山西地區(qū)地震波衰減、場地響應(yīng)及其在新參數(shù)地震目錄中的應(yīng)用

劉林飛，翁釗強，梁向軍

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.廣東省地震局汕頭地震臺，廣東 汕頭 515000；3.太原大陸裂谷動力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030021)

中國數(shù)字地震觀測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)完成以后，就擁有近1千個數(shù)字化地震觀測臺站，這些臺站積累了豐富的數(shù)字地震觀測資料。為充分發(fā)揮數(shù)字化地震臺網(wǎng)整體監(jiān)測效能，強化臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品產(chǎn)出，更好地服務(wù)于地震預(yù)報和地震科研工作，中國地震局又啟動了新參數(shù)地震目錄試編工作。新參數(shù)地震目錄是在傳統(tǒng)地震目錄的基礎(chǔ)上，增加了矩震級、地震矩、地震應(yīng)力降和震源尺度4個震源參數(shù)的地震目錄。然而，計算這些新的地震參數(shù)，需要有可靠的地殼介質(zhì)品質(zhì)因子Q(f)和穩(wěn)定的觀測臺站場地。本文就是利用山西數(shù)字地震臺網(wǎng)的數(shù)字化波形資料，計算了山西地區(qū)的介質(zhì)品質(zhì)因子Q(f)和各個臺站的場地響應(yīng)參數(shù)，應(yīng)用這些結(jié)果計算了2015年1月至12月的ML≥2.5級地震的震源新參數(shù)地震目錄，并對這些結(jié)果進(jìn)行可靠性分析。

圖1 61個臺站和46次地震的射線分布

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 資料選取

山西數(shù)字地震臺網(wǎng)目前有72個實時記錄的觀測臺站，其中山西省57個臺站，鄰省15個臺站(陜西、河南、河北和內(nèi)蒙古)。這些臺站全都建在基巖上，觀測儀器均為三分向?qū)掝l帶或甚寬頻帶地震計，儀器采用24位數(shù)據(jù)采集器，采樣率均為100 次每秒。山西數(shù)字地震臺網(wǎng)地震監(jiān)控能力在山西省范圍內(nèi)達(dá)到ML2.0級，局部地區(qū)達(dá)到ML1.0～1.5級(張玲，2010)。在計算介質(zhì)品質(zhì)因子Q(f)時，本文通過挑選發(fā)生在山西地區(qū)ML≥3.0級46次地震參與計算，這46次地震均勻地分布在山西省的各個地區(qū)，且各個地區(qū)要求沒有重復(fù)地震，61個臺站參與反演，其射線路徑圖如圖1所示。

1.2 計算方法

通常利用震源假設(shè)或譜相除方法從攜帶有震源信息和臺站信息的波形記錄中分離衰減項，得到射線路徑及其周圍區(qū)域隨頻率變化的平均Q值。Atkinson和Mereu于1992年提出區(qū)域范圍射線傳播路徑上的幾何衰減隨震中距變化的三段地震波幾何衰減模型(Atkinson，1992)，采用多臺多地震聯(lián)合迭代反演，研究了加拿大東南部地震波衰減規(guī)律。

首先，設(shè)定所有臺站場地響應(yīng)為1，對給定的非彈性衰減系數(shù)c(f)，通過校正臺站記錄的幾何擴散和非彈性衰減，得到相應(yīng)地震的震源譜振幅，再調(diào)整c值使得各臺站得到的同一地震的震源譜振幅殘差最小。其次，設(shè)定某次地震的震源譜是各個臺站震源譜振幅的平均值，各臺站場地響應(yīng)的對數(shù)就是該臺站得到的震源譜振幅對數(shù)與該地震的震源譜振幅對數(shù)之差的平均值。最后，考慮各臺站得到的場地響應(yīng)，重新計算各臺站經(jīng)過校正后的震源譜振幅，通過調(diào)整c值，使對同一地震得到的震源譜振幅的殘差最小(Liu J，2003)。經(jīng)過多次迭代反演，就可以得到該區(qū)域的非彈性衰減系數(shù)c(f)，進(jìn)而擬合得到頻率依賴的區(qū)域介質(zhì)品質(zhì)因子Q(f)。

與上述衰減作用相反的是，覆蓋在理想基巖上的松軟土層因其密度和波速相對較低，造成介質(zhì)的阻抗較小(介質(zhì)阻抗等于密度與波速的乘積)，地震波的振幅與阻抗的平方根成反比，當(dāng)射線在低密度、低地震波速的固體介質(zhì)中傳播時，受觀測臺站場地增益的影響，地震波振幅會增大。目前測量地震觀測臺站場地響應(yīng)的方法很多，其中的地面運動反演法則假設(shè)地震觀測臺站場地響應(yīng)對所有地震是一樣的(Moya C A，2000)，這樣就可以通過多臺多震聯(lián)合同時反演地震震源譜和臺站場地響應(yīng)。此方法已被國內(nèi)外許多專家對不同地區(qū)進(jìn)行了研究(劉杰，2003；華衛(wèi)，2009；趙翠萍，2011；吳微微，2016)。本研究也使用這種方法，采用Brune的ω平方模型約束震源位移譜(Brune J N,1970)，在已知幾何衰減和非彈性衰減的條件下，假設(shè)場地響應(yīng)只取決于臺站附近地表地層介質(zhì)的特性，并且由任何一次地震事件求得的臺站場地響應(yīng)結(jié)果均相同，利用遺傳算法和多臺多地震數(shù)據(jù)尋找不同的震源譜參數(shù)，使由不同事件得到的臺站場地響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，計算出61個地震觀測臺站的場地響應(yīng)。

圖2 山西地區(qū)Q(f)的擬合曲線

2 反演結(jié)果

2.1 品質(zhì)因子Q(f)值

在計算過程中，我們要求地震和臺站的空間分布要盡可能均勻，地震的信噪比要符合要求，地震記錄滿足信噪比的臺站個數(shù)要大于3個，滿足要求的地震和臺站間的射線分布足夠多，震級MS≤5.5，要有足夠多的臺站記錄到地震。根據(jù)這些要求后計算得到山西地區(qū)非彈性衰減系數(shù)c(f)，進(jìn)而得到介質(zhì)的品質(zhì)因子Q(f)。用國際上通用的形式Q(f)=Q0fη的來擬合Q與頻率f的關(guān)系，系數(shù)η反映Q對頻率f的依賴程度，當(dāng)γ=0時，Q與頻率f無關(guān)。通過擬合得到的Q(f )與頻率的關(guān)系式(圖2)。Q(f)的大小與介質(zhì)的均勻程度相關(guān)聯(lián)，Q0值較低，η值較大，說明介質(zhì)的均勻程度低，由計算結(jié)果可知，山西地區(qū)的構(gòu)造活動比較穩(wěn)定。

2.2 臺站的場地響應(yīng)

臺站的場地響應(yīng)一般是指場地附近理想基巖之上覆蓋的松軟土層對地震波振幅的影響，而理想觀測臺站基巖則被認(rèn)為對地震波振幅是沒有影響的，場地響應(yīng)反映是介質(zhì)的一種物理特征。本文挑選了波形質(zhì)量好、地震和臺站均勻分布于山西區(qū)域，通過200次的迭加反演，72個所選臺站中最終得到61個臺站的場地響應(yīng)(參見圖3(a-c))，縱坐標(biāo)是場地響應(yīng)值，橫坐標(biāo)是頻率，單位HZ。從圖3(a-c)可以看出：這61個臺站的場地響應(yīng)基本比較理想，這與臺站的選址有關(guān)，而且臺基巖性均為基巖臺。

圖3 61個臺站的場地響應(yīng)

2.3 震源參數(shù)的測定結(jié)果

根據(jù)以上計算反演得到的Q(f)值和61個臺站的場地響應(yīng)，本文計算了山西測震臺網(wǎng)2015年1月至12月的ML≥2.5級24次地震的震源新參數(shù)(參見表1)，以2015年5月25日山西太原M2.2級地震為例(參見圖4)。在測定震源新參數(shù)時，對臺站的要求是參與計算的臺站必須同時標(biāo)注初至P波(Pn或Pg波)和初至S波(Sn或Sg波)到時，臺站盡量包圍震中，臺站最大張角要小于180(，信噪比大于2的臺站數(shù)不得小于3個。根據(jù)上述要求計算完成后，參照臺站挑選界面，根據(jù)臺站分布優(yōu)化臺站選擇，重新計算，直到計算結(jié)果的ΔU和震源譜擬合誤差達(dá)到盡可能小。

表1 24次地震的震源參數(shù)結(jié)果

以2015年5月25日山西太原的M2.2級地震為例(參見圖4)，這個震例比較典型，此次地震發(fā)生在太原地區(qū)，位于山西中部，中部的地震可記錄到的臺站較多，滿足計算震源新參數(shù)的臺站數(shù)目有25個，震源譜擬合的很好，臺站最大張角為37度，說明了臺站布局很合理，計算結(jié)果很理想。從表1可以看出，ΔU的值均小于規(guī)范要求的值0.5，除了2015年11月16日原平M1.8級地震(參見圖5)和12月10的原平M3.1級地震(參見圖6)外，震源譜擬合誤差都小于1。

圖4 2015年5月25日山西太原M2.2級地震的震源新參數(shù)

圖5 2015年11月16日山西原平M1.8級地震的震源新參數(shù)

圖6 2015年12月10日山西原平M3.1級地震的震源新參數(shù)

2015年11月16日原平M1.8級地震發(fā)生在山西的北部，與發(fā)生在山西中部的太原地震相比，臺站包圍震中較差，震級也較小，能清晰記錄到此次地震的臺站也較少，在計算震源新參數(shù)時，共有6個滿足條件的臺站參與計算，臺站最大張角為117°，導(dǎo)致了此次地震震源譜的擬合誤差比別的地震大，為1.27，但也在誤差允許范圍之內(nèi)。

2015年12月10日同樣發(fā)生在原平的3.1級地震，從圖6可以看出,由于此次地震的震級較大，參加定位的地震臺站也較多，滿足計算震源新參數(shù)的臺站達(dá)21個，參與計算臺站的最大張角為76°，震源譜的擬合誤差為了0.10。震源譜擬合誤差與參與計算的臺站個數(shù)有關(guān)系，臺站越多，最大張角越小，震源譜擬合誤差越小，反之，參加計算的臺站個數(shù)越少，最大張角越大，震源譜擬合誤差越大，這與我們?nèi)粘５卣鸲ㄎ粴埐畹脑硐嘁恢隆?/p>

從表1還可以看出，M≤3.0級的地震的矩震級比定位結(jié)果的震級較大，具體原因有待于進(jìn)一步查清。隨著震級的增大，計算出的新的地震參數(shù)矩震級、應(yīng)力降、震源尺度及地震矩隨之增大。

3 結(jié)論與討論

(1)本文利用山西數(shù)字地震臺網(wǎng)的波形資料，計算反演了山西地區(qū)Q(f)值和個71臺站的場地響應(yīng)，最終得到山西地區(qū)的Q(f)=473.5f0.3234，61個滿足條件的臺站的場地響應(yīng)。(2)用所求得的Q(f)值和61個臺站的場地響應(yīng)，計算了山西臺網(wǎng)記錄到的2015年1月至12月的ML≥2.5級24次地震的震源新參數(shù)，計算結(jié)果表明，所得到的震源新參數(shù)的結(jié)果滿足規(guī)范的要求，說明了計算反演的山西地區(qū)Q(f)值和61個臺站的場地響應(yīng)結(jié)果可靠，可用于臺網(wǎng)日常的上報和評比工作。

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