渭河盆地及鄰區(qū)場(chǎng)地響應(yīng)和非彈性衰減研究

王衛(wèi)東,張鈺誠(chéng),趙云峰,鄭 怡

（1.長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院,西安 710054；2.中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心,西安 710054；3.陜西省地震局,西安 710068）

過去幾十年間強(qiáng)地面振動(dòng)及其工程應(yīng)用的研究取得了很大的進(jìn)展[1-7],地面振動(dòng)依賴于震源、傳播路徑和場(chǎng)地響應(yīng)等方面,這幾種效應(yīng)的分離對(duì)于精確確定地震參數(shù)十分重要。其中,場(chǎng)地響應(yīng)可通過實(shí)際地面振動(dòng)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)估計(jì)或S波速度剖面的數(shù)值模擬得到；地震波衰減(Q值)是描述地殼介質(zhì)非均勻程度的確定性指標(biāo), 反映了介質(zhì)的非均勻性和非彈性特征。使用實(shí)測(cè)地震波資料估算場(chǎng)地響應(yīng)和地震波衰減特征有多種方法[8],Atkinson方法較好地解決了震源、路徑和場(chǎng)地響應(yīng)的分離,演化出多種具體計(jì)算方法并得到廣泛的應(yīng)用[9-13]。

渭河斷陷盆地位于鄂爾多斯地塊南緣,其南方是分隔華北克拉通與華南地塊的秦嶺造山帶,歷史上曾發(fā)生過華縣81/4級(jí)地震等多次強(qiáng)震,但現(xiàn)代地震活動(dòng)強(qiáng)度較低。本文采用Atkinson方法來研究渭河盆地及鄰區(qū)場(chǎng)地響應(yīng)和非彈性衰減。

1 觀測(cè)資料

從2002年1月至2012年12月陜西省數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的記錄中,挑選波形清晰,信噪比較高的ML≥2.5地震記錄,且要求每個(gè)臺(tái)站至少記錄到3個(gè)地震,每個(gè)地震至少有3個(gè)臺(tái)站記錄,共選擇了6個(gè)臺(tái)站20次地震的98條地震記錄。首先對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行零線校正、去傾,儀器響應(yīng)校正,進(jìn)行方向旋轉(zhuǎn)合成SH波；然后采用平移窗方法計(jì)算SH波位移譜,并消除SH波的自由表面效應(yīng)；最后采用Atkinson方法反演渭河盆地及鄰區(qū)場(chǎng)地響應(yīng)和非彈性衰減。表1為臺(tái)站參數(shù),圖1為震中、臺(tái)站位置和射線分布。

表1 臺(tái)站參數(shù)表Table 1 Parameters of the stations used in this study

圖1 臺(tái)站、震中和射線路徑分布圖Fig.1 The distribution of seismic stations,epicenters and ray paths

2 研究方法

進(jìn)行儀器響應(yīng)校正和自由表面效應(yīng)處理后,在頻率域地震波的位移譜為[7]:

式中,Aij(f)為入射第j個(gè)臺(tái)站記錄的第i個(gè)地震SH波的位移譜振幅,Ai0(f)為第i個(gè)地震的震源譜,G(Rij)為幾何擴(kuò)散,Rij為震源距,Q(f)為品質(zhì)因子,β為S波速度,Sj(f) 為第j個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)。

（1）式兩邊取對(duì)數(shù),得:

式中:

本次研究采用Atkinson三段幾何衰減模型[11]描述幾何擴(kuò)散與震源距的關(guān)系:

式 中R1,R2,b1,b2,b3為 常 數(shù)。根 據(jù) 已有 的 研 究,取b1=1,b2=0,b3=0.5,一 般 取R1=1.5H,R2=2.5H,H為研究地區(qū)的地殼厚度,本文取H=36 km,D=36 km。

采用Atkinson多臺(tái)多震源聯(lián)合反演法[11],定義殘差為:

式中為ni為記錄到第i個(gè)地震的臺(tái)站數(shù),n0為所分析的地震數(shù)目。

利用遺傳算法進(jìn)行反演計(jì)算[11-12],求解步驟如下:

（1）首先令各臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)為1,即lgSj(f)=0,此時(shí)ε的大小僅取決于參數(shù)b1,b2,b3和C(fk)。

（2）用遺傳算法求得使ε為最小的b1,b2,b3和C(fk)。

（3）利用求得的參數(shù),計(jì)算出各臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng):式中mj為第j個(gè)臺(tái)站記錄到的地震數(shù)目。

（4）將場(chǎng)地響應(yīng)代入,重復(fù)步驟（2）和（3）,直至使ε不再減小,即得到在中心頻率fk的b1,b2,b3,C(fk)和Sj(fk)。

得Q(fk)為

對(duì)各頻率點(diǎn)fk重復(fù)以上步驟,得到一系列的b1,b2,b3,Q(fk)和Sj(fk)。

對(duì)各頻率點(diǎn)fk得到的b1,b2和b3值求平均得到b1,b2和b3,由各頻率點(diǎn)的Q(fk)擬合,得到Q(f)=Q0 f η,同時(shí)也得到了Sj(f)[11]。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

利用上述方法資料,本文得到了渭河盆地及鄰區(qū)非彈性衰減系數(shù)C(f)和介質(zhì)品質(zhì)因子Q值與頻率關(guān)系（圖2和圖3）,擬合得到渭河盆地及鄰區(qū)Q(f)與頻率的關(guān)系為:Q(f)=(623.0±127)f0.479±0.116,其 誤 差 范 圍 是95%置信度下得到的?？梢?渭河盆地及鄰區(qū)Q值與頻率關(guān)系與鄂爾多斯地塊Q(f)=585.2f0.579[14]比較接近,與山西地區(qū)Q(f)=323.2f0.506[15]和甘肅東南區(qū)域Q(f)=374.0f0.308[16]相比,Q0明顯較大,說明渭河盆地及鄰區(qū)構(gòu)造活動(dòng)程度明顯低于山西地區(qū)和甘肅東南區(qū)域。一般認(rèn)為,構(gòu)造活動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定的地區(qū)Q值較高,構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)Q值低,介質(zhì)均勻程度高,Q值也較高[17]。從本研究所用的地震、臺(tái)站和地震路徑分布（圖1）看,其主要覆蓋區(qū)域?yàn)槲己訕?gòu)造體系,基本處于秦嶺褶皺帶的北緣。秦嶺褶皺帶由太古—元古代變質(zhì)巖及燕山期花崗巖組成,基底統(tǒng)一,介質(zhì)具有較好的整體性,局部運(yùn)動(dòng)水平差異較小,現(xiàn)代地震以中、小震為主,屬弱震、少震區(qū)[18],這種構(gòu)造特征造成了渭河盆地及鄰區(qū)Q值相對(duì)較高。

圖2 非彈性衰減系數(shù)C( f )與頻率關(guān)系圖Fig.2 The relationship between inelustic attenunation coefficient C( f ) and frequency

圖3 介質(zhì)品質(zhì)因子Q值與頻率關(guān)系圖Fig.3 The relationship between Q value and frequency

由反演得到的場(chǎng)地響應(yīng)圖（圖4）可見,藍(lán)田臺(tái)的場(chǎng)地放大效應(yīng)最強(qiáng),在5～10 Hz區(qū)間多個(gè)頻點(diǎn)的場(chǎng)地響應(yīng)值大于3,除藍(lán)田臺(tái)外,其余臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)值均在1附近變化,臺(tái)站的各頻率點(diǎn)場(chǎng)地響應(yīng)值都小于3?？傮w而言,由于各臺(tái)站均為基巖場(chǎng)地,故均未表現(xiàn)出明顯的放大效應(yīng)。周至臺(tái)（ZHO）臺(tái)多個(gè)頻點(diǎn)的場(chǎng)地響應(yīng)值小于1,可能與其處于秦嶺褶皺帶,基巖整體性較好且地殼厚度較大有關(guān)。藍(lán)田臺(tái)場(chǎng)地響應(yīng)與其它臺(tái)站相比有所差別,其原因有待進(jìn)一步研究。我們認(rèn)為可能與其處于秦嶺山區(qū)與渭河平原交界處的孤峰上,構(gòu)造較為復(fù)雜[19],可能受到局部地質(zhì)構(gòu)造和地形的影響有關(guān)。

圖4 臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)Fig.4 The site responses obtained by iteration inversion

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用2002—2012年渭河盆地及鄰區(qū)20個(gè)地震的98條地震資料,應(yīng)用Atkinson法,采用遺傳算法反演了渭河盆地及鄰區(qū)的場(chǎng)地響應(yīng)和非彈性衰減關(guān)系。研究結(jié)果表明,渭河盆地及鄰區(qū)的Q值隨頻率f的關(guān)系為Q(f)=(623.0±127)f0.479±0.116,與鄂爾多斯地塊比較接近,與山西地區(qū)和甘肅東南區(qū)域相比,渭河盆地及鄰區(qū)Q0明顯較大,說明渭河盆地及鄰區(qū)構(gòu)造活動(dòng)程度明顯低于山西地區(qū)和甘肅東南區(qū)域。渭河盆地及鄰區(qū)6個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)值均在1附近變化,最大值不超過4,未顯示明顯的放大效應(yīng),藍(lán)田臺(tái)場(chǎng)地響應(yīng)與其它臺(tái)站相比有所差別,其原因有待進(jìn)一步的研究。