祁连山主动源观测台站场地响应分析

姜秀璇,郭 晓,2,范 兵,2,邹 锐,2

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.甘肃兰州地球物理国家野外科学观测研究站,甘肃 兰州 730000)

0 引言

场地响应描述为观测台站附近地下浅层介质对地震动放大(衰减)的作用。在测定地震震源参数时,除了传播路径效应与仪器响应影响,台站的场地响应也是关键影响因素之一。研究台站的场地响应不仅可以提高利用地震波形数据分析震源参数的可信度,同时还可以为单台震级的校正提供依据[1]。监测地壳介质衰减状态及其时空分布特征,特别是地壳介质衰减动态变化的信息,能够揭示中强地震的孕育过程,加深对发震构造环境及其动力学过程的认识,进而为防震减灾提供必要保障,场地响应的获得可稳健估计出高精度的地壳介质衰减变化[2]。目前计算台站场地响应的方法主要有两种:Moya方法和H/V谱比法。Moya方法为基于Brune的ω2震源谱参数来计算绝对场地响应的方法,采用该方法时需要确定低频段水平幅值和拐角频率的准确性;H/V谱比法为地震波水平分量与垂直分量做比值的方法,其根据数据类型又可分为噪声谱比法与地震数据谱比法,该方法操作简单且可信度较高,是最常用的非参考场地法之一[3-4]。尾波所描述的是各个方向的综合地震信息,且默认尾波仅由于衰减和几何扩散而导致的振幅减少,故利用尾波研究场地响应,其结果具有一定的可靠性。

由于H/V谱比法操作简单,且往往能获得较高可信度的结果,故诸多学者都应用H/V谱比法做了大量的研究[5-12];朱荣欢等人通过H/V谱比法对云南区域数字地震台网台站的场地响应进行研究,得到了各台站场地响应在低频段相对平坦、在高频段有一定放大的结论;张红才等人将H/V谱比法与Moya方法得到的场地响应结果进行对比分析发现,两种方法所得结论具有较好的一致性,表明谱比法结果具有一定可信度;张珂等人运用H/V噪声谱比法得到内蒙古西部12个台站的场地响应,根据特征分为平坦类、中频放大类和高频放大类。为获取祁连山主动源野外观测台站场地响应,基于祁连山主动源野外观测系统记录到的天然地震波形资料,本文拟采用H/V谱比法计算祁连山主动源系统的40个短周期观测台站的场地响应,并对场地响应结果和影响因素进行了讨论分析。

1 台站资料及地震记录选取

甘肃祁连山主动源重复探测系统旨在对祁连山地区地壳速度结构进行动态监测,对地震孕育过程实时监测,且提高了该区域微震监测能力,对研究断层深部活动有重要作用。甘肃祁连山主动源于2015年7月9日正式建成并投入运行,至今已经运行了近六年,期间积累了大量的天然地震资料和主动源资料,这为获得该区域主动源观测台站场地响应提供了数据支持。甘肃祁连山主动源观测台网主要由40个短周期观测台站组成,均采用REFTEK-130数据采集器和CMG-40T短周期地震计(频带范围为2 s～50 Hz),采样率为100点/秒。观测台站自西至东覆盖从酒泉到金昌距离约 400 km 的祁连山中段区域,主要沿断裂带分布,主要构造包括祁连山北缘断裂带、昌马—俄博断裂带、榆木山断裂带以及龙首山南缘断裂带[13]。表1给出了祁连山主动源观测台网中40个观测台站的基本参数,包括编号、高程、经纬度、台基岩性及地震计的型号。

表1 祁连山主动源观测台网中40个观测台站的基本参数Table 1 Basic parameters of 40 stations in the active-source seismic network of Qilian Mountains

观测台站台基岩性分为基岩和非基岩,非基岩台基主要有黄土、砂土、黏土和碎石土台基。当台站台基岩性为基岩时,仅需人工将基岩表面磨平再放置地震计;当台站台基岩性为非基岩时,采取深挖2 m的观测坑,坑内浇筑摆墩架设地震计。2015年7月至2020年12月,主动源观测台网共记录到区域ML≥2.5以上地震1 039次,经过地震分布的考察,初步挑选出地震85次共3 480条记录,然后经过信噪比、震中距的筛选并同时要求满足每个台站选取至少6个地震事件记录的条件,最后筛选出57次地震共298次记录用于分析。

2 原理及方法

2.1 原理

H/V谱比法,简称为单台谱比法,为最常用的非参考场地方法之一,此法是基于“垂直分量不放大”这一假设推导得到的。该方法基本原理为:设VS和VB分别为地表处与基底处垂直向地震波振幅谱,HS和HB分别为地表处和基底处水平向地震波振幅谱,则表层经验函数可表示为:

(1)

Nakamura谱比率为:

(2)

实验已证实基底处地震波的水平分量与垂直分量大致相等;且经实际观测记录证实,地表土层对垂直分量的放大作用远小于其对水平分量的放大作用[4],因此可以得到:

HB≈VB≈VS

(3)

在此基础上,经验函数可简化为Nakamura谱比率,即

(4)

各台站场地响应可表示为各台站水平向地震波振幅谱与垂直向地震波振幅谱之比。

2.2 处理流程

(1)数据预处理。为减小误差,首先对波形资料进行去线性、去均值、带通滤波(Butter滤波器,带宽0.5～22 Hz)。其次,为避免计算时间过长,简化数据处理过程,将主动源野外观测台网中各观测台站采样率由100点/s重采样到50点/s。由于各个地震事件的震中距不同,截尾波的持续时间也不同,据实际观测得来的经验和前人研究结果[14],一般尾波开始时间选在2倍S走时处,尾波窗口至少采用15 s,以此获得较为稳定的尾波衰减。本文使用的尾波窗长为20～30 s。图1为ZDY05台站记录的2019年8月22日青海3.2级地震的三分量原始波形记录及尾波窗的选取。最后,为减少傅里叶变换导致的频率渗漏,需要对截选尾波窗进行波形灭尖,在该段波形的起始与末尾加5%的余弦边窗。

(由上到下分别为Z,N,E分量,两条虚线标出尾波窗的截取范围)图1 ZDY05台站记录到的2019年8月22日青海3.2级地震的三分量原始波形Fig.1 Three-component original waveform of the Qinghai MS3.2 earthquake on August 22,2019 recorded by ZDY05 station

(2)计算振幅谱。对预处理得到的地震尾波波形资料进行短时傅里叶变换。采用平移窗谱法,对所截取的尾波窗内的波形分为若干个含有256个采样点的小段,并使相邻小段有50%的重叠,并在每段波形的起始与末尾加5%的余弦边窗,旨在获得相同频率间隔的振幅谱。对于重采样后的波形数据,每一小段的时间长度为5.1 s,可得到频率间隔为0.196 Hz的傅里叶谱。最后通过公式(5)得到整个尾波窗内信号的振幅谱

(5)

(6)

(3)H/V谱比计算。根据得到的水平向位移振幅谱H(f)和垂直向位移振幅谱V(f),可以计算得出每个台站接收到的每条地震记录的场地响应,每个台站至少选取6条地震记录计算,最后计算选取的地震记录的场地响应的平均值,得到每个台站的场地响应S(f)。

3 结果与讨论

3.1 甘肃祁连山主动源观测台网观测台站场地响应分类

参照上述数据处理及计算过程,对每个台站至少选取6条地震记录,取平均值后得到的H/V谱比值为每个台站的场地响应值,最后得到祁连山主动源观测台网中40个观测台站的场地响应(图2～4)。依据各台站在分析频段内(1～20 Hz)的场地响应曲线形态,祁连山主动源观测台网中40个观测台站大致分为3类:平坦类、放大类、高频衰减类。

(黑色虚线为该台站每条记录的场地响应值;红色实线为该台站平均场地响应值)图2 甘肃祁连山主动源观测台网16个平坦类观测台站的场地响应Fig.2 Site response of 16 flat stations in the active-source seismic network of Qilian Mountains,Gansu Province

(1)平坦类。ZDY01、ZDY02、ZDY03、ZDY04、ZDY07、ZDY08、ZDY13、ZDY14、ZDY16、ZDY21、ZDY26、ZDY27、ZDY35、ZDY40共14个非基岩台站和ZDY31、ZDY39共2个基岩台站场地响应曲线特征整体呈平坦型,该类台站约占甘肃祁连山主动源观测台站总数的40%,在1～20 Hz频域内放大程度较小,放大值约为1～2倍。

(2)放大类。ZDY05、ZDY06、ZDY09、ZDY11、ZDY12、ZDY18、ZDY19、ZDY20、ZDY24、ZDY25、ZDY28、ZDY33、ZDY36、ZDY37、ZDY38共15个非基岩台站和ZDY22台站、ZDY34台站(基岩台站)场地响应曲线特征属于放大类,该类台站较多,约占总台站数的43%。此类台站场地响应曲线在频域1～20 Hz范围内均有明显放大效应,且部分台站个别频段放大效应尤为明显,其中ZDY24台站场地响应值在3 Hz左右达到9倍。

(黑色虚线为该台站每条记录的场地响应值;红色实线为该台站平均场地响应值)图3 甘肃祁连山主动源观测台网17个放大类观测台站的场地响应Fig.3 Site response of 17 amplification stations in the active-source seismic network of Qilian Mountains,Gansu Province

(黑色虚线为该台站每条记录的场地响应值;红色实线为该台站平均场地响应值)图4 甘肃祁连山主动源观测台网7个高频衰减类观测台站的场地响应Fig.4 Site response of 7 high-frequency attenuation stations in the active-source seismic network of Qilian Mountains，Gansu Province

(3)高频衰减类。ZDY10、ZDY15、ZDY17、ZDY23、ZDY29、ZDY30、ZDY32共7个非基岩台站的场地响应曲线呈现高频衰减的特征。其中ZDY23、ZDY29、ZDY32台站场地响应曲线低频部分较平稳,场地响应值在2倍左右,随着频率的增加,场地响应值也随之减小,直至衰减结束,最小衰减可达0.4倍。ZDY10、ZDY15、ZDY17、ZDY30台站场地响应曲线呈低频明显放大高频衰减的特征,此类场地响应曲线起伏较大,在低频呈明显场地放大效应,在高频呈场地衰减效应,低频场地响应值最大可达6倍,高频部分场地响应值最小可达0.3倍。

3.2 讨论

祁连山主动源观测台网40个观测台站大致可分为3类:平坦类、放大类、高频衰减类。影响台站场地响应特征的因素比较复杂,主要因素有台站台基岩性状况、和台站所处地区空间地质状况等。

(1)场地响应与台基岩性的关系

16个平坦类台站中,台基岩性为基岩的有2个,砂土的有5个,黄土、碎石土和黏土的各有3个;17个放大类台站中,台基岩性为基岩的有2个,黄土的有5个,碎石土和砂土的各有4个,黏土台站有2个;7个高频衰减类台站中台基岩性为碎石土的有3个,黄土的有2个,砂土的有1个,黏土的有1个。在基岩台站中,2个为平坦类台站,2个为放大类台站。在4种非基岩台站中,10个砂土台站中有5个平坦类台站;6个黏土台站中3个为平坦类台站;黄土台站和碎石土台站各有10个,其中各有3个为平坦类台站。以上数据表明:破碎基岩台站的场地响应也存在明显放大效应;在36个非基岩台站中砂土台站的场地响应曲线较为良好,黏土台站的场地响应次之,碎石土台站和黄土台站的场地响应大多具有明显放大(衰减)效应。

(2)场地响应与空间地质构造背景的关系

本文研究的40个观测台站中有16个台站位于高原,13个台站位于山区,11个台站位于山区高原交界处。16个平坦类台站中有8个台站位于高原,4个台站位于山区高原交界处,4个台站位于山区;17个放大类台站中有5个台站位于高原,4个台站位于山区高原交界处,8个台站位于山区;7个高频衰减类台站中有3个台站位于高原,2个台站位于山区高原交界处,2个台站位于山区。位于高原的台站有约50%属于平坦类台站,位于山区高原交界处的台站有36.3%属于平坦类台站,而位于山区的台站有30%属于平坦类台站。由此可以得出:位于高原的台站的场地响应曲线一般比位于山区及山区与高原交界处的台站的场地响应曲线较平坦些。

表2 场地响应特征与台基岩性的关系Table 2 Relationship between site response characteristics and lithology of platform foundation

表3 场地响应特征与空间地质构造背景的关系Table 3 Relationship between site response characteristics and geological structure background

(3)场地响应与介质密度的关系

一般来说,地震波的振幅与介质阻抗ρc的平方根成反比(介质阻抗等于密度与波速的乘积),低速低密度的介质对地震波振幅有放大作用。松散的场地,因介质阻抗较小,其对地震动有较大的放大作用;而坚硬的台基场地则反之[15-16]。已有研究表明,台站台基的风化程度可影响H/V谱比法获得的场地放大效应的幅值,风化程度越高,场地放大效应的幅值越高,在中高频段的形态就越弯曲;且H/V谱比值可以反映台站场地的地形效应[17]。甘肃省地形地貌复杂,大部分地区地表稀疏、破碎,同时伴有不同程度的风化。甘肃省祁连山主动源野外观测台网中40个观测台站的场地响应均存在不同程度的放大(衰减),根据对台站实地考察,大部分台站台基介质密度较小,有破碎松散等情况,这在一定程度上反映了该地区的场地响应值与台基介质密度具有反相关性。

4 结论

本文根据祁连山主动源观测台网中40个观测台站接收到的天然地震波形资料,采用尾波H/V谱比法计算研究了各台站场地响应,获得的结论如下:

(1)H/V谱比法本质上是一种参考场地法,该方法的推导过程建立在“垂直分量无放大”这一假设之上,而事实上垂直分量具有一定的场地放大效应[18]。基于H/V谱比法得到的场地效应比实际台站场地对地震波的放大作用要小[19],因此H/V谱比法得到的场地响应结果只能作为绝对场地响应的一种近似值。

(2)祁连山主动源观测台站均具有不同程度的场地放大(衰减)效应。祁连山主动源观测台网40个观测台站可根据场地响应特征分为平坦类、放大类、高频衰减类。根据场地响应结果可以看出,部分台站在观测频段内呈现平坦特征,场地响应值基本在1～2倍;而多数台站明显具有放大(衰减),场地响应值在0.3～9范围内。

(3)台站场地响应主要受台站台基岩性状况、台站所处地区空间地质背景和台站台基处介质密度等多种因素的综合影响。台站台基岩性可能是决定场地响应曲线特征和大小的主要因素,场地响应与台基介质密度具有反相关性。位于高原且台基介质密度较大的基岩台站,理论上其场地放大(衰减)作用最小。场地响应值的大小可以反映观测台站的质量好坏,观测台站质量与台站接收主动源激发信号的能力成正比,高质量的观测台站可以减少获取较高信噪比的主动源激发信号的叠加次数,也可在同等叠加次数下获取更远的传播距离[21]。为减少观测台站对主动源激发信号的影响(祁连山主频介于2～8 Hz)[20],主动源观测系统台站应尽可能选择基岩或介质密度较大的砂土作为台基,同时使用叠加技术压制噪声,提高信噪比。本文研究结果可供后续待建或改建的主动源观测台站台基堪选提供参考。