彭 菲 王偉君* 熊仁偉 呂曉健 閆 坤 孫鑫喆 耿 爽 寇華東

1)中國地震局地震預(yù)測研究所，地震預(yù)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100036

2)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，越來越多小城市發(fā)展壯大為中等城市，人口密度增加，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)增多，其震害防御的緊迫性日益凸顯。眾多災(zāi)難性地震的經(jīng)驗(yàn)表明，地表覆蓋的松散沉積土層能夠放大地震造成的地面運(yùn)動，尤其當(dāng)?shù)厣辖ㄖ锱c土層振動頻率相同或相近時破壞性最大。場地響應(yīng)是地震發(fā)生后城市損毀的最主要因素。1976年唐山地震中，極震區(qū)被調(diào)查建筑物的倒塌率為50%，而其附近的其他區(qū)域則高達(dá)90%以上，這與場地覆蓋的土層條件有關(guān)(劉朔寬等，1982)。1985年墨西哥8.1級地震后，Mitchell等(1986)總結(jié)并發(fā)現(xiàn)墨西哥城的破壞程度比震中區(qū)更高，這主要就是由于前者具有特殊的松軟土地基，在局部范圍內(nèi)放大了場地響應(yīng)，延長了強(qiáng)地面運(yùn)動的時間。2015年尼泊爾戈?duì)柨?.8級地震后，Takai等(2016)發(fā)現(xiàn)由于尼泊爾首都加德滿位于沉積較厚的山谷中，雖與發(fā)震斷層的距離達(dá)80km，但水平長周期振動產(chǎn)生了非常大的破壞作用，造成8000多人員傷亡。而2016年新西蘭凱庫拉7.8級地震同樣受場地和沉積較厚的盆地效應(yīng)影響，導(dǎo)致長周期地震動被放大，強(qiáng)地面運(yùn)動對60km外惠靈頓地區(qū)的建筑物和城市環(huán)境造成了巨大破壞(Bradleyetal.，2018)。

因此，在地震發(fā)生前開展場地響應(yīng)評估并提前做好防御措施具有重大意義。目前，用于探測淺層地下結(jié)構(gòu)的方法主要包括微重力法、大地電磁法、高密度電法、淺層地震勘探、地質(zhì)雷達(dá)法和鉆孔取樣法。以上6種傳統(tǒng)方法在應(yīng)用條件和探測效果方面各有優(yōu)勢，但劣勢也相對突出、難以克服，如：微重力方法探測深度的可控性較差；大地電磁法在抗電磁干擾方面能力弱；高密度電法對場地條件要求相對較高；淺層地震勘探需要特殊震源；地質(zhì)雷達(dá)法抗干擾能力差，探測深度較淺(薛國強(qiáng)等，2018)。近年來發(fā)展的微動H/V譜比法是一種基于環(huán)境背景噪聲探測沉積結(jié)構(gòu)和場地響應(yīng)的新興方法，在國內(nèi)外都引起了廣泛關(guān)注，研究者也對其進(jìn)行了大量實(shí)踐(Nakamura，1989；Bardetal.，2004；何正勤等，2007；Wangetal.，2008；Chenetal.，2009；王偉君等，2009，2011；Liuetal.，2014；Baoetal.，2018；Tumurbaataretal.，2019；彭菲等，2020；師黎靜等，2020；宗健業(yè)等，2020)。微動是一種由體波和面波組成的隨機(jī)、天然、永久的復(fù)雜振動，其中面波的能量占總能量的70%以上(Lachetetal.，1994；Nakamura，2000；Bonnefoy-Claudetetal.，2006)。由于波的多重反射和折射，微動在傳播過程中積累了反映場地土層固有特征的信息。目前的研究普遍認(rèn)為，微動H/V譜比曲線峰值點(diǎn)所對應(yīng)的頻率近似為場地共振頻率，峰值振幅可視為放大系數(shù)的最低值(Bardetal.，2004；Bonnefoy-Claudetetal.，2006)。該方法的最大優(yōu)勢在于探測深度一般可達(dá)淺層沉積的底界面，無需人工震源且不受電磁干擾，可適用于各種背景噪聲環(huán)境和觀測地形，數(shù)據(jù)獲取簡單高效，能夠快速評估場地響應(yīng)。

本文基于在江蘇省泗陽開展的微動觀測并聯(lián)合鉆孔數(shù)據(jù)和反射地震勘探等資料，綜合探討區(qū)域場地響應(yīng)和淺層沉積界面的分布特征，為提前對重點(diǎn)區(qū)域做好震害防御和震后應(yīng)急避難提供參考。泗陽地處中國郯廬地震帶的東南部(圖1)，歷史上郯廬地震帶曾發(fā)生過1668年7月25日郯城8.5級、1888年6月13日渤海7.5級、1969年7月18日渤海7.4級等大地震，其中郯城8.5級地震震中距本研究區(qū)約110km。綜合歷史特征，未來郯廬地震帶仍是中國東部地區(qū)最值得關(guān)注的地震活動區(qū)域，適時開展有針對性的地震場地響應(yīng)評估，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的震害預(yù)測和新增結(jié)構(gòu)的規(guī)劃設(shè)計均具有至關(guān)重要的作用。

圖1 研究區(qū)的地理位置、斷裂帶分布(徐錫偉等，2016)和歷史強(qiáng)震(李善邦，1960)Fig.1 Map of geographical location and hidden faults(after XU Xi-wei et al.，2016)，and historical strong earthquake(after LI Shan-bang，1960).

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

泗陽位于中國江蘇省北部，位于淮海經(jīng)濟(jì)圈、長三角經(jīng)濟(jì)圈、沿大運(yùn)河城鎮(zhèn)軸交叉輻射區(qū)，眾多發(fā)展型企業(yè)紛紛落戶于此，近年來其城市建設(shè)步伐加快。區(qū)域地貌單元?dú)w屬無山丘、地勢平緩的黃淮沖積平原，總體呈西高東低的特點(diǎn)，大多數(shù)地區(qū)海拔為10～20m，最高不超過30m。區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，以淮河水系和泗沂水系的河流為主，形成了河渠密布、湖泊眾多的水網(wǎng)格局。境內(nèi)土壤以潮土為主，另外2種類型為砂礓土和黃棕壤土。

2 數(shù)據(jù)處理方法

本研究共對泗陽中心城區(qū)開展了2次微動野外觀測：2020年7月30日—8月2日中午進(jìn)行晝夜連續(xù)滾動觀測，沿測線獲得了117處單點(diǎn)觀測數(shù)據(jù)，計算中剔除了4個異常點(diǎn)位，此次觀測主要集中在城區(qū)西南角和城區(qū)東側(cè)，觀測點(diǎn)距多約為50m。對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理后，于2020年9月11—16日再次到泗陽進(jìn)行了補(bǔ)充觀測，完成106處單點(diǎn)觀測(去除異常點(diǎn)位2個)，補(bǔ)充觀測點(diǎn)主要沿反射地震勘探測線布設(shè)，并對中心城區(qū)進(jìn)行了2～3km間隔的觀測，以便獲取區(qū)域沉積界面的分布特征。觀測時均采用QS-5-B型號的短周期一體化地震儀，儀器響應(yīng)頻帶為5s～100Hz，采樣率為100Hz。大部分觀測點(diǎn)都選在地勢相對平坦、無干擾的位置。為避免受到溫度和風(fēng)的影響，將儀器掩埋在土里以觀測相對平穩(wěn)的背景噪聲，觀測時長均超過2h。觀測點(diǎn)位分布如圖2 所示，觀測點(diǎn)位采用觀測儀器代碼和觀測次數(shù)組合編號命名。

圖2 研究區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和微動觀測點(diǎn)位圖Fig.2 Map of geological structure，geographical location，hidden faults and microtremor observations.

本文基于Nakamura(1989)提出的微動譜比法，計算得到每個測點(diǎn)的H/V譜比曲線，該曲線峰值對應(yīng)頻率即為fr。

(1)

其中，NS(f)、EW(f)、UD(f)分別為南北分量、東西分量和垂直分量的傅里葉譜。首先，采用反向STA/LTA觸發(fā)算法(Withersetal.，1998)剔除短時(如過往行人和車輛)干擾，選擇相對穩(wěn)態(tài)的200s時窗信號。然后，使用Konno等(1997)提出的方法進(jìn)行平滑處理(b=40)，頻率范圍設(shè)置為0.1～20Hz，經(jīng)插值得到200個均分的對數(shù)頻率點(diǎn)，計算每個時窗的H/V譜比。最后，將計算得到的所有時窗疊加即可得到H/V譜比的平均曲線和標(biāo)準(zhǔn)差。

圖3 微動測點(diǎn)AS-1、L-6和Z28的H/V譜比曲線Fig.3 H/V curves at stations AS-1，L-6 and Z28.

從H/V譜比曲線中具有顯著振幅(≥2)的波峰中拾取峰值頻率。研究區(qū)測點(diǎn)的H/V曲線基本上只有1個顯著波峰；在高頻端出現(xiàn)的非顯著波峰(圖3)主要與更淺層存在非顯著波速差異分層界面有關(guān)；而出現(xiàn)峰值頻率不顯著的寬峰則與人文噪聲相對豐富的觀測環(huán)境和瞬態(tài)噪聲去除不徹底有關(guān)。對于寬峰和雙峰測點(diǎn)，可根據(jù)最大振幅以及周邊峰值頻率分布特征判斷其峰值頻率。

通過微動譜比法得到的峰值頻率fr與淺層沉積厚度h和S波的平均速度存在以下關(guān)系(Ibs-vonetal.，1999)：

(2)

由于淺層沉積土層的S波平均速度常缺少詳細(xì)記錄，而沉積層內(nèi)的速度梯度往往隨深度增加呈指數(shù)型變化，故可通過實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計規(guī)律總結(jié)得到沉積土層峰值頻率fr和沉積厚度h的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式(Ibs-vonetal.，1999)：

(3)

其中，a和b為擬合參數(shù)。在缺乏S波平均速度時，可嘗試通過查找研究區(qū)鉆孔的土層厚度和在其附近觀測的H/V譜比曲線峰值頻率擬合得到a和b，再根據(jù)式(3)得到每個測點(diǎn)的厚度h。

圖4 研究區(qū)內(nèi)鉆孔ZK31、HZ13-1和PH12巖性柱狀圖Fig.4 Lithological logs of borehole ZK31，HZ13-1 and PH12 in the study area.

3 結(jié)果分析與討論

3.1 土層厚度-峰值頻率的擬合結(jié)果

查找鉆孔資料，發(fā)現(xiàn)在微動觀測點(diǎn)AS-1、L-6和Z28附近分布的穿透淺層松散沉積界面的鉆孔分別是ZK31、HZ13-1和PH12，鉆孔位置和鉆孔巖性描述見圖2 和圖4，其H/V譜比曲線對應(yīng)的峰值頻率分別為1.512Hz、0.841Hz和0.777Hz。如圖3 所示，隨著鉆孔沉積土層深度的增加，對應(yīng)的測點(diǎn)H/V譜比曲線的峰值頻率逐漸減小，鉆孔HZ13-1和PH12沉積土層較厚，其峰值頻率均低于1Hz。其中，ZK31(2)中國地震局地震預(yù)測研究所，2020，泗陽縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)地震安全性區(qū)域評估及意楊產(chǎn)業(yè)科技園國望高科地塊地震安全性評價報告。為地震安全性區(qū)域評價工程鉆孔，位于泗陽東北角，在鉆孔深51m處遇花崗巖，從巖性成分分析認(rèn)為此處為沉積土層和巖石的分界面。HZ13-1(3)江蘇地礦局第2水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，1985，江蘇省徐淮鹽地區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)綜合評價報告。和PH12(4)江蘇省地質(zhì)局第2水文地質(zhì)隊(duì)，1980，中華人民共和國區(qū)域水文地質(zhì)普查報告1︰20萬(宿遷幅)。是水文地質(zhì)鉆孔，水文地質(zhì)鉆孔報告詳細(xì)記錄了鉆孔地層年代、巖性和沉積結(jié)構(gòu)等特征。HZ13-1靠近研究區(qū)中南部，在沉積層底深105.46m處遇片麻巖，為新近紀(jì)N與太古宙Ar的分界面，第四紀(jì)地層為亞砂土、亞黏土和黏土交替。鉆孔PH12與ZK31距離較近，但前者的沉積土層卻深達(dá)132.25m，在3個鉆孔中沉積層底最深，新近紀(jì)N以上均為黏土和亞黏土等碎屑物。

圖5 泗陽淺層沉積的厚度與H/V譜比曲線對應(yīng)的峰值頻率關(guān)系Fig.5 The relationship of shallow sediment thickness and peak frequency in Siyang.

將3個測點(diǎn)的峰值頻率反向代入h=92fr-1.387中，得到的鉆孔沉積厚度值與鉆孔沉積深度值近似。將每個鉆孔報告中的孔口高程作為鉆孔高程，微動測點(diǎn)高程從ALOS-PALSAR衛(wèi)星于2008年8月20日在此區(qū)域采集的12.5m DEM數(shù)據(jù)中提取得到(表1)。

表1 泗陽鉆孔數(shù)據(jù)、相應(yīng)測點(diǎn)的H/V譜比曲線值和擬合結(jié)果統(tǒng)計表Table 1 Table of borehole data，H/V spectral ratio curve values of corresponding measuring points and fitting results in Siyang

3.2 微動H/V譜比結(jié)果

去除6個異常點(diǎn)的觀測數(shù)據(jù)，共處理分析得到217個觀測點(diǎn)的微動H/V譜比曲線，插值繪制得到研究區(qū)譜比曲線的峰值頻率和峰值振幅分布結(jié)果如圖6 和圖7 所示。譜比曲線的峰值頻率和峰值振幅可近似視為場地共振頻率和放大系數(shù)的下限(Bardetal.，2004；Bonnefoy-Claudetetal.，2006)。

圖6 研究區(qū)場地H/V峰值頻率分布圖Fig.6 Distribution of the site H/V peak frequencies in the study area.

圖7 研究區(qū)H/V峰值振幅分布圖Fig.7 Distribution of the site H/V peak amplitude in the study area.

圖8 利用H/V譜比法獲得的研究區(qū)三維沉積分布圖Fig.8 Three-dimensional distribution of sedimentary structures of the study area obtained by the microtremor H/V spectral ratio method.a 厚度分布；b 深度分布

3.3 淺層沉積界面分布

由于研究區(qū)中部的觀測點(diǎn)距為2～3km，而東部觀測點(diǎn)距為100～200m，西部測點(diǎn)較東部更為稀疏，故其空間分辨率低于東部?；谥胁繙y點(diǎn)的觀測結(jié)果雖然可清晰辨識海泗斷裂帶在該區(qū)域的走向特征和其對沉積結(jié)構(gòu)的影響，但是受觀測密度影響，若需進(jìn)行更加精細(xì)的場地分析，建議采用如東部相對密集的方式進(jìn)行觀測，以便結(jié)合鉆孔、反射地震勘探剖面等數(shù)據(jù)綜合判斷局部場地(如隆起、斷陷)等細(xì)節(jié)特征。

3.4 與淺層反射地震勘探測線進(jìn)行對比的結(jié)果

近期于研究區(qū)內(nèi)完成了2條反射地震勘探測線DZ01和DZ02的觀測工作，測線長度分別為2.517km和3.867km，道間距3m，共反射點(diǎn)共計708個(5)中國地震局地震預(yù)測研究所，2020，泗陽縣經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)地震安全性區(qū)域評估及意楊產(chǎn)業(yè)科技園國望高科地塊地震安全性評價報告。。為進(jìn)行對比分析，我們在地震勘探測線附近布設(shè)了微動測點(diǎn)，布設(shè)于DZ01和DZ02測線內(nèi)的微動觀測點(diǎn)分別有10個和16個，測點(diǎn)間距約為100m。沿反射地震勘探測線南、北兩側(cè)延伸的微動測點(diǎn)如圖8b 所示，DZ01測線內(nèi)的微動測點(diǎn)共有30個，DZ02測線內(nèi)的微動測點(diǎn)共有31個。每條測線的微動觀測點(diǎn)峰值頻率、沉積厚度和經(jīng)高程校正后的沉積深度如圖9 所示。

圖9 由南向北沿2條地震勘探測線方向的微動測點(diǎn)峰值頻率、淺層沉積厚度和沉積深度Fig.9 From the south to the north，the peak frequency，thickness and depth of shallow sediments are obtained by the microtremor H/V spectral ratio method along 2 shallow seismic exploration profiles.a DZ01；b DZ02

DZ01對應(yīng)的微動測點(diǎn)的H/V譜比曲線峰值頻率在0.75Hz附近，沉積深度起伏總體變化不大，約為124m。DZ02測線的微動譜比曲線的峰值頻率最低為0.66Hz，最高為1.68Hz，呈中間低、兩邊高的趨勢，沉積深度為33～152m，南北兩側(cè)沉積較深，中部埋深變淺。

將反射地震勘探測線的基巖Tg界面(粉色實(shí)線)和微動測點(diǎn)計算得到的沉積深度(黃色點(diǎn)劃線)繪制在一起(圖10)，對比由微動譜比法獲得的淺層沉積深度和反射地震勘探測線結(jié)果。DZ01測線的Tg波組推測為基巖頂界面反射，微動測點(diǎn)得到的淺層沉積深度與反射地震勘探得到的基巖層面基本相同，地層由南向北逐漸緩慢抬升(圖10a)。DZ02測線相對較長，從其地震反射時間剖面上(圖10b)可識別出3個有效反射波組，包括基巖頂界面(Tg)以及第四系內(nèi)部2個反射波組T1和T2。Tg波組推測為基巖頂界面反射，剖面顯示同向軸的局部橫向變化較大，樁號0～500間地層逐漸緩慢抬升，樁號2000～2800處呈隆起狀，其余測線段埋深基本趨于一致。DZ02測線中微動測點(diǎn)的沉積深度與通過反射地震勘探得到的基巖埋深界面整體趨勢相近，測點(diǎn)Z32-1至J-1之間的淺層沉積埋深最淺，約為40m，沉積深度向南北兩側(cè)逐漸加深。微動測點(diǎn)計算得到的淺層沉積深度普遍較相同反射地震勘探測點(diǎn)的基巖頂界面(Tg)偏淺，但是與測線內(nèi)2個鉆孔沉積層的深度基本相同(圖10b)。

2條剖面的反射地震勘探測線的基巖沉積深度與通過微動觀測得到的沉積趨勢基本相同，部分區(qū)域存在局部隆起，但無明顯的斷裂跡象。微動觀測實(shí)施方便，費(fèi)用相對較低，方便向南北兩側(cè)進(jìn)行延伸觀測，有效擴(kuò)大了探測范圍，有助于填補(bǔ)反射地震勘探的空區(qū)。

4 結(jié)論

本文利用微動譜比法結(jié)合鉆孔資料得到了江蘇省泗陽地區(qū)的淺層沉積厚度-峰值頻率關(guān)系式，并計算獲得了研究區(qū)的土層沉積分布、場地共振頻率和放大倍數(shù)下限。研究結(jié)果表明，該地區(qū)的淺層沉積厚度為50～200m，總體呈現(xiàn)出自西北向東南逐漸變深的趨勢，局部存在隆起和凹陷，西北部沉積界面的起伏變化較緩，東南部相對較大。受海泗斷裂帶影響，中部沉積較薄，厚50～70m。場地共振頻率較低，約為1Hz，部分地區(qū)放大倍數(shù)下限較高，需加強(qiáng)防范。

文中得到的土層沉積結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造基本相同，與反射地震勘探剖面結(jié)果能夠相互驗(yàn)證，同時，與區(qū)內(nèi)海泗斷裂帶的分布特征一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了微動H/V譜比法對探測淺層松散沉積結(jié)構(gòu)和發(fā)現(xiàn)隱伏斷裂的有效性。

微動H/V譜比法是一種能夠有效獲取場地共振頻率和放大倍數(shù)下限的手段，此方法在探測淺層沉積結(jié)構(gòu)時的野外成本較低，觀測便捷，能夠快速實(shí)現(xiàn)面狀探測，其研究成果可作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用于地震災(zāi)害預(yù)防和城市建設(shè)規(guī)劃工作中。

致謝中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所游慶瑜研究員提供了觀測儀器支持；中國地震局地質(zhì)研究所活動斷層探測數(shù)據(jù)匯交與共享管理中心和基于GIS的地震分析預(yù)報系統(tǒng)MapSIS為本研究提供了斷層和地質(zhì)數(shù)據(jù)支持；野外觀測人員的辛勤工作為本研究奠定了基礎(chǔ)；審稿人為本文提出了寶貴意見。在此一并表示感謝！