基于環(huán)境噪聲測試的隱伏斷層場地H/V 譜比特征分析＊

胡 鵬 羅永紅 宋志賓 南 凱

（中國成都 610059 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室）

前言

環(huán)境噪聲測試以其數(shù)據(jù)易獲取、經(jīng)濟實用及操作便利等優(yōu)勢成為研究場地地震效應(yīng)的重要方法之一（Nakamura，1989；Yamazaki，Ansary，1997；盧滔等，2006）。Nakamura （2009）對測試數(shù)據(jù)水平與豎向（horizontal-to-vertical，縮寫為H/V）譜比的分析研究表明，環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)能有效地揭示場地的放大系數(shù)和卓越頻率，H/V 譜比曲線的波峰為沉積層內(nèi)的S 波發(fā)生共振導(dǎo)致，且峰值頻率與淺層松散土層的卓越頻率一致或接近。因此在過去的二十多年里，環(huán)境噪聲測試被大量應(yīng)用于地震場地響應(yīng)、斜坡動力響應(yīng)及介質(zhì)結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域（Tebboucheet al，2017；Zareet al，2017；黃俊閣等，2020）。Tebbouche 等（2017）認(rèn)為不同介質(zhì)能產(chǎn)生不同的三分量面波，并且H/V 譜比也不同；Zare 等（2017）基于122 處環(huán)境噪聲監(jiān)測點對伊朗德黑蘭拉提安水庫邊坡進行分析，其結(jié)果顯示不同高度和坡向的場地響應(yīng)不同；黃俊閣等（2020）對自貢西山斜坡環(huán)境噪聲H/V 譜比法獲取的地震臺站強震加速度與地震臺站數(shù)據(jù)對比分析，認(rèn)為通過環(huán)境噪聲能很好地獲取場地卓越頻率。

目前采用H/V 譜比分析地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究已成為新的研究方向。已有地表介質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果（Woolery，Street，2002；王偉君等，2011）表明，介質(zhì)厚度變化會引起峰值頻率改變；Parolai 等（2002）根據(jù)卓越頻率計算出覆蓋層厚度，得到近地表土層的界面起伏；王偉君等（2011）通過河北保定地區(qū)近地表土層的界面起伏揭示該地區(qū)近地表隱伏斷層（保定斷裂）的展布，其結(jié)果表明如果在某個層位發(fā)現(xiàn)斷層活動，通過該方法即可初步確定該斷層的地震活動性。劉必?zé)簦?011）關(guān)于斷層場地效應(yīng)的研究顯示，隱伏斷層的致密高波速斷層結(jié)構(gòu)面、低波速斷層破碎帶以及軟弱覆蓋層之間波阻抗差異等因素容易引發(fā)場地SV-P 和P-SV 的透射波轉(zhuǎn)換，從而導(dǎo)致地震波在經(jīng)過該斷層時出現(xiàn)“斷層陷波”效應(yīng)。該效應(yīng)可以解釋為斷層破碎帶與周圍基巖相比，剪切波速較小，當(dāng)最大波速與最小波速之比大于3 時，進入的地震波不容易透射出來，因此存在斷層破碎帶內(nèi)傳播的特殊波（斷層陷波）。國外的研究人員也通過斷層陷波嘗試對斷層結(jié)構(gòu)進行反演，例如：Ben-Zion （1998）和Li 等（1990）對美國加利福尼亞州地區(qū)圣安德烈斯（San Andreas）斷層的試驗研究獲得了較高分辨率的斷層結(jié)構(gòu)；Qiu 等（2020）通過地表臺站對美國加利福尼亞州地區(qū)圣哈辛托（San Jacinto）斷層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了成像反演，同樣得到了該斷層的結(jié)構(gòu)形態(tài)。

以上研究表明，斷層帶特征對場地信號的影響較為明顯，但相關(guān)文獻報道仍然較少，特別是斷層帶對密集環(huán)境噪聲陣列采集信號的影響方面未見相關(guān)研究。為此，本文以北距石棉縣城約3 km 的石棉斷層（該斷層大部分被第四系覆蓋且未見地表活動）為研究對象，通過環(huán)境噪聲測試探討隱伏斷裂的場地特征，嘗試揭示研究區(qū)隱伏斷層的形跡，為區(qū)內(nèi)跨斷層的石棉—瀘定高速提供斷層形跡參考。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川省石棉縣安順場，距成都約260 km，地處青藏高原東南緣向四川盆地過渡的川西南高山區(qū)（101.92°E—102.57°E，28.85°N—29.53°N）。區(qū)內(nèi)主要山川地形受區(qū)域性主干構(gòu)造控制，大渡河自北而南流經(jīng)石棉縣折轉(zhuǎn)呈近東西向展布。大渡河支流南椏河橫穿研究區(qū)，河谷深切，總體地勢呈西北高東南低。

研究區(qū)在元古代—晚震旦世經(jīng)歷了地殼隆起、裂陷以及板塊碰撞俯沖等多期復(fù)雜地質(zhì)過程，并形成了基性花崗巖為主的變形結(jié)晶基底。出露地層以震旦系花崗巖為主（圖1），出露巖體因受石棉斷層的影響而較破碎，呈強-中風(fēng)化。石棉斷層晚更新世以來的左旋滑移速率為3.1 mm/a，呈中-強斷層活動性；斷層總體走向為305°—320°，傾向東，寬約30 m。該斷層位于覆蓋層之下，地表無明顯活動跡象（孫浩越等，2015）。

圖1 石棉縣安順場及周邊的地質(zhì)簡圖Fig. 1 Geological map of Anshun filed of Shimian county and its surrounding regions

2 測試儀器及數(shù)據(jù)處理方法

本次測試采用中國地震局工程力學(xué)研究所研制的脈動傳感器（QZ2012-E-3 型微震速度計）和采集儀（G01NET-3 斜坡地震動響應(yīng)監(jiān)測與速報儀），如圖2a 所示。

現(xiàn)場對場地的每個測點測試30—35 min，室內(nèi)采用Geopsy 軟件對數(shù)據(jù)進行基線校正和濾波處理，并設(shè)置每25 s 為一個頻帶窗口。為有效地規(guī)避高頻干擾的影響，選用科諾-奧馬基（Konno-Ohmachi）彈性半空間構(gòu)建的單層模型，忽略彈性介質(zhì)的阻尼特性，并通過自動篩選對數(shù)據(jù)窗口進行平滑處理，平滑系數(shù)取為40 （Konno，Ohmachi，1998；Watheletet al，2008），然后對0.6—20 Hz 頻率范圍內(nèi)所得H/V 譜比曲線進行分析，其中灰色條帶對應(yīng)的橫坐標(biāo)為測點卓越頻率（圖2b）。

圖2 環(huán)境噪聲現(xiàn)場測試儀器（a）和環(huán)境噪聲H/V 譜比曲線 （b）圖（b）中黑虛線代表標(biāo)準(zhǔn)差，黑實線代表平均譜比曲線，彩色曲線代表每個頻帶窗口的譜比曲線Fig. 2 Field test instrument of ambient noise （a） and H/V spectral ratio curves of ambient noise （b）In Fig. （b），black dashed curves stand for standard deviation，the black curve for average spectral ratio，color curve for the spectral ratio of each band window

3 隱伏斷層行跡展布附近的H/V 譜比特征

相關(guān)研究已表明斷層對場區(qū)地震動頻率具有明顯的改造作用（Tebboucheet al，2017），且較寬的斷層破碎帶對頻率較低地震動的放大效應(yīng)明顯，較窄的破碎帶對頻率較高地震動的放大效應(yīng)明顯，即在波速一定的情況下，破碎帶越寬，場地卓越頻率越低（劉必?zé)舻龋?017）。

基于上述研究認(rèn)識，根據(jù)研究區(qū)場地密集的環(huán)境噪聲陣列測點，對場區(qū)環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)進行H/V 譜比分析，拾取各測點H/V 譜比曲線中灰色條帶對應(yīng)的卓越頻率值；然后結(jié)合測氡所揭示的隱伏斷層行跡（王運生等，2020），采用Surfer 高斯低通濾波有效去除高頻噪聲影響，生成了研究區(qū)的卓越頻率等值線圖，如圖3 所示。

圖3 安順場區(qū)EW 向（a）和NS 向（b）卓越頻率等值線圖Fig. 3 Contour map of predominant frequency in EW （a） and NS （b） directions in Anshun field area

參照斷層帶場地頻率響應(yīng)研究，排除緊鄰南椏河岸附近的河流環(huán)境影響所造成的高頻效應(yīng)，對比測氡劃分石棉斷層的空間行跡，結(jié)果如圖3 所示。可以看出，東、西兩側(cè)隱伏斷層總體位于高頻等值線區(qū)，其中東側(cè)隱伏斷層通過的S34 和S37 測點（NS 向）以及西側(cè)隱伏斷層通過的S11 測點位于卓越頻率較低區(qū)。造成這種現(xiàn)象的原因可能為：① 測點覆蓋層厚度較大，使測點的卓越頻率向低值區(qū)移動；② 測點位于石棉斷層曲率較大處，受擠壓破碎嚴(yán)重，斷層帶寬度大于其余地區(qū)。

為探究隱伏斷層帶特性對場地動力放大系數(shù)響應(yīng)特征的影響，基于環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)H/V 譜比曲線所得卓越頻率所對應(yīng)的H/V 譜比值（放大系數(shù)），生成研究區(qū)放大系數(shù)等值線圖，如圖4 所示。對比EW 向和NS 向放大系數(shù)可見：石棉東側(cè)隱伏斷層（石棉斷層）基本上沿較低放大系數(shù)等值線區(qū)展布；同樣，西側(cè)的隱伏分支斷層部分沿較低等值線展布。羅永紅（2011）和朱興貌（2020）結(jié)合地震監(jiān)測采用UDEC 離散元模擬跨斷層斜坡地震動力響應(yīng)的研究結(jié)果顯示，斷層及斷層破碎帶場地因其阻隔作用導(dǎo)致斷層上的場地動力響應(yīng)明顯弱于斷層兩盤，且數(shù)值模擬揭示此現(xiàn)象不會隨斷層帶寬度的變化而變化。

圖4 安順場區(qū)EW 向（a）和NS 向（b）譜比放大系數(shù)等值線圖Fig. 4 Contour map of spectral ratio amplification factor in EW （a） and NS （b） directions in Anshun field area

根據(jù)場地放大系數(shù)和卓越頻率等值線圖可知，隱伏斷層對場地H/V 譜比特征具有一定影響。為進一步探討隱伏斷層帶對H/V 譜比曲線特征的影響，基于測點EW 和NS 方向H/V譜比數(shù)據(jù)分析。按照

將水平分量數(shù)據(jù)歸一化處理（水平分量H包含東西分量HEW和南北分量HNS），根據(jù)測氡所揭示的隱伏斷層行跡，選取位于隱伏斷層附近的測點（圖5a），繪制其水平分量H/V 譜比曲線（圖5b）。

由圖5b 可以看出，隱伏斷層上測點的水平分量H/V 譜比曲線在2—10 Hz 集中表現(xiàn)為“多峰”，異于泥石流堆積區(qū)單個測點（S44）表現(xiàn)的多峰現(xiàn)象。由于H/V 譜比曲線的波峰為介質(zhì)內(nèi)S 波共振所致（Nakamura，2010），Li 等（1994）對斷層帶地震波波形的研究顯示，當(dāng)監(jiān)測臺站和震源都接近斷層時，在S 波之后會出現(xiàn)長周期異常波列（斷層陷波），該波形主要表現(xiàn)為低頻（2—4 Hz）豐富和頻散等特點，斷層處H/V 譜比曲線所表現(xiàn)的“多峰”，推斷是由斷層破碎帶中介質(zhì)的不均一性而使得S 波在斷層破碎帶中折射和反射造成的“陷波”現(xiàn)象所致。

圖5 斷層行跡及測點的H/V 譜比曲線（a） 斷層行跡及測點分布；（b） 東、西側(cè)斷層附近測點的H/V 譜比曲線Fig. 5 Fault trace and spectral ratio H/V curves of the measuring points（a） Fault traces and the measuring point distribution；（b） H/V spectral ratio curves of the measuring points nearby the east and west sides of the faults

4 隱伏斷層附近覆蓋層厚度特征

依據(jù)研究區(qū)堆積覆蓋層環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)分析卓越頻率特征，并參照

估算覆蓋層厚度（張倬元等，2016）。式中，h為覆蓋層厚度，vS為剪切波速，f為卓越頻率。

依據(jù)鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2006），結(jié)合研究區(qū)覆蓋層厚度范圍，將研究區(qū)場地類別化歸為Ⅱ類（表1）。參考石棉地震臺的巖土體剪切波速參數(shù)取值（劉必?zé)簦?011），取崩坡積和泥石流覆蓋層土體的剪切波速vS為250 m/s，沖洪積土層剪切波速為180 m/s，計算研究區(qū)覆蓋層厚度。

表1 淺表層巖土場地分類表Table 1 Geotechnical site classification of superficial layer

王運生等（2020）對石棉斷層構(gòu)造形跡的研究表明場地覆蓋層的厚度僅10—20 m，下伏為花崗巖，而區(qū)內(nèi)石棉斷層的巖性同樣為花崗巖，由于斷層的上下盤效應(yīng)會引起覆蓋層厚度變化，因此本文嘗試通過計算斷層上覆蓋層厚度變化特征來揭示斷層行跡。實際工程地質(zhì)剖面與H/V 卓越頻率計算厚度（圖6a）的對比顯示，場地卓越頻率計算所得覆蓋層厚度與實際工程地質(zhì)剖面所揭示的覆蓋層厚度在西側(cè)山腳處及河流高頻區(qū)的差異較大，差值分別為10 m和5 m，而其余點覆蓋層計算厚度與實際工程地質(zhì)剖面揭示的覆蓋層厚度差異均不大，說明按照此方法能夠較準(zhǔn)確地得到研究區(qū)覆蓋層厚度的分布特征。而西側(cè)山腳處誤差可能是由于下伏風(fēng)化基巖與崩坡積碎石的物理性質(zhì)相似，所計算的覆蓋層厚度可能包括部分風(fēng)化層厚度；沖洪積區(qū)計算厚度普遍小于工程地質(zhì)剖面結(jié)果，則是由于河流沖刷使場地卓越頻率趨于高頻，從而使計算得到的厚度偏小。

圖6 工程地質(zhì)剖面AA′ 和BB′（ a）及覆蓋層厚度等值線圖（b）Fig. 6 Engineering geological profiles AA′ and BB′ （a） and contour map of overburden layer thickness （b）

根據(jù)研究區(qū)測點所得卓越頻率，計算得到研究區(qū)覆蓋層厚度分布的等值線圖（圖6b），結(jié)合隱伏斷層帶展布，可以看出在隱伏斷層帶附近測點S9 與S10 之間以及測點S27，S35 與S36 之間，厚度變化較為明顯。為進一步了解各測點覆蓋層厚度的變化，將切分剖面CC′ 繪制成剖面圖（圖7），并將石棉測氡所得斷層行跡進行投影。由于研究區(qū)覆蓋層厚度較小、測點間距較大及石棉斷層為走滑斷層等原因，通過覆蓋層厚度變化揭示隱伏斷層行跡存在一定局限性，斷層帶處厚度變化特征有待通過加密測點等方式進一步細化。

圖7 H/V 譜比反演剖面CC′ Fig. 7 H/V spectral ratio inversion section CC′

5 討論與結(jié)論

本文基于石棉安順場隱伏斷層穿越場地的環(huán)境噪聲測試數(shù)據(jù)的H/V 譜比分析，獲得如下初步認(rèn)識：

1） 研究區(qū)場地覆蓋層的場地卓越頻率一般為1.2—6.0 Hz，高頻段為7—15 Hz，放大系數(shù)一般為1.2—4.3。區(qū)內(nèi)河谷地帶覆蓋層的場地卓越頻率變化較大，與河流沖刷造成的高頻效應(yīng)密切相關(guān)，當(dāng)測點靠近河流時，場地卓越頻率呈異常高值。

2） 基于隱伏斷層的形跡，結(jié)合場區(qū)卓越頻率及放大系數(shù)等值線圖，排除河流高頻效應(yīng)區(qū)，隱伏斷層帶附近的卓越頻率多表現(xiàn)為高頻和較低放大系數(shù)，且斷層處H/V 譜比曲線多存在多個峰值頻率，說明地下巖性結(jié)構(gòu)存在橫向變化。

3） 根據(jù)H/V 譜比曲線所得卓越頻率估算的場區(qū)覆蓋層厚度在3—20 m 之間，場地覆蓋層較薄且隱伏斷層以左旋走滑為主，導(dǎo)致區(qū)內(nèi)覆蓋層整體厚度變化不大，僅部分?jǐn)鄬犹幍母采w層厚度較大。

環(huán)境噪聲測試由于易操作、成本低廉和數(shù)據(jù)易獲取，已成為一種新型物探方法，本文根據(jù)隱伏斷層形跡表征斷層處H/V 譜比呈高頻、低放大系數(shù)和多頻等特征，表明該方法可作為探究隱伏斷層的一種很有效的補充方法。