李丹寧 馬志斌 續(xù)外芬 高 洋 馬紅虎 徐 彥

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148號(hào)，650224 2 云南省有色地質(zhì)局，昆明市東風(fēng)巷29號(hào)，650051 3 玉溪市防震減災(zāi)局，玉溪市紅龍路1號(hào)，653100 4 云南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明市翠湖北路2號(hào)，650091

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云南地區(qū)非彈性衰減系數(shù)及場地響應(yīng)研究

李丹寧1馬志斌2續(xù)外芬3高 洋1馬紅虎1徐 彥4

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148號(hào)，650224 2 云南省有色地質(zhì)局，昆明市東風(fēng)巷29號(hào)，650051 3 玉溪市防震減災(zāi)局，玉溪市紅龍路1號(hào)，653100 4 云南大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明市翠湖北路2號(hào)，650091

利用2011～2015年云南區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)的數(shù)字波形資料，選取互相銜接的3段幾何衰減模型，運(yùn)用基于遺傳算法的Atkinson方法反演云南地區(qū)的介質(zhì)品質(zhì)因子Q(f)，得到云南地區(qū)Q值與頻率的關(guān)系為Q(f)=193.8f0.528。采用Brune的ω平方模型約束震源位移譜，使用Moya方法聯(lián)合多臺(tái)多地震數(shù)據(jù)計(jì)算得到46個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)。結(jié)果顯示，巖石臺(tái)基對地震波信號(hào)在不同頻段的放大作用并不相同，云南地區(qū)場地響應(yīng)總體存在明顯的低頻放大、高頻衰減現(xiàn)象，在卓越頻段1～4 Hz場地放大倍數(shù)大多在1～10倍，而在高頻段(10 Hz以上)場地的衰減大多在0.05～1倍。

非彈性衰減；Q值；場地響應(yīng)

介質(zhì)品質(zhì)因子Q值是度量介質(zhì)衰減的基本物理參數(shù)之一，反映了介質(zhì)的非均勻性和非彈性。Q值越大，地震波損失的能量就越小，介質(zhì)越接近完全彈性；反之，則介質(zhì)為非完全彈性。1992年，Atkinson等[1]提出區(qū)域范圍射線傳播路徑上幾何衰減隨震中距變化的3段幾何衰減模型，并采用多臺(tái)多地震聯(lián)合迭代反演；蘇有錦等[2]采用Atkinson方法和遺傳算法，運(yùn)用云南臺(tái)網(wǎng)的22個(gè)子臺(tái)，研究云南地區(qū)S波的非彈性衰減Q值，并討論Q值的分區(qū)特征；周龍泉等[3]根據(jù)云南地區(qū)1999～2007年35個(gè)數(shù)字地震臺(tái)站記錄的近震波形資料，采用遺傳算法對S波位移譜的高頻衰減進(jìn)行擬合，反演得到云南地區(qū)的地殼Q值分布。

目前測量場地響應(yīng)的方法主要有3種：地面運(yùn)動(dòng)反演法(Moya方法)、水平與垂直向之比法(HVSR法)和參考臺(tái)站法。Moya方法是一個(gè)依賴于震源模型但獨(dú)立于參考場地的估計(jì)場地響應(yīng)的方法[4];其他兩種方法則分別假設(shè)垂直向不放大或參考臺(tái)站的場地響應(yīng)為1，得到的結(jié)果是一種相對場地響應(yīng)，受參考對象的影響較大[5]。在云南地區(qū)，葉建慶[6]使用滇西實(shí)驗(yàn)場區(qū)資料，采用振幅譜頻率比方法，研究區(qū)域衰減效應(yīng)和局部場地響應(yīng)；劉麗芳等[7]采用1999～2003年地震波形記錄，運(yùn)用Moya方法得到云南地區(qū)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)早期22個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)，并進(jìn)行了相關(guān)分析。本文采用Moya方法，針對目前發(fā)展較成熟的云南地區(qū)區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)的47個(gè)子臺(tái)(不含貴陽臺(tái)GYA和昆明臺(tái)KMI，另加入2013年新架設(shè)的鎮(zhèn)源臺(tái)ZHY)，利用最近幾年間的地震波形記錄來計(jì)算這些臺(tái)站的場地響應(yīng)，以保證日常震源參數(shù)產(chǎn)出的可靠性。

1 數(shù)據(jù)資料

通過以下條件對云南地區(qū)及周邊的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選：1)以地震和臺(tái)站的空間分布盡可能均勻?yàn)榇笄疤幔?)每個(gè)事件至少被3個(gè)地震臺(tái)站記錄到；3)每個(gè)地震臺(tái)站至少記錄到3個(gè)事件。由于滇東地區(qū)地震較少，為確保得到這一地區(qū)臺(tái)站的場地響應(yīng)，選擇事件時(shí)在這些地區(qū)有所增加。另外由于川滇交界處，尤其是滇東北臺(tái)站在計(jì)算時(shí)能同時(shí)符合條件2)和3)的事件不多，為得到較為可靠的結(jié)果，在這些區(qū)域的事件選擇上也有所側(cè)重。除此之外，研究區(qū)域整體的射線覆蓋較為均勻。最終我們選擇了2011～2015年震級在M3.0～5.0的70個(gè)地震參與計(jì)算。本次研究選取的臺(tái)站記錄除了波形可用外，還有信噪比等條件的限制，保證臺(tái)站記錄在對所選事件進(jìn)行分析時(shí)的可靠性。

2 品質(zhì)因子Q值

2.1 方法

從觀測譜中扣除儀器響應(yīng)、自由表面效應(yīng)和噪聲后，任一個(gè)地震在某一臺(tái)站觀測到的地面運(yùn)動(dòng)的剪切波傅里葉譜SH分量為：

(1)

式中，Aij(f)是第j個(gè)臺(tái)站觀測到第i個(gè)地震的譜振幅，Ai0(f)是第i個(gè)地震的震源譜振幅，Rij是震源距，G(Rij)是幾何衰減函數(shù)，c(f)是非彈性衰減系數(shù)，Sj(f)是第j個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)。

對式(1)兩邊取對數(shù)，得：

(2)

式中，非彈性系數(shù)c(f)與介質(zhì)品質(zhì)因子Q之間的關(guān)系為：

(3)

S波幾何衰減函數(shù)G(Rij)采用3段模型[1]：

(4)

式中，R01和R02分別為3段幾何衰減中第1段和第3段轉(zhuǎn)折點(diǎn)到震源的距離，b1、b2、b3分別為1、0、0.5。

假定某地區(qū)的地殼厚度為已知，未知參量就只有非彈性系數(shù)和各臺(tái)站的場地響應(yīng)。本文通過迭代反演過程求得這些參數(shù)。

假設(shè)不同臺(tái)站得到的同一地震的震源譜是相同的，殘差定義為：

(5)

(6)

利用遺傳算法，以sum為目標(biāo)，通過反復(fù)迭代即可求得非彈性衰減系數(shù)和幾何衰減函數(shù)中的各系數(shù)。

2.2 Q值

圖1給出70個(gè)地震利用上述方法得到的云南Q值與頻率的關(guān)系。

圖1 Q(f)的擬合曲線Fig.1 Fitted Q(f) curves of studied regions

本文結(jié)果Q(f)=193.8f0.528與蘇有錦等[2]2006年利用云南臺(tái)網(wǎng)22個(gè)臺(tái)站數(shù)據(jù)得到的結(jié)果Q(f)=238f0.388相比，Q0值接近但較低，η值較高，這與所用臺(tái)站數(shù)增加且所選事件發(fā)生的時(shí)間段不同有關(guān)。本次計(jì)算所用的臺(tái)站數(shù)比蘇有錦等[2]所用的22個(gè)臺(tái)站增加了1倍多，在選取地震事件分布范圍大致相同(覆蓋云南全省范圍)的條件下，臺(tái)站分布加密，平均震中距減小，射線路徑明顯縮短，射線所經(jīng)路徑的深度比較淺，從而導(dǎo)致計(jì)算的Q值比蘇有錦等的結(jié)果要小。因?yàn)橐话闱闆r下，射線越長，射線經(jīng)過路徑的深度就越深，Q值就會(huì)偏大。周龍泉[3]等根據(jù)35個(gè)數(shù)字臺(tái)站記錄的云南地區(qū)1999～2007年近震波形資料，得到云南地區(qū)地殼平均Q值為400。這是由于該研究假設(shè)Q值與頻率無關(guān)，而這一假設(shè)會(huì)直接影響Q值的大??；本文的研究結(jié)果是用與頻率相關(guān)的反演得出的，因此兩者結(jié)果存在較大差異。

3 場地響應(yīng)

3.1 方法

本研究采用Moya方法計(jì)算臺(tái)站場地響應(yīng)，其原理是：首先對每個(gè)地震選擇Brune[8]震源譜參數(shù)，每個(gè)震源譜參數(shù)被用于計(jì)算已記錄地震的臺(tái)站場地響應(yīng)。假定每個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)無論哪個(gè)地震事件均相同，運(yùn)用遺傳算法通過尋找不同的震源譜參數(shù)，使得由不同事件得到的臺(tái)站場地響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差最小。在獲得震源譜參數(shù)后，用經(jīng)過幾何衰減和非彈性衰減校正后的位移譜與震源譜相比較，可得到每個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)。

1)對第i個(gè)地震在第j個(gè)臺(tái)站觀測到的S波Fourier振幅譜進(jìn)行幾何擴(kuò)散和非彈性衰減校正，并從速度譜轉(zhuǎn)換成位移譜。在計(jì)算幾何擴(kuò)散時(shí)，采用3段線性回歸函數(shù)。

①R≤R01時(shí)，直達(dá)波衰減為：

(7)

②R01

(8)

③R02

(9)

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

(10)

3)在第k個(gè)頻率上，第i個(gè)地震對第j個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)為：

(11)

4)在第k個(gè)頻率上，計(jì)算第j個(gè)臺(tái)站由不同地震得到的場地響應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差：

(12)

通過不斷迭代搜尋fc和Ω0，使由不同地震得到的上述標(biāo)準(zhǔn)偏差最小。調(diào)整震源參數(shù)，使下式極?。?/p>

(13)

計(jì)算所有地震對同一臺(tái)站的場地響應(yīng)，利用遺傳算法調(diào)整地震的震源參數(shù)，使場地響應(yīng)函數(shù)的偏差最小，從而得到最穩(wěn)定的場地響應(yīng)估計(jì)和震源譜參數(shù)。

值得注意的是Ω0、fc上下限的確定。在本研究中，Ω0的上限取震源譜中最低臺(tái)站1～2 Hz頻段的平均值，下限取上限的1/5，fc取2～10 Hz，

3.2 結(jié)果與討論

通過計(jì)算，除去達(dá)不到場地響應(yīng)計(jì)算條件的宣威臺(tái)，最終計(jì)算了云南地區(qū)46個(gè)臺(tái)的場地響應(yīng)結(jié)果。云南地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不同臺(tái)站基巖性質(zhì)差別很大，圖2給出包含臺(tái)基巖性的臺(tái)站分布，但不包括相同基巖的不同臺(tái)站風(fēng)化程度不同、基巖完整性不同等差別。根據(jù)不同巖性，將計(jì)算得到的46個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)結(jié)果排列如圖3。

圖2 云南地區(qū)計(jì)算了場地響應(yīng)的46個(gè)臺(tái)站臺(tái)基巖性分布Fig.2 The station bedrock lithology of the 46 stations in Yunnan area

1)受觀測臺(tái)站場地增益的影響，地震波振幅會(huì)增大。通常用場地響應(yīng)來描述臺(tái)基附近理想基巖上覆蓋的軟土層對地震波振幅的影響，理想基巖被認(rèn)為是對地震波振幅沒有影響的[8]。臺(tái)站場地響應(yīng)主要與臺(tái)站附近近地表地層介質(zhì)阻抗有關(guān)[5]，即場地響應(yīng)與臺(tái)站所在地區(qū)的構(gòu)造性質(zhì)有很大關(guān)系?？傮w來看，46個(gè)臺(tái)站記錄到的近震事件橫波最大振幅的卓越頻率f在1～4 Hz之間，而在高頻段(約10 Hz以上)場地響應(yīng)的衰減比較明顯。云南地區(qū)場地的放大作用是比較明顯的，大多在1～10倍之間，不同的基巖風(fēng)化程度、沉積層類型或厚度，都可能造成基巖臺(tái)站或沉積層臺(tái)站場地響應(yīng)的差異。

2)值得注意的是，在滇西北，臺(tái)基為片麻巖的貢山臺(tái)場地響應(yīng)最為平穩(wěn)，1～15 Hz頻段的放大倍數(shù)均在1倍左右；在其附近的中甸臺(tái)場地響應(yīng)也相對平緩，除了8 Hz以上高頻段有較明顯的衰減之外，1～8 Hz頻段的放大倍數(shù)波動(dòng)在4倍以內(nèi)，這可能與滇西北地區(qū)區(qū)內(nèi)深大活動(dòng)斷裂發(fā)育、鄰近青藏高原、地殼厚度較厚、速度較低有關(guān)。另外位于滇東南的麻栗坡臺(tái)，架臺(tái)時(shí)作了挖坑處理，儀器架設(shè)在坑下較完整的灰?guī)r上，場地響應(yīng)也比較平緩，且相比于其余大部分臺(tái)站(尤其是同樣位于滇東南的文山WES、個(gè)舊GEJ、金平JIP臺(tái))，高頻衰減不明顯；位于滇東北的鹽津臺(tái)臺(tái)基為密質(zhì)砂巖，硬度較高，相比于附近的巧家臺(tái)和昭通臺(tái)，其場地響應(yīng)較為平緩。巧家臺(tái)由于臺(tái)站架設(shè)在土石混雜的礫巖上，導(dǎo)致場地響應(yīng)在低頻和高頻出現(xiàn)較大差異，放大倍數(shù)在0.2～11倍；而昭通臺(tái)雖然臺(tái)基為玄武巖，但該地巖石節(jié)理較為發(fā)育，造成場地放大作用較為明顯，放大倍數(shù)在0.1～8倍。

圖3 反演得到的46個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)Fig.3 The site response of 46 stations obtained by genetic algorithm

3)通過對比不同基巖類型的臺(tái)站場地響應(yīng)(圖4)發(fā)現(xiàn)，對于硬度最差的礫巖臺(tái)基，在低頻部分，場地放大作用較其他巖性的臺(tái)基要明顯得多，3個(gè)臺(tái)的場地響應(yīng)均在2 Hz附近達(dá)到峰值，高頻部分(10 Hz以上)的衰減在0.1～1之間。對于砂巖為臺(tái)基的情況，除芒市臺(tái)外，其余14個(gè)臺(tái)基為砂巖的臺(tái)站在低頻部分的場地放大作用在1～10倍，芒市臺(tái)在1～4 Hz頻段放大倍數(shù)最高達(dá)12倍左右。該臺(tái)站臺(tái)基風(fēng)化程度高，且近幾年背景噪聲計(jì)算結(jié)果均顯示噪聲較高、信噪比差，僅達(dá)到Ⅲ類臺(tái)水平。對于灰?guī)r臺(tái)基，從全省范圍來看，有21個(gè)臺(tái)站的基巖為灰?guī)r，無論是低頻段的放大還是高頻段的衰減，灰?guī)r較砂巖的結(jié)果總體來說都要平緩些。對于臺(tái)基為變質(zhì)巖的情況，云南僅有洱源臺(tái)為變質(zhì)巖，其場地響應(yīng)在1～6 Hz頻段維持在3～8倍的放大作用，而在6～8 Hz頻段有明顯衰減。由于只有一個(gè)臺(tái)，其表現(xiàn)不一定具有普遍性。對于同樣只有一個(gè)貢山臺(tái)的片麻巖類型，前面已有相關(guān)分析。對于硬度較高的花崗巖及玄武巖臺(tái)基，雖然低頻段仍有近10倍的場地放大作用，但高頻段的衰減較灰?guī)r、砂巖等硬度差的基巖明顯要平緩。

圖4 不同基巖類型的臺(tái)站場地響應(yīng)Fig.4 The site response summary graph of different bedrock types

4 結(jié) 語

本文運(yùn)用Atkinson方法，基于遺傳算法，對云南省46個(gè)臺(tái)站記錄到的數(shù)字地震觀測資料進(jìn)行研究，得到云南地區(qū)的平均Q值為193.8。這一結(jié)果與同樣是基于Q值與頻率相關(guān)的蘇有錦等[2]2006年的研究結(jié)果238相比稍低，這與兩次計(jì)算所選用的臺(tái)站及事件發(fā)生的時(shí)間段不同有關(guān)。臺(tái)站數(shù)從22個(gè)增加到46個(gè)，射線路徑明顯縮短，射線經(jīng)過路徑的深度比較淺，反映的是較淺部介質(zhì)的Q值特征。地球淺部介質(zhì)的非均勻性比深部大，地震波的衰減吸收快且對頻率的依賴性也更強(qiáng)，這也能較好地解釋了為何本文Q值結(jié)果比蘇有錦等2006年研究結(jié)果要小。

云南地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從46個(gè)臺(tái)站的場地響應(yīng)來看，顯示出5個(gè)特點(diǎn)：1)臺(tái)站場地響應(yīng)的卓越頻率f在1～4 Hz；2)云南地區(qū)場地的放大作用在低頻段(1～6 Hz)比較明顯，大多在1～10倍，高頻段(10 Hz以上)場地衰減作用明顯；3)雖然大部分地區(qū)場地在低頻段的放大作用較明顯，但還是存在一定的區(qū)域性，如滇西北地區(qū)場地響應(yīng)就較為平緩；4)對于同一區(qū)域，不同的基巖類型和特性(包括風(fēng)化程度、基巖完整性等)都會(huì)影響場地響應(yīng)的穩(wěn)定性；5)基巖類型對場地響應(yīng)也有影響，基巖硬度越小，場地放大和衰減越明顯，反之則越平緩。這一系列特征與云南地區(qū)地殼介質(zhì)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造復(fù)雜，地震活動(dòng)深部介質(zhì)構(gòu)造區(qū)域差異很大[9]的地質(zhì)構(gòu)造特征有關(guān)。

致謝:中國地震局預(yù)測研究所華衛(wèi)研究員指導(dǎo)了相關(guān)計(jì)算，并對結(jié)果的討論提供了寶貴建議和意見；研究得到四川省地震局吳微微、云南省地震局蔡紹平、楊晶瓊、劉麗芳、付虹老師的支持與幫助，在此一并表示衷心感謝！

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About the first author:LI Danning, engineer, majors in seismology, source rupture of earthquake and site response of station, E-mail: 86740547@qq.com.

Study of Non-Elasticity Attenuation and Site Response in Yunnan

LIDanning1MAZhibin2XUWaifen3GAOYang1MAHonghu1XUYan4

1 Earthquake Administration of Yunnan Province, 148 Beichen Road, Kunming 650224, China 2 Yunnan Nonferrous Geological Bureau, 29 Dongfengxiang, Kunming 650051,China 3 Yuxi Earthquake Disaster Administration, 1 Honglong Road, Yuxi 653100, China 4 College of Resources and Environment, Yunnan University, 2 North-Cuihu Road, Kunming 650091, China

Using digital waveform data recorded by regional seismic networks in Yunnan between 2011 and 2015, attenuation characteristics and site response respectively are calculated. The frequency dependentQ(f) is obtained by the iterative grid-search technique, as described by Atkinson and Mereu, based on trilinear geometrical spreading model. Our results demonstrate that for Yunnan the associated model for regional quality factor for frequencies can be expressed asQ(f)=193.8f0.528. Additionally, we ascertain the source spectra determined by the model of Brune and the site responses of seismic stations derived by Moya’s method using genetic algorithms. The site response results of 46 stations demonstrate that the seismic signal amplification of Station bedrock is not the same in different frequency bands. The site response in Yunnan region shows obvious amplification with low frequency and attenuation with high frequency. Site amplifications are apparent in excellent frequency band (1～4 Hz), mostly between 1 and 10 times, and in the high frequency (10 Hz or more) site attenuation is mostly between 0.05 and 1 times.

non-elasticity attenuation；Qvalue; site response

Young Talents Training Project for the Seismic Network, No.20150426; National Natural Science Foundation of China, No.41564003.

2016-04-25

項(xiàng)目來源：測震臺(tái)網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項(xiàng)(20150426)；國家自然科學(xué)基金(41564003)。

李丹寧，工程師，主要從事地震學(xué)、震源破裂、臺(tái)站場地響應(yīng)研究，E-mail:86740547@qq.com 。

10.14075/j.jgg.2016.12.002

1671-5942(2016)012-1041-06

P315

A