王衛(wèi)東,張鈺誠,趙云峰,鄭 怡

（1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院,西安 710054；2.中國地震局第二監(jiān)測中心,西安 710054；3.陜西省地震局,西安 710068）

過去幾十年間強地面振動及其工程應用的研究取得了很大的進展[1-7],地面振動依賴于震源、傳播路徑和場地響應等方面,這幾種效應的分離對于精確確定地震參數(shù)十分重要。其中,場地響應可通過實際地面振動數(shù)據(jù)經(jīng)驗估計或S波速度剖面的數(shù)值模擬得到；地震波衰減(Q值)是描述地殼介質(zhì)非均勻程度的確定性指標, 反映了介質(zhì)的非均勻性和非彈性特征。使用實測地震波資料估算場地響應和地震波衰減特征有多種方法[8],Atkinson方法較好地解決了震源、路徑和場地響應的分離,演化出多種具體計算方法并得到廣泛的應用[9-13]。

渭河斷陷盆地位于鄂爾多斯地塊南緣,其南方是分隔華北克拉通與華南地塊的秦嶺造山帶,歷史上曾發(fā)生過華縣81/4級地震等多次強震,但現(xiàn)代地震活動強度較低。本文采用Atkinson方法來研究渭河盆地及鄰區(qū)場地響應和非彈性衰減。

1 觀測資料

從2002年1月至2012年12月陜西省數(shù)字地震臺網(wǎng)的記錄中,挑選波形清晰,信噪比較高的ML≥2.5地震記錄,且要求每個臺站至少記錄到3個地震,每個地震至少有3個臺站記錄,共選擇了6個臺站20次地震的98條地震記錄。首先對波形數(shù)據(jù)進行零線校正、去傾,儀器響應校正,進行方向旋轉合成SH波；然后采用平移窗方法計算SH波位移譜,并消除SH波的自由表面效應；最后采用Atkinson方法反演渭河盆地及鄰區(qū)場地響應和非彈性衰減。表1為臺站參數(shù),圖1為震中、臺站位置和射線分布。

表1 臺站參數(shù)表Table 1 Parameters of the stations used in this study

圖1 臺站、震中和射線路徑分布圖Fig.1 The distribution of seismic stations,epicenters and ray paths

2 研究方法

進行儀器響應校正和自由表面效應處理后,在頻率域地震波的位移譜為[7]:

式中,Aij(f)為入射第j個臺站記錄的第i個地震SH波的位移譜振幅,Ai0(f)為第i個地震的震源譜,G(Rij)為幾何擴散,Rij為震源距,Q(f)為品質(zhì)因子,β為S波速度,Sj(f) 為第j個臺站的場地響應。

（1）式兩邊取對數(shù),得:

式中:

本次研究采用Atkinson三段幾何衰減模型[11]描述幾何擴散與震源距的關系:

式 中R1,R2,b1,b2,b3為 常 數(shù)。根 據(jù) 已有 的 研 究,取b1=1,b2=0,b3=0.5,一 般 取R1=1.5H,R2=2.5H,H為研究地區(qū)的地殼厚度,本文取H=36 km,D=36 km。

采用Atkinson多臺多震源聯(lián)合反演法[11],定義殘差為:

式中為ni為記錄到第i個地震的臺站數(shù),n0為所分析的地震數(shù)目。

利用遺傳算法進行反演計算[11-12],求解步驟如下:

（1）首先令各臺站的場地響應為1,即lgSj(f)=0,此時ε的大小僅取決于參數(shù)b1,b2,b3和C(fk)。

（2）用遺傳算法求得使ε為最小的b1,b2,b3和C(fk)。

（3）利用求得的參數(shù),計算出各臺站的場地響應:式中mj為第j個臺站記錄到的地震數(shù)目。

（4）將場地響應代入,重復步驟（2）和（3）,直至使ε不再減小,即得到在中心頻率fk的b1,b2,b3,C(fk)和Sj(fk)。

得Q(fk)為

對各頻率點fk重復以上步驟,得到一系列的b1,b2,b3,Q(fk)和Sj(fk)。

對各頻率點fk得到的b1,b2和b3值求平均得到b1,b2和b3,由各頻率點的Q(fk)擬合,得到Q(f)=Q0 f η,同時也得到了Sj(f)[11]。

3 計算結果及分析

利用上述方法資料,本文得到了渭河盆地及鄰區(qū)非彈性衰減系數(shù)C(f)和介質(zhì)品質(zhì)因子Q值與頻率關系（圖2和圖3）,擬合得到渭河盆地及鄰區(qū)Q(f)與頻率的關系為:Q(f)=(623.0±127)f0.479±0.116,其 誤 差 范 圍 是95%置信度下得到的。可見,渭河盆地及鄰區(qū)Q值與頻率關系與鄂爾多斯地塊Q(f)=585.2f0.579[14]比較接近,與山西地區(qū)Q(f)=323.2f0.506[15]和甘肅東南區(qū)域Q(f)=374.0f0.308[16]相比,Q0明顯較大,說明渭河盆地及鄰區(qū)構造活動程度明顯低于山西地區(qū)和甘肅東南區(qū)域。一般認為,構造活動相對穩(wěn)定的地區(qū)Q值較高,構造活動強烈地區(qū)Q值低,介質(zhì)均勻程度高,Q值也較高[17]。從本研究所用的地震、臺站和地震路徑分布（圖1）看,其主要覆蓋區(qū)域為渭河構造體系,基本處于秦嶺褶皺帶的北緣。秦嶺褶皺帶由太古—元古代變質(zhì)巖及燕山期花崗巖組成,基底統(tǒng)一,介質(zhì)具有較好的整體性,局部運動水平差異較小,現(xiàn)代地震以中、小震為主,屬弱震、少震區(qū)[18],這種構造特征造成了渭河盆地及鄰區(qū)Q值相對較高。

圖2 非彈性衰減系數(shù)C( f )與頻率關系圖Fig.2 The relationship between inelustic attenunation coefficient C( f ) and frequency

圖3 介質(zhì)品質(zhì)因子Q值與頻率關系圖Fig.3 The relationship between Q value and frequency

由反演得到的場地響應圖（圖4）可見,藍田臺的場地放大效應最強,在5～10 Hz區(qū)間多個頻點的場地響應值大于3,除藍田臺外,其余臺站的場地響應值均在1附近變化,臺站的各頻率點場地響應值都小于3?？傮w而言,由于各臺站均為基巖場地,故均未表現(xiàn)出明顯的放大效應。周至臺（ZHO）臺多個頻點的場地響應值小于1,可能與其處于秦嶺褶皺帶,基巖整體性較好且地殼厚度較大有關。藍田臺場地響應與其它臺站相比有所差別,其原因有待進一步研究。我們認為可能與其處于秦嶺山區(qū)與渭河平原交界處的孤峰上,構造較為復雜[19],可能受到局部地質(zhì)構造和地形的影響有關。

圖4 臺站場地響應Fig.4 The site responses obtained by iteration inversion

4 結語

本文利用2002—2012年渭河盆地及鄰區(qū)20個地震的98條地震資料,應用Atkinson法,采用遺傳算法反演了渭河盆地及鄰區(qū)的場地響應和非彈性衰減關系。研究結果表明,渭河盆地及鄰區(qū)的Q值隨頻率f的關系為Q(f)=(623.0±127)f0.479±0.116,與鄂爾多斯地塊比較接近,與山西地區(qū)和甘肅東南區(qū)域相比,渭河盆地及鄰區(qū)Q0明顯較大,說明渭河盆地及鄰區(qū)構造活動程度明顯低于山西地區(qū)和甘肅東南區(qū)域。渭河盆地及鄰區(qū)6個臺站的場地響應值均在1附近變化,最大值不超過4,未顯示明顯的放大效應,藍田臺場地響應與其它臺站相比有所差別,其原因有待進一步的研究。