野生动物液化台阵不同深度区间地震波速度与场地响应时间变化的监测

《Engineering Geology》：Monitoring temporal variations in seismic velocity and site response across different depth intervals at the Wildlife Liquefaction Array

　　

•在不同深度分辨时变的dv/v和场地响应变化。
•强地震运动导致dv/v急剧下降和场地响应峰值偏移。
•正向建模将温度和孔隙压力与dv/v变化联系起来。
•小波分析跟踪场地放大效应的时变过程。

**引言**

地下最上部几十米被人类广泛用于交通、存储和基础设施等方面。研究浅层地下对不同自然和人为扰动的响应，无论这些扰动发生在地表还是地下，都可以为灾害评估和基础设施设计提供有价值的信息（Brando等，2020年；Chanard等，2018年；Foulger等，2018年）。

场地响应可以通过放大震动、改变其频谱内容和延长其持续时间来显著修改地面运动（Hélo?se等，2012年）。这些效应可归因于不同的机制，包括地下结构的垂直非均质性（Gazetas，1982年），以及与埋藏形态（di Lernia等，2024年；Gatmiri和Arson，2008年）或地表地形（Bouchon，1973年；Bouckovalas和Papadimitriou，2005年）相关的散射或聚焦效应。这种由场地引起的地面运动变化会改变结构上的地震需求并影响破坏模式（Falcone等，2026年）。地震波速反映了浅层地下的状态，是决定场地响应的主要因素。

除众所周知的空间变化外，地震波速和场地响应还表现出明显的时变特征，时间尺度从亚日变化到季节变化不等。地震波速的时变可由多种动态过程引起，包括地震（Brenguier等，2008年；Liu等，2018年；Wang等，2019年）、地下水波动（Hillers等，2014年；Lecocq等，2017年；Mao等，2022年）和温度变化（Fokker等，2024年；Hillers等，2015年；Mao等，2019年；Richter等，2014年）。在这些过程中，强地震已知会引发显著的场地非线性响应（Beresnev和Wen，1996年），通常表现为共振频率突然降低、衰减增大和地震波速下降（Field等，1997年；Sawazaki等，2006年）。相比之下，地下水和温度波动等环境因素通常导致微弱的季节性变化（Kula等，2018年；Rigo等，2021年；Seivane等，2022年；Vassallo等，2022a年）。

此外，先前的研究表明，地震波速和场地响应的时变具有深度依赖性。例如，在Garner Valley井下台阵，Qin等（2020年）报告了2010年El Mayor-Cucapah地震后，最上部150米内地震波速的降低量随深度递减。在意大利中部，Vassallo等（2022a年）利用12年的连续地震数据研究了场地响应共振频率的时变，发现对应较深深度的0.55 Hz第一个峰值保持相对稳定，而4.3 Hz处则观察到急剧的和时间变化。这些变化被认为与地震和环境因素有关。因此，连续原位监测深度依赖的浅层地下地震波速和场地响应对于理解地下过程和管理灾害至关重要，但目前尚未得到广泛研究。

为估算这些变化的深度范围，先前的研究大多依赖于面波灵敏度核（Froment等，2013年；Poli等，2020年；Wu等，2016年；Zhang等，2025年），而场地响应通常使用经验公式进行分析（Delgado等，2000年；Rigo等，2021年；Smith等，2013年）。然而，由此得到的深度估计存在很大的不确定性。井下地震台站提供了另一种约束浅层地下变化深度范围的手段。在本研究中，我们利用了野生动物液化台阵（WLA）四年的井下数据，这些数据提供了多深度记录，以研究地震波速和场地响应的深度依赖时变特征。

地震波速变化（dv/v）可以通过多种震源进行测量，包括主动震源（Niu等，2008年；Reasenberg和Aki，1974年）、重复地震（Peng和Ben-Zion，2006年；Poupinet等，1984年）和环境噪声互相关。与地震或主动震源不同，后者要么发生不规则，要么需要大量的后勤努力，而无处不在的环境噪声使得对地球内部dv/v的连续监测成为可能。该方法已被广泛应用于研究各种地球物理现象（Kuponiyi和Kao，2021年；Liu等，2024年；Mainsant等，2012年；Olivier等，2015年；Paris等，2025年）。

谱比技术通过计算两个台站记录的水平分量傅里叶幅值谱的比值来估算场地响应。结合地表和井下地震台站，谱比技术已被广泛应用于分析由地震（Karabulut和Bouchon，2007年；Wu等，2010年）以及主动震源（Jolly等，2014年；Yoon和Rix，2009年）产生的强地面运动。先前的研究主要关注强地面运动期间和之后土壤的非线性行为及恢复过程。无处不在的环境噪声使得场地响应的连续监测成为可能。

在本研究中，我们利用WLA井下地震台站记录的连续环境噪声来实现以下目标。首先，我们刻画不同深度区间内地震波速和场地响应的时变特征。其次，我们研究导致这些时变的机制。

**分段概述**

**台站：野生动物液化台阵**

野生动物液化台阵（WLA）是一个仪器完善的岩土测试台站设施，最初于1982年由美国地质调查局安装（Bennett等，1984年；Youd和Holzer，1994年）。其仪器包括安装在多个深度的加速度计和压力传感器。

WLA位于加利福尼亚州的帝国谷，大约在北部的Brawley以北13公里处，圣地亚哥以东约160公里处，索尔顿湖以南。帝国谷位于...

**数据**

我们选择了四个地震台站进行分析，包括一个地表台站（WLA11）和三个井下台站（WLA04、WLA05和WLA06），分别位于深度7.7米、30米和100米处（图1b）。我们将0–7.7米、7.7–30米和30–100米这三个深度区间分别称为浅层深度区间（SDI）、中层深度区间（MDI）和深层深度区间（DDI）。

除地震传感器外，我们还选择了七个孔隙压力传感器（WLA60–63和WLA65–67）。

**被动影像干涉测量法**

连续监测dv/v涉及两个关键步骤。首先，通过对一对地震台站记录的环境噪声进行互相关，获得可重复的地震信号，称为经验格林函数（EGF）。其次，应用尾波干涉法量化提取的EGF的时变变化，并据此推断dv/v。以下分别介绍这两个步骤。

**不同深度区间的dv/v时变**

1.5–6 Hz频段内不同深度区间的dv/v时间序列如图2所示。总体而言，测量结果揭示了dv/v变化的两种不同模式。第一种模式的特点是相对较大且突然的下降。第二种模式为温和的季节性变化。

在这些变化中，研究期间观察到三次显著的地震波速降低，如图2中的垂直虚线所示。这些降低...

**讨论**

dv/v和场地响应的时变均表现出两种不同模式。在本节中，我们首先讨论dv/v和场地响应的同震变化。然后，我们利用记录的孔隙压力、温度和大气压数据，分析季节性变化背后的机制。

鉴于井下传感器之间的水平间距较小（< 20米），远处噪声源到各个传感器的路径差预计可以忽略不计。入射噪声...

**结论**

在本研究中，我们利用井下地震台站研究了不同深度区间内地震波速和场地响应的时变特征。利用环境噪声数据，我们识别出了地震波速和场地响应中的急剧下降和季节性变化。然而，它们的时变并不完全一致，特别是在事件1期间，地震波速对季节性环境变化的敏感性似乎高于场地响应。这也...

**数据与资源**

本研究中使用的连续环境噪声和孔隙压力数据通过obspyDMT下载（Hosseini和Sigloch，2017年）。加速度地震数据可在以下地址获取：http://nees.ucsb.edu/data-portal（台站名称：WLA，最后访问日期：2026年1月28日）。噪声频谱图和GNSS数据由EarthScope提供。台站仪器和布局的详细信息可在WLA网站上获取（http://nees.ucsb.edu/facilities/wla，最后访问日期：2026年1月28日）。降水和...

**CRediT作者贡献声明**

Jianye Zong：可视化、验证、项目管理、方法学、调查、形式分析、数据整理、概念化、撰写——审查与编辑、撰写——原始草稿。Xinlei Sun：监督、项目管理、资金获取、概念化、撰写——审查与编辑。Laura Ermert：概念化、撰写——审查与编辑。Haonan Chen：概念化。Tao Yang：概念化。Yandi Zeng：概念化。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

本工作得到深地探测和矿产资源勘探——国家重点研发计划（编号：2025ZD1005200）和国家自然科学基金（编号：42074059）的支持。我们衷心感谢ISTerre的Pierre-Yves Bard和Marie-Pierre Doin提供的有益讨论和宝贵见解。我们还想对编辑Paolo Frattini、匿名客座编辑以及两位审稿人表示诚挚的感谢，感谢他们提出的建设性...

Jianye Zong | Xinlei Sun | Laura Ermert | Haonan Chen | Tao Yang | Yandi Zeng