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热带海洋学报 >

2022 , Vol. 41 >Issue 1: 184 - 193

DOI: https://doi.org/10.11978/2020148

海洋地球物理学

利用H/V方法研究琼北火山区的浅表层地质变化特征

  • 曹佳俊 , 1, 5 ,
  • 郭震 2 ,
  • 夏少红 , 1, 3, 4 ,
  • 张昌榕 1, 3, 4 ,
  • 吴晓阳 2 ,
  • 任鹏飞 2
展开
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室, 南海海洋研究所, 南海生态环境工程创新研究院, 广东 广州 510301
  • 2. 南方科技大学海洋科学与工程系, 广东 深圳 518055
  • 3. 南方海洋科学与工程广东省实验室(广州), 广东 广州 511458
  • 4. 三亚中科海洋研究院, 海南 三亚 572022
  • 5. 中国科学院大学, 北京 100049
夏少红。email:

曹佳俊(1995—), 男, 湖北省黄冈市人, 硕士研究生, 从事海洋地球物理研究。email:

Copy editor: 姚衍桃

收稿日期: 2020-12-07

  修回日期: 2021-03-03

  网络出版日期: 2021-03-06

基金资助

国家自然科学基金(42076071)

国家自然科学基金(U1701641)

南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项(GML2019ZD0204)

广东特支计划本土创新创业团队项目(2019BT02H594)

海南省重点研发计划项目(ZDYF2020198)

收起

Shallow geological structure in the Qiongbei volcanic area by using H/V method

  • CAO Jiajun , 1, 5 ,
  • GUO Zhen 2 ,
  • XIA Shaohong , 1, 3, 4 ,
  • ZHANG Changrong 1, 3, 4 ,
  • WU Xiaoyang 2 ,
  • REN Pengfei 2
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 2. Department of Ocean Science and Engineering, Southern University of Science and Technology, Shenzhen 518055, China
  • 3. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou), Guangzhou 511458, China
  • 4. Sanya Institute of Oceanology, South China Sea Institute of Oceanology, Sanya 572022, China
  • 5. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
XIA Shaohong. email:

Copy editor: YAO Yantao

Received date: 2020-12-07

  Revised date: 2021-03-03

  Online published: 2021-03-06

Supported by

National Natural Science Foundation of China(42076071)

National Natural Science Foundation of China(U1701641)

Key Special Project for Introduced Talents Team of Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Guangzhou)(GML2019ZD0204)

Guangdong Key Project(2019BT02H594)

Hainan Key Research and Development Project(ZDYF2020198)

Fold

摘要

海南琼北活火山作为华南沿海重要的第四纪火山, 一直受到国内外学者的广泛关注, 目前对该火山的形成演化已开展了大量深部地质结构的研究, 但对其表层地质结构特征仍然缺乏详细了解。水平-垂直频谱比法(简称H/V方法)已被广泛应用于浅表层地质结构的研究, 本文基于35个便携式微功耗地震仪组成的流动台阵观测数据, 采用经典全波场H/V(full)和瑞利波椭圆率H/V(Ray)分析方法, 获得了琼北火山区H/V曲线峰值频率(F0)和放大倍数(A0)的空间变化特征。琼北火山区H/V曲线峰值频率变化强烈, 以长流-仙沟断裂为界, 断裂西南侧很难从H/V曲线中获取清晰的F0和A0, 而断裂东北侧则存在明显的F0和A0。结合已有地质资料, 本文认为长流-仙沟断裂西南侧处于凹陷区, 其浅表层火山岩未发生明显的风化作用, 而东北侧位于隆起区域, 地表火山岩受到了比较严重的风化作用。这一研究结果表明, H/V方法可反映表层火山岩的风化状态, 火山岩出露场地H/V曲线的峰值频率和放大倍数随风化作用程度的增强而表现得更加明显。本研究为琼北火山区浅表火山岩风化状态和地震危险性评估提供了重要的信息支撑。

关键词： H/V方法; 琼北火山区; 背景噪声; 浅表层

本文引用格式

曹佳俊 , 郭震 , 夏少红 , 张昌榕 , 吴晓阳 , 任鹏飞 . 利用H/V方法研究琼北火山区的浅表层地质变化特征[J]. 热带海洋学报, 2022 , 41(1) : 184 -193 . DOI: 10.11978/2020148

Abstract

The Hainan Qiongbei volcanic area is a typical Quaternary volcanic area in the coastal area of South China, which has attracted worldwide attention. Previous studies focused more on deep geological structures and the evolution of this volcano, but its surface geological structure is not yet well understood. Horizontal-to-vertical (H/V) spectrum of microtremors has been widely applied to shallow subsurface structures. By using classic full wave field H/V(full) and the Rayleigh wave ellipticity H/V(Ray) methods, we obtained spatial variation of peak frequency (F0) and the amplification (A0) from a seismic array of 35 short-period seismometers in the Qiongbei volcanic area. The results show that the peak frequency of the H/V curve in the Qiongbei volcanic area is significantly different on both sides of the Changliu-Xiangou fault. Clear F0 and A0 can be found at every site on the northeast side of the fault, while they do not exist on the opposite side of the fault. Based on the existing geological data, we believe that the shallow volcanic rocks at the southwest side of the Changliu-Xiangou fault have not undergone significant weathering under the condition of geological depression background, while the northeast side of the fault is located in an uplift area, so the rocks have been weathered seriously. Our results show that the H/V method can be used to evaluate the weathering state of surface volcanic rocks, and the peak frequency and amplification factor of the H/V curve of the outcropping site of the volcanic rocks are more obvious with the increasing of the degree of weathering. Our study provides important information for the weathering state of the volcanic rocks in the shallow and seismic risk assessment of this area.

Key words： H/V method; Qiongbei volcanic area; ambient noise; shallow geological structure

浅表层地质结构探测对地震灾害防治、沉积盆地成像和土地资源规划利用等都具有重要意义。通常, 钻孔测井和主动源反射地震等方法是获得浅层结构特征最直接、可靠的方法, 但这些方法因成本过于昂贵而难以大范围推广。相较而言, 基于背景噪声的密集台阵观测方法可以用最少的经济投入获得更大区域的浅表层结构信息。其中, 水平-垂直频谱比(简称H/V方法)通过建立全波场H/V(full) (Nakamura, 1989)或瑞利波椭圆率H/V(Ray)(Konno et al, 1998)与浅地表介质属性的耦合关系(Nakamura, 2000; Sánchez-Sesma et al, 2011), 使得利用单台背景噪声三分量数据研究浅表结构成为可能。因其经济、环保和简易等优势, 近30年来该方法被广泛应用于场地响应研究 (Chen et al, 2009; Bonnefoy- Claudet et al, 2009; Dhakal et al, 2017)、沉积层厚度探测(Bao et al, 2019)、活动断裂识别(Bao et al, 2018)和南极冰盖厚度探测(Yan et al, 2018)等方面, 并取得了良好效果。
海南琼北活火山区位于王五-文教断裂以北的雷琼坳陷的中部区域(图1a), 该区雷虎岭火山口在4000~10000a前发生过喷发(Hu et al, 2016), 是南海地区极具特色的第四纪活火山。自始新世雷琼坳陷开始发育时起, 区内便陆续发生多期火山活动, 其中早于第四纪的新生代玄武岩一般只能见于钻孔中, 而第四纪火山活动则表现为地表广泛出露的玄武岩岩被和火山锥(樊祺诚 等, 2004)。活火山区内多发育北西向断裂和近东西向断裂, 其中北西向的长流-仙沟断裂是晚第四纪以来深部岩浆的上涌通道(闫成国 等, 2007), 并将研究区分为两个次一级构造单元: 断裂西南侧的福山凹陷和断裂东北侧的海口隆起(詹文欢 等, 1989)。多期次火山活动、广泛发育的断裂构造和海平面变化控制着活火山区的新生代地层展布, 使得该区浅地表结构异常复杂。
图1 海南琼北活火山位置(a)与地表地质图(b)

该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1825号的标准地图制作。图a红色方框代表研究区; 图b改自海南省1: 100万地质图(1999年), 黑色三角表示观测台站

Fig. 1 (a) The location of Hainan Qiongbei volcano. The red box is the study area. (b) The surface geology of the area (modified from 1:1000000 geological map of Hainan province), with black triangles indicating the station distribution

海南琼北火山活动被认为是由于海南地幔柱的作用而引发(Zhao, 2004; Xia et al, 2016), 目前对该火山区的研究主要集中在深部壳幔结构(Lei et al, 2009; Huang, 2014)、活动断裂分布(徐晓枫 等, 2014; 闫成国 等, 2007)和火山活动分期(樊祺诚 等, 2004; 胡久常 等, 2009)等方面。但对火山活动区浅地表结构的研究仅仅局限于少数露头和部分钻孔数据(邹和平 等, 1987; 张仲英 等, 1987), 无法全面地认识火山岩覆盖区浅表地质的变化趋势和特征。
为获得海南琼北活火山区浅表层结构特征, 本研究以流动台阵观测数据为基础, 采用经典全波场H/V(full)和瑞利波椭圆率H/V(Ray)分析方法, 获得了火山区H/V曲线峰值频率和放大倍数的空间变化特征, 探讨了峰值频率和放大倍数与构造分区的关联性。

1 数据和方法

1.1 数据

为研究海南琼北活火山区的浅层地质结构, 本文以该地区最新的一期玄武岩露头为中心, 均匀布设了35个(台间距为5~10km)便携式微功耗地震仪(图1b)。由于风和草木的相互作用会严重影响H/V的低频结果(Acerra et al, 2004), 故将所有台站置于0.2~0.5m的土坑中。最终, 获得了以100Hz为采样率, 记录时长为7~25d的三分量背景噪声数据。为评估数据质量, 对QB16台站连续一周的记录进行了0.1~10Hz范围内的频谱分析, 其中高频噪音总体上以稳定的周期性变化为特征, 分别在大约北京时间8时和18时出现峰值, 这与人工活动规律具有很好的一致性, 而低频噪音则未表现出明显的周期性(图2)。前人研究发现(Bonnefoy-Claudet et al, 2006), 低频信号主要由大尺度自然活动产生, 短期内难以观察到明显规律, 而高频信号主要由人为活动引起, 与琼北火山区频谱特征相一致, 表明了研究数据的可靠性。
图2 QB16频谱分析图

Fig. 2 Spectral characteristic of station QB16

1.2 方法

H/V方法主要包括全波场H/V(full)和瑞利面波椭圆率H/V(Ray)。全波场H/V(full)(Nakamura, 1989)指背景噪声三分量傅里叶振幅谱中水平分量和垂直分量的比值, 而瑞利面波椭圆率H/V(Ray)是瑞利面波粒子运动径向和垂向的比值。前人的研究表明(Nakamura, 2000; Mucciarelli, et al, 2001; Sánchez-Sesma et al, 2011), 全波场H/V(full)和瑞利面波椭圆率H/V(Ray)均与浅地表地质结构有很好的相关性(图3), 其中基岩出露的场地H/V曲线较为平坦(图3h), 而沉积层覆盖场地H/V曲线的峰值频率(F0)和放大倍数(A0)非常明显(图3g), 其峰值频率(F0)、场地沉积层厚度(H)和沉积层S波速度(Vs)之间存在经验公式关系(Nakamura, 2000):
H=Vs/4F0
图3 沉积场与基岩场的H/V曲线对比
—f为相同时间内沉积场地(红色)和基岩场地(蓝色)的三分量波形记录, 从上到下依次为EW分量、NS分量和Z分量; 在同样的比例尺下, 沉积场地的水平分量振幅明显大于基岩场地。图g图为沉积场地的H/V曲线, 图h为基岩场地的H/V曲线, H/V曲线中红色曲线和蓝色曲线分别代表全波场H/V<sub>(full)</sub>和瑞利面波椭圆率H/V<sub>(Ray)</sub>

图a Comparison of H/V curves of sedimentary site (red) and bedrock site (blue). (a) shows the three-component waveform records of sedimentary site (red) and bedrock site (blue) in the same period. From top to bottom, it is EW, NS and Z components, respectively. The amplitude of horizontal component on the sedimentary site is significantly larger than that of the bedrock site under the same scale. (b) is the H/V curve of the sedimentary site. (c) is the H/V curve of the basement site. The red and blue lines represent H/V(full) and H/V(Ray) curves, respectively

在沉积层S波平均速度相对均一情况下, F0越大, 沉积层厚度越薄。全波场H/V(full)包含了背景噪声中所有震相(P波、S波、勒夫波和瑞利面波等)的放大效应, 因背景噪声中各个震相之间的比例难以确定(Bonnefoy-Claudet et al, 2006), 造成无法正演全波场H/V(full)曲线(Sánchez-Sesma et al, 2011); 而瑞利面波椭圆率H/V(Ray)仅代表全波场中瑞利面波的贡献, 使得由浅表速度结构正演瑞利面波椭圆率H/V(Ray)曲线成为可能。因此, 有必要同时获取全波场H/V(full)和瑞利面波椭圆率H/V(Ray)曲线, 二者不仅可以相互验证, 后者更是可以通过正演和反演等手段分析浅表速度结构。
本研究利用Geopsy软件(http://www.geopsy.org/)获取全波场H/V(full)。首先截取每天的三分量数据, 进行0.1~10Hz带通滤波, 并以10倍最大周期宽度(100s)进行连续波形分窗, 利用长短时窗比方法[即STA/LTA(0.2~2.5), STA=1s, LTA=30s]剔除瞬态信号; 然后对每个时窗的三分量频谱进行平滑处理后(Konno et al, 1998), 计算两个水平分量频谱的均方根与垂直分量频谱的比值; 最后对所有时窗结果进行平均, 获得全波场H/V(full)曲线以及相对应的峰值频率F0和放大倍数A0(full)的标准差。对于瑞利面波椭圆率H/V(Ray), 以3600s为时窗, 运用RayDec方法(Hobiger et al, 2009)从全波场中提取出瑞利波, 并计算瑞利面波椭圆率H/V(Ray)。

2 结果

对35个台站记录到的背景噪声进行了H/V分析, 为准确反映地下介质信息, 应排除如噪声源和仪器故障等非地质要素对H/V结果的影响。欧洲SESAME(Site effects assessment using ambient excitations)项目提出了时窗长度、时窗个数及H/V曲线幅值标准差在一定频率范围的参考阈值(Acerra et al, 2004), 认为在其阈值范围内时的H/V曲线才可用于地下结构研究。由于H/V曲线是数天结果的平均, 显然满足了时窗的要求, 且用于求平均值的不同日期的H/V曲线的幅值标准差也小于参考阈值, 故最终求得的H/V曲线可用于地下结构的研究。经处理, 除QB17台站数据异常外, 其余34个台站均成功计算出全波场H/V(full)曲线和瑞利面波椭圆率H/V(Ray)曲线。
鉴于H/V曲线的多样性, 本研究根据全波场H/V(full)曲线的形态将H/V曲线分为清晰峰值型、低峰值型和无峰值型(图4)。其中, 清晰峰值型15个, 表示H/V曲线在0.2~10Hz范围内存在明显起伏且A0(full)大于2的峰值(图4a), 而QB02、QB15分别在0.2~0.3Hz和大于1Hz处出现了两个峰值(图5), 0.2~0.3Hz范围内的峰值并不稳定, 如QB02台站在某天可能不存在该频域的峰值, 于是不考虑提取该频域的峰值; 低峰值型2个, 代表H/V曲线在0.2~10Hz范围内存在具有一定起伏但A0(full)小于2的峰值(图4b), Acerra等(2004)认为当该类曲线的A0(full)附近存在一个明显的谷值时, 即使A0(full)小于2, 也可提取相应的F0, 为了将这类曲线与清晰峰值型H/V曲线进行区分, 亦不提取该类曲线的峰值; 无峰值型17个, 该类曲线以整个频域内平坦无明显起伏为特征(图4c), 这类曲线通常作为参考场地, 反映场地基本无放大作用。
图4 海南琼北火山区H/V曲线的主要类型

a. 清晰峰值型; b. 低峰值型; c. 无峰值型。红色曲线代表H/V(full), 蓝色曲线代表H/V(Ray)

Fig. 4 Topology of the H/V curves observed in Hainan Qiongbei volcano area: (a) cure with clear peak; (b) cure with low peak; (c) cure with no peak. The red and blue lines represent H/V(full) and H/V(Ray) cures, respectively

图5 双峰H/V曲线

黑色实线代表每天的H/V(full); 红色曲线代表平均H/V(full); 蓝色曲线代表H/V(Ray)

Fig. 5 H/V curves with two peaks. The black curves represent H/V(full) curves on different days. The red curve is the mean value of H/V(full) curves. The blue ones reveal H/V(Ray) curves

综上所述, 本研究仅提取清晰峰值型H/V曲线的峰值, 在此之前, 应对该类曲线A0和F0开展稳定性评估。Theodoulidis等(2018)发现全波场H/V(full)曲线可能会受地质界面的起伏而表现出一定的方向性, 其峰值A0在60°和150°方位角相差4。由于火山区浅表地质较为复杂, 为提取出稳定的A0, 对15个清晰峰值型台站进一步开展了全波场H/V(full)曲线方向依赖性的研究, 发现全波场H/V(full)曲线的形状、峰值频率F0(full)基本不受方向性的控制, 峰值A0(full)在各个方位角的差值也较小(图6), 因此我们认为研究区全波场H/V(full)曲线不受方向性的控制, 可直接提取A0。此外, 对比全波场H/V(full)曲线和瑞利面波椭圆率H/V(Ray)曲线, 发现两类曲线的F0基本一致(图7a), 但全波场H/V(full)曲线的峰值A0(full)大于瑞利面波椭圆率H/V(Ray)曲线的峰值A0(Ray)(图7b), 这显然符合两种方法所用到的噪声震相差异规律。最后, 本文提取了清晰峰值型H/V曲线中全波场H/V(full)的峰值A0(full)、全波场H/V(full)曲线和瑞利面波椭圆率H/V(Ray)曲线峰值频率的平均值F0。最终结果显示, 无峰值型台站几乎均分布在长流-仙沟断裂的西南侧, 清晰峰值型台站主要分布在长流-仙沟断裂的东北侧, 且F0分布于0.4~10Hz之间, 低峰值型台站位于地质过渡带(图8)。
图6 15个清晰峰值型台站H/V(full)的方向依赖性

黑色实线代表以10°为间隔旋转水平分量后计算的H/V(full)曲线结果

Fig. 6 Directional dependence of H/V(full) at 15 clear peak type stations. The black curves are H/V(full) curves when rotating horizontal components every 10° from 0 to 180°

图7 15个清晰型台站的全波场H/V(full)曲线和瑞利面波椭圆率H/V(Ray)曲线对比
和b分别代表两类曲线F<sub>0</sub>和A<sub>0</sub>大小的比较, 其中F<sub>0(full)</sub>和F<sub>0(Ray)</sub>分别代表H/V<sub>(full)</sub>曲线和H/V<sub>(Ray)</sub>曲线的峰值频率大小, A<sub>0(full)</sub>和A<sub>0(Ray)</sub>分别代表H/V<sub>(full)</sub>曲线和H/V<sub>(Ray)</sub>曲线的峰值大小

图a Comparison between H/V(full) and H/V(Ray) of 15 H/V cures with clear peaks. (a) and (b) reveal the differences of F0 and A0, where F0(full) and F0(Ray) represent the peak frequencies of H/V(full) curve and H/V(Ray) curve, respectively, and A0(full) and A0(Ray) represent the peak values of H/V(full) curve and H/V(Ray) curve, respectively

图8 海南琼北火山区H/V曲线亚区划分
基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2019)1825号的标准地图制作, 圆圈代表清晰峰值型H/V曲线, 其色标尺颜色对应F<sub>0</sub>大小, 圆圈直径大小依次代表A<sub>0</sub>值的变化; 黑色三角形代表无峰值型H/V曲线, 黑色正方形代表低峰值型H/V曲线; 灰色实线为地形等高线(单位: m), 白色实线为新生代沉积底板等深线(单位: m); 图b、c、d、e分别对应图a中A~D各分区的H/V曲线例子; 右侧为研究区内典型的钻孔柱状图(邹和平 等, <a href="javascript:;" class="mag_content_a" onclick="piaofuRef(this,'b8')" rid="b8">1987</a>)

图a The micro areas of Hainan Qiongbei volcano. H/V curves with clear peak (circles), H/V curves with no peak (black triangles), H/V curves with low peak (black squares). The gray solid line is the topographic contour line, and the white solid line is the contour line of sedimentary basement. In the middle panel, we show the examples of H/V curves in different zones and typical borehole columnar diagrams in the zones given on the right (Zou et al, 1987)

3 讨论

基于H/V曲线提取出的F0可大致反映浅表松散层的厚度, 而A0可在一定程度上反映地下界面波阻抗的强弱 (Konno et al, 1998)。琼北火山岩和沉积地层分布复杂, 本文利用获取的H/V曲线在空间上的差异, 将研究区大致分为了A区、B区、C区和D区4个亚区(图8)。
A区主要为无峰值型H/V曲线, 位于长流-仙沟断裂西南侧(图8), 大地构造上属于福山凹陷, 地质填图揭示该区主要出露更新世玄武岩和全新世玄武岩(图1)。本文认为处于构造凹陷区的玄武岩在较短的地史时期内难以遭受明显的风化剥蚀作用, 因此极有可能是这种表层覆盖的固结且未明显风化的玄武岩导致该区不能获取清晰的峰值型H/V曲线。事实上, 根据钻孔资料显示, 该区新生代沉积厚度达3000多米(邹和平 等, 1987), 这通常会放大H/V曲线的水平分量而使其表现出至少一个清晰的峰值(Anderson et al, 1986; Bao et al, 2019)。但是, 该区H/V曲线并不能提取出峰值, 正是由于火山作用的影响, 巨厚的沉积层之上覆盖了一层固结的玄武岩, 使得H/V曲线所反映的是表层玄武岩的固结与风化特征, 与沉积地层无关。此外, 该区外围局部存在的高F0值可能表示浅表层极薄的风化红土层与下覆未风化玄武岩岩被的界面。
长流-仙沟断裂东北侧属于海口隆起区, 其H/V曲线特征表现得更加复杂。其中, B区位于长流-仙沟断裂东北侧向陆一侧, 在地表同样覆盖玄武岩的背景下, 该区的H/V曲线均为清晰峰值型, 且峰值频率较低(F0和A0分别处于0.4~1Hz和3~6之间), 表明该区浅层存在具有一定埋深的波阻抗界面。前人指出琼北火山区部分地区可能遭受强烈的风化剥蚀作用, 使得广阔的熔岩被破坏而仅仅保存少数的熔岩堆(孙谦, 2003), 因此本文认为B区相较A区遭受了更加强烈的风化剥蚀作用, 使得该区火山岩盖层不再固结, 表现为松散的火山碎屑特征。B区的F0值整体具有由南向北递减的趋势, 与新生代基底埋深变化特征一致(邹和平 等, 1987)。钻孔SK106揭露该区新生代沉积厚度约为300m(邹和平 等, 1987), 根据公式(1)计算得出S波速度为690m·s-1, 以此速度作为该区平均S波速度, 计算得到B区松散层界面埋深等深线(图8中白色实线), 与该区新生代沉积底板等深线空间分布特征相似, 这说明B区F0值可能主要反映的是新生代沉积基底界面。
位于长流-仙沟断裂东北侧向海一侧的C区主要出露第四纪沉积地层, H/V曲线也均为清晰峰值型, 但峰值频率较B区高(F0大于1.5Hz), 且新生代厚度远小于B区, 说明A区F0和B区F0分别揭示不同的界面。本文通过设置一个简单的半空间模型(表1), 采用蒙特卡洛法反演瑞利面波椭圆率H/V(Ray) (García-Jerez et al, 2016), 获取了QB16台站的一维S波速度结构(图9), 发现其地层界面埋深为32.64m, 平均S波速度为255.48m·s-1。根据公式(1)计算得出该模型下的经验F0为1.96Hz, 与实测F0(2.06Hz)相近。参考前人研究(Bao et al, 2018; Issaadi et al, 2020), 第四纪松散层可能远大于反演所得的平均S波速度, 说明QB16台下松散层沉积厚度可能大于32.64m, 而区内7ZK2和6ZK1钻孔资料表明该区第四纪沉积厚度约为20~30m(张仲英 等, 1987)。因此, 我们推测C区F0值反映的是新生代沉积内部浅表松散沉积层与下覆相对固结地层之间的界面, 不能直接反映第四纪沉积厚度。值得注意的是, QB16的A0接近11, 说明C区界面波阻抗强烈, 这也符合浅部松散沉积层与下覆固结地层之间的差异规律。另外, D区的两个台站主要表现为低峰值型H/V曲线, 其正好位于B区和C区的过渡地带, 很可能与浅表沉积层厚度的横向突变有关(Guillier et al, 2006)。
表1 QB16台站反演的初始模型

Tab. 1 The initial inversion model of QB16 station

类型 界面 厚度/m Vp/(m·s-1) Vs/(m·s-1) 密度/(kg·m-3)
层Ⅰ 松散层 0~50 200~1600 100~800 1700~2200
层Ⅱ 半空间 0 1000~4000 500~2000 2100~2400
图9 QB16 台站H/V(Ray)反演结果

左图黑色实线代表实测数据, 红色实线代表最佳拟合H/V(Ray)曲线, 灰色实线代表不同模型对应的H/V(Ray)曲线; 右图灰色实线代表不同正演模型, 红色实线代表最佳模型

Fig. 9 The inversion of H/V(Ray) by QB16. The black solid line in the left panel represents the measured data, the red solid line represents the best fitting H/V(Ray), and the gray solid line represents the corresponding H/V(Ray) of different models. The grey solid line in the right panel represents different forward models, and the red solid line represents the best model

4 结论

本研究基于琼北火山区布设的35个便携式微功耗地震仪, 利用H/V方法获得了34个场地的H/V曲线, 并将它们分为3种类型, 以此讨论了该火山岩覆盖区的浅表层地质变化特征, 结果表明:
1) 琼北火山区构造分界线长流-仙沟断裂两侧玄武岩盖层遭受了明显不同的风化作用, 西南福山凹陷一侧玄武岩相对固结且未受明显风化剥蚀作用, 导致该区H/V曲线不能揭示其固有巨厚沉积层的特征; 而东北海口隆起一侧玄武岩遭受了强烈风化剥蚀作用, 导致该区玄武岩盖层被严重破坏, 使得该区H/V曲线的F0值主要反映新生代沉积基底界面。
2) 与长流-仙沟断裂东北靠陆侧的风化玄武岩覆盖区不同, 靠海侧沉积地层覆盖区H/V曲线F0值反映的是浅层松散沉积与相对固结地层之间的界面。
3) 长流-仙沟断裂东北侧中部存在两个低峰值型H/V曲线, 可能与浅表沉积层厚度的横向突变有关, 代表了地表地质的过渡区域。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
[1]
樊祺诚, 孙谦, 李霓, 等, 2004. 琼北火山活动分期与全新世岩浆演化[J]. 岩石学报, 20(3): 533-544.

FAN QICHENG, SUN QIAN, LI NI, et al, 2004. Periods of volcanic activity and magma evolution of Holocene in North Hainan island[J]. Acta Petrologica Sinica, 20(3): 533-544. (in Chinese with English abstract)

[2]
胡久常, 郭明瑞, 刘伟, 等, 2009. 海口地区火山活动初步研究[J]. 地震地质, 31(4): 647-654.

HU JIUCHANG, GUO MINGRUI, LIU WEI, et al, 2009. Primary research on the volcanic activity in Haikou area[J]. Seismology and Geology, 31(4): 647-654. (in Chinese with English abstract)

[3]
孙谦, 2003. 琼北第四纪火山活动与岩浆演化[D]. 北京: 中国地震局地质研究所.

SUN QIAN, 2003. Quaternary volcanic activity and magma evolution in North Hainan island[D]. Beijing: Institute of Geology, China Earthquake Administrator. (in Chinese with English abstract)

[4]
徐晓枫, 王惠琳, 陈小敏, 2014. 海南岛及邻区地震精确定位及断裂构造分析[J]. 地震研究, 37(2): 216-221.

XU XIAOFENG, WANG HUILIN, CHEN XIAOMIN, 2014. Analysis on accurate location of earthquakes and fault structure in Hainan island and its adjacent areas[J]. Journal of Seismological Research, 37(2): 216-221. (in Chinese with English abstract)

[5]
闫成国, 江娃利, 2007. 琼北地区北西方向长流-仙沟断裂带晚第四纪活动及与火山活动关系的讨论[J]. 震灾防御技术, 2(3): 230-242.

YAN CHENGGUO, JIANG WALI, 2007. Relationship between the activity of the Changliu-Xiangou fault zone in Late-Quaternary and volcanic activity in North Hainan island[J]. Technology for Earthquake Disaster Prevention, 2(3): 230-242. (in Chinese with English abstract)

[6]
詹文欢, 刘以宣, 1989. 琼州海峡的断裂构造与区域稳定性分析[J]. 热带海洋, 8(4): 70-77.

ZHAN WENHUAN, LIU YIXUAN, 1989. A study on faulting and regional stability in Qiongzhou strait[J]. Tropic Oceanology, 8(4): 70-77. (in Chinese with English abstract)

[7]
张仲英, 刘瑞华, 韩中元, 1987. 海南岛沿海的第四纪地层[J]. 热带地理, 7(1): 54-64.

ZHANG ZHONGYING, LIU RUIHUA, HAN ZHONGYUAN, 1987. The quaternary stratigraphy along the coastal area of Hainan island[J]. Tropical Geography, 7(1): 54-64. (in Chinese with English abstract)

[8]
邹和平, 黄玉昆, 1987. 琼北新生代坳陷构造特征及其演化[J]. 大地构造与成矿学, 11(1): 33-46.

ZOU HEPING, HUANG YUKUN, 1987. The tectonic characteristics and evolution of the Qiongbei Cenozoic depression[J]. Geotectonica et Metallogenia, 11(1): 33-46. (in Chinese with English abstract)

[9]
ACERRA C, AGUACIL G, ANASTASIADIS A, et al, 2004. Guidelines for the implementation of the H/V spectral ratio technique on ambient vibrations measurements, processing and interpretation[R]. European Commission.

[10]
ANDERSON J G, BODIN P, BRUNE J N, et al, 1986. Strong ground motion from the Michoacan, Mexico, Earthquake[J]. Science, 233(4768): 1043-1049.

DOI

[11]
BAO FENG, LI ZHIWEI, YUEN D A, et al, 2018. Shallow structure of the Tangshan fault zone unveiled by dense seismic array and horizontal-to-vertical spectral ratio method[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 281: 46-54.

DOI

[12]
BAO FENG, LI ZHIWEI, TIAN BAOFENG, et al, 2019. Sediment thickness variations of the Tangshan fault zone in North China from a dense seismic array and microtremor survey[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 185: 104045.

DOI

[13]
BONNEFOY-CLAUDET S, CÉCILE C, PIERRE-YVES B, et al, 2006. H/V ratio: a tool for site effects evaluation. Results from 1-D noise simulations[J]. Geophysical Journal International, 167(2): 827-837.

DOI

[14]
BONNEFOY-CLAUDET S, BAIZE S, BONILLA L F, et al, 2009. Site effect evaluation in the basin of Santiago de Chile using ambient noise measurements[J]. Geophysical Journal International, 176(3): 925-937.

DOI

[15]
CHEN QIFU, LIU LANBO, WANG WEIJUN, et al, 2009. Site effects on earthquake ground motion based on microtremor measurements for metropolitan Beijing[J]. Chinese Science Bulletin, 54(2): 280-287.

[16]
DHAKAL Y P, AOI S, KUNUGI T, et al, 2017. Assessment of nonlinear site response at ocean bottom seismograph sites based on S-wave horizontal-to-vertical spectral ratios: a study at the Sagami Bay area K-NET sites in Japan[J]. Earth, Planets and Space, 69(1): 29.

DOI

[17]
GARCÍA-JEREZ A, PIÑA-FLORES J, ÁNCHEZ-SESMA F J, et al, 2016. A computer code for forward calculation and inversion of the H/V spectral ratio under the diffuse field assumption[J]. Computers & Geosciences, 97: 67-78.

DOI

[18]
GUILLIER B, CORNOU C, KRISTEK J, et al, 2006. Simulation of seismic ambient vibrations: does the H/V provide quantitative information in 2D-3D structure[C]// Proceedings of the 3rd International Symposium on the Effects of Surface Geology on Seismic Motion. Grenoble, France.

[19]
HOBIGER M, BARD P Y, CORNOU C, et al, 2009. Single station determination of Rayleigh wave ellipticity by using the random decrement technique (RayDec)[J]. Geophysical Research Letters, 36(14): L14303.

DOI

[20]
HU YAXUAN, HAO MING, LI LINGYUN, et al, 2016. Three-dimensional crustal movement and the activities of earthquakes, volcanoes and faults in Hainan Island, China[J]. Geodesy and Geodynamics, 7(4): 284-294.

DOI

[21]
HUANG JINLI, 2014. P- and S-wave tomography of the Hainan and surrounding regions: insight into the Hainan plume[J]. Tectonophysics, 633: 176-192.

DOI

[22]
ISSAADI A, SEMMANE F, YELLES-CHAOUCHE A, et al, 2020. A shear-wave velocity model in the city of Oued-Fodda (northern Algeria) from Rayleigh wave ellipticity inversion[J]. Applied Sciences, 10(5): 1717.

DOI

[23]
KONNO K, OHMACHI T, 1998. Ground-motion characteristics estimated from spectral ratio between horizontal and vertical components of microtremor[J]. Bulletin of the Seismological Society of America, 88(1): 228-241.

DOI

[24]
LEI JIANSHE, ZHAO DAPENG, STEINBERGER B, et al, 2009. New seismic constraints on the upper mantle structure of the Hainan plume[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 173(1-2): 33-50.

DOI

[25]
MUCCIARELLI M, GALLIPOLI M R, 2001. A critical review of 10 years of microtremor HVSR technique[J]. Bollettino di Geofisica Teorica ed Applicata, 42(3): 255-266.

[26]
NAKAMURA Y, 1989. A method for dynamic characteristics estimation of subsurface using microtremor on ground surface[J]. Quarterly Report of RTRI, 30(1): 25-33.

[27]
NAKAMURA Y, 2000. Clear identification of fundamental idea of Nakamura’s technique and its applications[C]// Proceedings of the 12th World Conference on Earthquake Engineering. New Zealand: Auckland: 25-30

[28]
SÁNCHEZ-SESMA F J, RODRÍGUEZ M, ITURRARÁN- VIVEROS U, et al, 2011. A theory for microtremor H/V spectral ratio: application for a layered medium[J]. Geophysical Journal International, 186(1): 221-225.

DOI

[29]
THEODOULIDIS N, CULTRERA G, CORNOU C, et al, 2018. Basin effects on ground motion: the case of a high-resolution experiment in Cephalonia (Greece)[J]. Bulletin of Earthquake Engineering, 16(2): 529-560.

DOI

[30]
XIA SHAOHONG, ZHAO DAPENG, SUN JINLONG, et al, 2016. Teleseismic imaging of the mantle beneath Southernmost China: new insights into the Hainan plume[J]. Gondwana Research, 36: 46-56.

DOI

[31]
YAN PENG, LI ZHIWEI, LI FEI, et al, 2018. Antarctic ice sheet thickness estimation using the horizontal-to-vertical spectral ratio method with single-station seismic ambient noise[J]. The Cryosphere, 12(2): 795-810.

DOI

[32]
ZHAO DAPENG, 2004. Global tomographic images of mantle plumes and subducting slabs: insight into deep Earth dynamics[J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 146(1-2): 3-34.

DOI

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