利用数字地震波资料研究宁夏地区介质非弹性衰减和场地响应*

许英才 许文俊 李鸿庭 陈继锋

(1)宁夏回族自治区地震局，银川 750001 2)甘肃省地震局，兰州730001)

利用数字地震波资料研究宁夏地区介质非弹性衰减和场地响应*

许英才1)许文俊1)李鸿庭1)陈继锋2)

(1)宁夏回族自治区地震局，银川 750001 2)甘肃省地震局，兰州730001)

利用宁夏及邻区的数字地震波资料，选取2009-05—2010-10月ML2.6以上的20个台站32次地震事件的268条波形记录，用遗传算法反演了宁夏及邻区介质非弹性衰减系数和台站场地相应。反演得到：宁夏地区介质非弹性衰减Q值与频率的关系为Q(f)=337.67f0.4554。其Q值和山西及浙江地区的结果最相近，可能预示着该区地质构造活动处于一个正常的活动水平。

宁夏地区;Q值;遗传算法;场地响应;非弹性衰减

1 引言

地震波的传播路径对其能量的衰减包括几何扩散和非弹性衰减这两部分。根据研究，不同震中距上地震波的几何扩散系数是不同的。目前被广泛采用的理论模型是三段几何衰减模型［1］。同时，近期的研究表明，基岩台站也具有场地效应［2］。因此，要想得到各种精确的各种参数，必须设法区分地震记录中的震源效应、传播路径及场地效应。目前比较有效的解决方法是采用震源Ω平方位移谱模型利用遗传算法来反演各种参数［3-5］。

数字地震波作为一种综合信息，包含了地震震源、地震波的传播路径、台站的场地响应、仪器响应特征及观测噪音等信息。数字地震观测具有动态范围大、观测精度高、分辨率高、系统传递函数特性更稳定、便于计算机处理等特点。尤其是大动态范围，使得数字地震观测系统可以在更宽的幅度范围内完整地记录地震波形［1］。有6个数字地震台站的宁夏数字地震台网从2003年3月开始正式运行，尤其是“宁夏数字观测网络”的建设运行，使得利用宁夏数字化地震波形数字资料进行地震研究成为可能。本文将利用宁夏数字地震观测台网记录的、发生在宁夏及其附近区域的中小地震的波形资料，采用互相衔接的三段几何衰减模型，通过在频率域内的分析，测定和研究宁夏地区剪切波的几何衰减和非弹性衰减，以及场地相应的频率特征。

2 数字测震台网概况及资料的选取

2.1 宁夏数字测震台网概况

宁夏数字地震台网由石嘴山、银川、中卫、盐池、海原、泾源6个数字地震台站组成，2003年3月正式投入观测。2007年6月“十五”项目实施中对6个数字测震台网进行了改造，并增加了陶乐、灵武、牛首山、同心、香山、固原、西吉等台站，改造后的台网于2008年1月1日投入正式运行。从2009年又将甘肃台网的景泰、静宁、平凉和天水台，陕西台网的陇县台以及内蒙台网的巴音浩特和乌海纳入宁夏数字地震台网(图1)。所以研究中使用了20个台站的记录数据。

宁夏回族自治区南北跨度460 km，东西跨度300 km，台站主要沿宁夏边缘分布，台站的平均间距约为34 km，其中宁夏中南部相对稀疏一些(表1)。地震观测频带1～20 Hz，地动噪声速度幅值均方根平均低于2×10-8m/s。陶乐和灵武台为井下观测，地震计安放在黏土层内，其他台站的台基均为基岩。

2.2 资料的选取

波形数据来源于2009-05—2010-10月该区域32次ML≥2.7且ML≤5.0的地震事件，删除了同一地点的地震，仅利用信噪比大于等于2且同一地震事件至少被3个以上地震台所记录的地震事件中的268条记录(图1)。

图1 宁夏及邻近地区台站、地震震中及268条射线路径分布图Fig.1 Distribution of 20 stations，32 earthquake events and 268 rays used in Ningxia and its adjacent areas

表1 宁夏及邻区地震台站基本信息Tab.1 Basic information for seismic stations in Ningxia and its adjacent regions

3 处理方法及计算结果

3.1 Q值测定原理和方法

在频率域中，经过仪器响应校正后的地震波的傅里叶谱振幅为：

表2 研究中使用的地震Tab.2 Earthquake Catalogue of Ningxia and its adjacent regions used in this study

式中，Aij为经过仪器响应校正的第j个台站记录到的第i个地震的傅里叶谱振幅，Ai0(f)为第i个地震的震源谱振幅，Rij为第j个台站记录到的第i个地震的震源距，G(Rij)为几何衰减系数，Q(f)为品质因子，Sj(f)为第j个台站的场地响应，VS为剪贴波波速。对式(1)取对数得：

式中，

非弹性衰减系数c(f)与介质品质因子Q(f)的关系为：

研究中采用的三段几何衰减模型为：

式中，b1=1，b2=0，b3=0.5，R1=1.5 H，R2=2.5 H，H为地壳厚度。宁夏地区地壳平均厚度取H= 50.9 km。根据Atkinson［6］方法，假定所有台站的场地响应为1(即不考虑场地响应)，可通过迭代反演求得c(f)和Sj(f)。残差定义为：

式中，ni为记录第i个地震的台站数。

非弹性衰减系数c(f)的求解式为：

其具体计算步骤如下：

1)将所有台站的场地响应的对数设为0，即lgSj(f)=0，使sum总和残差极小;

2)利用得到的参数，根据式(9)求场地响应，

式中，mj为第j个台站记录的地震事件数。

3)将场地响应的计算值代入，重新计算c(f)，使残差总和sum极小，不断重复1)、2)、3)缩小残差总和，通过反复迭代，可得到该地区的非弹性衰减系数c(f)，利用式(4)得到介质的品质因子Q(f)［6］。

3.2 多台多地震联合反演台站场地响应方法

Moya方法［7］的原理在于通过对每个地震选择Brune震源谱参数，依据每个震源谱参数计算已知地震的场地响应。

对第i个地震在第j个台站观测到的S波Fourier振幅谱进行几何扩散时，采用三段几何衰减模型：

设定每次地震的位移震源谱参数Ω0和fc，可得到每次地震的理论震源谱为：

在第k个频率上，第i个地震对第j个台站的场地响应为：

计算第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为：

根据遗传算法，调整所有地震的震源谱参数，使得极小。

4 反演结果及讨论

4.1 多台多地震联合反演结果

各频率点品质因子值Q的分布及拟合得到的品质因子Q与频率关系见图2。由图2可看出，品质因子Q与频率有着一定的依赖关系，本文采用Q(f)=Q0fη模型来拟合品质因子Q的频率依赖关系，参数η反映了品质因子对频率的依赖程度，当η =0时品质因子与频率无关。图2显示在1.0 Hz以上的频率范围内，lgQ与lgf有着很好的线性关系，采用频率高于1.0 Hz的结果拟合得到的品质因子与频率的关系式为(图2)：

图2 宁夏地区Q值与频率的关系Fig.2 Relation of Q value with frequency in Ningxia region

Q值的大小反映了所研究区域地壳介质的均匀程度。它的大小与Q0和η值的大小有关。一般来说，地壳稳定地区Q值较大，构造活动强烈的地区，Q值较小。宁夏地区Q值与频率的关系为Q(f)= 337.67f0.4554，与国内及国外其他区域比较，宁夏地区Q值相对适中，宁夏地区的Q值与频率的关系在国内和山西及浙江地区的结果最相近［4］，在国外和欧洲中部的结果最相近［6，7］，所以认为宁夏地区构造活动的强度适中。据此推测，未来几年宁夏地区的地震活动水平也不会太高。

4.2 利用Moya方法计算的台站场地响应

根据计算得到的宁夏地区的Q值，利用由多台多地震联合反演台站场地响应(Moya)方法计算出了20个台站的场地响应。得出的20个台站的场地响应(图3)表明：在频率为1～20Hz范围内，20个台站的场地响应因子的范围为0.2～10(场地响应等于1说明场地对地震波信号没有影响，场地响应小于1说明场地对地震波信号有缩小作用，大于1则对地震波信号有放大作用)，说明20个台站的场地响应在不同的频段因场地的差异所对应的台站场地响应的差别较大。石嘴山、盐池、泾源、平凉、海原、银川、中卫、灵武、同心、固原、天水和巴彦浩特台的场地响应在频率大于10 Hz后随地震波频率增加场地响应逐渐缩小，而香山、牛首山和静宁台的场地响应随频率的增加场地响应缓慢放大。因此在计算地震震源谱时必须要考虑台站场地对地震波的响应。

图3 反演得到的台站场地响应Fig.3 Site responses obtained by inversion

5 结论

1)采用多台多震联合反演法，得到的宁夏地区Q值与频率的关系为Q(f)=337.67f0.4554。在1.0 Hz以上的频率范围内，lgQ与lgf有着很好的线性关系。宁夏地区的Q值的大小比较适中。与国内其他地区的Q值和频率关系进行比较，宁夏地区的Q值在国内外和山西及浙江地区的结果最相近，在国外和欧洲中部的结果相近，可能预示着该区地质构造活动处于一个正常的活动水平。

2)由多台多地震联合反演台站场地响应(Moya)方法得出的20个台站的场地响应表明，在计算地震震源谱时必须考虑场地对地震波的影响。

致谢 衷心感谢中国地震局数字化实验室专家们的指导与帮助!

1 刘杰，等.华南地区地震动衰减和场地响应的研究［J］.地球物理学报，2003，46(1)54-61.

2 刘杰，郑斯华，黄玉龙.利用遗传算法反演非弹性衰减系数、震源参数和和场地响应［J］.地震学报，2003，25(2)： 211-218.

3 陈章立.浅论地震预报地震学基础［M］.北京：地震出版社，2004.

4 陈章立.数字地震观测资料应用研究［M］.北京：地震出版社，2007.

5 陈章立.新的地震参数、介质参数的测定及新参数地震目录编制(数据处理方法与软件)［S］.中国地震局监测预报司，2007.

6 Atkinson G M and Mereu R F.The shape of ground attenuation curves in Southeastern Canada［J］.Bull Seism Soc A-mer.，1992，82：2 014-2 031.

7 Moya A and Jorge A.Inverson of source parameters and site efects from strong ground motion record using genetic algorithms［J］.Bull Seism Sec Amer.，2000，90：977-992.

STUDY ON INELASTIC ATTENUATION AND SITE RESPONSE OF EACH STATION IN NINGXIA AREA BY USING WAVEFORM DATA FROM DIGITAL SEISMIC STATION NETWORK

Xu Yingcai1)，Xu Wenjun1)，Li Hongting1)and Chen Jifeng2)

(1)Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001 2)Earthquake Administration of Gansu Province，Lanzhou 730001)

268 pieces of digital oscillograms of 32 seismic events of form ML2.6 to ML4.9 recorded at 20 seismologic stations located on Ningxia region and its adjacent areas occurred from May，2009 to Oct.，2010 were studied and the relation of inelastic attenuation Q value with media frequency in the crust of this area，the site responses of 20 stations were calculated with the genetic algorithm.The results indicate that the frequency-dependent relation of inelastic attenuation value Q in the studied area is estimated as：Q(f)=337.67f0.4554.The Q value is close to the regional result in Shanxi and Zhejiang.It probably indicate that the geological tectonic activity is in a normal level.

Ningxia area;Q value;genetic algorithm;site response;inelastic attenuation

1671-5942(2011)Supp.-0033-05

2011-03-06

许英才，男，1986年生，学士，主要从事地震观测及数据分析工作.E-mail：xuyingcai007@163.com

P315.3+1

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