四川攀西地區(qū)介質(zhì)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(qū)介質(zhì)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(qū)域地震臺網(wǎng)的數(shù)字波形資料以及中國地震臺網(wǎng)中心的有關(guān)震相數(shù)據(jù)，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(qū)的介質(zhì)品質(zhì)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(lián)合多臺多地震數(shù)據(jù)求得該地區(qū)各地震臺站的場地響應(yīng)。結(jié)果顯示，2008-05～2013-12期間攀西地區(qū)介質(zhì)衰減模型為Q(f)=94.4f0.665 9，2014-01～2015-06期間該地區(qū)介質(zhì)衰減模型為Q(f)=83.9f0.719 6，兩個時間段的反演結(jié)果十分接近，且均呈現(xiàn)出低Q0和較高衰減系數(shù)γ的特點(diǎn)，即該地區(qū)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(yīng)方面，巖石臺基對地震波信號在不同頻率點(diǎn)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(shù)在1～2之間平穩(wěn)變化，LGH地震臺場地響應(yīng)隨頻率增大而快速衰減。結(jié)合上述計算結(jié)果推測，攀西地區(qū)構(gòu)造活躍、上地殼結(jié)構(gòu)極不均勻、地震波能量衰減強(qiáng)烈是造成該區(qū)域Q0低異常的主要原因。

非彈性衰減；Q值；場地響應(yīng)；幾何衰減函數(shù)

地震孕育過程中，應(yīng)力積累造成介質(zhì)性質(zhì)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(zhì)幾何擴(kuò)散、非彈性衰減以及臺站場地響應(yīng)等因素的影響，從地震波形資料中獲得真實(shí)的震源信息并不容易。其中，介質(zhì)幾何擴(kuò)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(zhì)結(jié)構(gòu)和傳播路徑有關(guān)，是地震波傳播時由于波陣面的擴(kuò)大從而引起的單位面積波陣面上波動能量的減小；后者是地球介質(zhì)造成地震波能量的衰減，包括地殼介質(zhì)非均勻性引起的散射和介質(zhì)的非彈性吸收，這種衰減作用通常用介質(zhì)品質(zhì)因子Q來表述。

四川南部攀枝花-西昌地區(qū)(下文簡稱“攀西地區(qū)”)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(qū)域內(nèi)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(qiáng)地震頻發(fā)的地區(qū)。基于此，我們收集整理了四川數(shù)字地震臺網(wǎng)的波形資料和中國地震臺網(wǎng)中心的有關(guān)震相數(shù)據(jù)，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(qū)的介質(zhì)品質(zhì)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(lián)合多臺多地震數(shù)據(jù)，求得該地區(qū)各地震臺站的場地響應(yīng)。

1　方法和數(shù)據(jù)

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(kuò)散系數(shù)，Q(f)為品質(zhì)因子，Sj(f)為第j個臺站的場地響應(yīng)，VS為剪切波波速[6-10]。

對式(1)取對數(shù)，扣除上述影響，即

(2)

式中，非彈性衰減系數(shù)c(f)與介質(zhì)品質(zhì)因子Q之間的關(guān)系為：

(3)

參照Atkinson和Mereu[3]提出的區(qū)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(yīng)于攀枝花-西昌地區(qū)，地殼厚度D≈55 km[11]，幾何擴(kuò)展系數(shù)取R1=1.5D=82.5 km，R2=2.5D=137.5 km，b1=1.0，b2=0.0，b3=0.5。

假設(shè)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(shù)。

按以下步驟，對每個頻點(diǎn)分別進(jìn)行迭代。

2)由下式求得第j個臺站的場地響應(yīng)(mj是第j個臺站記錄到的地震)：

(7)

3)代入場地響應(yīng)結(jié)果，重新計算c(f)：

(8)

1.2數(shù)據(jù)

表1列出了參與計算的8個工作狀態(tài)正常、噪聲較小、波形記錄好的地震臺站所在構(gòu)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(yīng)計算的四川區(qū)域地震臺網(wǎng)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(shù)據(jù)來自全球30 rad的高程數(shù)據(jù)集GTOPO30)。可以看出，研究區(qū)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(qū)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(guān)系。Q0和γ在不同區(qū)域、大震前后表現(xiàn)為大小不同的常數(shù)，系數(shù)γ反映Q對頻率f的依賴程度，當(dāng)γ=0時，Q與頻率f無關(guān)。多數(shù)研究認(rèn)為，Q0值與地震活動性、地質(zhì)構(gòu)造和地域熱流有密切聯(lián)系。在構(gòu)造穩(wěn)定的克拉通地臺，介質(zhì)非均勻性弱，波的散射少，介質(zhì)品質(zhì)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(gòu)造活動的強(qiáng)烈剪切變形地帶和新生代擴(kuò)張盆地，如川滇地區(qū)和華北斷陷盆地等，裂隙密度增大，介質(zhì)非均勻性大，波的散射強(qiáng)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(qū)Q0普遍高，地震活動頻繁的區(qū)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(qū)地殼Q0值較高，在Pn速度低的地區(qū)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(qū)平均衰減模型的雙對數(shù)坐標(biāo)圖，各時間段上logQ與logf均有較好的線性關(guān)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(lián)合反演方法相同，黃玉龍等[6]計算的華南地區(qū)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(qū)和東部平原的介質(zhì)品質(zhì)因子分別是Q平原(f)=88.5f0.869和Q山區(qū)(f)=124.8f0.851，華衛(wèi)等[9]計算的龍門山斷裂帶附近平原和山區(qū)分別是Q平原(f)=206.7f0.836和Q山區(qū)(f)=274.6f0.423，趙翠萍等[14]計算的四川東部和西部地區(qū)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(jié)果可以看出，攀西地區(qū)具有明顯的低Q0和較高衰減系數(shù)γ的特點(diǎn)。雖然產(chǎn)生地震波衰減橫向變化顯著的機(jī)制還需進(jìn)一步探討，但觀測結(jié)果均表明，在裂隙發(fā)育和介質(zhì)破碎的構(gòu)造活動區(qū)，其地震波衰減明顯偏高[17]。攀西地區(qū)構(gòu)造活躍，上地殼結(jié)構(gòu)極不均勻，P波速度垂向分布呈不連續(xù)梯度過渡或常速度層加梯度過渡帶[11]，區(qū)域介質(zhì)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(xiàn)為更小的Q0值和較高的衰減系數(shù)γ。

另一方面，從選取的時間段上看，不同階段攀西地區(qū)平均衰減模型的雙對數(shù)坐標(biāo)存在細(xì)微變化：2008-05～2013-12(“汶川地震-蘆山地震”期間)區(qū)域Q0值為94.4，2014-01～2015-06(“汶川地震-蘆山地震”后)區(qū)域Q0減小到83.9，同時系數(shù)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(qū)介質(zhì)非均勻程度更大、地震波在該區(qū)域傳播時耗損的能量更多。查閱兩個時間段的地震目錄發(fā)現(xiàn)，前一時段攀西地區(qū)共發(fā)生ML2.5～4.5地震343次，后一時段攀西地區(qū)集中發(fā)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(qū)近兩年的構(gòu)造活動較以往更加活躍、地震更為密集。

3　場地響應(yīng)

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(yīng)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(rèn)為對地震波振幅是沒有影響的[18]。臺站場地響應(yīng)主要與臺站附近近地表地層介質(zhì)阻抗ρc(ρ為介質(zhì)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(zhì)阻抗較小，而地震波的振幅與阻抗的平方根成反比，當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ诘兔芏取⒌退俣鹊墓腆w介質(zhì)中傳播時，振幅會增大。

目前測量場地響應(yīng)的方法很多，主要使用的是地面運(yùn)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(shè)前提之上，即地面運(yùn)動反演法假設(shè)臺站場地響應(yīng)對所有地震是一樣的[19]，通過多臺多震聯(lián)合同時反演地震震源譜和臺站場地響應(yīng)；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(shè)地面運(yùn)動的垂直分量譜振幅對場地響應(yīng)相對不敏感，通過地面運(yùn)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(yīng)[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(shè)該基巖臺站沒有場地放大作用[22]，這是定量確定場地響應(yīng)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(yīng)值，而其他兩種方法的結(jié)果是相對場地響應(yīng)，受參考對象的影響較大。

基于Moya方法[5]，挑選波形記錄質(zhì)量好、地震和臺站分布均勻的地震事件參與聯(lián)合反演，最終得到攀西地區(qū)8個地震臺站的場地響應(yīng)(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(diǎn)的放大作用不同，8個地震臺站的場地響應(yīng)在頻率1～20 Hz范圍內(nèi)時，場地響應(yīng)因子在0.1～10之間變化。場地響應(yīng)等于1，表明場地對地震波信號沒有影響；場地響應(yīng)小于1，表明場地對地震波信號有衰減作用；場地響應(yīng)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(shù)在1～2之間平穩(wěn)變化，LGH地震臺場地響應(yīng)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(jié)　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(qū)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(qū)中小地震更為密集、構(gòu)造活動較以往更加活躍、區(qū)域介質(zhì)非均勻程度增大、地震波在該區(qū)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(yīng)Fig.3　The site response of 8 stations obtained by genetic algorithm

從獲得的攀西地區(qū)地震臺站的場地響應(yīng)結(jié)果來看，雖然各個臺站的場地響應(yīng)均表現(xiàn)為與頻率相關(guān)，但臺站場地地質(zhì)環(huán)境的好壞與其所在區(qū)域的平均Q0值似乎不存在聯(lián)系，記錄場地響應(yīng)隨頻率變化的曲線形態(tài)各有差異，空間分布上沒有明顯規(guī)律，只是從各臺站場地響應(yīng)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(zāi)等研究,E-mail：21013362@qq.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.014

1671-5942(2016)010-0907-05

P315

A

項(xiàng)目來源：四川省地震局科技專項(xiàng)(LY1501)。