熊 成 ,葉秀薇 ,張嚴(yán)心

(1.廣東省地震局,廣州 510070;2.中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點實驗室,廣州 510070;3.廣東省地震局廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點實驗室,廣州 510070)

0 引言

場地響應(yīng)是指場地上覆蓋層對地震波振幅的影響,很多震害調(diào)查表明地震波在傳播到地表的沉積層時,振幅一般會有增大現(xiàn)象,松軟沉積層的振幅放大倍數(shù)遠(yuǎn)大于基巖場地[1]。測震臺站的場地響應(yīng)影響到臺網(wǎng)數(shù)據(jù)的產(chǎn)出,臺網(wǎng)測定的震級結(jié)果也會受到影響。因此,研究臺站場地響應(yīng)進(jìn)行研究不僅能服務(wù)于地震預(yù)測和地震危險性研究,而且可以提高臺網(wǎng)產(chǎn)出數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

場地響應(yīng)的計算方法主要有傳統(tǒng)譜比法和線性反演法等參考場地法[2-3],以及Moya法和H/V譜比法等非參考場地方法[4-5]。參考場地法對參考場地的要求比較嚴(yán)格,實際工作中往往很難找到合適的理想場地,而非參考場地法則可避免這一難題。但是非參考場地法中被廣泛采用的Moya法則需要豐富的地震事件,若地震事件的數(shù)目不足,就會導(dǎo)致射線覆蓋稀疏,從而不能得到準(zhǔn)確的場地響應(yīng)。

廣東地區(qū)歷史上曾經(jīng)多次發(fā)生6級以上地震,造成了較為嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。歷史地震記錄和現(xiàn)代地震記錄數(shù)據(jù)都表明廣東地區(qū)存在一定的地震威脅[6-9],因此對廣東地區(qū)的場地響應(yīng)分析是十分必要的。黃玉龍等[10]曾利用44個地震的249條記錄得到了廣東地區(qū)14個臺站的場地響應(yīng),結(jié)果顯示這些臺站均沒有明顯的放大效應(yīng)。隨著地震觀測網(wǎng)絡(luò)的加密,廣東臺網(wǎng)的數(shù)字測震臺站已經(jīng)增加到了72個（圖1）。然而,目前對于這些臺站的場地響應(yīng)研究卻比較缺乏。而且廣東地區(qū)地震活動分布不均[6],部分區(qū)域射線覆蓋密度較小,因此用Moya法很難全面地反映廣東地區(qū)場地響應(yīng)的真實情況。而近年來比較流行的H/V噪聲譜比法既避開了參考場地的選擇困難,又不依賴于豐富的地震事件,操作簡便且結(jié)果可信[11],近年來得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[12-17]。本文基于H/V譜比法,利用廣東測震臺網(wǎng)記錄的背景噪聲數(shù)據(jù),得到了各臺站的場地響應(yīng)新結(jié)果。

1 方法

場地放大效應(yīng)的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換函數(shù)的譜比法[3]為：

式中HS(f)和HB(f)分別為沉積場地和基巖觀測記錄的水平分量頻譜。Nakamura[5]利用深井微震實驗發(fā)現(xiàn),在基巖處地震動的水平分量HB(f)和垂直分量頻譜VB(f)基本相等,且基巖處的垂直分量頻譜VB(f)和沉積場地的垂直分量頻譜VS(f)也大致相當(dāng),即HB(f)≈VB(f)≈VS(f),因此將Se簡化為：

場地觀測的地脈動水平分量HS(t)和垂直分量VS(t)由環(huán)境噪聲源（S）、傳播路徑（P）、場地效應(yīng)（T）、儀器響應(yīng)（I）等信息組成。因此,信號的水平分量HS(t)和垂直分量VS(t)可以表示為

方程式（2）和（3）可轉(zhuǎn)換為頻域,并表達(dá)為:

（5）式和（6）式相除可得

因此,通過頻率域中的水平分量和垂直分量(H/V)頻譜比,可以有效的剔除不同噪聲源、傳播路徑和儀器響應(yīng)的影響,獲得反映場地頻率特性的信息[15,18,19]。

圖1 廣東地區(qū)測震臺站及本文所用地震分布圖Fig.1 Distribution of seismic stations in Guangdong and earthquakes used in this paper

2 噪聲數(shù)據(jù)與處理

本文挑選廣東臺網(wǎng)72個測震臺站（圖1）的地脈動波形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。為了得到更準(zhǔn)確的H/V譜比曲線,使用長短時窗平均振幅比算法（STA/LTA）來剔除瞬時信號,長時窗取30 s,短時窗取1.0 s,STA/LTA比最小值設(shè)為0.2,最大值設(shè)為2.5。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)以100 s窗長進(jìn)行分段處理,分別計算垂直向和水平向傅立葉譜(由東西向和南北向信號譜均方根得到),并采用Konno-Ohmachi平滑算法(取平滑系數(shù)為40)計算該時窗的H/V譜比[20];最后對得到的所有時窗H/V譜比加以平均,得到每個觀測點的H/V譜比曲線。

為了了解觀測數(shù)據(jù)的時長對H/V譜比曲線的影響,我們對不同時間長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以SHG臺為例,先測試時間長度為2 h的數(shù)據(jù),然后以2 h的增量依次遞增到時間長度為24 h,共計算得到12組數(shù)據(jù)的H/V譜比曲線（圖2a）。結(jié)果顯示,12組曲線形態(tài)幾乎完全一致,即2～24 h的數(shù)據(jù)得到的H/V譜比結(jié)果幾乎沒有差別。因此為了減少工作量,本文對各臺站均截取2 h的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

為了進(jìn)一步了解一天中不同時段的數(shù)據(jù)對H/V譜比曲線的影響,我們將一天的數(shù)據(jù)（00:00～24:00）以2 h為間隔分為12組,計算得到每一組的H/V譜比曲線（圖2b）。結(jié)果顯示,12組曲線的形態(tài)十分相似,只有0.2 Hz以下的低頻段有部分差異,這種差異很可能是由人類活動噪聲產(chǎn)生的。因此為了減少人類活動的影響,我們選取各臺站凌晨時間（02:00～04:00）數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。

圖2 觀測數(shù)據(jù)時長和時段的參數(shù)對比Fig.2 Parameter comparison of time length and time period of observation data

圖3 無明顯放大的臺站場地響應(yīng)Fig.3 Site response of stations without obvious amplification

3 場地響應(yīng)與分析

3.1 場地響應(yīng)計算結(jié)果

運用上述分析方法和數(shù)據(jù),得到了廣東測震臺網(wǎng)72個臺站在0.1～20.0 Hz內(nèi)的場地響應(yīng)。根據(jù)各臺站的H/V譜比曲線形態(tài),可將廣東臺網(wǎng)的臺站分為4類。

（1）無明顯場地放大作用的臺站（圖3）。擔(dān)桿島臺（DGD）、潮州臺（CHZ）等32個臺站屬于這種類型。此類臺站在0.1～20 Hz內(nèi)的場地響應(yīng)曲線平緩,無明顯波峰,放大倍數(shù)在1附近。說明這些臺站沒有明顯的放大效應(yīng),觀測環(huán)境較好。

（2）局部頻段有較明顯場地放大作用的臺站（圖4）。澄海臺（CHH）、電白臺（DNB）等32個臺站屬于這種類型。此類臺站在大部分頻率范圍無明顯放大現(xiàn)象,僅在部分頻段出現(xiàn)高值。不同臺站的放大頻率點不同,以超過5Hz的高頻居多,放大頻率點對應(yīng)的場地放大倍數(shù)也不同,但基本小于3。說明這些臺站在部分頻段具備一定的放大效應(yīng)。

（3）有輕微場地縮小作用的臺站（圖5a）。和平臺（HEP）、揭陽臺（JIX）等4個臺站屬于這種類型。此類臺站在0.1～20 Hz內(nèi)大部分頻段的譜比值都略小于1。說明這些臺站在表現(xiàn)出一定的縮小效應(yīng),需要后續(xù)進(jìn)一步研究出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因。

圖4 有較明顯放大的臺站場地響應(yīng)Fig.4 Site response of stations with more obvious amplification

（4）場地響應(yīng)曲線起伏大的臺站（圖5b）。遂溪臺（SXI）、徐聞臺（XWN）和陽西臺（YGX）這3個臺站的場地響應(yīng)曲線具有1個或多個明顯的波峰,波峰處放大效應(yīng)較大。唐家臺（TNJ）的場地響應(yīng)比較異常,大部分頻段的場地響應(yīng)都明顯小于1。這些臺站的場地響應(yīng)曲線起伏變化劇烈大,對觀測質(zhì)量產(chǎn)生影響,需要關(guān)注并改善。

圖5 有輕微縮小的臺站場地響應(yīng)（a）和場地響應(yīng)曲線起伏大的臺站（b）Fig.5 Site response of stations with slightly reduce (a) and stations with larger fluctuation of H/V spectrum radio curve.

3.2 基巖對結(jié)果的影響

通過對這些臺站的基巖分析發(fā)現(xiàn),硬度較大的花崗巖和灰?guī)r臺站場地放大作用較小,場地響應(yīng)曲線變化平緩,僅少量花崗巖臺站的場地響應(yīng)在部分頻段偏大,可能與其基底被風(fēng)化有關(guān);砂巖臺站的場地響應(yīng)差異較大,部分臺站場地響應(yīng)在1附近,而部分臺站的峰值接近10,這與不同砂巖的致密程度有關(guān);玄武巖臺站全部分布在雷州半島,場地響應(yīng)曲線起伏劇烈,多數(shù)表現(xiàn)出明顯的放大現(xiàn)象,這應(yīng)該是玄武巖基底結(jié)晶程度較差、發(fā)育氣孔構(gòu)造造引起的;其他巖性基底的臺站由于樣本較少不能總結(jié)出明顯的規(guī)律。總體上來看,臺基巖石越堅硬、結(jié)構(gòu)越致密,場地響應(yīng)越接近于1(圖6)。

圖6 各類型基巖的臺站場地響應(yīng)Fig.6 Site response of stations on various types of bedrock.

3.3 與前人結(jié)果對比

黃玉龍等[10]曾挑選1999—2001年期間44次ML≥2.5地震的249條記錄,對廣東地區(qū)14個臺站的場地響應(yīng)進(jìn)行了研究。為了比較前人的場地響應(yīng)結(jié)果與本文結(jié)果的差異,我們對其中11個臺站進(jìn)行了對比（圖7）。

可以發(fā)現(xiàn),除了當(dāng)年地震計標(biāo)定參數(shù)可能出問題的臺山臺（TIS）以外[10],大部分臺站的場地響應(yīng)結(jié)果都十分接近。一方面是由于各臺站的臺基情況普遍較好,場地響應(yīng)均在1附近;另一方面也說明兩種不同的方法對場地響應(yīng)的計算都是比較可靠的。

另外也可以發(fā)現(xiàn),兩種方法所得結(jié)果在韶關(guān)臺（SHG）和信宜臺（XNY）部分頻段中有少許差異,我們認(rèn)為這是由于黃玉龍等[10]所選用的地震事件對這兩個臺站的射線覆蓋不足,從而導(dǎo)致場地響應(yīng)結(jié)果出現(xiàn)誤差,而本文所用的H/V譜比法不受地震事件的限制。

圖7 本文結(jié)果與黃玉龍等[10]得到的場地響應(yīng)結(jié)果對比Fig.7 Comparison of results between this paper and Huang.et al[10].

4 場地響應(yīng)對ML 震級的校正

4.1 震級計算方法

很多學(xué)者發(fā)現(xiàn)如果在測量震級時消除場地響應(yīng)的影響[16-17],可以有效提升震級計算結(jié)果的精確度。測定單臺地方性震級的計算公式[21]為,

式中,A為以μm為單位的兩水平向地動位移最大振幅的算術(shù)平均值,;R1(Δ)為量規(guī)函數(shù)。地震事件的最終震級是由所有記錄臺站單臺震級的算術(shù)平均值確定。

設(shè)定地震事件總數(shù)為P,每個地震事件所記錄到的子臺數(shù)量為N,由式(8)求得第i個地震事件中第j個子臺測定的單臺震級MLij,由式(9)求得第i個地震事件的臺網(wǎng)平均震級MLj

然后,由式(10) 求第i個地震事件中第j個子臺的單臺震級與臺網(wǎng)平均震級的偏差ΔMLij,

最后,由以下公式可得到第j個子臺記錄到的所有地震事件單臺震級的平均偏差ΔMLj。

4.2 數(shù)據(jù)與處理

為了分析廣東測震臺站的震級偏差與其場地響應(yīng)之間的關(guān)系,我們選取了2011年1月至2019年10月廣東臺網(wǎng)記錄到的地震進(jìn)行分析。為保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量和分析結(jié)果的可靠性,本文按以下條件對數(shù)據(jù)進(jìn)行挑選：(1)地震震級ML≥2;(2)每個地震至少有5個臺站的記錄數(shù)據(jù);(3)去除記錄地震次數(shù)少于100次的臺站;(4)去除場地響應(yīng)曲線起伏非常大的臺站。按上述原則我們重新計算臺網(wǎng)平均震級,最終得到地震事件852個,單臺震級記錄16 790條,參與計算的臺站48個。參與計算的臺站參數(shù)及單臺平均震級殘差見表1。

對比這48個臺站的場地響應(yīng)結(jié)果（圖3～圖5）和震級殘差結(jié)果（表1）,發(fā)現(xiàn)大部分臺站的場地響應(yīng)結(jié)果與震級偏差具有較好的關(guān)系,即場地響應(yīng)放大的臺站,震級偏大;場地響應(yīng)縮小的臺站,震級偏小;場地響應(yīng)無放大縮小的臺站幾乎無震級偏差。以LIZ、HEP和HEJ為例,這3個臺站場地響應(yīng)分別表現(xiàn)出無放大縮小、縮小和放大作用,它們的震級偏差分別為-0.05、-0.23和0.37。

但是另外有HYJ、MEZ、NPD、TIX、XFJ、YGD、YGJ等7個臺站,它們的震級殘差卻與場地響應(yīng)結(jié)果不相符,例如HYJ臺站,場地響應(yīng)值在1左右,理論上不會出現(xiàn)大的震級偏差,但它的震級殘差卻為-0.21。這是因為造成震級偏差的因素很多,除了場地響應(yīng)外,還有量規(guī)函數(shù)、方位角等[22]。陳貴美等曾對廣東臺網(wǎng)的震級偏差進(jìn)行了研究[23],發(fā)現(xiàn)量規(guī)函數(shù)對震級計算有較大影響,并給出了震中距與震級差的關(guān)系（圖8a）,大體規(guī)律是：震中距0～100 km,震級平均偏差為負(fù);震中距100～300 km,震級平均偏差在0附近;震中距超過300 km,震級平均偏差為正。本文統(tǒng)計了HYJ等7個臺站所使用地震樣本的震中距（圖8b～ 圖8h）,發(fā)現(xiàn)它們震級偏差很可能是量規(guī)函數(shù)的誤差造成的,震級偏差為負(fù)的臺站,震中距小于100 km的地震數(shù)比例較高;反之,震級偏差為正的臺站,震中距大于300 km的地震數(shù)比例較高。對于量規(guī)函數(shù)導(dǎo)致的震級偏差,本文暫不深入討論。

圖8 量規(guī)函數(shù)對震級的影響Fig.8 The influence of the calibration function on the magnitude

4.3 場地響應(yīng)對震級的影響

為了分析場地響應(yīng)對震級的影響,我們挑選了場地響應(yīng)明顯或者平均震級偏差較大的22個臺站進(jìn)行場地響應(yīng)校正（表1）,受量規(guī)函數(shù)影響比較大的臺站不進(jìn)行校正。根據(jù)式（8）重新計算22個校正臺去除其場地響應(yīng)后得到的單臺震級,式中,A為去除場地響應(yīng)后兩水平向地動位移最大振幅的算術(shù)平均值,,AEW、ANS分別為EW向和NS向S波的最大振幅;SEW、SNS分別為EW向和NS向S波振幅的放大倍數(shù),該放大倍數(shù)根據(jù)實際量取地震波周期對應(yīng)頻率的場地響應(yīng)獲取。

圖9 HEJ臺站和HEP臺站的場地響應(yīng)和單臺震級殘差統(tǒng)計Fig.9 Statistics of site response and single magnitude residuals of HEP Station and HEJ Station

校正完成后,再根據(jù)公式（9）、（10）和（11）重新計算得到852個地震新的平均震級和48個臺站新的平均震級殘差（表1）。由于新的震級殘差是由新的平均震級計算而來,因此即使未進(jìn)行校正臺站的震級殘差也會發(fā)生輕微變化。

從表1中校正效果（負(fù)值代表殘差減小,正值代表殘差增加）來看,殘差減少的居多,這在一定程度上能減小整個臺網(wǎng)測震的震級殘差,說明對臺站進(jìn)行場地響應(yīng)校正是有意義的。校正后大部分臺站的震級殘差變化不大,多數(shù)在0.10以內(nèi),這是因為廣東臺網(wǎng)臺站的臺基情況普遍較好,絕大多數(shù)臺站無放大效應(yīng)或者僅局部頻段有一定放大效應(yīng)（圖3～圖5）,因此對他們進(jìn)行場地響應(yīng)校正的作用有限。同時可以看出,部分臺站的震級偏差有明顯改善,如HEJ、HEP、LTK、SHD等臺站的平均震級殘差減小了0.10～0.25。以HEP和HEJ臺站為例（圖9）,這2個臺站的場地響應(yīng)明顯偏離1,校正前的平均震級殘差分別為-0.23和0.37,震級殘差直方圖的整體分布明顯偏離0,校正后這兩個臺的平均震級殘差分別為-0.07和0.13,殘差分別減少了0.16和0.24,震級殘差直方圖的整體分布更靠近0。說明對于場地響應(yīng)明顯的臺站,場地響應(yīng)的校正可以有效提高其震級準(zhǔn)確性。

綜上說明,應(yīng)用場地響應(yīng)分析結(jié)果能夠減小在一定程度上減小整個臺網(wǎng)測震的震級殘差,可以非常顯著地改善部分臺站的單臺震級殘差。

表1 廣東臺網(wǎng)48 個臺站校正前后的平均震級殘差統(tǒng)計Table 1 Statistics of average magnitude deviation of 48 stations in Guangdong Seismic Network before and after correction

5 結(jié)語

采用譜比法對廣東測震臺網(wǎng)72個臺站記錄到的地脈動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,得到了各臺站的場地響應(yīng),并進(jìn)一步分析了各臺站的震級偏差與場地響應(yīng)之間的關(guān)系。得到以下結(jié)論：

(1) 廣東測震臺網(wǎng)72個臺站中有32個無明顯場地放大作用的臺站,32個臺站有較明顯場地放大作用,另外還有4個表現(xiàn)輕微場地縮小作用的臺站和4個場地響應(yīng)曲線起伏劇烈的臺站。

(2) 總體而言,基巖的硬度越大,場地放大作用越小,且場地響應(yīng)曲線變化平緩?；鶐r的結(jié)構(gòu)對場地作用影響較大,發(fā)育氣孔構(gòu)造的玄武巖普遍表現(xiàn)出明顯的場地放大作用。

(3) 大部分臺站的震級偏差結(jié)果與它們的場地響應(yīng)具有一定關(guān)系,即場地響應(yīng)放大的臺站,震級偏大;場地響應(yīng)縮小的臺站,震級偏小;場地響應(yīng)無放大縮小的臺站幾乎無震級偏差。場地響應(yīng)校正能夠在一定程度上減小整個臺網(wǎng)測震的震級殘差,對于場地效應(yīng)明顯的臺站,可以非常顯著地改善其震級偏差。

(4)部分臺站的震級偏差結(jié)果與他們的場地響應(yīng)結(jié)果不符,這種偏差很可能是量規(guī)函數(shù)的誤差造成的。

致謝：感謝審稿專家給出的寶貴意見，本文繪圖均使用GMT程序繪制，在此一并表示感謝。