遼寧地區(qū)Lg波衰減及場地響應(yīng)特征*

邵媛媛，鄭 勇，王 亮，楊士超，賈麗華，翟麗娜

(1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.中國地質(zhì)大學 地球物理與空間信息學院，湖北 武漢430074；3.中國地質(zhì)大學 地球內(nèi)部多尺度成像湖北重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引言

地震波衰減參數(shù)與區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震活動性密切相關(guān)(Sato，F(xiàn)echler，1998)，是控制地震破壞性大小的關(guān)鍵性因素之一。遼寧地區(qū)是中國東部地震活動構(gòu)造區(qū)，境內(nèi)有東部最大的斷裂帶郯城—廬江斷裂帶(雷清清等，2008)，歷史上發(fā)生過1975年海城7.3級大地震，且中小地震活動頻繁。區(qū)內(nèi)第四紀構(gòu)造盆地十分發(fā)育，特別是下遼河—遼東灣渤海沉降區(qū)的第三系、第四系厚度可達數(shù)千米(萬波，鐘以章，1997)，沉積層引起的地震波衰減或放大效應(yīng)對記錄到的地震波形有重要的影響(Taoetal，2014)，只有定量了解臺站區(qū)域的地下介質(zhì)響應(yīng)及衰減情況，才能對觀測到的地震波形進行校正，得到真實的地下結(jié)構(gòu)及震源信息。

近年來，研究人員對遼寧及周邊區(qū)域的地震衰減結(jié)構(gòu)開展了一些研究，這些研究多圍繞局部地區(qū)如海城蓋州地區(qū)的地震波衰減參數(shù)展開，主要采用P波頻譜特征(朱傳鎮(zhèn)等，1977)或尾波成分法(王偉君，劉杰，2004；李宇彤等，2008)，缺少對于其他區(qū)域的衰減結(jié)構(gòu)研究。基于一定的散射模型，開展中強地震或地震序列Q值變化的研究對臺站場地效應(yīng)衰減部分不予考慮或者考慮比較簡單，導致其衰減結(jié)果的可靠性存在較大的不足。從研究方法來看，疊加譜比法(SSR)(Xie，Mitchell，1990)和逆向雙臺譜比法(Chun，1987)，將場地響應(yīng)簡化或歸一化，一定程度上壓制場地響應(yīng)影響來獲取地震波衰減參數(shù)，且對資料選取嚴格，大大制約了該方法的適用性；Moya等(2000)提出的遺傳算法(Holland，1975)，雖實現(xiàn)了震源譜參數(shù)和場地響應(yīng)的聯(lián)合反演，應(yīng)用較廣泛，但方法上依賴于震源模型假設(shè)的正確性，而震源模型的可靠性又經(jīng)常依賴于地下結(jié)構(gòu)和場地響應(yīng)的準確性，兩者之間存在著折中問題。針對這些方法存在的困難，在譜比法基礎(chǔ)上，朱新運和陳運泰(2007)提出Lg波衰減參數(shù)和臺站場地響應(yīng)聯(lián)合反演的方法，該方法主要利用路徑衰減效應(yīng)與各臺站震中距無關(guān)的特點，將衰減參數(shù)與場地效應(yīng)分離，資料選取不再局限于兩臺站的逆向雙臺連線上，增加了資料的可使用數(shù)量，并在中國東部、華北盆地以及浙江地區(qū)得到了很好的應(yīng)用(朱新運，陳運泰，2007；朱新運，2016；Zhu，Chen，2012；Zhu，2014)，結(jié)果穩(wěn)定可靠，顯示了其優(yōu)越性。

隨著區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)的建立與完善，遼寧地區(qū)臺站覆蓋密度大大提高，獲得了豐富的中小地震觀測資料，為詳細研究遼寧地區(qū)的地震衰減結(jié)構(gòu)、確定臺站場地響應(yīng)提供基礎(chǔ)。本文基于遼寧及周邊區(qū)域的國家固定臺網(wǎng)資料，利用地震波衰減參數(shù)與場地響應(yīng)聯(lián)合反演方法研究遼寧地區(qū)地震波衰減參數(shù)和場地響應(yīng)，以期為今后精確測定地震震源參數(shù)提供可靠的臺站場地響應(yīng)資料，并為該區(qū)域的強地面震動及地震危險性研究提供基礎(chǔ)信息。

1 資料選取及處理

1.1 資料選取

本文研究區(qū)域為遼寧地區(qū)(38°～44°N，119°～126°E)，共挑取2008—2017年遼寧數(shù)字地震臺網(wǎng)32個臺站記錄到的238次地震，震級范圍為ML2.8～5.6，臺站的震中距范圍為90～500 km。臺站布設(shè)儀器包括短周期和寬頻帶地震儀，采樣率為100 Hz，場地類型包括地表、井下和山洞，臺基類型均為基巖。所選地震震中、臺站分布及地震射線地面投影如圖1所示。由圖可見，Lg波地震射線地面投影分布較為均勻。

1.2 資料處理

一般認為Lg波是在地殼介質(zhì)中經(jīng)過多次全反射形成的，在區(qū)域性短周期和寬頻帶地震圖上震相清晰，其振幅穩(wěn)定，持續(xù)時間長，能量最大，易于觀察，對地殼構(gòu)造及地殼介質(zhì)物理參數(shù)的變化更為敏感，使用Lg波資料獲得場地響應(yīng)結(jié)果更為穩(wěn)定(劉建華等，1999，2004；朱新運，陳運泰，2007)。對于Lg波段能量，多利用速度窗進行截取(Compilloetal，1985；Murphy，Bennet，1982；Mitraetal，2006；朱新運，陳運泰，2007；朱新運，2016；Zhu，Chen，2012；Zhu，2014；于俊誼，朱新運，2016；秦敏等，2018)。采用不同的速度窗長(2.3～3.6 km/s，2.6～3.1 km/s和3.1～3.6 km/s)截取Lg波段，對衰減參數(shù)計算的影響可忽略(Compilloetal，1985)。

圖1 本文使用的地震震中和臺站分布及l(fā)g波地震射線在地面的投影圖Fig.1 Distribution of earthquakes，seismic stations， and seismic ray paths of Lg wave used in this study

本文利用Lg波衰減參數(shù)和場地響應(yīng)聯(lián)合反演方法(朱新運，陳運泰，2007)，對所選的地震波形逐條進行檢查，去除有突跳、斷記和畸形等問題的波形，最后保留信噪比高的波形記錄共2 516條；然后使用固定速度窗方法截取Lg波段，窗長取2.2～3.6 km/s。圖2為2013年1月23日燈塔5.1級地震臺站記錄波形的Lg波截取實例，其中藍色直線分別為2.2 km/s和3.6 km/s的到時曲線，紅色波形為窗內(nèi)波形。為防止譜泄露，對截取的Lg波段進行補零至2的整數(shù)次方倍長度，在兩端加2%的cos邊瓣后進行FFT、儀器校正和幾何衰減校正，并以3個單位頻率步長采樣進行平滑處理，這樣對于每一個Lg信號段可以得到相同頻率間隔的波譜，計算Lg波譜(圖3)。

圖2 使用2.2～3.6km/s速度窗長截取的Lg波段(a)及其相應(yīng)波譜(b)
Fig.2 The seismic waveforms in the time window within the velocity band of
2.2～3.6 km/s(a) and its Lg spectrum(b)

圖3 遼寧地區(qū)介質(zhì)衰減Q(f)與頻率f的擬合圖Fig.3 Relationship between Q(f) and f in Liaoning region

2 計算結(jié)果及分析

2.1 衰減參數(shù)

在頻率域內(nèi)，使用UD，EW，NS向三分向數(shù)據(jù)，對所截取的Lg波形進行幾何校正、儀器響應(yīng)校正并作平滑，再根據(jù)分析頻率進行采樣。在6～7 Hz處，Lg波的衰減參數(shù)以及對應(yīng)頻率的出現(xiàn)較大差異(朱新運，2016)，因此本文選取頻段范圍為1～7Hz，間隔0.2 Hz進行采樣，構(gòu)造矩陣方程并求解得到衰減參數(shù)及場地響應(yīng)參數(shù)，對衰減參數(shù)進行形式的擬合。圖3顯示遼寧地區(qū)Lg波的Q值與f在1～7 Hz擬合較好，在低頻段1～2 Hz略有差異，擬合得到的衰減關(guān)系為：

QUD(f)=171.45f0.58

QEW(f)=213.73f0.51

(1)

QNS(f)=223.39f0.48

由表1可見，相比全球其它地區(qū)Lg波的衰減關(guān)系，遼寧地區(qū)Lg波衰減參數(shù)呈現(xiàn)以低Q值為主的特征。Benz等(1997)發(fā)現(xiàn)加利福利亞南部地區(qū)Lg波衰減關(guān)系在1～7Hz為Q(f)=187f0.55；Cha’vez和Priestley(1986)得到的美國大盆地Lg波衰減關(guān)系在1～5 Hz為Q(f)=235f0.56，在0.3～10 Hz為Q(f)=206f0.68，這2個區(qū)域衰減參數(shù)范圍與本文研究結(jié)果基本一致，而這2個區(qū)域地震活動水平與遼寧地區(qū)的實際地震活動水平也相當。對比華北地區(qū)的情況看(Zhu，Chen，2012)，遼寧地區(qū)與華北東南盆地—西北山區(qū)過渡帶的Lg波Q值結(jié)果范圍一致，但頻率依賴指數(shù)η相對較小，說明遼寧地區(qū)地震波的衰減強弱與華北地區(qū)東南盆地—西北山區(qū)過渡帶相似；雖然在高低頻段衰減差異要小一些，但差別不太大。

表1 不同區(qū)域Lg波衰減關(guān)系的比較Tab.1 Comparison of Lg-Wave attenuation relationship between different regions

2.2 場地響應(yīng)

表2為遼寧地區(qū)32個臺站的場地類型，本文聯(lián)合反演計算獲得了這些臺站的場地響應(yīng)特征(圖4)。各臺站的三分向場地效應(yīng)幅值變化在研究頻段內(nèi)較平滑，基本在1～8，少數(shù)臺(JCA，XMN，LHT)在5～7 Hz有抬升；GSH，H58，CHY臺幅值在低頻1～2 Hz有明顯放大；XYN，QYU，GAX，BXI臺幅值基本穩(wěn)定，在不同分向上的差異較大。

本文將3種場地類型的場地響應(yīng)幅值進行徑向和垂向特征分析(圖5)，發(fā)現(xiàn)不同類型場地的場地響應(yīng)特征差異明顯：

表2 32個臺站的場地類型Tab.2 The sites type of 32 stations in this study

(1)井下場地類型中H58臺(沉積巖)徑向上在1～2 Hz的放大效應(yīng)突出，幅值范圍為7～16，在3～7 Hz幅值要小很多，為3～5；GSH臺(灰?guī)r)整體幅值在2～4，低頻內(nèi)幅值抬升不大，只有4～5，相比之下，GSH臺在低頻場地放大效應(yīng)小很多，也比山洞、地表場地類型幅值更小；這2個臺站在垂向上差異沒有徑向上那么大，沒有突出的低頻放大效應(yīng)；

圖4 32個地震臺站的場地響應(yīng)Fig.4 Site response of the 32 seismic stations for estimation

圖5 3種場地類型在徑向(a)和垂向(b)場地響應(yīng)特征Fig.5 The amplification of three kinds site type between the radial and vertical directions

(2)山洞場地類型的臺站徑向上除QYU(混合花崗巖)、CHY(石灰?guī)r)臺的幅值最大值達12外，其它臺站的場地響應(yīng)幅值范圍為2～7.5。

(3)地表場地類型的臺站徑向上除BXI，HUR臺(均混合花崗巖)的幅值整體放大效應(yīng)明顯，范圍為5～14，其它臺的場地響應(yīng)幅值范圍為2～8，JZH臺(混合花崗巖)的場地響應(yīng)放大效應(yīng)最小，范圍為2～4，XMN臺(灰?guī)r)的幅值在高頻4～7 Hz上抬升明顯，幅值范圍為6～10。

(4)3種場地類型的共同特點是臺站的場地響應(yīng)幅值在徑向上比在垂向上整體大一些，幅值范圍在徑向上為2～12，而在垂向上為1～6。在使用HVSR(Horizontal-to-vertical spectral ratio，水平向與垂直向比值法)獲取場地響應(yīng)的方法中，研究者認為場地響應(yīng)在垂直向沒有放大(Borcherdt，1970；Lachetetal，1996；Parolaietal，2010)，因此，垂向幅值小于徑向幅值是可能的。臺站場地響應(yīng)與近地表介質(zhì)的密度、速度結(jié)構(gòu)有關(guān)，32個臺站分布于不同構(gòu)造區(qū)，地形地貌上凹陷隆起相間，近地表結(jié)構(gòu)不同，大多數(shù)臺站場地效應(yīng)幅值在徑向上大于垂向，可以排除淺表介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)差異因素的影響。而遼寧地區(qū)臺站基本都處于基巖上，所以筆者認為這一特點可能與臺基巖石的屬性特征有關(guān)。從巖性方面看，在同場地類型中未發(fā)現(xiàn)不同巖性的臺站的場地響應(yīng)特征有明顯的差異，可能場地類型的差異比巖石屬性差異對臺站場地響應(yīng)的影響更大。

2.3 結(jié)果可靠性分析

理論上，對于給定的頻率，通過構(gòu)造矩陣方程求解未知的Q值和場地響應(yīng)，幾個甚至1個地震記錄就可以獲得地震波的衰減和場地響應(yīng)。但在實際研究中，臺站和地震分布對結(jié)果有較明顯的影響，對于地震射線數(shù)量太少，覆蓋不均勻的情況，其反演的結(jié)果可能不能反映研究區(qū)域內(nèi)介質(zhì)的衰減特性；而對于地震射線覆蓋偏少的區(qū)域，需要累積更長時間的數(shù)據(jù)，如果期間區(qū)域的地震衰減特性發(fā)生變化，那么結(jié)果也會存在著明顯的不穩(wěn)定性。因此，有必要對解的可靠性進行測試分析。

為了確定反演結(jié)果的穩(wěn)定性，本文采用統(tǒng)計學方法中的隨機刪除樣本的重構(gòu)樣本空間方法(Eriksonetal，2004)。其思路是：①假定樣本總量為n，從n中隨機剔除d個樣本；②使用n-d個剩余樣本構(gòu)造新矩陣進行m次求解，得到m組解；③計算m組解的平均值和標準偏差值，以UD向的數(shù)據(jù)為例，隨機從觀測的191個地震總樣本數(shù)據(jù)中(n=191)隨機刪除66個地震(d=66)，重新構(gòu)觀測矩陣進行1 800次(m=1 800)求解，最終獲得1 800組解，并計算其平均值和標準差值(圖6，圖7)。從圖6可以看出，重構(gòu)矩陣方程計算獲得的衰減參數(shù)Q值為173.98，相對誤差為1.4%，頻率依賴指數(shù)η為0.57，的相對誤差1.7%，說明反演結(jié)果是穩(wěn)定可靠的。

圖6 26個頻率對應(yīng)的Q值擬合圖Fig.6 The frequency-dependent Q values at 26 frequencies

圖7 d=35%時Q0數(shù)據(jù)直方圖Fig.7 Normal distribution of Q0 value when d=35%

3 討論和結(jié)論

品質(zhì)因子Q值與地下結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)和強度具有極為密切的關(guān)系，一般認為低Q值區(qū)域地殼斷裂發(fā)育強，介質(zhì)破碎，地殼變形強，多有地震活動和水熱活動；而高Q值區(qū)域則地殼塊體穩(wěn)定，地殼變形弱，地震活動較少，水熱活動性弱。因此，地震活動性強的區(qū)域Q值低，活動性弱的區(qū)域Q值高。本文計算得到遼寧地區(qū)Lg波的Q0為173～232，屬于低Q值范圍，與該區(qū)地震活動性特點相一致。研究區(qū)內(nèi)的郯廬大斷裂的北段及北延段兩側(cè)地勢較低、河流發(fā)育、地溫較高，在古生代和中生代構(gòu)造活動劇烈，幔源物質(zhì)上涌甚至出露，地幔頂部仍存在部分熔融，這可能是導致遼寧地區(qū)Q值低的原因。與華北地區(qū)相比(Zhu，Chen，2012)，遼寧地區(qū)Q值比華北地區(qū)的西北山區(qū)低，比東南盆地高，但與華北地區(qū)東南盆地—西北山區(qū)過渡帶的Q值范圍一致，頻率依賴指數(shù)相對較小。以上不僅說明遼寧地區(qū)的構(gòu)造活動性相對較低，也說明該區(qū)地質(zhì)構(gòu)造相比華北地區(qū)較為平緩，沒有太多山區(qū)的構(gòu)造，沉積層的覆蓋度和深度也相對較低。吳明大(1991)計算渤海周圍地區(qū)烈度衰減關(guān)系顯示，與華北地區(qū)相比，烈度衰減在M7和M8是基本一致，而在M5～6時稍低0.1～0.3度，渤海周圍地區(qū)地震烈度衰減比華北地區(qū)慢，這一認識與本文研究一致。本文得到的遼寧地區(qū)衰減結(jié)構(gòu)與區(qū)域的淺層地殼結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，表明采用的射線路徑在全區(qū)覆蓋均勻，本文資料選取和反演結(jié)果是可靠的。

本文獲取的場地響應(yīng)結(jié)果表明，32個臺站場地響應(yīng)與頻率之間表現(xiàn)出不規(guī)則依賴關(guān)系，大多數(shù)臺站的場地效應(yīng)幅值平坦，幅值在8以下，少部分在10以上，最大不超過16。井下場地類型的GSH，H58臺在1～2 Hz低頻段放大效應(yīng)突出，而部分臺站如JCA，XMM臺在5～7 Hz高頻段放大效應(yīng)明顯，XYN， LYA，QYU，BXI等臺在整個頻段內(nèi)表現(xiàn)比較穩(wěn)定。同時，研究發(fā)現(xiàn)不同場地類型的場地響應(yīng)特征差異明顯：山洞類型較地表類型的場地放大效應(yīng)小；同一場地類型中臺站基巖屬性差異對臺站場地響應(yīng)的影響不明顯；各場地類型中的場地放大效應(yīng)在徑向上比垂向上大的多，可能與臺站基巖的屬性特征有關(guān)。

由于遼寧地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復雜，喜馬拉雅運動形成遼寧境內(nèi)東西部大型隆起和中部凹陷的格局，地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異對Lg衰減也會產(chǎn)生影響。篇幅所限，本文未對其進行定量的分析，未來可以通過分區(qū)進行進一步研究。

感謝浙江省地震局朱新運研究員提供的反演計算軟件及對本文研究提出的寶貴意見。