外位于滇東南的麻栗坡臺，架臺時作了挖坑處理，儀器架設在坑下較完整的灰?guī)r上，場地響應也比較平緩，且相比于其余大部分臺站(尤其是同樣位于滇東南的文山WES、個舊GEJ、金平JIP臺)，高頻衰減不明顯；位于滇東北的鹽津臺臺基為密質砂巖，硬度較高，相比于附近的巧家臺和昭通臺，其場地響應較為平緩。巧家臺由于臺站架設在土石混雜的礫巖上，導致場地響應在低頻和高頻出現(xiàn)較大差異，放大倍數(shù)在0.2～11倍；而昭通臺雖然臺基為玄武巖，但該地巖石節(jié)理較為發(fā)育，造成場地放大作用較為明顯，放大倍數(shù)在0.1～8倍。

圖3 反演得到的46個臺站的場地響應Fig.3 The site response of 46 stations obtained by genetic algorithm

3)通過對比不同基巖類型的臺站場地響應(圖4)發(fā)現(xiàn)，對于硬度最差的礫巖臺基，在低頻部分，場地放大作用較其他巖性的臺基要明顯得多，3個臺的場地響應均在2 Hz附近達到峰值，高頻部分(10 Hz以上)的衰減在0.1～1之間。對于砂巖為臺基的情況，除芒市臺外，其余14個臺基為砂巖的臺站在低頻部分的場地放大作用在1～10倍，芒市臺在1～4 Hz頻段放大倍數(shù)最高達12倍左右。該臺站臺基風化程度高，且近幾年背景噪聲計算結果均顯示噪聲較高、信噪比差，僅達到Ⅲ類臺水平。對于灰?guī)r臺基，從全省范圍來看，有21個臺站的基巖為灰?guī)r，無論是低頻段的放大還是高頻段的衰減，灰?guī)r較砂巖的結果總體來說都要平緩些。對于臺基為變質巖的情況，云南僅有洱源臺為變質巖，其場地響應在1～6 Hz頻段維持在3～8倍的放大作用，而在6～8 Hz頻段有明顯衰減。由于只有一個臺，其表現(xiàn)不一定具有普遍性。對于同樣只有一個貢山臺的片麻巖類型，前面已有相關分析。對于硬度較高的花崗巖及玄武巖臺基，雖然低頻段仍有近10倍的場地放大作用，但高頻段的衰減較灰?guī)r、砂巖等硬度差的基巖明顯要平緩。

圖4 不同基巖類型的臺站場地響應Fig.4 The site response summary graph of different bedrock types

4 結 語

本文運用Atkinson方法，基于遺傳算法，對云南省46個臺站記錄到的數(shù)字地震觀測資料進行研究，得到云南地區(qū)的平均Q值為193.8。這一結果與同樣是基于Q值與頻率相關的蘇有錦等[2]2006年的研究結果238相比稍低，這與兩次計算所選用的臺站及事件發(fā)生的時間段不同有關。臺站數(shù)從22個增加到46個，射線路徑明顯縮短，射線經(jīng)過路徑的深度比較淺，反映的是較淺部介質的Q值特征。地球淺部介質的非均勻性比深部大，地震波的衰減吸收快且對頻率的依賴性也更強，這也能較好地解釋了為何本文Q值結果比蘇有錦等2006年研究結果要小。

云南地區(qū)地質結構復雜，從46個臺站的場地響應來看，顯示出5個特點：1)臺站場地響應的卓越頻率f在1～4 Hz；2)云南地區(qū)場地的放大作用在低頻段(1～6 Hz)比較明顯，大多在1～10倍，高頻段(10 Hz以上)場地衰減作用明顯；3)雖然大部分地區(qū)場地在低頻段的放大作用較明顯，但還是存在一定的區(qū)域性，如滇西北地區(qū)場地響應就較為平緩；4)對于同一區(qū)域，不同的基巖類型和特性(包括風化程度、基巖完整性等)都會影響場地響應的穩(wěn)定性；5)基巖類型對場地響應也有影響，基巖硬度越小，場地放大和衰減越明顯，反之則越平緩。這一系列特征與云南地區(qū)地殼介質結構、構造復雜，地震活動深部介質構造區(qū)域差異很大[9]的地質構造特征有關。

致謝:中國地震局預測研究所華衛(wèi)研究員指導了相關計算，并對結果的討論提供了寶貴建議和意見；研究得到四川省地震局吳微微、云南省地震局蔡紹平、楊晶瓊、劉麗芳、付虹老師的支持與幫助，在此一并表示衷心感謝！

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About the first author:LI Danning, engineer, majors in seismology, source rupture of earthquake and site response of station, E-mail: 86740547@qq.com.

Study of Non-Elasticity Attenuation and Site Response in Yunnan

LIDanning1MAZhibin2XUWaifen3GAOYang1MAHonghu1XUYan4

1 Earthquake Administration of Yunnan Province, 148 Beichen Road, Kunming 650224, China 2 Yunnan Nonferrous Geological Bureau, 29 Dongfengxiang, Kunming 650051,China 3 Yuxi Earthquake Disaster Administration, 1 Honglong Road, Yuxi 653100, China 4 College of Resources and Environment, Yunnan University, 2 North-Cuihu Road, Kunming 650091, China

Using digital waveform data recorded by regional seismic networks in Yunnan between 2011 and 2015, attenuation characteristics and site response respectively are calculated. The frequency dependentQ(f) is obtained by the iterative grid-search technique, as described by Atkinson and Mereu, based on trilinear geometrical spreading model. Our results demonstrate that for Yunnan the associated model for regional quality factor for frequencies can be expressed asQ(f)=193.8f0.528. Additionally, we ascertain the source spectra determined by the model of Brune and the site responses of seismic stations derived by Moya’s method using genetic algorithms. The site response results of 46 stations demonstrate that the seismic signal amplification of Station bedrock is not the same in different frequency bands. The site response in Yunnan region shows obvious amplification with low frequency and attenuation with high frequency. Site amplifications are apparent in excellent frequency band (1～4 Hz), mostly between 1 and 10 times, and in the high frequency (10 Hz or more) site attenuation is mostly between 0.05 and 1 times.

non-elasticity attenuation；Qvalue; site response

Young Talents Training Project for the Seismic Network, No.20150426; National Natural Science Foundation of China, No.41564003.

2016-04-25

項目來源：測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(20150426)；國家自然科學基金(41564003)。

李丹寧，工程師，主要從事地震學、震源破裂、臺站場地響應研究，E-mail:86740547@qq.com 。

10.14075/j.jgg.2016.12.002

1671-5942(2016)012-1041-06

P315

A