陳辛平, 李紅誼*, 張玉婷, 黃雅芬, 葛慧穎, 衛(wèi)志杰, 管勇

1 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083 2 四川省地震局， 成都 610041

0 引言

龍門山斷裂帶是青藏高原東緣松潘—甘孜地塊和揚子克拉通地塊的結(jié)合帶，是中國南北地震帶的中心部位，在中國地震危險性模型中被評估為高風(fēng)險區(qū)域(鄧起東等，1994；張培震等，2003；劉順，1998；豐成君等，2013).印度板塊以每年40 mm的速度向北東向移動，松潘—甘孜地塊受到印度板塊的擠壓作用向東擠出，又受到了四川盆地阻擋，最終形成了北東向的龍門山斷裂帶(王偉鋒等，2016).龍門山斷裂帶寬30～50 km，全長約500 km，總體走向NE向，主要由三條主干斷裂和一系列的山前隱伏斷裂組成，主干斷裂包括前山斷裂(灌縣—安縣斷裂)、中央主斷裂(映秀—北川斷裂)以及后山斷裂(汶川—茂縣斷裂)，這三條主斷裂具有發(fā)生強震的因素(豐成君等，2013；朱守彪和袁杰，2018).

2008年5月12日14時28分4秒，四川省阿壩州汶川縣發(fā)生了的MS8.0地震，這次地震是是我國自1976年河北唐山MS7.8地震以來破壞力最嚴(yán)重、波及范圍最廣的特大級地震.大量學(xué)者、專家在地震發(fā)生后趕赴災(zāi)區(qū)對汶川大地震的發(fā)震原因進(jìn)行了研究，普遍認(rèn)為是龍門山斷裂帶映秀—北川斷裂突然錯動，應(yīng)力釋放產(chǎn)生了此次特大地震(張培震等，2008).汶川大地震使得北川—映秀斷裂和灌縣—江油斷裂了發(fā)生地表破裂，地表破裂帶長度分別為約270 km和約80 km，其中北川—映秀斷裂破裂帶從映秀鎮(zhèn)開始，經(jīng)過北川縣城，終止于平武縣(徐錫偉等，2008；朱守彪和袁杰，2018).映秀—北川斷裂作為汶川地震的主發(fā)震斷裂，是一條逆沖斷裂，以北川縣城(曲山鎮(zhèn))附近為界分為南北兩段，以北川縣城NW走向的次級斷裂為分界，西南段破裂主要以逆沖運動為主，東北段的斷裂則以右旋逆沖走滑為主(Yuan et al.，2019)，具有十分復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和演化歷史.北川縣是汶川大地震受災(zāi)最嚴(yán)重的區(qū)域之一，映秀—北川斷裂通過北川老縣城(曲山鎮(zhèn))，導(dǎo)致北川縣城老城區(qū)80%以上的建筑物倒塌(鄧志輝等，2008).

灌縣—江油斷層把研究區(qū)分割成兩部分，東南側(cè)是平原低丘地貌，西北側(cè)為連綿不斷的層層山岳，由海相和古生代地層組成密集的線性褶皺與斷裂.西北側(cè)稱為龍門山地槽，可分為九頂山向斜、龍門山褶皺帶和前龍門山褶皺帶三部分.東南側(cè)是屬于揚子地臺的川西臺陷(圖1).龍門山斷裂帶北段以出露轎子頂雜巖和唐王寨推覆體及前緣疊瓦沖斷系為特征(楊庚和王曉波，2020)，其中唐王寨推覆體占據(jù)泥盆-石炭古坳陷的范圍，核部為石炭系，兩翼為志留、泥盆系.軸向NE 45°，軸面直立，兩翼不大對稱，南翼傾角較大且地層受斷裂影響較大.唐王寨推覆體東南側(cè)為江油沖斷層，它使向斜南東翼的志留系向東南逆沖于泥盆-侏羅系的不同層位之上(楊庚和王曉波，2020).

針對龍門山地區(qū)，地震學(xué)家們開展了大量的研究工作，獲得了龍門山地區(qū)區(qū)域尺度的深部結(jié)構(gòu)(Wang et al.，2007，2010，2014；Meng et al.，2008；劉啟元等，2009；Lei and Zhao，2009；雷建設(shè)等，2009；Zhang et al.，2009；Hu et al.，2011；Togo et al.，2011；Ran et al.，2013；Li et al.，2014c，2019；Huang et al.，2015)，為進(jìn)一步研究龍門山斷裂帶小尺度的精細(xì)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ).但由于臺間距較大，目前得到的層析成像結(jié)果的分辨率基本都在十幾到幾十公里級別，無法揭示斷裂帶附近速度結(jié)構(gòu)變化的細(xì)節(jié)特征.因此，小尺度、高精度的地殼結(jié)構(gòu)研究不僅對認(rèn)識地震發(fā)生機理，了解地震破裂過程，而且對評估地震危險性以及災(zāi)害預(yù)測都是非常重要的.

近十年來，背景噪聲層析成像被越來越多的學(xué)者用來對不同尺度的速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像(Shapiro et al.，2005；Yao et al.，2006，2011；Yang et al.，2008；房立華等，2009；Li et al.，2009，2014a；Yang，2014；Shen et al.，2016).Yang等(2008)利用美國西部300臺寬頻地震儀記錄到的數(shù)據(jù)提取出了8～100 s周期的頻散曲線，構(gòu)建出深約150 km的三維剪切波速度結(jié)構(gòu).房立華等(2009)提取了華北地區(qū)7 s到23 s群速度結(jié)構(gòu)，揭示了華北地區(qū)地殼存在明顯的橫向不均勻性.Li等(2009)利用四川地區(qū)49臺寬頻地震儀進(jìn)行了面波背景噪聲層析成像，最終得到青藏高原東緣地殼速度結(jié)構(gòu).Shen等(2016)利用背景噪聲層析成像獲得了中國大陸及鄰區(qū)的三維速度模型.特別是近幾年來短周期密集臺陣的不斷發(fā)展為背景噪聲層析成像的精細(xì)化發(fā)展提供了更好的數(shù)據(jù)來源，所以這種分辨率高、低成本的方法越來越被廣泛運用到小尺度的地殼結(jié)構(gòu)探測中(吳建平等，2009；Pei et al.，2010；Lin et al.，2013；鄧文澤等，2014；趙盼盼等，2015；Li et al.，2016，2020；王爽等，2018；孟亞鋒等，2019；Yang et al.，2020；Zhang et al.，2020；曾求等，2020；李玲利等，2020).

圖1 研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景圖 紅線為汶川地震地表破裂帶，修自Wu et al., 2014.Fig.1 Geological structure map of the study area The red line represents the surface rupture zone of the Wenchuan earthquake, revised from Wu et al., 2014.

水平垂直向譜比法(HVSR)又稱H/V譜比法，是地表記錄到不同頻率背景噪聲的水平分量與垂直分量的振幅譜比值(Yamanaka et al., 1994).地下淺層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的場地效應(yīng)、震源以及地震波的傳播路徑等是強地震引起的地面震動強度的決定性因素，HVSR的頻譜特征(如振幅和峰值頻率)為分析場地特性對地面震動的響應(yīng)提供了基礎(chǔ)，北川地區(qū)溝谷相間，不同區(qū)域沉積層的發(fā)育情況差異較大，松散的沉積層會對地震波產(chǎn)生明顯的放大作用，因此沉積層厚度分布信息對防災(zāi)減震工作非常重要(王偉君等，2009；Bao et al.，2018；榮棉水等，2018；林國良等，2019；王恒知等，2020；秦彤威等，2021).

本研究基于布設(shè)在北川地區(qū)的242臺短周期地震儀連續(xù)22天的記錄，通過背景噪聲層析成像和HVSR方法，對研究區(qū)淺層地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，從而對北川地區(qū)淺部地殼構(gòu)造進(jìn)行研究.

1 數(shù)據(jù)收集與選取

近年來隨著短周期地震儀在天然地震領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，對地殼淺層的結(jié)構(gòu)研究越來越精細(xì).2019年11—12月間，我們在四川省北川縣共采用了242臺短周期地震儀，包括90臺中地裝(重慶)地質(zhì)儀器有限公司生產(chǎn)的EPS短周期數(shù)字地震儀(頻率響應(yīng)為0.1～200 Hz)和152臺深圳面元智能科技有限公司生產(chǎn)的SmartSolo三分量短周期便攜式地震計(頻率響應(yīng)為0.1～100 Hz)，布設(shè)了一條跨斷層的一維長測線和一個二維小孔徑臺陣，采樣率為100 Hz.一維長測線約長70 km，在地表破裂帶附近，該測線臺間距約為10～20 m，隨著離地表破裂中心距離的加大，臺間距逐漸加大到25～500 m.二維面狀密集臺陣的孔徑約為20 km×15 km，平均臺間距約為1～2 km(圖2).我們使用這242臺儀器從2019年11月17日至2019年12月8日總共開展了為期22天的連續(xù)觀測.

圖2 研究區(qū)及臺站分布 (a)中紅框為研究區(qū)位置，(b)中紅色三角形為EPS儀器、黑色三角形為SmartSolo儀器.Fig.2 Distribution of seismic stations in the study area The red frame on the left shows the location of the study area; on the right, red triangle is deployed with EPS、 black triangle with SmartSolo.

2 背景噪聲層析成像

2.1 數(shù)據(jù)處理

首先將記錄到的連續(xù)噪聲數(shù)據(jù)垂直分量，切成時長為一天的片段.對數(shù)據(jù)進(jìn)行去除儀器響應(yīng)、去除趨勢和均值、降低采樣率到10 Hz和譜白化，然后分成0.5～1 s、1～2 s、2～4 s、4～7 s、7～10 s多個周期段帶通濾波，并進(jìn)行時間域歸一化疊加(Bensen et al.，2007)，得到0.5～10 s頻段的波形.對所有臺站對進(jìn)行互相關(guān)計算，最終得到29161條互相關(guān)結(jié)果.臺站E100與其余241個臺站的1～5 s、1～10 s周期范圍互相關(guān)結(jié)果見圖3，從兩個不同周期范圍的互相關(guān)波形中我們可以看到明顯的瑞利波信號，最終選取包含信息更多的1～10 s周期范圍內(nèi)的互相關(guān)結(jié)果.

本文采用Yao等(2006，2011)提出的頻散提取方法，該方法利用基于圖像分析互相關(guān)振幅矩陣，可以快速追蹤整條頻散曲線.利用該方法我們從29161條互相關(guān)結(jié)果中提取了3375條臺間距大于1.5倍波長、信噪比>5、臺站高程差<300 m的瑞利波相速度頻散曲線.通過不同周期射線路徑數(shù)量(圖4a)和相速度頻散曲線(圖4b)中，我們可以看出頻散曲線主要分布在1 s到5.5 s周期內(nèi)，3.3 s周期內(nèi)射線數(shù)量最多，而5～10 s周期范圍內(nèi)的頻散曲線數(shù)量較少.研究區(qū)相速度變化較大，相速度范圍在1.9～3.4 km·s-1之間.

圖5給出了3.0 s和7.0 s周期范圍內(nèi)的射線路徑覆蓋情況，從圖5中可以看出在周期3.0 s時，射線數(shù)量較多，測線中心區(qū)域射線路徑較為密集，沿測線向兩端射線路徑逐漸變得稀疏，在周期7.0 s時，射線路徑覆蓋在測線兩端時相對較為稀疏.

2.2 檢測板測試

本文采用的是Fang等(2015)提出的面波頻散直接反演法來反演三維橫波速度結(jié)構(gòu).與傳統(tǒng)面波反演方法相比，該方法不需要反演相速度圖或者群速度圖，而是利用與頻率相關(guān)的射線追蹤和基于小波稀疏約束直接進(jìn)行層析成像反演.

首先我們進(jìn)行了檢測板測試，選取0.05°×0.05°的網(wǎng)格劃分，共設(shè)置了17×17個網(wǎng)格點，異常體大小為0.1°×0.1°，深度方向上從地表到地下以0.2 km為間隔設(shè)置了16個網(wǎng)格點，速度擾動為2%，最大迭代次數(shù)為10次.圖6給出了0.4 km與1.2 km深度水平剖面檢測板恢復(fù)結(jié)果，從圖6中可以看出，總體來說，在測線密集覆蓋的區(qū)域恢復(fù)較好，沿測線向兩側(cè)恢復(fù)能力逐漸變?nèi)?，水平向的分辨率約為0.1°.圖7給出了垂直剖面恢復(fù)結(jié)果，同時結(jié)合圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著深度的不斷增加，檢測板的恢復(fù)程度也在不斷降低，在1.6 km深度范圍內(nèi)，檢測板恢復(fù)較好.

圖3 不同周期范圍的互相關(guān)結(jié)果(a) 1～5 s周期范圍內(nèi)的互相關(guān)結(jié)果； (b) 1～10 s周期范圍內(nèi)的互相關(guān)結(jié)果.Fig.3 Interstation cross-correlation function in different period band(a) Cross-correlation results in the period range of 1～5 s; (b) Cross-correlation result in the period range of 1～10 s.

圖4 (a) 不同周期射線數(shù)量； (b) 相速度頻散曲線Fig.4 (a) Number of rays in different periods; (b) Phase velocity dispersion curve

圖5 不同周期射線路徑覆蓋Fig.5 Ray-path coverage for different periods

圖6 水平剖面檢測板恢復(fù)結(jié)果(AA′為垂直剖面測線)(a) 0.4 km深度水平剖面檢測板模型； (b) 0.4 km深度水平剖面檢測板恢復(fù)結(jié)果； (c) 1.2 km深度水平剖面檢測板模型； (d) 1.2 km深度水平剖面檢測板恢復(fù)結(jié)果.Fig.6 Lateral shear-wave speed checkerboard tests (AA′ refers to location of the vertical profile)(a) Lateral shear-wave speed checkerboard tests model at the depth of 0.4 km; (b) Recovery results of Lateral shear-wave speed checkerboard tests at the depth of 0.4 km; (c) Lateral shear-wave speed checkerboard tests model at the depth of 1.2 km; (d) Recovery results of Lateral shear-wave speed checkerboard tests at the depth of 1.2 km.

圖7 剖面AA′的檢測板測試結(jié)果(a) 測線AA′垂直剖面檢測板模型； (b) 測線AA′垂直剖面檢測板恢復(fù)結(jié)果.Fig.7 Vertical shear-wave speed checkerboard tests at profile AA′(a) The input modle of vertical shear-wave speed checkerboard tests at AA′; (b) Restoration results of Vertical shear-wave speed checkerboard tests at AA′.

2.3 三維橫波速度結(jié)構(gòu)

基于檢測板測試結(jié)果，我們將研究區(qū)水平方向上網(wǎng)格大小設(shè)置為0.05°×0.05°，共設(shè)置了17×17個網(wǎng)格點，深度方向上從地表到地下共劃分了15層，每層厚度為0.2 km.

圖8給出了不同深度(0.4 km、0.8 km、1.2 km、1.6 km)的橫波速度圖像.從圖中可以清晰的看到，在4個不同的深度上，研究區(qū)均存在明顯的橫向速度不均勻性，有三個非常明顯的剪切波低速異常區(qū)，橫波速度約為2.4～2.5 km·s-1，三個低速區(qū)分別被高速體相隔.在0.4 km深度，研究區(qū)剪切波低速異常區(qū)域較大，低速異常最低約為2.3 km·s-1.深度為0.8 km時，低速區(qū)范圍較0.4 km深度時變小，左上角橫波低速區(qū)速度約2.4 km·s-1，中間低速異常區(qū)約為2.5 km·s-1，右下角低速異常約為2.3 km·s-1.深度為1.2 km時，左上角和右下角低速異常的速度較0.8 km深度時變化不大，中間低速異常速度約2.4 km·s-1.深度1.6 km時，中間的低速異常區(qū)域變大，速度變低，約為2.3 km·s-1.

圖8 不同深度的橫波速度圖 紅色粗線為映秀—北川斷裂地表破裂帶，紅色細(xì)線為唐王寨推覆體位置，黑色細(xì)線為江油斷層，圖9中的垂直剖面BB′位置標(biāo)記在左上角圖中.Fig.8 Shear-wave velocity at depths of(a) 0.4, (b) 0.8, (c) 1.2, (d) 1.6 km The thick red line and the thin red line represent the surface fracture zone of Yingxiu-Beichuan fault and Tangwangzhai nappe, respectively. The thin black line is Jiangyou fault. The line BB′ in top left corner shows the location of the profile in Fig.9.

圖9展示了測線BB′垂直速度剖面圖，從圖中可以看到測線下方存在三個明顯的低速異常，最左側(cè)的低速異常體規(guī)模最小，深度最淺，約1.4 km.中間的低速異常體最為突出，深度最深、速度中等，深度約達(dá)2.0 km，速度約為2.4 km·s-1.最右側(cè)低速異常體深度約在1.6 km，速度最低約為2.3 km·s-1.

圖9 BB′剖面橫波速度結(jié)構(gòu)圖 紅色三角形標(biāo)識了映秀—北川地表破裂帶的位置， 上半部分為BB′剖面的對應(yīng)地形.Fig.9 Shear-wave velocity at profile BB′ The red triangle shows the location of Yingxiu-Beichuan surface rupture zone. Topography is plotted above the profile BB′.

圖10a給出了周期1.0～10.0 s的瑞利波相速度敏感核，輸入的速度模型為研究區(qū)中心點(104.4°E，31.8°N)的一維速度模型，從圖中可以看到周期為1 s時敏感深度在1 km左右，隨著周期的增大，敏感深度在不斷變深，敏感范圍也逐漸變寬，5 s周期對應(yīng)的敏感深度約3～4 km之間.圖10b給出了初始模型和經(jīng)過10次迭代后最終模型的走時殘差直方圖，結(jié)果顯示反演后的走時殘差較初始模型有了顯著的降低，且在0附近呈現(xiàn)正態(tài)分布，說明10次迭代后的模型較為可靠.

3 HVSR

3.1 數(shù)據(jù)處理

在水平垂直向譜比法(HVSR)中，曲線峰值頻率與松散沉積層的共振頻率之間存在一定相關(guān)性，該方法對淺層構(gòu)造較為敏感，現(xiàn)已被廣泛地用于估算松散沉積物厚度(Moisidi et al.，2015；Mascandola et al.，2017；宗健業(yè)等，2020).

本研究利用Geopsy軟件進(jìn)行HVSR測量.首先，將每個臺站的連續(xù)背景噪聲記錄切成多個50 s的窗口，同時窗口間加上20%的重疊來計算每個窗口的水平分量和垂直分量的頻譜比值.對于每個選定的窗口，我們采用長短時窗平均幅值比算法去除非隨機噪聲瞬態(tài)干擾信號，并對頻譜進(jìn)行平滑處理，使HVSR曲線在低頻處的穩(wěn)定性得到增強(Konno and Ohmachi, 1998).最后對所有窗口的比值進(jìn)行平均得到每個臺站最終的HVSR曲線，并拾取其峰值頻率.將所有的峰值頻率進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)頻率與沉積層厚度的經(jīng)驗轉(zhuǎn)換公式：

(1)

式中h為沉積層厚度，VS為剪切波速度，f為峰值頻率，根據(jù)背景噪聲三維橫波速度結(jié)果，平均剪切波速度VS取為800 m·s-1，對所有臺站峰值頻率進(jìn)行沉積層厚度轉(zhuǎn)換，得到臺站下方的沉積層厚度.

3.2 HVSR結(jié)果

我們共拾取到了123個臺站的HVSR曲線的峰值頻率(共振頻率)，其中14個臺站的HVSR曲線呈現(xiàn)雙峰特征.圖11a、b分別展示了兩個臺站的HVSR曲線圖像，其中圖11a中E207_2260臺站的HVSR曲線呈現(xiàn)單峰特征，其峰值頻率(即共振頻率)約為7.0 Hz，H/V值約為4.7；圖11b中0674臺站的HVSR曲線具有明顯雙峰特征，其峰值頻率分別在1.7 Hz和6.0 Hz左右，H/V值約為3.7和3.2，小于單峰HVSR曲線的幅值.

將123個臺站HVSR曲線的峰值頻率換算成沉積層厚度，得到北川地區(qū)沉積層厚度最深約200 m，位于映秀—北川斷裂帶附近.將沉積層厚度分布投影到200 m深度的橫波速度結(jié)果(圖12)，圓圈越大代表沉積層越厚，可以看出較厚的沉積層與低速區(qū)的分布吻合較好.其中黃色實心圓圈代表了雙峰HVSR曲線的臺站位置，均分布在映秀—北川地表破裂帶附近，這些臺站在圖13的剖面CC′中由紅色標(biāo)識出來，其相應(yīng)的峰值頻率分布由紅色圓圈表示，兩個峰值頻率分別在1～2 Hz和3～10 Hz之間.而遠(yuǎn)離地表破裂帶臺站的HVSR曲線表現(xiàn)為單峰，其峰值頻率均較高，在3～10 Hz之間，根據(jù)頻率-深度換算公式得到這些臺站下方的沉積層厚度較淺.

圖10 (a) 敏感核測試；(b) 走時殘差 紅色為反演前模型的走時殘差分布，灰色為反演后模型的走時殘差.Fig.10 (a) Sensitive kernels; (b) Travel-time residual Red and gray histograms represent the travel-time residuals before iterations and after 10 iterations, respectively.

圖13 沿測線CC′的臺站峰值頻率分布 以三角形表示的臺站和相應(yīng)的臺站名標(biāo)在圖件上方，紅色標(biāo)示出了HVSR曲線呈現(xiàn)雙峰特征的臺站，紅色圓圈為呈現(xiàn)雙峰特征的 HVSR曲線的峰值頻率，黑色圓圈為呈現(xiàn)單峰特征的HVSR曲線的峰值頻率.Fig.13 The distribution of the HVSR peak frequency along the profile CC′ The station shown by triangle and corresponding names are given on theFigure. The stations with double-peak HVSR curves are marked by red. The red and black circles representthr peak frequency of the HVSR curve with double peaks and single peak, respectively.

4 討論和結(jié)論

2008年汶川地震發(fā)生，映秀—北川斷裂橫穿而過，在北川老縣城處留下了較多地表破裂帶，且在研究區(qū)其他區(qū)域引發(fā)了各種地質(zhì)災(zāi)害比如滑坡、塌陷等等.

研究區(qū)西北區(qū)域(104.3°E,31.85°N)為禹里鄉(xiāng)，禹里鄉(xiāng)是汶川地震中受災(zāi)最嚴(yán)重的鄉(xiāng)鎮(zhèn)之一，發(fā)育了多處地震裂隙，震后唐家山堰塞湖水尾端淹至該地區(qū)，導(dǎo)致抗剪能力變?nèi)?，穩(wěn)定性不斷降低(馬洪生等，2009).多年來，禹里鄉(xiāng)余震不斷，地震導(dǎo)致的泥石流、滑坡等更是時常發(fā)生，再加上唐家山堰塞湖的存在，地震裂縫長期處于水飽和狀態(tài).該地區(qū)地貌屬于侵蝕構(gòu)造中山，發(fā)育大量破碎千枚巖和砂巖，風(fēng)化嚴(yán)重，巖石極易破碎(唐云等，2010).西北部為大量的志留紀(jì)地層，發(fā)育有九頂山中間隆起，內(nèi)部斷裂較少，前人研究揭示在在隆起構(gòu)造頂部速度偏低.如圖8中所示，該地區(qū)表現(xiàn)為剪切波低速異常，速度與其他區(qū)域相比較低，根據(jù)前人的研究(危自根等，2021)我們推測該地區(qū)的剪切波低速的異常可能是因為位于九頂山中部隆起且區(qū)域內(nèi)發(fā)育多處滑坡，滑坡底層裂隙較多，流體更易進(jìn)入.

北川—映秀斷裂穿過研究區(qū)中部，斷裂兩側(cè)地形反差懸殊，斷裂在北川擂鼓呈現(xiàn)出典型的斷裂溝槽(陳國光等，2007).本文的淺層地殼成像(圖7)顯示擂鼓鎮(zhèn)東西兩側(cè)出現(xiàn)明顯的高低速異常分界，反映了擂鼓鎮(zhèn)附近地勢差異情況和復(fù)雜的斷陷盆地.北川—映秀斷裂活動強烈，主要由元古代變質(zhì)巖系-古生代淺變質(zhì)巖系組成的沖斷席，廣泛發(fā)育沖積扇，沉積中心由北段向中南段不斷遷移(劉和甫等，1994).汶川地震發(fā)生之前該區(qū)域已經(jīng)發(fā)育了多條斷裂，汶川地震發(fā)生后主要沿北川—映秀斷裂破裂.該地區(qū)為唐王寨推覆體的構(gòu)造西南段，自上而下依次為唐王寨向斜、甘竹埡向斜、四清池向斜，每個向斜底部均發(fā)育一條向南西向突出的弧形斷層(圖1).最上部的唐王寨向斜，核部為石炭系，兩翼為志留、泥盆系.軸向NE 45°，軸面直立，兩翼不完全對稱，南翼傾角較大且地層受斷裂影響較大；中層的甘竹埡向斜兩翼地層增厚并且向西南端延伸；下部的四清池向斜進(jìn)一步拓寬了向斜的西南端，其核部為三疊系，兩翼出露二疊系和石炭系，底部逆掩斷層為黃蓮橋—擂鼓弧形斷層，斷層深部位置約在3 km左右(劉和甫等，1994；楊庚和王曉波，2020)，推測是由于唐王寨推覆體導(dǎo)致該區(qū)域地下淺層地殼橫波速度出現(xiàn)低速異常，低速異常呈現(xiàn)“斜U”型，與唐王寨推覆體的分布形狀一致.Zhang等(2020)在北川—映秀斷裂南段的虹口地區(qū)也進(jìn)行了背景噪聲層析成像和HVSR方法的研究，其研究結(jié)果顯示汶川地震在虹口地區(qū)的地表破裂帶下方約2.0 km深度也觀測到了較低的剪切波速度異常.

已有的研究表明斷層帶由斷層核及其周圍的脆性損傷區(qū)域組成，在主滑動界面附近會存在低速帶.低速帶可以放大地面運動，并且包含很多地球物理的重要信息.高分辨率的斷裂帶成像不僅提高了我們對地震物理性質(zhì)的認(rèn)識，也更好地預(yù)防和減輕地震帶來的災(zāi)害，而且對評估地殼的長期變形至關(guān)重要(Yang，2015).Li等(2013)龍門山斷裂帶南部的科學(xué)鉆探結(jié)果進(jìn)行了研究分析，最終通過巖心、巖石學(xué)和構(gòu)造分析，確定了映秀—北川斷裂的斷層相關(guān)巖石(斷層泥、碎裂巖和斷層角礫巖)，確定了汶川地震的主滑帶位置.Li等(2014b)又通過靠近映秀—北川斷裂的跨斷層臺陣記錄到的斷層圍陷波以及三維有限差分模擬對映秀—北川斷裂進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示映秀—北川斷裂帶寬度為100～200 m，龍門山斷裂南部有一個明顯的由嚴(yán)重破碎巖石組成的低速帶，他們將這個顯著的低速帶解釋為汶川地震動態(tài)破裂時產(chǎn)生的破裂帶，所以我們推測擂鼓附近的剪切波低速異常區(qū)域是受到了汶川地震地表破裂帶的影響，低速異常深度大約2.0 km.

研究區(qū)東南區(qū)域位于龍門山山前地帶與四川盆地，存在侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)地層以及第四紀(jì)沉積物(圖1).其中侏羅紀(jì)地層廣泛分布于龍門山山前地帶，構(gòu)成低山丘陵地形，是一套內(nèi)陸河、湖相紅色碎屑巖，與唐王寨推覆體和四川盆地相比，橫波速度較高.當(dāng)研究區(qū)進(jìn)入四川盆地以后，由于盆地地區(qū)較厚的沉積層，表現(xiàn)為速度最低的低速異常區(qū).

研究區(qū)西北部與中部都處于高高的山岳之中，雖然在布設(shè)臺站時已經(jīng)盡量避免較大高程的臺站出現(xiàn)，但還是難以避免的出現(xiàn)了1 km以下的高程差.為了減少地形的影響，在提取頻散曲線時，去除了高程差300 m以上的臺站對，與未去除高程差的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)西北區(qū)域的低速異常深度變淺.同時為了更好的減少地形因素對地下橫波速度反演的影響，在后續(xù)的工作中，會采用去除地形的三維速度反演方法.

同時本次研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)分布在地表破裂附近臺站的HVSR曲線具有雙峰特征，一個峰值頻率約1.5 Hz，另一個峰值頻率在3～10 Hz之間，推測可能是由于該地區(qū)地表破裂較為嚴(yán)重，斷裂帶中發(fā)育大量的斷層泥和碎裂巖塊.Zhang等(2020)在虹口地區(qū)通過HVSR研究結(jié)果顯示，位于地表破裂帶內(nèi)或附近的臺站HVSR曲線呈現(xiàn)雙峰特征，一個峰值頻率約0.5 Hz，另一個峰值頻率在3～5 Hz之間，而遠(yuǎn)離地表破裂帶的臺站呈現(xiàn)單峰特征.通過對比我們的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，我們的峰值頻率整體較高，通過頻率與深度的對應(yīng)關(guān)系得到北川地區(qū)沉積層深度較虹口地區(qū)更薄，同時在兩個地區(qū)地表破裂附近臺站的HVSR曲線均具有雙峰特征，由此推斷虹口地區(qū)和北川地區(qū)地表破裂帶內(nèi)部十分相似，均發(fā)育大量的斷層泥和碎裂巖塊.

總而言之，本研究使用短周期密集臺陣對北川地區(qū)進(jìn)行了背景噪聲層析成像和HVSR方法的研究，根據(jù)242臺短周期地震儀記錄到的22天的連續(xù)觀測數(shù)據(jù)中分別獲取了0.1～1 Hz的瑞利面波信號，然后采用一步反演法得到三維淺層橫波速度結(jié)構(gòu)，同時利用242個臺站的HVSR曲線得到了近地表沉積層的厚度.基于所有研究結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)存在三個剪切波低速異常區(qū)，其中汶川地震的地表破裂帶附近存在深約2 km的低速區(qū).

(2)位于地表破裂帶附近的臺站HVSR曲線具有雙峰特征，而遠(yuǎn)離地表破裂帶的臺站的HVSR曲線呈現(xiàn)單峰特征，研究區(qū)沉積層最厚可達(dá)200 m.

致謝感謝中國科技大學(xué)姚華建教授提供的頻散提取軟件包、方洪健老師開發(fā)的直接面波反演方法以及Geopsy軟件制作組.