苗慶杰 劉希強(qiáng) 石玉燕 曲均浩

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利用遺傳算法反演山東地區(qū)S波非彈性衰減及場(chǎng)地響應(yīng)1

苗慶杰 劉希強(qiáng) 石玉燕 曲均浩

（山東省地震局，濟(jì)南 250012）

采用山東地震臺(tái)網(wǎng)記錄的地震資料，基于Atkinson方法計(jì)算得出研究區(qū)非彈性衰減值與頻率?的關(guān)系為(?)=457.1?0.4317?；贛oya方法得到山東臺(tái)網(wǎng)中46個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)，其中大部分臺(tái)站效果比較理想，BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF臺(tái)站存在較明顯的放大效應(yīng)，BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)在6Hz以上出現(xiàn)顯著的高頻衰減。

山東地區(qū) S波值 場(chǎng)地響應(yīng)

引言

地震波衰減特征研究為了解地球內(nèi)部物理化學(xué)狀態(tài)和物質(zhì)組成，以及測(cè)定震源參數(shù)、震源機(jī)制和估算地震震級(jí)等方面提供了重要依據(jù)，長(zhǎng)期以來(lái)一直為地球物理工作者所重視。許多破壞性地震表明，場(chǎng)地效應(yīng)在結(jié)構(gòu)破壞方面具有非常大的影響，其在地震學(xué)和地震工程學(xué)中具有重要的意義。

本文利用山東地震臺(tái)網(wǎng)中46個(gè)臺(tái)站記錄到的中小地震資料，基于Atkinson方法計(jì)算了研究區(qū)的非彈性衰減值，采用Moya方法計(jì)算了每個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)，并對(duì)其進(jìn)行了分析研究，為今后數(shù)字地震資料在山東地區(qū)地震學(xué)、地震工程學(xué)中的應(yīng)用及測(cè)定新地震參數(shù)等方面提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)選取及處理

山東數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)由64個(gè)直屬固定數(shù)字地震臺(tái)站組成，2015年加入省“十一五”新建臺(tái)站后，臺(tái)站數(shù)量增加到117個(gè)。自2001年正式運(yùn)行以來(lái)，臺(tái)網(wǎng)記錄到大量的中小地震，為測(cè)定山東地區(qū)地震波衰減特征和臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)提供了寶貴的數(shù)據(jù)。

為保證地震數(shù)據(jù)具有良好的信噪比，同時(shí)使地震射線較好地覆蓋研究區(qū)域，在選取數(shù)據(jù)時(shí)要求每個(gè)地震至少被3個(gè)臺(tái)站記錄到，每個(gè)臺(tái)站至少有3條地震記錄。由于2015年新加入的臺(tái)站運(yùn)行時(shí)間短，沒有記錄到足夠的震相，所以，無(wú)法測(cè)算這些臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，最終挑選出46個(gè)臺(tái)站，41個(gè)2.0＜L＜5.0的地震數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖1和圖2給出了研究區(qū)域臺(tái)站、震中位置和地震射線分布，可以看出研究區(qū)內(nèi)地震和臺(tái)站的空間分布比較均勻，射線幾乎覆蓋整個(gè)研究區(qū)域。

本研究使用SH波資料。在處理地震波譜資料的過(guò)程中，截取的S窗從第一個(gè)可識(shí)別的S震相起始，窗口中的波形包括S波90%的能量。S窗內(nèi)的波形被分成256個(gè)采樣間隔，且相鄰的間隔之間有50%重合，然后對(duì)每一段做傅立葉變換，兩端取5%的余弦邊瓣，扣除儀器響應(yīng)、噪聲和自由表面效應(yīng)，挑選信噪比大于2的地震記錄，最終確定41個(gè)L2.0級(jí)以上地震的494條數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)研究資料。

2 計(jì)算方法和結(jié)果

2.1 品質(zhì)因子值

經(jīng)過(guò)上述資料處理后，任一個(gè)地震在某一臺(tái)站觀測(cè)到的地面運(yùn)動(dòng)的剪切波傅里葉SH分量為：

S波的幾何擴(kuò)散采用三段模型（Atkinson等，1992）。山東地區(qū)平均地殼厚度大約為36km（林懷存，1989），模型參數(shù)取1=1.0，2=0.0，3=0.5，01=1.5=54km，02=2.5=90km。代入（1）式，就成為對(duì)非彈性衰減系數(shù)和臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)的聯(lián)合反演問題。

殘差定義如下：

本文得到的0及值與石玉燕等（2008）得到的結(jié)果有一定差異，造成這種差異原因可能與研究區(qū)域大小和使用的地震臺(tái)站的數(shù)量有關(guān)。石玉燕等（2008）所選區(qū)域范圍包括河北和華北部分地區(qū)，而華北地區(qū)沉積覆蓋層更厚，導(dǎo)致值下降。本文所選用的臺(tái)站及地震數(shù)量更多，地震震中及地震射線在山東地區(qū)分布更均勻，所求得的結(jié)果更接近實(shí)際。

品質(zhì)因子值是介質(zhì)重要的物理參數(shù)，與其強(qiáng)度和均勻程度相關(guān)，是構(gòu)造活動(dòng)性的一種量度。地震波在構(gòu)造活動(dòng)穩(wěn)定的地區(qū)衰減較慢，品質(zhì)因子值較大；在構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)衰減則較快，品質(zhì)因子值較小。山東地區(qū)較高的0值反映了該地區(qū)構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定及地震活動(dòng)性相對(duì)較弱的特征。

2.2 場(chǎng)地響應(yīng)的確定

基于Moya等（2000）的方法，計(jì)算分析每個(gè)地震臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)。假設(shè)每個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)與地震事件無(wú)關(guān)，采用遺傳算法，調(diào)整震源譜參數(shù)，使得到的場(chǎng)地響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差最小。在獲得震源譜參數(shù)后，通過(guò)校正后的位移振幅譜對(duì)比理論震源譜就可得到臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)（李祖寧等，2012）。

首先對(duì)第個(gè)地震在第個(gè)臺(tái)站觀測(cè)到的SH波的傅立葉振幅譜進(jìn)行幾何擴(kuò)散與非彈性衰減校正：

在第個(gè)頻率點(diǎn)，由第次地震事件對(duì)第個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)為：

（7）

計(jì)算在第個(gè)頻率點(diǎn)上第個(gè)臺(tái)站由不同地震得到的場(chǎng)地響應(yīng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，采用遺傳算法，調(diào)整每次地震的震源譜參數(shù)，使公式（8）的值最小。

圖4是所求得的場(chǎng)地響應(yīng)。因篇幅所限，文中只列出46個(gè)臺(tái)站中16個(gè)臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算結(jié)果。圖中細(xì)線表示每個(gè)地震記錄到的臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)，粗線表示該臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)的平均值?？梢钥闯?，這些臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)在頻率域中隨頻率的增加，有的較穩(wěn)定，有的呈現(xiàn)高頻衰減狀，有的呈現(xiàn)高頻放大狀，有些臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)在整個(gè)頻率域都出現(xiàn)放大效應(yīng)，有些則在部分頻率范圍內(nèi)放大。46個(gè)臺(tái)站中有37個(gè)臺(tái)站效果較理想，沒有明顯的放大效應(yīng)，而BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF臺(tái)站出現(xiàn)較明顯的放大效應(yīng)，這與其所處的場(chǎng)地條件——松散沉積巖地基——可能產(chǎn)生的場(chǎng)地響應(yīng)相一致。BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)在6Hz以上出現(xiàn)顯著的高頻衰減。

3 結(jié)論

本文選用山東地區(qū)46個(gè)臺(tái)站記錄到的41次2.0＜L＜5.0地震，得出山東地區(qū)值隨頻率?的關(guān)系為，與石玉燕等（2008）所得到的結(jié)果有一定差異，造成這種差異的原因可能與研究區(qū)域大小和使用的地震臺(tái)站的數(shù)量有關(guān)。上述文獻(xiàn)所選區(qū)域范圍包括河北等華北部分地區(qū)，而華北地區(qū)沉積覆蓋層更厚，導(dǎo)致值下降。從樣本數(shù)量和臺(tái)站分布來(lái)說(shuō)，本文結(jié)果更接近實(shí)際，更具合理性。

場(chǎng)地響應(yīng)計(jì)算結(jié)果方面，山東臺(tái)網(wǎng)46個(gè)臺(tái)站中有37個(gè)臺(tái)站的效果比較理想。BSH、BZH、DOY、KEL、SHH、TZH、WEF臺(tái)站出現(xiàn)較明顯的放大效應(yīng)，這與其所處松散沉積巖地基可能產(chǎn)生的場(chǎng)地響應(yīng)特性相符。BZH、CHD、DOY、KEL、SHH、TCH、WEF臺(tái)站的場(chǎng)地響應(yīng)在6Hz以上出現(xiàn)顯著的高頻衰減。另外，臺(tái)站場(chǎng)地效應(yīng)與臺(tái)基、臺(tái)站周圍地形等因素有關(guān)，一般認(rèn)為地震射線方向的影響不大（華衛(wèi)，2007），本文研究結(jié)果可為山東地區(qū)測(cè)定新地震參數(shù)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

致謝：中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心劉杰研究員、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所趙翠萍研究員和華衛(wèi)副研究員提供了技術(shù)思路指導(dǎo)，審稿專家和編輯給出了寶貴的修改意見和建議，作者在此一并表示感謝。

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The Inversion of S Wave Inelastic Attenuation and Site Response by Genetic Algorithms in the Shandong Region

Miao Qingjie, Liu Xiqiang, Shi Yuyan and Qu Junhao

(Earthquake Administrator of Shandong Province, Jinan 250012, China)

With the digital waveform data recorded in 46 stations of the Shandong seismic network, we calculated inelastic attenuation in the Shandong region by using Atkinson method, and obtained the relation ofvalue and frequency as(?)=457.1?0.4317. Based on Moya method we found that most of the results the site response of 46 stationsare ideal. The site response of BSH, BZH, DOY, KEL, SHH, TZH, WEF stations show significant amplifications, while the site response of BZH, CHD, DOY, KEL, SHH, TCH, WEF stations show significant high-frequency attenuation above 6Hz.

The Shandong region; S wave;value; Site response

10.11899/zzfy 20160410

山東省自然科學(xué)基金（ZR2014DQ019）、中國(guó)地震局星火計(jì)劃（XH16025Y）、山東省地震局重點(diǎn)基金項(xiàng)目（JJ1407Y）資助

2016-10-28

苗慶杰，男，生于1980年。碩士研究生，工程師。主要從事地震波分析處理與應(yīng)用方面的工作。E-mail：qjmiao@163.com