1、鄂尔多斯地块地壳内 S 波衰减特征的研究第 27 卷第 5 期2005 年 9 月(488497)地震ACTASEISMOLOGICASINICAVo1.27.NO.5Sep.,2005文章编号:02533782(2005)05 048810鄂尔多斯地块地壳内 S 波衰减特征的研究刘红桂匿囵陈书清金春华.)1)中国南京 210014 江苏省地震局2)中国太原 030002 山西省地震局3)中国银川 750001 宁夏回族自治区地震局摘要采用分布于鄂尔多斯地块及其周缘的 32 个地震台站记录到的 19 次地震事件共 487 条数字化波形记录,利用遗传算法反演得到了整个鄂尔多斯地块地壳内 s 波的
2、三段几何扩散参数,s 波非弹性衰减 Q 值随频率变化的关系式,32 个台站的场地响应以及 19 次地震的震源参数.计算结果表明,鄂尔多斯地块地壳内 s 波非弹性衰减在 1Hz 处的 Q 值比地质构造活跃地区的结果要大得多.32 个地震台站的场地响应在高频部分除个别台站外基本没有表现出明显的放大效应,但在低频区间部分台站之间有一定的差异.19 次地震事件的地震矩对数值与震级 MI 有很好的线性关系.关键词鄂尔多斯地块几何扩散非弹性衰减遗传算法中图分类号:P315.31 文献标识码:A引言鄂尔多斯地块位于受挤压而强烈上升的青藏高原与经受地壳伸展而强烈下沉的华北平原之间,既有华北陆缘盆地伸展构造区的
3、基本属性,也具有青藏高原外缘剪切挤压带的特点.该地块南北长近 600km,东西宽约 400km,西北翘起,向东南倾斜,地层近水平,构造极简单,主要的构造活动和差异运动发生在地块周缘的断陷盆地地带(范福田,1988).可能由于资料等原因,长期以来研究鄂尔多斯地块对地震波衰减的报道很少.数字化地震观测台网在全国的陆续建成,使得利用区域数字地震记录来研究鄂尔多斯地块地壳内 S 波的衰减特征成为了可能.地震仪记录到的数字地震波形是一种综合信息,它包含了地震震源,地震波的传播路径及台站的场地响应特征等信息.而地震波传播路径对其能量的衰减包括几何扩散和非弹性衰减两部分.研究表明,不同震中距上地震波的几何扩
4、散系数是不同的,目前被广泛采用的理论模型是三段几何衰减模型(Atkinson,Mereu,1992;黄玉龙等,2003; 刘杰等,2003;刘红桂等,2004).近期的研究还表明,基岩台站也具有场地响应(Moyaetal,2000;黄玉龙等,2003;刘杰等,2003;刘红桂等,2004).因此,要想得到各种精确的参数,必须*国家“十五“ 重点科技攻关项目(2004BA601B010403),地震科学联合基金(104047)及中国地震局分析预报中心地震图象与数字化地震观测资料应用实验室资助.20040920 收到初稿,20050531 收到修改稿并决定采用.5 期刘红桂等:鄂尔多斯地块地壳内
5、S 波衰减特征的研究 489设法区分地震记录中的震源效应,传播路径及场地响应.目前比较有效的解决方法是采用震源平方位移谱模型,利用遗传算法来反演各种参数(Atkinson,Mereu,1992;Moyaetal,2000;黄玉龙等,2003;刘杰等,2003;刘红桂等,2004).虽然部分研究者利用小的区域台网研究过鄂尔多斯地块中某一小部分地区的介质衰减特征(啜永清等,2004), 但由于鄂尔多斯地块范围大,其中某一小块区域的介质衰减特征可能无法反映大地块的特征.因此,本文利用鄂尔多斯地块及周缘地区区域地震台站记录到的数字化地震波形资料,计算得到了整个鄂尔多斯地块地壳内 S 波的衰减特征,并得
6、到了各个记录台站的场地响应和各次小震的震源参数.1 资料分析与处理本研究从山西省地震台网,陕西省地震台网,宁夏回族自治区地震台网中选取了共32k圜二0瑙0-区440瑙0-区440瑙O困440瑙044圄 001.6k圜440.8瑙0001020f/HzO00000001020f/Hz00000001020f/Hz00000O000001020f/Hz图 1 各台站地震仪器幅频特性曲线00000001020f/Hz0010010000O001020f/HzOO000mOOnO10O490 地震个地震台站自 20012004 年记录到的鄂尔多斯地块周缘地区的 19 次 M14.0 地震的数字化波形资
7、料.通过对这些资料中的每条地震记录进行谱分析,选择出信噪比很高的记录共 487 条.这些记录的最大震中距不超过 900km,每条记录的采样时间间隔均为0.02S.台站位置及其地震仪器的放大倍数见表 1,各台站的地震仪器幅频特性曲线见图1,地震事件的有关参数见表 2,台站,地震震中分布及本文采用的地震记录传播路径见图 2.表 1 地震台站位置及其地震仪器的放大倍数放大倍数放大倍数EWNSUDEWNSUDSZS39.281106.659542.42531.34537.78LS37.529111.24234.4537.7241.63YCH38.6091O5.933986.831O65.221052.
8、01LF36.08811l_367193.O0163.94186.40YCI37.7791O7.434535.64528.95555.83YC35.48O112.39533.1228.6437.12ZHW37.586105.246516.07578.O0551.39XX35.12O111.2371441.611385.611729.26HYU36.505105.60234.6539.7836.87DAX39.052113.056158.53135.63113.49JYU35.483106.350620.98601.19559.54HUY34.520110.167549.02563.88515.
9、58SZZ40.084113.71336.3332.6733.32HEY35.407110.063618.66597.46509.09HSH39.668113.72137.6O33.1239.84PCH35.0581O9.427187.17566.35547.O8YMG39.229112.8O729.6037.724l_O3I0X34.969106.700722.09626.74568.16Y0UYU40.023112.36932.1638.0836.64TAB34.071107.285636.88594.82552.47ZCH40.272113.348139O.3O1402.281379.8
10、8BIX35.0671O8.083612.21540.64558.73QLI34.570108.217598.09536.86556.O0YUAN39.955114.37.60432.8036.Z0Z34.0551O8.324557.38516.70504.18KL38.778111.72039.2237.0434.37XAN34.0321O8.924627.90521.11489.35INQ39.367114.017578.49604.4859l_94JYA34.7091O8.753658.92592.28585.14DS37.929112.74137.1236.6438.88YUL38.4
11、431O9.5O1504.25510.07505.50XY37.569113.72130.0829.5231.96图 2 台站,地震震中分布及被采用的地震记录传播路径示意图得到每个分向(NS 向,EW 向,UD 向)的位移谱.A.(厂 )一 1S 波数据的选取方法 (Atkinson,Mereu,1992).为了保证所选取的资料包含剪切波所有重要的震相信息,对于每一条速度记录,选取资料时均以可辨识的首个 S 波到时为起点,所取资料窗长应包括整个 S 波能量的 9O.为了获得稳定可靠的傅里叶谱估计,采用延迟窗技术,把整个资料窗分成若干段,每一段数据为 256 个点,并以 128 个点为滑动步长,
12、在每段数据的两端加入 5%边瓣的汉宁窗(Hanningtaper).为了剔除噪声的影响,取 P 波到时之前的 256个数据点作为背景噪声信息,同样在两端加入 5 边瓣的汉宁窗.由下式即可z(厂)5 期刘红桂等:鄂尔多斯地块地壳内 S 波衰减特征的研究 491式中,V(,)为某一分向的某一段资料的速度谱,A.(,) 为相应的位移谱 ,l 为资料窗长度,t 为每段资料的长度,n 为整个资料窗内资料段的个数 .本文计算时采用水平向的位移谱,即后面计算公式中的观测位移谱由下式计算:A(,)=/A.(,)+EA.(,)(2)2S 波衰减特征2.1 计算方法一般而言,对于第 i 次地震事件的第个台站记录,
13、可以用下式表示 :Ao(,)一 S(,)J,(,)PE(,)GJ(,)(3)式中,A.(,)为频率 ,处的观测位移谱 ;S(,)为第 i 次事件的位移震源谱;J,(,)为台站的仪器响应;P 为传播介质的几何扩散;E(,)为介质的非弹性衰减;(,)为台站的场地响应.扣除仪器响应后,该记录的观测位移谱为A(,)=S(,)PE(厂 )GJ(,)(4)设 S 波速度为 J9,震中距为 R,传播介质的品质因子为 Q(,),则介质的非弹性衰减可表示为,)-exp-(5)几何扩散采用三段模型(Burgeretal,1987), 即rPRoj(Ro Ro1)一()(R)(6)【P,j 一时( 鲁)().cR式
14、中,R, R. 对应直达波的几何衰减;R.RR.对应加入了地壳内间断面和莫霍面反射 S 波的几何衰减 ;RR. 对应多次折射反射 S 波的几何衰减.系数 b,bz,b.与频率无关,本文直接采用 Burger 等(1987) 的结果,即 b=1.0,bz=0,b.0.5.把式(5),(6)代入式(4),并对等式两边取对数,定义残差总和 e 为e 一耋砉扣 gs 一,式中,N 为地震事件次数,M 为记录台站个数.利用遗传算法,调整各个参数使式(7)的残差总和最小(Atkinson,Mereu,1992; 刘杰等,2003;刘红桂等,2004).通过反复迭代即可得到有关的计算结果.2.2 计算结果通
15、过计算得到式(6)中的 R.,R.分别为 68km 和 95km.Burger 的三段几何衰减理论模型认为 R.一般为莫霍面埋深的 1.5 倍.而 R.一般为莫霍面埋深的 2.5 倍,鄂尔多斯地块内部的莫霍 NNN-般在 4346km,可见本文的计算结果与 Burger 的理论模型基本一致.492 地震图 3 各频率点 Q 值分布情况及 Q 值频率依赖关系拟合曲线各频率点品质因子值的分布情况及拟合得到的品质因子频率关系见图 3.由图 3 可以看出,品质因子与频率有明显的依赖关系.本文采用 Q(厂 )一 Q.模型来拟合品质因子的频率依赖关系,参数刁反映了品质因子对频率的依赖程度,当叼一 0 时品
16、质因子与频率无关.图 3 显示出在 1.5Hz 以上的频率范围内,lgQ 与 lgf 有很好的线性关系;但在 11.5Hz 范围内,两者在双对数坐标中较大地偏离了线性关系,这可能与拾震器的标定参数有关(Hartzelletal,1996).采用频率高于 1.5Hz 的结果拟合得到品质因子与频率依赖关系式为Q(厂 )一 585.2fo(f1.5Hz)(8)3 震源参数与场地响应3.1 计算方法根据前面计算得到的介质几何扩散系数及非弹性衰减关系式(8),对式(4)进行剔除地震波路径效应后得到每条记录的校正观测位移谱.校正后的位移谱只包含了震源信息与台站的场地响应信息,即O(厂 )一 S(厂)GJ( 厂)(9)Chael(1987)研究表明 ,对于中小地震而言,位移震源谱与 Brune(1970)的 n 平方模型一致性较好.本文采用这种模型来描述震源的理论位移谱,即第 i 次事件的震源位移振幅谱由震源谱的低频水平 n.和拐角频率厂表示s)一 Ooi(10)假设所有事件中台站的场地响应保持不变,在第 k 个频率点,计算由所有地震事件
