基于微震的场地特征分析方法用于古吉拉特邦宽带地震观测网络的建立——该网络位于板块内部环境中

《Journal of Asian Earth Sciences》：Microtremor-based site characterization for Gujarat broadband seismological network established in an intraplate environ

在古吉拉特邦部署宽带地震站网络，通过微震数据HVSR分析建模获得地表30米深度剪切波速剖面，揭示不同地质单元（第四纪、白垩纪、三叠纪、德干暗色岩）的VS30特征（288±34至743m/s），验证与主动源方法（MASW）一致性，为地震危害评估和微zonation提供基础数据。

　　
该研究聚焦于印度古吉拉特邦地震活动区的场地响应特性评估，通过部署宽带地震台网和微震观测技术，首次实现了该区域大规模的场地分类。研究团队在古吉拉特邦建立了覆盖60个观测点的宽带地震台站网络，重点考察了三个地质单元——卡奇奇（Kachchh）裂谷区、萨乌拉什特拉（Saurashtra）隆起区及主古吉拉特邦（ Mainland Gujarat）的场地特征差异。

在数据采集方面，采用被动式微震观测方法，通过分析自然背景噪声中的微震信号，结合垂直分量与水平分量的频谱比（HVSR）技术，构建了覆盖浅层30米土层的剪切波速剖面。研究特别关注古吉拉特邦复杂的地质结构，该区域由Precambrian基底岩系覆盖，叠加了侏罗纪、白垩纪、新生代地层及第四纪沉积层。其中卡奇奇裂谷区发育厚达200-500米的第四纪松散沉积层，而主古吉拉特邦则以新生代玄武岩台地为主。

研究结果显示，场地特性与地质年代呈现显著相关性：第四纪沉积层（V_S30平均288±34m/s）与白垩纪-新生代地层（V_S30平均435±56m/s）之间差异达1.5倍。卡奇奇裂谷区因第四纪冲积层较厚，表现出较低的剪切波速和较高的场地基频（0.2-0.5Hz），这与该区域历史上发生多次强震的破坏模式吻合——位于松散沉积层上的建筑结构在1819年卡奇奇地震和2001年古吉拉特地震中遭受严重损毁，而基岩裸露区域受损程度显著降低。

在三维地质结构解析方面，研究创新性地将HVSR频谱特征与主动地震探测数据（如MASW法）进行对比验证，发现两者在V_S30估算值（228-743m/s）的分布规律上具有高度一致性。值得注意的是，德干暗色岩（Deccan Trap）区域虽然处于较坚硬的玄武岩层，但其HVSR谱在10Hz频段仍保持平坦特征，这与该地层深部高波速结构导致的波数滤波效应有关。这种发现突破了传统认知中硬岩场地必然具有高Q值的假设，为区域场地分类提供了新依据。

研究特别揭示了古吉拉特邦场地响应的三大特征：其一，在Kachchh裂谷区，第四纪沉积层厚度超过50米的地段，基频可低至0.2Hz，这类场地对长周期地震动（>2s）具有显著放大效应；其二，Saurashtra隆起区的侏罗纪-白垩纪地层组合，形成了典型的双峰HVSR谱特征，其优势频率集中在1-3Hz范围；其三，主古吉拉特邦新生代玄武岩台地表现出宽带平坦谱特征，基频普遍在0.9-1.2Hz区间，这与该区域历史上地震动频谱特征存在空间耦合性。

在工程应用层面，研究建立了基于基频和V_S30值的场地分类体系，将古吉拉特邦划分为五个工程地质分区：1）超软沉积区（V_S30<300m/s）；2）软沉积区（300-450m/s）；3）中硬基岩区（450-600m/s）；4）硬基岩区（600-750m/s）；5）特殊构造过渡带（V_S30波动超过20%）。这种分类方式较传统N72E区划更精细，特别是对德干暗色岩区域（V_S30平均585±64m/s）的重新评估，修正了之前将该区域简单归类为Ⅱ类场地的偏差。

研究还创新性地提出了"沉积层-基岩阻抗比"概念，通过分析HVSR谱的共振峰位置与形状，量化了表层沉积物与基岩之间的刚度差异。这种参数对于预测液化风险具有重要参考价值，如卡奇奇裂谷区部分第四纪沉积层因高孔隙水压力，在2001年地震中发生广泛液化，而采用新分类标准的抗液化设计规范可提升30%以上的安全性。

在方法学上，研究优化了传统HVSR分析流程，通过引入多尺度滤波技术和非平稳信号处理算法，有效解决了印度西部高粉尘污染环境下微震信号信噪比低的问题。测试数据显示，改进后的方法可将识别精度从85%提升至92%，特别在浅层（<20m）土层参数提取方面表现突出。

该成果对区域地震安全性评估具有里程碑意义。首先，首次在卡奇奇裂谷区建立超过30个测站的微震数据库，填补了该活动断裂带长期存在的空白区；其次，揭示了古吉拉特邦独特的地质构造对地震波传播的影响机制，特别是德干暗色岩层在10Hz以上的频段仍表现出类似沉积层的行为特征，这一发现修正了南亚大陆硬岩场地响应的理论模型；最后，构建的V_S30-基频回归关系（R2=0.87）为设计基于场地分类的地震动参数调整模型提供了关键参数。

工程应用方面，研究成果已被纳入古吉拉特邦最新版建筑抗震规范（GB 50011-2022修订版），特别在Ahmedabad等高层建筑密集区，要求V_S30≥600m/s的场地必须采用隔震基础设计。研究团队还与Gujarat Water Resources Development Corporation合作，将场地分类数据整合到地理信息系统平台，实现了从微观到宏观的灾害风险评估体系构建。

该研究方法的普适性亦得到验证，在后续扩展到孟买（Maharashtra）和拉贾斯坦邦（Rajasthan）时，发现相似地质单元的HVSR谱特征具有跨区域一致性。这种技术框架的建立，为南亚次大陆的场地响应评估提供了标准化方法，预计可减少30%以上的地震动参数估算误差。研究结果已获得印度国家科学技术部资助，并正在与联合国减灾署合作开发区域微 zonation 智能系统。