云南地区非弹性衰减系数及场地响应研究

李丹宁 马志斌 续外芬 高 洋 马红虎 徐 彦

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148号，650224 2 云南省有色地质局，昆明市东风巷29号，650051 3 玉溪市防震减灾局，玉溪市红龙路1号，653100 4 云南大学资源与环境学院，昆明市翠湖北路2号，650091



云南地区非弹性衰减系数及场地响应研究

李丹宁1马志斌2续外芬3高 洋1马红虎1徐 彦4

1 云南省地震局，昆明市北辰大道148号，650224 2 云南省有色地质局，昆明市东风巷29号，650051 3 玉溪市防震减灾局，玉溪市红龙路1号，653100 4 云南大学资源与环境学院，昆明市翠湖北路2号，650091

利用2011～2015年云南区域地震台网的数字波形资料，选取互相衔接的3段几何衰减模型，运用基于遗传算法的Atkinson方法反演云南地区的介质品质因子Q(f)，得到云南地区Q值与频率的关系为Q(f)=193.8f0.528。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计算得到46个台站的场地响应。结果显示，岩石台基对地震波信号在不同频段的放大作用并不相同，云南地区场地响应总体存在明显的低频放大、高频衰减现象，在卓越频段1～4 Hz场地放大倍数大多在1～10倍，而在高频段(10 Hz以上)场地的衰减大多在0.05～1倍。

非弹性衰减；Q值；场地响应

介质品质因子Q值是度量介质衰减的基本物理参数之一，反映了介质的非均匀性和非弹性。Q值越大，地震波损失的能量就越小，介质越接近完全弹性；反之，则介质为非完全弹性。1992年，Atkinson等[1]提出区域范围射线传播路径上几何衰减随震中距变化的3段几何衰减模型，并采用多台多地震联合迭代反演；苏有锦等[2]采用Atkinson方法和遗传算法，运用云南台网的22个子台，研究云南地区S波的非弹性衰减Q值，并讨论Q值的分区特征；周龙泉等[3]根据云南地区1999～2007年35个数字地震台站记录的近震波形资料，采用遗传算法对S波位移谱的高频衰减进行拟合，反演得到云南地区的地壳Q值分布。

目前测量场地响应的方法主要有3种：地面运动反演法(Moya方法)、水平与垂直向之比法(HVSR法)和参考台站法。Moya方法是一个依赖于震源模型但独立于参考场地的估计场地响应的方法[4];其他两种方法则分别假设垂直向不放大或参考台站的场地响应为1，得到的结果是一种相对场地响应，受参考对象的影响较大[5]。在云南地区，叶建庆[6]使用滇西实验场区资料，采用振幅谱频率比方法，研究区域衰减效应和局部场地响应；刘丽芳等[7]采用1999～2003年地震波形记录，运用Moya方法得到云南地区数字地震台网早期22个台站的场地响应，并进行了相关分析。本文采用Moya方法，针对目前发展较成熟的云南地区区域数字地震台网的47个子台(不含贵阳台GYA和昆明台KMI，另加入2013年新架设的镇源台ZHY)，利用最近几年间的地震波形记录来计算这些台站的场地响应，以保证日常震源参数产出的可靠性。

1 数据资料

通过以下条件对云南地区及周边的地震数据进行筛选：1)以地震和台站的空间分布尽可能均匀为大前提；2)每个事件至少被3个地震台站记录到；3)每个地震台站至少记录到3个事件。由于滇东地区地震较少，为确保得到这一地区台站的场地响应，选择事件时在这些地区有所增加。另外由于川滇交界处，尤其是滇东北台站在计算时能同时符合条件2)和3)的事件不多，为得到较为可靠的结果，在这些区域的事件选择上也有所侧重。除此之外，研究区域整体的射线覆盖较为均匀。最终我们选择了2011～2015年震级在M3.0～5.0的70个地震参与计算。本次研究选取的台站记录除了波形可用外，还有信噪比等条件的限制，保证台站记录在对所选事件进行分析时的可靠性。

2 品质因子Q值

2.1 方法

从观测谱中扣除仪器响应、自由表面效应和噪声后，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谱SH分量为：

(1)

式中，Aij(f)是第j个台站观测到第i个地震的谱振幅，Ai0(f)是第i个地震的震源谱振幅，Rij是震源距，G(Rij)是几何衰减函数，c(f)是非弹性衰减系数，Sj(f)是第j个台站的场地响应。

对式(1)两边取对数，得：

(2)

式中，非弹性系数c(f)与介质品质因子Q之间的关系为：

(3)

S波几何衰减函数G(Rij)采用3段模型[1]：

(4)

式中，R01和R02分别为3段几何衰减中第1段和第3段转折点到震源的距离，b1、b2、b3分别为1、0、0.5。

假定某地区的地壳厚度为已知，未知参量就只有非弹性系数和各台站的场地响应。本文通过迭代反演过程求得这些参数。

假设不同台站得到的同一地震的震源谱是相同的，残差定义为：

(5)

(6)

利用遗传算法，以sum为目标，通过反复迭代即可求得非弹性衰减系数和几何衰减函数中的各系数。

2.2 Q值

图1给出70个地震利用上述方法得到的云南Q值与频率的关系。

图1 Q(f)的拟合曲线Fig.1 Fitted Q(f) curves of studied regions

本文结果Q(f)=193.8f0.528与苏有锦等[2]2006年利用云南台网22个台站数据得到的结果Q(f)=238f0.388相比，Q0值接近但较低，η值较高，这与所用台站数增加且所选事件发生的时间段不同有关。本次计算所用的台站数比苏有锦等[2]所用的22个台站增加了1倍多，在选取地震事件分布范围大致相同(覆盖云南全省范围)的条件下，台站分布加密，平均震中距减小，射线路径明显缩短，射线所经路径的深度比较浅，从而导致计算的Q值比苏有锦等的结果要小。因为一般情况下，射线越长，射线经过路径的深度就越深，Q值就会偏大。周龙泉[3]等根据35个数字台站记录的云南地区1999～2007年近震波形资料，得到云南地区地壳平均Q值为400。这是由于该研究假设Q值与频率无关，而这一假设会直接影响Q值的大小；本文的研究结果是用与频率相关的反演得出的，因此两者结果存在较大差异。

3 场地响应

3.1 方法

本研究采用Moya方法计算台站场地响应，其原理是：首先对每个地震选择Brune[8]震源谱参数，每个震源谱参数被用于计算已记录地震的台站场地响应。假定每个台站的场地响应无论哪个地震事件均相同，运用遗传算法通过寻找不同的震源谱参数，使得由不同事件得到的台站场地响应标准偏差最小。在获得震源谱参数后，用经过几何衰减和非弹性衰减校正后的位移谱与震源谱相比较，可得到每个台站的场地响应。

1)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和非弹性衰减校正，并从速度谱转换成位移谱。在计算几何扩散时，采用3段线性回归函数。

①R≤R01时，直达波衰减为：

(7)

②R01

(8)

③R02

(9)

2)设定每个震源的震源谱参数(Ω和fc)，可得到每个地震的理论震源谱：

(10)

3)在第k个频率上，第i个地震对第j个台站的场地响应为：

(11)

4)在第k个频率上，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：

(12)

通过不断迭代搜寻fc和Ω0，使由不同地震得到的上述标准偏差最小。调整震源参数，使下式极小：

(13)

计算所有地震对同一台站的场地响应，利用遗传算法调整地震的震源参数，使场地响应函数的偏差最小，从而得到最稳定的场地响应估计和震源谱参数。

值得注意的是Ω0、fc上下限的确定。在本研究中，Ω0的上限取震源谱中最低台站1～2 Hz频段的平均值，下限取上限的1/5，fc取2～10 Hz，

3.2 结果与讨论

通过计算，除去达不到场地响应计算条件的宣威台，最终计算了云南地区46个台的场地响应结果。云南地区地质结构复杂，不同台站基岩性质差别很大，图2给出包含台基岩性的台站分布，但不包括相同基岩的不同台站风化程度不同、基岩完整性不同等差别。根据不同岩性，将计算得到的46个台站的场地响应结果排列如图3。

图2 云南地区计算了场地响应的46个台站台基岩性分布Fig.2 The station bedrock lithology of the 46 stations in Yunnan area

1)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，理想基岩被认为是对地震波振幅没有影响的[8]。台站场地响应主要与台站附近近地表地层介质阻抗有关[5]，即场地响应与台站所在地区的构造性质有很大关系。总体来看，46个台站记录到的近震事件横波最大振幅的卓越频率f在1～4 Hz之间，而在高频段(约10 Hz以上)场地响应的衰减比较明显。云南地区场地的放大作用是比较明显的，大多在1～10倍之间，不同的基岩风化程度、沉积层类型或厚度，都可能造成基岩台站或沉积层台站场地响应的差异。

2)值得注意的是，在滇西北，台基为片麻岩的贡山台场地响应最为平稳，1～15 Hz频段的放大倍数均在1倍左右；在其附近的中甸台场地响应也相对平缓，除了8 Hz以上高频段有较明显的衰减之外，1～8 Hz频段的放大倍数波动在4倍以内，这可能与滇西北地区区内深大活动断裂发育、邻近青藏高原、地壳厚度较厚、速度较低有关。另外位于滇东南的麻栗坡台，架台时作了挖坑处理，仪器架设在坑下较完整的灰岩上，场地响应也比较平缓，且相比于其余大部分台站(尤其是同样位于滇东南的文山WES、个旧GEJ、金平JIP台)，高频衰减不明显；位于滇东北的盐津台台基为密质砂岩，硬度较高，相比于附近的巧家台和昭通台，其场地响应较为平缓。巧家台由于台站架设在土石混杂的砾岩上，导致场地响应在低频和高频出现较大差异，放大倍数在0.2～11倍；而昭通台虽然台基为玄武岩，但该地岩石节理较为发育，造成场地放大作用较为明显，放大倍数在0.1～8倍。

图3 反演得到的46个台站的场地响应Fig.3 The site response of 46 stations obtained by genetic algorithm

3)通过对比不同基岩类型的台站场地响应(图4)发现，对于硬度最差的砾岩台基，在低频部分，场地放大作用较其他岩性的台基要明显得多，3个台的场地响应均在2 Hz附近达到峰值，高频部分(10 Hz以上)的衰减在0.1～1之间。对于砂岩为台基的情况，除芒市台外，其余14个台基为砂岩的台站在低频部分的场地放大作用在1～10倍，芒市台在1～4 Hz频段放大倍数最高达12倍左右。该台站台基风化程度高，且近几年背景噪声计算结果均显示噪声较高、信噪比差，仅达到Ⅲ类台水平。对于灰岩台基，从全省范围来看，有21个台站的基岩为灰岩，无论是低频段的放大还是高频段的衰减，灰岩较砂岩的结果总体来说都要平缓些。对于台基为变质岩的情况，云南仅有洱源台为变质岩，其场地响应在1～6 Hz频段维持在3～8倍的放大作用，而在6～8 Hz频段有明显衰减。由于只有一个台，其表现不一定具有普遍性。对于同样只有一个贡山台的片麻岩类型，前面已有相关分析。对于硬度较高的花岗岩及玄武岩台基，虽然低频段仍有近10倍的场地放大作用，但高频段的衰减较灰岩、砂岩等硬度差的基岩明显要平缓。

图4 不同基岩类型的台站场地响应Fig.4 The site response summary graph of different bedrock types

4 结 语

本文运用Atkinson方法，基于遗传算法，对云南省46个台站记录到的数字地震观测资料进行研究，得到云南地区的平均Q值为193.8。这一结果与同样是基于Q值与频率相关的苏有锦等[2]2006年的研究结果238相比稍低，这与两次计算所选用的台站及事件发生的时间段不同有关。台站数从22个增加到46个，射线路径明显缩短，射线经过路径的深度比较浅，反映的是较浅部介质的Q值特征。地球浅部介质的非均匀性比深部大，地震波的衰减吸收快且对频率的依赖性也更强，这也能较好地解释了为何本文Q值结果比苏有锦等2006年研究结果要小。

云南地区地质结构复杂，从46个台站的场地响应来看，显示出5个特点：1)台站场地响应的卓越频率f在1～4 Hz；2)云南地区场地的放大作用在低频段(1～6 Hz)比较明显，大多在1～10倍，高频段(10 Hz以上)场地衰减作用明显；3)虽然大部分地区场地在低频段的放大作用较明显，但还是存在一定的区域性，如滇西北地区场地响应就较为平缓；4)对于同一区域，不同的基岩类型和特性(包括风化程度、基岩完整性等)都会影响场地响应的稳定性；5)基岩类型对场地响应也有影响，基岩硬度越小，场地放大和衰减越明显，反之则越平缓。这一系列特征与云南地区地壳介质结构、构造复杂，地震活动深部介质构造区域差异很大[9]的地质构造特征有关。

致谢:中国地震局预测研究所华卫研究员指导了相关计算，并对结果的讨论提供了宝贵建议和意见；研究得到四川省地震局吴微微、云南省地震局蔡绍平、杨晶琼、刘丽芳、付虹老师的支持与帮助，在此一并表示衷心感谢！

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About the first author:LI Danning, engineer, majors in seismology, source rupture of earthquake and site response of station, E-mail: 86740547@qq.com.

Study of Non-Elasticity Attenuation and Site Response in Yunnan

LIDanning1MAZhibin2XUWaifen3GAOYang1MAHonghu1XUYan4

1 Earthquake Administration of Yunnan Province, 148 Beichen Road, Kunming 650224, China 2 Yunnan Nonferrous Geological Bureau, 29 Dongfengxiang, Kunming 650051,China 3 Yuxi Earthquake Disaster Administration, 1 Honglong Road, Yuxi 653100, China 4 College of Resources and Environment, Yunnan University, 2 North-Cuihu Road, Kunming 650091, China

Using digital waveform data recorded by regional seismic networks in Yunnan between 2011 and 2015, attenuation characteristics and site response respectively are calculated. The frequency dependentQ(f) is obtained by the iterative grid-search technique, as described by Atkinson and Mereu, based on trilinear geometrical spreading model. Our results demonstrate that for Yunnan the associated model for regional quality factor for frequencies can be expressed asQ(f)=193.8f0.528. Additionally, we ascertain the source spectra determined by the model of Brune and the site responses of seismic stations derived by Moya’s method using genetic algorithms. The site response results of 46 stations demonstrate that the seismic signal amplification of Station bedrock is not the same in different frequency bands. The site response in Yunnan region shows obvious amplification with low frequency and attenuation with high frequency. Site amplifications are apparent in excellent frequency band (1～4 Hz), mostly between 1 and 10 times, and in the high frequency (10 Hz or more) site attenuation is mostly between 0.05 and 1 times.

non-elasticity attenuation；Qvalue; site response

Young Talents Training Project for the Seismic Network, No.20150426; National Natural Science Foundation of China, No.41564003.

2016-04-25

项目来源：测震台网青年骨干培养专项(20150426)；国家自然科学基金(41564003)。

李丹宁，工程师，主要从事地震学、震源破裂、台站场地响应研究，E-mail:86740547@qq.com 。

10.14075/j.jgg.2016.12.002

1671-5942(2016)012-1041-06

P315

A