渭河盆地及邻区场地响应和非弹性衰减研究

王卫东,张钰诚,赵云峰,郑 怡

（1.长安大学地质工程与测绘学院,西安 710054；2.中国地震局第二监测中心,西安 710054；3.陕西省地震局,西安 710068）

过去几十年间强地面振动及其工程应用的研究取得了很大的进展[1-7],地面振动依赖于震源、传播路径和场地响应等方面,这几种效应的分离对于精确确定地震参数十分重要。其中,场地响应可通过实际地面振动数据经验估计或S波速度剖面的数值模拟得到；地震波衰减(Q值)是描述地壳介质非均匀程度的确定性指标, 反映了介质的非均匀性和非弹性特征。使用实测地震波资料估算场地响应和地震波衰减特征有多种方法[8],Atkinson方法较好地解决了震源、路径和场地响应的分离,演化出多种具体计算方法并得到广泛的应用[9-13]。

渭河断陷盆地位于鄂尔多斯地块南缘,其南方是分隔华北克拉通与华南地块的秦岭造山带,历史上曾发生过华县81/4级地震等多次强震,但现代地震活动强度较低。本文采用Atkinson方法来研究渭河盆地及邻区场地响应和非弹性衰减。

1 观测资料

从2002年1月至2012年12月陕西省数字地震台网的记录中,挑选波形清晰,信噪比较高的ML≥2.5地震记录,且要求每个台站至少记录到3个地震,每个地震至少有3个台站记录,共选择了6个台站20次地震的98条地震记录。首先对波形数据进行零线校正、去倾,仪器响应校正,进行方向旋转合成SH波；然后采用平移窗方法计算SH波位移谱,并消除SH波的自由表面效应；最后采用Atkinson方法反演渭河盆地及邻区场地响应和非弹性衰减。表1为台站参数,图1为震中、台站位置和射线分布。

表1 台站参数表Table 1 Parameters of the stations used in this study

图1 台站、震中和射线路径分布图Fig.1 The distribution of seismic stations,epicenters and ray paths

2 研究方法

进行仪器响应校正和自由表面效应处理后,在频率域地震波的位移谱为[7]:

式中,Aij(f)为入射第j个台站记录的第i个地震SH波的位移谱振幅,Ai0(f)为第i个地震的震源谱,G(Rij)为几何扩散,Rij为震源距,Q(f)为品质因子,β为S波速度,Sj(f) 为第j个台站的场地响应。

（1）式两边取对数,得:

式中:

本次研究采用Atkinson三段几何衰减模型[11]描述几何扩散与震源距的关系:

式 中R1,R2,b1,b2,b3为 常 数。根 据 已有 的 研 究,取b1=1,b2=0,b3=0.5,一 般 取R1=1.5H,R2=2.5H,H为研究地区的地壳厚度,本文取H=36 km,D=36 km。

采用Atkinson多台多震源联合反演法[11],定义残差为:

式中为ni为记录到第i个地震的台站数,n0为所分析的地震数目。

利用遗传算法进行反演计算[11-12],求解步骤如下:

（1）首先令各台站的场地响应为1,即lgSj(f)=0,此时ε的大小仅取决于参数b1,b2,b3和C(fk)。

（2）用遗传算法求得使ε为最小的b1,b2,b3和C(fk)。

（3）利用求得的参数,计算出各台站的场地响应:式中mj为第j个台站记录到的地震数目。

（4）将场地响应代入,重复步骤（2）和（3）,直至使ε不再减小,即得到在中心频率fk的b1,b2,b3,C(fk)和Sj(fk)。

得Q(fk)为

对各频率点fk重复以上步骤,得到一系列的b1,b2,b3,Q(fk)和Sj(fk)。

对各频率点fk得到的b1,b2和b3值求平均得到b1,b2和b3,由各频率点的Q(fk)拟合,得到Q(f)=Q0 f η,同时也得到了Sj(f)[11]。

3 计算结果及分析

利用上述方法资料,本文得到了渭河盆地及邻区非弹性衰减系数C(f)和介质品质因子Q值与频率关系（图2和图3）,拟合得到渭河盆地及邻区Q(f)与频率的关系为:Q(f)=(623.0±127)f0.479±0.116,其 误 差 范 围 是95%置信度下得到的。可见,渭河盆地及邻区Q值与频率关系与鄂尔多斯地块Q(f)=585.2f0.579[14]比较接近,与山西地区Q(f)=323.2f0.506[15]和甘肃东南区域Q(f)=374.0f0.308[16]相比,Q0明显较大,说明渭河盆地及邻区构造活动程度明显低于山西地区和甘肃东南区域。一般认为,构造活动相对稳定的地区Q值较高,构造活动强烈地区Q值低,介质均匀程度高,Q值也较高[17]。从本研究所用的地震、台站和地震路径分布（图1）看,其主要覆盖区域为渭河构造体系,基本处于秦岭褶皱带的北缘。秦岭褶皱带由太古—元古代变质岩及燕山期花岗岩组成,基底统一,介质具有较好的整体性,局部运动水平差异较小,现代地震以中、小震为主,属弱震、少震区[18],这种构造特征造成了渭河盆地及邻区Q值相对较高。

图2 非弹性衰减系数C( f )与频率关系图Fig.2 The relationship between inelustic attenunation coefficient C( f ) and frequency

图3 介质品质因子Q值与频率关系图Fig.3 The relationship between Q value and frequency

由反演得到的场地响应图（图4）可见,蓝田台的场地放大效应最强,在5～10 Hz区间多个频点的场地响应值大于3,除蓝田台外,其余台站的场地响应值均在1附近变化,台站的各频率点场地响应值都小于3。总体而言,由于各台站均为基岩场地,故均未表现出明显的放大效应。周至台（ZHO）台多个频点的场地响应值小于1,可能与其处于秦岭褶皱带,基岩整体性较好且地壳厚度较大有关。蓝田台场地响应与其它台站相比有所差别,其原因有待进一步研究。我们认为可能与其处于秦岭山区与渭河平原交界处的孤峰上,构造较为复杂[19],可能受到局部地质构造和地形的影响有关。

图4 台站场地响应Fig.4 The site responses obtained by iteration inversion

4 结语

本文利用2002—2012年渭河盆地及邻区20个地震的98条地震资料,应用Atkinson法,采用遗传算法反演了渭河盆地及邻区的场地响应和非弹性衰减关系。研究结果表明,渭河盆地及邻区的Q值随频率f的关系为Q(f)=(623.0±127)f0.479±0.116,与鄂尔多斯地块比较接近,与山西地区和甘肃东南区域相比,渭河盆地及邻区Q0明显较大,说明渭河盆地及邻区构造活动程度明显低于山西地区和甘肃东南区域。渭河盆地及邻区6个台站的场地响应值均在1附近变化,最大值不超过4,未显示明显的放大效应,蓝田台场地响应与其它台站相比有所差别,其原因有待进一步的研究。