《Journal of Applied Geophysics》：High-resolution 3D shear-wave velocity imaging using ambient noise tomography: application in groundwater exploration in a hard-rock granitic terrain
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•花岗岩硬岩环境下浅部地下三维横波速度（Vs）模型。•将Vs与现有地质和水文地球物理信息进行整合。•评估Vs模型在地下水勘探中的有效性。•环境噪声层析成像（ANT）作为地下水勘探中无损且具有成本效益的侦察手段。引言地下水是支撑生活、农业和工业用水需求的关键自然资源，尤其在干旱
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花岗岩硬岩环境下浅部地下三维横波速度（Vs）模型。
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将Vs与现有地质和水文地球物理信息进行整合。
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评估Vs模型在地下水勘探中的有效性。
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环境噪声层析成像（ANT）作为地下水勘探中无损且具有成本效益的侦察手段。
引言
地下水是支撑生活、农业和工业用水需求的关键自然资源，尤其在干旱、半干旱和硬岩地区，地表水资源有限。全球范围内，随着过度开采和气候变异性导致地下水位持续下降，淡水可用性正面临日益严峻的挑战（Megdal，2018）。这一问题在人口稠密且城市化快速推进的地区尤为突出。随着基础设施建设的增加，不透水地面面积不断扩大，导致雨季期间适宜地下水自然补给的区域大幅减少。在降雨稀少且缺乏河流、湖泊和池塘等常年性地表水体的地区，这一问题进一步加剧。在半干旱硬岩地区，地下水仅存在于高度局部化且非均质的区域中（Dewandel等，2010；Maréchal等，2018），利用钻孔识别这些区域同样面临诸多挑战。
多种地球物理方法被广泛用于地下水勘探。最常用的地球物理方法是电法和电磁法，包括垂直电测深（VES）、电阻率层析成像（ERT）、甚低频电磁法（VLF-EM）以及时域电磁法（TDEM）测量。这些方法依赖于地下电导率的变化，而电导率与含水率、孔隙度、黏土含量和流体盐度等水文地质性质密切相关（Goldman和Neubauer，1994；Siemon等，2009）。然而，这些方法存在一些固有的局限性，例如：VES依赖于一维（1D）地球模型的假设；ERT常存在岩性模糊问题；VLF-EM方法的探测深度有限；TDEM技术受低噪声抑制能力弱和对抗性目标灵敏度下降的影响（Goldman和Neubauer，1994）。除电磁法外，探地雷达（GPR）、钻孔调查以及地震折射/反射也是其他地下水勘探方法。然而，GPR在探测深度和导电介质中的信号衰减方面存在局限，钻孔调查则存在成本、精度和环境影响等方面的限制。
横波地震速度（Vs）同样对地下岩性、孔隙度、裂隙密度、风化程度和流体饱和度等性质敏感（Chen等，2021；Lei等，2022；Lecocq等，2017；Sun等，2015）。由于流体刚度较低，含流体区域的Vs值极低。因此，涉及地下Vs测定的地震方法（如地震反射/折射）是探索潜在含水层区域其他地球物理技术的补充。然而，在人口稠密地区获取浅部地下高分辨率三维Vs模型仍具有挑战性，这是因为人工震源（如爆破）的使用存在实际困难，而这些震源是地震测量的一项重要要求。利用天然震源（如地震）进行地震Vs成像是一种替代性地震方法，但同样面临天然震源在数量和分布上不足以支撑地震成像的问题。基于地震环境噪声的技术，如水平-垂直谱比值（HVSR）法，已成功应用于监测含水层动态和地下水位变化（Galone等，2024）。近年来，地震环境噪声层析成像（ANT）作为一种强有力的被动地震方法崭露头角，它通过从连续地震噪声记录中提取面波信息来实现地下地震速度结构成像。与现有的主动和被动地震方法不同，ANT不需要人工能量源，也不依赖于天然地震，使其具有成本效益高、环境友好且适用于城市或敏感环境部署的优点（Chen等，2021；Galone等，2024）。ANT利用交通和工业活动等人为噪声源，而这些噪声源在其他地球物理方法用于地下水勘探测量时通常被视为局限。这些特点使ANT特别适合调查硬岩地形中复杂的地下非均质性和划定潜在含水层区域（Lin等，2013）。ANT能够提供详细、连续且高分辨率的地下地震成像，从而在地下水勘探和水文地球物理调查中发挥重要作用（Laudi等，2023；Voisin等，2017）。尽管具有这些优势，利用环境地震噪声进行三维浅部地下成像以在非均质硬岩环境中开展地下水勘探的应用仍然有限，尤其与电阻率、地震和GPR等常规地球物理方法相比。
本研究确定了花岗岩硬岩环境下浅部地下高分辨率三维Vs结构。研究地点位于印度CSIR国家地球物理研究所（CSIR-NGRI）校园内，该所坐落于印度南部克拉通东部边缘的太古界达瓦尔克拉通上，属于印度南部稳定陆块，以高度风化的花岗岩和片麻岩为特征。本研究的主要目标是识别与地下水赋存相关的区域，并优化地下水开采的钻孔选址。研究结果与现有地质和水文地球物理信息相结合，以评估基于ANT获取的Vs模型在地下水勘探中的有效性。本研究展示了ANT作为复杂地质环境下地下水评估可靠、无损且具有成本效益的侦察工具的应用潜力。
章节摘要
数据
数据由部署在印度海得拉巴CSIR–国家地球物理研究所（NGRI）校园及周边区域约1×1 km2范围内的10台树莓派Shake 3D地震仪记录连续地震波形组成，每台仪器的频率响应约为0.6–34 Hz（图1a、b）。台网内台间距约168 m至1063 m。地震台网的运行时间为2025年3月22日至
预处理与互相关
采用环境地震噪声互相关方法获取台站对之间的经验格林函数（EGF），遵循既定方法（Campillo和Paul，2008；Shapiro和Campillo，2004）。连续地震记录使用标准流程进行预处理（Bensen等，2007），包括去均值和去趋势、锥形截断、一位量化归一化以及谱白化处理，以抑制瞬态信号并增强面波能量（Kumari等，2024a，Kumari等，2024b）。
结果
由ANT获得的三维Vs模型（图7）揭示了研究区域在水平和垂向上的显著非均质性。在浅部300 m范围内，Vs值范围约为0.13 km/s至0.85 km/s。速度分布以空间可变的低速区（LVZs）和高速区（HVZs）为特征，且这些区域在多个深度层上持续存在。为了便于与以往研究进行对比，Vs模型沿四个剖面进行了投影（如
讨论
所获得的Vs变化与沿四条ERT剖面（E2、E5、E6和E7，如图1所示）的电阻率值之间存在强烈的空间相关性（图8）。在所有剖面中，高Vs区域与高电阻率区域一致。低速区与低电阻率异常一致，这些异常据报为含水饱和、高度风化或断裂的地下材料（Rai等，2013）。这些异常的空间连续性表明存在水平
结论
本研究旨在探索被动地震方法在半干旱硬岩地形中地下水勘探和钻孔选址方面的潜在应用，该地形以变厚的土壤覆盖层和花岗岩基底为特征。我们利用ANT获取了地下最上部300 m范围内高分辨率三维Vs模型。所获得的Vs模型揭示了与已知地质构造和地下特征良好一致的稳定低值和高速异常
CRediT作者贡献声明
Mohit Bokariya：可视化、方法学、调查研究、正式分析、数据管理、概念化、写作–审阅与编辑、写作–原始稿撰写。Sandeep Gupta：验证、监督、经费获取、概念化、项目管理、资源、可视化、写作–审阅与编辑、写作–原始稿撰写。
利益冲突声明
作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的研究工作。
致谢
我们衷心感谢Nikhil Punna和B.N.V. Prasad在地震台站安装方面提供的宝贵帮助。我们诚挚感谢姚华坚教授和潘一辰先生在使用DsurfTomo方面提供的有益见解。SG感谢CSIR项目MLP-7008和HCP-0101的支持。我们感谢主编徐一先教授、副主编米彬彬博士以及三位匿名审稿人对稿件的严格审阅和建设性建议。
Mohit Bokariya | Sandeep Gupta
