广东测震台站的场地响应以及对震级确定的影响分析

2020-03-02叶秀薇张严心

华南地震 2020年4期

熊成 ,叶秀薇 ,张严心

(1.广东省地震局,广州 510070;2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室,广州 510070;3.广东省地震局广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室,广州 510070)

0 引言

场地响应是指场地上覆盖层对地震波振幅的影响,很多震害调查表明地震波在传播到地表的沉积层时,振幅一般会有增大现象,松软沉积层的振幅放大倍数远大于基岩场地[1]。测震台站的场地响应影响到台网数据的产出,台网测定的震级结果也会受到影响。因此,研究台站场地响应进行研究不仅能服务于地震预测和地震危险性研究,而且可以提高台网产出数据的准确性。

场地响应的计算方法主要有传统谱比法和线性反演法等参考场地法[2-3],以及Moya法和H/V谱比法等非参考场地方法[4-5]。参考场地法对参考场地的要求比较严格,实际工作中往往很难找到合适的理想场地,而非参考场地法则可避免这一难题。但是非参考场地法中被广泛采用的Moya法则需要丰富的地震事件,若地震事件的数目不足,就会导致射线覆盖稀疏,从而不能得到准确的场地响应。

广东地区历史上曾经多次发生6级以上地震,造成了较为严重的经济损失和人员伤亡。历史地震记录和现代地震记录数据都表明广东地区存在一定的地震威胁[6-9],因此对广东地区的场地响应分析是十分必要的。黄玉龙等[10]曾利用44个地震的249条记录得到了广东地区14个台站的场地响应,结果显示这些台站均没有明显的放大效应。随着地震观测网络的加密,广东台网的数字测震台站已经增加到了72个（图1）。然而,目前对于这些台站的场地响应研究却比较缺乏。而且广东地区地震活动分布不均[6],部分区域射线覆盖密度较小,因此用Moya法很难全面地反映广东地区场地响应的真实情况。而近年来比较流行的H/V噪声谱比法既避开了参考场地的选择困难,又不依赖于丰富的地震事件,操作简便且结果可信[11],近年来得到了广泛的应用和发展[12-17]。本文基于H/V谱比法,利用广东测震台网记录的背景噪声数据,得到了各台站的场地响应新结果。

1 方法

场地放大效应的经验转换函数的谱比法[3]为：

式中HS(f)和HB(f)分别为沉积场地和基岩观测记录的水平分量频谱。Nakamura[5]利用深井微震实验发现,在基岩处地震动的水平分量HB(f)和垂直分量频谱VB(f)基本相等,且基岩处的垂直分量频谱VB(f)和沉积场地的垂直分量频谱VS(f)也大致相当,即HB(f)≈VB(f)≈VS(f),因此将Se简化为：

场地观测的地脉动水平分量HS(t)和垂直分量VS(t)由环境噪声源（S）、传播路径（P）、场地效应（T）、仪器响应（I）等信息组成。因此,信号的水平分量HS(t)和垂直分量VS(t)可以表示为

方程式（2）和（3）可转换为频域,并表达为:

（5）式和（6）式相除可得

因此,通过频率域中的水平分量和垂直分量(H/V)频谱比,可以有效的剔除不同噪声源、传播路径和仪器响应的影响,获得反映场地频率特性的信息[15,18,19]。

图1 广东地区测震台站及本文所用地震分布图Fig.1 Distribution of seismic stations in Guangdong and earthquakes used in this paper

2 噪声数据与处理

本文挑选广东台网72个测震台站（图1）的地脉动波形数据进行分析。为了得到更准确的H/V谱比曲线,使用长短时窗平均振幅比算法（STA/LTA）来剔除瞬时信号,长时窗取30 s,短时窗取1.0 s,STA/LTA比最小值设为0.2,最大值设为2.5。预处理后的数据以100 s窗长进行分段处理,分别计算垂直向和水平向傅立叶谱(由东西向和南北向信号谱均方根得到),并采用Konno-Ohmachi平滑算法(取平滑系数为40)计算该时窗的H/V谱比[20];最后对得到的所有时窗H/V谱比加以平均,得到每个观测点的H/V谱比曲线。

为了了解观测数据的时长对H/V谱比曲线的影响,我们对不同时间长度的数据进行分析。以SHG台为例,先测试时间长度为2 h的数据,然后以2 h的增量依次递增到时间长度为24 h,共计算得到12组数据的H/V谱比曲线（图2a）。结果显示,12组曲线形态几乎完全一致,即2～24 h的数据得到的H/V谱比结果几乎没有差别。因此为了减少工作量,本文对各台站均截取2 h的数据进行计算。

为了进一步了解一天中不同时段的数据对H/V谱比曲线的影响,我们将一天的数据（00:00～24:00）以2 h为间隔分为12组,计算得到每一组的H/V谱比曲线（图2b）。结果显示,12组曲线的形态十分相似,只有0.2 Hz以下的低频段有部分差异,这种差异很可能是由人类活动噪声产生的。因此为了减少人类活动的影响,我们选取各台站凌晨时间（02:00～04:00）数据进行计算。

图2 观测数据时长和时段的参数对比Fig.2 Parameter comparison of time length and time period of observation data

图3 无明显放大的台站场地响应Fig.3 Site response of stations without obvious amplification

3 场地响应与分析

3.1 场地响应计算结果

运用上述分析方法和数据,得到了广东测震台网72个台站在0.1～20.0 Hz内的场地响应。根据各台站的H/V谱比曲线形态,可将广东台网的台站分为4类。

（1）无明显场地放大作用的台站（图3）。担杆岛台（DGD）、潮州台（CHZ）等32个台站属于这种类型。此类台站在0.1～20 Hz内的场地响应曲线平缓,无明显波峰,放大倍数在1附近。说明这些台站没有明显的放大效应,观测环境较好。

（2）局部频段有较明显场地放大作用的台站（图4）。澄海台（CHH）、电白台（DNB）等32个台站属于这种类型。此类台站在大部分频率范围无明显放大现象,仅在部分频段出现高值。不同台站的放大频率点不同,以超过5Hz的高频居多,放大频率点对应的场地放大倍数也不同,但基本小于3。说明这些台站在部分频段具备一定的放大效应。

（3）有轻微场地缩小作用的台站（图5a）。和平台（HEP）、揭阳台（JIX）等4个台站属于这种类型。此类台站在0.1～20 Hz内大部分频段的谱比值都略小于1。说明这些台站在表现出一定的缩小效应,需要后续进一步研究出现这种现象的原因。

图4 有较明显放大的台站场地响应Fig.4 Site response of stations with more obvious amplification

（4）场地响应曲线起伏大的台站（图5b）。遂溪台（SXI）、徐闻台（XWN）和阳西台（YGX）这3个台站的场地响应曲线具有1个或多个明显的波峰,波峰处放大效应较大。唐家台（TNJ）的场地响应比较异常,大部分频段的场地响应都明显小于1。这些台站的场地响应曲线起伏变化剧烈大,对观测质量产生影响,需要关注并改善。

图5 有轻微缩小的台站场地响应（a）和场地响应曲线起伏大的台站（b）Fig.5 Site response of stations with slightly reduce (a) and stations with larger fluctuation of H/V spectrum radio curve.

3.2 基岩对结果的影响

通过对这些台站的基岩分析发现,硬度较大的花岗岩和灰岩台站场地放大作用较小,场地响应曲线变化平缓,仅少量花岗岩台站的场地响应在部分频段偏大,可能与其基底被风化有关;砂岩台站的场地响应差异较大,部分台站场地响应在1附近,而部分台站的峰值接近10,这与不同砂岩的致密程度有关;玄武岩台站全部分布在雷州半岛,场地响应曲线起伏剧烈,多数表现出明显的放大现象,这应该是玄武岩基底结晶程度较差、发育气孔构造造引起的;其他岩性基底的台站由于样本较少不能总结出明显的规律。总体上来看,台基岩石越坚硬、结构越致密,场地响应越接近于1(图6)。

图6 各类型基岩的台站场地响应Fig.6 Site response of stations on various types of bedrock.

3.3 与前人结果对比

黄玉龙等[10]曾挑选1999—2001年期间44次ML≥2.5地震的249条记录,对广东地区14个台站的场地响应进行了研究。为了比较前人的场地响应结果与本文结果的差异,我们对其中11个台站进行了对比（图7）。

可以发现,除了当年地震计标定参数可能出问题的台山台（TIS）以外[10],大部分台站的场地响应结果都十分接近。一方面是由于各台站的台基情况普遍较好,场地响应均在1附近;另一方面也说明两种不同的方法对场地响应的计算都是比较可靠的。

另外也可以发现,两种方法所得结果在韶关台（SHG）和信宜台（XNY）部分频段中有少许差异,我们认为这是由于黄玉龙等[10]所选用的地震事件对这两个台站的射线覆盖不足,从而导致场地响应结果出现误差,而本文所用的H/V谱比法不受地震事件的限制。

图7 本文结果与黄玉龙等[10]得到的场地响应结果对比Fig.7 Comparison of results between this paper and Huang.et al[10].

4 场地响应对ML 震级的校正

4.1 震级计算方法

很多学者发现如果在测量震级时消除场地响应的影响[16-17],可以有效提升震级计算结果的精确度。测定单台地方性震级的计算公式[21]为,

式中,A为以μm为单位的两水平向地动位移最大振幅的算术平均值,;R1(Δ)为量规函数。地震事件的最终震级是由所有记录台站单台震级的算术平均值确定。

设定地震事件总数为P,每个地震事件所记录到的子台数量为N,由式(8)求得第i个地震事件中第j个子台测定的单台震级MLij,由式(9)求得第i个地震事件的台网平均震级MLj

然后,由式(10) 求第i个地震事件中第j个子台的单台震级与台网平均震级的偏差ΔMLij,

最后,由以下公式可得到第j个子台记录到的所有地震事件单台震级的平均偏差ΔMLj。

4.2 数据与处理

为了分析广东测震台站的震级偏差与其场地响应之间的关系,我们选取了2011年1月至2019年10月广东台网记录到的地震进行分析。为保证数据的质量和分析结果的可靠性,本文按以下条件对数据进行挑选：(1)地震震级ML≥2;(2)每个地震至少有5个台站的记录数据;(3)去除记录地震次数少于100次的台站;(4)去除场地响应曲线起伏非常大的台站。按上述原则我们重新计算台网平均震级,最终得到地震事件852个,单台震级记录16 790条,参与计算的台站48个。参与计算的台站参数及单台平均震级残差见表1。

对比这48个台站的场地响应结果（图3～图5）和震级残差结果（表1）,发现大部分台站的场地响应结果与震级偏差具有较好的关系,即场地响应放大的台站,震级偏大;场地响应缩小的台站,震级偏小;场地响应无放大缩小的台站几乎无震级偏差。以LIZ、HEP和HEJ为例,这3个台站场地响应分别表现出无放大缩小、缩小和放大作用,它们的震级偏差分别为-0.05、-0.23和0.37。

但是另外有HYJ、MEZ、NPD、TIX、XFJ、YGD、YGJ等7个台站,它们的震级残差却与场地响应结果不相符,例如HYJ台站,场地响应值在1左右,理论上不会出现大的震级偏差,但它的震级残差却为-0.21。这是因为造成震级偏差的因素很多,除了场地响应外,还有量规函数、方位角等[22]。陈贵美等曾对广东台网的震级偏差进行了研究[23],发现量规函数对震级计算有较大影响,并给出了震中距与震级差的关系（图8a）,大体规律是：震中距0～100 km,震级平均偏差为负;震中距100～300 km,震级平均偏差在0附近;震中距超过300 km,震级平均偏差为正。本文统计了HYJ等7个台站所使用地震样本的震中距（图8b～图8h）,发现它们震级偏差很可能是量规函数的误差造成的,震级偏差为负的台站,震中距小于100 km的地震数比例较高;反之,震级偏差为正的台站,震中距大于300 km的地震数比例较高。对于量规函数导致的震级偏差,本文暂不深入讨论。

图8 量规函数对震级的影响Fig.8 The influence of the calibration function on the magnitude

4.3 场地响应对震级的影响

为了分析场地响应对震级的影响,我们挑选了场地响应明显或者平均震级偏差较大的22个台站进行场地响应校正（表1）,受量规函数影响比较大的台站不进行校正。根据式（8）重新计算22个校正台去除其场地响应后得到的单台震级,式中,A为去除场地响应后两水平向地动位移最大振幅的算术平均值,,AEW、ANS分别为EW向和NS向S波的最大振幅;SEW、SNS分别为EW向和NS向S波振幅的放大倍数,该放大倍数根据实际量取地震波周期对应频率的场地响应获取。

图9 HEJ台站和HEP台站的场地响应和单台震级残差统计Fig.9 Statistics of site response and single magnitude residuals of HEP Station and HEJ Station

校正完成后,再根据公式（9）、（10）和（11）重新计算得到852个地震新的平均震级和48个台站新的平均震级残差（表1）。由于新的震级残差是由新的平均震级计算而来,因此即使未进行校正台站的震级残差也会发生轻微变化。

从表1中校正效果（负值代表残差减小,正值代表残差增加）来看,残差减少的居多,这在一定程度上能减小整个台网测震的震级残差,说明对台站进行场地响应校正是有意义的。校正后大部分台站的震级残差变化不大,多数在0.10以内,这是因为广东台网台站的台基情况普遍较好,绝大多数台站无放大效应或者仅局部频段有一定放大效应（图3～图5）,因此对他们进行场地响应校正的作用有限。同时可以看出,部分台站的震级偏差有明显改善,如HEJ、HEP、LTK、SHD等台站的平均震级残差减小了0.10～0.25。以HEP和HEJ台站为例（图9）,这2个台站的场地响应明显偏离1,校正前的平均震级残差分别为-0.23和0.37,震级残差直方图的整体分布明显偏离0,校正后这两个台的平均震级残差分别为-0.07和0.13,残差分别减少了0.16和0.24,震级残差直方图的整体分布更靠近0。说明对于场地响应明显的台站,场地响应的校正可以有效提高其震级准确性。

综上说明,应用场地响应分析结果能够减小在一定程度上减小整个台网测震的震级残差,可以非常显著地改善部分台站的单台震级残差。