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  大地测量与地球动力学  2020, Vol. 40 Issue (6): 646-651  DOI: 10.14075/j.jgg.2020.06.019

引用本文  

张珂, 王鑫, 王树波, 等. 基于噪声谱比法的内蒙古西部地区台站场地响应研究[J]. 大地测量与地球动力学, 2020, 40(6): 646-651.
ZHANG Ke, WANG Xin, WANG Shubo, et al. Site Response of Western Inner Mongolia Stations Based on Noise Spectral Ratio Method[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2020, 40(6): 646-651.

项目来源

中国地震局“三结合”课题(3JH-201901067)。

Foundation support

Combination Project with Monitoring, Prediction and Scientific Research of Earthquake Technology, CEA, No.3JH-201901067.

通讯作者

王鑫,高级工程师,主要从事地震监测研究,E-mail:wangxin0111@163.com

Corresponding author

WANG Xin, senior engineer, majors in earthquake monitoring and research, E-mail:wangxin0111@163.com.

第一作者简介

张珂,助理工程师,主要从事地震速报与编目研究,E-mail:zkee0928@163.com

About the first author

ZHANG Ke, assistant engineer, majors in earthquake rapid report and cataloging, E-mail:zkee0928@163.com.

文章历史

收稿日期:2019-06-24
基于噪声谱比法的内蒙古西部地区台站场地响应研究
张珂1     王鑫1     王树波1     张红才2     宋晓燕1     
1. 内蒙古自治区地震局,呼和浩特市哲里木路80号,010010;
2. 福建省地震局,福州市华鸿路7号,350003
摘要:利用内蒙古西部12个台站的地脉动噪声数据,采用噪声谱比法研究台站的场地响应情况。分析表明,台站场地响应按曲线形态可分为3类,且可能受地形地貌、局部构造和台基状况等条件影响。对比分析噪声谱比法与Moya方法的场地响应结果发现,场地响应曲线形态基本一致,只有极少数台站存在明显差异。结果表明,内蒙古西部区域大部分台站的台基状况总体较好,场地响应曲线较为平坦,无明显频率放大点。
关键词内蒙古西部地区H/V噪声谱比法地脉动噪声数据场地响应

在分析地震波形数据时,不仅要考虑传播路径与仪器响应的影响,还要考虑台站的场地响应变化[1-2],台站的场地响应会使单台在测量震级时产生误差。因此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[3]。国内外学者[4-9]对台站场地响应进行了大量研究,研究方法主要为Moya方法与H/V谱比法。Moya方法为一种基于震源模型的计算绝对场地响应值的方法[10-11]H/V谱比法包括地震数据谱比法和噪声谱比法,该方法因操作简单且可信度较高而得到了广泛的应用[12-17]。考虑到应用噪声谱比法对内蒙古地区台站场地响应情况的研究较少,本文在测震台站记录的地脉动噪声数据基础上,采用噪声谱比法研究内蒙古西部地区台站的场地响应变化。

1台网概述及数据预处理

本文以内蒙古西部地区的12个台站为研究对象,各台站配备三分向宽频、甚宽频、超宽频3种类型的地震计[4](表 1)。内蒙古自治区地形狭长,地质构造复杂,具有高原、平原、山地等地貌特征,虽然多数台站都建在基岩场地上,但仍有部分台站的场地情况不理想。

表 1 内蒙古西部地区12个台站基本参数 Tab. 1 Basic parameters of 12 stations in western Inner Mongolia

按照噪声谱比法的要求,对数据进行如下预处理:1)选取内蒙古测震台网波形归档资料2018年每月其中一天00 :00~03 :00时段的数据,即共选取36 h的噪声记录;2)基于对数据完整性与波形质量的考虑,对选出的波形数据进行复核,剔除断记和包含地震事件的数据,最终得到完整的符合噪声谱比法要求的噪声波形数据。

2 原理与方法

VS为地表处地震动垂直分量的地震波振幅谱,VB为基底处地震动垂直分量的地震波振幅谱,HS为地表处水平分量的地震波振幅谱,HB为基底处水平分量的地震波振幅谱,则经验传递函数为[5, 17-18]

$ S = \frac{{{H_S}}}{{{H_B}}} $ (1)

实验表明,井下基岩处的地震波记录存在以下关系[17]

$ \frac{{{H_B}}}{{{V_B}}} \approx 1 $ (2)

根据地表土层和井下基岩处的实际观测记录:

$ {\frac{{{V_S}}}{{{V_B}}} \ll \frac{{{H_S}}}{{{H_B}}}} $ (3)
$ {\frac{{{V_S}}}{{{V_B}}} \approx 1} $ (4)

因此,HBVBVS,则经验传递函数可简化为:

$ {S = \frac{{{H_S}}}{{{V_S}}}} $ (5)

根据式(5)可知,台站的场地响应值可通过地表处记录到的水平向地震波振幅谱和垂直向地震波振幅谱的比值得到。

图 1为场地响应的计算流程:1)对噪声记录进行截取(以10 min为间隔,50%重叠率),得到具有相同频率间隔的振幅谱,内蒙古台网中各台站采样率均为100 sps,计算傅里叶幅值谱时的频率间隔约为0.003 Hz;2)对波形数据进行去均值、去长周期成分等预处理操作,尽可能减小对长周期段的估计偏差,同时在每一段噪声记录的始末均加入5%的余弦边窗,使每一段数据的两端平滑衰减到0;3)应用快速傅里叶变换法分别计算三分向傅里叶幅值谱V(f)、uEW(f)和uNS(f),并将uEW(f)和uNS(f)合成水平向振幅谱$\left( {H(f) = \sqrt {u_{{\rm{EW}}}^2(f) + u_{{\rm{NS}}}^2(f)} } \right)$;4)利用公式S=H(f)/V(f)计算每个时段的H/V谱比值[3]

图 1 地震动噪声谱比计算流程 Fig. 1 Calculation process of spectral ratio of microtremor noise
3 结果与分析

利用中位数来反映每个台站的场地响应情况。中位数不受最大、最小2个极端数值的影响,不会随部分数据的变动而变化,因此采用谱比值的中位数更能反映每个台站H/V谱比值在观测频段范围内的集中变化趋势。

3.1 场地响应中位数变化

采用噪声谱比法计算得到内蒙古西部地区12个台站的场地响应值,表 2图 2分别为各个台站在0.1~50 Hz频段内场地的响应中位数及变化情况。结合图 3可以看出,各台站在0.1~50 Hz频段内场地响应中位数总体变化不大,在数值上均接近于1,仅DSM台的场地响应在观测频段内的变化较为突出,这在一定程度上说明多数台站的场地响应情况总体较稳定。所有台站在观测频段内的场地响应中位数均稍高于1,说明内蒙古西部台站在接收研究频段内的地震动数据时会存在轻微放大的现象。

表 2 内蒙古西部各观测台站不同频率范围的场地响应中位数 Tab. 2 Site response median of each observation station in western Inner Mongolia of different frequency ranges

图 2 内蒙古西部各观测台站不同频段的场地响应变化 Fig. 2 Site response variation of each observation station in western Inner Mongolia of different frequency ranges
3.2 台站场地响应分类

根据各台站在0.1~50 Hz频段内场地响应变化范围,将12个台站分为平坦类(0.1~50 Hz)、中频段(1~10 Hz)放大类和高频段(10~50 Hz)放大类。

3.2.1 平坦类

该类台站在0.1~50 Hz频段内无明显频率放大点,本文所研究台站多数属于此类(图 3)。这些台站主要建立在较为坚硬的中酸性岩浆岩与变质岩上,台基状况相对较好[19],台站场地响应值在1.168~2.070之间,场地响应曲线呈平坦特征。

图 3 内蒙古西部场地响应平坦台站的噪声谱比 Fig. 3 Noise spectral ratio of stations with flat site response in western Inner Mongolia
3.2.2 中频放大类

此类台站在内蒙古西部地区占极少数,仅CSQ台符合此特征,该台站的场地响应曲线在1~10 Hz频段内出现明显的放大现象(图 4)。CSQ台的基岩岩性为硬度极高的石英岩,但该台站的场地条件较为特别,建在海拔1 229 m的山坡上,山体较为陡峭。研究表明,H/V谱比能反映场地的地形效应[16],因此CSQ台的特殊地形使得台站对该频段及附近的地震动成分会产生较明显的放大。

图 4 内蒙古西部场地响应明显变化的台站噪声谱比 Fig. 4 Noise spectral ratio of stations with obvious site response changes in western Inner Mongolia
3.2.3 高频放大类

符合该类台站特征的仅有DSM台,该台站的场地响应曲线在频率大于10 Hz的情况下可观察到明显的放大现象(图 4)。DSM台的台基岩性为片麻岩,此类变质岩硬度比岩浆岩低,且较易风化,这可能使台站的场地响应值存在局部放大现象。

内蒙古西部地区12个台站的台址虽然均建在基岩上,但噪声谱比值还是存在一定差异,说明台站的场地响应可能受台站的地质条件影响[20]

3.3 场地响应等值线分布图

为分析内蒙古西部地区台站的场地响应空间分布情况,基于各台站的场地响应值绘制研究频段内各台站的场地响应等值线分布图(图 5~7)。从等值线图可以看出,场地响应等值线的展布方位与内蒙古西部断层的分布位置较为一致,且各频段内场地响应值较高的台站大都集中分布于断层附近,说明台站周围的构造特征会影响台站的场地响应。在明确场地响应平面展布情况的基础上,研究场地响应值在垂向上的分布特征,图 8为各台站的场地响应值与高程的对应关系。从图中可以看出,各台站在不同频段内场地响应的变化趋势与高程的变化趋势基本一致,这也在一定程度上说明台站周围的地形特征会影响其场地响应。但无论是平面展布还是垂向分布,均存在一些台站场地响应值异常的情况,说明影响场地响应的因素较为复杂,除构造、地形外,可能还受台站的台基岩性、地貌等其他因素影响。

图 5 内蒙古西部台站在0.5~1 Hz频段内场地响应等值线 Fig. 5 Site response contour map of stations in western Inner Mongolia of 0.5 to 1 Hz

图 6 内蒙古西部台站在1~10 Hz频段内场地响应等值线 Fig. 6 Site response contour map of stations in western Inner Mongoliaof 1 to 10 Hz

图 7 内蒙古西部台站在大于10 Hz频段内场地响应等值线 Fig. 7 Site response contour map of stations in westernInner Mongolia of greater than 10 Hz

图 8 内蒙古西部台站在不同频段内场地响应与其高程对应关系 Fig. 8 Relationship of site response and altitude of stations in western Inner Mongolia of different frequency bands
3.4 噪声谱比法与Moya方法结果对比

将基于噪声谱比法计算得到的内蒙古西部地区台站的场地响应结果与王鑫等[4]采用Moya方法得到的结果进行对比。

相同点:1)对于多数台站而言,2种方法得到的台站场地响应曲线形态基本一致。例如,XSZ台、BLM台、BTO台、WUH台、HHC台和BYT台的场地响应曲线均呈现较为平坦的特征,无明显频率放大点(图 9),CSQ台在中频段存在明显放大频率点。2)2种方法得到的场地响应值的数量级较为接近,均在理论值1左右。

图 9 噪声谱比法与Moya方法场地响应结果对比 Fig. 9 Comparisonof site response obtained by noise spectral ratio method and Moya method

不同点:1)DSM台与WJH台由这2种方法得到的场地响应曲线特征不一致(图 9)。以DSM台为例,噪声谱比法得到的场地响应曲线在高频段存在明显放大频率点,而Moya方法得到的场地响应曲线在高频段存在明显衰减频率点。2)噪声谱比法得到的场地响应值较为集中,且基本高于1;Moya方法计算的场地响应数值波动幅度相对较大,离散程度较高。

2种方法的场地响应结果存在差异性,原因可能为:1)采用Moya方法计算场地响应时,由于受地震事件数量限制,会降低一些台站的射线覆盖率,从而不能准确而全面地反映出场地响应的真实情况[21];2)噪声谱比法与Moya方法的原理与方法均存在不同,因此得到的结果也会存在一定差异[3]

4 结语

通过对内蒙古西部地区12个台站场地响应值的研究,得到以下结论:

1) 根据各台站场地响应中值的变化可以看出,多数台站的场地响应结果在观测频段内分布较稳定,只有DSM台的场地响应变化最为明显,说明内蒙古西部地区台站的基岩状况基本较好。场地响应值均稍大于理论值1,这在一定程度上反映出内蒙古西部台站对观测频段内的地震动数据具有轻微放大作用。

2) 内蒙古西部12个台站的场地响应特征可分为平坦类、中频放大类和高频放大类,结合各台站场地响应的空间展布特征认为,台站的场地响应可能受台站地形地貌、局部构造和台基状况等因素影响。

3) 多数台站噪声谱比法与Moya方法获得的场地响应曲线形态基本一致,均呈现相对平坦的特征,而且2种方法得到的场地响应数值也较为接近,均分布于理论值1附近。但也有少数台站场地响应曲线特征不一致,造成差异的原因主要有2个方面:①采用Moya方法计算场地响应时,受地震事件数量的限制,不能准确而全面地反映出场地响应的真实情况;②噪声谱比法与Moya方法的原理与方法均存在不同,导致结果也存在一定差异。

4) 内蒙古西部地区台站具有一定的场地效应,在场地响应分析基础上进一步开展内蒙古台网单台震级校正的研究工作,可有效减小单台测量的震级误差,提高单台测量震级的准确性。

参考文献
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