江苏及邻区地震波非弹性衰减Q值、场地响应和震源参数研究

康清清 缪发军 张金川 霍祝青 杨驰 李正楷

江苏省地震局，南京市玄武区卫岗3号 210014

0 引言

随着宽频带数字地震台网的广泛建立，从波形中提取中小地震的震源参数（如地震矩、应力降、震源破裂半径等）逐渐成为测震台网产出的基本内容，其对地震预测和地震危险性研究都具有重要意义。若要准确计算地震的震源参数则要扣除传播路径和观测场地对信号的影响，以往的研究中人们发现选取参考台站时，某些基岩台也不能完全避免地表的放大作用，引起一定的偏差。因此求取研究区域的非弹性衰减系数和每个台站的场地响应，可以准确扣除传播路径和观测场地对信号的影响，得到相对准确的震源参数。

“十五”项目完成后，江苏台网共有数字地震台站41个（包括27个地面台和14个井下台），苏南、苏北地区台站稍密，苏中及沿海地区因松散沉积覆盖层较厚，以井下台站为主，台站也相对稀疏。此外，为了提高对网缘地震的监控能力，还通过SDH行业网从中国地震台网中心回传了河南、山东、安徽、浙江、上海5个省（市）32个台站的实时波形数据。目前，江苏省测震台网中心接收实时波形数据的台站总数达到73个。

本文利用江苏及邻区73个数字地震台站记录到的49次地震的S波资料，采用Atkinson等的多台联合反演方法得到了研究区域（115°～123°E，29°～37°N）内的地壳平均非弹性衰减系数和几何扩散系数，在此基础上利用Moya法计算得到了63个台站的场地响应。并根据Brune模型测定了2010～2015年江苏台网记录到的ML2.5以上地震的震源参数，并进行了讨论。

1 资料选取

为满足地震和台站的均匀分布、地震波形信噪比大于2倍、1次地震必须有3个以上台站记录、每个台站至少有3次以上地震记录及震级上限为MS5.0的条件，经过筛选最终挑出2001年1月至2015年4月江苏台网记录到的江苏及邻区49次ML2.7以上的地震、63个台站参与反演计算地震非弹性衰减和场地响应（图1）。从图1可以看出，被选中的地震基本覆盖了江苏及邻区及其边缘海域，所得Q值更能代表全省及邻近地区的平均非弹性衰减系数。

图1 江苏数字地震台网接收的63个台站和本研究使用的49次地震的分布及721条地震记录的传播路径

2 研究方法和结果

2.1 品质因子Q值

从观测位移谱中扣除仪器响应、噪声和自由表面效应后，任一地震在某一台站观测到的地面运动的剪切波傅里叶谱SH分量可以表示为（Hartzell，1992）

式中，Aij（f）为第i个地震第j个台站观测到的S波傅里叶谱振幅；Aio（f）为第i个地震的震源谱振幅；G（Rij）为几何扩散函数；Q（f）为S波的品质因子；Rij为震源距；vs为S波速度；Sj（f）为第j个台站的场地响应。非弹性系数c（f）与介质品质因子Q的关系为

将式（2）代入（1），两边取对数得到

其中，G（Rij）采用3段几何衰减模型

式中，R为震源距；R1和R2分别为3段几何扩散中第1段和第2段转折点到震源的距离，我们取R1＝1.5D；R2＝2.5D；D为研究区的地壳厚度，江苏及邻区地壳平均厚度为33km。式中幂指数 b1、b2和 b3的值分别为 1，0，1／2。

采用Atkinson等（1992）提出的方法计算非弹性衰减系数c（f）值，即假定不同台站记录的同一地震的震源谱相同，通过调整c（f）值，使得据同一地震得到的震源谱振幅的残差最小。其残差定义为

利用遗传算法，通过求解总残差极小的方式得到非弹性衰减系数和几何扩散函数中的各系数。详细的计算步骤参见相关文献（刘杰等，2003；黄玉龙等，2003）。

用上述方法得到江苏及邻区的非弹性衰减系数Q值。由图2可见，在1～20Hz，Q和 f有很好的线性关系，于是采用该频段的结果，拟合得到Q（f）与频率的关系式为

图2 江苏及邻区Q值与频率的关系

图3（a） 反演得到的江苏省内25个地面基岩类型台站的场地响应

2.2 震源谱参数和场地响应

本文采用Moya等（2000）的方法反演场地响应，该方法假定台站的场地响应与地震无关，首先对每次地震选择震源谱参数（Brune，1970、1971），每个震源谱参数用于计算已记录地震的台站的场地响应，利用遗传算法通过寻找不同的震源谱参数，使不同时间得到的台站场地响应的标准偏差最小，最终求得场地响应。具体实现步骤为：首先对第i次地震在第个j台站观测到的S波傅里叶振幅谱进行几何扩散和非弹性衰减的校正，几何扩散部分仍然采用3段线性回归；然后对每次地震选择震源谱参数（零频幅值Ω0和拐角频率fc），即可得到每次地震的理论震源谱

图3（b） 反演得到的江苏省内14个井下地震计的场地响应

这样在第k个频率上，第i次地震对第j个台站的场地响应为

在第k个频率上，第j个台站由不同地震得到场地响应的标准偏差和平均值，其残差定义为

利用遗传算法，调整所有地震的震源谱参数，使下式极小，得到震源谱参数和各台站的场地响应

利用上述计算方法共得到江苏及邻区63个台站的场地响应，如图3所示，其中图3（a）展示了25个地面基岩类型台站的场地响应，图3（b）展示了14个井下地震计的场地响应，图3（c）展示了24个共享外省台站的场地响应。结果显示：江苏境内多数基岩台基类型的地面台的场地响应放大倍数都在1附近，即无明显放大效应；例外的是苏北泗洪地面台，台基为安山岩，低频部分放大3～4倍，高频部分衰减至0.1倍。苏中地区由于覆盖层较厚，布设均为井下地震计，其场地响应曲线形态基本一致：多数台站低频部分放大2～5倍，高频部分衰减至0.1～0.8倍，这可能是由于松散沉积的台基场地的影响造成的。其中苏中地区涟水井下地震计台基类型为石英岩，场地响应曲线平坦，高频部分衰减不明显；图3（c）结果显

图3（c） 反演得到的江苏台网24个共享外省台站的场地响应

示，各台站场地响应曲线均较为平坦，但场地响应值并不集中在1附近，而分布在0.3～4.0范围内。

2.3 震源参数

根据Brune（1970）的结果，地震矩M0、应力降Δσ和震源半径r的关系为

其中，ρ为介质密度；vS为S波速度；Rθφ为辐射花样系数；Ω0为零频幅值；fc为拐角频率。通过11～13（式）计算了2010年10月至2015年5月ML≥2.5的149次地震，共得到58次地震的震源谱参数和震源参数（表1）。

对地震矩、震源尺度、拐角频率、应力降与近震震级ML的关系依次进行分析，结果如图 4（a）、（b）、（c）、（d）所示。图中 r2越接近 1说明其与近震震级的关系越密切，从图中可以看出，地震矩与近震震级ML的拟合关系最为理想，r2达到0.9254；震源尺度随着震级的增大有一定的增大趋势，相关性为 0.5623；拐角频率随震级增大有减小的趋势，相关性为0.5623；应力降与震级之间的相关性较差，相关性仅为0.247。

图4 震源参数与近震震级的关系

3 结论

本文Q值结果与刘红桂等（2004）研究苏南地区Q（f）≈441.0·f0.37结果相比较低。一般认为在构造活动相对稳定地区Q值高，构造活动强烈地区Q值低（Singh et al，1983；李白基等，2004）。本文研究区域包含整个江苏地区，苏北及沿海地区发育有大型裂陷盆地——苏北-南黄海盆地及多条断裂，苏皖交界地区包含了郯庐断裂带南段。郯庐断裂带南段是中国大陆东部的一条深大断裂带，现代地震活动虽并不十分激烈，但该区地质构造情况非常复杂（顾勤平等，2016），中国东部最大的地震即1668年7月25日山东郯城8级地震，就发生在这一断裂带上。故与前人研究结果相比，本文研究区域构造活动比苏南地区强烈，因此Q值偏低。计算得到江苏地区介质的品质因子为与沈小七等（2005）研究安徽地区Q（f）＝235.3·f0.616结果相当，说明江苏及邻区的平均Q值与安徽地区相一致。

表1 地震的震源谱和震源参数反演结果

续表1

续表1

从反演得到的江苏及邻区63个数字地震台站的场地响应结果看，苏中及沿海地区松散沉积层除了LAS台场地响应稳定且接近1外，其余11个井下地震计的场地响应具有低频放大，高频迅速衰减的特征；江苏境内多数地面地震计的场地响应放大倍数都接近于1；将邻省台站场地响应与安徽、山东台网测算的地震台站的场地响应进行对比发现，场地响应曲线形态基本一致，但个别台站放大因子有所差别，推测与参考场地的不同有关。

从计算ML2.5以上的58个地震震源参数结果来看，地震矩与近震震级的拟合关系最好；震源尺度随震级的增大有一定的增大趋势，拐角频率随震级的增大有减小趋势；应力降与震级的关系不明显。

致谢：研究中使用的软件来自中国地震局地震预测研究所，文中图件利用GMT和Matlab生成。赵翠萍、刘杰、华卫、王勤彩等诸位研究员给予了悉心的指导和帮助，在此一并表示衷心的感谢。