重庆石柱地区介质非弹性衰减、台站场地响应及震源机制研究

王同军，陈 凯，姜维松，甘立涛，戴应洪

（重庆市地震局，中国 重庆 410047）



重庆石柱地区介质非弹性衰减、台站场地响应及震源机制研究

王同军，陈 凯，姜维松，甘立涛，戴应洪

（重庆市地震局，中国 重庆 410047）

摘要：采用多台多震源联合反演方法（Atkinson方法），利用重庆测震台网记录到的地震波形，计算了石柱及周边地区介质非弹性衰减（Q值）；用Moya方法迭代反演台站场地响应；用CAP方法计算了石柱2010年以来ML≥2.5级地震的震源机制。得到Q值较低，台站响应1—20Hz不平坦，高频衰减较快，该区地震震源机制多数为正断的结论。

关键词：Atkinson方法；场地响应；CAP方法；震源机制

0 引言

重庆石柱地区属于三峡库区，每年都被重庆市地震局列为重点监视库段，该地区主要有方斗山基底断裂穿过，历年来较大地震的主要沿该断裂分布。1979年8月先后发生过ML3.0级地震和ML3.8级地震，之后于1987年7月2日在原地又发生ML4.4级地震，2004年11月21日在石柱发生ML4.6、2005年2月11日再次发生ML4.2级地震，特别是在2013年7月18日，发生了石柱万朝的M4.5级地震（据中国地震台网中心），震中烈度为V度，致个别窗玻璃震裂、震中区老百姓普遍听到地声，先感受到上下震动，后感受到左右震动等现象。

通过对该地区多年来地震波形的分析，石柱地震存在波形纵波初动不清晰，面波发育，衰减较快等非构造地震的特征；震级小，震感强烈。

因此，研究该地区介质的非弹性衰减，台站场地响应，得到较为真实的震源参数，对于合理解释该地区地震的独特的波形特征，了解该地区的介质特征，以及为该地区的地震预测和孕震机理研究提供可靠资料等有着重要意义。

当地震波在粘弹性介质中传播时，能量会发生衰减，其中包括介质的非固有衰减与固有衰减。非固有衰减主要由介质的几何构造（如界面反射等）与震源的几何扩散引起，导致了地震波能量的分散。固有衰减则与介质粘滞性引起的吸收作用有关，在这一过程中，地震波能量被转换成了热量。这种介质本身所固有的衰减特性通常用品质因子Q值来描述，品质因子的定义是，在一个周期内 （或一个波长距离内），振动所耗损的能量 E 与总能量 E 之比的倒数。现在普遍认为，介质的Q值与其内部的物质结构，以及饱和度、孔隙度、渗透率等流体性质密切相关［1］。

有前人研究了三峡水库地区介质的非弹性衰减结果为Q（f）=112.0f0.918，具有较小的Q0值和较大的η值，绝大部分台站响应值位于1～10倍之间，这是水库区域典型的介质参数；三峡地区大部分百公里左右震中距的路径上介质（P波周期约为0.1—0.2s）的Q值比较稳定，约在40—80左右，平均Q值为57。总体上讲，这一估算远低于我国华北和东南沿海地区，但是和长江中下游已有的研究结果比较一致。说明长江中下游地区，即我国华北和华南次级板块交接过度地区地壳介质的Q值存在普遍较低的现象［2］。

1 石柱地区的地质构造

石柱地区在地震构造分区中，一部分属于渝中央褶皱区，另一部分属于渝东南褶断区，其界线也是以七曜山—金佛山为界。石柱渝东南褶断区，断层走向为北东，力学性质以逆冲为主，应力易于集中。石柱地区有两条规模较大的断裂通过，即七曜山—金佛山基底断裂和方斗山断裂，该区地震活动比较强烈，沿断裂带有中强地震活动［3］。

方斗山断裂位于石柱县鱼池-丰都县神仙磴一带，断裂规模宏大，单条断裂长度均可达50km，断面倾向NW，可见二迭统乐平组砂页岩逆冲至下三迭统大冶组或嘉陵江组之上。对重庆石柱鱼池、石柱城关西侧麻坪一带断层方解石样的热释光（TL）法测定表明，最新活动时代分别距今100万年、（48.83±3.81）万年和（50.49±4.6）万年，表明麻坪一带方斗山断裂的最新一次活动在中更新世，鱼池一带方斗山断裂的最新一次较大活动在早更新世［4］。

2 观测资料及资料处理

本文选用了石柱及周边地区17个数字地震台，台基均在地表，无井下摆。其中16个重庆台网所属台站，包括周期为1s的短周期地震计DS-4A，周期为60s的宽频带地震计CMG-3ESP，数采均为TDE-324CI，采样率均为100 Hz；1个湖北台网台站，湖北利川台（LCH），周期为60s的宽频带地震计BBVS-60，数采为EDAS-24IP，采样率为100Hz。所有地震计都在1-20Hz具有速度平坦响应。表1为所选台站的各项参数。

表1　17个石柱周边测震台站基本情况表

对所有的地震均采用S窗内包含所有可识别S震相的信号进行分析。S窗是指从S波开始到包括S波总能量的90%的时间段。采用窗谱平移的方法［5］，得到具有同样频率间隔的观测信号傅里叶谱。具体做法为：①将S窗内的波形分成若干包含256个采样点的小段，使相邻小段之间有50%重叠；②在每小段波形的起始和末尾加上5%的Cosine边瓣，通过快速傅里叶变换得到每一小段的傅里叶谱，并对其进行仪器响应校正和噪声校正；③在频率域内合成得到S波的总的谱振幅。取P波初动前256个采样点的记录作为噪声记录，计算与观测信号相同持续时间的噪声位移振幅，依此对观测信号进行去噪声处理。

图1为石柱台（SHZ）记录的2013年7月18日重庆石柱M4.5级地震的波形以及选取的S波窗的范围，图2为该地震石柱台信号和噪声的速度记录转为位移记录后计算的位移谱，分别两个水平分向的合成位移谱及垂直分向位移谱。

图1　2013年7月18日重庆石柱M4.5级地震石柱地震台记录波形及S波窗范围Fig.1 Shizhu station Waveform and S wave window region of M4.5 earthquake on Jul.18， 2013

图2　图1中S窗记录波形的转换位移谱及台站噪声位移谱Fig.2 Earthquake signal diaplacement spectra of the S window record and noise isplacement spectra of the station in Fig.1

在信噪比大于1.2倍的基础上，选取资料时要求参与计算的每个台站至少记录到3个地震，每个地震至少有3条记录，选出了2010—2014年2.0≤ML≤5.0的石柱及周边地区的43次地震，其中，ML2.0～2.9地震23次，ML3.0～3.9地震2次，ML4.0～4.9地震1次。

最终选取了如上所述的17个台站，26次地震用于该地区的分析。图3给出了地震与观测台站的射线分布。可以看出，所选用的地震射线较好的覆盖了石柱地区。

图3　计算Q值与场地响应选用台站与地震射线分布Fig.3 Ray distribution of station and earthquake slected to calculate Q-value and site response

3 介质品质因子Q值计算

了解石柱及周边地下岩石介质的品质因子，不仅能够更全面地认识该地区介质的物理性质，而且可以为该地区独特的地震波形特征提供合理解释，因此研究衰减机理及Q值的计算方法具有相当重要的意义。

利用Atkinson方法反演地震波衰减特征 ，该方法是基于一个假设：不同台站得到的同一地震的震源谱是相同的。从观测谱中扣除掉仪器响应、噪声和自由表面效应后，任一个地震在某一台站观测到的地面运动的剪切波傅里叶谱SH分量：

其中，Aij（f）是第j个台站观测到第i个地震的观测傅里叶谱振幅；Ai0（f）是第i个地震的震源谱振幅；G（Rij）为几何衰减函数；Sj（f）为第j个台站的场地响应项；VS为S波波速，Q（f）为S波的品质因子，Rij为第i次地震至第j个台站的震源距。

对式（1）两边取对数，并设

可得非弹性衰减系数c（f）与介质品质因子Q（f）之间的关系为：

用S波几何扩散采用三段模型计算非弹性衰减系数c（f），原理如下：首先，设定所有台站的场地响应为1（即不考虑场地响应），对给定的非弹性衰减系数c（f），通过对台站记录进行几何扩散和非弹性衰减校正，得到相应地震的震源谱振幅，调整c（f）值大小，使各台站得到的同一地震的震源谱振幅残差最小。

通过反复迭代计算，求得石柱地区的非弹性衰减系数，进而得到该区域的介质品质因子Q（f）与频率的关系为Q（f）=50.5f1.23，本区域得到的Q（f）与频率的关系见图4，数据拟合较好。当f=1时，Q0=50.5，Q值较低，这与同为库区的四川瀑布沟水库区域的Q值（47.1）接近［6］，表明研究区域介质的均匀程度较低，对地震波能量吸收较大。Q值相对较低，与频率的依赖关系也强，构造活动相对强烈。笔者认为反演得到的石柱地区的Q值较准确地反映了该区构造不稳定及地震活动性较强的特征，结果较为合理。

图4　石柱地区介质品质因子与频率的关系Fig.4 Relationship between Q-value and frequency in Shizhu region

4 周边台站场地响应的确定

利用Moya（2000）提出的方法确定各台站的场地响应与震源参数［7］。原理是对每个地震选择Brune震源谱参数；场地响应可在震源参数已知情况下，由不同地震事件得到的台站记录得到；假定每个台站的场地响应无论由哪个地震事件得到的均一祥；运用遗传算法通过寻找不同的震源谱参数，使由不同事件得到的台站的场地响应的标准偏差最小。

首先对第i个地震在第j个台站观测到的SH波Fourier振幅谱进行几何扩散和非弹性衰减的校正，并从速度谱转换成位移谱。

设定每个震源的震源谱参数（Ω和 fc），可得到每个地震的理论震源谱

在第 k 个频率上，第 i 个地震对第 j 个台站的场地响应

在第 k 个频率上，计算第 j 个台站的由不同地震得到的场地响应的平均值和标准偏差

利用GA方法调整震源参数，使得场地响应函数的偏差最小

图5是由Moya方法迭代反演求得的17个台站的场地响应平均值。图中颜色较淡的数据线为每个地震结算得出的场地响应，颜色较深的线为该台站场地响应的平均值。场地响应一般是指场地附近理想基岩之上覆盖的松软土层对地震波振幅的影响，主要与台站附近近地表地层介质的阻抗的平方根成反比。图5显示，尽管这17个台站都是建立在基岩之上，但高频衰减比较明显，均表现为与频率相关。场地响应特点为：①除利川台（LCH）和渝北台（YUB）有明显的放大作用外，其他台站的场地响应在低频段未见明显放大作用；②所有台站的场地响应均在1～20Hz之间不平坦，频率越高，场地响应越低，大部分台站高频衰减快；③ANZ、LAX、LIJ、SHG、XIT、YAL台站在低频段1～2 Hz场地响应趋向平坦，稳定在1附近，高频段不平坦，呈明显下降趋势。

图5　石柱周边台站场地响应Fig.5 Site response of the stations in Shizhu region

5 震源机制统计及断层控震构造阐述

地震震源机制的确定，对于地震本身的研究、地震孕震机理的解释以及震后应力的分布，具有十分重要的意义。现反演2010年以来，石柱地区ML≥2.5级共7次地震的震源机制，判断该地区地震是否与方斗山断裂运动有关。该段断裂规模较大，单条断裂断续延伸长度达50km，地表未见断层出露，据推测断面倾向南东，可见二叠统乐平组砂页岩逆冲至下三叠统大冶组或嘉陵江组之上。

在反演过程中，用CAP方法，将处理过后的观测波形与理论波形进行拟合，采用包含了石柱地区的奉节—香溪库段的速度模型［8］，全空间中进行格点搜索震源参数，在吻合较好的情况下，得到了最佳的震源机制解，如图6。大部分地震显示为正断性质，特别是2013年07月18日的M4.5级地震（据中国地震台网中心），该次地震微观震中（30.18oN，108.15oE）位于万朝镇，发生在方斗山断裂南段石柱鱼池—丰都神仙磴段附近，离方斗山断裂带3.6km，距离长江边约17km。该次地震走向北东（北偏东48o），倾角84o，滑动角-70o，震源深度4km。震源机制显示该次地震为正断性质，且震源较浅，反演震级为Mw4.3。

重庆地域盖层整体上形成北东向条带状的深度分布，在荣昌—梁平，南川—黔江之间，形成一块沉积“槽地”，沉积中心则在涪陵—石柱一带，表现出基底断裂对（盖层）断块边界的控制。结合该地区与四川盆地构造特征综合分析，该地区满足震源较浅和存在沉积盖层这两个在近震记录波形上面波发育的条件，初步判定为该区域地震是由断层控制的，是断层积累的能量正常释放时导致盖层内发生的地震事件。

石柱地区盖层构造深度资料表明，背斜和逆掩断层常同步消失在地下3～6千米的深度上。在此深度范围内的岩石主要为低强度的砂页岩和泥岩，不可能积累大量的应变，一旦破裂，具有震源浅、强度低的特点。基底断裂对盖层背斜构造的位置具控制作用，因而震中位置也势必在基底断裂附近。

图6　石柱地震CAP方法反演Fig.6 Mechanism inversion with CAP method for Shizhu earthquake

6 结论

本文利用Atkinson和Mereu（1992）方法反演了石柱地区地壳介质的Q值与频率的关系为，Q（f）=50.5f1.23；采用Moya和Aguirre的方法计算了该区及周边台站的场地响应；利用CAP方法，计算了该区ML≥2.5级地震的震源机制。

在地震射线覆盖较好的情况下，反演所得到的石柱地区地壳介质的品质因子，结果可信度较高。该结果与水库区域的Q值相近，明显小于地震活动性较弱的区域，譬如福建（Q 值366）［9］等地，反映了该区构造不稳定以及地震活动性较强的特征。

反演所得的17个台站的场地响应，大部分台站在低频段1～2 Hz场地响应趋向平坦，所有台站在2～20 Hz不平坦，高频段衰减快，呈明显下降趋势，可能为台基地区介质较破碎，周边岩溶发育所致。地震波形的初动不清也侧面印证了上述介质结构。

用CAP方法反演的多个地震震源机制表明该地区的地震基本为正断性质，离方斗山基底断裂约3.6km，受方斗山基底断裂控制，破裂发生在盖层内，致使震源较浅，面波发育。

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RESEARCH ON INELASTIC ATTENUATION SITE RESPONSE AND FOCAL MECHANISM IN SHIZHU REGION， CHONGQING

WANG Tong-jun，CHEN Kai，JIANG Wei-song，GAN Li-tao，DAI Ying-hong
（Earthquake Administration of Chongqing，Chongqing 410047，China）

Abstract：Calculate the Inelastic Attenuation（Q value） of Shizhu region by the Multi source joint inversion method（Atkinson method）， using the seismic waveforms of Chongqing network； calculate the Site Response using Moya method； calculate the focal mechanism by the CAP method using the ML≥2.5 Shizhu earthquake. Draw the conclusion that the Q value is lower， the Site Response is not flat in 1-20Hz，the HF attenuation is relatively fast，and focal mechanism mostly positive.

Key words：Atkinson method；Site Response and；CAP method；Site Response

中图分类号：P315

文献标志码：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.010

文章编号：1674-8565（2016）02-0058-07

收稿日期：2015-12-17

修订日期：2016-03-25

基金项目：测震台网青年骨干培养专项“重庆石柱地区地壳结构与震源深度研究（20140319）”资助

作者简介：王同军（1979-），男，山东省潍坊市人，硕士研究生，工程师，现主要从事地震监测、数字地震台网、防震减灾等方面的研究工作。E-mail：9870789@qq.com