兰州市及其附近地区介质衰减特征研究①

郭 晓,张元生,何 斌

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000; 2.中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地,甘肃兰州 730000)

兰州市及其附近地区介质衰减特征研究①

郭 晓1,2,张元生1,2,何 斌1

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃兰州 730000; 2.中国地震局地震预测研究所兰州科技创新基地,甘肃兰州 730000)

根据兰州临时微震台网的数字化微震记录,采用三段几何衰减模型拟合,利用A tkinson方法和遗传算法,得到兰州市及其附近地区介质的几何衰减函数,非弹性衰减Q值随频率的关系为Q(f)=45.1f1.488。并对研究结果对比其他地区进行了分析讨论。

兰州;非弹性衰减;品质因子;遗传算法;微震

Abstract:On the base ofm icro-earthquake seismogram recordsof Lanzhou temporary digitalm icro-earthquake network,and a presum ed trilineargeom etrical sp readingmodel,the inelastic attenuation Qvalue is investigated by using genetic algorithm and them ethod proposed by Atkinson.The frequency-dependent of inelastic attenuation Qvalue in Lanzhou City and ad jacent regions is estim ated as Q(f)=45.1f1.488. And the resu lt is discussed and analyzed with the results from other regions.

Keywords:Lanzhou;Inelastic a ttenua tion;Qua lity factor;Genetic a lgor ithm;M icro-ear thquake

0 引言

地震波衰减性质的研究是地震学研究的重要课题。地震台站(地震仪)记录到的地震波包含了地震震源效应、地震波的传播路径效应、台站场地响应及仪器响应。地震波传播的路径效应(地震波衰减)除了随距离存在几何衰减外,还有一个重要的影响因素即介质的非弹性衰减,用介质品质因子Q (f)值来度量。Q(f)值是通过远离震源的观测资料对地震记录进行定量分析和研究震源性质(如震源参数的测定等)所必需的重要参数。同时,由于剪切波的振幅通常比P波振幅大,在有的情况下可达5倍左右,剪切波的衰减特征对于工程地震中的地震危险性分析也具有十分重要的意义。

本文根据“十五”期间在兰州市周围架设的临时数字地震台网记录的微震数字化波形资料,采用互相衔接的三段几何衰减模型拟合,通过在频率域内的分析,利用A tkinson方法[1-5]得到了兰州市及其附近地区介质Q(f)值,并对研究结果进行分析讨论。

1 资料处理

分析的微震资料取自“十五”期间在兰州市周围架设的临时数字地震台网,该台网由7个地震台。这些台站都位于基岩上,每个台站都安装了三分量数字地震仪(型号为MDSR-1)。所有地震仪在1～20 Hz之间具有速度平坦的响应,采样率为125 Hz。临时微震台网自2004年6月到2007年5月共记录微震数百次。通过波形考察,初步选出兰州及其附近地区微震53个,共347条记录作为候选的分析资料,然后通过信噪比的计算挑选出20个地震的106条记录用于分析(图1)。这些地震的震级范围为ML0.2～2.0,震中距为5～78 km。

图1 兰州临时微震台网和本文使用的微震分布及传播路径Fig.1 D istribution of stations in Lanzhou temperaty micro-earthquake network and events,aswell aspathsof seismic records used in the study.

对于S波的的两个水平分量(NS、EW分量),首先进行带通滤波(Butter滤波器,带宽0.1～22 Hz)和水平校正处理,然后取“S窗”和“噪声窗”进行傅里叶变换信噪比分析。

把从S波开始到包括S波总能量的90%的时间段定义为“S窗”,如图2所示。对于不同地震,由于震源深度和震中距不同“S窗”内包含的震相也不尽相同。对于同一次地震,由于各台站的震中距不同“S窗”的持续时间也不同。为了得到具有相同频率间隔的振幅谱,采用了平移窗谱方法[4]。把“S窗”内的波形信号分成若干个包含有256个采样点的小段,并使相邻信号段有50%的重叠;对于采样率为125 Hz的地震记录来说,进行重采样为50 Hz的地震记录,每个信号段的时间长度是5.12 s;在每一信号段的起始和末尾各加5%的cos边瓣后,通过傅里叶变换得到每个信号段的傅里叶谱,这样对于每一个台站的记录,就可以得到相同频率间隔(0.196 Hz)的傅里叶谱;最后,对每个信号段的傅里叶谱进行仪器校正,并通过式(1)得到整个“S窗”内信号的速度振幅谱

式中vi(f)是经过仪器校正的第i信号段的傅里叶谱;T为“S窗”的持续时间。该“S窗”内包含了n个时间长度t为256个采样点的信号段。取P波初动前256个采样点(1个信号段)的噪声信号,通过式(2)得到与信号相同频率间隔的噪声谱

式中n(f)是经过仪器校正的256个数据点的噪声傅里叶谱。

图2 邹家岘台记录的2005年7月7日微震的两个水平分量原始波形及其合成位移谱Fig.2 Thew aveform softwo horizontal components of them icroearthquake on July 7,2005,reco rded by ZJX station andits composite disp lacement spectrums.

然后,得到经过噪声校正的速度振幅谱

由于兰州临时微震台网的资料是速度记录,最后还需要把V(f)除以2πf,把速度谱转换成位移谱。对于S波的两个水平分量分别进行上述处理,并通过式(4)得到S波水平分量合成位移谱

用以上处理方法,按每次地震至少有3个台站记录到,每个台站至少有3条记录的原则,挑选波形较好,能经过信噪比检验的地震记录用于本研究。图2给出了其中的一个实例,为zjx(邹家岘)台记录到的2005年7月7日一个微震的两个水平分量原始波形及其S波合成位移谱。

2 计算方法和结果

根据地震波谱的一般表达,经过上述资料预处理后,任一地震记录观测谱与震源谱均有如下关系:

其中f是频率;Oij(f)是第j个台站观测到第i个地震的谱振幅;Si(f)是第i个地震的震源谱振幅; G(Rij)为几何衰减函数;c(f)为非弹性衰减系数;Rij是第i个地震至第j个台站的震中距;Gj(f)是第j个台站的场地响应。

非弹性衰减系数c(f)与区域介质的品质因子Q (f)之间的关系为

式中β为S波速度,取3.5 km/s。

几何衰减函数G(Rij),参考黄玉龙等[7],采用互相衔接的三段几何衰减函数:

式中R≤R01时,对应于直达波的几何衰减;当R01＜R≤R02时,对应于过渡区,在该源距范围内,直达波加入了在地壳几间断面和莫霍面上的反射波;当R＞R02时,对应于多次折射反射波。根据兰州地区平均地壳厚度H约45 km[6],有关模型参数取值为b1=1.0,b2=0.0,b3=0.5,R01=1.5H=67.5 km, R02=2.5H=112.5 km。如果把该几何衰减函数G (Rij)代入式(5),则式(5)变为对参数c(f)(非弹性衰减系数)和Gj(f)(台站场地响应)进行联合反演的问题。

定义残差为

式中log Si(f)是第i个地震的震源谱振幅对数的平均值,是对记录到该地震的所有台站计算得到的log Si(f)求平均。

非弹性衰减系数c(f)的求解采用计算式(8)求极小值得到:

采用A tkinson方法反演品质因子Q(f)值和场地响应的计算步骤可归纳为:

(1)先将所有台站场地响应(Gj(f))设为1,选择合适的参数c(f),使式(8)的残差总和极小;

(2)利用得到的参数,求场地响应

其中mj为第j个台站记录的地震事件数;

(3)将场地响应的计算结果代入,重新计算c(f)。重复(2)、(3)步,使上述残差总和达到最小。

图3 品质因子Q(f)与频率f的关系Fig.3 Relationship between quality factor Q(f) and frequencyf.

通过上述迭代反演可同时求得该地区的非弹性衰减系数c(f)和各台站的场地响应,进而利用式(6)得到区域介质的品质因子Q(f)。在考虑频率依赖的Q(f)模型时,通常用频率的幂函数,即Q(f) =Q0(f)η的形式来拟合Q(f)与频率的关系。图3给出了其计算结果,由图可见结果拟合较好。

品质因子Q(f)与频率的关系是

3 讨论和结论

利用A tk inson方法和遗传算法联合反演了非弹性衰减系数,得到的兰州及其附近地区介质的品质因子计算结果为Q(f)=45.1f1.488。该方法较成熟,对于研究同一构造区的介质特性具有较高的可信度。与郭晓[7-9]等计算的青藏高原东北缘地区介质的品质因子结果(Q(f)=564.7f0.3)、甘东南地区介质的品质因子结果(Q(f)=404.2f0.264)、祁连山中东段地区的品质因子结果(Q(f)=687.9f0.46)相比,兰州及其附近地区的介质非弹性衰减在频率小于9 Hz时明显低于青藏高原东北缘等地区,说明频率小于9 Hz的地震波在兰州及其附近地区衰减比青藏高原东北缘等地区得快;而当频率大于9 Hz时兰州及其附近地区的介质非弹性衰减又高于青藏高原东北缘等地区,说明频率大于9 Hz的地震波在兰州及其附近地区衰减比青藏高原东北缘等地区得慢。这可能与兰州及其附近地区使用的地震射线相对较短(地震射线平均路径长度38 km)、地震震源深度较浅(绝大部分在5 km左右)、反映的是该区域浅部介质的Q值特征有关,而青藏高原东北缘等地区使用的地震射线相对较长,反映的是区域更深部介质的Q值特征有关。

Castro[10]等计算的墨西哥Oaxaca地区介质的品质因子结果(Q(f)=56f1.01)总体上与本文兰州及其附近地区介质的品质因子计算结果较为接近,使用的小震射线平均路径长度也相对较短,仅为33 km,地震震源深度也较浅,均在34 km以上(大部分为10～20 km)。结果显示墨西哥Oaxaca地区与兰州及其附近地区地震波的衰减吸收快且与频率的依赖性强(低Q0高η),并且兰州及其附近地区地震波的衰减与频率的依赖性更强,可能与使用的地震震源深度更浅有关,反映的是该区域较浅部介质的Q值特征,同时表明兰州及其附近地区浅部介质的非均匀性特别大。

致谢:本文所用程序由中国地震局台网中心刘杰研究员提供,在此深表谢意!

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Study on the Inelastic Attenua tion of the Med ium in Lanzhou City and Adjacent Regions

GUO Xiao1,2,ZHANG Yuan-sheng1,2,HEB in1

(1.Lanzhou Institu te ofSeism ology,CEA,Lanzhou 730000,China; 2.Lanzhou Base of Institu te of Earthquake Pred iction,CEA,Lanzhou 730000,China)

P315.3+1

A

1000-0844(2010)03-0244-04

2009-03-02

国家自然科学基金(40874029);中国地震局“十五”项目:“兰州市活断层探测与地震危险性评价”(1-4-28-1);中国地震局兰州地震研究所论著编号:LC2010005

郭 晓(1974-),男(汉族),江西上高人,助理研究员,主要从事地震学及卫星遥感应用研究.