多种地球物理方法联合探测用于地下结构表征：以土耳其科贾埃利–卡拉穆塞尔?amdibi地区为例

《Journal of African Earth Sciences》：Multi-Method Geophysical Investigation for Subsurface Characterization: A Case Study from the Kocaeli–Karamürsel ?amdibi Region, Türkiye

　　

准确表征近地表条件对于构造活跃区域的地震风险评估至关重要，其中断层控制的横向非均质性强烈影响场地响应。本研究提出了一种用于科贾埃利–卡拉穆塞尔?amdibi地区（土耳其西北部）地震微区划的比较性多方法地球物理解释方法，结合了电法电阻率层析成像（Electrical Resistivity Tomography, ERT）、多道面波分析（Multichannel Analysis of Surface Waves, MASW）、单台站微震测量及钻孔数据。研究目标是表征断层控制的横向非均质性，并通过解释地电结构、剪切波速度和H/V谱比（Horizontal-to-Vertical Spectral Ratio, HVSR）衍生场地响应参数来评估其对地震脆弱性的影响。ERT成像揭示了?amdibi断层两侧横向 disrupted 的电阻率层状结构，与钻孔中观测到的岩性偏移一致。MASW频散曲线反演解析了剪切波速度结构，并识别出代表截然不同场地条件的两个不同刚度域。来自19个台站的HVSR结果显示出卓越频率和放大效应的显著空间变异性，据此估算了地震脆弱性指数。研究识别出一个明显的高脆弱性区域位于中部–南部地区，而断层带附近则出现相对较低的脆弱性值，这与MASW衍生的刚度变化和ERT定义的结构边界相吻合。这些结果表明，断层控制的横向非均质性在ERT、MASW、HVSR和钻孔数据集中均有一致表现，且推断的结构与刚度对比与共振和放大效应的空间变化相对应。该研究建立了一种基于多种地球物理数据集比较解释的、以钻孔为支撑的面向工程的微区划框架，从而在结构复杂地区实现了场地响应变异性的改进刻画。

## 研究背景与问题

构造活跃地区的地震风险评估依赖于对近地表条件的精确表征。1999年科贾埃利地震与北安纳托利亚断裂带（North Anatolian Fault Zone, NAFZ）相关，该次地震充分说明了局部场地效应和浅层地下非均质性如何强烈影响破坏模式，凸显出准确地下表征与地震场地分类在减轻地震风险中的重要性。在断层影响区域如科贾埃利–卡拉穆塞尔?amdibi地区，由于断层相关变形、差异性风化及湿度控制的物性对比，浅层地层和表征刚度与场地响应的地球物理指标可能在短距离内发生突变。近期土耳其地震后的调查研究表明，受损区域通常与松散近地表材料及强烈影响场地响应的破碎或蚀变带相吻合。稀疏调查可能遗漏这些能够产生局部共振和放大效应的条件。因此，一项关键挑战在于在工程尺度上捕捉断层控制的刚度和共振横向变异性，并将其转化为可靠的、与工程相关的场地表征图件和指数。

近地表地球物理方法被广泛应用于详细的场地表征以应对这些复杂性。电法电阻率层析成像（ERT）是一种非侵入性地球电法方法，广泛应用于复杂地下环境中空间电阻率分布的高分辨率成像。由于电阻率对岩性、孔隙度、黏土含量和饱和度的变化敏感，ERT已在地质、水文地质、岩土工程和环境调查中得到广泛应用。ERT在刻画近地表地层、识别断裂和断层带以及表征构造活跃环境中的非均质地面条件方面尤为有效。此外，ERT在识别与风化和流体饱和相关的关键灾害评估区域方面也具有独特优势。

与地球电法视角相补充，多道面波分析（MASW）提供剪切波速度（V_s）结构和基于V_s30的场地分类，使构造活跃区域横向刚度对比的量化成为可能。这些速度模型进一步允许推导与工程相关的参数，并为不同构造和地质环境中场地条件的标准化比较提供基础，支持地震响应分析和地面运动表征。与此同时，H/V谱比（HVSR）技术由Nakamura于1989年提出，基于用三分量地震仪记录的环境振动测量，用于表征场地特异性动力行为。通过计算水平和垂直分量之间的谱比，HVSR允许估算卓越频率（f₀）和峰值振幅（A₀），这些参数受表层沉积物与基岩之间阻抗对比的控制。这些参数被广泛用于推断沉积厚度、检测岩性不连续面、表征沉积盆地、识别断层和空洞以及评估结构共振。HVSR衍生参数包括f₀和地震脆弱性指数（K_g），也已被用于多方法地球物理场地表征研究中的土壤分类和灾害评估。

尽管将这些方法相结合的多方法研究已成功应用于解析断层构造，此前研究尚未在?amdibi断层区域明确实施一种以微区划为重点的工作流程，将断层控制的阻抗非均质性与共振和脆弱性指标的空间变化相联系。鉴于此，本研究提出了一种以钻孔为支撑的、比较性的多方法地球物理解释方法，用于?amdibi断层区域的工程尺度微区划，使用ERT、MASW、HVSR和钻孔证据来评估地下结构、刚度和场地响应行为的横向变异性。

## 研究目标

本研究旨在通过联合使用ERT、MASW、密集微震测量和钻孔控制，建立一种面向工程的、比较性的多方法解释框架，以刻画科贾埃利–卡拉穆塞尔?amdibi地区断层影响的近地表条件。具体目标包括：（i）从二维ERT剖面中划定近地表地电单元并识别断层和断裂相关非均质性；（ii）从MASW推导V_s结构和基于V_s30的场地类别以量化刚度对比；（iii）利用HVSR分析绘制共振和脆弱性模式，包括f₀–A₀行为、地震脆弱性指数（K_g）和二维HVSR伪断面；以及（iv）针对钻孔岩性对这些结果进行解释和交叉验证，以支持结构复杂构造环境中可辩护的、高分辨率断层聚焦型地震微区划。该研究贡献了一种以钻孔为支撑的、面向应用的比较解释框架，基于独立的地球物理方法，从而实现结构复杂地区场地响应变异性的改进刻画。

## 研究区域与地质背景

研究区位于土耳其科贾埃利省西南部的卡拉穆塞尔区，范围从东经29.5406°–29.5441°、北纬40.5876°–40.5905°，中心点约位于北纬40.5891°、东经29.5424°，处于?amdibi的Bozkurt Mevkii区域。该区域位于构造活跃的马尔马拉地区内重要的构造单元——阿尔穆特鲁半岛的中部，受北安纳托利亚断裂带西支的影响。

## 主要技术方法

研究人员在涵盖农业用地、林区和城市基础设施的研究区内开展了多方法地球物理调查。由于地表条件复杂，测量剖面设计了不同的长度和方向以优化数据覆盖。MASW和ERT剖面的位置经过设计以覆盖研究区，并与五个可用钻孔实现最大空间对应。

在钻孔方面，五个钻孔根据地球物理剖面进行了战略性布置，提供了宝贵的地下数据。钻孔地层揭示了三个主要岩性单元：（i）覆盖于Arslanbey组-derived残积土之上的表层表土层，特征为极硬至坚硬状态、微含砾黏土质砂；（ii）松散胶结、强风化砂岩；以及（iii）下伏的基岩。

## 研究结果

### 电法电阻率层析成像（ERT）结果

ERT成像揭示了?amdibi断层两侧横向受扰动的电阻率层状结构，这与钻孔中观测到的岩性偏移一致。电阻率剖面显示出明显的横向不连续性，表明断层活动导致了地层的错断和变形。这些地电边界为理解断层控制的浅层结构提供了关键约束。

### 多道面波分析（MASW）结果

MASW频散曲线反演解析了剪切波速度结构，识别出两个代表截然不同场地条件的不同刚度域。基于V_s30的场地分类进一步量化了这些刚度对比，揭示了断层带附近与远离断层区域之间的显著差异。

### H/V谱比（HVSR）结果

来自19个台站的HVSR测量显示出卓越频率和放大效应的显著空间变异性。研究人员从HVSR数据估算了地震脆弱性指数（K_g），识别出一个明显的高脆弱性区域位于中部–南部地区。值得注意的是，断层带附近观测到相对较低的脆弱性值，这与MASW衍生的刚度变化和ERT定义的结构边界相吻合。

### 多方法数据综合解释

二维HVSR伪断面与ERT定义的电阻率边界及MASW约束的速度结构具有良好的空间对应性，表明断层控制的横向非均质性在多种独立数据集中均有一致表现。推断的结构和刚度对比与共振和放大效应的空间变化相对应。

## 讨论

讨论部分对ERT衍生的电阻率地层学和构造意义、受钻孔和ERT约束的MASW衍生刚度对比（V_s30），以及HVSR衍生的共振和放大指标（f₀、A₀和K_g）进行了综合解释。研究人员利用空间分布图和二维HVSR伪断面来评估?amdibi地区场地响应的横向变异性。

研究发现，?amdibi断层与地下结构变化以及近地表刚度和场地响应的变异性相关联。这一发现对地震微区划具有直接意义：断层带附近的刚度变化直接影响场地分类和预期的地震响应，而仅依赖单一方法可能无法充分捕捉这种复杂性。多方法数据的联合解释为建立空间上一致且物理上可解释的场地表征提供了必要的交叉验证。

## 研究结论翻译

本研究应用了一种以钻孔为支撑的比较性多方法地球物理解释方法，用以表征?amdibi断层区域（卡拉穆塞尔，土耳其西北部）中断层控制的场地条件，并将地下非均质性转化为面向工程的微区划指标。结果表明，?amdibi断层与地下结构以及近地表刚度和场地响应的变异性相关联。这一发现对地震微区划具有直接意义。该研究建立了一种以钻孔为支撑、基于独立地球物理方法的比较解释框架，从而实现结构复杂地区场地响应变异性的改进刻画，本研究以?amdibi断裂带为例进行了示范。