利用HVSR法探測渭河盆地淺部構(gòu)造

阮明明 王帥軍 田曉峰 程國亮 周 銘 鄭成龍

1 中國地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號，450002

研究淺部地下結(jié)構(gòu)最直接、有效的方法是鉆孔、鉆井，但該方法工程造價高昂，無法大范圍使用。主動源的折射、反射及面波勘探等傳統(tǒng)勘探方法在城市地區(qū)應(yīng)用時，震源作業(yè)環(huán)境會受到較多限制。HVSR法利用基階共振頻率與沉積層厚度之間的線性關(guān)系，可用于計算地下淺部沉積層的厚度，因此該方法也廣泛用于地下淺部結(jié)構(gòu)研究[1-2]。

渭河盆地位于鄂爾多斯西南緣，處于南北地震帶中段，區(qū)域強震較多，歷史上曾發(fā)生過7次6級以上地震，包括1556年華縣8級大地震。研究表明，該區(qū)域周邊多數(shù)正斷層至今仍在活動。另外，由于渭河盆地較厚沉積層對地震的放大效應(yīng)，使得該區(qū)域地震災(zāi)害風(fēng)險較高。2020年中國地震局地球物理勘探中心在渭河盆地西部扶風(fēng)至眉縣段布設(shè)一條長50 km的密集地震測線(圖1)。本文利用HVSR法處理地震測線記錄的背景噪聲數(shù)據(jù)，研究該測線區(qū)域淺部結(jié)構(gòu)。

圖1 測線位置Fig.1 Survey line location

1 區(qū)域位置與地質(zhì)概括

渭河盆地位于陜西省中部，西起寶雞，東至三門峽，北靠鄂爾多斯地塊，南鄰秦嶺造山帶，是發(fā)育于鄂爾多斯塊體與東秦嶺造山帶之間的新生代斷陷盆地。根據(jù)地球物理和地質(zhì)學(xué)資料，渭河盆地可劃分為西部隆起區(qū)、南部坳陷區(qū)以及北部斜坡區(qū)3個Ⅰ級構(gòu)造單元，Ⅰ級構(gòu)造單元又可進一步分為若干個次級構(gòu)造單元(圖2)。渭河盆地的形成與印度板塊向歐亞板塊俯沖、青藏高原隆升并向外擴張、秦嶺北緣逆沖斷裂帶的構(gòu)造反轉(zhuǎn)及第三紀以來強烈的垂直差異運動有關(guān)[3]。

圖2 渭河盆地地質(zhì)構(gòu)造Fig.2 Tectonic of the Weihe basin

渭河盆地內(nèi)新生代地層發(fā)育廣泛，沉積層厚度較大，其中古近系與新近系厚度為幾千米，最厚達7 km。前新生界是盆地的基底層系，以渭河斷裂為界，渭河盆地基底分為南、北兩個區(qū)域[4]。渭河以北基底主體為早古生代地層，主要為奧陶紀灰?guī)r或淺變質(zhì)巖與殘存的晚古生代煤系地層，局部地區(qū)為上元古界片巖及零星殘留的上古生界、中生界地層; 南部基底主要由太古界、元古界變質(zhì)巖和加里東期-燕山期的花崗巖組成[5]。

渭河盆地斷裂以近東西向為主，其中3條主要斷裂控制盆地邊界和內(nèi)部次級斷塊及地形地貌單元，由南向北分別為秦嶺北緣斷裂、渭河斷裂、渭河盆地北緣斷裂。這3條斷裂是整個渭河盆地發(fā)育演化的主控斷裂，受其影響，盆地呈近東西向展布。此外，渭河盆地還分布著規(guī)模較大的 NE-NNE 向和 NW向張性正斷裂，這些斷裂作為構(gòu)造基礎(chǔ)骨架控制渭河盆地內(nèi)部構(gòu)造及沉積格局，形成典型的地塹構(gòu)造[6]。

2 原理與數(shù)據(jù)處理

2.1 HVSR法原理

在簡單的二維模型中，假設(shè)結(jié)實的基巖上覆蓋有松散的沉積層，即地表松散層和下伏堅硬層存在比較大波阻抗比時，近地表隨機分布的噪聲源會產(chǎn)生尖銳的HVSR峰值，HVSR法得到的峰值頻率和淺層松散土層的卓越頻率一致或接近,此時共振頻率可以表示為：

fn=n(VS/4D)

(1)

式中，VS為沉積層平均橫波速度；D為沉積層厚度；n為振動階數(shù)，取奇數(shù)，主要考慮基階共振頻率時取n=1。

近地表土層比較薄，難以用常規(guī)的接收函數(shù)方法獲得，利用噪聲的HVSR峰值頻率變化可得到近地表土層的界面起伏。土層卓越頻率(與HVSR峰值頻率接近)由土層S波速度和厚度決定，可利用已知的S波速度和HVSR峰值頻率求得土層的厚度。研究表明，沉積層HVSR曲線的峰值頻率具有良好的穩(wěn)定性，與沉積層主要界面對應(yīng)關(guān)系較好[7-8]。因此，可以根據(jù)式(1)將卓越頻率轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的深度界面：

(2)

2.2 數(shù)據(jù)和方法

項目開工前，在陜西扶風(fēng)縣南二路一片開闊地進行儀器一致性實驗，對一致性信號不好的儀器進行檢修或更換。儀器一致性檢查的技術(shù)要求如下： 1)記錄波形清晰； 2)同類儀器各道波形相似，極性一致； 3)各道相位差小于±20 ms，振幅差小于±15%。圖3為儀器一致性實驗裝配記錄截面圖?？梢钥闯?，記錄波形較為清晰且一致性較好，各道相位差小于10 ms，振幅差小于10%，儀器穩(wěn)定性較好。

圖3 儀器一致性實驗結(jié)果Fig.3 Results of consistency test of seismic instrument

2020-01-28～2021-02-05在渭河盆地布設(shè)252臺EPS型數(shù)字地震儀器進行觀測，儀器采樣率為200 Hz。密集測線西南端起于眉縣山河灘，東北端止于扶風(fēng)縣上灣。測線點距200 m，全長約50 km。觀測儀器均按要求布設(shè)于場地平整、遠離鐵路公路且無明顯工程振動的位置。為了降低風(fēng)、溫度變化等對地震背景噪聲觀測的影響，地震儀均采用挖坑填埋方式布設(shè)。數(shù)據(jù)驗收中，測線上252臺地震儀器均工作正常，各觀測點記錄時間均在20 d以上，數(shù)據(jù)完成率超過95%。

采用HVSR方法處理時，首先將EPS型號地震儀所記錄的miniseed格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SAC格式，并進行必要的數(shù)據(jù)預(yù)處理，如去均值、去線型趨勢、去儀器響應(yīng)等；再計算各個臺站的HVSR曲線。主要步驟如下：1)將連續(xù)數(shù)據(jù)分成若干個時間窗(圖4)，時間窗的大小一般選為至少10個頻率周期；2)分別計算出每個時間窗的水平分量和垂直分量的頻譜比曲線；3)將所有時間窗的頻譜比曲線進行平均，得到該測點HVSR曲線(圖5)。計算過程中，采用反長短時窗平均振幅比算法(STA/LTA)減少瞬態(tài)噪聲的干擾，采用Kono-Ohmachi平均算法對每個時間窗計算的H/V曲線進行平滑，平滑系數(shù)設(shè)為20。為避免存在較多人為因素產(chǎn)生的瞬態(tài)干擾信號，本文選擇的信號記錄時間段為00：00～04:00。

圖4 地震儀記錄的地震背景噪聲Fig.4 Seismic background noise recorded by seismograph

彩色線條表示時窗長度為60 s計算的HVSR曲線，黑色實線表示HVSR曲線的平均值，黑色虛線表示HVSR曲線的標準差，褐色柱體為峰值頻率圖5 HVSR曲線Fig.5 HVSR curves

為獲得測線剖面上峰值頻率變化情況，以渭河盆地以南的第1個臺站作為參考起點，將各臺站的HVSR 曲線按相對起點的距離關(guān)系，繪制幅度-頻率-深度剖面(圖6)。由式(2)，同時將最大峰值頻率作歸一化處理，可將 HVSR 峰值剖面換算成HVSR沉積層界面深度剖面(圖7)。平均剪切波速度設(shè)為500 m/s[9]。

圖6 HVSR 峰值頻率剖面Fig.6 HVSR peak frequency profile

深藍色為沉積層圖7 HVSR法沉積層界面剖面Fig.7 Sedimentary layer interface profile calculated by HVSR method

3 結(jié)果分析與討論

由圖6可見，整個剖面的峰值頻率呈U型分布。在0～10 km，峰值頻率由2 Hz逐漸降至0.5 Hz；在10～45 km，峰值頻率在0.2～0.4 Hz范圍內(nèi)變化；在45～50 km，峰值頻率由0.4 Hz逐漸升高至2 Hz。圖7為HVSR法獲得的深度剖面，可以看出，在南段0～10 km，沉積層厚度由約50 m逐漸升至約400 m；在中段10～45 km，沉積層厚度在400～600 m范圍內(nèi)變化；在北段45～50 km，沉積層厚度由約400 m逐漸降至約50 m。渭河盆地南北高、中間低的地形變化使中部河谷區(qū)域更有利于沉積，沉積層的厚度變化與地形特征較為吻合。HVSR獲得的沉積界面較清晰地展示了第四系沉積層的空間分布形態(tài)。

渭河盆地第四系的沉積厚度變化較大，從西北往東南變厚，盆地沉積中心處的西安戶縣、渭南固市等地第四系最厚，約為800 m左右，最厚為1 300 m；河谷區(qū)一般均大于400 m，黃土塬區(qū)厚度約為100～300 m。第三普查勘探大隊在項目測線附近得到的各鉆井資料顯示(圖8)，岐山蔡家坡孫家堡村渭4井鉆遇第四系地層126.5 m，扶風(fēng)縣杏林韓家灣村渭5井鉆遇第四系地層469.4m，周至縣西關(guān)鎮(zhèn)渭深13井鉆遇第四系地層1 094.5 m。鉆井資料表明，渭河盆地第四系厚度分布由西至東有逐漸增厚趨勢，沉積層厚度變化也反映了渭河盆地是從東至西逐漸形成的，東部發(fā)育較早，西部發(fā)育較晚。

圖8 各鉆井新生代地層柱狀圖Fig.8 Cenozoic stratigraphic histogram of each well

渭5井位于測線東邊，距離測線約10 km(垂直點距起點27 km)。渭5井與垂直點同處渭河盆地河谷，地質(zhì)環(huán)境相似。圖8為鉆井地層柱狀圖，按照新生代地層層序劃分，三門組和秦川組為第四系[10]。圖7中HVSR計算結(jié)果顯示，第四系沉積層厚度為490 m，與渭5井結(jié)果較為一致。

理論上，HVSR曲線峰值頻率的變化反映波阻抗界面深度變化特征，斷裂活動引起的地層錯動使波阻抗界面產(chǎn)生不連續(xù)性，從而在HVSR曲線上表現(xiàn)出間斷或跳躍的特征。但本項目測線兩端為山地，地形對地震動有較顯著的影響，使得HVSR法得到的峰值頻率偏離一維情況的土層卓越頻率。HVSR法假設(shè)地表垂直向噪聲記錄保持有基巖振動的特征，但在復(fù)雜地形下，波場復(fù)雜從而偏離這種假設(shè)，因此，本測線兩端(0～4 km和45～50 km)處HVSR曲線較模糊；而測線4～45 km處地勢較平坦，沉積層變化較清晰。在圖7測線的25 km和32 km處，可看到沉積界面出現(xiàn)較明顯的跳躍變化，跳躍點與岐山-馬召斷裂和扶風(fēng)-乾縣斷裂在空間位置上有較好的一致性。盆地中間河谷區(qū)渭河斷裂在HVSR曲線上無明顯表現(xiàn)，與文獻[11]渭河斷裂在第四系沉積層中沒有明顯錯位的結(jié)論對應(yīng)。

結(jié)合圖2，本次地震測線由南至北依次經(jīng)過西部隆起、渭咸凸起、乾縣斜坡，其中地震測線在西部隆起的眉縣段地質(zhì)構(gòu)造為眉縣淺凹。圖7中25～32 km段表現(xiàn)為凸起，與測線在渭咸凸起段的空間位置相吻合，說明HVSR法得到的淺層結(jié)構(gòu)結(jié)果與已有地質(zhì)結(jié)構(gòu)認識較為吻合。

4 結(jié) 語

本文基于密集地震測線的HVSR法較好地獲得了第四系沉積界面的起伏形態(tài)，同時得到測線方向上近地表斷裂形態(tài)的空間分布規(guī)律。HVSR法所得結(jié)果與渭河盆地的地震深反射所得剖面圖結(jié)果較為一致[10]，能夠為進一步研究活動斷裂在近地表的構(gòu)造特征提供科學(xué)依據(jù)。研究表明，渭河盆地第四系沉積層在南北端較薄，約為50 m；由兩端向盆地中部，逐漸增至600 m左右。在密集測線的25 km和33 km處，沉積層的埋深厚度表現(xiàn)出一定的間斷跳躍特征，跳躍位置與岐山-馬召斷裂和扶風(fēng)-乾縣斷裂空間位置較為一致?？梢酝茢?，渭河盆地第四系沉積層界面起伏與斷裂存在著一定聯(lián)系，沉積層界面形態(tài)可能受到斷裂活動的控制。沉積層深度剖面結(jié)果也表明，第四紀以來渭河盆地眉縣至扶風(fēng)區(qū)域經(jīng)歷了幾次斷裂活動，錯動并改變了該區(qū)域第四系沉積層的空間分布形態(tài)。