乳山地区流动地震台场地响应
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  地震地磁观测与研究  2017, Vol. 38 Issue (4): 110-114  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.04.018
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引用本文  

苗庆杰, 殷海涛, 刘方斌, 等. 乳山地区流动地震台场地响应[J]. 地震地磁观测与研究, 2017, 38(4): 110-114. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.04.018.
Miao Qingjie, Yin Haitao, Liu Fangbin, et al. Estimation of site response for temporary station in Rushan region[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2017, 38(4): 110-114. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.04.018.

基金项目

山东省自然科学基金(项目编号:ZR2014DQ019);中国地震局星火计划(项目编号:XH16025Y)

作者简介

苗庆杰(1980-), 男, 工程师, 主要从事地震波分析处理与应用工作。E-mail:qjmiao@163.com

文章历史

本文收到日期:2016-12-27
乳山地区流动地震台场地响应
苗庆杰 , 殷海涛 , 刘方斌 , 曲均浩     
中国济南 250102 山东省地震局
摘要:利用乳山流动地震台网记录的2013年10月1日乳山ML 3.8震群资料,基于Atkinson方法,计算得到该区Q值与频率f的关系:Qf)=57.8 f0.8562。Moya方法仅依赖震源模型,计算绝对场地响应值,较能反映实际放大效应。采用该方法,计算14个流动地震台站场地响应,结果显示,场地响应在低频(1-2 Hz)放大作用不明显,而高频部分平均放大2-10倍,卓越频率3-10 Hz,且高频处场地响应衰减不明显。
关键词流动地震台站    场地响应    Q    乳山地区    
Estimation of site response for temporary station in Rushan region
Miao Qingjie, Yin Haitao, Liu Fangbin, Qu Junhao     
Shandong Earthquake Agency, Jinan 250102, China
Abstract: Using the data of Rushan ML 3.8 earthquake swarms recorded in 14 stations of Rushan mobile seismic network on October 1, 2013, the authors calculated inelastic attenuation in Rushan area using Atkinson method. And an obtained relation of Q value and frequency is Q(f)=57.8f0.8562. Moya method that depend only source model can calculate the absolute site response that can reflect the actual amplifications. With the method, the site response of 14 mobile stations gotten show inconspicuous amplifications at low frequencies (1-2 Hz) and 2-10 times amplifications at high frequencies, the predominant frequency is 3-10 Hz, and the attenuation at high frequencies is inconspicuous.
Key Words: temporary station    site response    Q value    Rushan region    
0 引言

地震波衰减特征研究为了解地球内部物理化学状态和物质组成,以及测定震源参数、震源机制和估算地震震级等提供了重要依据。许多破坏性地震表明,场地效应在结构破坏方面具有较大影响,在地震学和地震工程学中具有重要意义。

当中强以上地震发生后,在震区常立即布设流动地震台进行余震观测。因监测震情需要,流动台站常架设在土层等非基岩上,导致场地影响较大。如,利用地震资料计算震级时,因台站场地的放大作用,震级往往存在偏差。在计算震源参数时,需要扣除台站场地响应的影响(华卫等,2010)。因此,准确计算流动地震台站的场地响应尤为重要。

本文利用乳山地区14个流动地震台站记录的2013年10月1日乳山ML 3.8震群资料,基于Atkinson方法,计算该区非弹性衰减Q值,采用Moya方法,计算并分析各流动台场地响应,为流动地震台网数字地震资料的应用提供基础数据。

1 数据选取

2013年10月1日乳山地区发生ML 3.8地震后余震不断,形成震群活动,且于2014年1月7日、4月4日、9月16日及2015年5月22日,先后发生ML 4.7、ML 4.5、ML 4.1和ML 5.0地震,造成较大社会影响,震情形势复杂严峻。截至2016年3月1日,共发生ML < 0.0地震3 640次,0.0≤ML ≤0.9地震7 108次,1.0≤ML ≤1.9地震1 444次,2.0≤ML ≤2.9地震228次,3.0≤ML ≤3.9地震26次,4.0≤ML ≤4.9地震3次,ML ≥5.0地震1次,乳山地震序列Mt图见图 1

图 1 乳山地震序列Mt Fig.1 Mt map of the Rushan earthquake sequence

基于当前地震活动特点,对乳山震群开展详细研究。从2014年5月起,山东省地震局在乳山ML 3.8震中附近十几千米范围内架设18个流动地震台,组成台阵,见图 2。流动台记录大量高质量地震观测资料,为测定乳山地区流动台站场地响应提供了丰富数据资料。

图 2 流动台站分布 Fig.2 Distribution of mobile stations

本研究使用SH波资料,在处理波谱资料过程中,从第1个可识别S震相起始截取S窗,且S窗包含S波总能量的90%。S窗内波形被分成256个采样间隔,且相邻间隔有50%重合,对每段做傅里叶变换,两端取5%余弦边瓣,扣除仪器响应、噪声和自由表面效应,挑选信噪比大于2的地震记录,确定30个ML 2.5以上地震作为基础研究资料。

2 品质因子Q

经上述资料处理,可得任一地震在某一台站观测的剪切波傅里叶SH分量的谱振幅Aij (f),即

$ {A_{ij}}\left(f \right) = {A_{i0}}\left(f \right)R_{ij}^{-b}{{\rm{e}}^{ - c\left(f \right){R_{ij}}}}{S_j}\left(f \right) $ (1)

式中,Aij (f)为第j个台站观测到的第i个地震的谱振幅,f为频率,e为自然常数,Ai0(f)为第i个地震的震源谱振幅,b为几何扩散系数,Rij为震源距,c (f)为非弹性衰减系数,Sj (f)是第j个地震台站上的场地响应。

非弹性衰减系数c (f)与介质品质因子Q的关系为

$ Q\left(f \right) = \frac{{\log \left({\rm{e}} \right){\rm{ \mathsf{ π} }}f}}{{c\left(f \right){v_{\rm{S}}}}} $ (2)

式中,vS为S波速度。

S波几何扩散采用三段模型(Atkinson et al,1992)。山东地区平均地壳厚度H大约为36 km(林怀存,1989),模型参数取b1 = 1.0,b2 = 0.0,b3 = 0.5,R01 = 1.5 (H = 54 km),R02 = 2.5 (H = 90 km)。代入式(1),则成为对非弹性衰减系数c (f)和台站的场地响应Sj (f)的联合反演问题。

残差定义如下

$ {k_{ij}} = {\left[ {\log {A_{i0}}\left(f \right)} \right]_j} - \overline {\log {A_{i0}}\left(f \right)} $ (3)

式中,[log Ai0(f)]j为第j个台站记录到的第i个地震震源谱振幅,$\overline {\log {A_{i0}}\left(f \right)} $为第i个地震平均震源谱振幅,$\sum\limits_i {\sum\limits_j {\left| {{k_{ij}}} \right|} } $取极小值,计算步骤可参考刘杰等(2003)黄玉龙(2003)兰从欣等(2005)苗庆杰等(2016)的分析。通过反演得到乳山地区Q (f)与频率f的拟合关系(图 3),拟合公式为

图 3 乳山地区介质品质因子与频率关系 Fig.3 Relationship between Q-value and frequency in Rushan area
$ Q\left(f \right) = 57.8{f^{0.8562}} $ (4)

图 3可见,乳山地区Q (f)与频率f的拟合效果较好,图中Q0f = 1 Hz时的Q值,η为介质吸收系数。

介质品质因子Q值是构造活动性的一种量度,是描述介质的重要物理参数,与介质强度和均匀程度相关。地震波在构造活动稳定地区衰减较慢,品质因子Q值较大,构造活动强烈地区衰减较快,品质因子Q值较小。本研究通过得到乳山地区Q(f)与频率f的拟合关系Q(f) = 57.8f0.8562,与石玉燕等(2008)得到的山东地区Q(f)与频率f的拟合关系Q(f) = 297.4f0.558有一定差异,乳山地区较低Q值反映了该区构造相对活跃及地震活动性相对较强的特征。

3 场地响应确定

基于Moya等(2000)的方法,计算分析每个流动地震台场地响应。假设各台站场地响应与地震事件无关,采用遗传算法,调整震源谱参数,使场地响应标准差最小。在获得震源谱参数后,对比校正位移振幅谱与理论震源谱,即可得到台站场地响应(李祖宁,2012)。

对第i个地震在第j个流动地震台站观测的SH波傅里叶振幅谱进行几何扩散与非弹性衰减校正,即

$ O_{ij}^{{\rm{corr}}}\left(f \right) = {O_{ij}}\left(f \right){R_{ij}}\exp \left({\frac{{{\rm{ \mathsf{ π} }}{R_{ij}}f}}{{Q\left(f \right)v}}} \right) $ (5)

式中,$O_{ij}^{{\rm{corr}}} $是校正后振幅谱,Oij(f)是观测振幅谱,Rij是震源距,v是波速。

通过设定每个地震震源谱参数(Ω0fc),得到地震理论位移震源谱Ai0(f)。

$ {A_{i0}}\left(f \right) = \frac{{{\mathit{\Omega }_i}}}{{1 + {{\left({f/{f_{{\rm{c}}i}}} \right)}^2}}} $ (6)

则在第k个频率上,第i个地震对第j个流动地震台站的场地响应Sij(fk)为

$ {S_{ij}}\left({{f_k}} \right) = O_{ij}^{{\rm{corr}}}\left({{f_k}} \right)/{A_{i0}}\left({{f_k}} \right) $ (7)

式中,Ai0 (fk)为震源谱,Ω0fc分别为零频震幅和拐角频率。

在第k个频率上,计算第j个流动地震台站由不同地震得到的场地响应平均值mean(Sij (fk))和标准偏差std(Sij (fk)),采用遗传算法,调整每次地震的震源谱参数,使公式(8)的值最小。

$ {\rm{sum}}\sum\limits_j {\sum\limits_k {\frac{{{\rm{std}}\left({{S_{ij}}\left({{f_k}} \right)} \right)}}{{{\rm{mean}}\left({{S_{ij}}\left({{f_k}} \right)} \right)}}} } $ (8)

式中,std(Sij (fk))和mean(Sij (fk))分别为场地响应的标准方差和平均值,sum是场地响应函数的偏差。

4个流动台由于各种故障经常停运,没有记录到足够多的地震数据资料,无法计算其场地响应,故根据式(7)、式(8)计算乳山地区14个流动地震台场地响应,见图 4,图中细的浅灰色线条为由每次地震得到的台站场地响应,黑色的粗实线为台站场地响应平均值,L(f)表示放大倍数。

图 4 14个流动地震台站场地响应 Fig.4 The site responses for 14 stations

图 4可见,乳山地区流动台站场地响应在低频1—2 Hz范围内放大作用不明显,而在高频处放大作用比较明显,平均在2—10倍,卓越频率位于3—10 Hz,但这些台站的场地响应在高频处衰减并不明显。

4 结论

本文采用流动台记录到的乳山地震序列资料,计算得到乳山地区Q值随频率f的关系及流动地震台站场地响应,分析可以得出以下结论。

(1)乳山地区Q(f)与频率f的拟合关系Q(f) = 57.8f0.8562与山东地区的拟合关系Q(f) = 297.4f 0.558有一定差异。乳山地区的较低Q值反映了该区构造相对活跃及地震活动性相对较强的特征。

(2)流动地震台站场地响应结果表明,乳山地区14个流动台站场地响应在低频(1—2 Hz)放大作用不明显,在高频则平均放大2—10倍,卓越频率在3—10 Hz,且高频处场地响应衰减不明显。

(3)Moya方法仅依赖震源模型,假定地震满足Brune震源模型,计算得到绝对场地响应值,较能反映实际放大效应。

本工作得到中国地震局预测研究所赵翠萍研究员和华卫研究员帮助,在此深表感谢。

参考文献
华卫, 陈章立, 郑斯华. 利用不同方法估算流动台站的场地响应[J]. 地震, 2010, 30(3): 30-44.
黄玉龙, 郑斯华, 刘杰, 等. 广东地区地震动衰减和场地响应的研究[J]. 地球物理学报, 2003, 46(1): 54-61.
兰从欣, 刘杰, 郑斯华, 等. 北京地区中小地震震源参数反演[J]. 地震学报, 2005, 27(5): 498-507.
李祖宁, 杨贵, 陈光. 福建地区地震波非弹性衰减Q值、场地响应及震源参数研究[J]. 地震研究, 2012, 35(3): 381-386.
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苗庆杰, 刘希强, 石玉燕, 等. 利用遗传算法反演山东地区S波非弹性衰减及场地响应[J]. 震灾防御技术, 2016, 11(4): 800-807. DOI:10.11899/zzfy20160410
石玉燕, 郑斯华, 胡旭辉, 等. 山东地区地震动衰减和场地响应的研究[J]. 华南地震, 2008, 28(1): 92-100.
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