山西龍祠地震臺毗鄰的麥圪嶺小山地形對背景噪聲的影響研究

陳學良 高孟潭 孫為國 李鐵飛 鄢兆倫

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

大規(guī)模流動地震臺陣觀測已經(jīng)成為高分辨率深、淺部結(jié)構(gòu)成像的重要手段和發(fā)展方向，臺基條件和背景噪聲是影響流動地震觀測質(zhì)量的關(guān)鍵因素。山西龍祠地震臺為國家綜合觀測基準臺，除測震（區(qū)域數(shù)字測震、國家數(shù)字測震）外，還包括地磁（FHD）、地電（地電阻率、地電場) 、地形變（模擬金屬水平擺、數(shù)字水平擺、數(shù)字垂直擺、數(shù)字鉆孔地應(yīng)變、定點水準）、數(shù)字氣象等多種觀測手段。位于臨汾市堯都區(qū)金殿鎮(zhèn)的麥圪嶺小山下（龍祠村北約1.5km），占地約9畝，距臨汾市區(qū)21 km。龍祠地震臺周圍有羅云山山前斷裂、離石斷裂、郭家莊斷裂、塔兒山西緣斷裂、大陽斷裂、洪洞斷裂、萬安斷裂、襄汾凸起南緣斷裂等多條斷裂；在其附近幾十公里范圍內(nèi)，5.0～8.0級的地震就發(fā)生了9次，地震活動性強；可以認為麥圪嶺小山地形位于較為破碎的地質(zhì)構(gòu)造單元，目前可以獲得的斷層地下信息（幾何尺寸、介質(zhì)參數(shù)等）不夠豐富，本文不將包括多個斷裂的周圍大區(qū)域作為研究對象，而僅將麥圪嶺小山地形加以單獨研究。研究地形對地脈動的放大特性，主要是為研究地形對地震動的放大特性服務(wù)。理論上講，只要地形模型為線彈性，則體系的傳遞函數(shù)是基本一致的，與體系的輸入無關(guān)，不管是白噪聲信號、近似δ脈沖波、還是地震動作用，而且放大倍數(shù)也是基本相同的。

在麥圪嶺小山地形上布設(shè)4個觀測點，自山頂?shù)缴侥_的儀器分布為：LCT04，布設(shè)在山頂；LCT03，布設(shè)在山腰（山中上部）；LCT05，布設(shè)在山洞（山中部）；LCT01，布設(shè)在山腳（山底），位于地表以下深2m坑內(nèi)的擺墩上，該擺墩處于厚覆蓋土層之上。從持續(xù)觀測的第200天-第250天這51天之中，選擇210,220, 230, 240, 250的夜間平靜時段，分析山頂、山腰、山洞、山腳土層四測點的EW、NS、UD的白噪聲時程信號，分析山頂、山腰、山腳土層相對于山洞信號的傅里葉譜譜比特征，觀測結(jié)果表明：覆蓋土層的地脈動信號（背景白噪聲）信號明顯強于山頂、山腰、山洞中的地脈動信號。存在山頂?shù)缴窖⒌缴蕉吹孛}動信號逐漸減小的規(guī)律。在13～22Hz之間，更嚴格，約為17～18Hz之間，存在顯著的地形放大特性。

利用廖振鵬等提出的解耦近場波動數(shù)值模擬思想，即將多次透射公式(MTF)與集中質(zhì)量顯式有限元方法相結(jié)合，即采用“波動有限元的方法”求解處于半無限域開放體系的動力響應(yīng)問題。該方法的“內(nèi)點”計算需要一種時域顯式數(shù)值積分格式，采用 Newmark“新”顯式數(shù)值積分格式（γ=1/2，β=1/6）時的第三種積分格式）求解。該方法在空間上解耦、在時間上顯式，具有占用計算機內(nèi)存小、計算效率高的特點。針對上述特性，建立了小山地形的有限元計算模型，輸入了近似δ脈沖波和人造高斯白噪聲信號，開展了開放體系的時域顯式波動有限元SH、P-SV波動數(shù)值模擬分析。

結(jié)果表明：①不管是水平向還是豎向、是脈沖波還是白噪聲輸入，數(shù)值模擬的震動響應(yīng)均是從山頂、山腰、山洞、到山腳，逐漸減小，從波形的峰值上，體現(xiàn)了小山地形的地形放大效應(yīng)。山頂相對于山洞的放大因子約為2.0。②不管是把白噪聲信號當作SH型地震動，還是當作P-SV型地震動，山頂相對于山洞的傳遞函數(shù)，在頻率16～18 Hz之間，發(fā)現(xiàn)了由于山體地形導致的背景噪聲的放大效應(yīng)，該結(jié)果與背景噪聲的觀測結(jié)果相一致。③ P-SV型震動信號輸入地震響應(yīng)分析可知，不管是輸入近似δ脈沖波還是高斯白噪聲信號，小山地形模型均發(fā)生了可觀的波型轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。即，輸入水平向的剪切震動時，雖然小山地形主要產(chǎn)生水平向震動，但是還產(chǎn)生了可觀的豎向震動；輸入豎向震動時，雖然主要產(chǎn)生豎向震動，但也產(chǎn)生了可觀的水平向震動?？衫斫鉃镻波受地形效應(yīng)的影響，除產(chǎn)生P波外，還產(chǎn)生了次生SV波， SV波受地形效應(yīng)的影響，除產(chǎn)生SV波外，還產(chǎn)生了次生P波。SH波雖然也受地形效應(yīng)的影響，但不發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，數(shù)值計算與理論分析相一致。④場地土層對背景噪聲的放大效應(yīng)顯著，甚至遠超過地形效應(yīng)的影響。由于覆蓋土層的存在，導致山腳土層信號強度增強為原來山腳基巖信號強度的3倍左右。從信號幅值來看，覆蓋土層的放大效應(yīng)（3.0倍），超過了小山地形放大效應(yīng)（2.0倍），約為小山地形放大效應(yīng)的1.5倍。