倪紅玉, 張若晗, 李俊倫, 黃顯良, 鄭海剛, 洪德全, 繆鵬, 彭劉亞, 鮑子文

1 安徽省地震局, 合肥 230031 2 安徽蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 安徽蒙城 233500 3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)院、地球物理中心, 哈爾濱 150001 4 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院, 合肥 230026 5 地下結(jié)構(gòu)探測(cè)與震災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)防范安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌), 合肥 230026

0 引言

城市活動(dòng)斷層的探測(cè)目標(biāo)是準(zhǔn)確了解活動(dòng)斷層在城市的空間展布、強(qiáng)震危險(xiǎn)性和深部孕震背景,并以此為據(jù)采取有效預(yù)防措施,減輕潛在地震災(zāi)害造成的損失(宋新初等,2014).城市通常位于沉積層區(qū)域(秦彤威等,2021a),沉積層的速度結(jié)構(gòu)會(huì)影響地震波的傳播,當(dāng)?shù)卣鸩◤母咚倩鶐r傳播到低速沉積層時(shí),會(huì)放大振動(dòng)幅度、增加振動(dòng)持時(shí)以及出現(xiàn)共振等場(chǎng)地效應(yīng)(王偉君等,2012),從而加劇地震對(duì)建筑物的破壞.1989年美國(guó)洛馬普列塔M6.9地震中約70%的地震破壞是由于場(chǎng)地放大效應(yīng)(Holzer,1994);1985年墨西哥米卻肯M8.1地震,對(duì)距離震中400 km的墨西哥(沉積層厚度約2.5 km)造成了嚴(yán)重的破壞,死亡人數(shù)高達(dá)1萬(wàn),而對(duì)距離墨西哥較近的城鎮(zhèn)(建立在火山基巖上),地震僅僅造成了微小的損失(Flores-Estrell et al., 2007);2002年臺(tái)灣花蓮M7.5地震對(duì)臺(tái)北盆地(離震中約110 km)破壞嚴(yán)重,而震中區(qū)破壞較輕(王偉君,2012;于彥彥,2016).這些震例充分反映了沉積層的場(chǎng)地放大效應(yīng)對(duì)城市地震破壞程度有很大影響,因此場(chǎng)地響應(yīng)特征和淺層地殼S波速度結(jié)構(gòu)對(duì)城市活斷層調(diào)查和地震安全性評(píng)價(jià)尤為重要.

獲取場(chǎng)地速度結(jié)構(gòu)常采取鉆孔測(cè)井或者主動(dòng)源體波(折射波、反射波)和面波探測(cè)等方法,這些方法具有結(jié)果準(zhǔn)確可靠的優(yōu)勢(shì),但費(fèi)用昂貴、施工受限,并且探測(cè)深度較淺(Shao et al., 2022).傳統(tǒng)的參考場(chǎng)地方法(Borcherdt and Gibbs, 1976),則是將基巖地震記錄頻譜作為參考來(lái)獲得場(chǎng)地響應(yīng),該方法由于依賴(lài)于地震,不適用于噪聲干擾強(qiáng)的城市和地震活動(dòng)性弱的地區(qū)(王偉君等, 2011).短周期地震儀具有價(jià)格低廉、布設(shè)靈活便利的優(yōu)勢(shì),近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用,與之相應(yīng)的背景噪聲面波勘探方法也逐漸成為淺地表精細(xì)結(jié)構(gòu)探測(cè)研究中的重要手段.按照臺(tái)陣類(lèi)型可以分為臺(tái)陣方法和單臺(tái)法.臺(tái)陣方法主要利用噪聲波形互相關(guān)和空間自相關(guān)提取面波頻散曲線來(lái)反演淺層S波速度結(jié)構(gòu)(Okada, 2003;Picozzi and Albarello, 2007; 李玲利等,2020; 徐佩芬等,2020;Li et al., 2020; 韓晨等,2022;She et al., 2022).HVSR(Horizontal-to-vertical spectral ratio)方法(Nogoshi and Igarashi, 1971)是一種單臺(tái)法,表示地震波的水平和垂直分量的傅里葉譜之比.典型的 HVSR曲線具有一個(gè)明顯的峰,其對(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為峰值頻率,Nakamura(1989, 2009, 2019)認(rèn)為該頻率對(duì)應(yīng)沉積層的卓越頻率,將HVSR方法推廣應(yīng)用于場(chǎng)地評(píng)估中.在理想情況下,背景噪聲波場(chǎng)被劃分為體波(P波、SV波、SH波)和面波信號(hào)(Rayleigh波、Love波).但是單臺(tái)數(shù)據(jù)無(wú)法區(qū)分波場(chǎng)的成分和比例,因此無(wú)法判斷造成HVSR峰值的原因是SH波在松散沉積層的共振還是Rayleigh波的極化或Love 波的Airy震相.歐洲SESAME 項(xiàng)目從基礎(chǔ)理論、數(shù)值模擬、儀器裝備和軟件研發(fā)等方面系統(tǒng)評(píng)估了HVSR方法的可靠性(Bard, 2008).雖然HVSR方法在理論上存在爭(zhēng)議,但因其大量成功應(yīng)用實(shí)例,目前達(dá)成共識(shí)的是:HVSR曲線的峰值頻率與沉積層SH波的基階卓越頻率一致或者接近(Bonnefoy-Claudet et al.,2006; Haghshenas et al., 2008;王偉君等,2012;Lunedei and Malischewsky, 2015),且沉積層與基巖的阻抗比越高,HVSR曲線的峰值頻率與沉積層SH波的基階卓越頻率相關(guān)性越好(Malischewsky et al., 2008).與傳統(tǒng)方法相比,HVSR方法僅需單臺(tái)三分量記錄,具有施工方便、處理簡(jiǎn)單、受場(chǎng)地限制少、不依賴(lài)于地震等優(yōu)點(diǎn),被大量用于場(chǎng)地評(píng)價(jià)、淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)、冰蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)以及行星火山地形調(diào)查等方面(Arai and Tokimatsu, 2004; Bonnefoy-Claudet et al., 2006; 陳棋福等, 2008; 王偉君等, 2011; Picotti et al., 2017; Yan et al., 2018; Bao et al., 2018; 張若晗等, 2020; 彭菲等, 2020; Torrese et al., 2020;秦彤威等, 2021; 韓晨等, 2022;陳辛平等,2022).在隱伏結(jié)構(gòu)探測(cè)方面,王偉君等(2011)計(jì)算了跨保定斷裂測(cè)線的HVSR,將峰值頻率轉(zhuǎn)換為土層厚度,通過(guò)土層厚度的變化推斷出保定斷裂的兩條分支斷裂;Bao等(2018)在垂直唐山斷裂帶走向布設(shè)了由37個(gè)間距約1 km的臺(tái)站組成的測(cè)線,基于HVSR方法得到了淺部沉積層結(jié)構(gòu)特征,結(jié)果顯示第四紀(jì)沉積基底的界面深度變化的空間位置與唐山斷裂帶一致,表明HVSR方法可以對(duì)淺層沉積的活斷層進(jìn)行成像;彭菲等(2020)采用HVSR方法獲得了三河—平谷地區(qū)的沉積層三維起伏特征、反映了隱伏斷裂帶第四紀(jì)以來(lái)較為活躍的正斷活動(dòng);Alfaro-Diaz 和 Chen (2021)基于跨源物理實(shí)驗(yàn)二期場(chǎng)地的500個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型臺(tái)陣,利用HVSR方法反演了淺層S波速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)顯著的波阻抗界面,其中沉積層結(jié)構(gòu)變化的位置與正斷層斷裂一致;She等(2022)跨云南程海斷裂布設(shè)了由125個(gè)間距約50 m的三分量臺(tái)站組成的密集線性臺(tái)陣,利用HVSR方法對(duì)程海斷裂低速區(qū)的界面成像,勾勒出低速區(qū)的形狀和尺寸.

北北東-北東走向的郯廬斷裂帶,在中國(guó)境內(nèi)長(zhǎng)達(dá)2400 km,是中國(guó)東部規(guī)模最大的斷裂帶,曾發(fā)生1668年郯城M8.5地震,也是中國(guó)東部最大的地震活動(dòng)帶,對(duì)東部的大地構(gòu)造演化和地震活動(dòng)都起著重要的控制作用(徐嘉煒和馬國(guó)鋒,1992;朱光等,2004).郯廬斷裂帶明光段處于郯廬斷裂帶中、南段的交界部位,地震活動(dòng)性、速度結(jié)構(gòu)、電性結(jié)構(gòu)和GPS觀測(cè)結(jié)果均顯示,該段可能是斷層的閉鎖段(Zhao et al., 2016; 徐錫偉等,2017;孟亞鋒等,2019;Bem et al., 2020; 范曄等,2022:李臘月等,2020).由于固定臺(tái)站臺(tái)間距較大,目前得到的層析成像結(jié)果的分辨率基本都在十幾至幾十公里(孟亞鋒等,2019;Bem et al., 2020; Xu et al., 2021; Terhemba et al., 2022),無(wú)法揭示郯廬斷裂帶中、南段尤其是其交接部位的速度結(jié)構(gòu)的精細(xì)特征.倪紅玉等(2022)在垂直于郯廬斷裂帶明光段東邊界位置部署了一條被動(dòng)源密集測(cè)線,基于頻散曲線(Deng et al., 2022)反演獲得測(cè)線下方淺層地殼的精細(xì)S波速度結(jié)構(gòu),但是未能得到沉積層-基巖分界面的起伏形態(tài),沉積層的厚度、速度結(jié)構(gòu)等場(chǎng)地響應(yīng)特征.為了獲得郯廬斷裂帶明光段精細(xì)的場(chǎng)地響應(yīng)特征,同時(shí)探討噪聲HVSR方法應(yīng)用于地震小區(qū)劃和活斷層探測(cè)的可能性,我們首先利用倪紅玉等(2022)密集測(cè)線的三分量背景噪聲數(shù)據(jù)計(jì)算了剖面的HVSR曲線,獲得剖面的峰值頻率,然后利用粒子群算法反演了淺層S波速度結(jié)構(gòu),最后結(jié)合周邊鉆孔、人工淺層地震反射剖面、同一測(cè)線上頻散曲線反演的S波速度等對(duì)其可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證,進(jìn)一步分析沉積格局和隱伏斷裂特征,探討地質(zhì)成因.

1 地質(zhì)構(gòu)造背景

明光市位于安徽省東北部邊緣.郯廬斷裂帶縱貫市境,由4條主干斷裂組成:東側(cè)的嘉山—廬江斷裂(F1)、池河—太湖斷裂(F2)和西側(cè)的朱頂—石門(mén)山斷裂(F3)、五河—合肥斷裂(F4)(圖1),表現(xiàn)為“兩塹夾一隆”的構(gòu)造格局(安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1987).郯廬斷裂帶在印支期形成后發(fā)生了中生代的大規(guī)模左行平移,白堊-古近紀(jì)強(qiáng)烈的伸展運(yùn)動(dòng)以及第四紀(jì)以來(lái)的新構(gòu)造活動(dòng)等復(fù)雜的演化過(guò)程(朱光等,2004;Zhao et al., 2016).在白堊-古近紀(jì)伸展活動(dòng)中,在郯廬斷裂帶明光段內(nèi)部發(fā)育了陸相地塹式盆地,即嘉山盆地.嘉山盆地整體呈南北向展布,東接蘇魯造山帶、蘇北盆地,西接華北板塊的蚌埠隆起,南接合肥盆地東北隅(劉備等,2015).

圖1 研究區(qū)1∶25萬(wàn)地質(zhì)構(gòu)造、主被動(dòng)源測(cè)線和鉆孔分布圖 右圖為黑色方框的放大圖.藍(lán)框表示鉆孔,紅線為被動(dòng)源測(cè)線,黑線為人工反射剖面,磚紅色實(shí)線表示斷裂.Fig.1 Geological structure map in the scale of 1∶250000 and the distribution of drilling well the passive-source linear array and the shallow active seismic profiling in the study area The black rectangular is enlarged in the right map. Drilling well are denoted by blue rectangle, The passive seismic line is denoted by the red line, the artificial seismic reflection line is represented by the black line, and the faults are represented by the brick red lines.

明光地區(qū)地勢(shì)北高南低:北部平原、中部丘陵、南部低山;地層分屬兩個(gè)地層大區(qū),西北部為華北地層大區(qū),東南部為華南地層大區(qū).區(qū)內(nèi)巖性復(fù)雜,同時(shí)在低洼的盆地地區(qū)接受大量的第四紀(jì)沉積.第四系覆蓋全新統(tǒng)和晚更新統(tǒng)地層.其中全新統(tǒng)為灰黃亞砂土與黏土互層,局部直接與基巖接觸,主要分布于沿淮河及河谷地帶;晚更新統(tǒng)上部為灰黃色黏土,下部為含礫黏土,主要分布于中部及波狀平原區(qū)(圖1).本研究布設(shè)的短周期線性密集地震測(cè)線位于嘉山盆地東側(cè),長(zhǎng)度約8 km,垂直于嘉山—廬江斷裂(F1)和池河—太湖斷裂(F2)(圖1).其中嘉山—廬江斷裂(F1)為郯廬帶東支斷裂,斷裂線性特征明顯,斷層泥測(cè)年結(jié)果顯示為早中更新世斷裂(湯有標(biāo)等,1988;方良好等,2020).池河—太湖斷裂(F2),發(fā)育于上白堊統(tǒng)地層中,構(gòu)造地貌和航磁線狀異常特征明顯,在明光段淺部為拉張斷層、傾向NW,可能為活動(dòng)斷裂(張交東等,2010;倪紅玉等,2022).測(cè)線周邊地勢(shì)較為平緩,鉆孔揭露整體測(cè)線均被第四系全覆蓋,厚度較薄.基于頻散曲線反演的淺層S波速度顯示測(cè)線下方在橫向上高低速相間分布,在測(cè)線上識(shí)別出多個(gè)斷層(倪紅玉等,2022),這些使得場(chǎng)地作用更加復(fù)雜和多樣化.

2 數(shù)據(jù)采集和處理方法

2.1 數(shù)據(jù)采集

研究組于2020年11月部署了一條流動(dòng)地震測(cè)線,該測(cè)線由133個(gè)臺(tái)間距約為60 m的SmartSolo三分量短周期地震計(jì)組成,測(cè)線長(zhǎng)度約8 km,跨郯廬斷裂帶明光段東邊界的嘉山—廬江(F1)和池河—太湖兩條斷裂(F2),臺(tái)站編號(hào)從西邊3號(hào)逐漸增大到東邊135號(hào),單臺(tái)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)平均約28天.人工淺層S波反射勘探(圖1中黑線所示)與被動(dòng)源探測(cè)(圖1中紅線所示)同期開(kāi)展,沿著道路布設(shè),炮點(diǎn)間距為5 m、道間距1 m,剖面長(zhǎng)度約8.1 km(倪紅玉等,2022;王明,2022).

2.2 HVSR計(jì)算方法

由于噪聲波場(chǎng)的復(fù)雜性,HVSR發(fā)展出了不同的建模理論.目前,主要有DSS(Distributed Surface Sources)(Lunedei and Albarello,2010;Farrugia et al., 2016)和 DFA(Diffuse Field Approach)(Sánchez-Sesma et al., 2011)兩種.DFA模型假設(shè)噪聲波場(chǎng)是擴(kuò)散場(chǎng),遵循能量均分原理.當(dāng)震源和檢波器位于同一位置時(shí),功率譜和格林函數(shù)的虛部存在比例關(guān)系(Sánchez-Sesma et al.,2011).DFA 模型與基于噪聲的干涉成像假設(shè)一致(Wapenaar, 2004),因此獲得了更廣泛的采用(Lontsi et al., 2016; Pia-Flores et al., 2017; Perton et al., 2018; Sánchez-Sesma,2017).本文采用DFA模型來(lái)解釋HVSR曲線,具體公式如下(Sánchez-Sesma et al,2011):

(1)

式(1)中Im[Gii(x,x;ω)]為x點(diǎn)的源和接收器在頻率為ω,分量為i的位移格林函數(shù)的虛部.在計(jì)算中,G11表示背景噪聲記錄的南北分量,G22表示東西分量,G33表示垂直分量.對(duì)于給定頻率,格林函數(shù)的虛部可以表示為(García-Jerez et al.,2016)

(2)

(3)

(4)

其中G、H、JL、K、L、M、N、R、S的定義見(jiàn)Harkrider(1964),m是第m模的Rayleigh波橢圓率,ARm和ALm分別對(duì)應(yīng)于第m模的Rayleigh波和Love波介質(zhì)響應(yīng)(Harkrider,1964).

由于背景噪聲波場(chǎng)很難滿(mǎn)足DFA假設(shè)的地震波場(chǎng)能量均分的條件,在計(jì)算HVSR之前一些信號(hào)處理方法往往被用來(lái)提高波場(chǎng)的均分性,如譜白化(Spica et al., 2015; Perton et al., 2018).單臺(tái)背景噪聲數(shù)據(jù)的HVSR具體處理過(guò)程如下:對(duì)三分量波形進(jìn)行去均值、去趨勢(shì)和去傾斜等預(yù)處理,每120 s一個(gè)時(shí)窗,計(jì)算每個(gè)時(shí)窗的HVSR:

(5)

式(5)中NS、EW和V分別表示地震記錄南北、東西和垂直分量的功率譜密度,并使用Konno和Ohmachi方法進(jìn)行平滑處理(Konno and Ohmachi, 1998),功率譜密度計(jì)算頻率范圍為0.2～15 Hz.對(duì)于明顯異常的譜比曲線采用手動(dòng)刪除的辦法去除.最后對(duì)所有時(shí)窗求平均得到最終的HVSR曲線和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差.

本研究數(shù)據(jù)采集時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月,我們比較了不同時(shí)長(zhǎng)的HVSR曲線(圖2a),以30號(hào)臺(tái)站為例,即將窗長(zhǎng)從1 h增加到24 h,間隔1 h,計(jì)算出24組HVSR曲線.無(wú)論窗口的長(zhǎng)度如何,HVSR曲線的共振頻率和幅度都保持穩(wěn)定.我們以30號(hào)臺(tái)站2020年12月3日數(shù)據(jù)為例,將一整天分為12組,窗口長(zhǎng)度為2 h,比較了白天和晚上不同時(shí)段對(duì)HVSR曲線的影響(圖2b),結(jié)果表明峰值頻率的變化非常小,幅度在峰值頻率附近存在輕微的變化.因此,本研究未采用其他信號(hào)處理方法,而是選取北京時(shí)間晚上2∶00—4∶00的穩(wěn)定背景噪聲記錄.該時(shí)段的噪聲人為活動(dòng)干擾較少,2 h時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定、速度也更快.短時(shí)窗也為大范圍的數(shù)據(jù)采集提供了可能,將有助于方法的推廣應(yīng)用.

圖2 (a)地震背景噪聲的窗長(zhǎng)對(duì)30號(hào)臺(tái)站的 HVSR曲線的影響,疊加窗長(zhǎng)從 1 h增加到 24 h,增量為 1 h; (b) 30號(hào)臺(tái)站在2020年12月3日全天的不同時(shí)段(UTC時(shí)間)的HVSR曲線,疊加窗長(zhǎng)均為2 hFig.2 (a) The effects of time length of the seismic ambient noise on the HVSR curve of station 30. The time length gradually increases from 1 hour to 24 hours with an interval of 1 hour; (b) The HVSR curves at different time periods in each day with the 2-hour time window on the UTC time on December 3, 2020 of station 30

2.3 HVSR曲線反演 S波速度

HVSR曲線的峰值頻率近似為沉積層的共振頻率,但并不能由HVSR曲線直接獲得地層的界面和速度信息.在研究區(qū)為簡(jiǎn)單的單層結(jié)構(gòu)時(shí),沉積層厚度h與基階共振地震波的1/4波長(zhǎng)λ相當(dāng)(Arai and Tokimatsu, 2004):

(6)

(7)

其中a、b為常數(shù).

然而,明光測(cè)線場(chǎng)地包含多層結(jié)構(gòu)和活斷層,鉆孔資料較少且僅鉆遇基巖風(fēng)化層,式(6)、(7)均不再適用.另外換算關(guān)系僅利用了峰值頻率這個(gè)單一信息,只能得到地層厚度,不能得到地層的速度.HVSR是地下結(jié)構(gòu)在地震頻譜的映射,可以用來(lái)反演介質(zhì)的層狀S波速度結(jié)構(gòu)(Sánchez-Sesma et al.,2011),并且相對(duì)面波頻散,HVSR對(duì)S波速度的敏感深度更淺(秦彤威等,2021),因此本文通過(guò)HVSR曲線反演淺層S波速度結(jié)構(gòu).相對(duì)于密度和P波速度,HVSR曲線對(duì)S波速度和地層厚度更為敏感(Arai and Tokimatsu,2004),因此本文反演時(shí)密度取固定值,P波速度取VP=2VS,只反演2個(gè)參數(shù):S波速度和層厚(張若晗,2019).目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為

(8)

式(8)中N表示曲線的采樣點(diǎn)數(shù),HVSRobs為實(shí)測(cè)HVSR曲線,HVSRcal為由反演的速度模型由式(1)正演計(jì)算的HVSR曲線.E為歸一化誤差平方和的均方根,表示計(jì)算曲線與實(shí)測(cè)曲線之間的差異.

被用于HVSR反演S波速度結(jié)構(gòu)的算法較多,例如模擬退火方法或基因算法(Parolai et al., 2005; García-Jerez et al., 2016; Farrugia et al., 2016)、遺傳模擬退火混合反演算法(榮棉水等,2023)、粒子群算法(PSO)(Shi and Eberhart, 1998)、最小二乘方法(Arai and Tokimatsu, 2004)以及貝葉斯方法(Cipta et al., 2018;Alfaro-Diaz and Chen, 2021).其中PSO(Particle Swarm Optimization)算法是一種全局優(yōu)化算法,具有可調(diào)參數(shù)少、收斂速度快和適宜并行等優(yōu)點(diǎn)(Kennedy and Eberhart,1995;李麗和牛奔,2009;彭劉亞和任川,2018).

根據(jù)本文的反演目標(biāo),PSO算法定義一個(gè)D維搜索空間,D為地層層數(shù),N個(gè)粒子在該D維空間中搜索尋優(yōu).粒子的狀態(tài)由位置和速度表示,位置表示S波速度和地層厚度,速度表示迭代步長(zhǎng).在第i次迭代時(shí),粒子n的狀態(tài)為

粒子迭代方向由粒子的個(gè)體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解決定,其中:

其中1≤d≤D,1≤n≤N,g表示粒子群(group).

則粒子在第i+1次迭代的狀態(tài)為

(10)

式(9)中c1、c2為學(xué)習(xí)因子,r1、r2在0～1隨機(jī)分布.

Shi 和 Eberhart(1998)提出標(biāo)準(zhǔn)PSO算法,在式(9)中增加慣性因子ω,來(lái)協(xié)調(diào)局部與全局的尋優(yōu)能力,即

(11)

并且認(rèn)為將起始慣性因子ωs取0.9,通過(guò)線性方式遞減到最后慣性因子ωe=0.4時(shí)尋優(yōu)性能較好.

本文基于HVSR曲線采用標(biāo)準(zhǔn)PSO算法反演S波速度結(jié)構(gòu),迭代次數(shù)為30,種群規(guī)模N為5,起始慣性因子ωs=0.9,最后慣性因子ωe=0.4,學(xué)習(xí)因子c1=c2=2.PSO方法不設(shè)置初始模型,而是直接給定搜索空間.本文反演的頻率范圍為0.2～15 Hz,采用PSO算法獨(dú)立進(jìn)行10次反演,每次反演迭代30次后由式(8)計(jì)算的殘差較為穩(wěn)定,選取其中殘差最小的模型作為最終的S波速度結(jié)構(gòu).

3 結(jié)果分析

3.1 剖面HVSR結(jié)果

本研究測(cè)線中133個(gè)臺(tái)站的HVSR曲線均顯示出明顯的峰值,除少量的單峰外,大多顯示出雙峰以及多峰(圖3).HVSR曲線的形狀和臺(tái)站下方的速度界面有關(guān):單峰表明速度界面橫向較穩(wěn)定,但垂直向速度變化較大;寬峰對(duì)應(yīng)傾斜的速度界面;雙峰或多峰HVSR曲線可能對(duì)應(yīng)不同深度的兩個(gè)或多個(gè)速度界面(Bonnefoy-Claudet et al.,2006;Bard, 2008).且峰值頻率和速度界面的深度相關(guān),頻率越低,界面越深;峰值幅度與界面的速度差異程度相關(guān),幅值越大,速度差異程度越大(Moisidi et al., 2015).

圖3 臺(tái)站33(a)、68(b)和131(c)的HVSR曲線(黑色實(shí)線)和標(biāo)準(zhǔn)差(黑色虛線) 彩色實(shí)線表示每個(gè)120 s時(shí)窗的HVSR曲線.Fig.3 The HVSR curves (black solid line) and standard deviations (black dotted line) of station 33 (a), 68 (b) and 131 (c) The solid-colored lines indicate the HVSR curves of each time window.

我們按照與測(cè)線西端第一個(gè)臺(tái)站的距離將133個(gè)臺(tái)站的HVSR曲線排列形成剖面圖(圖4).為了突出小于1的振幅,我們調(diào)整了色標(biāo)的變化范圍.從中可以看出測(cè)線整體上呈現(xiàn)出復(fù)雜的雙峰甚至多峰的特征.曲線的每個(gè)峰值均對(duì)應(yīng)一個(gè)速度變化界面.圖4中黑色實(shí)線對(duì)應(yīng)的HVSR曲線幅值最高,意味著最大的放大效應(yīng),在抗震設(shè)防時(shí),應(yīng)主要考慮其對(duì)應(yīng)的共振頻率.在測(cè)線西端距離3200 m以?xún)?nèi)共振頻率從2 Hz降低到0.4 Hz,在0.4 Hz穩(wěn)定后突升到6 Hz,形成一個(gè)埋藏較深的凹陷形態(tài).在沿測(cè)線4000 m以東共振頻率由6 Hz逐漸降低至6000 m左右的3 Hz,繼而往東隨即升高至6600 m的14 Hz,形成一個(gè)埋藏較淺的小型凹陷.6600 m往東共振頻率由6 Hz降低3 Hz,在測(cè)線的東邊界突升至14 Hz.此外,在3000 m以西存在8～12 Hz的峰值頻率,其在2000 m西側(cè)峰值不連續(xù),且幅值比黑色實(shí)線小,指示淺地表速度差異較小的界面.藍(lán)色區(qū)域的HVSR幅值小于1,表明該區(qū)域存在速度反轉(zhuǎn)(Castellaro and Mulargia, 2009),即存在高速或低速夾層.在2400 m以東存在0.2～0.3 Hz的峰值頻率,指示較深處的速度界面.

圖4 按照測(cè)線距離排列的測(cè)線下方每個(gè)臺(tái)站的HVSR幅值剖面圖 上方的倒三角表示地震臺(tái)站,其編號(hào)(三角形上方數(shù)字表示)自西邊3號(hào)增加到東邊135號(hào),黑線表示最大幅值.Fig.4 The amplitude HVSR profile of each site with the arrangement in order of distance The inverse triangles in the upper indicate the seismic stations, the numbers (represented by the number in the top of the triangles) increase from west to east from 3 to 135, black lines represent maximum amplitudes of HVSR.

3.2 HVSR曲線反演的S波速度結(jié)構(gòu)

3.2.1 反演結(jié)果

基于觀測(cè)的HVSR曲線,采用PSO算法多次擬合式(8),得到每個(gè)臺(tái)站最終的S波速度.進(jìn)而利用該速度模型由式(1)正演計(jì)算出理論的HVSR曲線,自西向東繪制振幅歸一化的理論HVSR剖面圖(圖5),將大于0.6的部分填充為藍(lán)線,并與振幅歸一化的觀測(cè)值(大于0.6的部分填充為紅線)進(jìn)行對(duì)比.總體上兩者較為吻合,表明反演的S波速度結(jié)構(gòu)能夠很好地?cái)M合觀測(cè)HVSR曲線.

圖5 觀測(cè)(紅色)和計(jì)算的(藍(lán)色的)HVSR振幅歸一化剖面對(duì)比圖Fig.5 The comparison curves of observed (red lines) and synthetic (blue lines) amplitude-normalized HVSR profile of each site

3.2.2 與鉆孔對(duì)比結(jié)果

在測(cè)線附近收集到4個(gè)工程標(biāo)準(zhǔn)鉆孔ZK04、ZK15、ZK27、ZK42(圖1中藍(lán)色方框表示),分別對(duì)應(yīng)地震臺(tái)站4、33、66和89,其中ZK04和ZK15鉆遇古近系砂質(zhì)泥巖,ZK27和ZK42鉆遇新近系玄武巖.為了驗(yàn)證反演結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)結(jié)構(gòu)的一致性,我們將HVSR反演的S波速度結(jié)構(gòu)(500 m以淺)與鉆孔柱狀圖進(jìn)行對(duì)比(圖6).

圖6 HVSR曲線、反演的S波速度和相應(yīng)的鉆孔柱狀圖(a) 臺(tái)站4和鉆孔ZK04; (b) 臺(tái)站33和鉆孔ZK15; (c) 臺(tái)站66和鉆孔ZK27; (d) 臺(tái)站89和鉆孔ZK42. 第一列為計(jì)算的HVSR曲線(紅色實(shí)線)和觀測(cè)的HVSR曲線(黑色實(shí)線表示觀測(cè)值,虛線表示對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差);第二列和第三列分別為反演的500 m深度和鉆 孔深度內(nèi)的S波速度結(jié)構(gòu);第四列為相應(yīng)的鉆孔柱狀圖.Fig.6 The HVSR curves, S-wave velocity structure from inversions and corresponding borehole histograms (a) station 4 and borehole ZK04; (b) station 33 and borehole ZK15; (c) station 66 and borehole ZK27; (d) station 89 and borehole ZK42 The first column is the comparison of synthetic HVSR curves (solid red lines) and the observed HVSR curves (black solid lined represent the observed value, the dotted lines represent corresponding standard deviation); the second and third column are the inverted S-wave velocity structure down to the depth of 500 m and borehole respectively; The fourth column is the corresponding borehole histograms.

圖6中4個(gè)臺(tái)站反演得到的第一個(gè)峰f1對(duì)應(yīng)的速度界面和鉆孔揭露的土石分界面相吻合.臺(tái)站4有3個(gè)峰,第一個(gè)峰f1為土石界面,但其幅值較低,意味著土層和其下巖層的波阻抗差異較小;第二個(gè)峰f2的幅值最高,推測(cè)對(duì)應(yīng)的界面為風(fēng)化巖石和未風(fēng)化巖石的界面;第三個(gè)峰f3的幅值較低,可能對(duì)應(yīng)于深層基巖中的速度界面.臺(tái)站33的反演結(jié)果揭示了存在高速夾層,鉆孔揭示該高速層為黏土層,該臺(tái)站位于斷裂附近,下方的巖石被斷層破碎,波速降低且速度低于上方的黏土層;第二個(gè)峰f2的幅值高,對(duì)應(yīng)于破碎帶和完整基巖的界面,且界面上下波速差異較大.臺(tái)站66和89的HVSR曲線形狀相似,其反演結(jié)果也接近.第一個(gè)峰f1指示的界面為土層和風(fēng)化玄武巖的界面,這個(gè)峰的幅值高,意味著土層和玄武巖的波速差異較大,玄武巖即使遭受風(fēng)化,相比于砂質(zhì)泥巖,其仍然保持了較高的速度.玄武巖在反演結(jié)果中體現(xiàn)為高速夾層,玄武巖下方波速降低,然后再逐步升高.推測(cè)為玄武巖噴出巖覆蓋在原有巖石之上.根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料,該地區(qū)玄武巖為新近系上新統(tǒng),下伏古近系砂質(zhì)泥巖.在低頻段,臺(tái)站66和89存在兩個(gè)幅值隨頻率降低而遞增的峰f2、f3,推測(cè)f2為未風(fēng)化砂質(zhì)泥巖-砂質(zhì)泥巖分界面,f3為深部巖石界面.

3.2.3 場(chǎng)地評(píng)價(jià)

HVSR方法可以得到近似的場(chǎng)地響應(yīng)中的共振頻率.從測(cè)線的HVSR剖面結(jié)果和反演結(jié)果可以看出淺部的一些速度間斷面并非引起HVSR峰值頻率的主要界面,圖4中黑色實(shí)線對(duì)應(yīng)的界面才是導(dǎo)致較大場(chǎng)地放大作用的界面,其峰值頻率變化較大,為0.4～14 Hz.西側(cè)較深的凹陷底界的峰值頻率最低,為0.4 Hz左右,且其幅值最大,為10左右,因此應(yīng)密切關(guān)注西側(cè)凹陷底界地區(qū)對(duì)強(qiáng)地面震動(dòng)的場(chǎng)地放大效應(yīng),在城市規(guī)劃中應(yīng)規(guī)避橫穿西側(cè)凹陷區(qū)的大跨結(jié)構(gòu)或埋置管道.

近地表30 m以?xún)?nèi)的平均剪切波速度VS30,常用于判斷場(chǎng)地分類(lèi)(Borcherdt and Gibbs, 1976;秦彤威等,2021),按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB5011-2011)規(guī)定,當(dāng)250 m·s-1≤VS30≤500 m·s-1時(shí)場(chǎng)地屬于II類(lèi)中硬土.根據(jù)收集的測(cè)線附近的4個(gè)工程鉆孔的層厚和層內(nèi)剪切波速計(jì)算VS30,顯示259 m·s-1

4 分析與討論

4.1 與淺層地震反射剖面、頻散曲線反演的S波速度對(duì)比

測(cè)線附近的鉆孔僅零星分布,為了驗(yàn)證整條測(cè)線反演的可靠性,我們將HVSR反演的S波速度結(jié)構(gòu)與王明(2022)利用橫波激發(fā)的淺層地震反射剖面結(jié)果及倪紅玉等(2022)用頻散曲線反演的S波速度進(jìn)行對(duì)比(圖7).測(cè)線高程為13～46 m,整體呈現(xiàn)凹陷-隆起-凹陷相間分布的構(gòu)造形態(tài)(圖7a),1∶25萬(wàn)地質(zhì)圖揭露測(cè)線被第四系全更新統(tǒng)和上更新統(tǒng)覆蓋(圖7b),鉆孔揭示基巖風(fēng)化強(qiáng)烈,埋深較淺,為新近系玄武巖或者古近系砂質(zhì)泥巖(王明,2022).由于淺層地震勘探沿著道路開(kāi)展,有所彎折,與線性布設(shè)的被動(dòng)源測(cè)線并未完全重合,我們將淺層地震勘探測(cè)點(diǎn)投影到被動(dòng)源線性測(cè)線上.圖7c為投影后的橫波激發(fā)的淺層地震反射疊加時(shí)間剖面,縱坐標(biāo)為雙程走時(shí).從中可識(shí)別綠色實(shí)線所示的強(qiáng)反射界面,埋深約為7～60 m,解釋為第四系和新近系的底界面.在其之下存在一個(gè)能量相對(duì)較弱的界面,可能為古近系內(nèi)部地層的反射界面.推測(cè)出2條斷裂(F1和F2)和3個(gè)斷點(diǎn)(DF1、DF2和DF3).圖7d為投影后的淺層地震反射剖面由均方根速度換算的S波層速度.

由于本文更加關(guān)注土石分界面和主要速度界面等淺層界面,同時(shí)便于HVSR反演的S波速度與淺層地震剖面、頻散反演速度等對(duì)比,圖7中展示了HVSR曲線反演的50 m(7e)、500 m(7f)以淺的S波速度結(jié)構(gòu). 圖7e中清晰地刻畫(huà)了土石界面,圖7f可以突出更深部的界面.在測(cè)線西段的凹陷區(qū)域,HVSR反演的S波速度剖面顯示存在高速夾層,凹陷區(qū)呈現(xiàn)低速-高速-低速-高速的速度變化.根據(jù)臺(tái)站33反演結(jié)果和鉆孔的對(duì)比,我們認(rèn)為頂部紫色的低速層和淡藍(lán)色的高速層分別對(duì)應(yīng)雜填土-黏土,底部深藍(lán)色的低速層和黃綠色的高速層分別對(duì)應(yīng)于破碎的砂質(zhì)泥巖和未風(fēng)化砂質(zhì)泥巖.低速凹陷處的砂質(zhì)泥巖經(jīng)過(guò)斷層的破壞,巖石強(qiáng)度顯著降低,這與地質(zhì)調(diào)查中該區(qū)地表斷裂帶發(fā)育大量的斷層泥和碎裂巖塊的觀點(diǎn)一致(劉備等,2015).其上覆黏土膠結(jié)性較高,因而在反演圖中體現(xiàn)為淺部高速黏土層,下部斷層破碎帶為低速.HVSR揭示的凹陷區(qū)域與高程剖面較為一致(圖7a),與構(gòu)造地質(zhì)圖顯示的地層變化區(qū)域(圖7b)較為吻合.在距離約3200 m東側(cè)的土石分界面具有較好的連貫性,且與主動(dòng)源剖面揭示的界面高度一致.值得注意的是HVSR反演的S波速度在距離3300～4000 m和4500～6700 m區(qū)域出現(xiàn)了明顯的速度反轉(zhuǎn),在10～40 m深度出現(xiàn)高速夾層,這與圖4中HVSR幅值小于1的藍(lán)色區(qū)域一致,也與淺層地震得到的S波層速度中淡藍(lán)色高速夾層的區(qū)域一致(圖7d),時(shí)深轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)的深度也基本一致,但是相對(duì)S波層速度,HVSR反演的波速絕對(duì)值存在差異.根據(jù)鉆孔資料該高速層為玄武巖蓋層,其下伏低速區(qū)為砂質(zhì)泥巖沉積層,二者為不整合接觸.距離4000～4500 m為斷裂帶的破碎砂質(zhì)泥巖.距離6700 m以東存在速度反轉(zhuǎn)和速度遞增的錯(cuò)落分布,可能是受區(qū)域斷層斷點(diǎn)DF1和DF3的影響.根據(jù)上述分析,勾勒出2個(gè)主要界面,圖7e中黑色曲線所示的土石界面和圖7f中黑色曲線所示的風(fēng)化基巖和致密基巖分界面.其中,土石界面的深度從凹陷西邊界的6 m增加到底界的25 m,在25 m穩(wěn)定后突升到凹陷東界的5 m,在3200 m以東土石界面的深度在3～18 m波動(dòng)變化,整體呈現(xiàn)小型凹陷-隆起相間分布的形態(tài).HVSR揭示的土石界面分布在方位、形態(tài)和趨勢(shì)上與地震反射剖面結(jié)果一致.HVSR曲線反演的S波速度還刻畫(huà)了風(fēng)化基巖-未風(fēng)化基巖的分界面,這在地震反射剖面上由于探測(cè)深度所限未能揭示.

圖7g、7h分別為利用拓距相移法提取的基階相速度頻散曲線反演的50 m和500 m以淺的S波速度結(jié)構(gòu)(倪紅玉等,2022),該方法提取的每個(gè)臺(tái)站的頻散曲線是一定孔徑內(nèi)的子臺(tái)陣的疊加平均,反演S波速度時(shí)采用了插值平滑處理,而HVSR方法是單點(diǎn)反演.從圖7g可以看出頻散曲線反演的S波速度在50 m以淺的約束較差,未能揭示土石分界面,而HVSR方法在淺層分辨率更高,對(duì)界面約束更強(qiáng).圖7h顯示利用HVSR和頻散曲線反演的S波速度在200 m以淺的變化趨勢(shì)較為一致,但在200 m以深存在一定差異,這是由于兩種方法對(duì)S波速度的深度敏感核不同造成的.

4.2 沉積格局和隱伏斷裂

目前普遍缺乏對(duì)城市系統(tǒng)的沉積格局調(diào)查,對(duì)隱伏斷裂的空間展布和活動(dòng)性研判仍不準(zhǔn)確.利用背景噪聲開(kāi)展淺層結(jié)構(gòu)探測(cè)成本低廉,不受施工條件限制,其中HVSR方法對(duì)分析淺層沉積的界面和速度較為有效,對(duì)斷層引起沉積界面的錯(cuò)動(dòng)分析有利于推測(cè)其活動(dòng)性(王偉君等,2011).本文嘗試?yán)脝闻_(tái)背景噪聲的HVSR方法開(kāi)展城市沉積、基巖界面分布和隱伏斷裂探測(cè)工作.

研究測(cè)線下方的地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,雖然長(zhǎng)度僅為8 km,但呈現(xiàn)出凹陷-隆起-凹陷相間分布的構(gòu)造形態(tài),與復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造一致.測(cè)線的HVSR剖面顯示復(fù)雜的雙峰、多峰,也為分析地層結(jié)構(gòu)增加了困難.為了增加研判的可靠性,我們將HVSR反演的S波速度與鉆孔資料、橫波激發(fā)的淺層地震反射剖面結(jié)果進(jìn)行比較,結(jié)果顯示由HVSR反演的S波速度結(jié)構(gòu)揭示的土石界面與相應(yīng)鉆孔較為一致,整條測(cè)線的土石界面分布在方位、形態(tài)和趨勢(shì)上與淺層地震反射剖面高度一致,并且還刻畫(huà)了地震反射剖面未能揭示的基巖頂界面.

測(cè)線橫跨郯廬斷裂帶的兩條分支斷裂F1、F2,主動(dòng)源結(jié)果除揭示這2條斷裂外,還揭示了3個(gè)斷點(diǎn).斷層對(duì)測(cè)線的地質(zhì)構(gòu)造起著控制作用,與沉積起伏、隱伏凹陷和隆起的空間展布密切相關(guān).HVSR假設(shè)介質(zhì)為水平層狀模型,當(dāng)速度界面發(fā)生傾斜時(shí),峰值較寬或者沒(méi)有峰值,這時(shí)反演的速度結(jié)構(gòu)可能存在較大的偏差(Guillier et al., 2006).斷裂F2對(duì)兩側(cè)巖石造成了較大的破壞,斷裂F2位于凹陷的東邊界,地下界面傾斜幅度大,其HVSR峰值較差.凹陷底界的HVSR曲線中最強(qiáng)放大效應(yīng)的峰值頻率為0.4 Hz左右,從底界往東該峰值逐漸變寬,分裂成多個(gè)峰值.斷點(diǎn)DF1和DF3附近的HVSR峰值變差,反演的土石界面不連續(xù),形成了幅度較小的斷距.而F1兩側(cè)的峰值頻率存在由10 Hz降低至5 Hz,后又升高到10 Hz的明顯變化,相應(yīng)的土石界面由8 m升高到18 m,后又降低到8 m,但未有錯(cuò)斷,表明其對(duì)周?chē)鷰r石破壞較小,揭示F1的活動(dòng)性弱于F2.綜合本文結(jié)果和鉆孔、淺層地震反射剖面、頻散反演的速度結(jié)構(gòu)、地質(zhì)資料等研究成果認(rèn)為,嘉山—廬江斷裂F1未錯(cuò)斷第四系地層;池河—太湖斷裂F2錯(cuò)斷第四系地層,為傾向NW的正斷層,可能為活動(dòng)斷裂.值得注意的是,對(duì)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜地區(qū),單獨(dú)使用HVSR方法判斷地層、斷裂的準(zhǔn)確位置和活動(dòng)性存在一定的不確定性,可以借助地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔和地震反射剖面等先驗(yàn)信息聯(lián)合判斷.

4.3 揭示的地質(zhì)構(gòu)造

為了更好地解釋反演揭示的地層分界,隱伏斷裂對(duì)沉積起伏、地質(zhì)構(gòu)造的控制作用,以及噴發(fā)的玄武巖和下伏基巖分布,我們利用HVSR曲線反演的200 m深度內(nèi)的S波速度剖面(圖8a),繪制地質(zhì)構(gòu)造示意圖(圖8b).測(cè)線的土層覆蓋較淺,為3～25 m,在西側(cè)凹陷表層黏土下方還有一層膠結(jié)性較高的高速黏土,其波速高于下方的破碎帶,由于比例關(guān)系,圖8中未區(qū)分兩個(gè)土層,僅給出了土層分界面.白堊-古近紀(jì),郯廬帶發(fā)生強(qiáng)烈的伸展活動(dòng),在明光段內(nèi)部發(fā)育了嘉山盆地,第四紀(jì)以來(lái)為新構(gòu)造活動(dòng)期,以活斷層的形式控制第四系的沉積(朱光等,2004).嘉山盆地東界的斷裂F2的活動(dòng)性較強(qiáng),為第四紀(jì)以來(lái)的活動(dòng)斷裂,其對(duì)巖石破壞強(qiáng)度較大,降低了巖石強(qiáng)度,因而速度低于上覆膠結(jié)性高的黏土,這與地質(zhì)調(diào)查中嘉山盆地附近的活斷層呈現(xiàn)出破碎性形態(tài),在地表斷裂帶發(fā)育大量的斷層泥和碎裂巖塊的觀點(diǎn)一致(劉備等,2015).斷裂F2錯(cuò)動(dòng)土石界面,但是斷距不大,約為20 m,表明郯廬斷裂帶嘉山盆地附近的活斷層繼承了白堊-古近紀(jì)伸展活動(dòng)中的地貌,第四紀(jì)活動(dòng)強(qiáng)度不大,垂直運(yùn)動(dòng)分量有限,并沒(méi)有破壞早期的地貌格局.斷裂F1為郯廬帶的東邊界,本文反演的S波速度結(jié)構(gòu)和淺層地震揭示的S波層速度顯示其下方10～40 m深度可能存在較大區(qū)域的高速夾層.

郯廬斷裂帶新生代強(qiáng)烈的玄武巖噴發(fā)活動(dòng)在其演化過(guò)程中起著重要的作用(牛漫蘭等,2005;朱光等,2016).牛漫蘭等(2005)根據(jù)對(duì)新生代玄武巖及其幔源包體的地球化學(xué)研究認(rèn)為,郯廬斷裂帶明光段新生代火山活動(dòng)分為三個(gè)時(shí)期:第一時(shí)期為古近紀(jì)的拉斑質(zhì)玄武巖,源區(qū)在上地幔上部;第二時(shí)期為中新世的堿性橄欖玄武巖,K-Ar年齡為19.04 Ma,源區(qū)在上地幔中部;第三時(shí)期更新世的強(qiáng)堿性玄武巖,源區(qū)在上地幔下部.隨著時(shí)代更新,郯廬斷裂帶明光段的巖漿源區(qū)逐漸加深,減小了部分熔融程度,造成噴發(fā)玄武巖的堿性程度逐漸加大.郯廬斷裂帶全面切割上地幔,為巖漿入侵和玄武巖噴發(fā)的通道,上涌的熱物質(zhì)與周邊物質(zhì)發(fā)生冷卻焊接作用,速度相對(duì)周邊物質(zhì)更高(牛漫蘭等,2005;古寧,2021).在測(cè)線北側(cè)的女山古火山,在更新世玄武巖中發(fā)現(xiàn)了石榴石二輝橄欖巖包體 (Xu et al., 2000).劉保金等(2015)跨郯廬斷裂帶宿遷段開(kāi)展了淺層地震勘探,利用初至波走時(shí)成像得到的P波速度剖面顯示F1斷裂下方在淺地表存在明顯的高速異常.Gu等(2022)通過(guò)背景噪聲成像獲得了郯廬斷裂帶宿遷—明光段8 km以淺的三維S波速度結(jié)構(gòu),從北到南的剖面結(jié)果揭示F1斷裂下方存在顯著的高速異常體,并且推測(cè)該高速異常體是由噴發(fā)的玄武巖與周邊物質(zhì)冷卻焊接造成的.鉆孔資料(ZK42)揭示高速夾層對(duì)應(yīng)風(fēng)化的玄武巖.根據(jù)本文利用HVSR反演的S波速度結(jié)構(gòu),結(jié)合區(qū)域地質(zhì)(牛漫蘭等,2005)、鉆孔資料、測(cè)線北側(cè)的主被動(dòng)源速度剖面結(jié)果(劉保金等,2015;Gu et al.,2022)和淺層地震反射剖面揭示的S波層速度(王明,2022),我們推測(cè)F1斷裂為軟流圈物質(zhì)上涌提供通道,玄武巖噴發(fā)冷卻后形成高速夾層,速度高于下伏砂質(zhì)泥巖,在土層和噴發(fā)的玄武巖之間形成強(qiáng)阻抗比界面,其阻抗比高于下伏風(fēng)化砂質(zhì)泥巖與未風(fēng)化砂質(zhì)泥巖界面,且由于冷卻后產(chǎn)生的焊接作用使得F1的活躍性低于F2.

4.4 HVSR方法討論

噪聲HVSR方法是目前應(yīng)用較多的獲取場(chǎng)地卓越頻率和放大系數(shù)的方法,其基本假設(shè)是垂直入射的SH波占據(jù)噪聲的主導(dǎo)成分.噪聲中包括體波、面波和各種散射波,其成分和比例較為復(fù)雜,取決于頻帶范圍和場(chǎng)地條件.使得HVSR方法缺乏嚴(yán)格的理論基礎(chǔ),尚有較大的爭(zhēng)議.一種解決方案是通過(guò)建立考慮不同成分的貢獻(xiàn)的背景噪聲源模型來(lái)模擬HVSR曲線;另一種解決方案是從噪聲波形中提取Rayleigh波,HVSR退化為Rayleigh波橢圓率(Lunedei and Malischewsky, 2015;秦彤威等,2021).張若晗等(2020)分析了Rayleigh波各階橢圓率和面波的HVSR,結(jié)果表明面波HVSR的曲線形狀和峰值頻率主要受基階橢圓率控制,而幅值受Love波影響較大.因此可以將HVSR的峰值頻率近似為場(chǎng)地共振頻率,但是需要謹(jǐn)慎考慮將HVSR的幅值近似為放大系數(shù).

本文使用HVSR曲線反演S波速度結(jié)構(gòu)時(shí),采取了固定的密度及VP/VS比值,而淺層部松散沉積層的VP/VS波速比可能為2～5(王偉君等,2011).我們測(cè)試了當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),密度和VP/VS變化對(duì)反演結(jié)果的影響.以66號(hào)臺(tái)站為例,土層密度分別設(shè)為:1600、1700、1800、1900 kg·m-3,對(duì)應(yīng)巖石密度分別為2000、2100、2200、2300 kg·m-3,圖9a為不同的密度的反演結(jié)果;將土層的VP/VS分別為2、3、4、5,巖石VP/VS固定為2,圖9b為不同波速比的反演結(jié)果,可以看出不同的密度造成反演結(jié)果的差異很小,尤其是淺部的層厚和S波速度幾乎一致;而土層的波速比對(duì)反演的土層厚度存在一定影響,當(dāng)土層的波速比減小,例如VP/VS=2時(shí),反演得到的土層厚度偏小.

在水平層狀均勻介質(zhì)的假設(shè)下,HVSR對(duì)橫波速度結(jié)構(gòu)和界面深度較為敏感.但是其定義為水平和垂直方向振幅的比值,會(huì)受到介質(zhì)縮放效應(yīng)的影響.因此HVSR反演得到的速度結(jié)構(gòu)是速度和層厚的平衡結(jié)果,其速度絕對(duì)值并不準(zhǔn)確,反演算法存在固有的非唯一性問(wèn)題(Pia-Flores et al., 2017; 秦彤威等,2021).許多研究者采用HVSR曲線和頻散曲線聯(lián)合反演的辦法,來(lái)降低非唯一性(例如 Arai and Tokimatsu 2005;Parolai et al., 2005;Pia-Flores et al., 2017;Lontsi et al., 2016;Spica et al., 2018; García-Jerez et al., 2016; Perton et al., 2020).倪紅玉等(2022)根據(jù)同一測(cè)線的噪聲數(shù)據(jù),采用拓距相移法提取了頻散曲線,然而由于臺(tái)間距約為60 m,頻散曲線的高頻大部分在7 Hz以?xún)?nèi),對(duì)淺層50 m以?xún)?nèi)的速度約束相對(duì)較差(圖7g).本研究更加關(guān)注土石分界面和基巖界面等淺層界面,并且為了驗(yàn)證HVSR單一方法的有效性,因此未采用與頻散曲線聯(lián)合反演的策略.

HVSR曲線和頻散曲線反演的S波速度結(jié)構(gòu)存在一定差異(圖7),為了定量分析和交叉驗(yàn)證不同反演方法的成像結(jié)果,本研究使用HVSR反演出來(lái)的S波速度模型正演計(jì)算理論的面波頻散曲線,并與實(shí)測(cè)頻散曲線(倪紅玉等,2022)、由實(shí)測(cè)頻散曲線反演的S波速度結(jié)構(gòu)正演計(jì)算的頻散曲線進(jìn)行對(duì)比分析(圖10).圖10a為鉆孔對(duì)應(yīng)4個(gè)臺(tái)站的三種頻散曲線對(duì)比,可以看出除33號(hào)臺(tái)站外,頻散曲線反演的S波速度結(jié)構(gòu)正演的理論頻散曲線(綠色虛線表示)與實(shí)測(cè)頻散曲線(黑色實(shí)線表示)在提取頻段內(nèi)較為一致,而由HVSR反演的S波速度模型正演的理論頻散曲線(紅色虛點(diǎn)線表示)與其他兩種頻散曲線均存在一定差異.圖10b為整條測(cè)線三種頻散曲線兩兩之間的差值,用色標(biāo)表示,由頻散曲線反演的S波速度結(jié)構(gòu)正演的理論頻散曲線與實(shí)測(cè)頻散曲線的差異較小.由HVSR反演的S波速度模型正演的理論頻散曲線與實(shí)測(cè)頻散曲線的差異,和其與頻散曲線反演的S波速度結(jié)構(gòu)正演的理論頻散曲線的差異,總體上非常一致.在測(cè)線距離800 m西側(cè)和3000 m東側(cè),由HVSR反演的S波速度模型正演的理論頻散整體偏低,而在800～2000 m(西側(cè)凹陷區(qū)域)整體偏高,且1 Hz以下低頻對(duì)應(yīng)的速度整體偏高.

圖10 (a) 單個(gè)臺(tái)站三種頻散曲線對(duì)比; (b) 測(cè)線上三種頻散曲線之間的差值隨距離的變化(a) 中綠色虛線表示頻散曲線反演的S波速度結(jié)構(gòu)正演的理論頻散曲線,紅色虛點(diǎn)線表示HVSR反演的S波速度模型正演的理論頻散曲線,黑色實(shí)線表示觀測(cè)頻散曲線; (b) 上、中、下圖分別表示頻散曲線反演的S波速度結(jié)構(gòu)正演的理論頻散曲線與觀測(cè)頻散曲線的差值,HVSR反演的S波速度模型正演的理論頻散曲線與觀測(cè)頻散曲線的差值,HVSR反演的S波速度模型正演的理論頻散曲線與頻散曲線反演的S波 速度結(jié)構(gòu)正演的理論頻散曲線之間的差異.Fig.10 (a) Comparisons of three dispersion curves of a single station; (b) The differences of three dispersion curves varied with the distances of the seismic lineIn (a), the green dashed lines represent the theoretical dispersion curves calculated with the S-wave velocity structureinverted by the dispersion curves, the red dotted lines represent the theoretical dispersion curves calculated with the S-wave velocity model inverted by HVSR curves, the black solid lines represent the observed dispersion curves; In (b), the upper figure represents the difference between the theoretical dispersion curves calculated with the S-wave velocity structure inverted by the dispersion curves and the observed dispersion curves, the middle figure represents the difference between the theoretical dispersion curves calculated with the S-wave velocity structure inverted by HVSR curves and the observed dispersion curves, and the lower figure represents the difference between the theoretical dispersion curves calculated with the S-wave velocity structure inverted by HVSR curves and the theoretical dispersion curves calculated with the S-wave velocity structure inverted by the dispersion curves.

通過(guò)上述對(duì)比表明利用HVSR反演的S波速度模型,可能高估了1 Hz以下低頻的波速.根據(jù)實(shí)測(cè)頻散結(jié)果,1 Hz的平均相速度約1 km·s-1,對(duì)應(yīng)的深度約為300 m.為確保分析的可靠性,本文僅分析了200 m以淺的速度界面、沉積格局等,并未分析更深處可能存在的速度界面.在200 m以淺,除在西側(cè)凹陷區(qū)域外,測(cè)線其他范圍反演的速度結(jié)構(gòu)可能偏低.盡管本文利用HVSR曲線反演的200 m以淺的S波速度絕對(duì)值可能不準(zhǔn)確,存在一定的系統(tǒng)偏差,但并不影響對(duì)S波速度結(jié)構(gòu)變化趨勢(shì)的分析,因此本文對(duì)測(cè)線揭示的沉積格局、斷層分布是可靠的.

5 結(jié)論

我們跨郯廬斷裂帶東邊界的嘉山—廬江斷裂和池河—太湖斷裂部署了一條長(zhǎng)度約8 km的密集測(cè)線,本文截取其中2個(gè)小時(shí)的穩(wěn)定三分量背景噪聲記錄,計(jì)算HVSR曲線,獲得了剖面的峰值頻率,進(jìn)而反演了淺層S波速度結(jié)構(gòu),并與地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔、淺層地震反射剖面結(jié)果和頻散曲線反演的S波速度等進(jìn)行比較.得到如下結(jié)論:

(1) 測(cè)線下方地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,HVSR剖面顯示復(fù)雜的雙峰、多峰形態(tài),其場(chǎng)地分類(lèi)均為II類(lèi)中硬土,但導(dǎo)致較大場(chǎng)地放大作用的峰值頻率變化較大,西側(cè)凹陷底界最低,為0.4 Hz,東側(cè)隆起最高,為14 Hz, 凹陷底界的HVSR幅值最大,應(yīng)關(guān)注西側(cè)凹陷底界區(qū)域?qū)?qiáng)地面震動(dòng)的放大效應(yīng).

(2) 由HVSR反演的S波速度結(jié)構(gòu)揭示了2個(gè)主要速度界面:土石界面以及風(fēng)化基巖-未風(fēng)化基巖的分界面.其中土石界面與相應(yīng)鉆孔結(jié)果較為一致,整條測(cè)線的土石界面分布在方位、形態(tài)和趨勢(shì)上與淺層地震反射剖面結(jié)果高度吻合,并且本文還刻畫(huà)了淺層地震反射剖面未能揭示的基巖頂界面.

(3) 池河—太湖斷裂F2斷裂對(duì)兩側(cè)巖石造成了較大破壞,致使HVSR曲線的峰值頻率變寬,土石分界面錯(cuò)動(dòng),活動(dòng)性較強(qiáng).嘉山—廬江斷裂F1斷裂兩側(cè)的峰值頻率和土石界面均有明顯變化,但較為連續(xù),未有錯(cuò)動(dòng),其下方10～40 m深度可能存在較大區(qū)域的高速夾層,推測(cè)為新生代玄武巖噴發(fā)后冷卻所致,其活動(dòng)性低于F2.本文刻畫(huà)的兩條斷裂的空間展布、活動(dòng)性等特征與鉆孔資料、淺層地震反射剖面結(jié)果和地質(zhì)資料等較為一致,綜合分析認(rèn)為,嘉山—廬江斷裂F1未錯(cuò)斷第四系地層;池河—太湖斷裂F2錯(cuò)斷第四系地層,為傾向NW的正斷層,可能為活動(dòng)斷裂.

綜上所述,HVSR方法僅需數(shù)小時(shí)的單臺(tái)三分量噪聲記錄,具有施工便捷、成本低廉、受場(chǎng)地限制少、不依賴(lài)于地震等優(yōu)點(diǎn),本文的研究結(jié)果表明HVSR方法可以為復(fù)雜地區(qū)的場(chǎng)地響應(yīng)特征、淺層沉積結(jié)構(gòu)、城市隱伏活斷層探測(cè)提供一種經(jīng)濟(jì)、非侵入的手段.值得注意的是,HVSR反演方法存在非唯一性,借助地質(zhì)構(gòu)造、鉆孔和地震反射剖面等先驗(yàn)信息可以增加結(jié)果的可靠性.