利用數字地震波資料研究寧夏地區介質非彈性衰減和場地響應*

許英才 許文俊 李鴻庭 陳繼鋒

(1)寧夏回族自治區地震局，銀川 750001 2)甘肅省地震局，蘭州730001)

利用數字地震波資料研究寧夏地區介質非彈性衰減和場地響應*

許英才1)許文俊1)李鴻庭1)陳繼鋒2)

(1)寧夏回族自治區地震局，銀川 750001 2)甘肅省地震局，蘭州730001)

利用寧夏及鄰區的數字地震波資料，選取2009-05—2010-10月ML2.6以上的20個臺站32次地震事件的268條波形記錄，用遺傳算法反演了寧夏及鄰區介質非彈性衰減系數和臺站場地相應。反演得到：寧夏地區介質非彈性衰減Q值與頻率的關系為Q(f)=337.67f0.4554。其Q值和山西及浙江地區的結果最相近，可能預示著該區地質構造活動處于一個正常的活動水平。

寧夏地區;Q值;遺傳算法;場地響應;非彈性衰減

1 引言

地震波的傳播路徑對其能量的衰減包括幾何擴散和非彈性衰減這兩部分。根據研究，不同震中距上地震波的幾何擴散系數是不同的。目前被廣泛采用的理論模型是三段幾何衰減模型［1］。同時，近期的研究表明，基巖臺站也具有場地效應［2］。因此，要想得到各種精確的各種參數，必須設法區分地震記錄中的震源效應、傳播路徑及場地效應。目前比較有效的解決方法是采用震源Ω平方位移譜模型利用遺傳算法來反演各種參數［3-5］。

數字地震波作為一種綜合信息，包含了地震震源、地震波的傳播路徑、臺站的場地響應、儀器響應特征及觀測噪音等信息。數字地震觀測具有動態范圍大、觀測精度高、分辨率高、系統傳遞函數特性更穩定、便于計算機處理等特點。尤其是大動態范圍，使得數字地震觀測系統可以在更寬的幅度范圍內完整地記錄地震波形［1］。有6個數字地震臺站的寧夏數字地震臺網從2003年3月開始正式運行，尤其是“寧夏數字觀測網絡”的建設運行，使得利用寧夏數字化地震波形數字資料進行地震研究成為可能。本文將利用寧夏數字地震觀測臺網記錄的、發生在寧夏及其附近區域的中小地震的波形資料，采用互相銜接的三段幾何衰減模型，通過在頻率域內的分析，測定和研究寧夏地區剪切波的幾何衰減和非彈性衰減，以及場地相應的頻率特征。

2 數字測震臺網概況及資料的選取

2.1 寧夏數字測震臺網概況

寧夏數字地震臺網由石嘴山、銀川、中衛、鹽池、海原、涇源6個數字地震臺站組成，2003年3月正式投入觀測。2007年6月“十五”項目實施中對6個數字測震臺網進行了改造，并增加了陶樂、靈武、牛首山、同心、香山、固原、西吉等臺站，改造后的臺網于2008年1月1日投入正式運行。從2009年又將甘肅臺網的景泰、靜寧、平涼和天水臺，陜西臺網的隴縣臺以及內蒙臺網的巴音浩特和烏海納入寧夏數字地震臺網(圖1)。所以研究中使用了20個臺站的記錄數據。

寧夏回族自治區南北跨度460 km，東西跨度300 km，臺站主要沿寧夏邊緣分布，臺站的平均間距約為34 km，其中寧夏中南部相對稀疏一些(表1)。地震觀測頻帶1～20 Hz，地動噪聲速度幅值均方根平均低于2×10-8m/s。陶樂和靈武臺為井下觀測，地震計安放在黏土層內，其他臺站的臺基均為基巖。

2.2 資料的選取

波形數據來源于2009-05—2010-10月該區域32次ML≥2.7且ML≤5.0的地震事件，刪除了同一地點的地震，僅利用信噪比大于等于2且同一地震事件至少被3個以上地震臺所記錄的地震事件中的268條記錄(圖1)。

圖1 寧夏及鄰近地區臺站、地震震中及268條射線路徑分布圖Fig.1 Distribution of 20 stations，32 earthquake events and 268 rays used in Ningxia and its adjacent areas

表1 寧夏及鄰區地震臺站基本信息Tab.1 Basic information for seismic stations in Ningxia and its adjacent regions

3 處理方法及計算結果

3.1 Q值測定原理和方法

在頻率域中，經過儀器響應校正后的地震波的傅里葉譜振幅為：

表2 研究中使用的地震Tab.2 Earthquake Catalogue of Ningxia and its adjacent regions used in this study

式中，Aij為經過儀器響應校正的第j個臺站記錄到的第i個地震的傅里葉譜振幅，Ai0(f)為第i個地震的震源譜振幅，Rij為第j個臺站記錄到的第i個地震的震源距，G(Rij)為幾何衰減系數，Q(f)為品質因子，Sj(f)為第j個臺站的場地響應，VS為剪貼波波速。對式(1)取對數得：

式中，

非彈性衰減系數c(f)與介質品質因子Q(f)的關系為：

研究中采用的三段幾何衰減模型為：

式中，b1=1，b2=0，b3=0.5，R1=1.5 H，R2=2.5 H，H為地殼厚度。寧夏地區地殼平均厚度取H= 50.9 km。根據Atkinson［6］方法，假定所有臺站的場地響應為1(即不考慮場地響應)，可通過迭代反演求得c(f)和Sj(f)。殘差定義為：

式中，ni為記錄第i個地震的臺站數。

非彈性衰減系數c(f)的求解式為：

其具體計算步驟如下：

1)將所有臺站的場地響應的對數設為0，即lgSj(f)=0，使sum總和殘差極小;

2)利用得到的參數，根據式(9)求場地響應，

式中，mj為第j個臺站記錄的地震事件數。

3)將場地響應的計算值代入，重新計算c(f)，使殘差總和sum極小，不斷重復1)、2)、3)縮小殘差總和，通過反復迭代，可得到該地區的非彈性衰減系數c(f)，利用式(4)得到介質的品質因子Q(f)［6］。

3.2 多臺多地震聯合反演臺站場地響應方法

Moya方法［7］的原理在于通過對每個地震選擇Brune震源譜參數，依據每個震源譜參數計算已知地震的場地響應。

對第i個地震在第j個臺站觀測到的S波Fourier振幅譜進行幾何擴散時，采用三段幾何衰減模型：

設定每次地震的位移震源譜參數Ω0和fc，可得到每次地震的理論震源譜為：

在第k個頻率上，第i個地震對第j個臺站的場地響應為：

計算第j個臺站由不同地震得到的場地響應的平均值和標準偏差為：

根據遺傳算法，調整所有地震的震源譜參數，使得極小。

4 反演結果及討論

4.1 多臺多地震聯合反演結果

各頻率點品質因子值Q的分布及擬合得到的品質因子Q與頻率關系見圖2。由圖2可看出，品質因子Q與頻率有著一定的依賴關系，本文采用Q(f)=Q0fη模型來擬合品質因子Q的頻率依賴關系，參數η反映了品質因子對頻率的依賴程度，當η =0時品質因子與頻率無關。圖2顯示在1.0 Hz以上的頻率范圍內，lgQ與lgf有著很好的線性關系，采用頻率高于1.0 Hz的結果擬合得到的品質因子與頻率的關系式為(圖2)：

圖2 寧夏地區Q值與頻率的關系Fig.2 Relation of Q value with frequency in Ningxia region

Q值的大小反映了所研究區域地殼介質的均勻程度。它的大小與Q0和η值的大小有關。一般來說，地殼穩定地區Q值較大，構造活動強烈的地區，Q值較小。寧夏地區Q值與頻率的關系為Q(f)= 337.67f0.4554，與國內及國外其他區域比較，寧夏地區Q值相對適中，寧夏地區的Q值與頻率的關系在國內和山西及浙江地區的結果最相近［4］，在國外和歐洲中部的結果最相近［6，7］，所以認為寧夏地區構造活動的強度適中。據此推測，未來幾年寧夏地區的地震活動水平也不會太高。

4.2 利用Moya方法計算的臺站場地響應

根據計算得到的寧夏地區的Q值，利用由多臺多地震聯合反演臺站場地響應(Moya)方法計算出了20個臺站的場地響應。得出的20個臺站的場地響應(圖3)表明：在頻率為1～20Hz范圍內，20個臺站的場地響應因子的范圍為0.2～10(場地響應等于1說明場地對地震波信號沒有影響，場地響應小于1說明場地對地震波信號有縮小作用，大于1則對地震波信號有放大作用)，說明20個臺站的場地響應在不同的頻段因場地的差異所對應的臺站場地響應的差別較大。石嘴山、鹽池、涇源、平涼、海原、銀川、中衛、靈武、同心、固原、天水和巴彥浩特臺的場地響應在頻率大于10 Hz后隨地震波頻率增加場地響應逐漸縮小，而香山、牛首山和靜寧臺的場地響應隨頻率的增加場地響應緩慢放大。因此在計算地震震源譜時必須要考慮臺站場地對地震波的響應。

圖3 反演得到的臺站場地響應Fig.3 Site responses obtained by inversion

5 結論

1)采用多臺多震聯合反演法，得到的寧夏地區Q值與頻率的關系為Q(f)=337.67f0.4554。在1.0 Hz以上的頻率范圍內，lgQ與lgf有著很好的線性關系。寧夏地區的Q值的大小比較適中。與國內其他地區的Q值和頻率關系進行比較，寧夏地區的Q值在國內外和山西及浙江地區的結果最相近，在國外和歐洲中部的結果相近，可能預示著該區地質構造活動處于一個正常的活動水平。

2)由多臺多地震聯合反演臺站場地響應(Moya)方法得出的20個臺站的場地響應表明，在計算地震震源譜時必須考慮場地對地震波的影響。

致謝 衷心感謝中國地震局數字化實驗室專家們的指導與幫助!

1 劉杰，等.華南地區地震動衰減和場地響應的研究［J］.地球物理學報，2003，46(1)54-61.

2 劉杰，鄭斯華，黃玉龍.利用遺傳算法反演非彈性衰減系數、震源參數和和場地響應［J］.地震學報，2003，25(2)： 211-218.

3 陳章立.淺論地震預報地震學基礎［M］.北京：地震出版社，2004.

4 陳章立.數字地震觀測資料應用研究［M］.北京：地震出版社，2007.

5 陳章立.新的地震參數、介質參數的測定及新參數地震目錄編制(數據處理方法與軟件)［S］.中國地震局監測預報司，2007.

6 Atkinson G M and Mereu R F.The shape of ground attenuation curves in Southeastern Canada［J］.Bull Seism Soc A-mer.，1992，82：2 014-2 031.

7 Moya A and Jorge A.Inverson of source parameters and site efects from strong ground motion record using genetic algorithms［J］.Bull Seism Sec Amer.，2000，90：977-992.

STUDY ON INELASTIC ATTENUATION AND SITE RESPONSE OF EACH STATION IN NINGXIA AREA BY USING WAVEFORM DATA FROM DIGITAL SEISMIC STATION NETWORK

Xu Yingcai1)，Xu Wenjun1)，Li Hongting1)and Chen Jifeng2)

(1)Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001 2)Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730001)

268 pieces of digital oscillograms of 32 seismic events of form ML2.6 to ML4.9 recorded at 20 seismologic stations located on Ningxia region and its adjacent areas occurred from May，2009 to Oct.，2010 were studied and the relation of inelastic attenuation Q value with media frequency in the crust of this area，the site responses of 20 stations were calculated with the genetic algorithm.The results indicate that the frequency-dependent relation of inelastic attenuation value Q in the studied area is estimated as：Q(f)=337.67f0.4554.The Q value is close to the regional result in Shanxi and Zhejiang.It probably indicate that the geological tectonic activity is in a normal level.

Ningxia area;Q value;genetic algorithm;site response;inelastic attenuation

1671-5942(2011)Supp.-0033-05

2011-03-06

許英才，男，1986年生，學士，主要從事地震觀測及數據分析工作.E-mail：xuyingcai007@163.com

P315.3+1

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