辽宁地区Lg波衰减及场地响应特征*

邵媛媛，郑 勇，王 亮，杨士超，贾丽华，翟丽娜

(1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034；2.中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉430074；3.中国地质大学 地球内部多尺度成像湖北重点实验室，湖北 武汉 430074)

0 引言

地震波衰减参数与区域地质构造及地震活动性密切相关(Sato，Fechler，1998)，是控制地震破坏性大小的关键性因素之一。辽宁地区是中国东部地震活动构造区，境内有东部最大的断裂带郯城—庐江断裂带(雷清清等，2008)，历史上发生过1975年海城7.3级大地震，且中小地震活动频繁。区内第四纪构造盆地十分发育，特别是下辽河—辽东湾渤海沉降区的第三系、第四系厚度可达数千米(万波，钟以章，1997)，沉积层引起的地震波衰减或放大效应对记录到的地震波形有重要的影响(Taoetal，2014)，只有定量了解台站区域的地下介质响应及衰减情况，才能对观测到的地震波形进行校正，得到真实的地下结构及震源信息。

近年来，研究人员对辽宁及周边区域的地震衰减结构开展了一些研究，这些研究多围绕局部地区如海城盖州地区的地震波衰减参数展开，主要采用P波频谱特征(朱传镇等，1977)或尾波成分法(王伟君，刘杰，2004；李宇彤等，2008)，缺少对于其他区域的衰减结构研究。基于一定的散射模型，开展中强地震或地震序列Q值变化的研究对台站场地效应衰减部分不予考虑或者考虑比较简单，导致其衰减结果的可靠性存在较大的不足。从研究方法来看，叠加谱比法(SSR)(Xie，Mitchell，1990)和逆向双台谱比法(Chun，1987)，将场地响应简化或归一化，一定程度上压制场地响应影响来获取地震波衰减参数，且对资料选取严格，大大制约了该方法的适用性；Moya等(2000)提出的遗传算法(Holland，1975)，虽实现了震源谱参数和场地响应的联合反演，应用较广泛，但方法上依赖于震源模型假设的正确性，而震源模型的可靠性又经常依赖于地下结构和场地响应的准确性，两者之间存在着折中问题。针对这些方法存在的困难，在谱比法基础上，朱新运和陈运泰(2007)提出Lg波衰减参数和台站场地响应联合反演的方法，该方法主要利用路径衰减效应与各台站震中距无关的特点，将衰减参数与场地效应分离，资料选取不再局限于两台站的逆向双台连线上，增加了资料的可使用数量，并在中国东部、华北盆地以及浙江地区得到了很好的应用(朱新运，陈运泰，2007；朱新运，2016；Zhu，Chen，2012；Zhu，2014)，结果稳定可靠，显示了其优越性。

随着区域数字地震台网的建立与完善，辽宁地区台站覆盖密度大大提高，获得了丰富的中小地震观测资料，为详细研究辽宁地区的地震衰减结构、确定台站场地响应提供基础。本文基于辽宁及周边区域的国家固定台网资料，利用地震波衰减参数与场地响应联合反演方法研究辽宁地区地震波衰减参数和场地响应，以期为今后精确测定地震震源参数提供可靠的台站场地响应资料，并为该区域的强地面震动及地震危险性研究提供基础信息。

1 资料选取及处理

1.1 资料选取

本文研究区域为辽宁地区(38°～44°N，119°～126°E)，共挑取2008—2017年辽宁数字地震台网32个台站记录到的238次地震，震级范围为ML2.8～5.6，台站的震中距范围为90～500 km。台站布设仪器包括短周期和宽频带地震仪，采样率为100 Hz，场地类型包括地表、井下和山洞，台基类型均为基岩。所选地震震中、台站分布及地震射线地面投影如图1所示。由图可见，Lg波地震射线地面投影分布较为均匀。

1.2 资料处理

一般认为Lg波是在地壳介质中经过多次全反射形成的，在区域性短周期和宽频带地震图上震相清晰，其振幅稳定，持续时间长，能量最大，易于观察，对地壳构造及地壳介质物理参数的变化更为敏感，使用Lg波资料获得场地响应结果更为稳定(刘建华等，1999，2004；朱新运，陈运泰，2007)。对于Lg波段能量，多利用速度窗进行截取(Compilloetal，1985；Murphy，Bennet，1982；Mitraetal，2006；朱新运，陈运泰，2007；朱新运，2016；Zhu，Chen，2012；Zhu，2014；于俊谊，朱新运，2016；秦敏等，2018)。采用不同的速度窗长(2.3～3.6 km/s，2.6～3.1 km/s和3.1～3.6 km/s)截取Lg波段，对衰减参数计算的影响可忽略(Compilloetal，1985)。

图1 本文使用的地震震中和台站分布及lg波地震射线在地面的投影图Fig.1 Distribution of earthquakes，seismic stations， and seismic ray paths of Lg wave used in this study

本文利用Lg波衰减参数和场地响应联合反演方法(朱新运，陈运泰，2007)，对所选的地震波形逐条进行检查，去除有突跳、断记和畸形等问题的波形，最后保留信噪比高的波形记录共2 516条；然后使用固定速度窗方法截取Lg波段，窗长取2.2～3.6 km/s。图2为2013年1月23日灯塔5.1级地震台站记录波形的Lg波截取实例，其中蓝色直线分别为2.2 km/s和3.6 km/s的到时曲线，红色波形为窗内波形。为防止谱泄露，对截取的Lg波段进行补零至2的整数次方倍长度，在两端加2%的cos边瓣后进行FFT、仪器校正和几何衰减校正，并以3个单位频率步长采样进行平滑处理，这样对于每一个Lg信号段可以得到相同频率间隔的波谱，计算Lg波谱(图3)。

图2 使用2.2～3.6km/s速度窗长截取的Lg波段(a)及其相应波谱(b)
Fig.2 The seismic waveforms in the time window within the velocity band of
2.2～3.6 km/s(a) and its Lg spectrum(b)

图3 辽宁地区介质衰减Q(f)与频率f的拟合图Fig.3 Relationship between Q(f) and f in Liaoning region

2 计算结果及分析

2.1 衰减参数

在频率域内，使用UD，EW，NS向三分向数据，对所截取的Lg波形进行几何校正、仪器响应校正并作平滑，再根据分析频率进行采样。在6～7 Hz处，Lg波的衰减参数以及对应频率的出现较大差异(朱新运，2016)，因此本文选取频段范围为1～7Hz，间隔0.2 Hz进行采样，构造矩阵方程并求解得到衰减参数及场地响应参数，对衰减参数进行形式的拟合。图3显示辽宁地区Lg波的Q值与f在1～7 Hz拟合较好，在低频段1～2 Hz略有差异，拟合得到的衰减关系为：

QUD(f)=171.45f0.58

QEW(f)=213.73f0.51

(1)

QNS(f)=223.39f0.48

由表1可见，相比全球其它地区Lg波的衰减关系，辽宁地区Lg波衰减参数呈现以低Q值为主的特征。Benz等(1997)发现加利福利亚南部地区Lg波衰减关系在1～7Hz为Q(f)=187f0.55；Cha’vez和Priestley(1986)得到的美国大盆地Lg波衰减关系在1～5 Hz为Q(f)=235f0.56，在0.3～10 Hz为Q(f)=206f0.68，这2个区域衰减参数范围与本文研究结果基本一致，而这2个区域地震活动水平与辽宁地区的实际地震活动水平也相当。对比华北地区的情况看(Zhu，Chen，2012)，辽宁地区与华北东南盆地—西北山区过渡带的Lg波Q值结果范围一致，但频率依赖指数η相对较小，说明辽宁地区地震波的衰减强弱与华北地区东南盆地—西北山区过渡带相似；虽然在高低频段衰减差异要小一些，但差别不太大。

表1 不同区域Lg波衰减关系的比较Tab.1 Comparison of Lg-Wave attenuation relationship between different regions

2.2 场地响应

表2为辽宁地区32个台站的场地类型，本文联合反演计算获得了这些台站的场地响应特征(图4)。各台站的三分向场地效应幅值变化在研究频段内较平滑，基本在1～8，少数台(JCA，XMN，LHT)在5～7 Hz有抬升；GSH，H58，CHY台幅值在低频1～2 Hz有明显放大；XYN，QYU，GAX，BXI台幅值基本稳定，在不同分向上的差异较大。

本文将3种场地类型的场地响应幅值进行径向和垂向特征分析(图5)，发现不同类型场地的场地响应特征差异明显：

表2 32个台站的场地类型Tab.2 The sites type of 32 stations in this study

(1)井下场地类型中H58台(沉积岩)径向上在1～2 Hz的放大效应突出，幅值范围为7～16，在3～7 Hz幅值要小很多，为3～5；GSH台(灰岩)整体幅值在2～4，低频内幅值抬升不大，只有4～5，相比之下，GSH台在低频场地放大效应小很多，也比山洞、地表场地类型幅值更小；这2个台站在垂向上差异没有径向上那么大，没有突出的低频放大效应；

图4 32个地震台站的场地响应Fig.4 Site response of the 32 seismic stations for estimation

图5 3种场地类型在径向(a)和垂向(b)场地响应特征Fig.5 The amplification of three kinds site type between the radial and vertical directions

(2)山洞场地类型的台站径向上除QYU(混合花岗岩)、CHY(石灰岩)台的幅值最大值达12外，其它台站的场地响应幅值范围为2～7.5。

(3)地表场地类型的台站径向上除BXI，HUR台(均混合花岗岩)的幅值整体放大效应明显，范围为5～14，其它台的场地响应幅值范围为2～8，JZH台(混合花岗岩)的场地响应放大效应最小，范围为2～4，XMN台(灰岩)的幅值在高频4～7 Hz上抬升明显，幅值范围为6～10。

(4)3种场地类型的共同特点是台站的场地响应幅值在径向上比在垂向上整体大一些，幅值范围在径向上为2～12，而在垂向上为1～6。在使用HVSR(Horizontal-to-vertical spectral ratio，水平向与垂直向比值法)获取场地响应的方法中，研究者认为场地响应在垂直向没有放大(Borcherdt，1970；Lachetetal，1996；Parolaietal，2010)，因此，垂向幅值小于径向幅值是可能的。台站场地响应与近地表介质的密度、速度结构有关，32个台站分布于不同构造区，地形地貌上凹陷隆起相间，近地表结构不同，大多数台站场地效应幅值在径向上大于垂向，可以排除浅表介质速度结构差异因素的影响。而辽宁地区台站基本都处于基岩上，所以笔者认为这一特点可能与台基岩石的属性特征有关。从岩性方面看，在同场地类型中未发现不同岩性的台站的场地响应特征有明显的差异，可能场地类型的差异比岩石属性差异对台站场地响应的影响更大。

2.3 结果可靠性分析

理论上，对于给定的频率，通过构造矩阵方程求解未知的Q值和场地响应，几个甚至1个地震记录就可以获得地震波的衰减和场地响应。但在实际研究中，台站和地震分布对结果有较明显的影响，对于地震射线数量太少，覆盖不均匀的情况，其反演的结果可能不能反映研究区域内介质的衰减特性；而对于地震射线覆盖偏少的区域，需要累积更长时间的数据，如果期间区域的地震衰减特性发生变化，那么结果也会存在着明显的不稳定性。因此，有必要对解的可靠性进行测试分析。

为了确定反演结果的稳定性，本文采用统计学方法中的随机删除样本的重构样本空间方法(Eriksonetal，2004)。其思路是：①假定样本总量为n，从n中随机剔除d个样本；②使用n-d个剩余样本构造新矩阵进行m次求解，得到m组解；③计算m组解的平均值和标准偏差值，以UD向的数据为例，随机从观测的191个地震总样本数据中(n=191)随机删除66个地震(d=66)，重新构观测矩阵进行1 800次(m=1 800)求解，最终获得1 800组解，并计算其平均值和标准差值(图6，图7)。从图6可以看出，重构矩阵方程计算获得的衰减参数Q值为173.98，相对误差为1.4%，频率依赖指数η为0.57，的相对误差1.7%，说明反演结果是稳定可靠的。

图6 26个频率对应的Q值拟合图Fig.6 The frequency-dependent Q values at 26 frequencies

图7 d=35%时Q0数据直方图Fig.7 Normal distribution of Q0 value when d=35%

3 讨论和结论

品质因子Q值与地下结构、岩石性质和强度具有极为密切的关系，一般认为低Q值区域地壳断裂发育强，介质破碎，地壳变形强，多有地震活动和水热活动；而高Q值区域则地壳块体稳定，地壳变形弱，地震活动较少，水热活动性弱。因此，地震活动性强的区域Q值低，活动性弱的区域Q值高。本文计算得到辽宁地区Lg波的Q0为173～232，属于低Q值范围，与该区地震活动性特点相一致。研究区内的郯庐大断裂的北段及北延段两侧地势较低、河流发育、地温较高，在古生代和中生代构造活动剧烈，幔源物质上涌甚至出露，地幔顶部仍存在部分熔融，这可能是导致辽宁地区Q值低的原因。与华北地区相比(Zhu，Chen，2012)，辽宁地区Q值比华北地区的西北山区低，比东南盆地高，但与华北地区东南盆地—西北山区过渡带的Q值范围一致，频率依赖指数相对较小。以上不仅说明辽宁地区的构造活动性相对较低，也说明该区地质构造相比华北地区较为平缓，没有太多山区的构造，沉积层的覆盖度和深度也相对较低。吴明大(1991)计算渤海周围地区烈度衰减关系显示，与华北地区相比，烈度衰减在M7和M8是基本一致，而在M5～6时稍低0.1～0.3度，渤海周围地区地震烈度衰减比华北地区慢，这一认识与本文研究一致。本文得到的辽宁地区衰减结构与区域的浅层地壳结构密切相关，表明采用的射线路径在全区覆盖均匀，本文资料选取和反演结果是可靠的。

本文获取的场地响应结果表明，32个台站场地响应与频率之间表现出不规则依赖关系，大多数台站的场地效应幅值平坦，幅值在8以下，少部分在10以上，最大不超过16。井下场地类型的GSH，H58台在1～2 Hz低频段放大效应突出，而部分台站如JCA，XMM台在5～7 Hz高频段放大效应明显，XYN， LYA，QYU，BXI等台在整个频段内表现比较稳定。同时，研究发现不同场地类型的场地响应特征差异明显：山洞类型较地表类型的场地放大效应小；同一场地类型中台站基岩属性差异对台站场地响应的影响不明显；各场地类型中的场地放大效应在径向上比垂向上大的多，可能与台站基岩的属性特征有关。

由于辽宁地区地质构造复杂，喜马拉雅运动形成辽宁境内东西部大型隆起和中部凹陷的格局，地质结构的差异对Lg衰减也会产生影响。篇幅所限，本文未对其进行定量的分析，未来可以通过分区进行进一步研究。

感谢浙江省地震局朱新运研究员提供的反演计算软件及对本文研究提出的宝贵意见。