王 鑫尹战军郝美仙张 晖

1）内蒙古地震局监测预报研究中心，呼和浩特 010080

2）内蒙古地震局呼和浩特地震台，呼和浩特 010080

内蒙古地区场地响应区域特征分析1

王 鑫1)尹战军1)郝美仙1)张 晖2)

1）内蒙古地震局监测预报研究中心，呼和浩特 010080

2）内蒙古地震局呼和浩特地震台，呼和浩特 010080

本文以内蒙古地区台站分布、地质构造和地震活动性为基础，将内蒙古的大部地区划分为三个研究区域分别进行了场地响应研究。对近几年积累的大量ML≥3.0级以上地震，共计39个台站记录到的124次地震事件的785条波形，根据S波的观测振幅谱，采用遗传算法分别反演了三个区域的介质非弹性衰减系数和台站场地响应，并对其进行了讨论。本文得到的介质衰减模型和台站场地响应，将对台网测定ML震级需要考虑的量规函数、台站校正值等提供重要参考。研究结果表明：除个别台站存在场地放大或缩小的响应外，绝大多数台站的场地响应表现出一定的区域性特征；西部区域（除极个别台站外）对高频存在明显衰减；中东部区域对整个频段的反映都比较稳定；东部区域对整个频段存在明显放大，这与该区域覆盖层厚度大相吻合。

内蒙古地区 非弹性衰减 Q值 震源谱 遗传算法 场地响应

王鑫，尹战军，郝美仙，张晖，2015.内蒙古地区场地响应区域特征分析.震灾防御技术，10（1）：163—172.doi：10.11899/ zzfy20150117

引言

地震波是地震发生时由台站地震仪器记录到的波形，它是经过传播路径、仪器、场地等因素的调制作用后才形成的地震记录，所以它包含了地震震源、地震波传播路径、仪器影响和场地响应等信息，是一种综合信息。基于地震学理论和各种计算技术，从地震波记录中解析出地震波传播介质和场地响应信息是地震研究的重要内容。

近年来国内外学者在利用数字化地震资料反演场地响应方面做了大量的工作。目前采用的震源、场地谱联合反演技术是在假定介质的几何扩散、介质的非弹性衰减均为已知的基础上进行的，这种方法只能计算震源参数与台站的场地响应。也有学者在假定岩石场地的响应为1的基础上（Atkinson 等，1992），提出震源参数、介质衰减特征及相对于岩石台站场地响应的联合反演技术。然而近年来的研究表明，岩石台站在地表并不是完全没有场地响应（Moya等，2000；章文波等，2001），因此，所谓联合反演方法得到的场地响应只是相对的，采用该方法得到的震源参数等会存在一定的偏差。Moya等（2000）和刘杰等（2003）提出采用遗传算法来联合反演各种参数，这种方法的最大优点是能得到台站的绝对场地响应，所以得到的震源参数也是比较可信的。另外还应注意到，采用Moya等（2000）方法时的限制是，每次地震的震源谱参数初值必须小于基岩台站的震源谱振幅低频水平，其隐含的假定就是基岩台站的场地响应应接近于1（刘杰等，2003）。

本文采用内蒙古测震台网2007—2013年间记录质量较高的地震事件波形资料，在介绍了以上两种方法的原理和计算步骤的基础上，基于遗传算法，使用ISDP2.2软件（中国地震局地震预测研究所）分别计算了三个研究区域的介质品质因子Q值和台站的场地响应。采用Atkinson等（1992；1995）的方法，得到了三个研究区域的品质因子Q与频率f 的关系式。从场地响应计算结果看，除个别台站因为受特殊地质环境影响外，三个研究区域内台站的场地响应均表现出明显的区域性特征。

1 观测资料

内蒙古测震台网在“十五”数字网络化项目期间建成并正式运行。测震台网由39个台站组成，而且全部台站都安装了宽频带三分向地震计，部分台站还配备了甚宽带、超宽带地震计。其中大部分台站都位于基岩上，部分台站岩性脆弱，有砂岩和灰岩等。宽频带三分向地震计在较大频率范围内具有速度平坦的响应，低端频率可以达到0.0028Hz，高端频率可以达到50Hz，这对于所研究的地震都能有较好的记录，而且地震计的有效动态范围优于120db，信号以100Hz采样率实时传输。

内蒙古自治区东西跨度接近3000km，而纵深却很小、且十分不规则，因此台站分布较为稀疏，现在阿拉善盟仍为地震监测空区。笔者结合内蒙古地区台站的基岩特征，将内蒙古地区划分为三个小的研究区域。表1、表2和表3分别列出了这三个研究区域内，台站地震计型号、频带范围、台基岩性等情况。

表1 中西部区域17个台站基本参数Table 1 Basic parameters of 17 stations in the middle west area

续表

表2 中东部区域11个台站基本参数Table 2 Basic parameters of 11 stations in the middle east area

表3 东部区域11个台站基本参数Table 3 Basic parameters of 11 stations in the east area

本文选取2007—2013年间内蒙古地区的地震波形资料，把从S波到时开始，包含S波能量90%的时间窗作为“S窗”进行记录位移谱的计算。计算采用Chael（1987）的平移窗谱方法，用以获得观测信号傅立叶谱。在对傅立叶谱进行仪器响应校正和噪声校正后，合成两个水平分量以得到信号观测位移谱。可以筛选其中信噪比大于等于2的，且要求同1个地震至少被3个台站记录到、1个台站至少可以记录到3个地震；同时要求研究区域内的地震射线要覆盖均匀，围绕地震选择均匀分布的台站记录。根据以上要求，笔者确定了用于计算的地震记录为3.0≤ML≤5.3，震中距在20—400km范围。最终，在内蒙古中西部研究区域共选定了50个地震事件的344条波形记录；在内蒙古中东部研究区域共选定了33个地震事件的189条波形记录；在内蒙古东部研究区域共选定了41个地震事件的252条波形记录。具体如图1所示。

图1 台站分布与选取的地震震中分布图Fig.1 Distribution of earthquakes and stations in this study

2 品质因子Q值的测定

在对S波资料进行处理时，在频率域中，第j个台站记录到的第i个地震的S波傅立叶谱振幅（速度）可表示为（刘杰等，2003）：

式中，Ai0(f)为第i个地震的震源谱振幅；Rij为第j个台站记录到的第i个地震的震源距；G( Rij)为几何衰减系数；Q( f)为品质因子；Sj(f)为第j个台站的场地响应；Vs为剪切波波速。

对式（1）取对数可得：

其中非弹性衰减系数c( f)与介质品质因子Q( f)有如下关系：

参照Atkinson等（1992；1995）的结论，几何衰减采用互相衔接的三段几何衰减模型：

式中，b1=1、b2=0、b3=0.5；R01=1.5H、R02=2.5H，其中H为区域地壳厚度（内蒙古三个研究区域的地壳厚度不一，西部地壳平均厚度大的为43km；中东部和东部均为37km左右）。

根据Atkinson等（1992）的假定，所有台站场地响应为1，可通过迭代反演求出c( f)和Sj(f)，其残差定义为：

非弹性衰减系数c( f)采用下式计算：

当残差总和sum极小时，得到的参数可用于求取场地响应：

式中，mj为第j个台站记录到的地震事件数。

将（7）式结果代入，重新计算c( f)，并重复（2）、（3）式计算，使残差总和sum达到最小，可得到该区域的非弹性衰减系数c( f)，并通过（3）式求得介质的品质因子Q( f)（Atkinson等，1992；1995）。

通过上述计算，笔者得到了三个研究区域的介质品质因子Q与频率f的关系式分别为：中西部区域Q( f)=817.43f0.1902；中东部区域Q( f)=458.48f0.3980；东部区域Q( f)=393.37f0.4164。

3 场地响应Site原理及结果

3.1 多台多地震联合反演场地响应原理

本文采用平移窗方法计算NS分量和EW分量的记录谱（Atkinson等，1992）。当去掉仪器响应和噪声后，合成两分量、并通过坐标旋转除以2πf可得到水平分量的位移谱。对于地表地震计的记录谱还需要除以2，用以扣除台站的自由表面效应，然后采用遗传算法来反演场地响应和震源参数。

在几何扩散和非弹性衰减Q( f)已知的情况下，在某个频率f处，经过上述校正后第j个台站记录到的第i个地震的观测谱为：

式中，Ai0(f)为第i个地震的震源振幅谱；Pij(f)为第i个地震到第j个台站的传播路径效应；Sj(f)为第j个台站的场地响应项。

假定每个地震都满足Brune（1970）模型，再设定每个震源的震源谱参数Ω0和fc（Ω0为震源谱低频水平，fc为拐角频率），可得到每个地震的理论震源谱：

在第k个频率上，第i个地震对第j个台站的场地响应为：

在第k个频率上，计算第j个台站的由不同地震得到的场地响应的平均值和标准偏差：

利用遗传算法反复迭代给定范围内所有地震的震源谱参数Ω0和fc值，并对其不断进行调整，使残差达到极小：

在震源谱参数确定的情况下，利用（10）式计算各个台站的场地响应并取平均值。笔者在反演计算中发现，采用遗传算法计算的残差结果收敛速度较为缓慢，迭代500次时的结果才比较稳定，为此，笔者在实际计算中对三个研究区域都统一选择迭代600次。

3.2 三个研究区域的计算结果

3.2.1 内蒙古中西部研究区域

图2给出了中西部研究区域的17个台站场地响应。从图中可以看出，17个台站的场地响应在频率为1—20Hz范围内时，场地响应因子的范围为0.2—4。场地响应等于1，表明场地对地震波信号没有影响；场地响应小于1，表明场地对地震波信号有衰减作用；场地响应大于1，则对地震波信号有放大作用。17个台站的场地响应在低频（1—2Hz）范围接近1，或略有放大，大部分台站高频部分明显衰减。其中，BYT台在低频放大因子为1—2，高频衰减至0.2；BHS台在1—20Hz放大因子为1—4，放大效应明显；WJH、DSM、XSZ台在低频接近1，高频略有衰减；BLM、RLT台整体较为平稳且接近于1；WUH、HHC、LCH、BATO、JIN台的场地响应在大于10Hz后，随地震波频率增大而明显减小。

3.2.2 内蒙古中东部研究区域

图3给出了中东部研究区域内11个台站场地的响应曲线。从图中可以看出，11个台站的场地响应在频率为1—20Hz范围内时，有10个台站的场地响应因子范围为0.4—2，表明场地对地震波影响不尽相同，但变化幅度不大。大部分台站场地响应放大因子在低频（1—2Hz）范围接近于1，其中，BAC、LIX、NIC、CHF、XIH、LUB台在频率1—20Hz接近于1；AGL、JIP台在低频接近1，高频衰减，尤其是AGL台在1—20Hz范围内，从1衰减至0.07，衰减幅度大且明显；HLH台在低频放大因子为2—3，高频接近1；XLT、TIS台则是低频有衰减、高频反而平稳接近1。

图2 内蒙古中西部17个台站的场地响应均值曲线Fig.2 The mean response curve of 17 stations in the middle west of Inner Mongolia

图3 内蒙古中东部11个台站的场地响应均值曲线Fig.3 The mean response curve of 11 stations in the middle east of Inner Mongolia

3.2.3 内蒙古东部研究区域

图4给出了东部研究区域的11个台站场地响应。从图中可以看出，10个台站的场地响应在频率为1—20Hz范围内时，场地响应因子的范围为0.5—5。其中，ARS、GNH台在频率1—20Hz范围的场地响应略大于1，但接近1，较为稳定；WLT、MZL台在低频接近1，高频出现放大因子至2—4；XIQ、MDG、CHR、ZLT、NJT、IDR台的场地响应存在明显的放大效应，最大达到5；HLR台在低频明显衰减，高频在1左右。由此可见，该研究区域的大部分台站场地放大效应明显。

图4 内蒙古东部11个台站的场地响应均值曲线Fig.4 The mean response curve of 11 stations in the east of Inner Mongolia

4 分析与结论

本文利用遗传算法联合反演Q值和台站场地响应，得到的Q值是所有射线行走路径穿过的地壳介质的平均值（赵翠萍等，2004）。场地响应结果显示，三个研究区域的39个台站的场地响应在频率1—20Hz范围内，场地衰减或放大效应不一，所以即使是基岩台站的场地响应也不能简单取1。

内蒙古中西部地区的17个台站与频率有关的场地响应显示出以下四种变化特征：BLM、RLT台的场地响应接近于1、且变化平稳，这反映出2个台站基岩较为稳定；WUH、DSM、WJH、XSZ、DOSH、BATO、CSQ、WLH、HLG、LCH台的场地响应低频接近于1，高频衰减，这与这些台站基岩较为坚硬或台站所处的地质环境影响有关，这些台站大多位于构造和断裂带附近；BYT、HHC、JIN、QSH台的场地响应低频放大，高频衰减，这可能与台基位于软的沉积层受场地影响有关，这些台站的台基岩性都较为脆弱，多为砂岩或灰岩；BHS台的场地响应呈现出明显的场地放大，这可能是受场地周围介质影响，与台站周围覆盖层较厚有关。相关的研究表明，土层台对低频率波放大作用高于对高频率波的放大作用（朱新运，2012）。河套盆地周围的几个观测环境基本相同的DSM、WJH、XSZ台，其场地响应曲线形态基本一致，这在一定程度上反映出该地区的场地特征。特别是该区域整体场地衰减效应明显，说明该区域的台基较为坚硬。

内蒙古中东部研究区域11个台站的场地响应显示出以下四种变化特征：BAC、LIX、NIC、CHF、XIH、LUB台的场地响应接近于1，说明基岩较为稳定；AGL、JIP台的场地响应低频接近于1，高频衰减，这与台站所处的地质环境影响有关；HLH台的场地响应低频放大，高频接近于1，这可能是受台基位于软的沉积层场地影响，台基风化较为严重；XLT、TIS台的场地响应呈现出明显的低频略有衰减，高频接近于1，这可能是受场地周围特殊介质环境影响。开鲁盆地周围靠近隆起带的NIC、CHF、XIH、LUB、TIS台的场地响应形态基本一致，这反映出该地区的场地特征。特别是该区域的大部分台站场地响应都在1左右，说明该区域的台基相对来说比较稳定和理想。仅AGL台有明显的场地衰减效应、且幅度大，这可能与特殊台基或断裂构造有关，还需做进一步的研究。

内蒙古东部研究区域11个台站的场地响应显示出以下四种变化特征：ARS、GNH台的场地响应接近于1、但略大于1，平稳变化，这反映出这些台站基岩较为稳定；WLT、GNH台的场地响应低频接近于1，高频放大，这可能与台站所处的周围地质环境影响有关，因为台站周围存在有一定厚度的覆盖层或基岩不理想的情况；XIQ、MDG、CHR、ZLT、NJT、IDR台的场地响应存在明显的放大效应，这也是由于受台基位于软的沉积层或者周围场地的影响，因为该地区存在较厚的覆盖层；HLR台的场地响应呈现出明显的低频衰减，高频接近于1，这可能与场地周围特殊介质环境有关，因为该台站与周围山体构造连续相对应。一般来说，由于密度和波速相对较低会造成介质的阻抗较小（介质的阻抗等于密度和波速的乘积），而地震波的振幅与阻抗的平方根成反比，当地震波传到低速、低密度固体中时，振幅会增大。因此，与靠近位于基岩上的场地相比，不理想的台站场地上由同一个地震产生的晃动更为剧烈（华卫等，2010）。内蒙古东部研究区域的台站场地响应都存在不同程度的放大，这反映出该地区存在较厚覆盖层的情况，同时也在一定程度上反映了该地区的场地特征，其台基最大放大为5倍，放大效应明显。根据对台站的实地考察，该区域的大部分台站理想基岩之上有松软土层，或者场地表层的岩石与理想基岩不连续，破碎程度高，有松散等情况。

台站场地响应主要受台站基底岩性以及场地所处的浅层地质条件、沉积场地的覆盖层厚度等多种因素的影响。本文的研究成果可以作为台网基础性参数，对进一步研究震级校正等有重要意义。

致谢：本研究得到了中国地震局预测研究所赵翠萍、王洪体老师的帮助与指导，在此深表感谢。

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Regional Characteristic Analysis on Site Response of Digital Stations in Inner Mongolia

Wang Xin, Yin Zhanjun, Hao Meixian and Zhang Hui
(Earthquake Administration of Inner Mongolia，Hohhot 010080，China)

Inner Mongolia region is divided into three areas on the basis of seismic activity, station layout and geological tectonics, in which 785 waveform recordings of 124 earthquakes with MLequal or greater than 3.0 from 39 stations are processed in this study. We applied a lag-window spectral technique to obtain a stable Fourier spectrum of signals and noises. By adopting Genetic algorithm, reflected respectively transmission medium inelastic attenuation coefficient and station site response of three different tectonic regions are analyzed in order to obtain medium attenuation model and spectrum of station site response, which will be significant in providing important reference to earthquake magnitude corrected value of station. The results show that site response of most stations is of regional characteristics. In specific, high frequency shows strong attenuation for stations in western region; whereas no strong attenuation from stations in middle east region; remarkable enhancement of whole frequency arrangement from stations in eastern region. The above observation is in good agreement with the thickness variation of covering layer in the area.

Inner Mongolia region；Q value；Inelastic attenuation；Genetic algorithm；Site response；The source spectrum

中国地震局“测震台网青年骨干培养专项”—内蒙古测震台站场地响应及其对震级影响研究（20130204）资助

2014-06-06.

王鑫，男，生于1982年。2007年毕业于内蒙古大学物理系，工程师。主要从事台网地震监测与系统运维工作。E-mail：wangxin0111@163.com