内陆地区地脉动的特点及地脉动台阵观测在地下构造调查中的应用研究

地脉动台阵测试作为一种低成本的剪切波速度构造探测方法，虽然其观测技术和数据处理方法在日本都得到了较好的发展，但是在中国内陆地区的地质工程调查和抗震设计中却未曾得到开发和应用。本项研究通过开展中国内陆地区地脉动信号的观测和分析，探查由沿海到内陆地区地脉动的变化规律以及内陆地区广域的地脉动特征，研究内陆地区利用地脉动台阵观测方法推测地下剪切波速度构造的适用性，进而提出适合中国内陆地区地脉动台阵探测技术及其分析方法的标准，明确既定研究区域内地下大深度的剪切波速度构造，发展适合于我国内陆地区的基于地脉动的地下构造勘探方法。本项目可以丰富我国震害防御领域在地下构造勘探方面的手段，推进我国抗震设防水平的提高，尤其对与我国西部地区重要城市的地震环境安全、城市规划发展、重大工程和基础设施的抗震设计等方面具有重要现实和科学意义。

地脉动及地脉动台阵测试由于不需要人工震源，而作为信号的地脉动则是由交通振动等人类活动和风暴、海浪等自然现象引起的环境噪音，被认为是一种低成本的剪切波速度构造探测方法，将在中国地震灾害预防中起到重要作用。对于勘探深度数十米以下的大深度勘探，地脉动的信号主要来源于海洋的浪潮和风暴等自然现象，作为岛国的日本以及中国的沿海地区，信号强，比较容易观测，然而从沿海向中国大陆内部，远离海洋，地质和环境等条件变化大，是否能有效地观测到这些地区的长周期脉动信号以及现有台阵数据分析方法是否存在局限性还需进一步研究。以沿海至远离海岸线的内陆地区为研究区域（上海市、西安市、天水市及兰州市），通过定期长时间连续地脉动观测、大量单点地脉动观测及典型地质构造区域的地脉动台阵观测，对长周期地脉动观测测点布设、设备及参数选取、数据的质量保证措施、长周期地脉动特征及其在场地卓越特征评价中的应用等进行了研究。试验结果表明，上海地脉动特征与日本关东平原地区的观测结果类似，可以认为在海岸地区深部结构调查的地脉动台阵观测有良好的适用性。然而，西安、兰州、天水长周期地脉动信号能量只有上海的千分之一，大深度地下构造调查（1 km以上）的周期（5 s以上）信号的获取需要进一步研究更加灵敏的仪器性能和更加稳定的观测方法。.以上海市内东西向地脉动观测数据为基础，采用单点谱比法对上海市东西向覆盖土层分布进行反演，并与以往的大深度地下调查资料进行对比，对长周期地脉动观测在地下调查中的适用性进行了评价。针对沿海城市上海市、内陆城市西安市及兰州市实施的地脉动台阵观测，详细讨论了地脉动台阵观测方法、分析方法，开展了空间系相关法数据处理软件的开发，遗传算法及最小二乘法相结合的反演方法研究以及波形反演方法的研究，讨论了利用地脉动台阵观测方法推测地下剪切波速度构造的适用性。针对内陆地区地下构造的复杂性，采用三维有限元数值计算方法，建立不同倾斜角度的三维地质模型，考虑复杂构造对地脉动观测及地脉动台阵观测的影响以及其震动响应的复杂性。结果表明，由于地下构造的不规则分布，其震动响应在不规则处有明显的突变，地下构造变化在角度大于10%时，无论是单点谱比法还是台阵观测法，其频谱特性与理论分析存在一定的偏差，可以认为地下复杂构造对地脉动数据的反演有一定的影响，在地下构造复杂时需要对现有的基于一维构造的反演方法进行多点联合反演或进行波形反演。