北京大学学报(自然科学版) 第62 卷 第5 期 2026 年9 月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,Vol.62,No.5 (Sept.2026)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2026.095
国家自然科学基金(42474080)资助
收稿日期: 2025-07-10; 修回日期: 2025-09-07
近年来,上海市高层建筑多次遭受远场地震的侵袭,给城市安全带来潜在风险。上海市属于中强地震活动区,其周边长江口以东、江苏溧阳及苏浙皖交界地带地震活动频繁[1]。章振铨等[2]的研究表明,上海地区的地震活动与区域内的断裂活动性吻合,他们认为上海地区不具备发生大于 6级地震的构造条件,但具有发生 5级左右地震的构造条件。姚保华等[3]通过地球物理探测方法在上海地区开展联合剖面探测,结果表明探测剖面下方不具备发生大地震的深部构造条件,但近地表的活动断层仍可能成为未来地震的潜在震源区。前人围绕上海及其毗邻的扬子块体、华夏块体和郯庐断裂带中南段开展了重力勘探、浅层地震勘探和电磁法勘探等地球物理探测工作[4-8],为解析区域块体结构、断裂构造特征及其演化机制提供了重要的参考依据。目前大部分研究聚焦于深部构造,针对上海市浅沉积层厚度的系统性研究相对匮乏,而沉积层厚度在城市地下空间开发中具有重要作用,决定地铁隧道埋深、桥梁桩基深度及地下管线空间布设等工程指标的设计。松散沉积层是地震波的传播介质,对地震动有放大效应,精确掌握其分布特征是开展城市地震动参数耦合分析、地震危险性评估及建筑抗震设计的重要基础。严学新[9]和魏子新[10]在城市地质环境调查过程中参照的上海市沉积层厚度模型[11]基于区域钻孔数据构建。虽然钻孔探测结果精度高,但成本高昂,城市区域探测受限,且受钻孔密度制约。因此,构建更高分辨率的沉积层厚度模型,并深入研究其地震易损性,对城市抗震防灾工作具有重要的现实意义。
基于背景噪声技术进行地下结构探测具有操作简便、成本低廉以及无需人工震源等优势,逐渐成为城市地质勘查的重要手段,其中背景噪声 HVSR(horizontal to vertical spectral ratio)技术在沉积层厚度计算中得到广泛的应用。HVSR技术通过背景噪声水平与垂直分量的振幅谱之比获取频谱特征[12],而 HVSR曲线的峰值频率对应场地 S波共振频率,据此计算场地放大系数及沉积层厚度。相较于传统的地质勘探方法,HVSR技术可在短时间内完成大范围场地的高效探测,为区域地质研究开辟了新的路径。熊成等[13]利用 HVSR技术完成粤港澳大湾区沉积层厚度模型的构建,发现古河道地区与地震高发带存在空间耦合关系。Gosar等[14]利用 HVSR技术研究盆地沉积层厚度分布特征,验证了该方法在浅层沉积结构探测中的有效性。王伟君等[15]采用HVSR技术研究近地表断裂构造和沉积层厚度分布特征。上述研究表明,HVSR技术能有效地获取浅层沉积结构信息,在沉积层厚度估算、活动构造探测和地质灾害评价等方面具有较好的应用前景。
尽管上海市沉积层厚度相关研究已开展部分工作,但利用 HVSR技术进行的系统性研究相对较少,且沉积层厚度估算的精度以及地震易损性评估的综合性方面有待提高。本研究基于在上海市布设的背景噪声密集观测台阵,通过 HVSR峰值频率与钻孔数据的拟合,建立峰值频率-沉积层厚度关系经验公式,构建区域沉积层厚度模型并进行地震易损性分析,以期为上海城市建筑规划、地下空间设计及防震减灾体系建设提供理论参考。
上海及其邻区地处扬子块体与华夏块体边界区域,以江绍拼合带为界,其北属于扬子块体,南部属于华夏块体。该区域除西南局部基岩出露外,绝大部分被厚 300~500 m的松散沉积层覆盖,地层埋深呈现自西南向东北阶梯式下降的趋势。该区域海拔普遍低于 10 m,并零星地分布孤山残丘地貌。受多期构造运动叠加的影响,区域内断裂构造显著发育[9-10](图1(a))。这些断裂不仅主导地层的展布格局,还控制地貌演化的进程及地震活动分布。上海市内断裂构造可归纳为北东向、北北东向、北西-北北西向及近东西(北东东)向 4组,其中北东向断裂最为发育,而北西向断裂活动性相对较强[16]。北东向和近东西向断裂多形成于早期构造阶段,北北东向及北西-北北西向断裂则主要发育于晚期构造活动期[11,17-18]。依据断裂带对地质体的控制程度,可将研究区断裂划分为深断裂、基底断裂与盖层断裂三类,其中深断裂与基底断裂多呈北东向展布,典型的深断裂是湖苏断裂(HS),基底断裂包括太仓-奉贤断裂(TF)、张堰-南汇断裂(ZN)及凤泾-川沙断裂(FC)等,其余则归属于盖层断裂。根据重力场特征与地质钻探资料[2,19],以枫泾-川沙断裂(FC)、卖花桥-吴泾断裂(MW)及其延伸构造为界,划分为上海-长江口断隆区(Ⅲ1)、甪直-青浦断陷区(Ⅲ2)、金山-杭州湾断隆区(Ⅲ3)和湖州-南通断隆区(Ⅲ4) 4个三级构造单元。依据主要断裂展布特征,每个三级构造单元可进一步划分为多个四级构造单元。例如,上海-长江口断隆区(Ⅲ1)分为庙镇-启东隆起带(Ⅳ1)、浏河-新开河拗陷带(Ⅳ2)、上海-佘山隆起带(Ⅳ3)和泥城-牛皮礁拗陷带(Ⅳ4) 4个四级构造单元,金山-杭州湾断隆区(Ⅲ3)分为松江-北桥拗陷带(Ⅳ5)、金山-钱桥隆起带(Ⅳ6)和杭州湾-小戟山拗陷带 3个四级构造单元(Ⅳ7)。这种复杂的断裂构造体系对上海地区的地质稳定性和沉积层分布有重要影响。地质钻孔资料(图1(a))表明,研究区内地层沉积厚度具有显著的区域差异,且沉积层厚度的变化与区域构造紧密相关。其中,甪直-青浦断陷区(Ⅲ2)与金山-杭州湾断隆区(Ⅲ3)的沉积层厚度较小(200~300 m),上海-长江口断隆区(Ⅲ1)及崇明岛区域沉积层厚度较大(400~500 m)[9-10]。
图1 研究区概况
Fig.1 Overview of the study area
(a) 上海市构造单元划分与断裂(红色虚线)分布[9-10],黑色点划线为Ⅲ级构造单元界限,黑色虚线为Ⅳ级构造单元界限,圆点为钻孔位置,圆点的颜色表示部分钻孔资料中沉积层厚度; (b) 密集台阵中观测点(红色圆点)位置。QH: 千灯-黄渡断裂; KJ: 昆山-嘉定断裂; GN:葛隆-南翔断裂; LQ: 芦墟-青埔断裂; MW: 卖花桥-吴泾断裂; MJ: 马桥-金汇断裂; TF: 太仓-奉贤断裂; NS: 南通-上海断裂; ZN: 张堰-南汇断裂; FC: 枫泾-川沙断裂; LD: 廊下-大场断裂; HS: 湖州-苏州断裂; XD: 徐州-大兴断裂; TE: 太仓-二保镇断裂; Ⅲ1: 上海-长江口断隆区; Ⅲ2: 甪直-青浦断陷区; Ⅲ3: 金山-杭州湾断隆区; Ⅲ4: 湖州-南通断隆区; Ⅳ1: 庙镇-启动隆起带; Ⅳ2: 浏河-新开河拗陷带;Ⅳ3:上海-佘山隆起带; Ⅳ4: 泥城-牛皮礁拗陷带; Ⅳ5: 松江-北桥拗陷带; Ⅳ6: 金山-钱桥隆起带; Ⅳ7: 杭州湾-小戟山拗陷带
本研究以 2021年 3月布设于上海市的 2938个三分量短周期地震仪(Smartsolo IGU-16 HR 3C)组成的密集台网(图1(b))观测数据为基础,开展 HVSR分析。考虑到上海市主城区人口众多,建筑密集,对地下结构探测精度和灾害风险防控需求较高,故在此区域实施 600 m间距的加密观测,城市郊区及人口稀疏区域则按 1200 m的间距布设台站。这种差异化的布设既能确保数据完整,又能平衡探测效率与成本,从而实现密集观测台网对上海市的全面覆盖。在数据采集环节,为有效地捕捉环境振动频率成分并满足 HVSR对数据分辨率的要求,所有台站统一采用 250 Hz采样率。在进行 HVSR曲线计算前,参照 Bensen等[20]提出的标准化流程,对原始数据实施预处理。通过去均值操作,消除直流偏移;通过去趋势算法,有效地去除仪器漂移与环境变化引发的非平稳噪声; 通过带通滤波,保留 0.1~10 Hz范围内的背景噪声信号,确保数据质量。
背景噪声 HVSR是 Nakamura[12]提出的一种借助背景噪声来研究地震场地效应的方法,其中 HVSR曲线通过单台仪器的水平分量频谱与垂直分量频谱的比值计算得到。该方法操作简便,在利用背景噪声计算沉积层厚度的研究中得到广泛应用。HVSR方法的理论基础是,低密度低波速的软沉积层与高密度高波速的基岩之间存在显著的波阻抗差异,这种差异使得地震波在穿过不同介质时发生反射、折射和散射等现象,导致地面震动发生变化。HVSR方法正是利用这种地面震动的变化,通过水平方向与垂直方向振幅谱的比值来推断地下结构[21-23]。
波阻抗对比度c =
决定特定频率(基频和高次谐波)的波在软沉积层中多次反射的强度,从而将波能量俘获在沉积层内。在假设剪切波(S波)垂直传播的前提下,一维场地放大函数 H( f )的模量可以用式(1)描述:
其中,τ 是剪切波在软沉积层中的传播时间; r=
,是地层间反射系数。当cos(4π fτ)=-1时,即当f =1/(4τ)时,得到 H( f )的最大值。当 H( f )取最大值时,f对应的频率定义为面波的峰值频率 f0,即场地的卓越频率。地震仪记录 3个正交方向的振动,包括两个水平分量(南北方向和东西方向)和一个垂直分量。将两个水平谱除以垂直谱,得到 HVSR曲线[24]:
其中,SNS,SEW和 SZ分别是南北方向、东西方向和垂直方向分量的振幅谱。
根据 Ibs-von Seht等[25]的研究,如果沉积层厚度 h>>1 m,则 HVSR曲线峰值频率与沉积层厚度具有以下幂函数的经验关系:
基于地质结构数据确定式(3)中参数 a和 b后,即可借助 HVSR技术实现对区域沉积层厚度的精准估算。鉴于地质结构与沉积层特性的显著差异,经验公式亦呈现明显的区域特异性。Ibs-von Seht等[25]针对德国西部地区建立的经验公式为 h = 96.00 f -1.388,适用于 30~1600 m沉积层厚度的计算。Xiong等[26]在对粤港澳大湾区的 HVSR探测研究中,提出适用于 0~50 m沉积层厚度的经验公式 h = 48.87 f -0.95。刘宇实等[27]基于中国哈尔滨 20个钻孔数据构建的经验公式为 h = 82.19 f -0.766。由此可见,在获得区域峰值频率信息后,对经验公式的精准拟合直接影响计算结果的精度,是基于 HVSR技术开展沉积层厚度计算的关键步骤之一。
Nakamura[21]提出利用 HVSR曲线估计场地的地震易损性指数。地震发生后建筑结构出现破坏,通常是地震动引起建筑结构的应变超过极限,如果建筑结构缺乏稳定性,将会坍塌。场地的地震易损性指数通过地震动引起的应变大小来定义。当地表剪切应变(γ)达到 10-3时,将出现非线性特征,当地震动形变使得 γ>10-3时,地表软土层将坍塌。
地震易损性指数推导[21,28]如下: 对于较小的剪切应变,沉积层的平均剪切应变可用式(4)定义:
式中,Ah是场地放大系数,h是覆盖层软土或沉积层的厚度,d是基岩表面的地震动位移。根据频域加速度与位移的关系 a=(iω)2d,基岩表面的加速度 a可以表示为
根据曲线的峰值频率,推断沉积层厚度与剪切波速度剖面的关系式为
式中,VSb是基岩的 S波速度。根据式(4)~(6),应变γ可以表示为
假定施加的动态应力效率占静态应力的比例为 e,则有效应变γe表示为
式中,
。基岩速度在很大的范围内近似为常数,因此可以通过测量 Kg来表征区域结构变形的难易程度,并定义 Kg为地震易损性指数。若区域的基岩 S波速度 VSb = 600 m/s,e =60%,加速度 a的单位用 Gal表示(即 cm/s2),则沉积层的有效应变可通过地震易损性指数 Kg表示,此时Kg值近似为
因此,基于 HVSR峰值频率 f0和场地放大系数 Ah,可以实现区域地震易损性指数的估算和地下结构变形难易程度的评估。
为分析计算结果的稳定性,以 A0300台站为例,计算其 24小时数据对应的 HVSR曲线变化特征。通过 25 s时间窗构建连续时间序列,并进行频谱分析,结果如图2(a)所示。该台站 HVSR曲线的峰值主频全天均稳定地维持在 0.4 Hz附近,且峰值能量无明显波动。由此可见,24小时观测数据可有效地满足 HVSR曲线形态稳定性研究及峰值频率提取的需求。因此,本研究采用 24小时的记录作为 HVSR曲线计算的基础数据。
图2 背景噪声 HVSR谱计算及稳定性分析结果
Fig.2 Results of stability analysis of ambient noise HVSR spectra
(a) A0300 台站 24 小时内 HVSR 曲线的频域能量变化; (b) 通过 STA/LTA 值筛选出的 A0300 台站记录中用于计算 HVSR 曲线的有效背景噪声时间窗口(蓝色矩形框); (c)和(d)分别为 A0300 和 A0043 台站 24 小时记录的 HVSR 曲线,蓝色曲线表示各有效时间窗口计算得到的 HVSR,黑色实线表示所有窗口 HVSR 的平均值,黑色虚线表示平均 HVSR 的标准差范围,灰色阴影区域表示平均峰值频率及其标准差范围,其中深灰色与浅灰色区域交界处表示平均峰值频率
在计算 HVSR曲线前,通过开源软件 Geopsy[29]对原始数据进行预处理,包括数据筛选、带通滤波、傅里叶谱计算、平滑处理及 HVSR值测算。
1) 数据筛选。将数据窗时长设为 20 s,同步截取东(E)、北(N)和垂直(Z) 3个方向的背景噪声数据。为确保所选数据窗口内信号稳定,每个时间窗口中 3个方向的数据均需满足 0.5 2) 带通滤波。为提高后续分析结果的可靠性,采用 4阶巴特沃斯(Butterworth)带通滤波器,对每个数据时窗内的原始背景噪声数据进行滤波处理,滤波频率范围设定为 0.1~10 Hz。 3) 傅里叶谱计算。对每个数据时窗内的噪声数据执行快速傅里叶变换,得到 E,N和 Z方向的傅里叶谱,将背景噪声数据从时间域转换到频率域。 4) 平滑处理。采用 Konno-Ohmachi函数,对每个傅里叶谱窗内的数据进行平滑处理。 5) HVSR值测算。分别计算每个傅里叶谱窗对应的 HVSR值,然后绘制 HVSR曲线,并计算所有傅里叶谱窗 HVSR曲线的平均值。 Nakamura[12]的研究表明,剪切波传播至地表后,不同场地水平分量与垂直分量峰值振幅的比值(Hmax/Vmax)存在显著的差异。基岩场地水平分量与垂直分量的峰值振幅基本上相等 基于 2938个台站计算获得的 HVSR峰值频率(f0)和峰值振幅(A0)如图3所示。结果表明,f0和 A0值的空间分布均具有明显的区域差异,并与研究区主要构造单元及断裂带展布特征密切相关。f0主要分布于 0.2~0.8 Hz范围内,其空间变化反映沉积层厚度的横向差异。其中,金山-杭州湾断隆区(Ⅲ3)的金山-钱桥隆起带(Ⅳ6)和甪直-青浦断陷区(Ⅲ2)对应的 HVSR峰值频率和振幅表现为高频低幅特征。结合地质勘探资料可知,该区域沉积层厚度较小,因此地震波传播过程中的场地放大效应相对较弱。相比之下,上海-长江口断隆区(Ⅲ1)及崇明岛区域表现出明显的低频高幅特征,表明该区域发育较厚的松散沉积层,具有较强的场地放大效应。在典型构造单元内,泥城-牛皮礁拗陷带(Ⅳ4)、松江-北桥拗陷带(Ⅳ5)、昆山-嘉定断裂(KG)和千灯-黄渡断裂(QH)附近均表现出较低的 f0值和较高的 A0值,与厚沉积层分布区域具有较好的一致性。其中,崇明岛区域 HVSR峰值频率主要集中于 0.2~0.3 Hz范围内,空间变化较小(图3(a)),但峰值振幅存在显著的差异(图3(b))。例如,太仓-二保镇断裂(TE)附近表现出较高的峰值振幅,而徐州-大兴断裂(XD)附近峰值振幅相对较低,反映不同区域沉积结构及场地条件的差异。上述结果表明,HVSR峰值频率主要受沉积层厚度控制,低峰值频率通常对应较厚的沉积层; 峰值振幅可用于表征场地放大效应强弱,其空间变化与沉积层的物性、速度结构及阻抗差异密切相关,高峰值振幅区域通常分布于松散沉积层发育或速度阻抗差异显著的区域。 图3 研究区峰值频率(f0)和峰值振幅(A0)分布 黑色虚线表示断裂(各断裂的名称见图1),下同 本研究基于研究区域内 60个钻孔数据,通过式(3)进行拟合(图4中红色曲线),得到式(10): 图4 HVSR峰值频率与钻孔测量的沉积层厚度的关系 式(10)与 Ibs-von Seht等[25]构建的方程(图4中蓝色曲线)呈现较高的相似性,证明了本研究针对上海市构建的沉积层厚度经验公式的可靠性。 计算得到的沉积层厚度模型(图5)显示,上海市沉积层厚度分布总体上表现为西南侧较薄、东北侧较厚的特征,但空间差异显著,区域内最大高差可达 480 m。这一分布特征与上海市所处长江三角洲冲积平原以及海陆变迁的地质历史密切相关。在靠近长江入海口的东北侧,得益于长江携带大量泥沙的长期淤积以及海洋动力作用,沉积层厚度较大(200~500 m)。西南侧的沉积层厚度较小(100~200 m),地下空间开发时面临的地质条件相对简单。 图5 研究区沉积层厚度分布 研究区内断裂分布与沉积层厚度的变化密切相关。芦墟-青埔断裂(LQ)、昆山-嘉定断裂(KJ)及廊下-大场断裂(LD)等相对较浅的基底断裂和盖层断裂两侧沉积层厚度的差异较小,湖苏断裂(HS)、太仓-奉贤断裂(TF)、张堰-南汇断裂(ZN)以及凤泾-川沙断裂(FC)这些深断裂两侧沉积层厚度差异明显,卖花桥-吴泾断裂(MW)和马桥-金汇断裂(MJ)两侧沉积层厚度的差异较大,在两断裂之间形成异常的巨厚沉积层,说明这两条断裂在地质历史时期的活动对沉积环境产生了深远的影响。卖花桥-吴泾断裂(MW)具有向北突出的弧形展布特征,构成松江-北桥断凹的北界,是一条断面南倾的正断层。断裂活动往往造成地壳的升降运动,卖花桥-吴泾断裂(MW)与马桥-金汇断裂(MJ)之间区域可能处于相对沉降的构造部位。在漫长的地质时期中,持续的沉降为沉积物的堆积提供了良好的空间条件,使得大量沉积物在此汇聚并不断堆积加厚[30-32]。 沉积物来源的丰富程度对沉积层厚度起决定性作用。上海地处长江三角洲冲积平原,长江每年携带大量泥沙等物质注入东海。长江河口地区受到潮流和波浪等海洋动力因素的作用,部分泥沙发生再分配并在合适的区域沉积下来[32]。卖花桥-吴泾断裂(MW)与马桥-金汇断裂(MJ)之间的区域靠近长江入海口,接收了长江带来的巨量沉积物。同时,该区域周边存在一些小型河流和溪流,它们也会将流域内的风化产物和土壤颗粒等物质搬运至卖花桥-吴泾断裂(MW)与马桥-金汇断裂(MJ)之间的区域,为沉积层的形成贡献物质。此外,在地质历史时期,周边山脉的风化剥蚀产物可能通过风力和水力作用被搬运至此,使得沉积层能够不断加厚。因此,卖花桥-吴泾断裂(MW)与马桥-金汇断裂(MJ)之间的沉积层厚度异常是区域地质构造运动、地理环境以及沉积物来源等多方面因素综合作用的结果。 从区域构造-沉积耦合演化的角度分析,可知沉积层厚度的空间分布与区域断裂构造的发育规模、动力学作用强度及活动期次显著相关。泥城-牛皮礁拗陷带(Ⅳ4)附近的沉积层厚度异常,反映地质历史时期持续的拗陷作用为沉积物堆积提供了稳定的构造环境; 上海-长江口断隆区(Ⅲ1)与甪直-青浦断陷区(Ⅲ2)在地质历史时期长期处于地壳沉降环境,大量接受沉积物堆积,导致沉积层持续增厚,而厚层沉积介质会降低地震波的传播速度,从而使区域呈现低峰值频率特征; 金山-杭州湾断隆区(Ⅲ3)则表现出高峰值频率与薄沉积层的特征,与地质历史时期该区域地壳相对抬升、沉积物堆积量少的地质过程吻合[33-34]。 一般来说,隆起构造表现为薄的沉积层厚度,而研究区内上海-佘山隆起带(Ⅳ3)附近却分布厚沉积层,可能是由于研究区在第四纪经历多次海侵和海退,导致长江携带的泥沙在河口堆积。例如,距今 10000~6500年的海侵期间,上海大部分地区被淹没,仅佘山等高地露出海面,而周边区域则持续接受浅海-滨海相沉积[35]。这种海陆交替的环境使得沉积物在隆起带周边不断叠加,形成厚的松散沉积层。上海-佘山隆起带的火山岩山体作为天然屏障,可能改变了水流方向,促使沉积物在其北侧或东侧的低洼区域集中堆积,形成局部厚层沉积。全新世以来长江泥沙的快速沉积,使上海陆地面积以年均 40 m的速度向海推进,进一步加厚了沉积层。同时,上海-佘山隆起带周边的断裂构造对沉积分布具有显著影响,这些断裂带多为张扭性活动断层,导致上海-佘山隆起带一侧地壳抬升,另一侧下沉并接受沉积[2]。因此,上海-佘山隆起带厚沉积层的分布可能是海平面波动、构造沉降、长江泥沙补给及局部地形控制等多种因素共同作用的结果[11]。 HVSR方法基于式(2)构建,通过识别 HVSR曲线的峰值频率,可实现沉积层厚度的估算。当地下介质存在显著的速度间断面时,HVSR曲线会呈现清晰的峰值主频。因此,基于 HVSR方法估算的沉积层厚度,理论上是对具有明显速度突变特征间断面埋深的反映。需要注意的是,受公式理论误差及应用条件(周围剧烈噪声源干扰)影响,该估算结果与钻孔资料揭示的实际沉积层深度之间存在一定的偏差。例如,在卖花桥-吴泾断裂(MW)和马桥-金汇断裂(MJ)附近,基于 HVSR方法估算的沉积层厚度为 350~400 m,而钻孔资料显示该区域沉积层的实际厚度为 300~350 m。 地震灾害的发生不仅取决于震源释放的能量,还受到地震动特征、场地条件以及建筑物抗震能力等因素的共同影响。因此,开展区域地震动特征监测和地震灾害风险评估对减轻地震灾害具有重要意义。震前或震后场地调查结果与实际震害分布的对比分析表明,地震易损性指数(Kg)能够有效地反映区域场地条件和地震动放大特征,是评价区域地震灾害影响的重要参数[21]。因此,对 Kg值较大的区域采取针对性的应对策略,可减少建筑物的损坏程度。此外,当地震发生后,基于准确的灾害损坏评估而及时采取精准的处置措施,能显著地降低次生灾害风险。Nakamura[22]的研究结果表明,大地震发生时,Kg>200的区域将遭遇严重的破坏,Kg=50~200的区域将发生中等程度的破坏,Kg<50的区域则破坏性较小。 上海市的 Kg值主要分布于 50~300区间(图6),研究区西南部(主要涵盖甪直-青浦断陷区(Ⅲ2)和金山-杭州湾断隆区(Ⅲ3))表现出相对较低的地震易损性(Kg=50~200),上海-长江口断隆区(Ⅲ1)、泥城-牛皮礁拗陷带(Ⅳ4)以及崇明岛区域则地震易损性较高(Kg>200)。结合区域断裂结构可知,Kg值较高的区域多分布复杂的断裂结构,如马桥-金汇断裂(MJ)、卖花桥-吴泾断裂(MW)和其间的松江-北桥拗陷带(Ⅳ5)、东部枫泾-川沙断裂(FC)附近区域,以及泥城-牛皮礁拗陷带(Ⅳ4)和崇明岛大部分区域,其 Kg值高达近 300,表明构造断裂交汇区及断裂结构复杂区域在地震发生时更易出现高破坏性。 图6 研究区地震易损性指数分布 地震发生时,地震易损性指数高的区域更易存在诱发断裂活动、断层二次滑动及砂土液化等次生灾害风险,导致灾害链效应显著增强。例如,泥城-牛皮礁拗陷带(Ⅳ4)和崇明岛区域,以及张堰-南汇断裂(ZN)与枫泾-川沙断裂(FC)的交叉区域,均属于典型的地震灾害高危区,在地下空间开发、高层建筑结构设计及市政工程规划中,在上述区域需严格执行更高标准的抗震设防要求,并强化地震灾害风险动态评估与监测预警体系的建设,有效地降低潜在地震灾害对城市安全的威胁。 本研究基于密集台阵与背景噪声 HVSR技术,分析了上海市第四纪沉积层厚度与地震易损性特征。研究结果表明,沉积层厚度及地震易损性特征与地表构造显著相关。上海市 HVSR峰值频率介于0.2~0.8 Hz之间,整体上表现为低频特征,而峰值振幅介于 4~10之间,呈现显著的场地放大效应,属于地震动放大明显区域。 上海-长江口断隆区、金山-杭州湾断隆区、甪直-青浦断陷区、张堰-南汇断裂带以及南通-上海断裂带附近区域均呈现厚层沉积与高地震易损性的特征,其中上海-长江口断隆区内的次级构造单元上海-佘山隆起带受海平面波动、构造沉降、长江泥沙补给以及局部地形条件等多种因素的耦合作用,分布厚层异常沉积。上海市厚层沉积区和地震易损性高的区域容易显著地增强场地局部放大效应。基于地震易损性指数(Kg值)的分析结果表明,若上海及其周边区域发生特大地震,上海大部分区域的建筑及基础设施将遭受中等程度的破坏,典型活动断裂带穿过的区域则会出现剧烈的破坏。因此,在城市规划、工程建设及防震减灾工作中,需对上述典型活动断裂穿过区域予以重点关注。 [1]林命周.上海及其邻近海域“滨海地震学”研究简介.地震,2000,20(增刊 1): 234-238 [2]章振铨,刘昌森,王锋.上海地区断裂活动性与地震关系初析.中国地震,2004,20(2): 143-151 [3]姚保华,毛雅萍,章振铨,等.上海地区地壳精细结构的综合地球物理探测研究.地球物理学报,2007,50(2): 482-491 [4]张浩,施刚,巫虹,等.上海罗店-周浦隐伏断裂第四纪活动性综合探测与研究.地质力学学报,2021,27(2): 267-279 [5]张浩,施刚,巫虹,等.上海地区浅部地应力测量及其构造地质意义分析.地质力学学报,2020,26(4): 583-594 [6]张阿根.上海城市地质工作发展与展望.探矿工程:岩土钻掘工程,2019,46(1): 5-12 [7]张阿根.上海城市地质工作回顾与展望.上海地质,2006(4): 1-4 [8] 石树中,沈建文.上海及邻近地区地震动衰减关系研究.中国地震,2003,19(4): 315-323 [9]严学新.上海地质环境演化与工程环境效应研究.北京: 科学出版社,2021 [10]魏子新.上海城市地质.北京: 地质出版社,2010 [11]史玉金,严学新,陈大平.上海海陆一体工程地质结构构建及地质条件评价.水文地质工程地质,2017,44(2): 96-101 [12]Nakamura Y.What is the nakamura method?.Seismological Research Letters,2019,90(40): 1437-1443 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,软土层或填土地基场地的
比值则可近似地表示为软土层水平分量峰值与基岩垂直分量峰值之比
。由于
能够反映软弱场地对地震动水平分量的放大作用,因此可利用软土层的水平-垂直峰值振幅比,近似地估算场地放大效应。该放大效应对应 HVSR曲线峰值频率处的振幅,即峰值振幅 A0。通常情况下,A0值越大,表明场地对地震动的放大作用越显著。图2(c)和(d)中,HVSR曲线峰值频率处的振幅均大于 1,平均峰值振幅为 3~5,表明示例台站所在区域具有较强的场地放大效应。2.2 HVSR 主频率与峰值振幅
Fig.3 Distribution of peak frequency (f0) and peak amplitude (A0) in the study area2.3 HVSR 经验公式的构建
Fig.4 Relationship of HVSR peak frequency and the sedimentary thickness measured by drilling3 讨论
3.1 上海市沉积层厚度模型
Fig.5 Distribution of thickness of the sedimentary layer in the study area3.2 研究区地震易损性分析
Fig.6 Distribution of the index of sesmic vulnerability in the study area4 结论
High-Resolution Sedimentary Layer Thickness Model and Seismic Vulnerability Assessment of Shanghai Based on HVSR Measurements and Dense Observation Arrays