应用迭代叠加法分离震源谱的理论探讨

李嘉琪　王曙光　宁杰远. 北京大学地球与空间科学学院北京 0087；2. 中国地震局地震预测研究所北京 00036；† 通信作者E-mail：sgwang@cea-ies.ac.cn



应用迭代叠加法分离震源谱的理论探讨

李嘉琪1王曙光2，†宁杰远1
1. 北京大学地球与空间科学学院北京 100871；2. 中国地震局地震预测研究所北京 100036；† 通信作者E-mail：sgwang@cea-ies.ac.cn

推导了通过迭代叠加法计算震源谱的解析表达式。结果表明分离出的震源谱与台站项无关但是包含与事件-台站位置分布非均匀性有关的路径项影响这种影响将关系到拟合震源谱求取应力降的正确性。通过基于实例的数值计算进一步证实了这一理论推断。最后对如何正确地应用迭代叠加法计算应力降进行了讨论给出可行的正确获取地震应力降的研究方案为更准确地利用地震台网资料获取震源信息提供了基础。

震源谱；应力降；地震台阵；衰减；迭代；叠加

北京大学学报（自然科学版） 第52卷 第3期 2016年5月

Acta Scientiarum Naturalium Universitatis PekinensisVol. 52No.3（May 2016）doi：10.13209/j.0479-8023.2016.042

地震台站记录的地震波形包含震源区、传播路径和台站响应信息。从记录的地震波形中分离出地震的震源谱进而定量地分析震源区性质对于判断地震危险性具有十分重要的意义是地震学与地球内部物理学中重要的研究课题。

在震源模型中远场记录的震源谱可以近似地用频谱的低频水平（low frequency level）和拐角频率（corner frequency）表达［1］。由于地震矩可以用破裂尺度和应力降表达［2-3］因此远场记录的震源谱可用于求取应力降。基于一些假设，对单台记录的地震波形可以直接求取应力降［4-7］。随着高质量地震数据的获取以及宽频带地震学的快速发展，人们更多地应用多台站-多事件记录叠加求取区域甚至全球的应力降。

根据地震波的传播和衰减特征Atkinson 等［8］采用分段式模型，从台站记录的位移谱中分离出路径项。Moya 等［9］假设路径项已知采取遗传算法，从位移谱中同时反演出震源参数和台站项。一些研究者利用类似方法求取不同地区的地震应力降［10-12］。近年来Shearer等［13］提出先独立分离出震源谱再引入震源模型求取应力降的分步求解方法。这种方法对所有台站记录的同一地震位移谱进行叠加以得到更准确的震源项；对同一台站记录的所有地震的位移谱进行叠加以得到更准确的台站项；对路径长度基本上相同的位移谱进行叠加，以得到更准确的路径项。通过对多个台站观测的多个事件记录的迭代叠加最终得到稳定的震源项、路径项和台站项。该方法可以独立得到不受台站项、路径项和震源项模型影响的震源谱并且在实际计算中收敛速度快因而广泛应用于地震应力降的研究中［13-16］。

研究人员对 Shearer 等［13］的分离方法的应用条件进行了多种测试［15-18］。对帕克菲尔德地区地震事件的输入/输出一致性检验［15］表明拐角频率在高频区间（大于 20 Hz）存在输入/输出不一致的现象应力降也普遍存在输入/输出不一致的情况。同时台阵中相近台站得到的震源谱曲线也存在一定的差异。因此在进一步的应用中他们根据测试结果选取输入/输出一致性较强的频率区间进行计算［15-16］并对应力降进行平滑处理更多地关注应力降的趋势性变化［17-18］。同时迭代叠加分离的应力降统计分析表明在台站数量较少且分布不均匀的情况下得到的应力降数值偏大［13］。为了确定这种方法的适用条件并更好地在实际工作中应用它，有必要研究该方法的严格适用条件及合理使用方案。

本文通过推导迭代叠加法确定震源谱的解析表达式探讨该方法是否可以应用于更普遍的观测条件。首先通过三台站-三事件的例子展示震源谱迭代分离的具体过程。进一步地得到任意台站-事件条件下震源谱的普遍表达式并讨论其中各项取值对应力降计算的影响。在此基础上对如何正确地基于迭代叠加法计算应力降进行讨论。

1　多台站-多事件震源谱迭代分离方法

台站记录的地震波主要包含震源、传播路径、台站以及噪声等信息。Shearer 研究组［13，19-21］提出一种基于台站迭代叠加求取震源项的方法Yang等［14］将这种方法应用于应变降的研究中。

在频率域对地震波的位移谱取对数台站 j 对事件i记录到的位移谱dij可以表示为

其中ei为震源项tk（ij）为路径项sj为台站项rij是残差项。为了体现路径长度的影响不同长度的路径项用下角标k标识。

为了提高计算精度Shearer等［13］和Yang等［14］假设每个地震与相邻地震震源性质相似从而将所关注的地震与周围地震分为一组。下面的分析类似一组地震与所有台站记录进行分离的情形具体做法主要参照 Yang 等［14］的工作计算过程简单介绍如下。

在对观测位移谱的迭代分离中假设震源项、路径项和残差项的第一步均为零，

假设m个地震事件n个地震台站k个路径离散步长情况下对任意台站 j记录到的所有位移谱dij进行叠加得到第一步的台站项：

第二步的迭代按照相同项叠加求取平均的方法进行。第p步的各项表示为

通过以上步骤得到的震源项为相对值即各事件震源项与所有震源项平均值的差。得到所有震源项的平均值后可以进一步计算各个事件震源项的绝对值。

2　迭代叠加法分离震源谱的解析表达式

参照 Yang 等［14］的计算流程首先针对三台站-三事件的简单情形给出每一步迭代过程的震源项、路径项、台站项和残差项的表达式接着给出震源项的普遍表达式。

以三台站-三事件的情况为例说明。设震源项、路径项和台站项为已知：震源项为E1E2E3；台站项表示为S1S2S3；路径项按震中距大小分为两组震中距较大的分为一组在第一个下角标中标注2加以区分具体形式为 T2（12）T2（13）和 T2（22），其余为一组在第一个下角标标注1加以区分；残差项相应地表示为Rij其中下角标ij（= 123）分别对应于地震和台站。

各个台站的记录按照第 1节的方法表达如第一个和第二个台站记录到的第一个事件可以表示为

按照第 1节介绍的迭代方法第一步迭代的台站项可以表示为

由于假设震源项、路径项和残差项的第一步均为零所以第一步迭代得到的台站项（如第一个台站的台站项s11）不仅包含台站项的本身的真实值S1，还包括所有震源项的平均值、记录的所有路径项的平均值以及所有相关残差项的平均值

迭代得到的第二步震源项为

第二步迭代得到的震源项形式上表现为三项之和：一个事件的震源项与所有震源项平均的偏离值、该事件所涉及的路径项的平均值与所有路径项平均值的偏离值以及这个事件涉及的残差项平均值与所有事件残差项平均值的偏离值。

相应地可以得出迭代得到的第二步路径项。路径项按照震中距分组假设同一震中距区间内路径项相同。

第一组的路径项为

整理后得

第二组的路径项为

相应步长区间内的各个路径项均更新为该区间内路径项的平均值：

路径项包含各种步长的路径内容以及相应的残差项内容。由于前面对台站项和震源项的迭代计算中包含对不同路径长度的路径项取平均，所以这一步迭代得到的路径项与具体的台站和事件分布直接相关。也就是说，不同的震中距分布第二步迭代得到的路径项完全不同。并且，第一组路径项包含第二组路径项的信息（同样第二组路径项也包含第一组路径项的信息）。

第二步的台站项为

由于上一步迭代路径项形式的复杂性，第二步迭代得到的台站项与上一步相比，除明确表达的震源项的平均、相关路径项和残差项的平均以及台站项自身还包括与台站、事件分布有关的路径以及残差的影响。

第二步迭代得到的残差项表示为

第三步的迭代结果为

式（20）～（24）说明第三步迭代得到的震源项与第二步相同，即震源项的迭代在第三步得到收敛，这与Yang等［14］利用实际资料计算的收敛情况一致。

因此，从理论上讲第二步迭代得到的震源项就是迭代叠加法最终分离得到的震源项：

为了表达简洁我们用下角标上加横杠的方式表达对于该下角标的遍历求和并做求取平均的计算。台站和事件确定后，路径长度唯一确定，这种情况下，我们将tk（ij）简单地表示为tij。对于三台站-三事件的简单例子，可以表示为其中gk2和 hj2分别为与台站和事件分布相关的函数，表征其在迭代第二步中对离散步长以 k标识的路径项以及第j个台站项的影响。

通过以上分析可以得到迭代过程中只有函数gk2和 hj2与台站和地震事件的相对位置有关。因此，以上的震源项（式（27））和残差项（式（30））与台站和地震事件的数量以及相对位置无关为任意台站地震事件数量和分布条件下的普遍表达式。考虑到式（21）～（24）实际上也适用于任意台站和事件数量的情况，所以对任意的 m 个地震、n 个台站，迭代叠加法分离的震源谱的普遍表达式为也就是

3 震源谱分离表达式的测试

3.1 震源谱分离的测试算法

为了测试前面得到的震源谱分离的普遍表达式，并探讨其在区域地震研究中的应用，参照 Yang等［14］的计算程序我们编制了数值计算程序，计算过程包括3个部分：正演计算、反演计算和还原计算。程序的正演计算方法是从已发表文献中读取相关的台站项、路径项和震源项模型及参数，作为已知输入合成位移谱。程序的反演计算方法是，按照第 2 节的迭代叠加过程，对正演合成的位移谱进行操作，得到单个事件的震源谱分离结果（实际上得到的反演结果是震源、路径和残差三项偏离值的和（式（32）），而不只是震源项信息）。进一步地，我们对震源谱分离结果进行拟合，还原得到单个事件的震源参数，并与正演计算中输入的参数进行对比，以此测试震源谱分离表达式的正确性。

正演计算中位移谱通过震源项、路径项和台站项的模型参数叠加计算得到。选取正演计算的频率范围为 1～50 Hz路径项离散距离的步长设为100 km。从文献中选取的震源项［13］、路径项［22］和台站项［23］模型及所使用的参数如表1所示。按照式（1）的表述应用表1中的模型和参数计算得到台站项、路径项和震源项并合成得到位移谱。由于一般情况下观测记录的极低频数值和高频数值存在很大误差类似于实际工作的处理方式，因此在得到正演结果后，进一步的拟合计算只利用频率范围为2～40 Hz的数据。

还原计算参照 Shearer等［13］的方法震源谱模型采用的形式［3］其中 u（f ）为震源谱的分离结果Ω0是震源谱的低频水平fc是拐角频率。还原震源项时需要首先得到震源模型参数：低频水平和拐角频率。具体方法是采用震源谱分离结果在低频范围内前5个频率采样点对应的幅度平均值作为相对低频水平值应用理论模型对震源谱分离结果进行拟合得到每个地震事件的拐角频率（通过震源谱分离结果与理论预测结果相减，将只代表包含拐角频率部分 ln［1+（f / fc）n］的震源谱之和表达出来；通过震源谱分离结果与震源谱相加，把震源谱绝对值表达出来；由此判断与理论预测结果的拟合残差通过全局搜索得到拐角频率和相对震源谱）。应用拟合的拐角频率和输入模型中的低频水平值（因为我们更关心与应力降有关的拐角频率能否正确计算所以用输入模型中的真实低频水平值和拟合得到的拐角频率作为震源谱参数计算还原震源谱）计算得到还原的震源谱。将还原的震源谱与输入模型中的震源谱进行对比可以测试台站项和路径项对于震源谱分离的影响。

3.2 震源谱分离结果与台站项无关

我们首先检验不同台站项对分离震源谱的影响。台站项输入模型选用第四纪、第三纪和中生代3种典型沉积地层上方台站的频率响应［23］。台站项的选取参照文献［23］。因为 Bonilla等［23］的台站项数值只在 0.5～24 Hz范围内所以具体的选取方式为：在 0.5～24 Hz范围内完全采用 Bonilla等［23］的台站项数值；在 24～50 Hz范围内采取相同的数值（即0.5～24 Hz范围内的最小值）。假设4个事件，3个台站事件位置（东经和北纬）分别为（125.035.0），（126.033.0）（126.033.5）和（125.034.0）。台站位置分别为（125.036.0）（124.933.1）和（123.9，32.0）。为了突出台站项的影响，输入的震源模型中，事件的矩震级都取 3.0拐角频率分别为 4.4，9.516.3和19.8 Hz。我们进行了4组对比测试，前3组为 3个台站选取相同的台站项，分别为第四纪、第三纪和中生代；第4组为3个台站分别选取3种不同的台站项。正演计算、反演计算和还原计算的结果如图1所示。

测试结果表明震源谱的迭代叠加分离计算与台站项无关。对3个台站项选用3种不同类型台站响应的组合（图1（a））进行正演计算得到位移谱，并进一步得到震源谱分离结果（图1（b）中蓝色曲线）后，与应用解析表达式（式（32））直接计算得到的震源谱分离预测结果（图1（b）中灰色虚线）完全相同充分说明台站项不影响应用迭代叠加法分离震源谱。这一结果的意义在于在应用迭代叠加法分离震源谱的计算过程中，不用考虑台站响应的差异。

还原的震源谱（图 1（b）中红色点线）与输入的震源谱（图 1（b）中黑色实线）存在差异，说明传统的求取震源谱的方法［13-14］会受到其他因素的影响这与根据式（32）得到的推论相同。

3.3 路径项对震源谱分离结果的影响

为了显示路径项的影响我们在下面的计算测试中假定台站位置均匀分布设计事件位置分别为均匀分布、线性分布和个别事件零星分布3种情况。由于台站与事件的互易性这种测试也对应于事件位置分布均匀、台站位置分布非均匀的情况。为了突出不同拐角频率下台站项对震源谱迭代叠加分离计算的影响假设4个地震事件矩震级均为3.0对应震源模型的拐角频率输入值分别为 12.0，13.815.1和16.3Hz。图2显示台站和事件的几何分布、震源谱分离结果与拟合结果的对比以及震源谱输入模型与拟合结果的对比。

对于事件位置均匀、线性和零星分布3种情况（图2（a））得到3组完全不同的震源谱分离结果（图2（b）中蓝色实线）表明路径项对于震源谱分离结果有影响。图 2（c）显示非均匀的事件分布使反演得到的震源谱与输入模型之间产生了一定的偏离。因此台站和事件分布不均匀时迭代叠加法不能给出震源谱的正确结果。相应地拟合的拐角频率与输入模型之间也有差别（表2）。

4　路径项对求取拐角频率和应力降的影响及消除

震源项分离的普遍表达式包含路径项和残差项的影响。当地震事件和台站数量足够多且分布均匀时震源项表达式（式（32））中包含的路径项接近零。这个条件在 Shearer等［13］对南加州的应力降研究以及 Allmann 等［16］对全球的应力降研究中是成立的也就是在这种情况下分离得到的震源项只包括该地震事件震源项与所有地震事件震源项平均值的偏离。下面具体地讨论路径项在不同地震事件和台站分布情况下对求取拐角频率和应力降的可能影响。

参照Shearer等［13］选取的震源模型，拐角频率fc表达为应力降的函数［1］：其中，β是剪切波速度，M0是地震矩，Δσ是应力降，利用得到的拐角频率以及表1和2中给出的计算参数，可以进一步计算应力降。

计算结果表明当台站和事件分布不均匀时，通过拟合迭代叠加法结果得到的应力降与输入的应力降差异明显。需要说明的是拟合迭代叠加法给出的震源谱时与拐角频率相对应的应力降格点搜索步长为2MPa搜索范围为10～60MPa。也就是说如果拟合得到的应力降是10和60MPa意味着拟合不收敛。例如在台站和事件线性分布和零星分布情况下对于模型输入的应力降为 2030，4050 MPa的拟合结果分别为60541016 MPa 和60606010 MPa就属于这种情况。

在针对区域地震的应力降研究中有时难以保证台站和事件均匀分布。地震事件沿断层线性分布或者个别地震事件零星分布的情况是存在的。尤其在应用流动地震台研究余震时地震台数量有限主震断层两端的地震事件分别偏离整个流动台阵。在这种条件下应用迭代叠加法分离震源谱会面临这种台站路径分布不均匀产生的影响路径项对应力降的拟合有很大的影响。这时可以将反演得到的分离震源谱减去路径项进而类似地应用迭代叠加方法计算拐角频率和应力降。

假定路径项先验已知从分离得到的震源谱中按照分离震源项的普遍表达式中对于路径项的表述

表2　输入震源谱和分离震源谱对应的拐角频率和应力降Table 2 Corner frequency and stress drop given by input and separated source spectra

减去路径项的影响。3种台站-事件分布情况下，去除路径项影响后得到相同的路径修正拟合值：223242和52 MPa对应于203040和50 MPa的初始模型输入值拟合得到的应力降误差范围为4%～10%。尽管拟合值数值并不大但存在普遍偏大的情况。这主要是因为求取的低频水平值是震源谱前5个低频采样点对应的幅值的平均值。当地震台站不是宽频带地震台站或者地震事件的拐角频率较小时与输入的数值相比求取的低频水平值偏小拟合的拐角频率将偏大由此导致拟合的应力降偏大。在利用实际数据反演应力降时应在选用仪器、利用资料和采纳方法时予以精选或在结果解释时予以校正。

5　结论和讨论

台站记录的地震位移谱包含代表源区特征的震源项、代表传播路径衰减特征的路径项和代表台站附近区域特征的台站项。本文基于对多台站-多事件位移谱迭代叠加分离求取震源项过程的解析表达式分析得到分离震源项的普遍表达式。最终分离得到的单个事件震源谱为三项偏离值的和：该事件震源项与所有事件震源项平均的偏离值、事件与所有台站间路径项平均值和所有事件同类项平均值的偏离值以及与路径项偏离形式一致的与残差项相关的偏离值。结果表明分离的震源谱与台站项无关但是会受到与多事件-多台站位置分布非均匀性相关的路径项影响。

为了在台站和事件分布不均匀情况下利用快速收敛的迭代叠加法得到震源谱拟合应力降本文提出利用独立得到的路径项减震源谱分离结果可以得到类似台站和事件分布均匀情况下的震源谱分离结果从而进一步计算应力降以满足台站和事件分布不均匀情况下应力降反演的需求。不过，应当尽量选取信噪比较高的台站记录以避免台站和事件分布不均匀情况下残差项的影响。

同时，本文通过表达式分析得出震源项与台站项无关的结果增加了研究地震应力降可用资料的范围如受沉积层影响的流动地震台观测记录，以及不能完全去除不同类型地震仪的仪器响应影响的固定地震台观测记录。

另外，本文的研究结果有助于流动地震台站建设。为避免台站和事件分布不均匀情况下路径项对应用迭代叠加法反演震源谱的不利影响需要在地震活动区周围均匀地布设地震台阵或借助固定地震台网设计流动地震台阵。要求流动地震台站和固定地震台站的分布整体上是均匀的比如环形甚至不完整的环形（环形的内外径设计要兼顾地震的震级）地震台阵也能满足计算要求。这时，由于不同地震的路径项非常接近路径项的影响就自动消除了。不仅如此由于各个台站的噪音水平基本上维持恒定（尽可能兼顾时间段或加一个噪声水平限定）因此形式上完全相同的残差项的影响也会在很大程度上消除。当地震台阵满足以上要求时可以利用快速的迭代叠加法计算应力降。随着中国地震台网的建设中国固定台网已能满足本文提出的要求。如果需要研究更小震级地震的应力降可以布设更密集的临时地震台阵。如果仅从反演地震应力降的角度出发只需要临时地震台阵和固定地震台网构成不完整的环形条带。

致谢 在论文完成过程中与陈棋福研究员、杨文正博士进行了有益的讨论在此表示感谢。

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Theoretical Investigation on Earthquake Source Spectra Isolation by Iteratively Stacking Separation

LI Jiaqi1WANG Shuguang2，†NING Jieyuan1
1. School of Earth and Space SciencesPeking UniversityBeijing 100871；2. Institute of Earthquake ScienceChina Earthquake AdministrationBeijing 100036；† corresponding authorE-mail：sgwang@cea-ies.ac.cn

The correctness of the earthquake source spectra derived from array data with an iteratively stacking method is checked by analyzing the expressions of iterative stacking in each step. The expression of the finally derived source spectra term shows that it has nothing of the station termbut will be affected by the path term dependent on the source-receiver configurationwhich is further confirmed by numerical simulations with iteratively stacking method. Considering stress drop might be wrongly estimated when stations or events are unevenly distributedthe paper provides a strategy to derive the correct stress drop in typical conditions of stationevent configurations. It will be helpful to correctly acquire seismic source information from seismic data.

source spectrum；stress drop；seismic array；attenuation；iteration；stacking

P315

中国地震局地震预测研究所基本科研业务专项（02092438）和中国地震局地震行业专项（201408013）资助

2015-02-03；修回日期：2015-11-10；网络出版日期：2016-05-19