前言

环境噪声测试以其数据易获取、经济实用及操作便利等优势成为研究场地地震效应的重要方法之一（Nakamura，1989；Yamazaki，Ansary，1997；卢滔等，2006）。Nakamura （2009）对测试数据水平与竖向（horizontal-to-vertical，缩写为H/V）谱比的分析研究表明，环境噪声数据能有效地揭示场地的放大系数和卓越频率，H/V谱比曲线的波峰为沉积层内的S波发生共振导致，且峰值频率与浅层松散土层的卓越频率一致或接近。因此在过去的二十多年里，环境噪声测试被大量应用于地震场地响应、斜坡动力响应及介质结构分析等领域（Tebbouche et al，2017；Zare et al，2017；黄俊阁等，2020）。Tebbouche等（2017）认为不同介质能产生不同的三分量面波，并且H/V谱比也不同；Zare等（2017）基于122处环境噪声监测点对伊朗德黑兰拉提安水库边坡进行分析，其结果显示不同高度和坡向的场地响应不同；黄俊阁等（2020）对自贡西山斜坡环境噪声H/V谱比法获取的地震台站强震加速度与地震台站数据对比分析，认为通过环境噪声能很好地获取场地卓越频率。

目前采用H/V谱比分析地下介质结构的研究已成为新的研究方向。已有地表介质结构的研究结果（Woolery，Street，2002；王伟君等，2011）表明，介质厚度变化会引起峰值频率改变；Parolai等（2002）根据卓越频率计算出覆盖层厚度，得到近地表土层的界面起伏；王伟君等（2011）通过河北保定地区近地表土层的界面起伏揭示该地区近地表隐伏断层（保定断裂）的展布，其结果表明如果在某个层位发现断层活动，通过该方法即可初步确定该断层的地震活动性。刘必灯（2011）关于断层场地效应的研究显示，隐伏断层的致密高波速断层结构面、低波速断层破碎带以及软弱覆盖层之间波阻抗差异等因素容易引发场地SV−P和P−SV的透射波转换，从而导致地震波在经过该断层时出现“断层陷波”效应。该效应可以解释为断层破碎带与周围基岩相比，剪切波速较小，当最大波速与最小波速之比大于3时，进入的地震波不容易透射出来，因此存在断层破碎带内传播的特殊波（断层陷波）。国外的研究人员也通过断层陷波尝试对断层结构进行反演，例如：Ben-Zion （1998）和Li等（1990）对美国加利福尼亚州地区圣安德烈斯（San Andreas）断层的试验研究获得了较高分辨率的断层结构；Qiu等（2020）通过地表台站对美国加利福尼亚州地区圣哈辛托（San Jacinto）断层的内部结构进行了成像反演，同样得到了该断层的结构形态。

以上研究表明，断层带特征对场地信号的影响较为明显，但相关文献报道仍然较少，特别是断层带对密集环境噪声阵列采集信号的影响方面未见相关研究。为此，本文以北距石棉县城约3 km的石棉断层（该断层大部分被第四系覆盖且未见地表活动）为研究对象，通过环境噪声测试探讨隐伏断裂的场地特征，尝试揭示研究区隐伏断层的形迹，为区内跨断层的石棉—泸定高速提供断层形迹参考。

1.   研究区地质背景

研究区位于四川省石棉县安顺场，距成都约260 km，地处青藏高原东南缘向四川盆地过渡的川西南高山区（101.92°E—102.57°E，28.85°N—29.53°N）。区内主要山川地形受区域性主干构造控制，大渡河自北而南流经石棉县折转呈近东西向展布。大渡河支流南桠河横穿研究区，河谷深切，总体地势呈西北高东南低。

研究区在元古代—晚震旦世经历了地壳隆起、裂陷以及板块碰撞俯冲等多期复杂地质过程，并形成了基性花岗岩为主的变形结晶基底。出露地层以震旦系花岗岩为主（图1），出露岩体因受石棉断层的影响而较破碎，呈强-中风化。石棉断层晚更新世以来的左旋滑移速率为3.1 mm/a，呈中-强断层活动性；断层总体走向为305°—320°，倾向东，宽约30 m。该断层位于覆盖层之下，地表无明显活动迹象（孙浩越等，2015）。

图  1  石棉县安顺场及周边的地质简图

Figure  1.  Geological map of Anshun filed of Shimian county and its surrounding regions

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2.   测试仪器及数据处理方法

本次测试采用中国地震局工程力学研究所研制的脉动传感器（QZ2012-E-3型微震速度计）和采集仪（G01NET-3斜坡地震动响应监测与速报仪），如图2a所示。

图  2  环境噪声现场测试仪器（a）和环境噪声H/V谱比曲线 （b）

图（b）中黑虚线代表标准差，黑实线代表平均谱比曲线，彩色曲线代表每个频带窗口的谱比曲线

Figure  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

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现场对场地的每个测点测试30—35 min，室内采用Geopsy软件对数据进行基线校正和滤波处理，并设置每25 s为一个频带窗口。为有效地规避高频干扰的影响，选用科诺-奥马基（Konno-Ohmachi）弹性半空间构建的单层模型，忽略弹性介质的阻尼特性，并通过自动筛选对数据窗口进行平滑处理，平滑系数取为40 （Konno，Ohmachi，1998；Wathelet et al，2008），然后对0.6—20 Hz频率范围内所得H/V谱比曲线进行分析，其中灰色条带对应的横坐标为测点卓越频率（图2b）。

3.   隐伏断层行迹展布附近的H/V谱比特征

相关研究已表明断层对场区地震动频率具有明显的改造作用（Tebbouche et al，2017），且较宽的断层破碎带对频率较低地震动的放大效应明显，较窄的破碎带对频率较高地震动的放大效应明显，即在波速一定的情况下，破碎带越宽，场地卓越频率越低（刘必灯等，2017）。

基于上述研究认识，根据研究区场地密集的环境噪声阵列测点，对场区环境噪声数据进行H/V谱比分析，拾取各测点H/V谱比曲线中灰色条带对应的卓越频率值；然后结合测氡所揭示的隐伏断层行迹（王运生等，2020），采用Surfer高斯低通滤波有效去除高频噪声影响，生成了研究区的卓越频率等值线图，如图3所示。

图  3  安顺场区EW向（a）和NS向（b）卓越频率等值线图

Figure  3.  Contour map of predominant frequency in EW （a） and NS （b） directions in Anshun field area

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参照断层带场地频率响应研究，排除紧邻南桠河岸附近的河流环境影响所造成的高频效应，对比测氡划分石棉断层的空间行迹，结果如图3所示。可以看出，东、西两侧隐伏断层总体位于高频等值线区，其中东侧隐伏断层通过的S34和S37测点（NS向）以及西侧隐伏断层通过的S11测点位于卓越频率较低区。造成这种现象的原因可能为：① 测点覆盖层厚度较大，使测点的卓越频率向低值区移动；② 测点位于石棉断层曲率较大处，受挤压破碎严重，断层带宽度大于其余地区。

为探究隐伏断层带特性对场地动力放大系数响应特征的影响，基于环境噪声数据H/V谱比曲线所得卓越频率所对应的H/V谱比值（放大系数），生成研究区放大系数等值线图，如图4所示。对比EW向和NS向放大系数可见：石棉东侧隐伏断层（石棉断层）基本上沿较低放大系数等值线区展布；同样，西侧的隐伏分支断层部分沿较低等值线展布。罗永红（2011）和朱兴貌（2020）结合地震监测采用UDEC离散元模拟跨断层斜坡地震动力响应的研究结果显示，断层及断层破碎带场地因其阻隔作用导致断层上的场地动力响应明显弱于断层两盘，且数值模拟揭示此现象不会随断层带宽度的变化而变化。

图  4  安顺场区EW向（a）和NS向（b）谱比放大系数等值线图

Figure  4.  Contour map of spectral ratio amplification factor in EW （a） and NS （b） directions in Anshun field area

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根据场地放大系数和卓越频率等值线图可知，隐伏断层对场地H/V谱比特征具有一定影响。为进一步探讨隐伏断层带对H/V谱比曲线特征的影响，基于测点EW和NS方向H/V谱比数据分析。按照

将水平分量数据归一化处理（水平分量H包含东西分量H_EW和南北分量H_NS），根据测氡所揭示的隐伏断层行迹，选取位于隐伏断层附近的测点（图5a），绘制其水平分量H/V谱比曲线（图5b）。

图  5  断层行迹及测点的H/V谱比曲线

（a） 断层行迹及测点分布；（b） 东、西侧断层附近测点的H/V谱比曲线

Figure  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

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由图5b可以看出，隐伏断层上测点的水平分量H/V谱比曲线在2—10 Hz集中表现为“多峰”，异于泥石流堆积区单个测点（S44）表现的多峰现象。由于H/V谱比曲线的波峰为介质内S波共振所致（Nakamura，2010），Li等（1994）对断层带地震波波形的研究显示，当监测台站和震源都接近断层时，在S波之后会出现长周期异常波列（断层陷波），该波形主要表现为低频（2—4 Hz）丰富和频散等特点，断层处H/V谱比曲线所表现的“多峰”，推断是由断层破碎带中介质的不均一性而使得S波在断层破碎带中折射和反射造成的“陷波”现象所致。

4.   隐伏断层附近覆盖层厚度特征

依据研究区堆积覆盖层环境噪声数据分析卓越频率特征，并参照

估算覆盖层厚度（张倬元等，2016）。式中，h为覆盖层厚度，v_S为剪切波速，f为卓越频率。

依据铁路工程抗震设计规范（中华人民共和国住房和城乡建设部，2006），结合研究区覆盖层厚度范围，将研究区场地类别化归为Ⅱ类（表1）。参考石棉地震台的岩土体剪切波速参数取值（刘必灯，2011），取崩坡积和泥石流覆盖层土体的剪切波速v_S为250 m/s，冲洪积土层剪切波速为180 m/s，计算研究区覆盖层厚度。

表  1  浅表层岩土场地分类表

Table  1.  Geotechnical site classification of superficial layer

浅层岩土类型	vS/（m·s−1）	覆盖层厚度h/m
		h＜3	3＜h＜9	9≤h＜80	h≥80
基岩	vS＞500	Ⅰ	−	−	−
中硬土层	250＜vS≤500	Ⅰ	Ⅰ	Ⅱ	Ⅱ
中软土层	125＜vS≤250	Ⅰ	Ⅱ	Ⅱ	Ⅲ
软弱土层	vS＜125	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ

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王运生等（2020）对石棉断层构造形迹的研究表明场地覆盖层的厚度仅10—20 m，下伏为花岗岩，而区内石棉断层的岩性同样为花岗岩，由于断层的上下盘效应会引起覆盖层厚度变化，因此本文尝试通过计算断层上覆盖层厚度变化特征来揭示断层行迹。实际工程地质剖面与H/V卓越频率计算厚度（图6a）的对比显示，场地卓越频率计算所得覆盖层厚度与实际工程地质剖面所揭示的覆盖层厚度在西侧山脚处及河流高频区的差异较大，差值分别为10 m和5 m，而其余点覆盖层计算厚度与实际工程地质剖面揭示的覆盖层厚度差异均不大，说明按照此方法能够较准确地得到研究区覆盖层厚度的分布特征。而西侧山脚处误差可能是由于下伏风化基岩与崩坡积碎石的物理性质相似，所计算的覆盖层厚度可能包括部分风化层厚度；冲洪积区计算厚度普遍小于工程地质剖面结果，则是由于河流冲刷使场地卓越频率趋于高频，从而使计算得到的厚度偏小。

图  6  工程地质剖面AA′ 和BB′ （a）及覆盖层厚度等值线图（b）

Figure  6.  Engineering geological profiles AA′ and BB′ （a） and contour map of overburden layer thickness （b）

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根据研究区测点所得卓越频率，计算得到研究区覆盖层厚度分布的等值线图（图6b），结合隐伏断层带展布，可以看出在隐伏断层带附近测点S9与S10之间以及测点S27，S35与S36之间，厚度变化较为明显。为进一步了解各测点覆盖层厚度的变化，将切分剖面CC′ 绘制成剖面图（图7），并将石棉测氡所得断层行迹进行投影。由于研究区覆盖层厚度较小、测点间距较大及石棉断层为走滑断层等原因，通过覆盖层厚度变化揭示隐伏断层行迹存在一定局限性，断层带处厚度变化特征有待通过加密测点等方式进一步细化。

图  7  H/V谱比反演剖面CC′

Figure  7.  H/V spectral ratio inversion section CC′

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5.   讨论与结论

本文基于石棉安顺场隐伏断层穿越场地的环境噪声测试数据的H/V谱比分析，获得如下初步认识：

1） 研究区场地覆盖层的场地卓越频率一般为1.2—6.0 Hz，高频段为7—15 Hz，放大系数一般为1.2—4.3。区内河谷地带覆盖层的场地卓越频率变化较大，与河流冲刷造成的高频效应密切相关，当测点靠近河流时，场地卓越频率呈异常高值。

2） 基于隐伏断层的形迹，结合场区卓越频率及放大系数等值线图，排除河流高频效应区，隐伏断层带附近的卓越频率多表现为高频和较低放大系数，且断层处H/V谱比曲线多存在多个峰值频率，说明地下岩性结构存在横向变化。

3） 根据H/V谱比曲线所得卓越频率估算的场区覆盖层厚度在3—20 m之间，场地覆盖层较薄且隐伏断层以左旋走滑为主，导致区内覆盖层整体厚度变化不大，仅部分断层处的覆盖层厚度较大。

环境噪声测试由于易操作、成本低廉和数据易获取，已成为一种新型物探方法，本文根据隐伏断层形迹表征断层处H/V谱比呈高频、低放大系数和多频等特征，表明该方法可作为探究隐伏断层的一种很有效的补充方法。