辽宁地区Lg波衰减与场地响应的分区特征*

邵媛媛，王 岩，郑 勇，杨士超，钱 蕊，贾丽华

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

0 引言

地震波衰减研究是地震学研究的重要课题。地震波衰减参数反映了区域地质构造及地震活动性(Aki，1996；Sato，Fehler，1998；陈运泰等，2000)。它是对地震波路径衰减的描述，仅与距离有关。场地响应反映了近地表地层介质对地震地面运动能量的放大或吸收效应，其大小与近地表地层介质的密度和地震波速度有关，与地震波的传播距离无关。基于这一原理，朱新运和陈运泰(2007)提出基于Lg波谱比与台站场地响应的联合反演方法，避免了震源模型的假设(Moya，2000)，并且考虑了台站场地响应与频率的依赖关系，实现了衰减参数与场地响应分离，在中国东部、浙江、华北等地区有较好地应用(Zhu，Chen，2012；Zhu，2014；朱新运，2016)。邵媛媛等(2020)采用该方法计算了辽宁地区全区的Lg波衰减参数和频率依赖指数，结果显示辽宁地区整体上为低和低频率依赖的构造活跃区，场地响应特征与浅层结构及地质构造有密切联系。

在大地构造分区上，辽宁地区属于华北断块区北部，喜马拉雅运动形成了辽宁境内东西部大型隆起和中部拗陷的格局(雷清清等，2008)，且区域地质构造复杂。按区域地层、岩石、构造及地球物理特点，辽宁地区可分为3个基本构造单元，即辽东断块隆起带、下辽河—辽东湾断块拗陷带和辽西断块隆起带(卢造勋，1983；万波，钟以章，1997；曹凤娟等，2021)。在以断块差异升降为主要运动形式的新构造运动中，各区域在沉积层发育厚度不一，在下辽河拗陷区的沉降区第三系、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者放大效应对记录到的地震波形具有重要影响(Tao，2014)。为进一步研究区域地质结构的差异性对Lg波衰减的影响，本文将辽宁地区分为3个构造单元进行分区联合反演，计算得到Lg波衰减参数与场地响应，从而为辽宁地区现今的地震活动危险性及区域地壳构造特征研究等提供准确的基础信息。

1 资料的选取与处理

1.1 资料的选取

本文研究区域为辽宁及邻区(以下简称辽宁地区)(38.5°～44°N，119°～126°E)，收集2008—2017年辽宁数字地震台网32个地震台记录到的308次浅源地震，震级2.8～5.6，震源深度5～15 km，台站震中距90～500 km。各台站布设仪器包括宽频带和短周期地震仪，采样率为100 Hz，台站场地类型包括地表、井下和山洞，台基均为基岩。本文依据辽宁地区的3个构造单元的分区(万波，钟以章，1997；曹凤娟等，2021)，分别联合反演各分区的Lg波衰减参数及台站场地响应。图1为辽宁地区的分区图。

图1 辽宁地区构造分区(据万波，钟以章，1997)及Lg波反演分区射线路径示意图

1.2 资料处理

Lg波普遍被认为是短周期高阶面波(Knopoff，1973；Mitchell，1975)或地壳内多次反射叠加的浅层导波(Campillo，1985)，其传播速度约为3.5 km/s。在大陆范围内，一般在区域性短周期和宽频带地震图上，Lg波震相清晰、能量最大且稳定、持续时间长，对地壳介质物理参数的变化更为敏感(刘建华等，1999，2004)。在分区筛选地震射线的过程中，对所选的地震波形逐条筛查，删除存在畸形、断记、漏记等问题的波形，尽量保证地震射线路径能均匀覆盖研究区域。

Lg波能量的选取通常选用一定速度窗长进行截取，Murphy和Bennett(1982)以及Campillo 等(1985)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以忽略。由于辽宁地区地震活动分部比较不均匀，地震活动与构造的相关性比较明显并受震中距方位的限制，最终获得辽西隆起区参与反演的地震记录339条、下辽河拗陷地区157条、辽东隆起区1 777条(图1)，3个分区选择的Lg波速度窗略有差异(表1)。为防止谱泄露，对截取的Lg波段进行补零为2的整数倍长度，在两端加上2%的余弦旁瓣，通过傅立叶变换、仪器矫正和几何衰减矫正，并以3个单位频率步长采样进行平滑处理，计算Lg波谱。图2是截取的辽西隆起区内2013年7月7日3.4地震的Lg波和波谱计算实例。

图2 辽西隆起区内使用2.2～3.6 km/s速度窗长截取的ML3.4地震的Lg波(a)及相应波谱(b)

2 计算结果及分析

2.1 构造分区的Lg波衰减参数和η

本文在频率域1～7 Hz内，以0.2 Hz间隔进行采样来构造矩阵方程求解Lg波衰减参数与台站场地响应，并对衰减参数进行()=形式的拟合，其中为频率，是频率依赖指数，是()在1 Hz时的值。分别对辽西隆起区、下辽河拗陷区和辽东隆起区3个构造分区进行联合反演，最终获取3个构造分区的Lg波衰减参数与频率关系(表1)。图3为联合反演获得的辽西隆起区介质衰减参数()与频率的拟合图。

图3 辽西隆起区介质衰减参数Q(f)与频率f的拟合图

综合3个构造分区的Lg波衰减参数与频率的关系(图4)，可以发现辽宁地区3个构造分区Lg波的值都为低值，频率依赖指数的差异不大；下辽河拗陷区的均值(107.65)低于辽西隆起区均值(174.41)和辽东隆起区均值(177.01)，且下辽河拗陷区的三分量值要低于辽宁全区反演的结果171.45～223.39(邵媛媛等，2020)。

图4 辽东隆起区、辽西隆起地区和下辽河拗陷区的Lg波衰减参数Q(f) 与频率的关系

Nuttli(1973)研究得出与一般呈反向变化的规律，即高低，低高，但和的关系在某些地区并不符合，如北美和西伯利亚地区。丛连理等(2002)对中国大陆及邻近地区Lg尾波值分析发现，我国及周边大部分地区值与呈现反向变化关系；从本文的反演结果(表1)看，辽宁地区3个构造分区的与也符合这一规律。

表1 辽宁地区分区Lg波衰减参数Q0(f=1 Hz)和η

2.2 场地响应

本文联合反演的同时还获得了各构造分区内的台站的场地响应(图5)。各台站场地响应幅值曲线在研究频段内比较平滑稳定，幅值大部分为1～8，下辽河拗陷区的场地响应幅值(1～8)相对辽西隆起区场地响应幅值(1～5)和辽东隆起区台站的场地响应幅值(1～6)略大。三分量的幅值差异也相对大一些，如后新秋台、沈阳台、盖县台、法库台、新民台，其NS向和EW向的场地响应幅值略大于UD分量，且低频段的放大效应大于高频段。对比邵媛媛(2020)获得的台站场地响应结果可以看出，大部分台站场地响应的三分量幅值和曲线变化趋势大致相同。但某些台站有明显的差异，如岫岩台EW分量的场地响应幅值的两次反演结果相差3～4，这可能与两次反演中参考台选取的不同有关。在辽宁全区反演研究中，锦州台在大多数频率下响应幅值都很小，所以大多数频率下，这个台站都是作为参考台，而在本研究中，锦州台与岫岩台参与不同台站组别的反演，台站组发生了变化，所以相对结果也出现一定的变化。从位于构造分区边界附近台站(盖县台、后新秋台、沈阳台、北镇台)场地响应幅值看，由于参与了下辽河拗陷区和辽东隆起区不同台站组的联合反演，所获的场地响应的幅值形态特征也出现了一定变化。

图5 辽西隆起区(a)、下辽河拗陷区(b)、辽东隆起区(c)内参与评估台站的场地响应特征

3 结果稳定性分析

为了检验样本量与解的稳定性，本文沿用了Erickson等(2004)所使用的样本重构的方法对解的稳定性进行了检验，该方法在多个研究中被使用(Zhu，2014；朱新运，2016；邵媛媛等，2020)。以辽西隆起区为例，从60个地震总样本中，随机删除12个地震，重新构建观测矩阵进行1 500次求解，最终获得1 500组解，并计算其平均值和标准差值(图6)。从图6可以看出，重构矩阵方程计算获得的NS分量的衰减参数值为177.24，相对误差为0.54%，频率依赖指数为0.68，的相对误差为1.4%，反演结果是稳定可靠的。

图6 辽西地区删除20%地震样本后31个频率对应的Q值拟合图(a)和Q0数据直方图(b)

4 讨论

值反映了地壳中形状、厚度变化、非均匀散射与介质衰减。在构造活动强烈的区域，发育的裂隙、破碎的介质、巨厚的沉积层和上涌的地幔物质均会造成值的明显降低(胡家富等，2003；苏伟等，2006；汪素云等，2007；罗毅，盖增喜，2019；何静等，2017)。本文反演计算获得辽宁地区3个构造分区的Lg波衰减参数具有明显的构造分区差异：下辽河拗陷地区值比辽西隆起区和辽东隆起区低，说明下辽河拗陷地区的介质衰减性更强。在地质结构和地貌上，华北新构造地区表现为NE向的山系与谷地相间排列的格局，区内不均衡升降运动现象显著，辽东、辽西隆起区山地上升而下辽河、辽东湾地区下降(万波，钟以章，1997)。下辽河拗陷地区是一个新生代沉降区，盆地发育，区内地壳较薄，全新世时期的沉积分布比较均匀，第四系覆盖度和深度较厚，达100～450 m(雷清清等，2008)，介质疏松，对地震波能量的吸收更大，符合该区地震波衰减程度强于辽东、辽西隆起区这一特征。与朱新运(2016)得出的华北地区值在山地为高值、盆地为低值的结论一致。此外，下辽河拗陷地区的的最大值接近另外两区的最小值，说明3个构造分区的地壳介质衰减的连续性较好。辽东隆起区属于胶辽地盾，地貌上为中低山、丘陵区，从晚古生代时期以来长期缓慢抬升，呈基岩断块隆起区，山地构造多。而辽西隆起区多为丘陵，这也符合辽东隆起区的值略高于辽西隆起区的特征。综合以上分析，各构造分区的衰减特征与区域的地貌、浅层地壳结构是密切相关的。

对比本文分区反演的台站场地响应与辽宁全区反演的场地响应(邵媛媛等，2020)，可以看到有些台站场地响应幅值发生了一定变化，这和参与反演的台站组发生变化有关。尽管计算时通过自动查找各频率响应最低的台站作为该频率的参考台，但当台站组出现变化时，相对结果也会出现一定变化，如果数据足够充分，每组有尽可能多的台站参与计算，那么相对结果就会更稳定。另外，从各分区台站场地响应幅值对比分析可发现，对于衰减性强的下辽河拗陷区，台站场地响应的幅值整体幅值(1～8)较辽西、辽东隆起区(1～6)大，且低频段的放大效应大于高频段，部分台站有小幅波动，如后新秋台和新民台；三分量的差异特征也更为明显，如法库台、盖县台、沈阳台、后新秋台，这可能与下辽河拗陷区厚的沉积层及土层覆盖的影响有关，说明场地响应幅值的分区构造差异与地质构造特征密切相关。一般在值低的地区，地震更活跃。从地震活动性看，下辽河拗陷区及其与辽东隆起交界区为盖州海城小震活动密集区，震群频繁，而辽西隆起区的地震与震群活动都相对较少的。本文对辽宁构造分区地震波衰减结构差异的认识和台站场地响应结果对区域地震危险性研判有一定的指导意义。

5 结论

本文基于Lg波谱的地震波衰减参数与台站场地响应的联合反演，获得了辽宁辽西隆起区、下辽河拗陷区和辽东隆起区3个构造分区在频率1～7 Hz范围的和值，同时给出了3个构造分区的台站场地响应幅值图，得到了以下结论：

(1)辽宁地区3个构造分区Lg波的值都为低值，值呈现与反向变化关系；值分区差异明显，而值分区差异的不明显。

(2)下辽河拗陷区的值明显低于辽西和辽东隆起区，也低于辽宁全区反演的平均值，的最小值接近于辽西、辽东隆起区的最大值。此外，辽东隆起区相比辽东隆起区的值略大。

(3)台站场地幅值变化也存在分区构造差异。对于值低、衰减性强的下辽河拗陷区，台站场地响应的幅值在低频段的放大效应大于高频段，部分台站有小幅波动，三分量的差异特征也较辽西、辽东隆起区明显，可能与下辽河拗陷区厚的沉积层及土层覆盖对地震波能量吸收影响有关。