地震背景噪声HVSR方法在城市场地响应特征和活断层探测中的应用

高分辨的场地响应特征和可靠的活断层位置对城市的抗震设防、灾害评估、强地面震动模拟、城市规划和构造研究等具有重要的意义。为了得到郯庐断裂带明光段精细的速度结构和场地响应特征，安徽省地震局倪红玉高级工程师联合中国科学技术大学地球和空间科学学院李俊伦教授团队，利用前期布设的跨郯庐断裂带明光段东边界一条密集测线，计算单台噪声水平向与垂直向谱比曲线（简称HVSR曲线），采用粒子群算法反演了浅层地壳的S波速度结构，并通过地质构造、钻孔资料、人工浅层地震反射剖面和相速度频散曲线反演的S波速度等验证其可靠性，进而对郯庐断裂带明光段的沉积格局、东界两条主干断裂的空间展布和活动性特征进行分析讨论。该成果发表于SCI期刊《地球物理学报》2023年第11期上。

被动源密集测线由133个台间距约为60 m的SmartSolo三分量短周期地震计组成，测线长度约8 km，跨郯庐断裂带明光段东边界的嘉山—庐江（F₁）和池河—太湖两条断裂（F₂），台站编号从西边3号逐渐增大到东边135号，单台观测时长平均约28天。人工浅层S波反射勘探（图1中黑线所示）与被动源探测（图1中红线所示）同期开展，沿着道路布设，炮点间距为5 m、道间距1 m，剖面长度约8.1 km。

图1  研究区1:25万地质构造、主被动源测线和钻孔分布图

研究组计算了测线上133个台站的HVSR曲线，绘制剖面图（图2），从中可以看出测线整体上呈现出复杂的双峰甚至多峰的特征。曲线的每个峰值均对应一个速度变化界面。图2中黑色实线对应的HVSR曲线振幅最高，意味着最大的放大效应，在抗震设防时，应主要考虑对应的共振频率。

图2  测线下方HVSR幅度剖面图

研究组利用粒子群算法反演了台站下方的S波速度结构，为了验证反演结果与实际地质结构的吻合性，研究组收集了测线附近钻孔资料，将HVSR反演的S波速度结构（500m以浅）与钻孔柱状图进行对比（图3），反演得到的第一个峰1对应的速度界面和钻孔揭露的土石分界面相吻合。

图3  HVSR曲线、反演的S波速度和相应的钻孔柱状图（a）台站4和钻孔ZK04；（b）台站33和钻孔ZK15；（c）台站66和钻孔ZK27；（d）台站89和钻孔ZK42

为了验证整条测线反演的可靠性，研究组将反演的S波速度结构与主动源浅层S波反射剖面（王明，2022）及倪红玉等（2022）对同一被动源测线提取相速度频散曲线反演的S波速度进行对比（图4）。结果显示：由HVSR反演的S波速度结构揭示了2个主要速度界面：土石界面以及风化基岩-未风化基岩的分界面。其中土石界面与相应钻孔结果较为一致，整条测线的土石界面分布在方位、形态和趋势上与主动源S波反射剖面高度吻合，还刻画了主动源S波反射剖面未能刻画的基岩顶界面。

图4  （a）测线的高程；（b）测线周边1:25万地质构造图；（c）投影后的主动源S波反射叠加时间剖面和解释结果图（绿线表示第四系和新近系的底界面），纵坐标为双程旅行时；（d）利用HVSR曲线反演的50m深度内的S波速度剖面（黑线表示土石分界面）；（e）利用HVSR曲线反演的500m深度内的S波速度剖面（黑线表示基岩顶界面）；（f）利用频散曲线反演的50m深度内的S波速度剖面；（g）利用频散曲线反演的500m深度内的S波速度剖面

测线横跨郯庐断裂带的两条分支断裂F₁、F₂，其中池河-太湖断裂F₂断裂对两侧岩石造成了较大破坏，致使HVSR曲线的峰值频率变宽，土石分界面错动，活动性较强。嘉山-庐江断裂F₁断裂两侧的峰值频率和土石界面均有明显变化，但较为连续，未有错动，其下方10-40m深度存在较大区域的高速夹层，推测为新生代玄武岩喷发后冷却所致，其活动性低于F₂。本研究刻画的两条断裂的空间展布、活动性等特征与钻孔资料、主动源结果和地质资料等较为一致。

HVSR方法仅需数小时的单台三分量噪声记录，具有施工便捷、成本低廉、受场地限制少、不依赖于地震等优点，本研究结果表明HVSR方法可以为复杂地区的场地响应特征、浅层沉积结构、城市隐伏活断层探测提供一种经济、非侵入的手段。值得注意的是，HVSR反演方法存在非唯一性，借助地质构造、钻孔和地震反射剖面等先验信息可以增加结果的可靠性。

本研究第一作者为安徽省地震局倪红玉高工，通讯作者为安徽省地震局黄显良研究员。本研究内容得到安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站联合开放基金（MEMGO-202307）、安徽省自然科学基金（2108085MD137）、中国地震局地震科技星火计划（XH23020YA）和中央高校基本科研业务费专项资金（WK2080000141）等项目的联合资助的支持。

本文链接：http://www.geophy.cn/article/doi/10.6038/cjg2023R0118?viewType=HTML

出版信息

倪红玉, 张若晗, 李俊伦, 黄显良*, 郑海刚, 洪德全, 缪鹏, 彭刘亚, 鲍子文. 2023. 地震背景噪声HVSR方法在安徽明光城市场地响应特征和活断层探测中的应用. 地球物理学报, 66(11): 4552-4571, doi: 10.6038/cjg2023R0118