利用遺傳算法反演山東地區S波非彈性衰減及場地響應1

苗慶杰 劉希強 石玉燕 曲均浩

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利用遺傳算法反演山東地區S波非彈性衰減及場地響應1

苗慶杰 劉希強 石玉燕 曲均浩

（山東省地震局，濟南 250012）

采用山東地震臺網記錄的地震資料，基于Atkinson方法計算得出研究區非彈性衰減值與頻率?的關系為(?)=457.1?0.4317。基于Moya方法得到山東臺網中46個臺站的場地響應，其中大部分臺站效果比較理想，BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF臺站存在較明顯的放大效應，BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF臺站的場地響應在6Hz以上出現顯著的高頻衰減。

山東地區 S波值 場地響應

引言

地震波衰減特征研究為了解地球內部物理化學狀態和物質組成，以及測定震源參數、震源機制和估算地震震級等方面提供了重要依據，長期以來一直為地球物理工作者所重視。許多破壞性地震表明，場地效應在結構破壞方面具有非常大的影響，其在地震學和地震工程學中具有重要的意義。

本文利用山東地震臺網中46個臺站記錄到的中小地震資料，基于Atkinson方法計算了研究區的非彈性衰減值，采用Moya方法計算了每個臺站的場地響應，并對其進行了分析研究，為今后數字地震資料在山東地區地震學、地震工程學中的應用及測定新地震參數等方面提供基礎數據。

1 數據選取及處理

山東數字測震臺網由64個直屬固定數字地震臺站組成，2015年加入省“十一五”新建臺站后，臺站數量增加到117個。自2001年正式運行以來，臺網記錄到大量的中小地震，為測定山東地區地震波衰減特征和臺站的場地響應提供了寶貴的數據。

為保證地震數據具有良好的信噪比，同時使地震射線較好地覆蓋研究區域，在選取數據時要求每個地震至少被3個臺站記錄到，每個臺站至少有3條地震記錄。由于2015年新加入的臺站運行時間短，沒有記錄到足夠的震相，所以，無法測算這些臺站的場地響應，經過計算，最終挑選出46個臺站，41個2.0＜L＜5.0的地震數據進行處理。圖1和圖2給出了研究區域臺站、震中位置和地震射線分布，可以看出研究區內地震和臺站的空間分布比較均勻，射線幾乎覆蓋整個研究區域。

本研究使用SH波資料。在處理地震波譜資料的過程中，截取的S窗從第一個可識別的S震相起始，窗口中的波形包括S波90%的能量。S窗內的波形被分成256個采樣間隔，且相鄰的間隔之間有50%重合，然后對每一段做傅立葉變換，兩端取5%的余弦邊瓣，扣除儀器響應、噪聲和自由表面效應，挑選信噪比大于2的地震記錄，最終確定41個L2.0級以上地震的494條數據作為基礎研究資料。

2 計算方法和結果

2.1 品質因子值

經過上述資料處理后，任一個地震在某一臺站觀測到的地面運動的剪切波傅里葉SH分量為：

S波的幾何擴散采用三段模型（Atkinson等，1992）。山東地區平均地殼厚度大約為36km（林懷存，1989），模型參數取1=1.0，2=0.0，3=0.5，01=1.5=54km，02=2.5=90km。代入（1）式，就成為對非彈性衰減系數和臺站的場地響應的聯合反演問題。

殘差定義如下：

本文得到的0及值與石玉燕等（2008）得到的結果有一定差異，造成這種差異原因可能與研究區域大小和使用的地震臺站的數量有關。石玉燕等（2008）所選區域范圍包括河北和華北部分地區，而華北地區沉積覆蓋層更厚，導致值下降。本文所選用的臺站及地震數量更多，地震震中及地震射線在山東地區分布更均勻，所求得的結果更接近實際。

品質因子值是介質重要的物理參數，與其強度和均勻程度相關，是構造活動性的一種量度。地震波在構造活動穩定的地區衰減較慢，品質因子值較大；在構造活動強烈的地區衰減則較快，品質因子值較小。山東地區較高的0值反映了該地區構造相對穩定及地震活動性相對較弱的特征。

2.2 場地響應的確定

基于Moya等（2000）的方法，計算分析每個地震臺站的場地響應。假設每個臺站的場地響應與地震事件無關，采用遺傳算法，調整震源譜參數，使得到的場地響應的標準差最小。在獲得震源譜參數后，通過校正后的位移振幅譜對比理論震源譜就可得到臺站的場地響應（李祖寧等，2012）。

首先對第個地震在第個臺站觀測到的SH波的傅立葉振幅譜進行幾何擴散與非彈性衰減校正：

在第個頻率點，由第次地震事件對第個臺站的場地響應為：

（7）

計算在第個頻率點上第個臺站由不同地震得到的場地響應的平均值和標準偏差，采用遺傳算法，調整每次地震的震源譜參數，使公式（8）的值最小。

圖4是所求得的場地響應。因篇幅所限，文中只列出46個臺站中16個臺站的場地響應計算結果。圖中細線表示每個地震記錄到的臺站場地響應，粗線表示該臺站場地響應的平均值。可以看出，這些臺站的場地響應在頻率域中隨頻率的增加，有的較穩定，有的呈現高頻衰減狀，有的呈現高頻放大狀，有些臺站的場地響應在整個頻率域都出現放大效應，有些則在部分頻率范圍內放大。46個臺站中有37個臺站效果較理想，沒有明顯的放大效應，而BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF臺站出現較明顯的放大效應，這與其所處的場地條件——松散沉積巖地基——可能產生的場地響應相一致。BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF臺站的場地響應在6Hz以上出現顯著的高頻衰減。

3 結論

本文選用山東地區46個臺站記錄到的41次2.0＜L＜5.0地震，得出山東地區值隨頻率?的關系為，與石玉燕等（2008）所得到的結果有一定差異，造成這種差異的原因可能與研究區域大小和使用的地震臺站的數量有關。上述文獻所選區域范圍包括河北等華北部分地區，而華北地區沉積覆蓋層更厚，導致值下降。從樣本數量和臺站分布來說，本文結果更接近實際，更具合理性。

場地響應計算結果方面，山東臺網46個臺站中有37個臺站的效果比較理想。BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF臺站出現較明顯的放大效應，這與其所處松散沉積巖地基可能產生的場地響應特性相符。BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF臺站的場地響應在6Hz以上出現顯著的高頻衰減。另外，臺站場地效應與臺基、臺站周圍地形等因素有關，一般認為地震射線方向的影響不大（華衛，2007），本文研究結果可為山東地區測定新地震參數提供基礎數據。

致謝：中國地震臺網中心劉杰研究員、中國地震局地震預測研究所趙翠萍研究員和華衛副研究員提供了技術思路指導，審稿專家和編輯給出了寶貴的修改意見和建議，作者在此一并表示感謝。

華衛，2007．中小地震震源參數定標關系研究．北京：中國地震局地球物理研究所．

黃玉龍，鄭斯華，劉杰等，2003．廣東地區地震波衰減和場地響應的研究．地球物理學報，46（1）：54—61．

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

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The Inversion of S Wave Inelastic Attenuation and Site Response by Genetic Algorithms in the Shandong Region

Miao Qingjie, Liu Xiqiang, Shi Yuyan and Qu Junhao

(Earthquake Administrator of Shandong Province, Jinan 250012, China)

With the digital waveform data recorded in 46 stations of the Shandong seismic network, we calculated inelastic attenuation in the Shandong region by using Atkinson method, and obtained the relation ofvalue and frequency as(?)=457.1?0.4317. Based on Moya method we found that most of the results the site response of 46 stationsare ideal. The site response of BSH, BZH, DOY, KEL, SHH, TZH, WEF stations show significant amplifications, while the site response of BZH, CHD, DOY, KEL, SHH, TCH, WEF stations show significant high-frequency attenuation above 6Hz.

The Shandong region; S wave;value; Site response

10.11899/zzfy 20160410

山東省自然科學基金（ZR2014DQ019）、中國地震局星火計劃（XH16025Y）、山東省地震局重點基金項目（JJ1407Y）資助

2016-10-28

苗慶杰，男，生于1980年。碩士研究生，工程師。主要從事地震波分析處理與應用方面的工作。E-mail：qjmiao@163.com