邵媛媛，王 巖，鄭 勇，楊士超，錢 蕊，賈麗華

(1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，湖北 武漢 430074；3.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球內(nèi)部多尺度成像湖北重點實驗室，湖北 武漢 430074)

0 引言

地震波衰減研究是地震學(xué)研究的重要課題。地震波衰減參數(shù)反映了區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地震活動性(Aki，1996；Sato，F(xiàn)ehler，1998；陳運泰等，2000)。它是對地震波路徑衰減的描述，僅與距離有關(guān)。場地響應(yīng)反映了近地表地層介質(zhì)對地震地面運動能量的放大或吸收效應(yīng)，其大小與近地表地層介質(zhì)的密度和地震波速度有關(guān)，與地震波的傳播距離無關(guān)。基于這一原理，朱新運和陳運泰(2007)提出基于Lg波譜比與臺站場地響應(yīng)的聯(lián)合反演方法，避免了震源模型的假設(shè)(Moya，2000)，并且考慮了臺站場地響應(yīng)與頻率的依賴關(guān)系，實現(xiàn)了衰減參數(shù)與場地響應(yīng)分離，在中國東部、浙江、華北等地區(qū)有較好地應(yīng)用(Zhu，Chen，2012；Zhu，2014；朱新運，2016)。邵媛媛等(2020)采用該方法計算了遼寧地區(qū)全區(qū)的Lg波衰減參數(shù)和頻率依賴指數(shù)，結(jié)果顯示遼寧地區(qū)整體上為低和低頻率依賴的構(gòu)造活躍區(qū)，場地響應(yīng)特征與淺層結(jié)構(gòu)及地質(zhì)構(gòu)造有密切聯(lián)系。

在大地構(gòu)造分區(qū)上，遼寧地區(qū)屬于華北斷塊區(qū)北部，喜馬拉雅運動形成了遼寧境內(nèi)東西部大型隆起和中部拗陷的格局(雷清清等，2008)，且區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。按區(qū)域地層、巖石、構(gòu)造及地球物理特點，遼寧地區(qū)可分為3個基本構(gòu)造單元，即遼東斷塊隆起帶、下遼河—遼東灣斷塊拗陷帶和遼西斷塊隆起帶(盧造勛，1983；萬波，鐘以章，1997；曹鳳娟等，2021)。在以斷塊差異升降為主要運動形式的新構(gòu)造運動中，各區(qū)域在沉積層發(fā)育厚度不一，在下遼河拗陷區(qū)的沉降區(qū)第三系、第四系厚度可達數(shù)千米(萬波，鐘以章，1997)，沉積層引起的地震波衰減或者放大效應(yīng)對記錄到的地震波形具有重要影響(Tao，2014)。為進一步研究區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的差異性對Lg波衰減的影響，本文將遼寧地區(qū)分為3個構(gòu)造單元進行分區(qū)聯(lián)合反演，計算得到Lg波衰減參數(shù)與場地響應(yīng)，從而為遼寧地區(qū)現(xiàn)今的地震活動危險性及區(qū)域地殼構(gòu)造特征研究等提供準確的基礎(chǔ)信息。

1 資料的選取與處理

1.1 資料的選取

本文研究區(qū)域為遼寧及鄰區(qū)(以下簡稱遼寧地區(qū))(38.5°～44°N，119°～126°E)，收集2008—2017年遼寧數(shù)字地震臺網(wǎng)32個地震臺記錄到的308次淺源地震，震級2.8～5.6，震源深度5～15 km，臺站震中距90～500 km。各臺站布設(shè)儀器包括寬頻帶和短周期地震儀，采樣率為100 Hz，臺站場地類型包括地表、井下和山洞，臺基均為基巖。本文依據(jù)遼寧地區(qū)的3個構(gòu)造單元的分區(qū)(萬波，鐘以章，1997；曹鳳娟等，2021)，分別聯(lián)合反演各分區(qū)的Lg波衰減參數(shù)及臺站場地響應(yīng)。圖1為遼寧地區(qū)的分區(qū)圖。

圖1 遼寧地區(qū)構(gòu)造分區(qū)(據(jù)萬波，鐘以章，1997)及Lg波反演分區(qū)射線路徑示意圖

1.2 資料處理

Lg波普遍被認為是短周期高階面波(Knopoff，1973；Mitchell，1975)或地殼內(nèi)多次反射疊加的淺層導(dǎo)波(Campillo，1985)，其傳播速度約為3.5 km/s。在大陸范圍內(nèi)，一般在區(qū)域性短周期和寬頻帶地震圖上，Lg波震相清晰、能量最大且穩(wěn)定、持續(xù)時間長，對地殼介質(zhì)物理參數(shù)的變化更為敏感(劉建華等，1999，2004)。在分區(qū)篩選地震射線的過程中，對所選的地震波形逐條篩查，刪除存在畸形、斷記、漏記等問題的波形，盡量保證地震射線路徑能均勻覆蓋研究區(qū)域。

Lg波能量的選取通常選用一定速度窗長進行截取，Murphy和Bennett(1982)以及Campillo 等(1985)采用不同的速度窗長(2.3～3.6 km/s、2.6～3.1 km/s和3.1～3.6 km/s)截取Lg波段，對衰減參數(shù)計算的影響可以忽略。由于遼寧地區(qū)地震活動分部比較不均勻，地震活動與構(gòu)造的相關(guān)性比較明顯并受震中距方位的限制，最終獲得遼西隆起區(qū)參與反演的地震記錄339條、下遼河拗陷地區(qū)157條、遼東隆起區(qū)1 777條(圖1)，3個分區(qū)選擇的Lg波速度窗略有差異(表1)。為防止譜泄露，對截取的Lg波段進行補零為2的整數(shù)倍長度，在兩端加上2%的余弦旁瓣，通過傅立葉變換、儀器矯正和幾何衰減矯正，并以3個單位頻率步長采樣進行平滑處理，計算Lg波譜。圖2是截取的遼西隆起區(qū)內(nèi)2013年7月7日3.4地震的Lg波和波譜計算實例。

圖2 遼西隆起區(qū)內(nèi)使用2.2～3.6 km/s速度窗長截取的ML3.4地震的Lg波(a)及相應(yīng)波譜(b)

2 計算結(jié)果及分析

2.1 構(gòu)造分區(qū)的Lg波衰減參數(shù)和η

本文在頻率域1～7 Hz內(nèi)，以0.2 Hz間隔進行采樣來構(gòu)造矩陣方程求解Lg波衰減參數(shù)與臺站場地響應(yīng)，并對衰減參數(shù)進行()=形式的擬合，其中為頻率，是頻率依賴指數(shù)，是()在1 Hz時的值。分別對遼西隆起區(qū)、下遼河拗陷區(qū)和遼東隆起區(qū)3個構(gòu)造分區(qū)進行聯(lián)合反演，最終獲取3個構(gòu)造分區(qū)的Lg波衰減參數(shù)與頻率關(guān)系(表1)。圖3為聯(lián)合反演獲得的遼西隆起區(qū)介質(zhì)衰減參數(shù)()與頻率的擬合圖。

圖3 遼西隆起區(qū)介質(zhì)衰減參數(shù)Q(f)與頻率f的擬合圖

綜合3個構(gòu)造分區(qū)的Lg波衰減參數(shù)與頻率的關(guān)系(圖4)，可以發(fā)現(xiàn)遼寧地區(qū)3個構(gòu)造分區(qū)Lg波的值都為低值，頻率依賴指數(shù)的差異不大；下遼河拗陷區(qū)的均值(107.65)低于遼西隆起區(qū)均值(174.41)和遼東隆起區(qū)均值(177.01)，且下遼河拗陷區(qū)的三分量值要低于遼寧全區(qū)反演的結(jié)果171.45～223.39(邵媛媛等，2020)。

圖4 遼東隆起區(qū)、遼西隆起地區(qū)和下遼河拗陷區(qū)的Lg波衰減參數(shù)Q(f) 與頻率的關(guān)系

Nuttli(1973)研究得出與一般呈反向變化的規(guī)律，即高低，低高，但和的關(guān)系在某些地區(qū)并不符合，如北美和西伯利亞地區(qū)。叢連理等(2002)對中國大陸及鄰近地區(qū)Lg尾波值分析發(fā)現(xiàn)，我國及周邊大部分地區(qū)值與呈現(xiàn)反向變化關(guān)系；從本文的反演結(jié)果(表1)看，遼寧地區(qū)3個構(gòu)造分區(qū)的與也符合這一規(guī)律。

表1 遼寧地區(qū)分區(qū)Lg波衰減參數(shù)Q0(f=1 Hz)和η

2.2 場地響應(yīng)

本文聯(lián)合反演的同時還獲得了各構(gòu)造分區(qū)內(nèi)的臺站的場地響應(yīng)(圖5)。各臺站場地響應(yīng)幅值曲線在研究頻段內(nèi)比較平滑穩(wěn)定，幅值大部分為1～8，下遼河拗陷區(qū)的場地響應(yīng)幅值(1～8)相對遼西隆起區(qū)場地響應(yīng)幅值(1～5)和遼東隆起區(qū)臺站的場地響應(yīng)幅值(1～6)略大。三分量的幅值差異也相對大一些，如后新秋臺、沈陽臺、蓋縣臺、法庫臺、新民臺，其NS向和EW向的場地響應(yīng)幅值略大于UD分量，且低頻段的放大效應(yīng)大于高頻段。對比邵媛媛(2020)獲得的臺站場地響應(yīng)結(jié)果可以看出，大部分臺站場地響應(yīng)的三分量幅值和曲線變化趨勢大致相同。但某些臺站有明顯的差異，如岫巖臺EW分量的場地響應(yīng)幅值的兩次反演結(jié)果相差3～4，這可能與兩次反演中參考臺選取的不同有關(guān)。在遼寧全區(qū)反演研究中，錦州臺在大多數(shù)頻率下響應(yīng)幅值都很小，所以大多數(shù)頻率下，這個臺站都是作為參考臺，而在本研究中，錦州臺與岫巖臺參與不同臺站組別的反演，臺站組發(fā)生了變化，所以相對結(jié)果也出現(xiàn)一定的變化。從位于構(gòu)造分區(qū)邊界附近臺站(蓋縣臺、后新秋臺、沈陽臺、北鎮(zhèn)臺)場地響應(yīng)幅值看，由于參與了下遼河拗陷區(qū)和遼東隆起區(qū)不同臺站組的聯(lián)合反演，所獲的場地響應(yīng)的幅值形態(tài)特征也出現(xiàn)了一定變化。

圖5 遼西隆起區(qū)(a)、下遼河拗陷區(qū)(b)、遼東隆起區(qū)(c)內(nèi)參與評估臺站的場地響應(yīng)特征

3 結(jié)果穩(wěn)定性分析

為了檢驗樣本量與解的穩(wěn)定性，本文沿用了Erickson等(2004)所使用的樣本重構(gòu)的方法對解的穩(wěn)定性進行了檢驗，該方法在多個研究中被使用(Zhu，2014；朱新運，2016；邵媛媛等，2020)。以遼西隆起區(qū)為例，從60個地震總樣本中，隨機刪除12個地震，重新構(gòu)建觀測矩陣進行1 500次求解，最終獲得1 500組解，并計算其平均值和標準差值(圖6)。從圖6可以看出，重構(gòu)矩陣方程計算獲得的NS分量的衰減參數(shù)值為177.24，相對誤差為0.54%，頻率依賴指數(shù)為0.68，的相對誤差為1.4%，反演結(jié)果是穩(wěn)定可靠的。

圖6 遼西地區(qū)刪除20%地震樣本后31個頻率對應(yīng)的Q值擬合圖(a)和Q0數(shù)據(jù)直方圖(b)

4 討論

值反映了地殼中形狀、厚度變化、非均勻散射與介質(zhì)衰減。在構(gòu)造活動強烈的區(qū)域，發(fā)育的裂隙、破碎的介質(zhì)、巨厚的沉積層和上涌的地幔物質(zhì)均會造成值的明顯降低(胡家富等，2003；蘇偉等，2006；汪素云等，2007；羅毅，蓋增喜，2019；何靜等，2017)。本文反演計算獲得遼寧地區(qū)3個構(gòu)造分區(qū)的Lg波衰減參數(shù)具有明顯的構(gòu)造分區(qū)差異：下遼河拗陷地區(qū)值比遼西隆起區(qū)和遼東隆起區(qū)低，說明下遼河拗陷地區(qū)的介質(zhì)衰減性更強。在地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地貌上，華北新構(gòu)造地區(qū)表現(xiàn)為NE向的山系與谷地相間排列的格局，區(qū)內(nèi)不均衡升降運動現(xiàn)象顯著，遼東、遼西隆起區(qū)山地上升而下遼河、遼東灣地區(qū)下降(萬波，鐘以章，1997)。下遼河拗陷地區(qū)是一個新生代沉降區(qū)，盆地發(fā)育，區(qū)內(nèi)地殼較薄，全新世時期的沉積分布比較均勻，第四系覆蓋度和深度較厚，達100～450 m(雷清清等，2008)，介質(zhì)疏松，對地震波能量的吸收更大，符合該區(qū)地震波衰減程度強于遼東、遼西隆起區(qū)這一特征。與朱新運(2016)得出的華北地區(qū)值在山地為高值、盆地為低值的結(jié)論一致。此外，下遼河拗陷地區(qū)的的最大值接近另外兩區(qū)的最小值，說明3個構(gòu)造分區(qū)的地殼介質(zhì)衰減的連續(xù)性較好。遼東隆起區(qū)屬于膠遼地盾，地貌上為中低山、丘陵區(qū)，從晚古生代時期以來長期緩慢抬升，呈基巖斷塊隆起區(qū)，山地構(gòu)造多。而遼西隆起區(qū)多為丘陵，這也符合遼東隆起區(qū)的值略高于遼西隆起區(qū)的特征。綜合以上分析，各構(gòu)造分區(qū)的衰減特征與區(qū)域的地貌、淺層地殼結(jié)構(gòu)是密切相關(guān)的。

對比本文分區(qū)反演的臺站場地響應(yīng)與遼寧全區(qū)反演的場地響應(yīng)(邵媛媛等，2020)，可以看到有些臺站場地響應(yīng)幅值發(fā)生了一定變化，這和參與反演的臺站組發(fā)生變化有關(guān)。盡管計算時通過自動查找各頻率響應(yīng)最低的臺站作為該頻率的參考臺，但當(dāng)臺站組出現(xiàn)變化時，相對結(jié)果也會出現(xiàn)一定變化，如果數(shù)據(jù)足夠充分，每組有盡可能多的臺站參與計算，那么相對結(jié)果就會更穩(wěn)定。另外，從各分區(qū)臺站場地響應(yīng)幅值對比分析可發(fā)現(xiàn)，對于衰減性強的下遼河拗陷區(qū)，臺站場地響應(yīng)的幅值整體幅值(1～8)較遼西、遼東隆起區(qū)(1～6)大，且低頻段的放大效應(yīng)大于高頻段，部分臺站有小幅波動，如后新秋臺和新民臺；三分量的差異特征也更為明顯，如法庫臺、蓋縣臺、沈陽臺、后新秋臺，這可能與下遼河拗陷區(qū)厚的沉積層及土層覆蓋的影響有關(guān)，說明場地響應(yīng)幅值的分區(qū)構(gòu)造差異與地質(zhì)構(gòu)造特征密切相關(guān)。一般在值低的地區(qū)，地震更活躍。從地震活動性看，下遼河拗陷區(qū)及其與遼東隆起交界區(qū)為蓋州海城小震活動密集區(qū)，震群頻繁，而遼西隆起區(qū)的地震與震群活動都相對較少的。本文對遼寧構(gòu)造分區(qū)地震波衰減結(jié)構(gòu)差異的認識和臺站場地響應(yīng)結(jié)果對區(qū)域地震危險性研判有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

本文基于Lg波譜的地震波衰減參數(shù)與臺站場地響應(yīng)的聯(lián)合反演，獲得了遼寧遼西隆起區(qū)、下遼河拗陷區(qū)和遼東隆起區(qū)3個構(gòu)造分區(qū)在頻率1～7 Hz范圍的和值，同時給出了3個構(gòu)造分區(qū)的臺站場地響應(yīng)幅值圖，得到了以下結(jié)論：

(1)遼寧地區(qū)3個構(gòu)造分區(qū)Lg波的值都為低值，值呈現(xiàn)與反向變化關(guān)系；值分區(qū)差異明顯，而值分區(qū)差異的不明顯。

(2)下遼河拗陷區(qū)的值明顯低于遼西和遼東隆起區(qū)，也低于遼寧全區(qū)反演的平均值，的最小值接近于遼西、遼東隆起區(qū)的最大值。此外，遼東隆起區(qū)相比遼東隆起區(qū)的值略大。

(3)臺站場地幅值變化也存在分區(qū)構(gòu)造差異。對于值低、衰減性強的下遼河拗陷區(qū)，臺站場地響應(yīng)的幅值在低頻段的放大效應(yīng)大于高頻段，部分臺站有小幅波動，三分量的差異特征也較遼西、遼東隆起區(qū)明顯，可能與下遼河拗陷區(qū)厚的沉積層及土層覆蓋對地震波能量吸收影響有關(guān)。