基于廣義反演方法的復(fù)雜板塊構(gòu)造下地震動(dòng)衰減特性

周影 王宏偉 溫瑞智

摘要：為研究構(gòu)造復(fù)雜的關(guān)東盆地及其周邊地區(qū)的地震動(dòng)衰減特性，根據(jù)地震震源機(jī)制解和Slab1.0模型，依據(jù)前人提出的日本地區(qū)地震構(gòu)造類型劃分方法給出所研究地震的構(gòu)造類型，并依據(jù)地震構(gòu)造類型及空間分布劃分了3個(gè)研究區(qū)域。利用單步非參數(shù)化廣義譜反演方法分析了3個(gè)區(qū)域的地震動(dòng)衰減特性。結(jié)果表明：區(qū)域I中發(fā)生于陸地的淺地殼地震的地震動(dòng)路徑衰減較弱，遠(yuǎn)距離處近似不出現(xiàn)路徑衰減，頻率相關(guān)的非彈性衰減較弱，品質(zhì)因子Q=92.33f;區(qū)域Ⅱ中，發(fā)生于陸地的上地幔地震的地震動(dòng)路徑衰減的下降速率隨距離增大而增大，頻率相關(guān)的非彈性衰減較強(qiáng)，Q=27.75f;區(qū)域Ⅲ中，發(fā)生于近海的淺層地殼和上地幔地震的地震動(dòng)路徑衰減兼具區(qū)域I、Ⅱ的衰減屬性，Q=58.07f089。

關(guān)鍵詞：廣義譜反演方法;關(guān)東盆地;強(qiáng)地震動(dòng);衰減特性;品質(zhì)因子

中圖分類號(hào)：P315.914文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2021）04-0650-06

0引言

日本關(guān)東地區(qū)是日本人口數(shù)量最多且分布最密集的地區(qū)，也是地下構(gòu)造最復(fù)雜的區(qū)域。歐亞大陸板塊、菲律賓板塊和太平洋板塊自上至下形成了三層疊合的俯沖狀態(tài)。菲律賓板塊與歐亞大陸板塊間的摩擦和扭轉(zhuǎn)、太平洋板塊與菲律賓板塊的下沉擠壓以及3個(gè)板塊之間的應(yīng)力不均勻分布導(dǎo)致許多地震的發(fā)生（Bilek，1998）。復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和頻繁的地震活動(dòng)導(dǎo)致關(guān)東地區(qū)地震危險(xiǎn)性較高（Ishida ，1992;Sato et al ，2005），也使其成為研究復(fù)雜板塊構(gòu)造地震動(dòng)衰減特征的理想位置。

地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程（GMPE）在地震工程、概率地震危險(xiǎn)性分析以及結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中發(fā)揮了重要作用，尤其在概率地震危險(xiǎn)性分析中經(jīng)常用到GMPE經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。近十幾年，諸多GMPE模型被提出，包括被廣泛使用的下一代衰減關(guān)系模型Abrahamson， Silva， 2008： Boore， Atkinson 2008; Campbell， Bozorgnia， 2008; Chiou Youngs ，2008）。但對(duì)俯沖帶復(fù)雜板塊區(qū)域的GMPE研究較少（Atkinson ，Boore，2003;MeVerry et al ，2006），且未將地震類別作為模型參數(shù)（Kanno et al ，2006;Zhao et al ，2006）。針對(duì)日本俯沖帶的復(fù)雜構(gòu)造，Zhao等（2015）將日本地震類型劃分為4類：淺地殼、上地幔、俯沖界面和俯沖板塊內(nèi)地震，并提出了3類GMPE模型，分別針對(duì)俯沖板塊內(nèi)地震（Zhao et al ，2016a）、俯沖界面地震（Zhao et al ，2016b）、淺地殼和上地幔地震（Zhao et al ，2016c），結(jié)果發(fā)現(xiàn)：俯沖界面地震動(dòng)非彈性衰減速率最快，但當(dāng)周期大于3s后幾乎不衰減;俯沖板塊內(nèi)地震動(dòng)非彈性衰減速率最慢;上地幔地震動(dòng)非彈性衰減速率始終高于淺地殼，但兩者在長(zhǎng)周期（T>2s）頻段較為一致。

廣義譜反演方法可以高效地從地震動(dòng)數(shù)據(jù)中分離出震源效應(yīng)、路徑衰減和場(chǎng)地反應(yīng)，是區(qū)域內(nèi)地震動(dòng)特性分析的有效手段。近些年，隨著觀測(cè)水平的提高，臺(tái)網(wǎng)的密集布設(shè)為日本強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)的反演研究提供了良好的前提條件。本文主要針對(duì)淺地殼和上地幔地震兩種地震類型，利用廣義譜反演方法分離地震動(dòng)路徑衰減，對(duì)日本復(fù)雜構(gòu)造區(qū)內(nèi)陸地與海域地震動(dòng)衰減特性進(jìn)行分析。

1研究方法

采用單步非參數(shù)化廣義譜反演方法分離地震動(dòng)的路徑衰減，水平向地震動(dòng)S波的震源、路徑衰減和場(chǎng)地項(xiàng)在頻域上可表示為：

式中：O（f，M，R）表示第j個(gè)臺(tái)站在第i個(gè)地震中觀測(cè)到的水平向S波在頻率f的傅氏譜;S（f，M）表示第i個(gè)地震的震源譜;G（f）表示第j個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地反應(yīng);路徑衰減項(xiàng)An（f，Rn）表示不同頻率的S波在傳播介質(zhì)中的衰減特性，包含了所有導(dǎo)致傳播路徑衰減的因素，如幾何擴(kuò)散、非彈性衰減、散射衰減、地震波的折射等。

式（1）可表示為如下的廣義矩陣形式：

式中：權(quán)重系數(shù)ω1和ω2表示路徑衰減A（f，R）的約束條件：ω1限制了初始路徑衰減函數(shù)，使路徑衰減從參考距離處開(kāi)始;ω2約束路徑衰減曲線的平滑特性。經(jīng)過(guò)多次試算，ω1和ω2分別為20和500。

2地震動(dòng)數(shù)據(jù)

本文以2010—2019年日本關(guān)東盆地及其附近區(qū)域（35°～38°N，138.5°～142°E）發(fā)生的261次MJMA4.0～6.5地震為研究對(duì)象。根據(jù)日本國(guó)家地球科學(xué)與防災(zāi)研究所AQUA系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)定的地震震源機(jī)制解①，利用Hayes 等（2012）建立的Slab1.0全球俯沖帶幾何結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)Zhao等（2015）提出的日本地區(qū)地震構(gòu)造類型劃分方法給出了所選用地震的構(gòu)造類型：淺地殼、上地幔、俯沖帶界面和俯沖板塊內(nèi)地震。依據(jù)地震構(gòu)造類型及空間分布劃分了3個(gè)研究區(qū)域，如圖1所示，區(qū)域I（黑色）中全部為震中位于關(guān)東盆地東北部陸地上的淺地殼地震，區(qū)域Ⅱ（藍(lán)色）中全部為震中位于關(guān)東盆地內(nèi)的上地幔地震，區(qū)域Ⅲ（灰色）中主要為震中位于關(guān)東盆地東部近海的淺地殼地震和上地幔地震。收集各區(qū)域地震事件的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)記錄，共得到18237組三分量加速度時(shí)程記錄。根據(jù)以下原則篩選觀測(cè)記錄：①三分量峰值地面加速度PGA均小于50cm/s2，以盡量減小土層出現(xiàn)非線性反應(yīng)的可能性（Wu et al ，2010; Regnier et al， 2013; Rubinstein， 2011）②震源距不超過(guò)100km，以減小面波對(duì)清晰識(shí)別S波的干擾;③各區(qū)域內(nèi)選取的每個(gè)地震至少觸發(fā)10個(gè)臺(tái)站，選取的每個(gè)臺(tái)站至少記錄10條地震。所選記錄的震級(jí)-震源距分布如圖2所示。

區(qū)域I包含88個(gè)臺(tái)站在98次MJMA4.0～5.4淺地殼地震中獲得的4697組記錄，震源深度主要分布在6～12km，最大不超過(guò)18km，記錄主要體現(xiàn)了經(jīng)過(guò)上地殼傳播的直達(dá)地震波。區(qū)域Ⅱ包含79個(gè)臺(tái)站在69次MJMA4.0～5.5上地幔地震中獲得的2990組記錄，震源深度在40～70km，最小震源距約為60km，記錄主要體現(xiàn)了經(jīng)過(guò)上地幔和地殼傳播的直達(dá)地震波。區(qū)域Ⅲ包含52個(gè)臺(tái)站在94次MMA4.0～6.2地震中獲得的2109組記錄，其中淺地殼和上地幔地震分別為64和21次，其余9個(gè)地震的構(gòu)造類型不確定，震源深度分布在10～43km，多數(shù)地震為震源深度小于30km的淺地殼地震，最小震源距約為20km，記錄體現(xiàn)了經(jīng)過(guò)海域傳播的上地幔和地殼的直達(dá)地震波。

對(duì)3個(gè)區(qū)域選取的強(qiáng)震動(dòng)記錄依次進(jìn)行零線校正、記錄首尾加余弦窗并補(bǔ)零、巴特沃斯非因果帶通濾波處理選取，根據(jù)每條記錄情況選擇不同高通濾波截止頻率，低通濾波截止頻率統(tǒng)一為30Hz。利用Husid函數(shù)（Husid，1967）和能量法（Pacor et al ，2016）識(shí)別S波的到時(shí)和持時(shí)，截取記錄S波窗，在S波窗首尾加余弦窗并補(bǔ)零后計(jì)算S波傅氏譜，進(jìn)一步根據(jù)S波的信噪比（Oth et al ，2011a;Sharma et al ，2014）確定S波傅氏譜的有效頻段。

3結(jié)果與討論

3個(gè)區(qū)域的路徑衰減曲線如圖3所示，由圖可見(jiàn)，各區(qū)域曲線差異明顯，同時(shí)對(duì)比線性幾何擴(kuò)散衰減模型，包括R-05、R-1和R-3。區(qū)域I的路徑衰減曲線的頻率相關(guān)性不強(qiáng)，不同頻率的路徑衰減曲線差異不大，路徑衰減曲線大致處于R-05和R-之間，整體上路徑衰減較弱。震源距小于60km的路徑衰減曲線整體上呈下降趨勢(shì)，且隨距離增大其下降速率更顯著，但震源距大于60km的路徑衰減曲線下降斜率出現(xiàn)拐折，衰減速率明顯變小（圖3a），這可能與殼幔邊界的地震波折射有關(guān)。區(qū)域Ⅱ的路徑衰減曲線僅體現(xiàn)了震源距60～100km的衰減，路徑衰減曲線主要介于R-1和R-13之間。不同于區(qū)域Ⅰ的遠(yuǎn)場(chǎng)路徑衰減，區(qū)域Ⅱ在遠(yuǎn)距離上的路徑衰減更強(qiáng)烈，且隨距離增大下降速率也增大，遠(yuǎn)距離處的路徑衰減具有更強(qiáng)的頻率相關(guān)（圖3b），這與區(qū)域Ⅱ的深源上地幔地震并不存在殼幔邊界的地震波折射有關(guān)。區(qū)域Ⅲ的路徑衰減曲線介于R-和R-13之間，隨距離增大路徑衰減曲線（圖3c）呈下降趨勢(shì)，且隨距離增大下降速率逐漸增大，不同頻率的路徑衰減曲線間的差異隨距離增大而增大，遠(yuǎn)距離處的路徑衰減頻率相關(guān)性更明顯（圖3c），頻率相關(guān)的路徑衰減則說(shuō)明了更強(qiáng)的非彈性衰減。

地震動(dòng)的路徑衰減可近似為用幾何擴(kuò)散GS和品質(zhì)因子Q表示的非彈性衰減兩部分，即：

式中：β為傳播介質(zhì)的剪切波速。

利用最小二乘法擬合得到不同頻率的品質(zhì)因子如圖4所示，采用Q（f）=Qf的冪指數(shù)形式表示頻率相關(guān)的品質(zhì)因子，區(qū)域I、Ⅱ、Ⅲ的Q值分別表示為92.33f7、27.75f、58.07f。區(qū)域I、Ⅱ的Q值在低頻段較為接近，這與Zhao等（2016a）得到的淺地殼地震與上地幔地震衰減速率在長(zhǎng)周期（T>2s）頻段較為一致的結(jié)果相符。區(qū)域Ⅱ、Ⅲ的Q值在高頻段（f>10Hz）較為接近，說(shuō)明高頻段區(qū)域Ⅱ、Ⅲ的衰減函數(shù)曲線較為相似。區(qū)域I的Q值整體明顯高于區(qū)域Ⅱ、Ⅲ。Tsuda 等（2010）利用發(fā)生于日本關(guān)東盆地附近的19個(gè)地震研究了盆地內(nèi)的衰減特性與場(chǎng)地效應(yīng)，得到的Q值為107f52。Nakano 等（2015）將日本地區(qū)劃分為6個(gè)小區(qū)域分別給出了各小區(qū)域的S波品質(zhì)因子，其中關(guān)東盆地及其東北部淺地殼地震的Q值為152.5f132。Oth等（2011b）將日本劃分為6個(gè)小區(qū)域，其中關(guān)東盆地及東北部的淺地殼地震的S波Q值為（51±3）f（0.82±0.04）。Zhao等（2016a）指出日本上地幔的Q值普遍低于許多淺地殼的Q值，這與本文得到的結(jié)果一致。

4結(jié)論

本文依據(jù)地震構(gòu)造類型及空間分布將地震構(gòu)造復(fù)雜的關(guān)東盆地及其周邊地區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域，基于單步非參數(shù)化廣義譜反演方法分析了研究區(qū)域的地震動(dòng)衰減特性，得到主要結(jié)論如下：

（1）在區(qū)域I中，震中位于陸地的淺地殼地震的地震動(dòng)路徑衰減較弱，遠(yuǎn)距離處近似不出現(xiàn)路徑衰減，頻率相關(guān)的非彈性衰減較弱，品質(zhì)因子Q=92.33fL.87。

（2）在區(qū)域Ⅱ中，震中位于陸地的上地幔地震的地震動(dòng)路徑衰減隨距離增大始終呈下降趨勢(shì)，路徑衰減的下降速率隨距離增大而增大，遠(yuǎn)場(chǎng)的路徑衰減更強(qiáng)且頻率相關(guān)性顯著，頻率相關(guān)的非彈性衰減較強(qiáng)，品質(zhì)因子Q=27.75f1，明顯小于淺地殼地震。

（3）在區(qū)域Ⅲ中，震中位于海域的淺地殼和上地幔地震的地震動(dòng)路徑衰減，既包含淺地殼地震較弱的路徑衰減，也包含了上地幔地震的快速衰減特性，且傳播路徑與以上兩區(qū)域都有部分重疊，數(shù)值介于兩者之間，品質(zhì)因子Q=58.07f

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Study of Attenuation Characteristics of the Complex Tectonic Region Based on Generalized Inversion Method

ZHOU Ying.2. WANG Hongwei.2. WEN Ruizhi.2

（1. Institute of Engineering Mechanics， China Earthquake Admninistration Harbin 150080， Heilongjiang China）

（2. Key Laboratory of earthquake Engineering and Engineering Vibration of China Earthquake Administration， Harbin 150080， Heilongjiang China）

Abstract

In order to study the characteristics of the ground motion attenuation of the complex plate tectonics of the Kanto basin and its vicinity in Japan， on the basis of the focal mechanism and Slabl.0 model， and according to the earthquake classification scheme adapted for Japan proposed by previous studies， we decided the categories of the earthquake events， and on this basis we further divided the study region into three parts. Then we used the method of One-step Nonparametric Generalized Spectrum Inversion to analyze the attenuation characteristics of ground vi-brations in the three regions. The results show that in Region I， the path attenuation of the ground motion of the shallow-crust earthquakes occurring inland is weak; there is almost no attenuation in long distance. The frequency dependent inelastic attenuation is also weak. The quality factor Q=92.33f0. In Region 2， the decay rate of the path attenuation of the upper-mantle earthquake inland increases with the increase of distance. The frequeney dependent inelastic attenuation is stronger. The quality factor =27.75f. In Region 3， the path attenuation of the ground motion of the shallow - crust and upper-mantle earthquakes in the offshore area has the same attributes of the path attenuation in the first two regions. The quality factor Q=58.07f

Keywords： Generalized Spectral Inversion method; the Kanto basin; strong ground motion; attenuation characteristics; quality factor