利用环境噪声层析成像对淮南煤田进行高分辨率浅地壳成像

《Journal of Applied Geophysics》：High resolution shallow crustal imaging of the Huainan coalfield using ambient noise tomography

　　

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  密集地震台阵结合环境噪声层析成像技术，实现了对淮南煤田浅部地壳的高分辨率三维成像。
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  剪切波速度模型揭示了淮南复合向斜沿走向的显著分段性及不对称结构。
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  研究结果阐明了相互作用逆冲断裂系统与走滑变形如何控制构造过渡带的浅部地壳非均质性。

引言

淮南煤田（HNC）位于华北地块（NCB）东南缘，地处合肥盆地（HFB）与徐淮逆冲带（XHTB）交汇地带。其构造框架与演化受到秦岭—大别造山带多阶段变形及郯庐断裂带（TLFZ）长期演化的强烈控制（Zhu等，2011）。印支期，华北地块与扬子地块的碰撞导致了大别造山带（DBOB）的隆升，并同步在其北缘发育了薄皮构造型的合肥前陆盆地（Liu等，2005）。该前陆盆地的前锋叠瓦状逆冲带构成了控制淮南煤田发育的主要构造框架（Song等，2005）。自印支期以来多期构造事件的叠加，最终形成了近东西向展布、双向逆冲的复合向斜构造。

凭借独特的构造位置，淮南煤田成为研究华北地块东南缘构造过程的关键区域。以往研究广泛探讨了断层系统的几何学与运动学特征（Gao，2018），识别并刻画了逆冲断裂系统（Cao，1989；Wang，2021），并探索了构造形成的机制（Zhang等，2003）。这些研究一致表明，淮南煤田的演化与郯庐断裂带的长期构造活动密切相关。然而，以往解释主要依赖地表地质观测，对深部结构的直接约束仍十分有限。现有覆盖该区域的地球物理研究主要聚焦于大尺度成像（Bem等，2020；Li等，2018；Sun等，2023），空间分辨率仍不足以分辨煤田内部三维几何形态的细节，尤其是浅部至上地壳深度范围内复合向斜的精细结构。

为获取浅部地壳的高分辨率三维图像，过去二十年间环境噪声层析成像技术（ANT）迅速发展并得到广泛应用。该方法通过对台对间连续环境噪声记录进行互相关提取面波经验格林函数，从而实现深部速度结构的稳健成像（Shapiro和Campillo，2004；Yao等，2006）。由于不依赖地震震源，ANT特别适合地震活动较弱的区域。结合密集地震台阵，该技术可实现从地表到浅部地壳深度的精细成像（Gu等，2020；Luo和Yao，2021）。

近年来沿郯庐断裂带开展的高密度台阵成像研究表明，精细结构成像对于解析断层几何形态和理解相关构造机制至关重要（Gao等，2025；Huang等，2024；Liu等，2024；Ma等，2025）。然而，此类高分辨率方法在淮南煤田的应用仍十分稀缺。特别是，控制复合向斜的关键边界断层在浅部的几何形态、空间连续性及其分段性尚未得到直接约束。高分辨率地球物理证据的缺乏，制约了对局部变形机制及其与区域构造过程耦合关系的全面理解。

为解决上述关键问题，我们在淮南煤田部署了一个由208个短周期台站组成的密集临时地震台阵。利用环境噪声直接面波层析成像方法（Fang等，2015），提取了高质量瑞利波色散曲线，并反演获得了浅部地壳高分辨率三维剪切波速度模型。本研究的主要目标是刻画淮南复合向斜（HNCS）的精细结构特征，并结合区域构造演化，评估浅部构造特征对理解华北地块东南缘晚中生代及以后构造过程的启示。

章节片段

地质与构造背景

淮南煤田位于合肥盆地与徐淮逆冲带的交汇处（图1），其构造框架受华北地块与华南地块构造汇聚以及郯庐断裂带长期演化的共同塑造（Deng等，2022；Meng等，2007；Shu等，2017；Zhu等，2011）。合肥盆地位于华北地块东南缘，南界以大别造山带，东界以郯庐断裂带与扬子地块相接。它代表了一个关键的

数据采集与处理

2022年3月至4月间，在研究区部署了一个密集临时地震台阵。台阵共208个台站，覆盖面积约50 km × 56 km，平均台间距约3.7 km（图1c）。每个台站配备了一台三分量短周期地震仪（SmartSolo IGU-16），固有频率为5 Hz，采样率为100 Hz。台阵连续记录三分量波形数据约一个月。

仅使用

反演方法与分辨率评估

我们采用直接面波层析成像方法（DSurfTomo）联立反演群速度和相速度色散数据，获得三维Vs模型（Fang等，2015）。该方法避免了中间反演步骤，并利用快速行进法（Rawlinson和Sambridge，2004）显式考虑了复杂速度结构中的面波折射效应。

初始Vs模型基于平均色散数据，依据深度灵敏度构建

结果

反演获得了约6 km深度范围内上地壳的高分辨率三维Vs模型。图9展示了0.0、1.0、2.0、4.0和6.0 km深度的水平速度切片。总体而言，浅部速度结构表现出强烈的横向连续性，反映了双向逆冲体制下区域构造框架。

在小于4 km深度处，可清晰分辨出显著的构造特征。BSSB和MSB均表现出明显的

讨论

本研究通过部署密集地震台阵并应用环境噪声直接面波层析成像技术，首次获得了淮南煤田浅部地壳高分辨率三维剪切波速度模型。所得速度图像为复合向斜及其控制构造的精细几何形态提供了关键的地球物理约束，从而有利于更详细地评估其形成构造机制。应当指出

结论

基于密集地震台阵观测与环境噪声直接面波层析成像，获得了淮南煤田浅部地壳高分辨率三维剪切波速度模型。主要结论如下：

• (1)
  浅部速度结构清晰刻画了淮南复合向斜的总体框架。

向斜核部被连续的低速异常占据，两侧为相对较高速度区，分别对应BSSB和MSB，形成了特征性的

作者贡献声明

Hong Dequn：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——原始草稿，方法论，调查研究，形式化分析，概念构思。Bao Ziwen：形式化分析，数据整理。Shu Peng：资金获取，形式化分析，数据整理。Zhai Juan：资源支持，数据整理。Zhu Liang：资源支持，数据整理。Xu Dan：项目管理，数据整理。Xiang Bingquan：项目管理，数据整理。Zhao Mengqiang：资源支持，数据整理。

资金支持

本工作得到安徽省建研院绿色建筑与抗震防灾重点实验室开放研究基金（项目编号：2024-JKYL-003）和安徽省自然科学基金"水科学"联合基金（编号：2408055US001）的支持。

在本文撰写过程中未获得其他额外资金、资助或支持。

利益冲突声明

作者无相关财务或非财务利益需要披露。

致谢

我们衷心感谢两位匿名审稿人提出的宝贵意见和建设性建议，显著提升了本文质量。本工作得到安徽省自然科学基金（项目"水科学"，项目编号：2408055US001）、蒙城国家地球物理台站联合开放基金（项目编号：MENGO-202508）以及安徽省建研院绿色建筑与抗震防灾重点实验室开放研究基金的支持。

Hong Dequn|Bao Ziwen|Shu Peng|Zhai Juan|Zhu Liang|Xu Dan|Xiang Bingquan|Zhao Mengqiang