沉積盆地的結(jié)構(gòu)，尤其是剪切波速度結(jié)構(gòu)，會(huì)放大地震波的能量。精細(xì)的沉積盆地結(jié)構(gòu)模型不僅是城市地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和應(yīng)對(duì)巨災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的必要參數(shù)，還能為地下空間的合理利用提供基礎(chǔ)信息。盡管面波頻散曲線（Dispersion Curve, DC）被廣泛用于反演S波速度剖面，但其在刻畫尖銳的阻抗界面時(shí)存在局限性，而這些界面對(duì)于表征沉積盆地特征至關(guān)重要。水平與垂直譜比（Horizontal-Vertical Spectral Ratio Curve, HVSR）是地震背景噪聲水平分量與垂直分量的譜比，其峰值頻率可以反映強(qiáng)阻抗界面的位置，但速度與深度之間的權(quán)衡限制了其對(duì)絕對(duì)速度的約束能力。通過(guò)同時(shí)考慮HVSR與面波相速度頻散曲線，可以實(shí)現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的互補(bǔ)，從而獲得更高縱向分辨率的速度模型。

中國(guó)地震局地球物理研究所魯來(lái)玉研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于單臺(tái)HVSR曲線和由陣列技術(shù)得到的多模式頻散曲線的聯(lián)合反演方法，利用布設(shè)在雄安新區(qū)的894個(gè)地震臺(tái)站的密集臺(tái)陣連續(xù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了雄安新區(qū)地下2公里深度以內(nèi)的高分辨率3D剪切波速度結(jié)構(gòu)。

圖1 利用MCBF方法提取Raylegh波和Love波頻散曲線示意圖

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首先，將整個(gè)密集臺(tái)陣劃分為多個(gè)子陣列。對(duì)于每個(gè)子陣列，如圖1所示，利用修正的聚束分析方法（MCBF）提取基階和一階模式的Rayleigh波頻散曲線，以及基階Love波的頻散曲線。與傳統(tǒng)聚束分析方法相比，MCBF僅考慮穩(wěn)相區(qū)域入射的平面波，能夠最大限度降低噪聲源和交叉臺(tái)站對(duì)方位分布非均勻性的影響，從而在較短的記錄時(shí)間內(nèi)精確估計(jì)多模式面波頻散曲線。通過(guò)該方法，共獲得了865個(gè)子陣列的Rayleigh波和Love波頻散曲線。接著，針對(duì)單個(gè)臺(tái)站的連續(xù)記錄，基于擴(kuò)散場(chǎng)假設(shè)（DFA），利用自相關(guān)技術(shù)計(jì)算每個(gè)臺(tái)站的HVSR曲線。圖2展示了沿三條測(cè)線的HVSR曲線分布，可以看出HVSR峰值頻率隨剖面的變化，反映了強(qiáng)阻抗界面深度的變化。

圖2 沿三個(gè)剖面的臺(tái)站HVSR曲線。

圖3 基于單臺(tái)HVSR曲線與陣列平均的頻散曲線構(gòu)建聯(lián)合反演數(shù)據(jù)示意圖。（a）陣列質(zhì)心的位置（藍(lán)色圓點(diǎn)），紅色五角星為臺(tái)站位置；（b）圖a’中圓圈內(nèi)所有臺(tái)陣參考點(diǎn)的Rayleigh波頻散曲線的平均值；（c）HVSR曲線；（d）圖a’中圓圈內(nèi)所有臺(tái)陣參考點(diǎn)的Love波頻散曲線的平均值。（b）、（c）和（d）中的彩色圓點(diǎn)構(gòu)成了一組聯(lián)合反演的數(shù)據(jù)集

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由于從每個(gè)子陣列提取的頻散曲線反映的是子陣列下方介質(zhì)的平均特性，而HVSR曲線反映的是單臺(tái)下方局部結(jié)構(gòu)，因此需要將單臺(tái)HVSR曲線與陣列平均的面波頻散曲線進(jìn)行組合，開展聯(lián)合反演。如圖3所示，以單個(gè)臺(tái)站為圓心，求取給定半徑內(nèi)陣列參考點(diǎn)面波頻散曲線的平均值，該平均值與單臺(tái)HVSR曲線構(gòu)成一組聯(lián)合反演的數(shù)據(jù)集。圖4展示了基于圖3數(shù)據(jù)的聯(lián)合反演結(jié)果。

圖4 基于圖3的HVSR和面波頻散曲線聯(lián)合反演的示意圖。

將每一組HVSR和多模頻散曲線的聯(lián)合反演結(jié)果組合在一起，可以得到沉積盆地的三維S波速度模型，結(jié)果如圖5所示。圖5中，我們利用兩種方法估算沉積層厚度：（b）和（d）是基于HVSR峰值頻率，利用鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)定的兩個(gè)強(qiáng)阻抗界面厚度；（a）和（c）是利用三維速度模型的S波速度等深面作為阻抗界面的厚度。兩種方法的結(jié)果相當(dāng)吻合。（c）和（d）中的深層阻抗界面，根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)解釋為Q+N的厚度，在蓉城凸起（RCH）和牛駝鎮(zhèn)凸起（NTZH）較淺，在徐水凹陷（XSL）和牛北斜坡（NBS）較深。（a）和（b）為淺部松軟沉積物的厚度，以斷層F4為界，西北較深，東南較淺。

圖5 基于S波速度為0.63km/s（a）和1.0km/s（c）的等深面刻畫的強(qiáng)阻抗界面厚度,以及HVSR第一峰頻率（b）和第二峰頻率（d）經(jīng)驗(yàn)關(guān)系得到的界面深度分布圖。

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沉積盆地是人類人口和重要資源的聚集地，無(wú)論是地表的農(nóng)業(yè)資源，還是深層的水、石油、天然氣或地?zé)崮苜Y源。如果沉積盆地位于地震活躍區(qū)，其結(jié)構(gòu)在確定地震風(fēng)險(xiǎn)方面起著重要作用，尤其是在人口密集的城市地區(qū)。許多城市建在沉積盆地上，而沉積盆地的結(jié)構(gòu)對(duì)地面運(yùn)動(dòng)有顯著影響。深厚沉積盆地會(huì)放大長(zhǎng)周期（1秒）的破壞性地面運(yùn)動(dòng)，這種放大效應(yīng)主要受盆地的S波速度結(jié)構(gòu)控制。因此，獲取詳細(xì)的3D盆地結(jié)構(gòu)，特別是基巖之上的沉積盆地結(jié)構(gòu)，是進(jìn)行充分地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的必要條件。美國(guó)2023年更新的國(guó)家地震危險(xiǎn)模型已考慮了地面震動(dòng)的盆地放大效應(yīng)。與美國(guó)西部類似，華北平原被深厚沉積層覆蓋，歷史地震活動(dòng)和近期研究表明，該地區(qū)存在發(fā)生大地震的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此構(gòu)建這一地區(qū)的沉積盆地模型至關(guān)重要。本文提出的雄安新區(qū)三維沉積盆地模型，將為該地區(qū)的地震災(zāi)害評(píng)估和城市建設(shè)提供重要參考。

研究成果2025年發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Bulletin of the Seismological Society of America》（Youyuan Zhang, Laiyu Lu, Valérie Maupin, Tongwei Qin, Zhifeng Ding; Mapping 3D Sedimentary Structures with Joint Inversion of H/V Spectral Ratios and Multimode Dispersion Curves Derived from Ambient Noise—Application to the Xiong’an New Area, China. Bulletin of the Seismological Society of America 2025; doi: https://doi.org/10.1785/0120240174）。本研究由國(guó)家自然科學(xué)基金（42474081、U1839209），中國(guó)地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（DQJB23K34）和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC1500200）資助。

【作者簡(jiǎn)介】

第一作者：張友源，男，中國(guó)地震局地球物理研究所博士研究生，主要從事地震干涉理論、信號(hào)的陣列處理技術(shù)及HVSR反演成像等方面的研究工作。

通訊作者：魯來(lái)玉，男，中國(guó)地震局地球物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師，主要從事復(fù)雜介質(zhì)地震波傳播與散射理論、地震層析成像及聲學(xué)信號(hào)處理等方面的研究工作。