利用遗传算法反演山东地区S波非弹性衰减及场地响应
苗庆杰 刘希强 石玉燕 曲均浩
(山东省地震局,济南 250012)
 [收稿日期]: 2016-10-28
摘要

摘要:采用山东地震台网记录的地震资料,基于Atkinson方法计算得出研究区非弹性衰减Q值与频率?的关系为Q(?)=457.1?0.4317。基于Moya方法得到山东台网中46个台站的场地响应,其中大部分台站效果比较理想,BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF台站存在较明显的放大效应,BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF台站的场地响应在6Hz以上出现显著的高频衰减。

关键词:山东地区  S波  Q值  场地响应


引言

地震波衰减特征研究为了解地球内部物理化学状态和物质组成,以及测定震源参数、震源机制和估算地震震级等方面提供了重要依据,长期以来一直为地球物理工作者所重视。许多破坏性地震表明,场地效应在结构破坏方面具有非常大的影响,其在地震学和地震工程学中具有重要的意义。

本文利用山东地震台网中46个台站记录到的中小地震资料,基于Atkinson方法计算了研究区的非弹性衰减Q值,采用Moya方法计算了每个台站的场地响应,并对其进行了分析研究,为今后数字地震资料在山东地区地震学、地震工程学中的应用及测定新地震参数等方面提供基础数据。

1 数据选取及处理

山东数字测震台网由64个直属固定数字地震台站组成,2015年加入省“十一五”新建台站后,台站数量增加到117个。自2001年正式运行以来,台网记录到大量的中小地震,为测定山东地区地震波衰减特征和台站的场地响应提供了宝贵的数据。

为保证地震数据具有良好的信噪比,同时使地震射线较好地覆盖研究区域,在选取数据时要求每个地震至少被3个台站记录到,每个台站至少有3条地震记录。由于2015年新加入的台站运行时间短,没有记录到足够的震相,所以,无法测算这些台站的场地响应,经过计算,最终挑选出46个台站,41个2.0ML5.0的地震数据进行处理。图1和图2给出了研究区域台站、震中位置和地震射线分布,可以看出研究区内地震和台站的空间分布比较均匀,射线几乎覆盖整个研究区域。

图 1 选用的地震、台站分布图 Fig. 1Location of seismic stations (white triangle) and earthquakes (red dot)
图 2 地震射线分布图 Fig. 2Seismic ray distribution
 

本研究使用SH波资料。在处理地震波谱资料的过程中,截取的S窗从第一个可识别的S震相起始,窗口中的波形包括S波90%的能量。S窗内的波形被分成256个采样间隔,且相邻的间隔之间有50%重合,然后对每一段做傅立叶变换,两端取5%的余弦边瓣,扣除仪器响应、噪声和自由表面效应,挑选信噪比大于2的地震记录,最终确定41个ML2.0级以上地震的494条数据作为基础研究资料。

2 计算方法和结果
2.1 品质因子Q

经过上述资料处理后,任一个地震在某一台站观测到的地面运动的剪切波傅里叶SH分量为:

Aij(ƒ)=Ai0(ƒ)Rij-be-c(ƒ)RijSj(ƒ)
(1)

式中,ƒ为频率,e为自然常数,Aij(ƒ)为第j个台站观测到的第i个地震的谱振幅,Ai0(ƒ)为第i个地震的震源谱振幅,b为几何扩散系数,Rij为震源距,c(ƒ)为非弹性衰减系数,Sj(ƒ)是第j个地震台站上的场地响应。

非弹性衰减系数c(ƒ)和介质品质因子Q的关系为:

(2)
Q(ƒ)= lg(e)πƒ
c(ƒ)Vs

式中,Vs为S波速度。

S波的几何扩散采用三段模型(Atkinson等,1992)。山东地区平均地壳厚度H大约为36km(林怀存,1989),模型参数取b1=1.0,b2=0.0,b3=0.5,R01=1.5H=54km,R02=2.5H=90km。代入(1)式,就成为对非弹性衰减系数c(ƒ)和台站的场地响应Sj(ƒ)的联合反演问题。

残差定义如下:

kij=[lgAi0(ƒ)]jlgAi0(ƒ)
(3)

式中,[lgAi0(ƒ)]j为第j个台站记录到的第i个地震震源谱振幅,lgAi0(ƒ)为第i个地震平均震源谱振幅,对 i jkij│取极小值,详细的计算步骤可参考文献(刘杰等,2003;黄玉龙等,2003;兰从欣等,2005)。

通过反演得到山东地区的Q(ƒ)与频率ƒ的拟合关系(公式(4)),如图3所示,结果显示拟合效果较好,Q0为频率为1Hz时的Q值,η为介质的吸收系数。

Q(ƒ)=457.1ƒ0.4317
(4)
图 3 山东地区介质品质因子与频率的关系 Fig. 3Relationship between Q-value and frequency in the Shandong area

本文得到的Q0η值与石玉燕等(2008)得到的结果Q(ƒ)=297.4ƒ0.558有一定差异,造成这种差异原因可能与研究区域大小和使用的地震台站的数量有关。石玉燕等(2008)所选区域范围包括河北和华北部分地区,而华北地区沉积覆盖层更厚,导致Q值下降。本文所选用的台站及地震数量更多,地震震中及地震射线在山东地区分布更均匀,所求得的结果更接近实际。

品质因子Q值是介质重要的物理参数,与其强度和均匀程度相关,是构造活动性的一种量度。地震波在构造活动稳定的地区衰减较慢,品质因子Q值较大;在构造活动强烈的地区衰减则较快,品质因子Q值较小。山东地区较高的Q0值反映了该地区构造相对稳定及地震活动性相对较弱的特征。

2.2 场地响应的确定

基于Moya等(2000)的方法,计算分析每个地震台站的场地响应。假设每个台站的场地响应与地震事件无关,采用遗传算法,调整震源谱参数,使得到的场地响应的标准差最小。在获得震源谱参数后,通过校正后的位移振幅谱对比理论震源谱就可得到台站的场地响应(李祖宁等,2012)。

首先对第i个地震在第j个台站观测到的SH波的傅立叶振幅谱进行几何扩散与非弹性衰减校正:

(5)
Oijcorr(ƒ)=Oij(ƒ)Rijexp æ
ç
è
πRijƒ
Q(ƒ)ν
ö
÷
ø

式中,Rij是震源距,ν是波速。

通过设定每个地震震源的震源谱参数(Ω0ƒc),从而可以得到每次地震的理论位移震源谱。

(6)
Ai0(ƒ)= Ωi
1+(ƒ/ƒci)2

在第k个频率点,由第i次地震事件对第j个台站的场地响应为:

Sij(ƒk)=Oijcorr(ƒk)/Ai0(ƒk)
(7)

式中,Oijcorr(ƒk)为经过校正后的振幅谱;Ai0(ƒk)为震源谱;Ω0ƒc分别为零频震幅和拐角频率。

计算在第k个频率点上第j个台站由不同地震得到的场地响应的平均值和标准偏差,采用遗传算法,调整每次地震的震源谱参数,使公式(8)的值最小。

(8)
sum=
j

k
(Sij(ƒk))std
(Sij(ƒk))mean

式中,(Sij(ƒk))std和(Sij(ƒk))mean分别为场地响应的标准方差和平均值。

图4是所求得的场地响应。因篇幅所限,文中只列出46个台站中16个台站的场地响应计算结果。图中细线表示每个地震记录到的台站场地响应,粗线表示该台站场地响应的平均值。可以看出,这些台站的场地响应在频率域中随频率的增加,有的较稳定,有的呈现高频衰减状,有的呈现高频放大状,有些台站的场地响应在整个频率域都出现放大效应,有些则在部分频率范围内放大。46个台站中有37个台站效果较理想,没有明显的放大效应,而BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF台站出现较明显的放大效应,这与其所处的场地条件——松散沉积岩地基——可能产生的场地响应相一致。BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF台站的场地响应在6Hz以上出现显著的高频衰减。


图 4 迭代反演得到的46个台站中16个台站的场地响应(Lƒ))结果 Fig. 4The site responses of 16 stations (among total 46 stations) obtained by iterative inversion
3 结论

本文选用山东地区46个台站记录到的41次2.0ML5.0地震,得出山东地区Q值随频率ƒ的关系为Q(ƒ)=457.1ƒ0.4317,与石玉燕等(2008)所得到的结果Q(ƒ)=297.4ƒ0.558有一定差异,造成这种差异的原因可能与研究区域大小和使用的地震台站的数量有关。上述文献所选区域范围包括河北等华北部分地区,而华北地区沉积覆盖层更厚,导致Q值下降。从样本数量和台站分布来说,本文结果更接近实际,更具合理性。

场地响应计算结果方面,山东台网46个台站中有37个台站的效果比较理想。BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF台站出现较明显的放大效应,这与其所处松散沉积岩地基可能产生的场地响应特性相符。BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF台站的场地响应在6Hz以上出现显著的高频衰减。另外,台站场地效应与台基、台站周围地形等因素有关,一般认为地震射线方向的影响不大(华卫,2007),本文研究结果可为山东地区测定新地震参数提供基础数据。

致谢:中国地震台网中心刘杰研究员、中国地震局地震预测研究所赵翠萍研究员和华卫副研究员提供了技术思路指导,审稿专家和编辑给出了宝贵的修改意见和建议,作者在此一并表示感谢。

参考文献
1.华卫,2007.中小地震震源参数定标关系研究北京:中国地震局地球物理研究所
2.黄玉龙,郑斯华,刘杰等,2003.广东地区地震波衰减和场地响应的研究地球物理学报,46(1):54—61.
3.兰从欣,刘杰,郑斯华等,2005.北京地区中小地震震源参数反演地震学报,27(5):498—507.
4.李祖宁,杨贵,陈光,2012.福建地区地震波非弹性衰减Q值、场地响应及震源参数研究地震研究,35(3):381—386.
5.林怀存,1989.山东地区近震地震波速与地壳结构华北地震科学,7(3):82—90.
6.刘杰,郑斯华,黄玉龙,2003.利用遗传算法反演非弹性衰减系数、震源参数和场地响应地震学报,25(2):211—218.
7.石玉燕,郑斯华,胡旭辉等,2008.山东地区地震动衰减和场地响应的研究华南地震,28(1):92—100.
8.Atkinson G.M., MereuR. F.,1992.The shape of ground motion attenuation curves in Southeastern Canada.Bull. Seism.Soc.Am., 82(5):2014—2031.
9.Brune J. N.1970.Tectonic stress and the spectrum of seismic shear waves from earthquakes.J Geophy Res, 75(26):4997—5009.
10.Moya C. A., Aguirre J. and Irikura K.,2000.Inversion of source parameters and site effects from strong ground motion records using genetic algorithms.Bull. Seism. Soc. Am., 90 (4):977—992.
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The Inversion of S Wave Inelastic Attenuation and Site Response by Genetic Algorithms in the Shandong Region
Miao Qingjie, Liu Xiqiang, Shi Yuyan and Qu Junhao
(Earthquake Administrator of Shandong Province, Jinan 250012, China)
Abstract

With the digital waveform data recorded in 46 stations of the Shandong seismic network, we calculated inelastic attenuation in the Shandong region by using Atkinson method, and obtained the relation of Q value and frequency as Q(?)=457.1?0.4317. Based on Moya method we found that most of the results the site response of 46 stationsare ideal. The site response of BSH, BZH, DOY, KEL, SHH, TZH, WEF stations show significant amplifications, while the site response of BZH, CHD, DOY, KEL, SHH, TCH, WEF stations show significant high-frequency attenuation above 6Hz.