四川攀西地區介質衰減特征研究

盧　婷

1　四川省地震局, 成都市人民南路三段29號，610041

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四川攀西地區介質衰減特征研究

盧婷1

1四川省地震局, 成都市人民南路三段29號，610041

利用四川區域地震臺網的數字波形資料以及中國地震臺網中心的有關震相數據，選取互相銜接的3段地震波的幾何衰減模型，利用基于遺傳算法的Atkinson和Mereu方法，反演得到四川攀枝花-西昌地區的介質品質因子Q(f)，并采用Brune的ω平方模型約束震源位移譜，使用Moya方法聯合多臺多地震數據求得該地區各地震臺站的場地響應。結果顯示，2008-05～2013-12期間攀西地區介質衰減模型為Q(f)=94.4f0.665 9，2014-01～2015-06期間該地區介質衰減模型為Q(f)=83.9f0.719 6，兩個時間段的反演結果十分接近，且均呈現出低Q0和較高衰減系數γ的特點，即該地區地震波衰減明顯偏高，同時Q對頻率f的依賴較大；場地響應方面，巖石臺基對地震波信號在不同頻率點的放大作用不同，其中MGU、PGE和SMK地震臺場地增益較大，YYU、YYC地震臺場地放大倍數在1～2之間平穩變化，LGH地震臺場地響應隨頻率增大而快速衰減。結合上述計算結果推測，攀西地區構造活躍、上地殼結構極不均勻、地震波能量衰減強烈是造成該區域Q0低異常的主要原因。

非彈性衰減；Q值；場地響應；幾何衰減函數

地震孕育過程中，應力積累造成介質性質的變化，在地震記錄上反映為波形特征的差異。受地震波傳播過程中儀器放大、介質幾何擴散、非彈性衰減以及臺站場地響應等因素的影響，從地震波形資料中獲得真實的震源信息并不容易。其中，介質幾何擴散和非彈性衰減是造成地震波振幅隨震中距衰減的主要原因。前者與介質結構和傳播路徑有關，是地震波傳播時由于波陣面的擴大從而引起的單位面積波陣面上波動能量的減??；后者是地球介質造成地震波能量的衰減，包括地殼介質非均勻性引起的散射和介質的非彈性吸收，這種衰減作用通常用介質品質因子Q來表述。

四川南部攀枝花-西昌地區(下文簡稱“攀西地區”)地處青藏高原東南緣、云貴高原、四川盆地和橫斷山系之間的過渡位置[1]，區域內近南北向的安寧河斷裂帶、北北西向的則木河斷裂帶以及近南北向的大涼山斷裂帶，共同組成川滇地塊的東邊界[2]，是中強地震頻發的地區?；诖?，我們收集整理了四川數字地震臺網的波形資料和中國地震臺網中心的有關震相數據，選取互相銜接的3段地震波的幾何衰減模型，利用基于遺傳算法的Atkinson和Mereu方法[3]，分別反演了2008-05～2013-12(“汶川地震-蘆山地震”期間)及2014-01～2015-06(“汶川地震-蘆山地震”后)兩個時間段中攀枝花-西昌地區的介質品質因子Q(f)；采用Brune的ω平方模型[4]約束震源位移譜，使用Moya方法[5]，聯合多臺多地震數據，求得該地區各地震臺站的場地響應。

1　方法和數據

1.1方法

頻率域中，第i個地震在第j個臺站觀測到的S波傅里葉譜Aij(f)描述為：

(1)

式中，Ai0(f)為第i個地震的震源譜振幅，Rij為震中距，G(Rij)為幾何擴散系數，Q(f)為品質因子，Sj(f)為第j個臺站的場地響應，VS為剪切波波速[6-10]。

對式(1)取對數，扣除上述影響，即

(2)

式中，非彈性衰減系數c(f)與介質品質因子Q之間的關系為：

(3)

參照Atkinson和Mereu[3]提出的區域范圍射線傳播路徑上的3段地震波幾何衰減模型:

(4)

對應于攀枝花-西昌地區，地殼厚度D≈55 km[11]，幾何擴展系數取R1=1.5D=82.5 km，R2=2.5D=137.5 km，b1=1.0，b2=0.0，b3=0.5。

假設不同臺站得到的同一地震的震源譜是相同的，那么殘差定義為：

(5)

(6)

式中，ni為記錄到第i個地震的臺站數。

按以下步驟，對每個頻點分別進行迭代。

2)由下式求得第j個臺站的場地響應(mj是第j個臺站記錄到的地震)：

(7)

3)代入場地響應結果，重新計算c(f)：

(8)

1.2數據

表1列出了參與計算的8個工作狀態正常、噪聲較小、波形記錄好的地震臺站所在構造單元、臺基巖性以及使用的地震計型號。為了確保計算精度，要求每個地震至少被3個臺站記錄,每個臺站至少記錄到3次地震，震級范圍ML2.5～4.5，震源深度≤30 km，信噪比≥1.5 dB。圖1是參加計算的地震震中、臺站分布及射線路徑圖(三角形代表參加Q值和場地響應計算的四川區域地震臺網寬頻帶固定臺站；圓代表地震，不同圓的顏色隨震源深度的增加由綠變褐；DEM地形數據來自全球30 rad的高程數據集GTOPO30)?？梢钥闯觯芯繀^域的整體射線覆蓋較為均勻。

表1　臺站信息表

圖1　Q值分區及射線路徑Fig.1　The divisions of Q and the ray distribution of survey area

2　衰減模型Q(f)

通常用Q(f)=Q0fγ的形式來擬合Q與頻率f的關系。Q0和γ在不同區域、大震前后表現為大小不同的常數，系數γ反映Q對頻率f的依賴程度，當γ=0時，Q與頻率f無關。多數研究認為，Q0值與地震活動性、地質構造和地域熱流有密切聯系。在構造穩定的克拉通地臺，介質非均勻性弱，波的散射少，介質品質因子Q0普遍較高，如塔里木盆地、鄂爾多斯高原、華南地臺等。反之，在構造活動的強烈剪切變形地帶和新生代擴張盆地，如川滇地區和華北斷陷盆地等，裂隙密度增大，介質非均勻性大，波的散射強烈，通常Q0值較低。從地震活動性的角度看，地震活動水平較低的地區Q0普遍高，地震活動頻繁的區域Q0普遍低。這和Pn波速度分布特征也很相似，在Pn速度高的地區地殼Q0值較高，在Pn速度低的地區Q0值也低[12]。

圖2是2008-05～2013-12(“汶川地震-蘆山地震”期間)及2014-01～2015-06(“汶川地震-蘆山地震”后)兩個時間段中，攀枝花-西昌地區平均衰減模型的雙對數坐標圖，各時間段上logQ與logf均有較好的線性關系，擬合后的衰減模型分別是Q1(f)=94.4f0.665 9及Q2(f)=83.9f0.719 6。

圖2　各時間段Q(f)的擬合曲線Fig.2　Fitted Q(f) curves of studied regions

與本文所用聯合反演方法相同，黃玉龍等[6]計算的華南地區Q(f)=481.5f0.31，王勤彩等[8]計算的華北中部Q(f)=420f0.388，蘭從欣等[13]計算的北京西部山區和東部平原的介質品質因子分別是Q平原(f)=88.5f0.869和Q山區(f)=124.8f0.851，華衛等[9]計算的龍門山斷裂帶附近平原和山區分別是Q平原(f)=206.7f0.836和Q山區(f)=274.6f0.423，趙翠萍等[14]計算的四川東部和西部地區分別是Q東部(f)=507.4f0.51和Q西部(f)=191.8f0.56，張永久和喬慧珍[15]計算的四川紫坪鋪水庫Q(f)=47.8f0.91，喬慧珍等[16]計算的四川瀑布溝水庫Q(f)=47.1f0.92。對比上述研究結果可以看出，攀西地區具有明顯的低Q0和較高衰減系數γ的特點。雖然產生地震波衰減橫向變化顯著的機制還需進一步探討，但觀測結果均表明，在裂隙發育和介質破碎的構造活動區，其地震波衰減明顯偏高[17]。攀西地區構造活躍，上地殼結構極不均勻，P波速度垂向分布呈不連續梯度過渡或常速度層加梯度過渡帶[11]，區域介質橫向均勻程度比川西高原和四川盆地更低，對地震波能量的吸收更大，在衰減特性上即表現為更小的Q0值和較高的衰減系數γ。

另一方面，從選取的時間段上看，不同階段攀西地區平均衰減模型的雙對數坐標存在細微變化：2008-05～2013-12(“汶川地震-蘆山地震”期間)區域Q0值為94.4，2014-01～2015-06(“汶川地震-蘆山地震”后)區域Q0減小到83.9，同時系數γ也從0.665 9上升到0.719 6，即“汶川地震-蘆山地震”后攀西地區介質非均勻程度更大、地震波在該區域傳播時耗損的能量更多。查閱兩個時間段的地震目錄發現，前一時段攀西地區共發生ML2.5～4.5地震343次，后一時段攀西地區集中發生ML2.5～4.5地震338次，即從地震活動性方面也再一次印證了攀西地區近兩年的構造活動較以往更加活躍、地震更為密集。

3　場地響應

與上述衰減作用相反的是，受觀測臺站場地增益的影響，地震波振幅會增大，通常用場地響應來描述臺基附近理想基巖上覆蓋的軟土層對地震波振幅的影響，理想基巖被認為對地震波振幅是沒有影響的[18]。臺站場地響應主要與臺站附近近地表地層介質阻抗ρc(ρ為介質密度，c為波速)的平方根成反比。覆蓋在理想基巖上的松軟土層因其密度和波速相對較低，造成介質阻抗較小，而地震波的振幅與阻抗的平方根成反比，當地震波在低密度、低速度的固體介質中傳播時，振幅會增大。

目前測量場地響應的方法很多，主要使用的是地面運動反演法、水平與垂直向之比法(HVSR法)以及參考臺站法。這3種方法均是建立在一定的假設前提之上，即地面運動反演法假設臺站場地響應對所有地震是一樣的[19]，通過多臺多震聯合同時反演地震震源譜和臺站場地響應；水平與垂直向之比法最早是Nakamura[20]利用地脈動估算沉積層引起的放大，它假設地面運動的垂直分量譜振幅對場地響應相對不敏感，通過地面運動水平和垂直分量的比值，去除水平分量的衰減和震源影響，得到臺站場地響應[21]；參考場地法要求所研究臺站附近有一個位于基巖上的參考臺站，假設該基巖臺站沒有場地放大作用[22]，這是定量確定場地響應的最原始方法。研究表明，Moya方法[5,23]是依賴于震源模型的方法，能給出絕對的場地響應值，而其他兩種方法的結果是相對場地響應，受參考對象的影響較大。

基于Moya方法[5]，挑選波形記錄質量好、地震和臺站分布均勻的地震事件參與聯合反演，最終得到攀西地區8個地震臺站的場地響應(圖3)。對比圖3可看出，巖石臺基對地震波信號在不同頻率點的放大作用不同，8個地震臺站的場地響應在頻率1～20 Hz范圍內時，場地響應因子在0.1～10之間變化。場地響應等于1，表明場地對地震波信號沒有影響；場地響應小于1，表明場地對地震波信號有衰減作用；場地響應大于1，則對地震波信號有放大作用。在近震記錄的卓越頻段(1～4 Hz)，MGU、PGE和SMK地震臺場地增益較大，YYU、YYC地震臺場地放大倍數在1～2之間平穩變化，LGH地震臺場地響應隨頻率增大而快速衰減。在10 Hz以上的高頻部分，絕大部分臺站場地增益呈明顯衰減趨勢。

4　結　論

2008-05～2013-12(“汶川地震-蘆山地震”期間)及2014-01～2015-06(“汶川地震-蘆山地震”后)兩個時間段中，攀枝花-西昌地區平均衰減模型分別是Q1(f)=94.4f0.665 9及Q2(f)=83.9f0.719 6，即后一時段攀西地區中小地震更為密集、構造活動較以往更加活躍、區域介質非均勻程度增大、地震波在該區域傳播時耗損的能量更多。

圖3　反演所得8個臺站的場地響應Fig.3　The site response of 8 stations obtained by genetic algorithm

從獲得的攀西地區地震臺站的場地響應結果來看，雖然各個臺站的場地響應均表現為與頻率相關，但臺站場地地質環境的好壞與其所在區域的平均Q0值似乎不存在聯系，記錄場地響應隨頻率變化的曲線形態各有差異，空間分布上沒有明顯規律，只是從各臺站場地響應分析上看，其高頻衰減依然較為明顯。

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About the author:LU Ting, engineer, majors in earthquake precursor and earthquake prevention and disaster reduction,E-mail:21013362@qq.com.

Study of Attenuation Characteristics and Site Response in the Panzhihua-Xichang Area

LUTing1

1Earthquake Administration of Sichuan Province，29 3th Segment of South-Renmin Road, Chengdu 610041，China

Using digital waveform data recorded by region seismic networks along with relevant seismic phase data collected by the China seismograph network, we calculate the attenuation characteristics and site response for the Panzhihua-Xichang area. The frequency dependentQ(f) is obtained by the iterative grid-search technique described by Atkinson and Mereu, based on a trilinear geometrical spreading model. The source spectra is determined by the model of Brune and the site responses of seismic stations derived by Moya’s method, which uses genetic algorithms. Our results demonstrate that the associated model for the regional quality factor for frequencies can be expressed asQ(f)=94.4f0.665 9(from May, 2008 to December, 2013)andQ(f)=83.9f0.719 6(from January, 2014 to June, 2015)for the Panzhihua-Xichang area. Site response results indicate that different stations show different amplifications. Site amplifications in the Panzhihua-Xichang area are between 1.13 and 6.93 times. For tectonically stable cratonic regions, theQ0is usually high; in contrast, for tectonically active regions, such as the Panzhihua-Xichang area, theQ0is generally low. Broken media caused by strong tectonic activity or upper-mantle heterogeneity and velocity structure may be the main reasons of lowQ0values in this area.

non-elasticity attenuation；Qvalue; site response；geometrical spreading function

Science and Technology Project of Earthquake Administration of Sichuan Province,No.LY1501.

2015-10-12

盧婷，工程師，主要從事地震前兆、防震減災等研究,E-mail：21013362@qq.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.014

1671-5942(2016)010-0907-05

P315

A

項目來源：四川省地震局科技專項(LY1501)。