地球物理学报: 基于密集线性台阵的背景噪声成像在明光市城市活断层调查中的应用

近年来，短周期密集台阵被动源探测技术逐渐成为地壳精细结构探测研究中的重要手段，而提取稳定可靠的高频面波，同时拓展低频面波信号是浅层结构勘探的关键和需求。为了探讨其应用于城市活断层调查在勘探尺度的有效性，在横跨安徽省明光市郯庐断裂带东界两条主干断裂位置，研究组布设了一条被动源密集测线（图1），提出一种新的频散曲线提取方法，反演了沿测线下方的高分辨率的S波速度结构，并与主动源S波反射剖面结果和地质资料等进行对比。该项研究可以为城市活断层探测中高精度成像提供一种新的有效手段，并为明光市的地下结构和活断层探测，抗震设防，以及郯庐断裂带安徽段的演化过程等提供重要的基础数据。

图1 明光市地质构造及测线位置分布图

安徽省地震局倪红玉、郑海刚、赵楠、缪鹏高工，黄显良研究员，中国科学技术大学李俊伦教授、邓宝博士研究生在传统相移法的基础上，发展了拓距相移法（Deng et al., 2022），该方法由阵内相移和阵外相移两部分组成（图2）。阵内相移将子台阵内所有台站的频散能量的平均值作为中心台站的频散能量，适合提取中高频频散。阵外相移将阵外台站视为虚拟源（爆炸星形），阵内台站视为接收器。中低频信号的在子台阵的外部区域传播路径可认为近似一致，可以将对不同虚拟源得到的频散能量叠加获得子台阵中心台站的频散能量，适用于提取中低频信号。拓距相移法分别利用阵内相移、阵外相提取中低频频散和中高频频散，再按照一定的权重整合成一条宽频带的频散曲线。

图2  拓距相移法示意图 （a）阵内相移；（b）阵外相移

利用拓距相移法，研究组提取了整个测线基阶Rayleigh波的相速度频散曲线，采用加权叠加得到整合后的10 Hz-2.0 s的频散曲线（图3）。

图3 （a）利用阵内、阵外相移提取的频散曲线；（b）融合后的频散曲线

基于拓距相移法提取的宽频带频散曲线反演沿测线的S波速度结构，通过阻尼最小二乘法反演了S波速度结构（图4），横向上呈现出明显的低速-高速-低速相间分布的特点。

图4 （a）沿测线的地表海拔高程；（b）反演的测线下方S波速度结构

为了验证反演结果的可靠性，研究组将其与基本重合的主动源S波反射剖面进行了分析对比。由于主动源测线沿城市道路布设，而被动源测线采取线性布设，两者并不完全重合。为了便于对比，我们将主动源测点垂直投影到被动源测线上，截取相同距离的测线进行比较。图5为投影后的主动源偏移时间剖面和结果解释（图5a）、主动源S波均方根速度（图5b）、主动源层速度（图5c），左边纵坐标为双程旅行时，右边纵坐标为按照225 m/s的平均速度对双程旅行时进行时深转换后的深度，最大转换深度约为100 m。对比显示，被动源反演的S波速度结构与主动源S波偏移时间剖面的形态在近地表100 m以浅高度一致，主动源刻画的层序断点均处于被动源反演的S波高低速交界处，且主动源最大深度约为100 m，被动源的反演有效深度约为1.3 km，从被动源反演的S波速度结构能够清晰地看出凹陷和隆起的构造形态以及断层在更深处延展情况。

图5  （a）主动源S波偏移时间剖面和结果解释，（b）主动源S波均方根速度，（c）主动源S波层速度，和（d）被动源浅层100米S波速度结构对比图。等值线上的数字为S波速度，单位为km/s。

结果表明拓距相移法将传统相移法与背景噪声互相关相结合，很大程度上改善了传统相移法对低频段信号提取困难的问题，有效地拓宽了频散曲线的提取频带，在不降低浅层分辨率的前提下能够有效增加对深部结构的约束。采用拓距相移法的被动源反演结果与主动源、地质资料等均有较好的对应性，进一步表明基于该方法的线性密集台阵监测可用于浅地表及活断层成像，为城市活断层调查和城市地下空间探测提供了一种新的思路和技术手段。该成果发表于《地球物理学报》，受安徽省自然科学基金（2108085MD137），中国地震局地震科技星火计划（XH20026）、安徽省重点研究与开发计划（2022m07020002）和中央高校基本科研业务费专项资金（WK2080000141）共同资助。

【相关文献参考】

倪红玉,郑海刚,赵楠等.基于密集线性台阵的背景噪声成像在明光市城市活断层调查中的应用[J].地球物理学报,2022,65(07):2518-2531.

Deng B, Li J L, Liu J S, et al. 2022. The extended range phase shift method for broadband surface wave dispersion measurement from ambient noise and its application in ore deposit characterization. Geophysics, 87(3): JM29-JM40, doi: 10.1190/geo2021-0320.1.

文献链接：

http://www.geophy.cn/article/doi/10.6038/cjg2022P0947?viewType=HTML