丽江地震场地响应分析研究

丽江地震场地响应分析研究 叶建庆 ()滇西实验场 , 昆明 , 650041 摘要 对丽江大震后地震现场 4 个 PDR - 2 数字化地震台记录的 30 个中小余震的垂直分量 P 波和水平分量 S 尾波进行振幅谱分析 , 表明观测振幅谱形状依赖于观测场地 。利用频谱 比方法 , 将丽江地震台视为基岩场地 , 宾馆台和白沙台为沉积层场地 , 玉龙变电站台为风 3 化层场地 , 求得沉积层和风化层场地相对基岩场地的放大或吸收量级 。衰减系数 t 值的分 析研究表明各场地地震波衰减与震源距相关微弱 , 但能灵敏反映传播路径的变化 , 表明衰 3 减系数 t 主要反映近场地下介质对地震波的散射效应 。 关键词 : 余震 , 波谱分析 , 地震波衰减 , 丽江地震 0 引言 根据震源附近的数字化记录台阵获得的小震付里叶振幅谱显示出地震谱形状对场地 „1 - 3?强烈的依赖关系。我们对丽江 ———中甸 710 级地震余震各场地记录的地震振幅谱研 究中同样显示出类似的倾向 。 1996 年 2 月 3 日 , 云南省西北的丽江 ———中甸地区发生 Ms710 级强烈地震 。主震后 , 在丽江建立了由 4 台 PD R - 2 数字化地震仪组成的小台阵 , 对该区余震进行监测 。 从所获得的记录中 , 选取了 4 个台站同时记录到的 30 个余震 , 震级 M为 214 至 413 。 L 本文首先研究了 PD R - 2 小台阵各接收场地的波谱形状 , 分析在各种场地条件下地震波 振幅谱形状特征 。其次 , 根据各台站所处的场地 , 可分为三种观测场地 , 一个是沉积层 场地 , 如宾馆台和白沙台 ; 一个是基岩场地如丽江地震台 ; 另一个为风化岩场地 , 如玉 龙变电站台 。利用频谱比方法确定了各观测场地相对于基岩观测场地的放大或吸收量级 3 和频带 。最后根据各场地的观测谱计算出各场地的衰减值 , 定量给出各场地的 t 值 。 1 资料及方法 丽江 “213”大震后 , 由 4 套 PD R - 2 数字化地震仪构成的小型数字化地震台网在 地震区同时由 4 台仪器记录到 30 个 214 ?M?413 的中小余震 。该台网分别在地震区 L () () (的丽江地台 以下简称地震台、丽江地区宾馆 以下简称宾馆台、白沙乡政府 简称 ) () 白沙台和玉龙变电站 简称玉变台建立了观测台 。其中地震台 、白沙台和玉变台为 六通道记录器 , 分别连接 FBA 加速度计和 L - 4C 速度计 , 宾馆为三通道 、连接 L - 4C 速 收稿日期 : 1996 —10 —11 叶建庆 , 男 , 38 岁 , 工程师 。 记录仪采样PD R - 2 度计 。L - 4C 拾震器为短周期地震仪 , 固有周期 1 秒 ,016 , 阻尼 率为 100 样点/ S 。表 1 列出了本研究所用的 30 个地震 , 定位结果取自云南省传输台网的快报目 录 。地 震 距 各 台 站 的 震 源 距 在 516 到 40 km 范 围 。考虑到 L - 4C 速度计对中等地震 S 波记录 限幅 , 本文利用两水 平 分 量 S 波 尾 波 部 分 做 振 幅谱 , 构成水平分量的尾波波谱 ; 垂直分量采用 垂直向记录 , 从 P 波初至 SV 波 。震中及台站位 臵见图 1 。 各场地观测波谱分析 , P 波采用垂直分量 , S 尾波用两水平分量 。对 P 波和 S 尾波取定长时 间窗 4101 秒 , 将定长波形数据加高斯窗 , 对加 窗信号进行付氏变换 , 扣除仪器响应 , 计算功率 谱 , 在频域内对功率谱进行 7 点平滑 , S 尾波谱 为两水平分量功率谱平方和的平方根 。最后将波 „3?谱进行 归 一 化 处 理 。文 献认 为 震 源 到 观 测 点 之间的介质对地震波的吸收和散射对地震波谱有 重要影响 , 提出某场地地震观测谱的高频渐近线 图 1 地震位臵和台站位臵示意图 的幂为地震场地定标律 。 为了定量地估计区域地„4?我们运用谱比例方法: 质对地面运动的影响 , (ω)(ω)ω) (ω)(()ω)( 1 A = S 〃M 〃C〃I ω) ω) ω) ((( (ω)分别表示震源 、传播路径 、区域地质和记录仪这里 , S 、M 、C 、I (ω) 器对谱的贡献 。当有两个观测场地 、一在沉积层上 , 具有振幅 A另一个基岩上 , ω)(ω) ( ) ( 具有振幅 Ab , 源函数 S 对二者是相同的 因所比较的信号相同, 我们所取 (ω) 的 30 个地震资料均为 4 个场地同时具有的记录 。波传播路径函数 M假设也相同 ω)(() 是 不 同 的 , 仪 器 函 数 I对位臵接近的台 站 是 很 好 的 近 似, 而 区 域 地 质 函 数 C (ω) 是相同的 。只考虑振幅谱 , 则我们得到 : (ω)(ω)(ω)(ω)C () 2 As / Ab = Cs / b 这个比例 , 作为频率的函数 , 称为谱放大率或地面放大因子 。它是一个有意义的地面特 征量 。 2 场地构造背景 丽江地区从地貌上主要可分为二种 : 一是断陷盆地 , 整个丽江盆地是新三纪或第四 纪早期开始沉陷 , 最大沉积厚度达 700,1200 米 。另一类是以玉龙雪山与金沙江构成的 高山峡谷区 。丽江盆地主要受控于丽江 ———剑川断裂带 , 中甸 ———永胜断裂带和龙幡 ———乔后断裂带 , 属滇西北裂陷区北部块体中九子海次级块体和雪山次级块体中发育的 裂陷盆地 。丽江地区的地震主要受这三大断裂带控制 , 其内次一级构造断裂或者更次一 级的构造断裂 , 在各走向上均有分布 , 形成了纵横交错的网格状格局 。某一构造断层的 活动可能牵动附近其它断层或次一级构造断层的活动 , 使得地震活动在空间上的展布显 得复杂化 , 从而造成高烈度的异常形态 。 本文研究的 4 个场地位于丽江盆地及盆地边缘 。丽江地震台位于象山西麓 , 地表出 露为石灰岩 、属基岩场地 , 仪器臵于地震台观测山洞内约 30 m 处 , 背景噪声极低 。宾 馆台和白沙台位于盆地内 , 地表土层为粘土及砂土 ,属沉积层场地 。玉变台位于雪山东 地表为风化岩层 。麓 , 干海子北部 , 表 1 地震台 玉变台 宾馆台 白沙台 到时 月 、震级 纬度 经度 3 3 3 3 No1 R ( )R ( )R ( )R ( )t 10 - 2 t 10 - 2 t 10 - 2 t 10 - 2 日 、时 、分 、秒 ( ) ( ) ( ) ( ) kmkmkmkm( )( )( )( )secsecsecsec1 216122 - 18 315 2703 10014 2116 1014 1618 810 2418 915 1414 1014 2 22 - 28 219 2655 10016 1414 812 2615 810 1814 911 1512 916 3 217110 - 19 216 2658 10017 1814 910 2516 619 2116 316 1112 1010 4 218104 - 32 310 2659 10014 1414 516 2128 913 1716 817 1512 618 5 05 - 04 318 2700 10014 1112 917 3014 714 1610 1014 1218 715 6 16 - 06 312 2700 10019 2312 918 1912 914 2214 613 2214 618 7 19 - 08 312 2709 10016 3414 718 1218 618 4010 910 3014 712 8 19 - 19 218 2707 10014 1912 718 712 819 1218 515 516 414 9 20 - 08 215 2658 10017 1414 1214 2818 817 1618 810 1610 610 10 219100 - 29 217 2659 10013 1112 912 2418 714 1610 811 818 618 11 06 - 02 216 2701 10019 1912 810 2516 717 2712 810 916 813 12 06 - 04 314 2655 10016 1414 718 2214 912 2116 717 1414 719 13 06 - 48 218 2659 10017 1512 814 2818 913 1716 917 1512 612 413 1414 818 1814 714 1814 811 1414 811 14 06 - 46 2700 10017 15 07 - 09 311 2659 10017 1218 716 2614 518 2010 1013 1316 712 16 08 - 31 219 2657 10015 1414 812 2410 218 1912 718 1218 712 17 08 - 36 216 2656 10016 1210 614 2712 816 1316 718 1216 614 18 10 - 34 216 2656 10017 1414 1212 1716 1017 1716 614 1414 512 19 20 - 27 219 2700 10017 1512 612 1814 915 1814 714 1316 610 20 22 - 52 216 2657 10015 1210 618 2916 710 1618 813 1014 810 21 23 - 13 216 2656 10018 1610 618 2614 712 1512 917 1316 516 22 23 - 18 312 2700 10017 1618 712 2214 717 2214 718 1316 714 23 2110101 - 34 214 2712 10014 4010 810 1210 1019 3912 718 1210 917 24 01 - 43 312 2700 10009 1814 714 2214 1113 2116 718 818 716 25 08 - 29 218 2658 10020 1512 914 2410 818 2116 610 1316 813 26 11 - 05 219 2701 10017 - - 2116 710 2010 618 1414 714 27 20 - 53 314 2655 10025 2614 818 3210 710 2916 710 2818 712 28 21 - 35 217 2701 10017 2214 718 2010 516 2410 618 1512 813 29 2111101 - 05 315 2656 10015 1112 916 3014 518 1512 815 1218 712 30 02 - 04 216 2659 10011 1716 812 2410 818 810 614 1014 716 3 场地响应证据 我们在对滇西实验场区小孔径的数字化台网记录的场区内中小地震及地震序列余震 图 24 个场地水平分量 S 尾波振幅谱 () ( ) ( ) () a宾馆台 , 左为垂直分量 、右为水平分量 下同; b白沙台 ; c玉变台 图 3 3 个场地与地震台场地垂直分量和水平分量 S 尾波振幅谱比图 的研究中 , 发现局部场地对地震波谱形状影响较为显著 , 接收场地的局部介质特点对谱 的低频部份吸收差异不大 , 但对地震波的高频部份具有不同的吸收能力 , 因而对地震波 „3?谱的高频段起着重要作用。本文研究了丽江地震的 30 个中小余震的振幅谱 , 由于余 () 震分布总体上呈北南走向 见图 1, 4 个数字化地震台站也呈南北分布 。4 个接收场地 共有一个震源 , 可以认为辐射因子对 4 个场地的影响较为一致 。图 2 表示 4 个场地 S 尾 波振幅谱 , 是两水平分量 S 尾波平方和的平方根谱 。考查 4 个场地的地震振幅谱可以发 现 , 丽江地震台 S 尾波振幅谱具有两个拐角频率 , 第一拐角频率为 2 Hz , 地震场地定标 - 2 - 3 γγ律为, 第二拐角频率为 10 Hz , 地震场地定标律为; 宾馆台 S 尾波振幅谱拐角频 - 3 γ率为 3 Hz , 地震场地定标律为。白沙台 S 尾波振幅谱拐角频率为 9 Hz , 地震场地定 - 3 - 2 γγ标律为。玉变台第一拐角频率为 3 Hz , 地震 场 地 定 标 律 为, 第 二 拐 角 频 率 为 - 215 γ 9 Hz , 地震场地定标律为。从振幅谱的场地对比研究表明 , 宾馆和白沙这两个位于沉积层上的接收场地 , 振幅谱只有一个拐角频率和地震场地标律 。地震台和玉变台位 于基岩和风化层场地的振幅谱具有两个拐角频率和地震场地定标律 。 ω) ω) ((我们取地震台为基岩场地 , 振幅谱为 Ab , 其它各场地振幅谱为 As , 利用 () 2式我们得到各场地相对于地震台基岩场地的波谱比例 。图 3 为各场地垂直分量和水 平分量波谱比 , 由图 3 可见 , 宾馆台垂直分量在 15 Hz 以上才有明显的放大 , 在 2 Hz 至 15 Hz 内谱振幅且有不同程度的吸收 , 吸收量级最 大 可 达 1 个 对 数 量 级 ; 水 平 分 量 在5 Hz 至 20 Hz 范围内振幅吸收较为明显 , 幅值减小约 018 个对数量级 。白沙台垂直分量 谱振幅值在 7 Hz 以上放大较为明显 , 约 2,3 个对数量级 ; 水平分量在 5 Hz 以上幅值有 不同程度的放大 , 放大约 1 个对数量级 。玉变台垂直分量幅值在 7 Hz 以上略有放大 ,放大量级约 015 到 1 个对数量级 ; 水平分量幅值在 10 Hz 左右略有吸收 , 约 015 个对数 量级 。宾馆 、白沙和玉变台 3 个场地相对于地震台关于同一地震不同的场地具有不同的 地区运动特征 , 在不同频带内的放大或吸收作用各具场地特征 。 4 衰减 上述频谱比方法仅给出了各场地相对于地震台基岩场地的相对场地效应 , 而对 4 个 场地记录的相同衰减效应 , 则在比率中会消除 , 因而各场地观测振幅谱的衰减形状研究 , 对于同一地震而言 , 衰减效应反映了地震波传播过程中整个路径衰减的区域效应 。 我们取观测振幅谱形状以指数形式衰减 : 3 ω- t / 2ω)(()(ω) 3 A = Ao e 3 ω) (这里 t = ?dr/ Qv 是衰减系数 , A (ω) 是具体场地测量的谱振幅 , Ao是震源激 3 发的振幅 , 假设 Q 与频率无关 , 是区域场区内的平均 Q 值 , 则 t 是地震波传播过程中 整个路径衰减的区域效应 , 衰减在所有的频率上都起作用 。我们对两水平分量 S 尾波在 3 进行平方和平方根处理后求得水平分量 S 尾波谱 , t 值在 1 到 20 Hz 范围内应用最小二 3 乘法估计 。图 4 表示用这个方法估计丽江地震余震 t 值的结果 。表 1 列出了 4 个场地 3 3 水平分量 S 尾波衰减系数 t 值 。地震台基岩场地衰减系数 t 值为 01056,01124 , 平均 3 值 01085 ; 玉变台风化层场地 t 为 01028 , 01113 , 平均值 01080 ; 宾馆台沉积层场地3 t 值为 01044,01104 , 平均值为 01072 。由表 1 可见 , 水平分量 S 尾波衰减系数与地震 波传播路径强烈相关 , 在同一丽江地震余震震源体内 , 余震所处的位臵发生变化 , 导致 3 传播路径的变化 , 这种变化直接地表现在 t 值的变化中 。4 个接收场地非常灵敏地反映 3上地壳内局部构造差异显著 。t 了传播路径的变化 , 明确地表明在所研究的区域内 , 不依赖于震级变化 , 也不依赖于震源路 3 径的长 短 , 表 明 衰 减 系 数 t 主 要 反 映 了近场地下介质对地震波的散射效应 。 3 对 30 个余震 t 值统计平均得到的平均 3 t 值 , 直接表明场地衰减地震台大于玉 变台 , 玉变台大于宾馆台 , 宾馆台又大 3 于白沙台 , 但 4 个场地的平均 t 值差异 不大 , 这与 4 个场地宏观烈度较为一致 相吻合 。 5 结论 () 1丽江地震余震振幅谱形状与接 4 4 个场地水平分量 S 尾波谱衰减图 收场 地 强 烈 相 关 , 明 显 表 现 出 场 地 特 征 。丽江盆地内沉积层场地与盆地边缘基岩场地和风化层场地不同 。沉积层场地观测振 幅谱表现为单一的拐角频率和地震场地定标律 ; 基岩场地和风化层场地显示两个拐角频 率和地震场地定标律 。同为盆地内沉积层场地的宾馆和白沙两个台站 , S 尾波拐角频率 白沙台 9 Hz 远大于宾馆台 3 Hz 。地震台两个拐角频率略大于玉变台风化层场地 。 () 2基岩场地 S 尾波振幅谱除以沉积层场地和风化层场地的 S 波振幅谱 , 计算出频 谱比 , 求得地面放大 因子 。各场地相对于地震台基岩场地在不同的频带内具有不同的 放大或吸收效果 。关于丽江地震余震 , 宾馆台垂直分量在 2 至 15 Hz 内谱振幅有不同程 度的吸收 , 约 1 个对数量级 ; 水平分量在 5 至 20 Hz 范围内幅值减少小约 018 个对数量 级 。白沙台垂直分量谱幅值在 7 Hz 以上放大约 2,3 个对数量级 ; 水平分量在 5 Hz 以上 幅值放大约 1 个对数量级 。玉变台垂直分量幅值在 7 Hz 以上放大约到 1 个对数量级 ; 水 平分量幅值在 10 Hz 略有吸收 , 约 015 个对数量级 。 3 3 () 34 个场地估计的衰减系数 t 值 , 反映了 t 与传播路径强烈相关 , 表明丽江盆 3 地及周边地区构造差异较大 。由各场地 t 的平均值可确定地震波在 1 到 20 Hz 内 , 地震 台基岩场地衰减大于玉变台风化层场地 ; 玉变台大于宾馆台沉积层场地 , 白沙台沉积层 场地衰减最小 。但各场地衰减系数平均值非常接近 , 这与 4 个场地宏观烈度较为一致相 吻合 。 参考文献 „1?Art hur Frankel , The effect s o at tenuatio n and site respo nse o n t he spect ra of microeart hquake sint he No rt heastern Cav2 ibbean . BSSA , Vol . 72 , NO . 4 , 1982 ( )„2?叶建庆 1 滇西实验场微震衰减与场地响应. 地震研究 , 1993 , 6 1 ( ) „3?叶建庆 1 场地响应与震源定标律 1 云南地球物理文集 二1 云南大学出版社 , 1997 „4?M1 巴特著 1 郑治真等译 1 地球物理学中的谱分析 1 地震出版社 , 1978 ANAL YS ES AND S TUDIES O F SITE RES PONS E FOR L IJ IAN G EARTHQUA KE Ye J ianqing ( )W est Y u n na n Ea rt hquake Predict ion S t u dy A rea , S S B , Ku n m i ng 650041 Ab stra ct Analyses of amplit ude spect ra of P wave and S co da of 30 mo derate - small eart hquakes reco rded by 4 PO R - 2 digitized seismic statio ns set up in seismic area af ter Lijiang eart h2 quake were made , w hich indicates t hat t he shapes of o bserved amplit ude spect ra depend o n t he o bserving sites. Taking t he Lijiang statio n as bedrock site , Hotel statio n and Baisha sta2 tio n as depo sit sites , Yulo ng Transfo r mer statio n as weat hered site , t he magnit ude o rder of amplificatio n o r abso rp tio n of depo sit and weat hered sites relative to bedrock site is o btained by met ho d of ratio of f requency spect ra . The analyses of at tenuatio n co nstant t 3 indicate t hat t he at tenuatio n of seismic wave is less related wit h so urce distance , but sensitive to vari2 atio n of t ransmissio n pat h , showing t hat t he at tenuatio n co nstant mainly reflect s scat tering effect of undergro und media to seismic wave in near site . Ke y wo rd s : aft e r sho c k , sp e ctral a nalysi s , sei smic wa ve att e nuatio n , Lijia ng e a rth2 qua ke