四川攀西地区介质衰减特征研究

卢　婷

1　四川省地震局, 成都市人民南路三段29号，610041



四川攀西地区介质衰减特征研究

卢婷1

1四川省地震局, 成都市人民南路三段29号，610041

利用四川区域地震台网的数字波形资料以及中国地震台网中心的有关震相数据，选取互相衔接的3段地震波的几何衰减模型，利用基于遗传算法的Atkinson和Mereu方法，反演得到四川攀枝花-西昌地区的介质品质因子Q(f)，并采用Brune的ω平方模型约束震源位移谱，使用Moya方法联合多台多地震数据求得该地区各地震台站的场地响应。结果显示，2008-05～2013-12期间攀西地区介质衰减模型为Q(f)=94.4f0.665 9，2014-01～2015-06期间该地区介质衰减模型为Q(f)=83.9f0.719 6，两个时间段的反演结果十分接近，且均呈现出低Q0和较高衰减系数γ的特点，即该地区地震波衰减明显偏高，同时Q对频率f的依赖较大；场地响应方面，岩石台基对地震波信号在不同频率点的放大作用不同，其中MGU、PGE和SMK地震台场地增益较大，YYU、YYC地震台场地放大倍数在1～2之间平稳变化，LGH地震台场地响应随频率增大而快速衰减。结合上述计算结果推测，攀西地区构造活跃、上地壳结构极不均匀、地震波能量衰减强烈是造成该区域Q0低异常的主要原因。

非弹性衰减；Q值；场地响应；几何衰减函数

地震孕育过程中，应力积累造成介质性质的变化，在地震记录上反映为波形特征的差异。受地震波传播过程中仪器放大、介质几何扩散、非弹性衰减以及台站场地响应等因素的影响，从地震波形资料中获得真实的震源信息并不容易。其中，介质几何扩散和非弹性衰减是造成地震波振幅随震中距衰减的主要原因。前者与介质结构和传播路径有关，是地震波传播时由于波阵面的扩大从而引起的单位面积波阵面上波动能量的减小；后者是地球介质造成地震波能量的衰减，包括地壳介质非均匀性引起的散射和介质的非弹性吸收，这种衰减作用通常用介质品质因子Q来表述。

四川南部攀枝花-西昌地区(下文简称“攀西地区”)地处青藏高原东南缘、云贵高原、四川盆地和横断山系之间的过渡位置[1]，区域内近南北向的安宁河断裂带、北北西向的则木河断裂带以及近南北向的大凉山断裂带，共同组成川滇地块的东边界[2]，是中强地震频发的地区。基于此，我们收集整理了四川数字地震台网的波形资料和中国地震台网中心的有关震相数据，选取互相衔接的3段地震波的几何衰减模型，利用基于遗传算法的Atkinson和Mereu方法[3]，分别反演了2008-05～2013-12(“汶川地震-芦山地震”期间)及2014-01～2015-06(“汶川地震-芦山地震”后)两个时间段中攀枝花-西昌地区的介质品质因子Q(f)；采用Brune的ω平方模型[4]约束震源位移谱，使用Moya方法[5]，联合多台多地震数据，求得该地区各地震台站的场地响应。

1　方法和数据

1.1方法

频率域中，第i个地震在第j个台站观测到的S波傅里叶谱Aij(f)描述为：

(1)

式中，Ai0(f)为第i个地震的震源谱振幅，Rij为震中距，G(Rij)为几何扩散系数，Q(f)为品质因子，Sj(f)为第j个台站的场地响应，VS为剪切波波速[6-10]。

对式(1)取对数，扣除上述影响，即

(2)

式中，非弹性衰减系数c(f)与介质品质因子Q之间的关系为：

(3)

参照Atkinson和Mereu[3]提出的区域范围射线传播路径上的3段地震波几何衰减模型:

(4)

对应于攀枝花-西昌地区，地壳厚度D≈55 km[11]，几何扩展系数取R1=1.5D=82.5 km，R2=2.5D=137.5 km，b1=1.0，b2=0.0，b3=0.5。

假设不同台站得到的同一地震的震源谱是相同的，那么残差定义为：

(5)

(6)

式中，ni为记录到第i个地震的台站数。

按以下步骤，对每个频点分别进行迭代。

2)由下式求得第j个台站的场地响应(mj是第j个台站记录到的地震)：

(7)

3)代入场地响应结果，重新计算c(f)：

(8)

1.2数据

表1列出了参与计算的8个工作状态正常、噪声较小、波形记录好的地震台站所在构造单元、台基岩性以及使用的地震计型号。为了确保计算精度，要求每个地震至少被3个台站记录,每个台站至少记录到3次地震，震级范围ML2.5～4.5，震源深度≤30 km，信噪比≥1.5 dB。图1是参加计算的地震震中、台站分布及射线路径图(三角形代表参加Q值和场地响应计算的四川区域地震台网宽频带固定台站；圆代表地震，不同圆的颜色随震源深度的增加由绿变褐；DEM地形数据来自全球30 rad的高程数据集GTOPO30)。可以看出，研究区域的整体射线覆盖较为均匀。

表1　台站信息表

图1　Q值分区及射线路径Fig.1　The divisions of Q and the ray distribution of survey area

2　衰减模型Q(f)

通常用Q(f)=Q0fγ的形式来拟合Q与频率f的关系。Q0和γ在不同区域、大震前后表现为大小不同的常数，系数γ反映Q对频率f的依赖程度，当γ=0时，Q与频率f无关。多数研究认为，Q0值与地震活动性、地质构造和地域热流有密切联系。在构造稳定的克拉通地台，介质非均匀性弱，波的散射少，介质品质因子Q0普遍较高，如塔里木盆地、鄂尔多斯高原、华南地台等。反之，在构造活动的强烈剪切变形地带和新生代扩张盆地，如川滇地区和华北断陷盆地等，裂隙密度增大，介质非均匀性大，波的散射强烈，通常Q0值较低。从地震活动性的角度看，地震活动水平较低的地区Q0普遍高，地震活动频繁的区域Q0普遍低。这和Pn波速度分布特征也很相似，在Pn速度高的地区地壳Q0值较高，在Pn速度低的地区Q0值也低[12]。

图2是2008-05～2013-12(“汶川地震-芦山地震”期间)及2014-01～2015-06(“汶川地震-芦山地震”后)两个时间段中，攀枝花-西昌地区平均衰减模型的双对数坐标图，各时间段上logQ与logf均有较好的线性关系，拟合后的衰减模型分别是Q1(f)=94.4f0.665 9及Q2(f)=83.9f0.719 6。

图2　各时间段Q(f)的拟合曲线Fig.2　Fitted Q(f) curves of studied regions

与本文所用联合反演方法相同，黄玉龙等[6]计算的华南地区Q(f)=481.5f0.31，王勤彩等[8]计算的华北中部Q(f)=420f0.388，兰从欣等[13]计算的北京西部山区和东部平原的介质品质因子分别是Q平原(f)=88.5f0.869和Q山区(f)=124.8f0.851，华卫等[9]计算的龙门山断裂带附近平原和山区分别是Q平原(f)=206.7f0.836和Q山区(f)=274.6f0.423，赵翠萍等[14]计算的四川东部和西部地区分别是Q东部(f)=507.4f0.51和Q西部(f)=191.8f0.56，张永久和乔慧珍[15]计算的四川紫坪铺水库Q(f)=47.8f0.91，乔慧珍等[16]计算的四川瀑布沟水库Q(f)=47.1f0.92。对比上述研究结果可以看出，攀西地区具有明显的低Q0和较高衰减系数γ的特点。虽然产生地震波衰减横向变化显著的机制还需进一步探讨，但观测结果均表明，在裂隙发育和介质破碎的构造活动区，其地震波衰减明显偏高[17]。攀西地区构造活跃，上地壳结构极不均匀，P波速度垂向分布呈不连续梯度过渡或常速度层加梯度过渡带[11]，区域介质横向均匀程度比川西高原和四川盆地更低，对地震波能量的吸收更大，在衰减特性上即表现为更小的Q0值和较高的衰减系数γ。

另一方面，从选取的时间段上看，不同阶段攀西地区平均衰减模型的双对数坐标存在细微变化：2008-05～2013-12(“汶川地震-芦山地震”期间)区域Q0值为94.4，2014-01～2015-06(“汶川地震-芦山地震”后)区域Q0减小到83.9，同时系数γ也从0.665 9上升到0.719 6，即“汶川地震-芦山地震”后攀西地区介质非均匀程度更大、地震波在该区域传播时耗损的能量更多。查阅两个时间段的地震目录发现，前一时段攀西地区共发生ML2.5～4.5地震343次，后一时段攀西地区集中发生ML2.5～4.5地震338次，即从地震活动性方面也再一次印证了攀西地区近两年的构造活动较以往更加活跃、地震更为密集。

3　场地响应

与上述衰减作用相反的是，受观测台站场地增益的影响，地震波振幅会增大，通常用场地响应来描述台基附近理想基岩上覆盖的软土层对地震波振幅的影响，理想基岩被认为对地震波振幅是没有影响的[18]。台站场地响应主要与台站附近近地表地层介质阻抗ρc(ρ为介质密度，c为波速)的平方根成反比。覆盖在理想基岩上的松软土层因其密度和波速相对较低，造成介质阻抗较小，而地震波的振幅与阻抗的平方根成反比，当地震波在低密度、低速度的固体介质中传播时，振幅会增大。

目前测量场地响应的方法很多，主要使用的是地面运动反演法、水平与垂直向之比法(HVSR法)以及参考台站法。这3种方法均是建立在一定的假设前提之上，即地面运动反演法假设台站场地响应对所有地震是一样的[19]，通过多台多震联合同时反演地震震源谱和台站场地响应；水平与垂直向之比法最早是Nakamura[20]利用地脉动估算沉积层引起的放大，它假设地面运动的垂直分量谱振幅对场地响应相对不敏感，通过地面运动水平和垂直分量的比值，去除水平分量的衰减和震源影响，得到台站场地响应[21]；参考场地法要求所研究台站附近有一个位于基岩上的参考台站，假设该基岩台站没有场地放大作用[22]，这是定量确定场地响应的最原始方法。研究表明，Moya方法[5,23]是依赖于震源模型的方法，能给出绝对的场地响应值，而其他两种方法的结果是相对场地响应，受参考对象的影响较大。

基于Moya方法[5]，挑选波形记录质量好、地震和台站分布均匀的地震事件参与联合反演，最终得到攀西地区8个地震台站的场地响应(图3)。对比图3可看出，岩石台基对地震波信号在不同频率点的放大作用不同，8个地震台站的场地响应在频率1～20 Hz范围内时，场地响应因子在0.1～10之间变化。场地响应等于1，表明场地对地震波信号没有影响；场地响应小于1，表明场地对地震波信号有衰减作用；场地响应大于1，则对地震波信号有放大作用。在近震记录的卓越频段(1～4 Hz)，MGU、PGE和SMK地震台场地增益较大，YYU、YYC地震台场地放大倍数在1～2之间平稳变化，LGH地震台场地响应随频率增大而快速衰减。在10 Hz以上的高频部分，绝大部分台站场地增益呈明显衰减趋势。

4　结　论

2008-05～2013-12(“汶川地震-芦山地震”期间)及2014-01～2015-06(“汶川地震-芦山地震”后)两个时间段中，攀枝花-西昌地区平均衰减模型分别是Q1(f)=94.4f0.665 9及Q2(f)=83.9f0.719 6，即后一时段攀西地区中小地震更为密集、构造活动较以往更加活跃、区域介质非均匀程度增大、地震波在该区域传播时耗损的能量更多。

图3　反演所得8个台站的场地响应Fig.3　The site response of 8 stations obtained by genetic algorithm

从获得的攀西地区地震台站的场地响应结果来看，虽然各个台站的场地响应均表现为与频率相关，但台站场地地质环境的好坏与其所在区域的平均Q0值似乎不存在联系，记录场地响应随频率变化的曲线形态各有差异，空间分布上没有明显规律，只是从各台站场地响应分析上看，其高频衰减依然较为明显。

[1]姚海涛，赵志中，王书兵，等. 攀西地区晚新生代沉积研究回顾与问题讨论[J]. 地球科学进展，2007, 22(5)：504-514(Yao Haitao，Zhao Zhizhong，Wang Shubing，et al. Review and Prospects for the Late Cenozoic Sediments in Panzhihua-Xichang Area[J]. Advances in Earth Sciences，2007,22(5)：504-514)

[2]闻学泽，易桂喜.川滇地区地震活动统计单元的新划分[J].地震研究, 2003(增刊1):1-9(Wen Xueze, Yi Guixi.Re-Zoning of Statistic Units of Seismicity in Sichuan-Yunnan Region[J]. Journal of Seismological Research, 2003(S1):1-9)

[3]Atkinson G M，Mereu R F. The Shape of Ground Motion Attenuation Curves in South-Eastern Canada[J]. Bulletin of the Seismological Society of America，1992,82(5)：2 014-2 031

[4]Brune J N. Tectonic Stress and the Spectrum of Seismic Shear Waves from Earthquakes[J]. Journal of Geophysical Research，1970,75(26) ：4 997-5 009

[5]Moya C A，Aguirre J，Irikura K. Inversion of Source Parameters and Site Effects from Strong Ground Motion Records Using Genetic Algorithms[J]. Bulletin of the Seismological Society of America，2000,90(4)：977-992

[6]黄玉龙，郑斯华，刘杰,等. 广东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(Huang Yulong，Zheng Sihua，Liu Jie，et al. Attenuation of Ground Motion and Site Response Guangdong Region[J]. Chinese Journal of Geophysics，2003,46(1)：54-61)

[7]刘杰，郑斯华，黄玉龙. 利用遗传算法反演非弹性衰减系数、震源参数和场地响应[J]. 地震学报，2003,25(2)：211-218(Liu Jie，Zheng Sihua，Huang Yulong. The Inversion of Non-Elasticity Coefficient, Source Parameters, Site Response Using Genetic Algorithms[J]. Acta Seismologica Sinica，2003,5(2)：211-218)

[8]王勤彩，高景春，郑斯华,等. 华北中北部地区震源参数和场地响应的联合反演[J].中国地震，2004, 20(2)：187-196(Wang Qincai, Gao Jingchun, Zheng Sihua, et al. The Joint Inversion of Source Parameters and Site Effects in Central and Northern Area of North China[J]. Earthquake Research in China，2004, 20(2)：187-196)

[9]华卫，陈章立，郑斯华. 2008年汶川8.0级地震序列震源参数分段特征的研究[J]. 地球物理学报，2009, 52(2)：365-371(Hua Wei，Chen Zhangli，Zheng Sihua. A Study on Segmentation Characteristics of Aftershock Source Parameters of Wenchuan M8.0 Earthquake in 2008[J]. Chinese Journal of Geophysics，2009, 52(2)：365-371)

[10]唐兰兰，李志海. 新疆天山中东段地区地震波衰减、场地响应及震源参数研究[J]. 地震学报，2011, 33(2)：134-142(Tang Lanlan，Li Zhihai. Ground Motion Attenuation, Site Response and Source Parameters of Earthquakes in Middle and Eastern Range of Tianshan Mountain, Xinjiang of China[J]. Acta Seismologica Sinica，2011,33(2)：134-142)

[11]熊绍柏，滕吉文，尹周勋,等.攀西构造带南部地壳与上地幔结构的爆炸地震研究[J]. 地球物理学报， 1986, 29(3)：235-244(Xiong Shaobai, Teng Jiwen, Yin Zhouxun，et al. Explosion Seismological Study of the Structure of the Crust and Upper Mantle at Southern Part of the Panxi Tectonic Belt[J].Chinese Journal of Geophysics,1986,29(3): 235-244)

[12]汪素云，许忠淮，裴顺平. 华北地区上地幔顶部Pn波速度结构及其构造含义[J].中国科学：地球科学,2003,33(B04):91-98(Wang Suyun, Xu Zhonghuai,Pei Shunping. Velocity Structure of Uppermost Mantle Beneath North China Continent from Pn Tomography[J].Science in China:Earth Science,2003,33(B04):91-98)

[13]兰从欣，刘杰，郑斯华,等. 北京地区中小地震震源参数反演[J].地震学报, 2005,27(5):498-507(Lan Congxin, Liu Jie, Zheng Sihua，et al.Inversion of Source Parameters for Moderate and Small Earthquakes in Beijing Region[J]. Acta Seismologica Sinica, 2005,27 (5): 498-507)

[14]赵翠萍，陈章立，华卫,等.中国大陆主要地震活动区中小地震震源参数研究[J].地球物理学报，2011,54(6)：1 478-1 489(Zhao Cuiping，Chen Zhangli，Hua Wei，et al. Study on Source Parameters of Small to Moderate Earthquakes in the Main Seismic Active Regions，China Mainland[J]. Chinese Journal of Geophysics，2011,54(6)：1 478-1 489)

[15]张永久，乔慧珍. 紫坪铺水库库区震源波谱参数研究[J].西北地震学报,2011,33(2):117-122(Zhang Yongjiu，Qiao Huizhen.Study on Seismic Source Parameters in Zipingpu Reservoir Area[J]. Northwestern Seismological Journal,2011,33(2):117-122)

[16]乔慧珍，张永久.瀑布沟水库库区介质衰减、台站响应和震源参数研究[J].地震工程学报, 2014,36(3):608-615(Qiao Huizhen，Zhang Yongjiu. Study of Attention Characteristics, Site Response and Seismic Source Parameters of the Pubugou Reservior Region[J].China Earthquake Engineering Journal,2014,36(3):608-615)

[17]马宏生，汪素云，裴顺平,等. 川滇及周边地区地壳横波衰减的成像研究[J]. 地球物理学报，2007,50(2)：465-471(Ma Hongsheng，Wang Suyun，Pei Shunping，et al.Q0Tomography of S Wave Attenuation in Sichuan-Yunnan and Adjacent Regions[J]. Chinese Journal Geophysics，2007,50(2)：465-471)

[18]Shearer P M. Introduction to Seismology[M]. New York：Cambridge University Press,1999

[19]Jin A，Moya C A，Ando M. Simultaneous Determination of Site Response and Source Parameters of Small Earthquakes along the Atotsugawa Fault Zone[J]. Bull Seism Soc Amer，2000,90(6)：1 430-1 445

[20]Nakamura Y. A Method for Dynamic Characteristics Estimation of Subsurface Using Microtremor on the Ground Surface[R]. Railway Technical Research Institute,1989

[21]Onder C K,Sinan I N. A Comparative Study on the Actual and Estimated Seismic Response of Kiralkizi Dam in Turkey[J].Journal of Earthquake Engineering,2005(9):445-460

[22]Borcherdt R D. Effects of Local Geology on Ground Motion near San Francisco Bay[J].Bull Seism Soc Amer,1970,60:29-61

[23]华卫，陈章立，郑斯华.利用不同方法估算流动台站的场地响应[J]. 地震， 2010,30(3)：30-44(Hua Wei，Chen Zhangli，Zheng Sihua. Estimation of Site Responses for Temporary Stations Using Various Methods[J]. Earthquake，2010,30(3)：30-44)

About the author:LU Ting, engineer, majors in earthquake precursor and earthquake prevention and disaster reduction,E-mail:21013362@qq.com.

Study of Attenuation Characteristics and Site Response in the Panzhihua-Xichang Area

LUTing1

1Earthquake Administration of Sichuan Province，29 3th Segment of South-Renmin Road, Chengdu 610041，China

Using digital waveform data recorded by region seismic networks along with relevant seismic phase data collected by the China seismograph network, we calculate the attenuation characteristics and site response for the Panzhihua-Xichang area. The frequency dependentQ(f) is obtained by the iterative grid-search technique described by Atkinson and Mereu, based on a trilinear geometrical spreading model. The source spectra is determined by the model of Brune and the site responses of seismic stations derived by Moya’s method, which uses genetic algorithms. Our results demonstrate that the associated model for the regional quality factor for frequencies can be expressed asQ(f)=94.4f0.665 9(from May, 2008 to December, 2013)andQ(f)=83.9f0.719 6(from January, 2014 to June, 2015)for the Panzhihua-Xichang area. Site response results indicate that different stations show different amplifications. Site amplifications in the Panzhihua-Xichang area are between 1.13 and 6.93 times. For tectonically stable cratonic regions, theQ0is usually high; in contrast, for tectonically active regions, such as the Panzhihua-Xichang area, theQ0is generally low. Broken media caused by strong tectonic activity or upper-mantle heterogeneity and velocity structure may be the main reasons of lowQ0values in this area.

non-elasticity attenuation；Qvalue; site response；geometrical spreading function

Science and Technology Project of Earthquake Administration of Sichuan Province,No.LY1501.

2015-10-12

卢婷，工程师，主要从事地震前兆、防震减灾等研究,E-mail：21013362@qq.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.014

1671-5942(2016)010-0907-05

P315

A

项目来源：四川省地震局科技专项(LY1501)。