遼寧地區(qū)Lg波衰減及場(chǎng)地響應(yīng)特征*

邵媛媛，鄭 勇，王 亮，楊士超，賈麗華，翟麗娜

(1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢430074；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 地球內(nèi)部多尺度成像湖北重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074)

0 引言

地震波衰減參數(shù)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震活動(dòng)性密切相關(guān)(Sato，F(xiàn)echler，1998)，是控制地震破壞性大小的關(guān)鍵性因素之一。遼寧地區(qū)是中國(guó)東部地震活動(dòng)構(gòu)造區(qū)，境內(nèi)有東部最大的斷裂帶郯城—廬江斷裂帶(雷清清等，2008)，歷史上發(fā)生過(guò)1975年海城7.3級(jí)大地震，且中小地震活動(dòng)頻繁。區(qū)內(nèi)第四紀(jì)構(gòu)造盆地十分發(fā)育，特別是下遼河—遼東灣渤海沉降區(qū)的第三系、第四系厚度可達(dá)數(shù)千米(萬(wàn)波，鐘以章，1997)，沉積層引起的地震波衰減或放大效應(yīng)對(duì)記錄到的地震波形有重要的影響(Taoetal，2014)，只有定量了解臺(tái)站區(qū)域的地下介質(zhì)響應(yīng)及衰減情況，才能對(duì)觀測(cè)到的地震波形進(jìn)行校正，得到真實(shí)的地下結(jié)構(gòu)及震源信息。

近年來(lái)，研究人員對(duì)遼寧及周邊區(qū)域的地震衰減結(jié)構(gòu)開展了一些研究，這些研究多圍繞局部地區(qū)如海城蓋州地區(qū)的地震波衰減參數(shù)展開，主要采用P波頻譜特征(朱傳鎮(zhèn)等，1977)或尾波成分法(王偉君，劉杰，2004；李宇彤等，2008)，缺少對(duì)于其他區(qū)域的衰減結(jié)構(gòu)研究。基于一定的散射模型，開展中強(qiáng)地震或地震序列Q值變化的研究對(duì)臺(tái)站場(chǎng)地效應(yīng)衰減部分不予考慮或者考慮比較簡(jiǎn)單，導(dǎo)致其衰減結(jié)果的可靠性存在較大的不足。從研究方法來(lái)看，疊加譜比法(SSR)(Xie，Mitchell，1990)和逆向雙臺(tái)譜比法(Chun，1987)，將場(chǎng)地響應(yīng)簡(jiǎn)化或歸一化，一定程度上壓制場(chǎng)地響應(yīng)影響來(lái)獲取地震波衰減參數(shù)，且對(duì)資料選取嚴(yán)格，大大制約了該方法的適用性；Moya等(2000)提出的遺傳算法(Holland，1975)，雖實(shí)現(xiàn)了震源譜參數(shù)和場(chǎng)地響應(yīng)的聯(lián)合反演，應(yīng)用較廣泛，但方法上依賴于震源模型假設(shè)的正確性，而震源模型的可靠性又經(jīng)常依賴于地下結(jié)構(gòu)和場(chǎng)地響應(yīng)的準(zhǔn)確性，兩者之間存在著折中問(wèn)題。針對(duì)這些方法存在的困難，在譜比法基礎(chǔ)上，朱新運(yùn)和陳運(yùn)泰(2007)提出Lg波衰減參數(shù)和臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)聯(lián)合反演的方法，該方法主要利用路徑衰減效應(yīng)與各臺(tái)站震中距無(wú)關(guān)的特點(diǎn)，將衰減參數(shù)與場(chǎng)地效應(yīng)分離，資料選取不再局限于兩臺(tái)站的逆向雙臺(tái)連線上，增加了資料的可使用數(shù)量，并在中國(guó)東部、華北盆地以及浙江地區(qū)得到了很好的應(yīng)用(朱新運(yùn)，陳運(yùn)泰，2007；朱新運(yùn)，2016；Zhu，Chen，2012；Zhu，2014)，結(jié)果穩(wěn)定可靠，顯示了其優(yōu)越性。

隨著區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的建立與完善，遼寧地區(qū)臺(tái)站覆蓋密度大大提高，獲得了豐富的中小地震觀測(cè)資料，為詳細(xì)研究遼寧地區(qū)的地震衰減結(jié)構(gòu)、確定臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)提供基礎(chǔ)。本文基于遼寧及周邊區(qū)域的國(guó)家固定臺(tái)網(wǎng)資料，利用地震波衰減參數(shù)與場(chǎng)地響應(yīng)聯(lián)合反演方法研究遼寧地區(qū)地震波衰減參數(shù)和場(chǎng)地響應(yīng)，以期為今后精確測(cè)定地震震源參數(shù)提供可靠的臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)資料，并為該區(qū)域的強(qiáng)地面震動(dòng)及地震危險(xiǎn)性研究提供基礎(chǔ)信息。

1 資料選取及處理

1.1 資料選取

本文研究區(qū)域?yàn)檫|寧地區(qū)(38°～44°N，119°～126°E)，共挑取2008—2017年遼寧數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)32個(gè)臺(tái)站記錄到的238次地震，震級(jí)范圍為ML2.8～5.6，臺(tái)站的震中距范圍為90～500 km。臺(tái)站布設(shè)儀器包括短周期和寬頻帶地震儀，采樣率為100 Hz，場(chǎng)地類型包括地表、井下和山洞，臺(tái)基類型均為基巖。所選地震震中、臺(tái)站分布及地震射線地面投影如圖1所示。由圖可見(jiàn)，Lg波地震射線地面投影分布較為均勻。

1.2 資料處理

一般認(rèn)為L(zhǎng)g波是在地殼介質(zhì)中經(jīng)過(guò)多次全反射形成的，在區(qū)域性短周期和寬頻帶地震圖上震相清晰，其振幅穩(wěn)定，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，能量最大，易于觀察，對(duì)地殼構(gòu)造及地殼介質(zhì)物理參數(shù)的變化更為敏感，使用Lg波資料獲得場(chǎng)地響應(yīng)結(jié)果更為穩(wěn)定(劉建華等，1999，2004；朱新運(yùn)，陳運(yùn)泰，2007)。對(duì)于Lg波段能量，多利用速度窗進(jìn)行截取(Compilloetal，1985；Murphy，Bennet，1982；Mitraetal，2006；朱新運(yùn)，陳運(yùn)泰，2007；朱新運(yùn)，2016；Zhu，Chen，2012；Zhu，2014；于俊誼，朱新運(yùn)，2016；秦敏等，2018)。采用不同的速度窗長(zhǎng)(2.3～3.6 km/s，2.6～3.1 km/s和3.1～3.6 km/s)截取Lg波段，對(duì)衰減參數(shù)計(jì)算的影響可忽略(Compilloetal，1985)。

圖1 本文使用的地震震中和臺(tái)站分布及l(fā)g波地震射線在地面的投影圖Fig.1 Distribution of earthquakes，seismic stations， and seismic ray paths of Lg wave used in this study

本文利用Lg波衰減參數(shù)和場(chǎng)地響應(yīng)聯(lián)合反演方法(朱新運(yùn)，陳運(yùn)泰，2007)，對(duì)所選的地震波形逐條進(jìn)行檢查，去除有突跳、斷記和畸形等問(wèn)題的波形，最后保留信噪比高的波形記錄共2 516條；然后使用固定速度窗方法截取Lg波段，窗長(zhǎng)取2.2～3.6 km/s。圖2為2013年1月23日燈塔5.1級(jí)地震臺(tái)站記錄波形的Lg波截取實(shí)例，其中藍(lán)色直線分別為2.2 km/s和3.6 km/s的到時(shí)曲線，紅色波形為窗內(nèi)波形。為防止譜泄露，對(duì)截取的Lg波段進(jìn)行補(bǔ)零至2的整數(shù)次方倍長(zhǎng)度，在兩端加2%的cos邊瓣后進(jìn)行FFT、儀器校正和幾何衰減校正，并以3個(gè)單位頻率步長(zhǎng)采樣進(jìn)行平滑處理，這樣對(duì)于每一個(gè)Lg信號(hào)段可以得到相同頻率間隔的波譜，計(jì)算Lg波譜(圖3)。

圖2 使用2.2～3.6km/s速度窗長(zhǎng)截取的Lg波段(a)及其相應(yīng)波譜(b)
Fig.2 The seismic waveforms in the time window within the velocity band of
2.2～3.6 km/s(a) and its Lg spectrum(b)

圖3 遼寧地區(qū)介質(zhì)衰減Q(f)與頻率f的擬合圖Fig.3 Relationship between Q(f) and f in Liaoning region

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 衰減參數(shù)

在頻率域內(nèi)，使用UD，EW，NS向三分向數(shù)據(jù)，對(duì)所截取的Lg波形進(jìn)行幾何校正、儀器響應(yīng)校正并作平滑，再根據(jù)分析頻率進(jìn)行采樣。在6～7 Hz處，Lg波的衰減參數(shù)以及對(duì)應(yīng)頻率的出現(xiàn)較大差異(朱新運(yùn)，2016)，因此本文選取頻段范圍為1～7Hz，間隔0.2 Hz進(jìn)行采樣，構(gòu)造矩陣方程并求解得到衰減參數(shù)及場(chǎng)地響應(yīng)參數(shù)，對(duì)衰減參數(shù)進(jìn)行形式的擬合。圖3顯示遼寧地區(qū)Lg波的Q值與f在1～7 Hz擬合較好，在低頻段1～2 Hz略有差異，擬合得到的衰減關(guān)系為：

QUD(f)=171.45f0.58

QEW(f)=213.73f0.51

(1)

QNS(f)=223.39f0.48

由表1可見(jiàn)，相比全球其它地區(qū)Lg波的衰減關(guān)系，遼寧地區(qū)Lg波衰減參數(shù)呈現(xiàn)以低Q值為主的特征。Benz等(1997)發(fā)現(xiàn)加利福利亞南部地區(qū)Lg波衰減關(guān)系在1～7Hz為Q(f)=187f0.55；Cha’vez和Priestley(1986)得到的美國(guó)大盆地Lg波衰減關(guān)系在1～5 Hz為Q(f)=235f0.56，在0.3～10 Hz為Q(f)=206f0.68，這2個(gè)區(qū)域衰減參數(shù)范圍與本文研究結(jié)果基本一致，而這2個(gè)區(qū)域地震活動(dòng)水平與遼寧地區(qū)的實(shí)際地震活動(dòng)水平也相當(dāng)。對(duì)比華北地區(qū)的情況看(Zhu，Chen，2012)，遼寧地區(qū)與華北東南盆地—西北山區(qū)過(guò)渡帶的Lg波Q值結(jié)果范圍一致，但頻率依賴指數(shù)η相對(duì)較小，說(shuō)明遼寧地區(qū)地震波的衰減強(qiáng)弱與華北地區(qū)東南盆地—西北山區(qū)過(guò)渡帶相似；雖然在高低頻段衰減差異要小一些，但差別不太大。

表1 不同區(qū)域Lg波衰減關(guān)系的比較Tab.1 Comparison of Lg-Wave attenuation relationship between different regions

2.2 場(chǎng)地響應(yīng)

表2為遼寧地區(qū)32個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地類型，本文聯(lián)合反演計(jì)算獲得了這些臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)特征(圖4)。各臺(tái)站的三分向場(chǎng)地效應(yīng)幅值變化在研究頻段內(nèi)較平滑，基本在1～8，少數(shù)臺(tái)(JCA，XMN，LHT)在5～7 Hz有抬升；GSH，H58，CHY臺(tái)幅值在低頻1～2 Hz有明顯放大；XYN，QYU，GAX，BXI臺(tái)幅值基本穩(wěn)定，在不同分向上的差異較大。

本文將3種場(chǎng)地類型的場(chǎng)地響應(yīng)幅值進(jìn)行徑向和垂向特征分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)不同類型場(chǎng)地的場(chǎng)地響應(yīng)特征差異明顯：

表2 32個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地類型Tab.2 The sites type of 32 stations in this study

(1)井下場(chǎng)地類型中H58臺(tái)(沉積巖)徑向上在1～2 Hz的放大效應(yīng)突出，幅值范圍為7～16，在3～7 Hz幅值要小很多，為3～5；GSH臺(tái)(灰?guī)r)整體幅值在2～4，低頻內(nèi)幅值抬升不大，只有4～5，相比之下，GSH臺(tái)在低頻場(chǎng)地放大效應(yīng)小很多，也比山洞、地表場(chǎng)地類型幅值更?。贿@2個(gè)臺(tái)站在垂向上差異沒(méi)有徑向上那么大，沒(méi)有突出的低頻放大效應(yīng)；

圖4 32個(gè)地震臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)Fig.4 Site response of the 32 seismic stations for estimation

圖5 3種場(chǎng)地類型在徑向(a)和垂向(b)場(chǎng)地響應(yīng)特征Fig.5 The amplification of three kinds site type between the radial and vertical directions

(2)山洞場(chǎng)地類型的臺(tái)站徑向上除QYU(混合花崗巖)、CHY(石灰?guī)r)臺(tái)的幅值最大值達(dá)12外，其它臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)幅值范圍為2～7.5。

(3)地表場(chǎng)地類型的臺(tái)站徑向上除BXI，HUR臺(tái)(均混合花崗巖)的幅值整體放大效應(yīng)明顯，范圍為5～14，其它臺(tái)的場(chǎng)地響應(yīng)幅值范圍為2～8，JZH臺(tái)(混合花崗巖)的場(chǎng)地響應(yīng)放大效應(yīng)最小，范圍為2～4，XMN臺(tái)(灰?guī)r)的幅值在高頻4～7 Hz上抬升明顯，幅值范圍為6～10。

(4)3種場(chǎng)地類型的共同特點(diǎn)是臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)幅值在徑向上比在垂向上整體大一些，幅值范圍在徑向上為2～12，而在垂向上為1～6。在使用HVSR(Horizontal-to-vertical spectral ratio，水平向與垂直向比值法)獲取場(chǎng)地響應(yīng)的方法中，研究者認(rèn)為場(chǎng)地響應(yīng)在垂直向沒(méi)有放大(Borcherdt，1970；Lachetetal，1996；Parolaietal，2010)，因此，垂向幅值小于徑向幅值是可能的。臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)與近地表介質(zhì)的密度、速度結(jié)構(gòu)有關(guān)，32個(gè)臺(tái)站分布于不同構(gòu)造區(qū)，地形地貌上凹陷隆起相間，近地表結(jié)構(gòu)不同，大多數(shù)臺(tái)站場(chǎng)地效應(yīng)幅值在徑向上大于垂向，可以排除淺表介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)差異因素的影響。而遼寧地區(qū)臺(tái)站基本都處于基巖上，所以筆者認(rèn)為這一特點(diǎn)可能與臺(tái)基巖石的屬性特征有關(guān)。從巖性方面看，在同場(chǎng)地類型中未發(fā)現(xiàn)不同巖性的臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)特征有明顯的差異，可能場(chǎng)地類型的差異比巖石屬性差異對(duì)臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)的影響更大。

2.3 結(jié)果可靠性分析

理論上，對(duì)于給定的頻率，通過(guò)構(gòu)造矩陣方程求解未知的Q值和場(chǎng)地響應(yīng)，幾個(gè)甚至1個(gè)地震記錄就可以獲得地震波的衰減和場(chǎng)地響應(yīng)。但在實(shí)際研究中，臺(tái)站和地震分布對(duì)結(jié)果有較明顯的影響，對(duì)于地震射線數(shù)量太少，覆蓋不均勻的情況，其反演的結(jié)果可能不能反映研究區(qū)域內(nèi)介質(zhì)的衰減特性；而對(duì)于地震射線覆蓋偏少的區(qū)域，需要累積更長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)，如果期間區(qū)域的地震衰減特性發(fā)生變化，那么結(jié)果也會(huì)存在著明顯的不穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)解的可靠性進(jìn)行測(cè)試分析。

為了確定反演結(jié)果的穩(wěn)定性，本文采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法中的隨機(jī)刪除樣本的重構(gòu)樣本空間方法(Eriksonetal，2004)。其思路是：①假定樣本總量為n，從n中隨機(jī)剔除d個(gè)樣本；②使用n-d個(gè)剩余樣本構(gòu)造新矩陣進(jìn)行m次求解，得到m組解；③計(jì)算m組解的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差值，以UD向的數(shù)據(jù)為例，隨機(jī)從觀測(cè)的191個(gè)地震總樣本數(shù)據(jù)中(n=191)隨機(jī)刪除66個(gè)地震(d=66)，重新構(gòu)觀測(cè)矩陣進(jìn)行1 800次(m=1 800)求解，最終獲得1 800組解，并計(jì)算其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差值(圖6，圖7)。從圖6可以看出，重構(gòu)矩陣方程計(jì)算獲得的衰減參數(shù)Q值為173.98，相對(duì)誤差為1.4%，頻率依賴指數(shù)η為0.57，的相對(duì)誤差1.7%，說(shuō)明反演結(jié)果是穩(wěn)定可靠的。

圖6 26個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的Q值擬合圖Fig.6 The frequency-dependent Q values at 26 frequencies

圖7 d=35%時(shí)Q0數(shù)據(jù)直方圖Fig.7 Normal distribution of Q0 value when d=35%

3 討論和結(jié)論

品質(zhì)因子Q值與地下結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)和強(qiáng)度具有極為密切的關(guān)系，一般認(rèn)為低Q值區(qū)域地殼斷裂發(fā)育強(qiáng)，介質(zhì)破碎，地殼變形強(qiáng)，多有地震活動(dòng)和水熱活動(dòng)；而高Q值區(qū)域則地殼塊體穩(wěn)定，地殼變形弱，地震活動(dòng)較少，水熱活動(dòng)性弱。因此，地震活動(dòng)性強(qiáng)的區(qū)域Q值低，活動(dòng)性弱的區(qū)域Q值高。本文計(jì)算得到遼寧地區(qū)Lg波的Q0為173～232，屬于低Q值范圍，與該區(qū)地震活動(dòng)性特點(diǎn)相一致。研究區(qū)內(nèi)的郯廬大斷裂的北段及北延段兩側(cè)地勢(shì)較低、河流發(fā)育、地溫較高，在古生代和中生代構(gòu)造活動(dòng)劇烈，幔源物質(zhì)上涌甚至出露，地幔頂部仍存在部分熔融，這可能是導(dǎo)致遼寧地區(qū)Q值低的原因。與華北地區(qū)相比(Zhu，Chen，2012)，遼寧地區(qū)Q值比華北地區(qū)的西北山區(qū)低，比東南盆地高，但與華北地區(qū)東南盆地—西北山區(qū)過(guò)渡帶的Q值范圍一致，頻率依賴指數(shù)相對(duì)較小。以上不僅說(shuō)明遼寧地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)性相對(duì)較低，也說(shuō)明該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相比華北地區(qū)較為平緩，沒(méi)有太多山區(qū)的構(gòu)造，沉積層的覆蓋度和深度也相對(duì)較低。吳明大(1991)計(jì)算渤海周圍地區(qū)烈度衰減關(guān)系顯示，與華北地區(qū)相比，烈度衰減在M7和M8是基本一致，而在M5～6時(shí)稍低0.1～0.3度，渤海周圍地區(qū)地震烈度衰減比華北地區(qū)慢，這一認(rèn)識(shí)與本文研究一致。本文得到的遼寧地區(qū)衰減結(jié)構(gòu)與區(qū)域的淺層地殼結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，表明采用的射線路徑在全區(qū)覆蓋均勻，本文資料選取和反演結(jié)果是可靠的。

本文獲取的場(chǎng)地響應(yīng)結(jié)果表明，32個(gè)臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)與頻率之間表現(xiàn)出不規(guī)則依賴關(guān)系，大多數(shù)臺(tái)站的場(chǎng)地效應(yīng)幅值平坦，幅值在8以下，少部分在10以上，最大不超過(guò)16。井下場(chǎng)地類型的GSH，H58臺(tái)在1～2 Hz低頻段放大效應(yīng)突出，而部分臺(tái)站如JCA，XMM臺(tái)在5～7 Hz高頻段放大效應(yīng)明顯，XYN， LYA，QYU，BXI等臺(tái)在整個(gè)頻段內(nèi)表現(xiàn)比較穩(wěn)定。同時(shí)，研究發(fā)現(xiàn)不同場(chǎng)地類型的場(chǎng)地響應(yīng)特征差異明顯：山洞類型較地表類型的場(chǎng)地放大效應(yīng)?。煌粓?chǎng)地類型中臺(tái)站基巖屬性差異對(duì)臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)的影響不明顯；各場(chǎng)地類型中的場(chǎng)地放大效應(yīng)在徑向上比垂向上大的多，可能與臺(tái)站基巖的屬性特征有關(guān)。

由于遼寧地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)形成遼寧境內(nèi)東西部大型隆起和中部凹陷的格局，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異對(duì)Lg衰減也會(huì)產(chǎn)生影響。篇幅所限，本文未對(duì)其進(jìn)行定量的分析，未來(lái)可以通過(guò)分區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步研究。

感謝浙江省地震局朱新運(yùn)研究員提供的反演計(jì)算軟件及對(duì)本文研究提出的寶貴意見(jiàn)。