引言

近年来，地震背景噪声成像方法在地壳浅部波速结构探测方面得到了很好的应用，因其具有低成本、易于施工、对环境无污染等特点，当前已逐步普及到地热资源勘察、活动断裂探测等地壳浅部结构的成像研究中（Agostini et al，2015；张宝龙等，2016）。由于目前国内很多隐伏断层缺乏精确的构造特征和空间定位，并且在场地响应调查和浅层结构分类上缺乏系统性，因此运用地震背景噪声成像方法开展浅层结构研究是一种有效的解决方案。Nakamura （2009）认为地震背景噪声数据可有效地揭示卓越频率与场地放大系数的关系，H/V （horizontal-to-vertical）谱比曲线波峰的产生是由沉积层内S波出现共振所致，且浅层沉积层的卓越频率与峰值频率基本接近。

目前采用H/V谱比法分析沉积层三维起伏特征和地壳浅层沉积的场地响应已成为新的研究方向。彭菲等（2020）通过H/V方法获取的三河—平谷地区沉积界面的三维展布显示，第四纪沉积受到断层影响较大，场地共振频率和沉积层厚度差异显著，具有清晰的分区特征；Parolai等（2002）通过场地卓越频率计算出沉积层厚度，获取了近地表浅层沉积层的界面起伏特征；王伟君等（2011）利用H/V方法获得了河北保定地区近地表沉积层界面的起伏变化，从断层出现的层位可初步判定其地震活动性；Bao等（2018）基于密集地震测线和H/V谱比法获得了测线下方地壳浅部约1 km深度的沉积层结构特征，揭示了第四纪沉积基底界面埋深在唐山断裂带下方存在快速变化。浅地表松散沉积和第四纪沉积层通常表现为地震波显著低速异常，沉积层会放大地震波振幅并加重地震的破坏程度（Bard et al，1988；Seale，Archuleta，1989；Jemberie，Langston，2005；Ni et al，2014）。

大中型城市及其邻近区域人口稠密，经济建设活动较为频繁，开展浅部沉积结构的研究将对于城市的工程建设、地质勘察、发展规划等具有重要的科学意义。同时，获得的场地放大系数和场地易破坏程度等参数也可为工程抗震、建筑物加固、区域地震灾害风险评估等提供技术支撑，服务于防震减灾事业。在三河和唐山地震危险区及其邻近区域，利用H/V谱比法开展地壳浅部沉积结构探测研究，对区域地震灾害风险评估、工程抗震设防等具有重要的科学意义。三河和唐山地震区已有的研究结果为认识地壳浅层结构等提供了宝贵的资料，但大部分工作的探测区域有限，缺乏从更广阔的视角研究三河和唐山地震区浅部精细结构。鉴于此，本文拟通过穿越三河和唐山地震区的一条短周期密集地震探测剖面，采用基于单台三分量波形H/V频谱比的方法，结合地壳浅部波阻抗界面深度与频率的关系，获取研究区浅层沉积结构特征，并利用峰值振幅与峰值频率的关系式（Nakamura，1997）获得沿探测剖面的场地放大系数和场地易破坏程度的变化情况等。

1.   地质概况

三河—平谷地震区位于燕山—阴山南麓隆起与华北平原沉降带交会的平原区，地势南低北高。新构造时期以来，由于受到区域伸展作用，华北平原地区受到拉张影响，区内NW向和NE向的隐伏断裂产生引张正断活动，在多组断裂的共同作用下，发育形成了沉积盆地。区域内的隐伏断裂基本控制着沉积盆地的发育，与此同时，第四纪和新近纪松散沉积层上覆于这些隐伏断裂（高文学，马瑾，1993）。显著的断陷活动形成了由大厂凹陷、大兴隆起和顺义凹陷等构成的复杂断陷区，测线跨过五条NNE至NE向的隐伏断裂（图1），分别为黄庄—高丽营断裂、顺义—良乡断裂、通县—南苑断裂、夏垫断裂和香河断裂。其中，夏垫断裂是NNE向最主要的断裂之一，是控制大厂凹陷发育的主断裂，倾向ESE，普遍认为是1679年三河—平谷地区M8地震的主要发震构造（彭菲等，2020）。以上断裂是将来发生中强地震的潜在区域，活动断裂的多期次活动能够造成沉积构造空间发生显著变化，导致场地作用愈加复杂和多样化。

图  1  三河—唐山短周期密集地震测线分布图

F₁：黄庄—高丽营断裂；F₂：顺义—良乡断裂；F₃：通县—南苑断裂；F₄：夏垫断裂；F₅：香河断裂；F₆：丰台—野鸡坨断裂；F₇：唐山断裂；F₈：宁河—昌黎断裂（引自刘保金等，2009，2011），下同

Figure  1.  Distribution map of short period dense seismic lines in Sanhe-Tangshan

F₁：Huangzhuang-Gaoliying fault；F₂：Shunyi-Liangxiang fault；F₃：Tongxian-Nanyuan fault；F₄：Xiadian fault；F₅：Xianghe fault；F₆：Fengtai-Yejituo fault；F₇：Tangshan fault； F₈：Ninghe-Changli fault （after Liu et al，2009，2011），the same below

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唐山地震区第四纪以来形成广袤的冲、洪积平原，该地区第四纪沉积层厚度大约为100—800 m，总体特征表现为南厚北薄（国家地震局 《一九七六年唐山地震 》编辑组，1982）。唐山断裂位于燕山隆起带与华北平原凹陷带之间、数条断裂带切割的菱形地块内部。唐山断裂带是1976年7月唐山M_S7.8地震的主要发震断裂（虢顺民等，1977）（图1），由数条近平行于NE向的断裂组成，与褶皱构造相伴生（Guo et al，2011）。钻探和槽探获得的地层错断和断面信息表明唐山断裂带在晚第四纪时期曾发生过多期次的断层活动事件，可将地表破裂带的几何空间展布分为南北两段，南段地表垂直位移表现为西降东升，北段地表垂直位移表现为东降西升，说明唐山断裂带自晚第四纪以来的活动方式不可以用单一的逆断层或正断层模型予以解释（Guo et al，2011）。

2.   数据和方法

2.1   数据

短周期密集地震探测剖面起自北京市昌平区兴寿镇（116.4°E，40.2°N），止于河北省滦南县南堡镇（118.7°E，39.3°N），全长约220 km （图1），观测点距为200—500 m。自西向东穿过的主要断裂有：黄庄—高丽营断裂、顺义—良乡断裂、通县—南苑断裂、夏垫断裂、香河断裂、丰台—野鸡坨断裂、唐山断裂、宁河—昌黎断裂。探测共使用600台三分量短周期数字地震仪（频带范围5 s—150 Hz），于2019年4月开始观测，观测时长约1个月。

2.2   H/V方法

本文使用三分量地震背景噪声数据计算H/V谱比曲线，数据处理的流程如下：① 把原始数据由miniseed格式转化成SAC格式；② 将经纬度、测点等信息写入SAC头段；③ 按小时截取SAC数据，并完成去倾斜和去均值等；④ 计算水平分量和垂直分量的噪声频谱比。采用长短时窗比法（short term average/long term average，缩写为STL/LTA）触发算法（Withers et al，1998）反向选择稳态的120 s时窗信号。大量测试表明，长时窗长度和短时窗长度分别设为60 s和1 s，稳态信号阈值设为0.50—3.50时所选的信号相对稳定。

单个时窗的H/V谱比的计算公式如下：

式中，P_NS（ f ），P_EW（ f ），P_UD（ f ）分别代表南北向、东西向和垂直向的频谱。计算频谱时采用汉宁窗（长度为5%）尖灭时窗两端信号，并采用Konno-Ohmachi平滑算法对每个时窗提取出的H/V曲线作平滑处理（Konno，Ohmachi，1998），平滑因子为40，频率范围设为0.05—20 Hz，选择其它时窗时将重叠滑动数值设为50%并计算H/V谱比，将所有时窗作叠加处理获取平均H/V谱比曲线。

由于地震背景噪声数据采集中可能存在瞬态干扰源（如人的走动、汽车奔驰而过等），因此可根据干扰源的有无采用两种方法对时间窗进行划分：① 直接分段法，即无论是否有瞬态干扰源皆作分段处理；② STL/LTA反触发算法（Withers et al，1998），其中LTA＝60 s，STL＝1 s，STL/LTA的阈值设为0.5—3.5。采用此方法选择的信号相对稳定，大多数台站采用这两种方法获得的H/V峰值频率对应的振幅和场地放大系数较接近，但采用STL/LTA反触发算法获得的H/V谱比曲线的波峰相对较明显。本文采用两种划分方法进行H/V曲线提取，若采用STL/LTA算法得到的时窗数量小于20个，则保留瞬态干扰信号，采用方法1进行选取。

当观测点位于松散沉积层时，地脉动背景噪声H/V曲线有波峰出现，峰值频率与沉积层共振频率十分接近。在基岩上方覆盖松软层的二维模型下，沉积层厚度h与沉积层的基阶共振地震波的四分之一波长λ成正比，是高阶共振的奇数倍（Ibs-von Seht，Wohlenberg，1999）：

式中v_S是沉积层的S波速度，由式（2），（3）可知

式中，f_r为共振频率，当n＝1时为基阶共振频率f₀，即

将式（5）进行变换则可以得出沉积层厚度的测定公式。当沉积层的平均剪切波速度已知时，可由H/V谱比曲线的峰值频率得出沉积层厚度（Ibs-von Seht，Wohlenberg，1999；Parolai et al，2002）：

场地放大系数A为H/V谱比曲线峰值频率f₀ （基阶共振频率）处的振幅值。场地的易破坏程度K值最早由Nakamura （1989，1997）提出，从地表剪应变与松散沉积层的深度、剪切波速度的相关性出发，假设沉积层的速度为一恒定值，且动力的转化效率为60%时，其近似计算式为

场地易破坏程度（K值）是表征地震灾害对地表结构破坏能力的量。为了评估研究区在可能发生的地震灾害中场地的安全性，在得到研究区场地放大系数A及其对应的峰值频率f₀后，通过式（7）得到研究区的场地易破坏程度。

3.   结果

将测线西北端的第一个台站设置为起点，把其余台站的H/V谱比曲线参照与起点的距离绘制幅度-频率-深度图（图2），因台站分布相对密集，这里采取每5个台站显示1个台站。该剖面西北段存在1组较明显的峰值，频率约为0.1—0.5 Hz；剖面南段存在两组较明显的峰值，频率分别约为0.1—0.5 Hz和1 Hz。参考唐海固定台井下摆天然地震直达波及其地表反射波震相测量得到的近地表平均剪切波速度v_S＝0.5 km/s （刘渊源等，2011），并依据式（6）将H/V谱比曲线转换为伪深度图像，进行基于f₁＝0.1—0.5 Hz幅值的归一化处理，得到经过归一化的按距离排列的H/V二维伪深度图（图3）。

图  2  密集地震测线H/V谱比法波形剖面图（剖面线位置见图1）

（a） 线性坐标；（b） 对数坐标

Figure  2.  Waveform profiles of dense seismic line by H/V spectral ratio method（see Fig. 1 for section line position）

（a） Linear coordinate；（b） Logarithmic coordinate

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图  3  地壳浅部H/V谱比法二维伪深度图（剖面线位置见图1）

Figure  3.  2D pseudo depth map by H/V spectral ratio method in shallow crust （the position of section line is shown in Fig.1）

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为了验证H/V谱比法获得的沉积层厚度的可靠性，我们收集了本研究探测剖面附近的两条地震反射探测剖面（刘保金等，2009，2011）和1条密集地震探测剖面（Bao et al，2018），并进行详细的对比，结果如图4和5所示。三河地震区地壳浅部H/V二维伪深度剖面从西至东相继穿过顺义盆地、通县隆起及大厂盆地（图4）。剖面清晰地反映了隆起区和盆地区相间的构造分布，在隆起区与盆地区交界处，剖面反射层出现了明显的反射波同向轴错断，说明该区域的隐伏盆地受到了断裂的影响和控制。为了更好地验证我们的结果，这里与同测线段的地震反射结果进行对比（图4），根据研究区第四纪地层的相关钻孔资料（彭一民等，1981），在地震反射结果图（刘保金等，2011）中，其浅部的反射波T_Q被解释为第四纪沉积基底界面，根据H/V二维伪深度剖面结果显示：松散沉积层的厚度起伏明显，其中通县隆起下方沉积层厚度小于300 m，顺义盆地和大厂盆地下方沉积厚度约为400—500 m，深反射剖面的T_Q层反映出的深度小于500 m，与本文得出的沉积厚度基本吻合。

图  4  三河地震区地壳浅部H/V谱比法二维伪深度剖面图与地震反射结果图对比

剖面位置为图1剖面线的西段，白色虚线为本文获得的三河地震区地壳浅部H/V谱比法二维伪深度剖面图中沉积层厚度走向

Figure  4.  Comparison between 2D pseudo-depth profile by H/V spectral ratio method and seismic reflection result map of shallow crust in Sanhe seismic region

（The profile location is the west section of the profile line shown in Fig. 1，the white dashed line shows the thickness trend of sedimentary layer in the shallow crust 2D pseudo-depth profile by H/V spectral ratio method obtained in the Sanhe seismic region）

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图  5  唐山地震区地壳浅部H/V谱比法二维伪深度剖面图（a）与地震反射结果图（b）（刘保金等，2011）对比

剖面位置为图1剖面线的东段，图（a）中紫色虚线为Bao等（2018）的剖面沉积层厚度走向，白色虚线为本文的沉积层厚度走向

Figure  5.  Comparison between 2D pseudo depth profile by H/V spectral ratio method （a） and seismic reflection result map （b）（Liu et al，2011） of shallow crust in Tangshan seismic area

The profile location is the east section of the profile line shown in Fig. 1 ，in Fig. （a），the purple dotted line is the trend of sediment thickness from Bao et al （2018），and the white dotted line is the trend of sediment thickness in this paper

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图5a显示唐山地震区地壳浅部的沉积层波阻抗界面的主要特征为：① H/V伪深度剖面图显示存在两个波阻抗界面：第一个界面深度约为100 m，且变化平缓；第二个界面深度约为300—800 m，自西向东逐渐加深，且在唐山断裂带下方变化较大；② 第一个界面可能反映了弱胶结沉积、松散沉积层和强胶结沉积层的波阻抗界面，第二个界面可能揭示了第四纪沉积基底。图6为沿测线两个观测点的H/V谱比曲线图，其中：红色曲线为夏垫断裂附近一个台站的H/V谱比曲线，对应的峰值频率约为0.55 Hz；绿色曲线为唐山断裂附近一个台站的H/V谱比曲线，存在两个峰值，对应的峰值频率分别约为0.3 Hz和1.0 Hz。如图5a所示，紫色虚线是Bao等（2018）剖面沉积层厚度走向，白色虚线是本文的沉积层厚度走向。两者的结果基本一致，唐山地区存在两个峰值频率。

图  6  唐山断裂、夏垫断裂附近两个观测点的H/V谱比曲线

Figure  6.  H/V spectral ratio curves of two observation points

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根据H/V谱比曲线峰值频率及对应的振幅，我们计算了研究区的场地放大系数A和场地易破坏程度K值（Nakamura，1997），结果显示：研究区场地放大系数约为1.0—9.0 （图7a），且大多数台站的场地放大系数在4.0以上，场地放大作用较为显著；研究区场地易破坏程度K值约为10—80 （图7b），三河和唐山地震区K值集中分布在30—60之间。统计结果显示，当K值大于20，且发生地震时，地表建筑极易遭到破坏。因此，我们推测三河—平谷M8地震和唐山M_S7.6地震造成的严重灾害不仅因为地震震级高，场地放大效应也可能是多种致灾原因中不可忽略的重要因素，在地震灾害风险评估中需引起足够的重视。

图  7  研究区场地放大系数（a）和场地易破坏程度（b）分布图

红色圆点代表每个台站的数据；蓝色三角形代表10 km内各台站数据的平均值

Figure  7.  Distribution map of site magnification factor （a） and site vulnerability （b） in the studied area

The red dots represent the data of each station；the blue triangles represent the average value of the data from stations within 10 km

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4.   讨论

4.1   三河地震区断裂与沉积层厚度分析

顺义盆地的西边界为黄庄—高丽营断裂F₁，在断裂F₁西侧，第四系沉积层厚度约为430—450 m，在F₁东侧，第四系沉积层厚度大约为450—500 m。顺义—良乡断裂F₂为正断裂，倾向东南（图4）。在断裂F₂东侧，第四系沉积层厚度大约为420—430 m，在F₂西侧，第四系沉积层厚度明显加深，最深处约为550—600 m。顺义盆地的东边界为通县—南苑断裂F₃，第四系沉积层在靠近断裂处的厚度约为300 m。在断裂F₃西侧，反射波T_Q为凹隆相间的形态，第四纪沉积层厚度较上升盘一侧变厚。夏垫断裂F₄西侧为通县隆起，剖面反射波产状近似水平，H/V谱比法得到的沉积层也近似水平，且厚度约为100 m，夏垫断裂F₄东侧为大厂凹陷，沉积层厚度逐步加深，最深至约430 m。香河断裂F₅附近沉积层厚度约为500 m，向下以铲形正断的方式止于夏垫断裂。

4.2   唐山地震区断裂与沉积层厚度分析

唐山地震区松散沉积层的厚度由NW向SE逐渐加深，从约300 m逐渐加深至约800 m。图5b中的T_Q被解释为第四纪覆盖层的底界面（刘保金等，2011），该界面反射震相呈现出从NW向SE逐渐滞后的特征，与H/V二维伪深度剖面图的结果具有较好的一致性（图5）。断裂④和断裂⑤是唐山断裂的分支断裂，在反射剖面中错断了第四纪覆盖层的底界面，我们计算得到的H/V二维伪深度剖面图显示在断裂④与断裂⑤之间，松散沉积的底界面发生了较明显的错动，并向NW方向倾斜，推测为地壳浅部正断层上盘向下错动所致。

与地震反射剖面对比结果表明，H/V谱比法获取的松散沉积层厚度横向变化趋势与深反射震相具有较好的一致性，可以与深地震反射探测剖面资料联合解释活动断裂在地壳浅部的分布特征，圈定沉积凹陷区和隆起区的位置，是一种低成本获取地壳浅部沉积结构的有效方法。

5.   结论

本文基于穿越三河和唐山地震区的密集地震测线记录的地震背景噪声数据，利用H/V谱比法获得了测线下方的浅层沉积结构特征，计算了该区场地放大系数和场地易破坏程度K值，取得了以下认识：

1） 沿探测剖面第四纪松散沉积层厚度横向变化较大，松散沉积层厚度约为100—800 m，呈现出NW浅、SE深的变化特征；

2） 三河地震区地壳浅部存在一组较清晰的沉积界面，界面深度约为150—600 m，其变化趋势受区域隆起和凹陷结构的控制；

3） 唐山地震区地壳浅部存在两组较清晰的沉积界面，第一组呈水平展布，界面深度约为100 m，第二组界面深度约为300—800 m，且向SE方向呈现逐渐加深的趋势；

4） 三河和唐山地震区的场地放大系数约为3—4，且场地易破坏程度均大于20，反映出研究区地表建筑物易受地震破坏，且破坏程度较高的特点。

基于短周期密集地震台阵的H/V谱比法是一种低成本、环境友好且高效的被动源探测方法，适合在人口密集、主动源不易开展的城市区域进行，利用该方法可获得地壳浅部沉积结构特征，为区域地震灾害风险评估、工程抗震设防等提供科学依据。