山西地区地震波衰减、场地响应及其在新参数地震目录中的应用

刘林飞，翁钊强，梁向军

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.广东省地震局汕头地震台，广东 汕头 515000；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030021)

中国数字地震观测网络的建设完成以后，就拥有近1千个数字化地震观测台站，这些台站积累了丰富的数字地震观测资料。为充分发挥数字化地震台网整体监测效能，强化台网的数据产品产出，更好地服务于地震预报和地震科研工作，中国地震局又启动了新参数地震目录试编工作。新参数地震目录是在传统地震目录的基础上，增加了矩震级、地震矩、地震应力降和震源尺度4个震源参数的地震目录。然而，计算这些新的地震参数，需要有可靠的地壳介质品质因子Q(f)和稳定的观测台站场地。本文就是利用山西数字地震台网的数字化波形资料，计算了山西地区的介质品质因子Q(f)和各个台站的场地响应参数，应用这些结果计算了2015年1月至12月的ML≥2.5级地震的震源新参数地震目录，并对这些结果进行可靠性分析。

图1 61个台站和46次地震的射线分布

1 数据和方法

1.1 资料选取

山西数字地震台网目前有72个实时记录的观测台站，其中山西省57个台站，邻省15个台站(陕西、河南、河北和内蒙古)。这些台站全都建在基岩上，观测仪器均为三分向宽频带或甚宽频带地震计，仪器采用24位数据采集器，采样率均为100 次每秒。山西数字地震台网地震监控能力在山西省范围内达到ML2.0级，局部地区达到ML1.0～1.5级(张玲，2010)。在计算介质品质因子Q(f)时，本文通过挑选发生在山西地区ML≥3.0级46次地震参与计算，这46次地震均匀地分布在山西省的各个地区，且各个地区要求没有重复地震，61个台站参与反演，其射线路径图如图1所示。

1.2 计算方法

通常利用震源假设或谱相除方法从携带有震源信息和台站信息的波形记录中分离衰减项，得到射线路径及其周围区域随频率变化的平均Q值。Atkinson和Mereu于1992年提出区域范围射线传播路径上的几何衰减随震中距变化的三段地震波几何衰减模型(Atkinson，1992)，采用多台多地震联合迭代反演，研究了加拿大东南部地震波衰减规律。

首先，设定所有台站场地响应为1，对给定的非弹性衰减系数c(f)，通过校正台站记录的几何扩散和非弹性衰减，得到相应地震的震源谱振幅，再调整c值使得各台站得到的同一地震的震源谱振幅残差最小。其次，设定某次地震的震源谱是各个台站震源谱振幅的平均值，各台站场地响应的对数就是该台站得到的震源谱振幅对数与该地震的震源谱振幅对数之差的平均值。最后，考虑各台站得到的场地响应，重新计算各台站经过校正后的震源谱振幅，通过调整c值，使对同一地震得到的震源谱振幅的残差最小(Liu J，2003)。经过多次迭代反演，就可以得到该区域的非弹性衰减系数c(f)，进而拟合得到频率依赖的区域介质品质因子Q(f)。

与上述衰减作用相反的是，覆盖在理想基岩上的松软土层因其密度和波速相对较低，造成介质的阻抗较小(介质阻抗等于密度与波速的乘积)，地震波的振幅与阻抗的平方根成反比，当射线在低密度、低地震波速的固体介质中传播时，受观测台站场地增益的影响，地震波振幅会增大。目前测量地震观测台站场地响应的方法很多，其中的地面运动反演法则假设地震观测台站场地响应对所有地震是一样的(Moya C A，2000)，这样就可以通过多台多震联合同时反演地震震源谱和台站场地响应。此方法已被国内外许多专家对不同地区进行了研究(刘杰，2003；华卫，2009；赵翠萍，2011；吴微微，2016)。本研究也使用这种方法，采用Brune的ω平方模型约束震源位移谱(Brune J N,1970)，在已知几何衰减和非弹性衰减的条件下，假设场地响应只取决于台站附近地表地层介质的特性，并且由任何一次地震事件求得的台站场地响应结果均相同，利用遗传算法和多台多地震数据寻找不同的震源谱参数，使由不同事件得到的台站场地响应标准偏差最小，计算出61个地震观测台站的场地响应。

图2 山西地区Q(f)的拟合曲线

2 反演结果

2.1 品质因子Q(f)值

在计算过程中，我们要求地震和台站的空间分布要尽可能均匀，地震的信噪比要符合要求，地震记录满足信噪比的台站个数要大于3个，满足要求的地震和台站间的射线分布足够多，震级MS≤5.5，要有足够多的台站记录到地震。根据这些要求后计算得到山西地区非弹性衰减系数c(f)，进而得到介质的品质因子Q(f)。用国际上通用的形式Q(f)=Q0fη的来拟合Q与频率f的关系，系数η反映Q对频率f的依赖程度，当γ=0时，Q与频率f无关。通过拟合得到的Q(f )与频率的关系式(图2)。Q(f)的大小与介质的均匀程度相关联，Q0值较低，η值较大，说明介质的均匀程度低，由计算结果可知，山西地区的构造活动比较稳定。

2.2 台站的场地响应

台站的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，而理想观测台站基岩则被认为对地震波振幅是没有影响的，场地响应反映是介质的一种物理特征。本文挑选了波形质量好、地震和台站均匀分布于山西区域，通过200次的迭加反演，72个所选台站中最终得到61个台站的场地响应(参见图3(a-c))，纵坐标是场地响应值，横坐标是频率，单位HZ。从图3(a-c)可以看出：这61个台站的场地响应基本比较理想，这与台站的选址有关，而且台基岩性均为基岩台。

图3 61个台站的场地响应

2.3 震源参数的测定结果

根据以上计算反演得到的Q(f)值和61个台站的场地响应，本文计算了山西测震台网2015年1月至12月的ML≥2.5级24次地震的震源新参数(参见表1)，以2015年5月25日山西太原M2.2级地震为例(参见图4)。在测定震源新参数时，对台站的要求是参与计算的台站必须同时标注初至P波(Pn或Pg波)和初至S波(Sn或Sg波)到时，台站尽量包围震中，台站最大张角要小于180(，信噪比大于2的台站数不得小于3个。根据上述要求计算完成后，参照台站挑选界面，根据台站分布优化台站选择，重新计算，直到计算结果的ΔU和震源谱拟合误差达到尽可能小。

表1 24次地震的震源参数结果

以2015年5月25日山西太原的M2.2级地震为例(参见图4)，这个震例比较典型，此次地震发生在太原地区，位于山西中部，中部的地震可记录到的台站较多，满足计算震源新参数的台站数目有25个，震源谱拟合的很好，台站最大张角为37度，说明了台站布局很合理，计算结果很理想。从表1可以看出，ΔU的值均小于规范要求的值0.5，除了2015年11月16日原平M1.8级地震(参见图5)和12月10的原平M3.1级地震(参见图6)外，震源谱拟合误差都小于1。

图4 2015年5月25日山西太原M2.2级地震的震源新参数

图5 2015年11月16日山西原平M1.8级地震的震源新参数

图6 2015年12月10日山西原平M3.1级地震的震源新参数

2015年11月16日原平M1.8级地震发生在山西的北部，与发生在山西中部的太原地震相比，台站包围震中较差，震级也较小，能清晰记录到此次地震的台站也较少，在计算震源新参数时，共有6个满足条件的台站参与计算，台站最大张角为117°，导致了此次地震震源谱的拟合误差比别的地震大，为1.27，但也在误差允许范围之内。

2015年12月10日同样发生在原平的3.1级地震，从图6可以看出,由于此次地震的震级较大，参加定位的地震台站也较多，满足计算震源新参数的台站达21个，参与计算台站的最大张角为76°，震源谱的拟合误差为了0.10。震源谱拟合误差与参与计算的台站个数有关系，台站越多，最大张角越小，震源谱拟合误差越小，反之，参加计算的台站个数越少，最大张角越大，震源谱拟合误差越大，这与我们日常地震定位残差的原理相一致。

从表1还可以看出，M≤3.0级的地震的矩震级比定位结果的震级较大，具体原因有待于进一步查清。随着震级的增大，计算出的新的地震参数矩震级、应力降、震源尺度及地震矩随之增大。

3 结论与讨论

(1)本文利用山西数字地震台网的波形资料，计算反演了山西地区Q(f)值和个71台站的场地响应，最终得到山西地区的Q(f)=473.5f0.3234，61个满足条件的台站的场地响应。(2)用所求得的Q(f)值和61个台站的场地响应，计算了山西台网记录到的2015年1月至12月的ML≥2.5级24次地震的震源新参数，计算结果表明，所得到的震源新参数的结果满足规范的要求，说明了计算反演的山西地区Q(f)值和61个台站的场地响应结果可靠，可用于台网日常的上报和评比工作。

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