利用体波谱反演量化地震震源、场地与路径参数：以沙特阿拉伯西南部为例

《Frontiers in Earth Science》：Quantifying seismic source, site and path parameters using body wave spectral inversion: a case study from southwestern Saudi Arabia

本研究旨在揭示沙特阿拉伯西南部地震震源特征、路径衰减（包括几何扩散与固有衰减）及场地效应。研究人员采用参考站约束的谱反演方法，基于2000–2023年期间记录的200次局部地震（ML2.5–4.8）的P波和S波频谱，通过迭代最小二乘分析分离了场地响应、衰减效应和震源特性。结果显示，场地响应在阿拉伯地台与阿拉伯地盾的不同地质背景下差异显著；频率依赖性衰减关系 Qp= (112±1.1) f1.04±0.03和 Qs= (199±2.9) f0.98±0.01反映了该地区地壳的高度活跃性与结构非均质性；位移震源谱偏离经典ω?2模型，呈现更陡的高频衰减（类似ω?3衰减）。研究获得了地震矩、拐角频率、矩震级、震源半径及应力降等关键参数，为区域地震危险性评估和地面运动预测提供了重要依据。

　　

阿拉伯板块西部边缘，红海裂谷持续扩张，使得沙特阿拉伯西南部处于活跃的构造运动中。这里不仅有频繁的小震活动，历史上也曾发生过造成重大伤亡的中强地震。然而，该区域地震波的衰减特性、局部场地对地震动的放大效应以及地震自身的“指纹”——震源参数，却长期缺乏系统定量的刻画。这就像一个只知道“常发生地震”，却不清楚“地震波在地下如何损耗”、“地表场地会让震动放大多少”以及“地震破裂本身有何特点”的地区，其地震危险性评估和工程抗震设计难免存在盲区。

为了填补这些知识空白，一支研究团队利用沙特国家地震台网（SNSN）在2000年至2023年间记录的高质量波形数据，开展了一项深入的光谱“解剖”工作。他们的研究成果发表在《Frontiers in Earth Science》期刊上。

研究人员综合运用了谱反演、水平垂直谱比和震源谱建模等关键技术。首先，他们从SNSN台网中筛选了200次局部地震（M_L2.5-4.8）在20个台站的记录，确保了数据的质量和空间覆盖。核心方法是谱反演法，该技术能将观测到的地震波频谱“解耦”为震源、传播路径和场地三部分的贡献。为了克服反演中的不确定性，他们选择了Tathlith（TATS）台站作为参考站点，并假设其场地放大因子为2（代表自由表面效应）。同时，利用水平垂直谱比 方法对反演得到的场地响应进行了独立验证。最后，对反演分离出的纯净震源位移谱，采用布龙圆盘震源模型 进行拟合，从而系统估算了地震矩（M_O）、拐角频率（f_C）、矩震级（M_W）、震源半径（r）和应力降（Δσ）等一系列关键震源参数。

3.1 地震台站的场地特征

通过谱反演得到的P波和S波场地放大曲线显示，位于不同地质单元（阿拉伯地台和阿拉伯地盾）的台站，其场地响应存在显著差异。P波放大通常更强，峰值出现在8-15 Hz；而S波放大及H/V谱比峰值则表现出良好的一致性。这表明H/V方法能够可靠地捕捉由浅层剪切波速度结构控制的基本场地共振频率。例如，FRJS、FRSS等台站显示出尖锐的高放大峰值，暗示其下方存在软沉积层，增强了地震波共振。这些发现突显了局部地质条件对地面运动放大的决定性影响，对地震微区划和抗震设计至关重要。

3.2 地震衰减与构造活动性

研究量化了P波和S波的频率依赖性衰减，分别得到 Q_p= (112±1.1) f^1.04±0.03和 Q_s= (199±2.9) f^0.98±0.01的经验关系。P波的Q值普遍低于S波，平均Q_s/Q_p比值约为1.5，表明固有衰减是主要机制，且P波衰减更强。Q₀（1 Hz处的Q值）处于较低水平（P波112，S波199），符合全球构造活跃区域的典型特征。S波的衰减在低频段呈现出对线性趋势的偏离，这被归因于近地表阻抗对比、频率依赖性散射以及薄沉积层的影响。这些衰减特性反映了研究区域地壳（由前寒武纪基底岩石和火山岩场构成）的高度非均质性和活跃的构造环境。

震源参数与应力降

基于反演校正后的位移谱，研究估算了所有地震事件的震源参数。地震矩（M_O）范围从2.12×10¹¹到 3.7×10¹⁴N·m，震源半径从145.1米到493.3米，拐角频率介于3至10.2 Hz之间。一个有趣的发现是，位移震源谱普遍偏离经典的ω^-2衰减模型，在高频段表现出更陡的衰减，更接近于ω^-3模型。应力降值变化范围较大，P波为0.002至1.06 MPa，S波为0.005至2.54 MPa。相对较低的应力降值可能反映了红海裂谷作用及阿拉伯地盾之下流体上涌的影响，这些过程促进了研究区内先存薄弱带的再活动。

本研究首次对沙特阿拉伯西南部阿拉伯地盾的地震震源和衰减属性进行了综合评估。获得的高分辨率场地响应图谱、频率依赖的Q值模型以及系统的震源参数（包括偏离经典模型的震源谱形状和较低的应力降），为构建区域特异性的地震动预测模型和精细化地震危险性分析提供了不可或缺的本地化输入参数。该研究明确指出，该区域地壳具有显著的非均质性和活跃的衰减特性，结合已识别的强烈场地放大效应，共同凸显了其对地震动放大的潜在高风险。这些成果对于正在红海沿岸快速发展的城市化区域和重大基础设施的地震风险缓解、工程抗震设计及公共应急规划具有直接的指导意义。