王同軍，陳 凱，姜維松，甘立濤，戴應(yīng)洪

（重慶市地震局，中國 重慶 410047）

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重慶石柱地區(qū)介質(zhì)非彈性衰減、臺站場地響應(yīng)及震源機制研究

王同軍，陳 凱，姜維松，甘立濤，戴應(yīng)洪

（重慶市地震局，中國 重慶 410047）

摘要：采用多臺多震源聯(lián)合反演方法（Atkinson方法），利用重慶測震臺網(wǎng)記錄到的地震波形，計算了石柱及周邊地區(qū)介質(zhì)非彈性衰減（Q值）；用Moya方法迭代反演臺站場地響應(yīng)；用CAP方法計算了石柱2010年以來ML≥2.5級地震的震源機制。得到Q值較低，臺站響應(yīng)1—20Hz不平坦，高頻衰減較快，該區(qū)地震震源機制多數(shù)為正斷的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：Atkinson方法；場地響應(yīng)；CAP方法；震源機制

0 引言

重慶石柱地區(qū)屬于三峽庫區(qū)，每年都被重慶市地震局列為重點監(jiān)視庫段，該地區(qū)主要有方斗山基底斷裂穿過，歷年來較大地震的主要沿該斷裂分布。1979年8月先后發(fā)生過ML3.0級地震和ML3.8級地震，之后于1987年7月2日在原地又發(fā)生ML4.4級地震，2004年11月21日在石柱發(fā)生ML4.6、2005年2月11日再次發(fā)生ML4.2級地震，特別是在2013年7月18日，發(fā)生了石柱萬朝的M4.5級地震（據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心），震中烈度為V度，致個別窗玻璃震裂、震中區(qū)老百姓普遍聽到地聲，先感受到上下震動，后感受到左右震動等現(xiàn)象。

通過對該地區(qū)多年來地震波形的分析，石柱地震存在波形縱波初動不清晰，面波發(fā)育，衰減較快等非構(gòu)造地震的特征；震級小，震感強烈。

因此，研究該地區(qū)介質(zhì)的非彈性衰減，臺站場地響應(yīng)，得到較為真實的震源參數(shù)，對于合理解釋該地區(qū)地震的獨特的波形特征，了解該地區(qū)的介質(zhì)特征，以及為該地區(qū)的地震預(yù)測和孕震機理研究提供可靠資料等有著重要意義。

當(dāng)?shù)卣鸩ㄔ谡硰椥越橘|(zhì)中傳播時，能量會發(fā)生衰減，其中包括介質(zhì)的非固有衰減與固有衰減。非固有衰減主要由介質(zhì)的幾何構(gòu)造（如界面反射等）與震源的幾何擴散引起，導(dǎo)致了地震波能量的分散。固有衰減則與介質(zhì)粘滯性引起的吸收作用有關(guān)，在這一過程中，地震波能量被轉(zhuǎn)換成了熱量。這種介質(zhì)本身所固有的衰減特性通常用品質(zhì)因子Q值來描述，品質(zhì)因子的定義是，在一個周期內(nèi) （或一個波長距離內(nèi)），振動所耗損的能量 E 與總能量 E 之比的倒數(shù)?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為，介質(zhì)的Q值與其內(nèi)部的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，以及飽和度、孔隙度、滲透率等流體性質(zhì)密切相關(guān)［1］。

有前人研究了三峽水庫地區(qū)介質(zhì)的非彈性衰減結(jié)果為Q（f）=112.0f0.918，具有較小的Q0值和較大的η值，絕大部分臺站響應(yīng)值位于1～10倍之間，這是水庫區(qū)域典型的介質(zhì)參數(shù)；三峽地區(qū)大部分百公里左右震中距的路徑上介質(zhì)（P波周期約為0.1—0.2s）的Q值比較穩(wěn)定，約在40—80左右，平均Q值為57。總體上講，這一估算遠(yuǎn)低于我國華北和東南沿海地區(qū)，但是和長江中下游已有的研究結(jié)果比較一致。說明長江中下游地區(qū)，即我國華北和華南次級板塊交接過度地區(qū)地殼介質(zhì)的Q值存在普遍較低的現(xiàn)象［2］。

1 石柱地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造

石柱地區(qū)在地震構(gòu)造分區(qū)中，一部分屬于渝中央褶皺區(qū)，另一部分屬于渝東南褶斷區(qū)，其界線也是以七曜山—金佛山為界。石柱渝東南褶斷區(qū)，斷層走向為北東，力學(xué)性質(zhì)以逆沖為主，應(yīng)力易于集中。石柱地區(qū)有兩條規(guī)模較大的斷裂通過，即七曜山—金佛山基底斷裂和方斗山斷裂，該區(qū)地震活動比較強烈，沿斷裂帶有中強地震活動［3］。

方斗山斷裂位于石柱縣魚池-豐都縣神仙磴一帶，斷裂規(guī)模宏大，單條斷裂長度均可達(dá)50km，斷面傾向NW，可見二迭統(tǒng)樂平組砂頁巖逆沖至下三迭統(tǒng)大冶組或嘉陵江組之上。對重慶石柱魚池、石柱城關(guān)西側(cè)麻坪一帶斷層方解石樣的熱釋光（TL）法測定表明，最新活動時代分別距今100萬年、（48.83±3.81）萬年和（50.49±4.6）萬年，表明麻坪一帶方斗山斷裂的最新一次活動在中更新世，魚池一帶方斗山斷裂的最新一次較大活動在早更新世［4］。

2 觀測資料及資料處理

本文選用了石柱及周邊地區(qū)17個數(shù)字地震臺，臺基均在地表，無井下擺。其中16個重慶臺網(wǎng)所屬臺站，包括周期為1s的短周期地震計DS-4A，周期為60s的寬頻帶地震計CMG-3ESP，數(shù)采均為TDE-324CI，采樣率均為100 Hz；1個湖北臺網(wǎng)臺站，湖北利川臺（LCH），周期為60s的寬頻帶地震計BBVS-60，數(shù)采為EDAS-24IP，采樣率為100Hz。所有地震計都在1-20Hz具有速度平坦響應(yīng)。表1為所選臺站的各項參數(shù)。

表1　17個石柱周邊測震臺站基本情況表

對所有的地震均采用S窗內(nèi)包含所有可識別S震相的信號進行分析。S窗是指從S波開始到包括S波總能量的90%的時間段。采用窗譜平移的方法［5］，得到具有同樣頻率間隔的觀測信號傅里葉譜。具體做法為：①將S窗內(nèi)的波形分成若干包含256個采樣點的小段，使相鄰小段之間有50%重疊；②在每小段波形的起始和末尾加上5%的Cosine邊瓣，通過快速傅里葉變換得到每一小段的傅里葉譜，并對其進行儀器響應(yīng)校正和噪聲校正；③在頻率域內(nèi)合成得到S波的總的譜振幅。取P波初動前256個采樣點的記錄作為噪聲記錄，計算與觀測信號相同持續(xù)時間的噪聲位移振幅，依此對觀測信號進行去噪聲處理。

圖1為石柱臺（SHZ）記錄的2013年7月18日重慶石柱M4.5級地震的波形以及選取的S波窗的范圍，圖2為該地震石柱臺信號和噪聲的速度記錄轉(zhuǎn)為位移記錄后計算的位移譜，分別兩個水平分向的合成位移譜及垂直分向位移譜。

圖1　2013年7月18日重慶石柱M4.5級地震石柱地震臺記錄波形及S波窗范圍Fig.1 Shizhu station Waveform and S wave window region of M4.5 earthquake on Jul.18， 2013

圖2　圖1中S窗記錄波形的轉(zhuǎn)換位移譜及臺站噪聲位移譜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倍的基礎(chǔ)上，選取資料時要求參與計算的每個臺站至少記錄到3個地震，每個地震至少有3條記錄，選出了2010—2014年2.0≤ML≤5.0的石柱及周邊地區(qū)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。

最終選取了如上所述的17個臺站，26次地震用于該地區(qū)的分析。圖3給出了地震與觀測臺站的射線分布?？梢钥闯觯x用的地震射線較好的覆蓋了石柱地區(qū)。

圖3　計算Q值與場地響應(yīng)選用臺站與地震射線分布Fig.3 Ray distribution of station and earthquake slected to calculate Q-value and site response

3 介質(zhì)品質(zhì)因子Q值計算

了解石柱及周邊地下巖石介質(zhì)的品質(zhì)因子，不僅能夠更全面地認(rèn)識該地區(qū)介質(zhì)的物理性質(zhì)，而且可以為該地區(qū)獨特的地震波形特征提供合理解釋，因此研究衰減機理及Q值的計算方法具有相當(dāng)重要的意義。

利用Atkinson方法反演地震波衰減特征 ，該方法是基于一個假設(shè)：不同臺站得到的同一地震的震源譜是相同的。從觀測譜中扣除掉儀器響應(yīng)、噪聲和自由表面效應(yīng)后，任一個地震在某一臺站觀測到的地面運動的剪切波傅里葉譜SH分量：

其中，Aij（f）是第j個臺站觀測到第i個地震的觀測傅里葉譜振幅；Ai0（f）是第i個地震的震源譜振幅；G（Rij）為幾何衰減函數(shù)；Sj（f）為第j個臺站的場地響應(yīng)項；VS為S波波速，Q（f）為S波的品質(zhì)因子，Rij為第i次地震至第j個臺站的震源距。

對式（1）兩邊取對數(shù)，并設(shè)

可得非彈性衰減系數(shù)c（f）與介質(zhì)品質(zhì)因子Q（f）之間的關(guān)系為：

用S波幾何擴散采用三段模型計算非彈性衰減系數(shù)c（f），原理如下：首先，設(shè)定所有臺站的場地響應(yīng)為1（即不考慮場地響應(yīng)），對給定的非彈性衰減系數(shù)c（f），通過對臺站記錄進行幾何擴散和非彈性衰減校正，得到相應(yīng)地震的震源譜振幅，調(diào)整c（f）值大小，使各臺站得到的同一地震的震源譜振幅殘差最小。

通過反復(fù)迭代計算，求得石柱地區(qū)的非彈性衰減系數(shù)，進而得到該區(qū)域的介質(zhì)品質(zhì)因子Q（f）與頻率的關(guān)系為Q（f）=50.5f1.23，本區(qū)域得到的Q（f）與頻率的關(guān)系見圖4，數(shù)據(jù)擬合較好。當(dāng)f=1時，Q0=50.5，Q值較低，這與同為庫區(qū)的四川瀑布溝水庫區(qū)域的Q值（47.1）接近［6］，表明研究區(qū)域介質(zhì)的均勻程度較低，對地震波能量吸收較大。Q值相對較低，與頻率的依賴關(guān)系也強，構(gòu)造活動相對強烈。筆者認(rèn)為反演得到的石柱地區(qū)的Q值較準(zhǔn)確地反映了該區(qū)構(gòu)造不穩(wěn)定及地震活動性較強的特征，結(jié)果較為合理。

圖4　石柱地區(qū)介質(zhì)品質(zhì)因子與頻率的關(guān)系Fig.4 Relationship between Q-value and frequency in Shizhu region

4 周邊臺站場地響應(yīng)的確定

利用Moya（2000）提出的方法確定各臺站的場地響應(yīng)與震源參數(shù)［7］。原理是對每個地震選擇Brune震源譜參數(shù)；場地響應(yīng)可在震源參數(shù)已知情況下，由不同地震事件得到的臺站記錄得到；假定每個臺站的場地響應(yīng)無論由哪個地震事件得到的均一祥；運用遺傳算法通過尋找不同的震源譜參數(shù)，使由不同事件得到的臺站的場地響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差最小。

首先對第i個地震在第j個臺站觀測到的SH波Fourier振幅譜進行幾何擴散和非彈性衰減的校正，并從速度譜轉(zhuǎn)換成位移譜。

設(shè)定每個震源的震源譜參數(shù)（Ω和 fc），可得到每個地震的理論震源譜

在第 k 個頻率上，第 i 個地震對第 j 個臺站的場地響應(yīng)

在第 k 個頻率上，計算第 j 個臺站的由不同地震得到的場地響應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差

利用GA方法調(diào)整震源參數(shù)，使得場地響應(yīng)函數(shù)的偏差最小

圖5是由Moya方法迭代反演求得的17個臺站的場地響應(yīng)平均值。圖中顏色較淡的數(shù)據(jù)線為每個地震結(jié)算得出的場地響應(yīng)，顏色較深的線為該臺站場地響應(yīng)的平均值。場地響應(yīng)一般是指場地附近理想基巖之上覆蓋的松軟土層對地震波振幅的影響，主要與臺站附近近地表地層介質(zhì)的阻抗的平方根成反比。圖5顯示，盡管這17個臺站都是建立在基巖之上，但高頻衰減比較明顯，均表現(xiàn)為與頻率相關(guān)。場地響應(yīng)特點為：①除利川臺（LCH）和渝北臺（YUB）有明顯的放大作用外，其他臺站的場地響應(yīng)在低頻段未見明顯放大作用；②所有臺站的場地響應(yīng)均在1～20Hz之間不平坦，頻率越高，場地響應(yīng)越低，大部分臺站高頻衰減快；③ANZ、LAX、LIJ、SHG、XIT、YAL臺站在低頻段1～2 Hz場地響應(yīng)趨向平坦，穩(wěn)定在1附近，高頻段不平坦，呈明顯下降趨勢。

圖5　石柱周邊臺站場地響應(yīng)Fig.5 Site response of the stations in Shizhu region

5 震源機制統(tǒng)計及斷層控震構(gòu)造闡述

地震震源機制的確定，對于地震本身的研究、地震孕震機理的解釋以及震后應(yīng)力的分布，具有十分重要的意義。現(xiàn)反演2010年以來，石柱地區(qū)ML≥2.5級共7次地震的震源機制，判斷該地區(qū)地震是否與方斗山斷裂運動有關(guān)。該段斷裂規(guī)模較大，單條斷裂斷續(xù)延伸長度達(dá)50km，地表未見斷層出露，據(jù)推測斷面傾向南東，可見二疊統(tǒng)樂平組砂頁巖逆沖至下三疊統(tǒng)大冶組或嘉陵江組之上。

在反演過程中，用CAP方法，將處理過后的觀測波形與理論波形進行擬合，采用包含了石柱地區(qū)的奉節(jié)—香溪庫段的速度模型［8］，全空間中進行格點搜索震源參數(shù)，在吻合較好的情況下，得到了最佳的震源機制解，如圖6。大部分地震顯示為正斷性質(zhì)，特別是2013年07月18日的M4.5級地震（據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心），該次地震微觀震中（30.18oN，108.15oE）位于萬朝鎮(zhèn)，發(fā)生在方斗山斷裂南段石柱魚池—豐都神仙磴段附近，離方斗山斷裂帶3.6km，距離長江邊約17km。該次地震走向北東（北偏東48o），傾角84o，滑動角-70o，震源深度4km。震源機制顯示該次地震為正斷性質(zhì)，且震源較淺，反演震級為Mw4.3。

重慶地域蓋層整體上形成北東向條帶狀的深度分布，在榮昌—梁平，南川—黔江之間，形成一塊沉積“槽地”，沉積中心則在涪陵—石柱一帶，表現(xiàn)出基底斷裂對（蓋層）斷塊邊界的控制。結(jié)合該地區(qū)與四川盆地構(gòu)造特征綜合分析，該地區(qū)滿足震源較淺和存在沉積蓋層這兩個在近震記錄波形上面波發(fā)育的條件，初步判定為該區(qū)域地震是由斷層控制的，是斷層積累的能量正常釋放時導(dǎo)致蓋層內(nèi)發(fā)生的地震事件。

石柱地區(qū)蓋層構(gòu)造深度資料表明，背斜和逆掩斷層常同步消失在地下3～6千米的深度上。在此深度范圍內(nèi)的巖石主要為低強度的砂頁巖和泥巖，不可能積累大量的應(yīng)變，一旦破裂，具有震源淺、強度低的特點?；讛嗔褜ιw層背斜構(gòu)造的位置具控制作用，因而震中位置也勢必在基底斷裂附近。

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

6 結(jié)論

本文利用Atkinson和Mereu（1992）方法反演了石柱地區(qū)地殼介質(zhì)的Q值與頻率的關(guān)系為，Q（f）=50.5f1.23；采用Moya和Aguirre的方法計算了該區(qū)及周邊臺站的場地響應(yīng)；利用CAP方法，計算了該區(qū)ML≥2.5級地震的震源機制。

在地震射線覆蓋較好的情況下，反演所得到的石柱地區(qū)地殼介質(zhì)的品質(zhì)因子，結(jié)果可信度較高。該結(jié)果與水庫區(qū)域的Q值相近，明顯小于地震活動性較弱的區(qū)域，譬如福建（Q 值366）［9］等地，反映了該區(qū)構(gòu)造不穩(wěn)定以及地震活動性較強的特征。

反演所得的17個臺站的場地響應(yīng)，大部分臺站在低頻段1～2 Hz場地響應(yīng)趨向平坦，所有臺站在2～20 Hz不平坦，高頻段衰減快，呈明顯下降趨勢，可能為臺基地區(qū)介質(zhì)較破碎，周邊巖溶發(fā)育所致。地震波形的初動不清也側(cè)面印證了上述介質(zhì)結(jié)構(gòu)。

用CAP方法反演的多個地震震源機制表明該地區(qū)的地震基本為正斷性質(zhì)，離方斗山基底斷裂約3.6km，受方斗山基底斷裂控制，破裂發(fā)生在蓋層內(nèi)，致使震源較淺，面波發(fā)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

中圖分類號：P315

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13693/j.cnki.cn21-1573.2016.02.010

文章編號：1674-8565（2016）02-0058-07

收稿日期：2015-12-17

修訂日期：2016-03-25

基金項目：測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項“重慶石柱地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)與震源深度研究（20140319）”資助

作者簡介：王同軍（1979-），男，山東省濰坊市人，碩士研究生，工程師，現(xiàn)主要從事地震監(jiān)測、數(shù)字地震臺網(wǎng)、防震減災(zāi)等方面的研究工作。E-mail：9870789@qq.com