祁連山主動源觀測臺站場地響應(yīng)分析

姜秀璇,郭 曉,2,范 兵,2,鄒 銳,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.甘肅蘭州地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

場地響應(yīng)描述為觀測臺站附近地下淺層介質(zhì)對地震動放大(衰減)的作用。在測定地震震源參數(shù)時,除了傳播路徑效應(yīng)與儀器響應(yīng)影響,臺站的場地響應(yīng)也是關(guān)鍵影響因素之一。研究臺站的場地響應(yīng)不僅可以提高利用地震波形數(shù)據(jù)分析震源參數(shù)的可信度,同時還可以為單臺震級的校正提供依據(jù)[1]。監(jiān)測地殼介質(zhì)衰減狀態(tài)及其時空分布特征,特別是地殼介質(zhì)衰減動態(tài)變化的信息,能夠揭示中強(qiáng)地震的孕育過程,加深對發(fā)震構(gòu)造環(huán)境及其動力學(xué)過程的認(rèn)識,進(jìn)而為防震減災(zāi)提供必要保障,場地響應(yīng)的獲得可穩(wěn)健估計出高精度的地殼介質(zhì)衰減變化[2]。目前計算臺站場地響應(yīng)的方法主要有兩種:Moya方法和H/V譜比法。Moya方法為基于Brune的ω2震源譜參數(shù)來計算絕對場地響應(yīng)的方法,采用該方法時需要確定低頻段水平幅值和拐角頻率的準(zhǔn)確性;H/V譜比法為地震波水平分量與垂直分量做比值的方法,其根據(jù)數(shù)據(jù)類型又可分為噪聲譜比法與地震數(shù)據(jù)譜比法,該方法操作簡單且可信度較高,是最常用的非參考場地法之一[3-4]。尾波所描述的是各個方向的綜合地震信息,且默認(rèn)尾波僅由于衰減和幾何擴(kuò)散而導(dǎo)致的振幅減少,故利用尾波研究場地響應(yīng),其結(jié)果具有一定的可靠性。

由于H/V譜比法操作簡單,且往往能獲得較高可信度的結(jié)果,故諸多學(xué)者都應(yīng)用H/V譜比法做了大量的研究[5-12];朱榮歡等人通過H/V譜比法對云南區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)臺站的場地響應(yīng)進(jìn)行研究,得到了各臺站場地響應(yīng)在低頻段相對平坦、在高頻段有一定放大的結(jié)論;張紅才等人將H/V譜比法與Moya方法得到的場地響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn),兩種方法所得結(jié)論具有較好的一致性,表明譜比法結(jié)果具有一定可信度;張珂等人運用H/V噪聲譜比法得到內(nèi)蒙古西部12個臺站的場地響應(yīng),根據(jù)特征分為平坦類、中頻放大類和高頻放大類。為獲取祁連山主動源野外觀測臺站場地響應(yīng),基于祁連山主動源野外觀測系統(tǒng)記錄到的天然地震波形資料,本文擬采用H/V譜比法計算祁連山主動源系統(tǒng)的40個短周期觀測臺站的場地響應(yīng),并對場地響應(yīng)結(jié)果和影響因素進(jìn)行了討論分析。

1 臺站資料及地震記錄選取

甘肅祁連山主動源重復(fù)探測系統(tǒng)旨在對祁連山地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,對地震孕育過程實時監(jiān)測,且提高了該區(qū)域微震監(jiān)測能力,對研究斷層深部活動有重要作用。甘肅祁連山主動源于2015年7月9日正式建成并投入運行,至今已經(jīng)運行了近六年,期間積累了大量的天然地震資料和主動源資料,這為獲得該區(qū)域主動源觀測臺站場地響應(yīng)提供了數(shù)據(jù)支持。甘肅祁連山主動源觀測臺網(wǎng)主要由40個短周期觀測臺站組成,均采用REFTEK-130數(shù)據(jù)采集器和CMG-40T短周期地震計(頻帶范圍為2 s～50 Hz),采樣率為100點/秒。觀測臺站自西至東覆蓋從酒泉到金昌距離約 400 km 的祁連山中段區(qū)域,主要沿斷裂帶分布,主要構(gòu)造包括祁連山北緣斷裂帶、昌馬—俄博斷裂帶、榆木山斷裂帶以及龍首山南緣斷裂帶[13]。表1給出了祁連山主動源觀測臺網(wǎng)中40個觀測臺站的基本參數(shù),包括編號、高程、經(jīng)緯度、臺基巖性及地震計的型號。

表1 祁連山主動源觀測臺網(wǎng)中40個觀測臺站的基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of 40 stations in the active-source seismic network of Qilian Mountains

觀測臺站臺基巖性分為基巖和非基巖,非基巖臺基主要有黃土、砂土、黏土和碎石土臺基。當(dāng)臺站臺基巖性為基巖時,僅需人工將基巖表面磨平再放置地震計;當(dāng)臺站臺基巖性為非基巖時,采取深挖2 m的觀測坑,坑內(nèi)澆筑擺墩架設(shè)地震計。2015年7月至2020年12月,主動源觀測臺網(wǎng)共記錄到區(qū)域ML≥2.5以上地震1 039次,經(jīng)過地震分布的考察,初步挑選出地震85次共3 480條記錄,然后經(jīng)過信噪比、震中距的篩選并同時要求滿足每個臺站選取至少6個地震事件記錄的條件,最后篩選出57次地震共298次記錄用于分析。

2 原理及方法

2.1 原理

H/V譜比法,簡稱為單臺譜比法,為最常用的非參考場地方法之一,此法是基于“垂直分量不放大”這一假設(shè)推導(dǎo)得到的。該方法基本原理為:設(shè)VS和VB分別為地表處與基底處垂直向地震波振幅譜,HS和HB分別為地表處和基底處水平向地震波振幅譜,則表層經(jīng)驗函數(shù)可表示為:

(1)

Nakamura譜比率為:

(2)

實驗已證實基底處地震波的水平分量與垂直分量大致相等;且經(jīng)實際觀測記錄證實,地表土層對垂直分量的放大作用遠(yuǎn)小于其對水平分量的放大作用[4],因此可以得到:

HB≈VB≈VS

(3)

在此基礎(chǔ)上,經(jīng)驗函數(shù)可簡化為Nakamura譜比率,即

(4)

各臺站場地響應(yīng)可表示為各臺站水平向地震波振幅譜與垂直向地震波振幅譜之比。

2.2 處理流程

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理。為減小誤差,首先對波形資料進(jìn)行去線性、去均值、帶通濾波(Butter濾波器,帶寬0.5～22 Hz)。其次,為避免計算時間過長,簡化數(shù)據(jù)處理過程,將主動源野外觀測臺網(wǎng)中各觀測臺站采樣率由100點/s重采樣到50點/s。由于各個地震事件的震中距不同,截尾波的持續(xù)時間也不同,據(jù)實際觀測得來的經(jīng)驗和前人研究結(jié)果[14],一般尾波開始時間選在2倍S走時處,尾波窗口至少采用15 s,以此獲得較為穩(wěn)定的尾波衰減。本文使用的尾波窗長為20～30 s。圖1為ZDY05臺站記錄的2019年8月22日青海3.2級地震的三分量原始波形記錄及尾波窗的選取。最后,為減少傅里葉變換導(dǎo)致的頻率滲漏,需要對截選尾波窗進(jìn)行波形滅尖,在該段波形的起始與末尾加5%的余弦邊窗。

(由上到下分別為Z,N,E分量,兩條虛線標(biāo)出尾波窗的截取范圍)圖1 ZDY05臺站記錄到的2019年8月22日青海3.2級地震的三分量原始波形Fig.1 Three-component original waveform of the Qinghai MS3.2 earthquake on August 22,2019 recorded by ZDY05 station

(2)計算振幅譜。對預(yù)處理得到的地震尾波波形資料進(jìn)行短時傅里葉變換。采用平移窗譜法,對所截取的尾波窗內(nèi)的波形分為若干個含有256個采樣點的小段,并使相鄰小段有50%的重疊,并在每段波形的起始與末尾加5%的余弦邊窗,旨在獲得相同頻率間隔的振幅譜。對于重采樣后的波形數(shù)據(jù),每一小段的時間長度為5.1 s,可得到頻率間隔為0.196 Hz的傅里葉譜。最后通過公式(5)得到整個尾波窗內(nèi)信號的振幅譜

(5)

(6)

(3)H/V譜比計算。根據(jù)得到的水平向位移振幅譜H(f)和垂直向位移振幅譜V(f),可以計算得出每個臺站接收到的每條地震記錄的場地響應(yīng),每個臺站至少選取6條地震記錄計算,最后計算選取的地震記錄的場地響應(yīng)的平均值,得到每個臺站的場地響應(yīng)S(f)。

3 結(jié)果與討論

3.1 甘肅祁連山主動源觀測臺網(wǎng)觀測臺站場地響應(yīng)分類

參照上述數(shù)據(jù)處理及計算過程,對每個臺站至少選取6條地震記錄,取平均值后得到的H/V譜比值為每個臺站的場地響應(yīng)值,最后得到祁連山主動源觀測臺網(wǎng)中40個觀測臺站的場地響應(yīng)(圖2～4)。依據(jù)各臺站在分析頻段內(nèi)(1～20 Hz)的場地響應(yīng)曲線形態(tài),祁連山主動源觀測臺網(wǎng)中40個觀測臺站大致分為3類:平坦類、放大類、高頻衰減類。

(黑色虛線為該臺站每條記錄的場地響應(yīng)值;紅色實線為該臺站平均場地響應(yīng)值)圖2 甘肅祁連山主動源觀測臺網(wǎng)16個平坦類觀測臺站的場地響應(yīng)Fig.2 Site response of 16 flat stations in the active-source seismic network of Qilian Mountains,Gansu Province

(1)平坦類。ZDY01、ZDY02、ZDY03、ZDY04、ZDY07、ZDY08、ZDY13、ZDY14、ZDY16、ZDY21、ZDY26、ZDY27、ZDY35、ZDY40共14個非基巖臺站和ZDY31、ZDY39共2個基巖臺站場地響應(yīng)曲線特征整體呈平坦型,該類臺站約占甘肅祁連山主動源觀測臺站總數(shù)的40%,在1～20 Hz頻域內(nèi)放大程度較小,放大值約為1～2倍。

(2)放大類。ZDY05、ZDY06、ZDY09、ZDY11、ZDY12、ZDY18、ZDY19、ZDY20、ZDY24、ZDY25、ZDY28、ZDY33、ZDY36、ZDY37、ZDY38共15個非基巖臺站和ZDY22臺站、ZDY34臺站(基巖臺站)場地響應(yīng)曲線特征屬于放大類,該類臺站較多,約占總臺站數(shù)的43%。此類臺站場地響應(yīng)曲線在頻域1～20 Hz范圍內(nèi)均有明顯放大效應(yīng),且部分臺站個別頻段放大效應(yīng)尤為明顯,其中ZDY24臺站場地響應(yīng)值在3 Hz左右達(dá)到9倍。

(黑色虛線為該臺站每條記錄的場地響應(yīng)值;紅色實線為該臺站平均場地響應(yīng)值)圖3 甘肅祁連山主動源觀測臺網(wǎng)17個放大類觀測臺站的場地響應(yīng)Fig.3 Site response of 17 amplification stations in the active-source seismic network of Qilian Mountains,Gansu Province

(黑色虛線為該臺站每條記錄的場地響應(yīng)值;紅色實線為該臺站平均場地響應(yīng)值)圖4 甘肅祁連山主動源觀測臺網(wǎng)7個高頻衰減類觀測臺站的場地響應(yīng)Fig.4 Site response of 7 high-frequency attenuation stations in the active-source seismic network of Qilian Mountains，Gansu Province

(3)高頻衰減類。ZDY10、ZDY15、ZDY17、ZDY23、ZDY29、ZDY30、ZDY32共7個非基巖臺站的場地響應(yīng)曲線呈現(xiàn)高頻衰減的特征。其中ZDY23、ZDY29、ZDY32臺站場地響應(yīng)曲線低頻部分較平穩(wěn),場地響應(yīng)值在2倍左右,隨著頻率的增加,場地響應(yīng)值也隨之減小,直至衰減結(jié)束,最小衰減可達(dá)0.4倍。ZDY10、ZDY15、ZDY17、ZDY30臺站場地響應(yīng)曲線呈低頻明顯放大高頻衰減的特征,此類場地響應(yīng)曲線起伏較大,在低頻呈明顯場地放大效應(yīng),在高頻呈場地衰減效應(yīng),低頻場地響應(yīng)值最大可達(dá)6倍,高頻部分場地響應(yīng)值最小可達(dá)0.3倍。

3.2 討論

祁連山主動源觀測臺網(wǎng)40個觀測臺站大致可分為3類:平坦類、放大類、高頻衰減類。影響臺站場地響應(yīng)特征的因素比較復(fù)雜,主要因素有臺站臺基巖性狀況、和臺站所處地區(qū)空間地質(zhì)狀況等。

(1)場地響應(yīng)與臺基巖性的關(guān)系

16個平坦類臺站中,臺基巖性為基巖的有2個,砂土的有5個,黃土、碎石土和黏土的各有3個;17個放大類臺站中,臺基巖性為基巖的有2個,黃土的有5個,碎石土和砂土的各有4個,黏土臺站有2個;7個高頻衰減類臺站中臺基巖性為碎石土的有3個,黃土的有2個,砂土的有1個,黏土的有1個。在基巖臺站中,2個為平坦類臺站,2個為放大類臺站。在4種非基巖臺站中,10個砂土臺站中有5個平坦類臺站;6個黏土臺站中3個為平坦類臺站;黃土臺站和碎石土臺站各有10個,其中各有3個為平坦類臺站。以上數(shù)據(jù)表明:破碎基巖臺站的場地響應(yīng)也存在明顯放大效應(yīng);在36個非基巖臺站中砂土臺站的場地響應(yīng)曲線較為良好,黏土臺站的場地響應(yīng)次之,碎石土臺站和黃土臺站的場地響應(yīng)大多具有明顯放大(衰減)效應(yīng)。

(2)場地響應(yīng)與空間地質(zhì)構(gòu)造背景的關(guān)系

本文研究的40個觀測臺站中有16個臺站位于高原,13個臺站位于山區(qū),11個臺站位于山區(qū)高原交界處。16個平坦類臺站中有8個臺站位于高原,4個臺站位于山區(qū)高原交界處,4個臺站位于山區(qū);17個放大類臺站中有5個臺站位于高原,4個臺站位于山區(qū)高原交界處,8個臺站位于山區(qū);7個高頻衰減類臺站中有3個臺站位于高原,2個臺站位于山區(qū)高原交界處,2個臺站位于山區(qū)。位于高原的臺站有約50%屬于平坦類臺站,位于山區(qū)高原交界處的臺站有36.3%屬于平坦類臺站,而位于山區(qū)的臺站有30%屬于平坦類臺站。由此可以得出:位于高原的臺站的場地響應(yīng)曲線一般比位于山區(qū)及山區(qū)與高原交界處的臺站的場地響應(yīng)曲線較平坦些。

表2 場地響應(yīng)特征與臺基巖性的關(guān)系Table 2 Relationship between site response characteristics and lithology of platform foundation

表3 場地響應(yīng)特征與空間地質(zhì)構(gòu)造背景的關(guān)系Table 3 Relationship between site response characteristics and geological structure background

(3)場地響應(yīng)與介質(zhì)密度的關(guān)系

一般來說,地震波的振幅與介質(zhì)阻抗ρc的平方根成反比(介質(zhì)阻抗等于密度與波速的乘積),低速低密度的介質(zhì)對地震波振幅有放大作用。松散的場地,因介質(zhì)阻抗較小,其對地震動有較大的放大作用;而堅硬的臺基場地則反之[15-16]。已有研究表明,臺站臺基的風(fēng)化程度可影響H/V譜比法獲得的場地放大效應(yīng)的幅值,風(fēng)化程度越高,場地放大效應(yīng)的幅值越高,在中高頻段的形態(tài)就越彎曲;且H/V譜比值可以反映臺站場地的地形效應(yīng)[17]。甘肅省地形地貌復(fù)雜,大部分地區(qū)地表稀疏、破碎,同時伴有不同程度的風(fēng)化。甘肅省祁連山主動源野外觀測臺網(wǎng)中40個觀測臺站的場地響應(yīng)均存在不同程度的放大(衰減),根據(jù)對臺站實地考察,大部分臺站臺基介質(zhì)密度較小,有破碎松散等情況,這在一定程度上反映了該地區(qū)的場地響應(yīng)值與臺基介質(zhì)密度具有反相關(guān)性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)祁連山主動源觀測臺網(wǎng)中40個觀測臺站接收到的天然地震波形資料,采用尾波H/V譜比法計算研究了各臺站場地響應(yīng),獲得的結(jié)論如下:

(1)H/V譜比法本質(zhì)上是一種參考場地法,該方法的推導(dǎo)過程建立在“垂直分量無放大”這一假設(shè)之上,而事實上垂直分量具有一定的場地放大效應(yīng)[18]。基于H/V譜比法得到的場地效應(yīng)比實際臺站場地對地震波的放大作用要小[19],因此H/V譜比法得到的場地響應(yīng)結(jié)果只能作為絕對場地響應(yīng)的一種近似值。

(2)祁連山主動源觀測臺站均具有不同程度的場地放大(衰減)效應(yīng)。祁連山主動源觀測臺網(wǎng)40個觀測臺站可根據(jù)場地響應(yīng)特征分為平坦類、放大類、高頻衰減類。根據(jù)場地響應(yīng)結(jié)果可以看出,部分臺站在觀測頻段內(nèi)呈現(xiàn)平坦特征,場地響應(yīng)值基本在1～2倍;而多數(shù)臺站明顯具有放大(衰減),場地響應(yīng)值在0.3～9范圍內(nèi)。

(3)臺站場地響應(yīng)主要受臺站臺基巖性狀況、臺站所處地區(qū)空間地質(zhì)背景和臺站臺基處介質(zhì)密度等多種因素的綜合影響。臺站臺基巖性可能是決定場地響應(yīng)曲線特征和大小的主要因素,場地響應(yīng)與臺基介質(zhì)密度具有反相關(guān)性。位于高原且臺基介質(zhì)密度較大的基巖臺站,理論上其場地放大(衰減)作用最小。場地響應(yīng)值的大小可以反映觀測臺站的質(zhì)量好壞,觀測臺站質(zhì)量與臺站接收主動源激發(fā)信號的能力成正比,高質(zhì)量的觀測臺站可以減少獲取較高信噪比的主動源激發(fā)信號的疊加次數(shù),也可在同等疊加次數(shù)下獲取更遠(yuǎn)的傳播距離[21]。為減少觀測臺站對主動源激發(fā)信號的影響(祁連山主頻介于2～8 Hz)[20],主動源觀測系統(tǒng)臺站應(yīng)盡可能選擇基巖或介質(zhì)密度較大的砂土作為臺基,同時使用疊加技術(shù)壓制噪聲,提高信噪比。本文研究結(jié)果可供后續(xù)待建或改建的主動源觀測臺站臺基堪選提供參考。