張寶龍, 李志偉, 包豐, 鄧陽, 游慶瑜, 張森琦

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 合肥　230026 2 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢　430077 3 黑龍江省地震局， 哈爾濱　150090 4 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京　100029 5 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 河北保定　071051

?

基于微動(dòng)方法研究五大連池火山區(qū)尾山火山錐淺層剪切波速度結(jié)構(gòu)

張寶龍1，2, 李志偉2*, 包豐2, 鄧陽3, 游慶瑜4, 張森琦5

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站， 合肥230026 2 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢430077 3 黑龍江省地震局， 哈爾濱150090 4 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京100029 5 中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心， 河北保定071051

為了研究五大連池火山區(qū)尾山火山錐淺層三維波速結(jié)構(gòu)特征，在尾山火山錐附近區(qū)域布設(shè)了無線地震檢波器密集臺(tái)陣，記錄連續(xù)地震背景噪聲波形數(shù)據(jù).基于微動(dòng)方法(拓展空間自相關(guān)方法)提取了臺(tái)站間2～5 Hz頻率范圍的Rayleigh面波相速度頻散曲線.利用面波層析成像方法反演獲得2～5 Hz Rayleigh面波二維相速度圖像，基于每一個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的頻散曲線，進(jìn)一步反演獲得了尾山火山錐附近區(qū)域地表至700 m深度的三維剪切波速度結(jié)構(gòu).成像結(jié)果顯示：在0～150 m較淺深度，靠近尾山火山錐區(qū)域顯示為相對(duì)高速異常，遠(yuǎn)離火山錐區(qū)域則顯示為相對(duì)低速異常.而至150～700 m較深深度，波速異常特征與淺部相反，靠近尾山火山錐的區(qū)域顯示為相對(duì)低速異常，遠(yuǎn)離火山錐的區(qū)域顯示為相對(duì)高速異常.在遠(yuǎn)離尾山火山錐區(qū)域，淺層的相對(duì)低速異?？赡芘c松散沉積層有關(guān)，深部的高速異常則反映了結(jié)晶變質(zhì)巖的影響.在靠近尾山火山錐區(qū)域，淺部的相對(duì)高速異常應(yīng)該反映了出露地表的玄武巖，而深部的相對(duì)低速異常則可能反映了火山通道周圍廣泛發(fā)育的破碎裂隙結(jié)構(gòu)及其火山噴發(fā)后孔隙流體填充的影響.關(guān)鍵詞淺層結(jié)構(gòu)； 剪切波； 微動(dòng)方法； 面波層析成像

1　引言

數(shù)十米至數(shù)百米深度的地殼淺層剪切波速度結(jié)構(gòu)可為地震工程場(chǎng)地評(píng)估、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬、活動(dòng)斷裂、地?zé)豳Y源勘查等提供重要的參考.對(duì)于具有較厚沉積層地區(qū)而言，可靠的淺層波速結(jié)構(gòu)可為地震定位、地殼上地幔深部結(jié)構(gòu)成像等研究提供可靠的淺層結(jié)構(gòu)模型(Xia et al., 1999; 何正勤等,2007; 徐佩芬等, 2009,2013; Xu et al., 2012; Li et al., 2014, 2016; Ni et al., 2014; 李志偉等,2015).因此，地殼淺層剪切波速度結(jié)構(gòu)對(duì)于大型工程建設(shè)和基礎(chǔ)研究均具有重要意義.目前地殼淺層剪切波結(jié)構(gòu)主要的研究包括主動(dòng)源和被動(dòng)源方法.主動(dòng)源方法主要為采用人工震源(如爆炸震源，氣槍，重錘，震源車)激發(fā)地震面波信號(hào)，提取面波頻散信息并反演剪切波速度結(jié)構(gòu).主動(dòng)源方法具有信噪比高、探測(cè)精度高等優(yōu)點(diǎn)(Xia et al., 1999; Wang et al., 2016).然而，主動(dòng)源探測(cè)方法的成本較高，同時(shí)基于炸藥震源的方法對(duì)環(huán)境有一定破壞性，在城市等人口密集地區(qū)開展探測(cè)工作受到一定限制.被動(dòng)源方法不依賴于人工震源，而是利用包括天然地震事件、地震背景噪聲等在內(nèi)的被動(dòng)震源產(chǎn)生的信號(hào)探測(cè)淺層結(jié)構(gòu).例如，利用地震臺(tái)站記錄到的近震事件P波波形，基于初至P波垂向與徑向振幅比，以及來自沉積基底的Ps、Sp轉(zhuǎn)換震相的時(shí)差和振幅比，可以獲得臺(tái)站下方數(shù)十米至數(shù)百米深度的淺層剪切波速度結(jié)構(gòu)(Li et al., 2014; Ni et al., 2014).

地球上時(shí)刻存在著由海洋、大氣、地震等各種震源激發(fā)的地震波，攜帶了噪聲源及地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的豐富信息.隨著地震學(xué)理論和方法的發(fā)展，基于地震背景噪聲數(shù)據(jù)的研究在地殼波速結(jié)構(gòu)成像、地球內(nèi)部波速結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化、地震水平位置測(cè)定等方面取得了豐富的成果(Shapiro et al., 2005; Stehly et al., 2006; Zhan et al., 2011).通過提取地震臺(tái)陣記錄的地震背景噪聲數(shù)據(jù)中的面波信號(hào)，可以獲得面波頻散并反演地殼及上地幔的剪切波速度結(jié)構(gòu).而在地殼淺層結(jié)構(gòu)研究中，也發(fā)展了包括空間自相關(guān)(Spatial Autocorrelation, SPAC)、拓展空間自相關(guān)(ESPAC)、頻率波數(shù)法(F-K)、H/V譜比法等基于地震背景噪聲數(shù)據(jù)的微動(dòng)方法.在地殼淺部數(shù)十米至數(shù)百米深度的波速結(jié)構(gòu)探測(cè)中，基于臺(tái)陣的微動(dòng)探測(cè)方法已在地?zé)豳Y源、重大工程場(chǎng)地等研究領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果(Toks?z and Lacoss, 1968; Ling, 1994; Okada, 2003; Xu et al., 2012).基于地震背景噪聲的地殼淺層結(jié)構(gòu)成像方法不受地震事件時(shí)空分布的限制，施工成本較低，對(duì)環(huán)境無破壞，因此已經(jīng)取得了較快發(fā)展，成為研究地殼淺層波速結(jié)構(gòu)的重要地震學(xué)方法.

Aki(1957)最早提出了SPAC方法的概念，并給出了平穩(wěn)隨機(jī)波動(dòng)理論假設(shè)下一維和二維的空間自相關(guān)理論和應(yīng)用實(shí)例.Aki(1965),Asten(1976), Ferrazzini等(1991), Chouet等(1998), Satoh等(2001)又對(duì)微動(dòng)探測(cè)的原理和技術(shù)方法進(jìn)行了研究，推動(dòng)了微動(dòng)方法的發(fā)展.何正勤等(2007)利用微動(dòng)方法研究了0～3 km深度的剪切波速度結(jié)構(gòu)，為確定地?zé)徙@井位置提供了依據(jù)，并得到了后期鉆孔資料的驗(yàn)證.徐佩芬等(2009, 2013)基于微動(dòng)方法開展了煤礦陷落柱和地鐵沿線地下“孤石”等淺層波速結(jié)構(gòu)相關(guān)的探測(cè)研究.

除了空間自相關(guān)方法外，還有一些基于地震背景噪聲的地殼淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)方法.Capon(1970)利用最大似然F-K法成功地從地震背景噪聲中提取了面波信號(hào).Nakamura(1989)發(fā)展出新的臺(tái)陣數(shù)據(jù)處理方法，即H/V譜比法研究場(chǎng)地的卓越頻率及放大因子等參數(shù)，用于估計(jì)沉積層厚度.Claerbout(1968)提出了地震背景噪聲互相關(guān)理論的雛形，證明了在水平層狀且底層為均勻無限半空間模型中，自由地表記錄的底部透射地震波自相關(guān)波形與其自激自收波形是等價(jià)的.Xu等(2013)在三峽庫區(qū)巴東縣黃土坡滑坡體隧道內(nèi)用47個(gè)Texans 4.5 Hz檢波器組成的測(cè)線記錄了28個(gè)小時(shí)微動(dòng)數(shù)據(jù)，利用波形互相關(guān)方法得到了3～8 Hz面波信號(hào)，并采用多道面波分析方法(MASW)提取相速度頻散曲線，最后反演獲得滑坡體200 m深度內(nèi)的剪切波速度結(jié)構(gòu).徐義賢和羅銀河(2015)詳細(xì)總結(jié)了噪聲地震學(xué)在淺層勘探中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)噪聲地震學(xué)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望.上述研究進(jìn)一步表明微動(dòng)方法在地殼淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)中的良好應(yīng)用效果.

五大連池火山是我國(guó)最重要的活火山之一(其它重要的活火山包括騰沖火山、長(zhǎng)白山火山及鏡泊湖火山)，其最近一次噴發(fā)發(fā)生在約300年前，噴發(fā)的火山口位于尾山西南側(cè)的老黑山和火燒山.尾山位于五大連池火山群的北部，靠近整個(gè)五大連池火山區(qū)的中間區(qū)域.準(zhǔn)確可靠的地殼淺表層剪切波結(jié)構(gòu)對(duì)于火山地震準(zhǔn)確定位和火山下方地殼深部三維結(jié)構(gòu)成像具有重要意義，能夠提高深部結(jié)構(gòu)成像的可靠性.我們?cè)谖宕筮B池火山區(qū)尾山火山錐附近區(qū)域布設(shè)了由29個(gè)地震檢波器組成的密集臺(tái)陣，對(duì)記錄的連續(xù)地震背景噪聲波形數(shù)據(jù)，使用微動(dòng)方法提取Rayleigh面波相速度頻散曲線，并采用面波層析成像方法反演了研究區(qū)地殼淺層剪切波速度結(jié)構(gòu).在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近區(qū)域的波速異常結(jié)構(gòu)及其相關(guān)地質(zhì)意義進(jìn)行了初步討論.

2　方法

基于空間平穩(wěn)隨機(jī)波動(dòng)理論和基階面波是微動(dòng)信號(hào)中的主要能量?jī)蓚€(gè)假設(shè)下，Aki(1957)對(duì)空間自相關(guān)理論進(jìn)行了研究.在規(guī)則臺(tái)陣的觀測(cè)系統(tǒng)下，設(shè)圓心處的垂向分量波場(chǎng)為u(x,y,t),而圓周上任一臺(tái)站的垂向分量波場(chǎng)為u(x+ξ,y+η,t)，則空間自相關(guān)函數(shù)φ(ξ,η,t)可表示為

(1)

上劃線表示時(shí)間平均.假設(shè)波場(chǎng)以單一速度c在圓內(nèi)傳播，則空間自相關(guān)函數(shù)的方位平均為

(2)

上式為極坐標(biāo)表達(dá)形式，ψ為圓形觀測(cè)臺(tái)陣中半徑為r處臺(tái)站與中心點(diǎn)臺(tái)站的方位角，ξ=rcos(ψ)，η=rsin(ψ).空間自相關(guān)函數(shù)方位平均與波場(chǎng)功率譜密度關(guān)系可表示為

(3)

(4)

Φ(ω)為波場(chǎng)的功率譜密度，ω為角頻率，J0為第一類零階貝塞爾函數(shù).對(duì)上述信號(hào)應(yīng)用窄帶濾波，功率譜密度可表示為

(5)

P(ω0)為在頻率為ω0時(shí)的功率譜密度，δ(ω-ω0)為狄拉克函數(shù)，此時(shí)方位平均的空間自相關(guān)函數(shù)可表示為

(6)

自相關(guān)系數(shù)定義為

(7)

由于功率譜密度與臺(tái)站位置無關(guān)，因此可將方位平均后的自相關(guān)系數(shù)寫為

(8)

(9)ρij(f)是自相關(guān)系數(shù)，是頻率f的函數(shù)；Ui(f)與Uj(f)表示臺(tái)站i與臺(tái)站j的頻率域微動(dòng)數(shù)據(jù)，*表示共軛，ω0為角頻率，r為臺(tái)站i與臺(tái)站j間的距離，c(ω0)為Rayleigh面波相速度.

Asten(2006)提出當(dāng)臺(tái)站在圓周上充分多或?yàn)楦飨蛲圆▓?chǎng)時(shí)，抑或臺(tái)站間記錄了足夠長(zhǎng)時(shí)間的微動(dòng)信號(hào)時(shí)，自相關(guān)系數(shù)譜的虛部為零，其實(shí)部為第一類零階貝塞爾函數(shù).在實(shí)際計(jì)算中，虛部一般不為零，表明噪聲源空間分布并非絕對(duì)均勻，或者地震噪聲波場(chǎng)不是穩(wěn)定不變的平面波，這會(huì)在自相關(guān)系數(shù)譜計(jì)算中引入一定誤差.一般來說，將自相關(guān)系數(shù)譜的實(shí)部近似為第一類零階貝塞爾函數(shù)，即

(10)

常規(guī)SPAC方法通常將觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)成同心圓，以減小噪聲源方位分布不均勻?qū)γ娌l散曲線可靠性的影響.為了能夠使空間自相關(guān)方法在較大區(qū)域開展研究，Ling和Okada(1993)發(fā)展出了基于不規(guī)則臺(tái)陣的拓展空間自相關(guān)方法(Extend SPAC，即ESPAC).ESPAC方法布置觀測(cè)系統(tǒng)比較靈活，可以布設(shè)成一字型、十字型或呈網(wǎng)狀的任意形狀，并通過兩兩臺(tái)站間的數(shù)據(jù)處理獲得臺(tái)站間的面波頻散信息.隨著地震背景噪聲方法理論的發(fā)展，以及對(duì)于臺(tái)陣布設(shè)無嚴(yán)格限制的優(yōu)點(diǎn)，基于不規(guī)則臺(tái)陣的ESPAC方法在地殼淺層結(jié)構(gòu)研究得到廣泛應(yīng)用.Ohori等(2002)利用ESPAC和FK方法處理了T型臺(tái)陣數(shù)據(jù)，并對(duì)獲得的Rayleigh相速度頻散曲線進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)基于不規(guī)則臺(tái)陣ESPAC方法得到的Rayleigh面波相速度頻散曲線更為可靠.Chávez-García等(2005，2006)和Ekstr?m等(2009)研究表明在噪聲來源方向隨機(jī)分布的情況下，由兩個(gè)臺(tái)站獲取的空間自相關(guān)函數(shù)為貝塞爾函數(shù)，與同心圓臺(tái)站得到的結(jié)果相同，即臺(tái)站對(duì)間長(zhǎng)時(shí)間的地震時(shí)間序列可以替代Aki(1957)提出的規(guī)則臺(tái)陣空間方位平均；而在新西蘭開展的多次不規(guī)則臺(tái)陣觀測(cè)也表明反演得到的淺層剪切波速度結(jié)構(gòu)與已有研究成果一致.不僅如此，Chávez-García和 Rodríguez(2007)基于不規(guī)則臺(tái)陣背景噪聲數(shù)據(jù)的研究表明：頻率域互相關(guān)(SPAC)與時(shí)間域波形互相關(guān)方法得到的Rayleigh相速度頻散曲線是一致的.Tsai和Moschetti(2010)從理論上也證明了基于頻率域互相關(guān)的SPAC方法與時(shí)間域波形互相關(guān)方法的一致性.Nakata等(2011)和何正勤等(2013)利用ESPAC方法從線性臺(tái)陣記錄的地震背景噪聲中恢復(fù)了面波信號(hào)，測(cè)量了面波相速度頻散曲線，發(fā)現(xiàn)與主動(dòng)源多道面波分析方法的結(jié)果相比具有較好一致性.上述研究表明：基于不規(guī)則臺(tái)陣的微動(dòng)方法可以有效探測(cè)地殼淺層剪切波速度結(jié)構(gòu).

3　微動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理

3.1微動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)

五大連池火山群由14個(gè)火山錐組成，實(shí)心正三角為各火山口位置，尾山位于該火山群最北側(cè)，整體呈北西-南東走向，其東側(cè)及南側(cè)為五大連池堰塞湖(圖1a).研究區(qū)域廣布農(nóng)田和樹林，高程在320～520 m之間，西側(cè)和北側(cè)海拔較高，東南側(cè)較低，整體地勢(shì)較為平坦.尾山火山錐高程520 m左右.我們將29個(gè)主頻為2 Hz的地震檢波器組成密集觀測(cè)臺(tái)陣，布設(shè)在五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近(圖1b).由于尾山火山口附近森林密布、地形復(fù)雜，地震儀器主要布設(shè)在尾山火山口的西側(cè).盧川等(2015)利用相同類型的地震檢波器開展了沉積盆地的微動(dòng)探測(cè)并取得了良好效果，表明此類地震檢波器適用于微動(dòng)探測(cè)研究.臺(tái)站位置及時(shí)間服務(wù)則依據(jù)儀器內(nèi)置GPS獲得，采樣率設(shè)為200 Hz.儀器采用內(nèi)置鋰電池供電，每個(gè)儀器都記錄了至少15 h微動(dòng)信號(hào).由于白天人文干擾較大，因此挑選出2014年7月7號(hào)晚上6點(diǎn)至7月8號(hào)早上9點(diǎn)共15 h數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理.

3.2數(shù)據(jù)處理

在計(jì)算臺(tái)站對(duì)空間自相關(guān)系數(shù)前，我們分別對(duì)單個(gè)臺(tái)站的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，包括去均值、去傾斜、去尖脈沖等操作，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析(圖2).數(shù)據(jù)振幅譜在1～5 Hz頻段內(nèi)能量較強(qiáng)，帶通濾波窗口選為0.1～10 Hz.將每個(gè)臺(tái)站垂向分量微動(dòng)數(shù)據(jù)按60 s分段，共計(jì)900段.首先對(duì)每段數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，按公式(9)用一個(gè)臺(tái)站的傅里葉譜與另一個(gè)臺(tái)站的譜的共軛計(jì)算自相關(guān)系數(shù)，并按公式(10)取實(shí)部后進(jìn)行疊加.然后采用滑動(dòng)絕對(duì)平均方法對(duì)疊加后的自相關(guān)系數(shù)波形進(jìn)行平滑處理，得到每個(gè)臺(tái)站對(duì)的自相關(guān)系數(shù)曲線，并剔除了信噪比較低、未能呈現(xiàn)第一類零階貝塞爾曲線形態(tài)的自相關(guān)系數(shù)曲線.從不同臺(tái)站距的自相關(guān)系數(shù)波形可以看出，自相關(guān)系數(shù)曲線與第一類零階貝塞爾曲線類似，且隨著臺(tái)站間距的增大，第一個(gè)零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率呈下降趨勢(shì)(圖2c).

圖1　(a) 五大連池火山區(qū)，上覆白色煙圈的實(shí)心正三角為14座火山分布圖，圖右下方為研究區(qū)的地理位置.從左至右依次為南北格拉球山、臥虎山、筆架山、老黑山、藥泉山、老黑山、火燒山、東西焦德布山、尾山、小孤山、東西龍門山、莫拉布山，實(shí)線方框?yàn)榇舜窝芯繀^(qū)域尾山周邊； (b) 研究區(qū)域臺(tái)站分布圖，實(shí)心倒三角為29個(gè)臺(tái)站分布，虛線OA, OB, OC, DD′是圖6，圖8和圖9所示的四組剖面； (c) 研究區(qū)域三維地形分布圖.圖1a中實(shí)線方框圈定位置為研究區(qū)域Fig.1　(a) Locations of 14 volcanos (triangles with smoke rings) around the Wudalianchi City (In north eastern China), the study region is in the solid box area. (b) Locations of 29 stations (inverted triangles) around the study region of Weishan. The 4 dash lines in (b) delineate the positions of 4 profiles of shear velocity, which are plotted in Fig.6，F(xiàn)ig.8 and Fig.9. (c) Three-dimensional topographic map of the study region

4　成像結(jié)果與討論

本文采用面波層析成像方法對(duì)2～5 Hz的相速度頻散數(shù)據(jù)進(jìn)行了層析成像反演(Yanovskaya and Ditmar, 1990).面波射線路徑分布顯示頻散數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)有較好覆蓋(圖4).反演采用0.1 km×0.1 km網(wǎng)格，并經(jīng)過多次成像測(cè)試確定合適的正則化參數(shù)和阻尼系數(shù)，從而保證成像結(jié)果相對(duì)平滑且能夠較好擬合觀測(cè)數(shù)據(jù)(圖5).為了更清晰地分析層析成像結(jié)果隨空間和周期的變化，以尾山火山口為原點(diǎn)O，分別沿西向OA，西南向OB，南向OC以及尾山南側(cè)東西走向DD′(見圖1b)獲得4組相速度頻散曲線變化剖面圖(圖6).在研究區(qū)西側(cè)、西南側(cè)及南側(cè)靠近尾山火山口的區(qū)域，在2.8～4.0 Hz頻段內(nèi)相速度相對(duì)較高.

圖2　(a) 4個(gè)臺(tái)站原始數(shù)據(jù)波形圖； (b) 4個(gè)臺(tái)站原始數(shù)據(jù)頻譜； (c) 4個(gè)臺(tái)站對(duì)的空間相關(guān)系數(shù)波形Fig.2　(a) Observed noise record in 4 stations； (b) Power spectrum of the data in panel (a)；(c) Cross-correlation coefficients as a function of frequency for 4 different station pairs

圖3　(a) 所有臺(tái)站對(duì)實(shí)測(cè)頻散曲線，其中灰色短虛線為由(b)中平均速度模型計(jì)算得到的理論頻散曲線；(b) 研究區(qū)一維剪切波平均速度模型； (c) 周期為3 Hz, 2.5 Hz, 2 Hz, 1.25 Hz面波相速度敏感核曲線Fig.3　(a) The measured Rayleigh wave phase velocity dispersion curves base on the microtremor survey. The gray dashed line is theoretical dispersion curve based on the model in (b).(b) The 1-D model of average shear wave velocity in the study region.(c) Normalized depth sensitivity kernels for 1.25～3 Hz Rayleigh wave phase velocity

圖4　(a)射線路徑分布圖； (b)網(wǎng)格射線覆蓋數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.4　(a)Ray path coverage; (b)Ray path number in each grid

圖5　多個(gè)周期的相速度分布圖.右上角為周期，紅色實(shí)心正三角為尾山火山錐位置.圖中給出研究區(qū)周期為4.2 Hz, 3.4 Hz, 2.8 Hz, 2.2 Hz的面波相速度水平層析成像結(jié)果Fig.5　Tomographic images for Rayleigh wave phase velocity at 4.2, 3.4, 2.8 and 2.2 Hz. The period for each subfigure is labelled on the upper-right corner. Red triangle shows the location of Weishan volcano cone

面波相速度頻散數(shù)據(jù)不同周期的敏感核測(cè)試表明： 2.0～3.0 Hz頻散數(shù)據(jù)對(duì)0～700 m結(jié)構(gòu)均有一定分辨能力，對(duì)100～400 m結(jié)構(gòu)較為敏感，其中2 Hz頻散對(duì)100～500 m較淺深度具有較好分辨能力(圖3).為了獲得研究區(qū)三維剪切波速度結(jié)構(gòu)，將每個(gè)網(wǎng)格的相速度頻散數(shù)據(jù)采用線性方法進(jìn)行反演(Herrmann and Ammon, 2004)，得到1-D 隨深度變化的剪切波速度結(jié)構(gòu)，并通過插值平滑便可獲得研究區(qū)0～700 m的三維剪切波速度結(jié)構(gòu)(圖7和8).100 m深度的剪切波速度圖像顯示：剪切波波速變化范圍為600～950 m·s-1，在靠近尾山火山錐和研究區(qū)西北部為高速異常，研究區(qū)東南部則為低速異常；至200 m以下深度，靠近尾山火山錐區(qū)域和研究區(qū)西北部則顯示為低速異常，研究區(qū)東南部為高速異常.為了更好反映研究區(qū)波速結(jié)構(gòu)變化特征，圖8和圖9分別給出了絕對(duì)和相對(duì)剪切波速度變化剖面.圖8給出了由尾山火山口向西1.7 km(OA)，向東南2.0 km(OB)，向南1 km(OC)及尾山南側(cè)東西方向長(zhǎng)度為2 km的測(cè)線DD′等四組剖面，清晰地展示了0～700 m深度絕對(duì)剪切波速度變化特征.OA，OB，OC三組由火山口為原點(diǎn)的測(cè)線海拔由480 m逐漸降為360 m，尾山近處100 m以上淺層剪切波速度較遠(yuǎn)處高，并呈現(xiàn)出地表低速覆蓋層越靠近尾山越薄的特征.DD′測(cè)線由東向西海拔由400 m降至360 m，整體較為平坦，同樣地，100 m深度以上的淺層，靠近尾山火山錐處的剪切波速度要較遠(yuǎn)處高，并呈現(xiàn)出低速覆蓋層越靠近尾山越薄的特征.圖9同樣反映了OA，OB，OC，DD′四組剖面在150 m深度以上的淺層地表尾山火山錐近處速度較遠(yuǎn)處偏高，而在150～700 m深度范圍內(nèi)，尾山火山錐近處速度較遠(yuǎn)處偏低.

鑒于面波頻散數(shù)據(jù)覆蓋范圍的限制，本文只展示和討論了研究區(qū)主要的異常結(jié)構(gòu)特征，而更小尺度異常特征可能具有較大不確定性不進(jìn)行討論.野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在尾山火山錐附近區(qū)域地表覆蓋有松散沉積土壤層，且靠近火山錐附近廣泛出露有多孔隙玄武巖.因此，推測(cè)尾山火山錐附近的剪切波速度異常特征可能由以下因素造成：尾山為整體走向?yàn)楸蔽?南東，尾山火山口近處及研究區(qū)西北部地勢(shì)較高，有黑色多孔隙玄武巖出露，東南部地勢(shì)較低，地表分布為松散沉積層，推測(cè)靠近尾山火山錐處及西北部深部為火山噴發(fā)的玄武巖，在波速結(jié)構(gòu)成像結(jié)果中顯示為高速異常；而在遠(yuǎn)離尾山火山錐處，其淺部的低速異常反映了地表松散沉積層的影響；并且越靠近尾山火山錐，松散沉積層的厚度越薄(圖7—9).至200 m以下深度，剪切波速度分布特征與火山噴發(fā)時(shí)火山口附近的巖漿分布密切相關(guān)：在靠近尾山火山錐區(qū)域，火山作用造成火山通道周圍較為破碎多裂隙發(fā)育，加之火山巖為多孔隙玄武巖富含孔隙流體，使之顯示為低速異常；而在遠(yuǎn)離尾山火山錐區(qū)域，其異常特征可能反映了具有較高剪切波速度的結(jié)晶變質(zhì)巖的影響.

圖6　以尾山火山口為原點(diǎn)O，沿西向OA，西南向OB，南向OC 以及尾山南側(cè)東西走向DD′(見圖1b)等4組測(cè)線的相速度頻散曲線變化剖面圖，四組剖面的色標(biāo)相同F(xiàn)ig.6　(a—d)Cross sections of phase velocity dispersion curves along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b. The solid line on the top is elevation along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b

圖7　剪切波速度不同深度剖面圖.右上角為深度，紅色實(shí)心三角為尾山火山錐，色標(biāo)為剪切波速度值變化Fig.7　Tomographic images for shear-wave velocities at 0.1～0.5 km depths. The depth for each subfigure is labelled on the upper-right corner. Red triangle shows the location of Weishan volcano cone

圖8　(a) OA測(cè)線剪切波速度剖面； (b) OB測(cè)線剪切波速度剖面； (c) OC測(cè)線剪切波速度剖面； (d) DD′ 測(cè)線剪切波速度剖面；圖形上部為該測(cè)線地形變化，四組剖面色標(biāo)相同，均為剪切波速度變化.四組剖面方位分布如圖1b所示Fig.8　(a—d) Cross sections of shear wave velocity along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b. The solid line on the top is elevation along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b

圖9　(a) OA測(cè)線區(qū)域平均剪切波速度擾動(dòng)剖面； (b) OB測(cè)線區(qū)域平均剪切波速度擾動(dòng)剖面； (c) OC測(cè)線區(qū)域平均剪切波速度擾動(dòng)剖面； (d) DD′測(cè)線區(qū)域平均剪切波速度擾動(dòng)剖面；圖形上部為該測(cè)線地形變化，四組剖面色標(biāo)相同，均為區(qū)域平均剪切波速度±20%速度擾動(dòng).四組剖面方位分布如圖1b所示Fig.9　(a—d) Cross sections of the average shear wave velocity perturbations along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b. The solid line on the top is elevation along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b

5　結(jié)論

本文利用由29臺(tái)檢波器組成的無線地震檢波器密集臺(tái)陣，在五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近開展了連續(xù)地震背景噪聲觀測(cè)，并基于微動(dòng)和面波層析成像方法獲得了研究區(qū)地表至700 m深度的地殼淺層三維剪切波速度結(jié)構(gòu).五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近的三維剪切波速度成像結(jié)果顯示：在0～150 m的淺部靠近尾山火山錐的區(qū)域顯示為相對(duì)高速異常，遠(yuǎn)離火山錐的區(qū)域顯示為相對(duì)低速異常.至150～700 m深部，波速異常特征則明顯與0～150 m深度的波速特征相反，即靠近尾山火山錐的區(qū)域顯示為相對(duì)低速異常，遠(yuǎn)離火山錐的區(qū)域顯示為相對(duì)高速異常.在遠(yuǎn)離尾山火山錐區(qū)域，淺層的相對(duì)低速異?？赡芘c松散沉積層有關(guān)，深部的高速異常則反映了結(jié)晶變質(zhì)巖的影響；在靠近尾山火山錐區(qū)域，淺部的相對(duì)高速異常應(yīng)該反映了出露地表的玄武巖，而深部的相對(duì)低速異常則可能反映了火山通道周圍廣泛發(fā)育的破碎裂隙結(jié)構(gòu)及其火山噴發(fā)后孔隙流體填充的影響.

致謝感謝審稿專家寶貴的修改意見和建議.感謝倪四道教授的指導(dǎo)和幫助.

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(本文編輯胡素芳)

Shallow shear-wave velocity structures under the Weishan volcanic cone in Wudalianchi volcano field by microtremor survey

ZHANG Bao-Long1,2, LI Zhi-Wei2*, BAO Feng2, DENG Yang3, YOU Qing-Yu4, ZHANG Sen-Qi5

1MengchengNationalGeophysicalObservatory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China2StateKeyLaboratoryofGeodesyandEarth′sDynamics,InstituteofGeodesyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430077,China3HeilongjiangEarthquakeAdministration,Harbin150090,China4KeyLaboratoryofPetroleumResourceResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China5HydrogeologyandEnvironmentalGeologySurveyCenter,ChinaGeologicalSurvey,BaodingHebei071051,China

A dense seismic array with wireless digital geophones was deployed to record continuous seismic noise to investigate the shallow velocity structure beneath the Weishan volcanic cone. The ESPAC technique, which is one of popular microtremor survey methods, was adopted to extract the Rayleigh wave phase velocity dispersion curves between station pairs. We obtained high-resolution phase velocity maps at 2～5 Hz with these dispersion measurements, and constructed a 3-D shallow shear-wave velocity model beneath Weishan volcanic cone by inverting the phase velocity dispersion curves at each grid points using an iterative linearized least-square inversion scheme. Significant velocity anomalies at different depths (0～700 m) and different regions are shown in the obtained 3-D shear-wave velocity model. At 0～150 m depth, the low velocity anomalies are mainly distributed far away from the Weishan volcanic cone, and the high velocity anomalies are mainly distributed near the cone. On the contrary, at deeper depth of 150～700 m, it was shown a totally different feature with the low velocity anomalies mainly constrained near the cone, and the high velocity anomalies situated far away from it. Field geological survey indicates that the Weishan volcanic areas are covered by unconsolidated sediment layer and very porous basalt. Therefore, far away from the cone the low velocity anomaly at shallow depth (<150 m) may correlate with the unconsolidated sediments, and high velocity anomaly at deeper depth (>150 m) implies the influence of the crystalline metamorphic rocks. Otherwise, near the Weishan volcanic cone area, the relatively high velocity anomaly at shallow depth may be due to the consequence of volcanic eruptions of porous basalt, while the relatively low velocity anomaly at deeper depth probably points to the volcanism caused more fragmentations which were filled with pore fluid.

Shallow velocity structure; Shear-wave velocity; Microtremor survey; Surface wave tomography

10.6038/cjg20161013.

國(guó)家自然科學(xué)基金(41304045，41674065)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB733204)，中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(水[2014]02-008-005-W03)，大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題，中國(guó)地震局地震科技星火計(jì)劃青年項(xiàng)目(XH15014Y)聯(lián)合資助.

張寶龍，男，1987年生，博士研究生，主要從事地球深部地震學(xué)結(jié)構(gòu)成像、基于噪聲的淺層地殼結(jié)構(gòu)成像等研究.

E-mail:zblong@mail.ustc.edu.cn

李志偉，男，研究員，主要從事地殼淺層及深部結(jié)構(gòu)地震成像方法和應(yīng)用研究.E-mail:zwli@whigg.ac.cn

10.6038/cjg20161013

P315，P631

2016-01-08，2016-08-22收修定稿

張寶龍, 李志偉, 包豐等. 2016. 基于微動(dòng)方法研究五大連池火山區(qū)尾山火山錐淺層剪切波速度結(jié)構(gòu). 地球物理學(xué)報(bào)，59(10):3662-3673,

Zhang B L, Li Z W, Bao F,et al. 2016. Shallow shear-wave velocity structures under the Weishan volcanic cone in Wudalianchi volcano field by microtremor survey.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3662-3673,doi:10.6038/cjg20161013.