基于廣義反演方法的復雜板塊構造下地震動衰減特性

周影 王宏偉 溫瑞智

摘要：為研究構造復雜的關東盆地及其周邊地區的地震動衰減特性，根據地震震源機制解和Slab1.0模型，依據前人提出的日本地區地震構造類型劃分方法給出所研究地震的構造類型，并依據地震構造類型及空間分布劃分了3個研究區域。利用單步非參數化廣義譜反演方法分析了3個區域的地震動衰減特性。結果表明：區域I中發生于陸地的淺地殼地震的地震動路徑衰減較弱，遠距離處近似不出現路徑衰減，頻率相關的非彈性衰減較弱，品質因子Q=92.33f;區域Ⅱ中，發生于陸地的上地幔地震的地震動路徑衰減的下降速率隨距離增大而增大，頻率相關的非彈性衰減較強，Q=27.75f;區域Ⅲ中，發生于近海的淺層地殼和上地幔地震的地震動路徑衰減兼具區域I、Ⅱ的衰減屬性，Q=58.07f089。

關鍵詞：廣義譜反演方法;關東盆地;強地震動;衰減特性;品質因子

中圖分類號：P315.914文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2021）04-0650-06

0引言

日本關東地區是日本人口數量最多且分布最密集的地區，也是地下構造最復雜的區域。歐亞大陸板塊、菲律賓板塊和太平洋板塊自上至下形成了三層疊合的俯沖狀態。菲律賓板塊與歐亞大陸板塊間的摩擦和扭轉、太平洋板塊與菲律賓板塊的下沉擠壓以及3個板塊之間的應力不均勻分布導致許多地震的發生（Bilek，1998）。復雜的地質構造和頻繁的地震活動導致關東地區地震危險性較高（Ishida ，1992;Sato et al ，2005），也使其成為研究復雜板塊構造地震動衰減特征的理想位置。

地震動預測方程（GMPE）在地震工程、概率地震危險性分析以及結構抗震設計中發揮了重要作用，尤其在概率地震危險性分析中經常用到GMPE經驗模型。近十幾年，諸多GMPE模型被提出，包括被廣泛使用的下一代衰減關系模型Abrahamson， Silva， 2008： Boore， Atkinson 2008; Campbell， Bozorgnia， 2008; Chiou Youngs ，2008）。但對俯沖帶復雜板塊區域的GMPE研究較少（Atkinson ，Boore，2003;MeVerry et al ，2006），且未將地震類別作為模型參數（Kanno et al ，2006;Zhao et al ，2006）。針對日本俯沖帶的復雜構造，Zhao等（2015）將日本地震類型劃分為4類：淺地殼、上地幔、俯沖界面和俯沖板塊內地震，并提出了3類GMPE模型，分別針對俯沖板塊內地震（Zhao et al ，2016a）、俯沖界面地震（Zhao et al ，2016b）、淺地殼和上地幔地震（Zhao et al ，2016c），結果發現：俯沖界面地震動非彈性衰減速率最快，但當周期大于3s后幾乎不衰減;俯沖板塊內地震動非彈性衰減速率最慢;上地幔地震動非彈性衰減速率始終高于淺地殼，但兩者在長周期（T>2s）頻段較為一致。

廣義譜反演方法可以高效地從地震動數據中分離出震源效應、路徑衰減和場地反應，是區域內地震動特性分析的有效手段。近些年，隨著觀測水平的提高，臺網的密集布設為日本強震動數據的反演研究提供了良好的前提條件。本文主要針對淺地殼和上地幔地震兩種地震類型，利用廣義譜反演方法分離地震動路徑衰減，對日本復雜構造區內陸地與海域地震動衰減特性進行分析。

1研究方法

采用單步非參數化廣義譜反演方法分離地震動的路徑衰減，水平向地震動S波的震源、路徑衰減和場地項在頻域上可表示為：

式中：O（f，M，R）表示第j個臺站在第i個地震中觀測到的水平向S波在頻率f的傅氏譜;S（f，M）表示第i個地震的震源譜;G（f）表示第j個臺站的場地反應;路徑衰減項An（f，Rn）表示不同頻率的S波在傳播介質中的衰減特性，包含了所有導致傳播路徑衰減的因素，如幾何擴散、非彈性衰減、散射衰減、地震波的折射等。

式（1）可表示為如下的廣義矩陣形式：

式中：權重系數ω1和ω2表示路徑衰減A（f，R）的約束條件：ω1限制了初始路徑衰減函數，使路徑衰減從參考距離處開始;ω2約束路徑衰減曲線的平滑特性。經過多次試算，ω1和ω2分別為20和500。

2地震動數據

本文以2010—2019年日本關東盆地及其附近區域（35°～38°N，138.5°～142°E）發生的261次MJMA4.0～6.5地震為研究對象。根據日本國家地球科學與防災研究所AQUA系統自動測定的地震震源機制解①，利用Hayes 等（2012）建立的Slab1.0全球俯沖帶幾何結構模型，依據Zhao等（2015）提出的日本地區地震構造類型劃分方法給出了所選用地震的構造類型：淺地殼、上地幔、俯沖帶界面和俯沖板塊內地震。依據地震構造類型及空間分布劃分了3個研究區域，如圖1所示，區域I（黑色）中全部為震中位于關東盆地東北部陸地上的淺地殼地震，區域Ⅱ（藍色）中全部為震中位于關東盆地內的上地幔地震，區域Ⅲ（灰色）中主要為震中位于關東盆地東部近海的淺地殼地震和上地幔地震。收集各區域地震事件的強震動觀測記錄，共得到18237組三分量加速度時程記錄。根據以下原則篩選觀測記錄：①三分量峰值地面加速度PGA均小于50cm/s2，以盡量減小土層出現非線性反應的可能性（Wu et al ，2010; Regnier et al， 2013; Rubinstein， 2011）②震源距不超過100km，以減小面波對清晰識別S波的干擾;③各區域內選取的每個地震至少觸發10個臺站，選取的每個臺站至少記錄10條地震。所選記錄的震級-震源距分布如圖2所示。

區域I包含88個臺站在98次MJMA4.0～5.4淺地殼地震中獲得的4697組記錄，震源深度主要分布在6～12km，最大不超過18km，記錄主要體現了經過上地殼傳播的直達地震波。區域Ⅱ包含79個臺站在69次MJMA4.0～5.5上地幔地震中獲得的2990組記錄，震源深度在40～70km，最小震源距約為60km，記錄主要體現了經過上地幔和地殼傳播的直達地震波。區域Ⅲ包含52個臺站在94次MMA4.0～6.2地震中獲得的2109組記錄，其中淺地殼和上地幔地震分別為64和21次，其余9個地震的構造類型不確定，震源深度分布在10～43km，多數地震為震源深度小于30km的淺地殼地震，最小震源距約為20km，記錄體現了經過海域傳播的上地幔和地殼的直達地震波。

對3個區域選取的強震動記錄依次進行零線校正、記錄首尾加余弦窗并補零、巴特沃斯非因果帶通濾波處理選取，根據每條記錄情況選擇不同高通濾波截止頻率，低通濾波截止頻率統一為30Hz。利用Husid函數（Husid，1967）和能量法（Pacor et al ，2016）識別S波的到時和持時，截取記錄S波窗，在S波窗首尾加余弦窗并補零后計算S波傅氏譜，進一步根據S波的信噪比（Oth et al ，2011a;Sharma et al ，2014）確定S波傅氏譜的有效頻段。

3結果與討論

3個區域的路徑衰減曲線如圖3所示，由圖可見，各區域曲線差異明顯，同時對比線性幾何擴散衰減模型，包括R-05、R-1和R-3。區域I的路徑衰減曲線的頻率相關性不強，不同頻率的路徑衰減曲線差異不大，路徑衰減曲線大致處于R-05和R-之間，整體上路徑衰減較弱。震源距小于60km的路徑衰減曲線整體上呈下降趨勢，且隨距離增大其下降速率更顯著，但震源距大于60km的路徑衰減曲線下降斜率出現拐折，衰減速率明顯變小（圖3a），這可能與殼幔邊界的地震波折射有關。區域Ⅱ的路徑衰減曲線僅體現了震源距60～100km的衰減，路徑衰減曲線主要介于R-1和R-13之間。不同于區域Ⅰ的遠場路徑衰減，區域Ⅱ在遠距離上的路徑衰減更強烈，且隨距離增大下降速率也增大，遠距離處的路徑衰減具有更強的頻率相關（圖3b），這與區域Ⅱ的深源上地幔地震并不存在殼幔邊界的地震波折射有關。區域Ⅲ的路徑衰減曲線介于R-和R-13之間，隨距離增大路徑衰減曲線（圖3c）呈下降趨勢，且隨距離增大下降速率逐漸增大，不同頻率的路徑衰減曲線間的差異隨距離增大而增大，遠距離處的路徑衰減頻率相關性更明顯（圖3c），頻率相關的路徑衰減則說明了更強的非彈性衰減。

地震動的路徑衰減可近似為用幾何擴散GS和品質因子Q表示的非彈性衰減兩部分，即：

式中：β為傳播介質的剪切波速。

利用最小二乘法擬合得到不同頻率的品質因子如圖4所示，采用Q（f）=Qf的冪指數形式表示頻率相關的品質因子，區域I、Ⅱ、Ⅲ的Q值分別表示為92.33f7、27.75f、58.07f。區域I、Ⅱ的Q值在低頻段較為接近，這與Zhao等（2016a）得到的淺地殼地震與上地幔地震衰減速率在長周期（T>2s）頻段較為一致的結果相符。區域Ⅱ、Ⅲ的Q值在高頻段（f>10Hz）較為接近，說明高頻段區域Ⅱ、Ⅲ的衰減函數曲線較為相似。區域I的Q值整體明顯高于區域Ⅱ、Ⅲ。Tsuda 等（2010）利用發生于日本關東盆地附近的19個地震研究了盆地內的衰減特性與場地效應，得到的Q值為107f52。Nakano 等（2015）將日本地區劃分為6個小區域分別給出了各小區域的S波品質因子，其中關東盆地及其東北部淺地殼地震的Q值為152.5f132。Oth等（2011b）將日本劃分為6個小區域，其中關東盆地及東北部的淺地殼地震的S波Q值為（51±3）f（0.82±0.04）。Zhao等（2016a）指出日本上地幔的Q值普遍低于許多淺地殼的Q值，這與本文得到的結果一致。

4結論

本文依據地震構造類型及空間分布將地震構造復雜的關東盆地及其周邊地區劃分為3個區域，基于單步非參數化廣義譜反演方法分析了研究區域的地震動衰減特性，得到主要結論如下：

（1）在區域I中，震中位于陸地的淺地殼地震的地震動路徑衰減較弱，遠距離處近似不出現路徑衰減，頻率相關的非彈性衰減較弱，品質因子Q=92.33fL.87。

（2）在區域Ⅱ中，震中位于陸地的上地幔地震的地震動路徑衰減隨距離增大始終呈下降趨勢，路徑衰減的下降速率隨距離增大而增大，遠場的路徑衰減更強且頻率相關性顯著，頻率相關的非彈性衰減較強，品質因子Q=27.75f1，明顯小于淺地殼地震。

（3）在區域Ⅲ中，震中位于海域的淺地殼和上地幔地震的地震動路徑衰減，既包含淺地殼地震較弱的路徑衰減，也包含了上地幔地震的快速衰減特性，且傳播路徑與以上兩區域都有部分重疊，數值介于兩者之間，品質因子Q=58.07f

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Study of Attenuation Characteristics of the Complex Tectonic Region Based on Generalized Inversion Method

ZHOU Ying.2. WANG Hongwei.2. WEN Ruizhi.2

（1. Institute of Engineering Mechanics， China Earthquake Admninistration Harbin 150080， Heilongjiang China）

（2. Key Laboratory of earthquake Engineering and Engineering Vibration of China Earthquake Administration， Harbin 150080， Heilongjiang China）

Abstract

In order to study the characteristics of the ground motion attenuation of the complex plate tectonics of the Kanto basin and its vicinity in Japan， on the basis of the focal mechanism and Slabl.0 model， and according to the earthquake classification scheme adapted for Japan proposed by previous studies， we decided the categories of the earthquake events， and on this basis we further divided the study region into three parts. Then we used the method of One-step Nonparametric Generalized Spectrum Inversion to analyze the attenuation characteristics of ground vi-brations in the three regions. The results show that in Region I， the path attenuation of the ground motion of the shallow-crust earthquakes occurring inland is weak; there is almost no attenuation in long distance. The frequency dependent inelastic attenuation is also weak. The quality factor Q=92.33f0. In Region 2， the decay rate of the path attenuation of the upper-mantle earthquake inland increases with the increase of distance. The frequeney dependent inelastic attenuation is stronger. The quality factor =27.75f. In Region 3， the path attenuation of the ground motion of the shallow - crust and upper-mantle earthquakes in the offshore area has the same attributes of the path attenuation in the first two regions. The quality factor Q=58.07f

Keywords： Generalized Spectral Inversion method; the Kanto basin; strong ground motion; attenuation characteristics; quality factor