基于微動方法研究五大連池火山區(qū)尾山火山錐淺層剪切波速度結構

張寶龍, 李志偉, 包豐, 鄧陽, 游慶瑜, 張森琦

1 中國科學技術大學蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站， 合肥　230026 2 中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室, 武漢　430077 3 黑龍江省地震局， 哈爾濱　150090 4 中國科學院地質與地球物理研究所油氣資源研究重點實驗室, 北京　100029 5 中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心， 河北保定　071051

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基于微動方法研究五大連池火山區(qū)尾山火山錐淺層剪切波速度結構

張寶龍1，2, 李志偉2*, 包豐2, 鄧陽3, 游慶瑜4, 張森琦5

1 中國科學技術大學蒙城地球物理國家野外科學觀測研究站， 合肥230026 2 中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室, 武漢430077 3 黑龍江省地震局， 哈爾濱150090 4 中國科學院地質與地球物理研究所油氣資源研究重點實驗室, 北京100029 5 中國地質調查局水文地質環(huán)境地質調查中心， 河北保定071051

為了研究五大連池火山區(qū)尾山火山錐淺層三維波速結構特征，在尾山火山錐附近區(qū)域布設了無線地震檢波器密集臺陣，記錄連續(xù)地震背景噪聲波形數據.基于微動方法(拓展空間自相關方法)提取了臺站間2～5 Hz頻率范圍的Rayleigh面波相速度頻散曲線.利用面波層析成像方法反演獲得2～5 Hz Rayleigh面波二維相速度圖像，基于每一個網格節(jié)點的頻散曲線，進一步反演獲得了尾山火山錐附近區(qū)域地表至700 m深度的三維剪切波速度結構.成像結果顯示：在0～150 m較淺深度，靠近尾山火山錐區(qū)域顯示為相對高速異常，遠離火山錐區(qū)域則顯示為相對低速異常.而至150～700 m較深深度，波速異常特征與淺部相反，靠近尾山火山錐的區(qū)域顯示為相對低速異常，遠離火山錐的區(qū)域顯示為相對高速異常.在遠離尾山火山錐區(qū)域，淺層的相對低速異?？赡芘c松散沉積層有關，深部的高速異常則反映了結晶變質巖的影響.在靠近尾山火山錐區(qū)域，淺部的相對高速異常應該反映了出露地表的玄武巖，而深部的相對低速異常則可能反映了火山通道周圍廣泛發(fā)育的破碎裂隙結構及其火山噴發(fā)后孔隙流體填充的影響.關鍵詞淺層結構； 剪切波； 微動方法； 面波層析成像

1　引言

數十米至數百米深度的地殼淺層剪切波速度結構可為地震工程場地評估、強地面運動模擬、活動斷裂、地熱資源勘查等提供重要的參考.對于具有較厚沉積層地區(qū)而言，可靠的淺層波速結構可為地震定位、地殼上地幔深部結構成像等研究提供可靠的淺層結構模型(Xia et al., 1999; 何正勤等,2007; 徐佩芬等, 2009,2013; Xu et al., 2012; Li et al., 2014, 2016; Ni et al., 2014; 李志偉等,2015).因此，地殼淺層剪切波速度結構對于大型工程建設和基礎研究均具有重要意義.目前地殼淺層剪切波結構主要的研究包括主動源和被動源方法.主動源方法主要為采用人工震源(如爆炸震源，氣槍，重錘，震源車)激發(fā)地震面波信號，提取面波頻散信息并反演剪切波速度結構.主動源方法具有信噪比高、探測精度高等優(yōu)點(Xia et al., 1999; Wang et al., 2016).然而，主動源探測方法的成本較高，同時基于炸藥震源的方法對環(huán)境有一定破壞性，在城市等人口密集地區(qū)開展探測工作受到一定限制.被動源方法不依賴于人工震源，而是利用包括天然地震事件、地震背景噪聲等在內的被動震源產生的信號探測淺層結構.例如，利用地震臺站記錄到的近震事件P波波形，基于初至P波垂向與徑向振幅比，以及來自沉積基底的Ps、Sp轉換震相的時差和振幅比，可以獲得臺站下方數十米至數百米深度的淺層剪切波速度結構(Li et al., 2014; Ni et al., 2014).

地球上時刻存在著由海洋、大氣、地震等各種震源激發(fā)的地震波，攜帶了噪聲源及地球內部結構的豐富信息.隨著地震學理論和方法的發(fā)展，基于地震背景噪聲數據的研究在地殼波速結構成像、地球內部波速結構隨時間變化、地震水平位置測定等方面取得了豐富的成果(Shapiro et al., 2005; Stehly et al., 2006; Zhan et al., 2011).通過提取地震臺陣記錄的地震背景噪聲數據中的面波信號，可以獲得面波頻散并反演地殼及上地幔的剪切波速度結構.而在地殼淺層結構研究中，也發(fā)展了包括空間自相關(Spatial Autocorrelation, SPAC)、拓展空間自相關(ESPAC)、頻率波數法(F-K)、H/V譜比法等基于地震背景噪聲數據的微動方法.在地殼淺部數十米至數百米深度的波速結構探測中，基于臺陣的微動探測方法已在地熱資源、重大工程場地等研究領域獲得了廣泛應用，取得了良好的應用效果(Toks?z and Lacoss, 1968; Ling, 1994; Okada, 2003; Xu et al., 2012).基于地震背景噪聲的地殼淺層結構成像方法不受地震事件時空分布的限制，施工成本較低，對環(huán)境無破壞，因此已經取得了較快發(fā)展，成為研究地殼淺層波速結構的重要地震學方法.

Aki(1957)最早提出了SPAC方法的概念，并給出了平穩(wěn)隨機波動理論假設下一維和二維的空間自相關理論和應用實例.Aki(1965),Asten(1976), Ferrazzini等(1991), Chouet等(1998), Satoh等(2001)又對微動探測的原理和技術方法進行了研究，推動了微動方法的發(fā)展.何正勤等(2007)利用微動方法研究了0～3 km深度的剪切波速度結構，為確定地熱鉆井位置提供了依據，并得到了后期鉆孔資料的驗證.徐佩芬等(2009, 2013)基于微動方法開展了煤礦陷落柱和地鐵沿線地下“孤石”等淺層波速結構相關的探測研究.

除了空間自相關方法外，還有一些基于地震背景噪聲的地殼淺層結構探測方法.Capon(1970)利用最大似然F-K法成功地從地震背景噪聲中提取了面波信號.Nakamura(1989)發(fā)展出新的臺陣數據處理方法，即H/V譜比法研究場地的卓越頻率及放大因子等參數，用于估計沉積層厚度.Claerbout(1968)提出了地震背景噪聲互相關理論的雛形，證明了在水平層狀且底層為均勻無限半空間模型中，自由地表記錄的底部透射地震波自相關波形與其自激自收波形是等價的.Xu等(2013)在三峽庫區(qū)巴東縣黃土坡滑坡體隧道內用47個Texans 4.5 Hz檢波器組成的測線記錄了28個小時微動數據，利用波形互相關方法得到了3～8 Hz面波信號，并采用多道面波分析方法(MASW)提取相速度頻散曲線，最后反演獲得滑坡體200 m深度內的剪切波速度結構.徐義賢和羅銀河(2015)詳細總結了噪聲地震學在淺層勘探中的應用現狀，并對噪聲地震學的發(fā)展前景進行了展望.上述研究進一步表明微動方法在地殼淺層結構探測中的良好應用效果.

五大連池火山是我國最重要的活火山之一(其它重要的活火山包括騰沖火山、長白山火山及鏡泊湖火山)，其最近一次噴發(fā)發(fā)生在約300年前，噴發(fā)的火山口位于尾山西南側的老黑山和火燒山.尾山位于五大連池火山群的北部，靠近整個五大連池火山區(qū)的中間區(qū)域.準確可靠的地殼淺表層剪切波結構對于火山地震準確定位和火山下方地殼深部三維結構成像具有重要意義，能夠提高深部結構成像的可靠性.我們在五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近區(qū)域布設了由29個地震檢波器組成的密集臺陣，對記錄的連續(xù)地震背景噪聲波形數據，使用微動方法提取Rayleigh面波相速度頻散曲線，并采用面波層析成像方法反演了研究區(qū)地殼淺層剪切波速度結構.在此基礎上，我們對五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近區(qū)域的波速異常結構及其相關地質意義進行了初步討論.

2　方法

基于空間平穩(wěn)隨機波動理論和基階面波是微動信號中的主要能量兩個假設下，Aki(1957)對空間自相關理論進行了研究.在規(guī)則臺陣的觀測系統下，設圓心處的垂向分量波場為u(x,y,t),而圓周上任一臺站的垂向分量波場為u(x+ξ,y+η,t)，則空間自相關函數φ(ξ,η,t)可表示為

(1)

上劃線表示時間平均.假設波場以單一速度c在圓內傳播，則空間自相關函數的方位平均為

(2)

上式為極坐標表達形式，ψ為圓形觀測臺陣中半徑為r處臺站與中心點臺站的方位角，ξ=rcos(ψ)，η=rsin(ψ).空間自相關函數方位平均與波場功率譜密度關系可表示為

(3)

(4)

Φ(ω)為波場的功率譜密度，ω為角頻率，J0為第一類零階貝塞爾函數.對上述信號應用窄帶濾波，功率譜密度可表示為

(5)

P(ω0)為在頻率為ω0時的功率譜密度，δ(ω-ω0)為狄拉克函數，此時方位平均的空間自相關函數可表示為

(6)

自相關系數定義為

(7)

由于功率譜密度與臺站位置無關，因此可將方位平均后的自相關系數寫為

(8)

(9)ρij(f)是自相關系數，是頻率f的函數；Ui(f)與Uj(f)表示臺站i與臺站j的頻率域微動數據，*表示共軛，ω0為角頻率，r為臺站i與臺站j間的距離，c(ω0)為Rayleigh面波相速度.

Asten(2006)提出當臺站在圓周上充分多或為各向同性波場時，抑或臺站間記錄了足夠長時間的微動信號時，自相關系數譜的虛部為零，其實部為第一類零階貝塞爾函數.在實際計算中，虛部一般不為零，表明噪聲源空間分布并非絕對均勻，或者地震噪聲波場不是穩(wěn)定不變的平面波，這會在自相關系數譜計算中引入一定誤差.一般來說，將自相關系數譜的實部近似為第一類零階貝塞爾函數，即

(10)

常規(guī)SPAC方法通常將觀測系統布設成同心圓，以減小噪聲源方位分布不均勻對面波頻散曲線可靠性的影響.為了能夠使空間自相關方法在較大區(qū)域開展研究，Ling和Okada(1993)發(fā)展出了基于不規(guī)則臺陣的拓展空間自相關方法(Extend SPAC，即ESPAC).ESPAC方法布置觀測系統比較靈活，可以布設成一字型、十字型或呈網狀的任意形狀，并通過兩兩臺站間的數據處理獲得臺站間的面波頻散信息.隨著地震背景噪聲方法理論的發(fā)展，以及對于臺陣布設無嚴格限制的優(yōu)點，基于不規(guī)則臺陣的ESPAC方法在地殼淺層結構研究得到廣泛應用.Ohori等(2002)利用ESPAC和FK方法處理了T型臺陣數據，并對獲得的Rayleigh相速度頻散曲線進行對比分析，發(fā)現基于不規(guī)則臺陣ESPAC方法得到的Rayleigh面波相速度頻散曲線更為可靠.Chávez-García等(2005，2006)和Ekstr?m等(2009)研究表明在噪聲來源方向隨機分布的情況下，由兩個臺站獲取的空間自相關函數為貝塞爾函數，與同心圓臺站得到的結果相同，即臺站對間長時間的地震時間序列可以替代Aki(1957)提出的規(guī)則臺陣空間方位平均；而在新西蘭開展的多次不規(guī)則臺陣觀測也表明反演得到的淺層剪切波速度結構與已有研究成果一致.不僅如此，Chávez-García和 Rodríguez(2007)基于不規(guī)則臺陣背景噪聲數據的研究表明：頻率域互相關(SPAC)與時間域波形互相關方法得到的Rayleigh相速度頻散曲線是一致的.Tsai和Moschetti(2010)從理論上也證明了基于頻率域互相關的SPAC方法與時間域波形互相關方法的一致性.Nakata等(2011)和何正勤等(2013)利用ESPAC方法從線性臺陣記錄的地震背景噪聲中恢復了面波信號，測量了面波相速度頻散曲線，發(fā)現與主動源多道面波分析方法的結果相比具有較好一致性.上述研究表明：基于不規(guī)則臺陣的微動方法可以有效探測地殼淺層剪切波速度結構.

3　微動觀測系統及數據處理

3.1微動觀測系統

五大連池火山群由14個火山錐組成，實心正三角為各火山口位置，尾山位于該火山群最北側，整體呈北西-南東走向，其東側及南側為五大連池堰塞湖(圖1a).研究區(qū)域廣布農田和樹林，高程在320～520 m之間，西側和北側海拔較高，東南側較低，整體地勢較為平坦.尾山火山錐高程520 m左右.我們將29個主頻為2 Hz的地震檢波器組成密集觀測臺陣，布設在五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近(圖1b).由于尾山火山口附近森林密布、地形復雜，地震儀器主要布設在尾山火山口的西側.盧川等(2015)利用相同類型的地震檢波器開展了沉積盆地的微動探測并取得了良好效果，表明此類地震檢波器適用于微動探測研究.臺站位置及時間服務則依據儀器內置GPS獲得，采樣率設為200 Hz.儀器采用內置鋰電池供電，每個儀器都記錄了至少15 h微動信號.由于白天人文干擾較大，因此挑選出2014年7月7號晚上6點至7月8號早上9點共15 h數據進行進一步處理.

3.2數據處理

在計算臺站對空間自相關系數前，我們分別對單個臺站的原始數據進行了預處理，包括去均值、去傾斜、去尖脈沖等操作，并對數據進行頻譜分析(圖2).數據振幅譜在1～5 Hz頻段內能量較強，帶通濾波窗口選為0.1～10 Hz.將每個臺站垂向分量微動數據按60 s分段，共計900段.首先對每段數據進行傅里葉變換，按公式(9)用一個臺站的傅里葉譜與另一個臺站的譜的共軛計算自相關系數，并按公式(10)取實部后進行疊加.然后采用滑動絕對平均方法對疊加后的自相關系數波形進行平滑處理，得到每個臺站對的自相關系數曲線，并剔除了信噪比較低、未能呈現第一類零階貝塞爾曲線形態(tài)的自相關系數曲線.從不同臺站距的自相關系數波形可以看出，自相關系數曲線與第一類零階貝塞爾曲線類似，且隨著臺站間距的增大，第一個零點對應的頻率呈下降趨勢(圖2c).

圖1　(a) 五大連池火山區(qū)，上覆白色煙圈的實心正三角為14座火山分布圖，圖右下方為研究區(qū)的地理位置.從左至右依次為南北格拉球山、臥虎山、筆架山、老黑山、藥泉山、老黑山、火燒山、東西焦德布山、尾山、小孤山、東西龍門山、莫拉布山，實線方框為此次研究區(qū)域尾山周邊； (b) 研究區(qū)域臺站分布圖，實心倒三角為29個臺站分布，虛線OA, OB, OC, DD′是圖6，圖8和圖9所示的四組剖面； (c) 研究區(qū)域三維地形分布圖.圖1a中實線方框圈定位置為研究區(qū)域Fig.1　(a) Locations of 14 volcanos (triangles with smoke rings) around the Wudalianchi City (In north eastern China), the study region is in the solid box area. (b) Locations of 29 stations (inverted triangles) around the study region of Weishan. The 4 dash lines in (b) delineate the positions of 4 profiles of shear velocity, which are plotted in Fig.6，Fig.8 and Fig.9. (c) Three-dimensional topographic map of the study region

4　成像結果與討論

本文采用面波層析成像方法對2～5 Hz的相速度頻散數據進行了層析成像反演(Yanovskaya and Ditmar, 1990).面波射線路徑分布顯示頻散數據對研究區(qū)有較好覆蓋(圖4).反演采用0.1 km×0.1 km網格，并經過多次成像測試確定合適的正則化參數和阻尼系數，從而保證成像結果相對平滑且能夠較好擬合觀測數據(圖5).為了更清晰地分析層析成像結果隨空間和周期的變化，以尾山火山口為原點O，分別沿西向OA，西南向OB，南向OC以及尾山南側東西走向DD′(見圖1b)獲得4組相速度頻散曲線變化剖面圖(圖6).在研究區(qū)西側、西南側及南側靠近尾山火山口的區(qū)域，在2.8～4.0 Hz頻段內相速度相對較高.

圖2　(a) 4個臺站原始數據波形圖； (b) 4個臺站原始數據頻譜； (c) 4個臺站對的空間相關系數波形Fig.2　(a) Observed noise record in 4 stations； (b) Power spectrum of the data in panel (a)；(c) Cross-correlation coefficients as a function of frequency for 4 different station pairs

圖3　(a) 所有臺站對實測頻散曲線，其中灰色短虛線為由(b)中平均速度模型計算得到的理論頻散曲線；(b) 研究區(qū)一維剪切波平均速度模型； (c) 周期為3 Hz, 2.5 Hz, 2 Hz, 1.25 Hz面波相速度敏感核曲線Fig.3　(a) The measured Rayleigh wave phase velocity dispersion curves base on the microtremor survey. The gray dashed line is theoretical dispersion curve based on the model in (b).(b) The 1-D model of average shear wave velocity in the study region.(c) Normalized depth sensitivity kernels for 1.25～3 Hz Rayleigh wave phase velocity

圖4　(a)射線路徑分布圖； (b)網格射線覆蓋數統計Fig.4　(a)Ray path coverage; (b)Ray path number in each grid

圖5　多個周期的相速度分布圖.右上角為周期，紅色實心正三角為尾山火山錐位置.圖中給出研究區(qū)周期為4.2 Hz, 3.4 Hz, 2.8 Hz, 2.2 Hz的面波相速度水平層析成像結果Fig.5　Tomographic images for Rayleigh wave phase velocity at 4.2, 3.4, 2.8 and 2.2 Hz. The period for each subfigure is labelled on the upper-right corner. Red triangle shows the location of Weishan volcano cone

面波相速度頻散數據不同周期的敏感核測試表明： 2.0～3.0 Hz頻散數據對0～700 m結構均有一定分辨能力，對100～400 m結構較為敏感，其中2 Hz頻散對100～500 m較淺深度具有較好分辨能力(圖3).為了獲得研究區(qū)三維剪切波速度結構，將每個網格的相速度頻散數據采用線性方法進行反演(Herrmann and Ammon, 2004)，得到1-D 隨深度變化的剪切波速度結構，并通過插值平滑便可獲得研究區(qū)0～700 m的三維剪切波速度結構(圖7和8).100 m深度的剪切波速度圖像顯示：剪切波波速變化范圍為600～950 m·s-1，在靠近尾山火山錐和研究區(qū)西北部為高速異常，研究區(qū)東南部則為低速異常；至200 m以下深度，靠近尾山火山錐區(qū)域和研究區(qū)西北部則顯示為低速異常，研究區(qū)東南部為高速異常.為了更好反映研究區(qū)波速結構變化特征，圖8和圖9分別給出了絕對和相對剪切波速度變化剖面.圖8給出了由尾山火山口向西1.7 km(OA)，向東南2.0 km(OB)，向南1 km(OC)及尾山南側東西方向長度為2 km的測線DD′等四組剖面，清晰地展示了0～700 m深度絕對剪切波速度變化特征.OA，OB，OC三組由火山口為原點的測線海拔由480 m逐漸降為360 m，尾山近處100 m以上淺層剪切波速度較遠處高，并呈現出地表低速覆蓋層越靠近尾山越薄的特征.DD′測線由東向西海拔由400 m降至360 m，整體較為平坦，同樣地，100 m深度以上的淺層，靠近尾山火山錐處的剪切波速度要較遠處高，并呈現出低速覆蓋層越靠近尾山越薄的特征.圖9同樣反映了OA，OB，OC，DD′四組剖面在150 m深度以上的淺層地表尾山火山錐近處速度較遠處偏高，而在150～700 m深度范圍內，尾山火山錐近處速度較遠處偏低.

鑒于面波頻散數據覆蓋范圍的限制，本文只展示和討論了研究區(qū)主要的異常結構特征，而更小尺度異常特征可能具有較大不確定性不進行討論.野外地質調查發(fā)現在尾山火山錐附近區(qū)域地表覆蓋有松散沉積土壤層，且靠近火山錐附近廣泛出露有多孔隙玄武巖.因此，推測尾山火山錐附近的剪切波速度異常特征可能由以下因素造成：尾山為整體走向為北西-南東，尾山火山口近處及研究區(qū)西北部地勢較高，有黑色多孔隙玄武巖出露，東南部地勢較低，地表分布為松散沉積層，推測靠近尾山火山錐處及西北部深部為火山噴發(fā)的玄武巖，在波速結構成像結果中顯示為高速異常；而在遠離尾山火山錐處，其淺部的低速異常反映了地表松散沉積層的影響；并且越靠近尾山火山錐，松散沉積層的厚度越薄(圖7—9).至200 m以下深度，剪切波速度分布特征與火山噴發(fā)時火山口附近的巖漿分布密切相關：在靠近尾山火山錐區(qū)域，火山作用造成火山通道周圍較為破碎多裂隙發(fā)育，加之火山巖為多孔隙玄武巖富含孔隙流體，使之顯示為低速異常；而在遠離尾山火山錐區(qū)域，其異常特征可能反映了具有較高剪切波速度的結晶變質巖的影響.

圖6　以尾山火山口為原點O，沿西向OA，西南向OB，南向OC 以及尾山南側東西走向DD′(見圖1b)等4組測線的相速度頻散曲線變化剖面圖，四組剖面的色標相同Fig.6　(a—d)Cross sections of phase velocity dispersion curves along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b. The solid line on the top is elevation along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b

圖7　剪切波速度不同深度剖面圖.右上角為深度，紅色實心三角為尾山火山錐，色標為剪切波速度值變化Fig.7　Tomographic images for shear-wave velocities at 0.1～0.5 km depths. The depth for each subfigure is labelled on the upper-right corner. Red triangle shows the location of Weishan volcano cone

圖8　(a) OA測線剪切波速度剖面； (b) OB測線剪切波速度剖面； (c) OC測線剪切波速度剖面； (d) DD′ 測線剪切波速度剖面；圖形上部為該測線地形變化，四組剖面色標相同，均為剪切波速度變化.四組剖面方位分布如圖1b所示Fig.8　(a—d) Cross sections of shear wave velocity along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b. The solid line on the top is elevation along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b

圖9　(a) OA測線區(qū)域平均剪切波速度擾動剖面； (b) OB測線區(qū)域平均剪切波速度擾動剖面； (c) OC測線區(qū)域平均剪切波速度擾動剖面； (d) DD′測線區(qū)域平均剪切波速度擾動剖面；圖形上部為該測線地形變化，四組剖面色標相同，均為區(qū)域平均剪切波速度±20%速度擾動.四組剖面方位分布如圖1b所示Fig.9　(a—d) Cross sections of the average shear wave velocity perturbations along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b. The solid line on the top is elevation along OA, OB, OC and DD′ profiles delineated in Fig.1b

5　結論

本文利用由29臺檢波器組成的無線地震檢波器密集臺陣，在五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近開展了連續(xù)地震背景噪聲觀測，并基于微動和面波層析成像方法獲得了研究區(qū)地表至700 m深度的地殼淺層三維剪切波速度結構.五大連池火山區(qū)尾山火山錐附近的三維剪切波速度成像結果顯示：在0～150 m的淺部靠近尾山火山錐的區(qū)域顯示為相對高速異常，遠離火山錐的區(qū)域顯示為相對低速異常.至150～700 m深部，波速異常特征則明顯與0～150 m深度的波速特征相反，即靠近尾山火山錐的區(qū)域顯示為相對低速異常，遠離火山錐的區(qū)域顯示為相對高速異常.在遠離尾山火山錐區(qū)域，淺層的相對低速異?？赡芘c松散沉積層有關，深部的高速異常則反映了結晶變質巖的影響；在靠近尾山火山錐區(qū)域，淺部的相對高速異常應該反映了出露地表的玄武巖，而深部的相對低速異常則可能反映了火山通道周圍廣泛發(fā)育的破碎裂隙結構及其火山噴發(fā)后孔隙流體填充的影響.

致謝感謝審稿專家寶貴的修改意見和建議.感謝倪四道教授的指導和幫助.

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(本文編輯胡素芳)

Shallow shear-wave velocity structures under the Weishan volcanic cone in Wudalianchi volcano field by microtremor survey

ZHANG Bao-Long1,2, LI Zhi-Wei2*, BAO Feng2, DENG Yang3, YOU Qing-Yu4, ZHANG Sen-Qi5

1MengchengNationalGeophysicalObservatory,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China2StateKeyLaboratoryofGeodesyandEarth′sDynamics,InstituteofGeodesyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430077,China3HeilongjiangEarthquakeAdministration,Harbin150090,China4KeyLaboratoryofPetroleumResourceResearch,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China5HydrogeologyandEnvironmentalGeologySurveyCenter,ChinaGeologicalSurvey,BaodingHebei071051,China

A dense seismic array with wireless digital geophones was deployed to record continuous seismic noise to investigate the shallow velocity structure beneath the Weishan volcanic cone. The ESPAC technique, which is one of popular microtremor survey methods, was adopted to extract the Rayleigh wave phase velocity dispersion curves between station pairs. We obtained high-resolution phase velocity maps at 2～5 Hz with these dispersion measurements, and constructed a 3-D shallow shear-wave velocity model beneath Weishan volcanic cone by inverting the phase velocity dispersion curves at each grid points using an iterative linearized least-square inversion scheme. Significant velocity anomalies at different depths (0～700 m) and different regions are shown in the obtained 3-D shear-wave velocity model. At 0～150 m depth, the low velocity anomalies are mainly distributed far away from the Weishan volcanic cone, and the high velocity anomalies are mainly distributed near the cone. On the contrary, at deeper depth of 150～700 m, it was shown a totally different feature with the low velocity anomalies mainly constrained near the cone, and the high velocity anomalies situated far away from it. Field geological survey indicates that the Weishan volcanic areas are covered by unconsolidated sediment layer and very porous basalt. Therefore, far away from the cone the low velocity anomaly at shallow depth (<150 m) may correlate with the unconsolidated sediments, and high velocity anomaly at deeper depth (>150 m) implies the influence of the crystalline metamorphic rocks. Otherwise, near the Weishan volcanic cone area, the relatively high velocity anomaly at shallow depth may be due to the consequence of volcanic eruptions of porous basalt, while the relatively low velocity anomaly at deeper depth probably points to the volcanism caused more fragmentations which were filled with pore fluid.

Shallow velocity structure; Shear-wave velocity; Microtremor survey; Surface wave tomography

10.6038/cjg20161013.

國家自然科學基金(41304045，41674065)，國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2013CB733204)，中國地質調查局(水[2014]02-008-005-W03)，大地測量與地球動力學國家重點實驗室自主課題，中國地震局地震科技星火計劃青年項目(XH15014Y)聯合資助.

張寶龍，男，1987年生，博士研究生，主要從事地球深部地震學結構成像、基于噪聲的淺層地殼結構成像等研究.

E-mail:zblong@mail.ustc.edu.cn

李志偉，男，研究員，主要從事地殼淺層及深部結構地震成像方法和應用研究.E-mail:zwli@whigg.ac.cn

10.6038/cjg20161013

P315，P631

2016-01-08，2016-08-22收修定稿

張寶龍, 李志偉, 包豐等. 2016. 基于微動方法研究五大連池火山區(qū)尾山火山錐淺層剪切波速度結構. 地球物理學報，59(10):3662-3673,

Zhang B L, Li Z W, Bao F,et al. 2016. Shallow shear-wave velocity structures under the Weishan volcanic cone in Wudalianchi volcano field by microtremor survey.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),59(10):3662-3673,doi:10.6038/cjg20161013.