沉积盆地的结构，尤其是剪切波速度结构，会放大地震波的能量。精细的沉积盆地结构模型不仅是城市地震风险评估和应对巨灾风险的必要参数，还能为地下空间的合理利用提供基础信息。尽管面波频散曲线（Dispersion Curve, DC）被广泛用于反演S波速度剖面，但其在刻画尖锐的阻抗界面时存在局限性，而这些界面对于表征沉积盆地特征至关重要。水平与垂直谱比（Horizontal-Vertical Spectral Ratio Curve, HVSR）是地震背景噪声水平分量与垂直分量的谱比，其峰值频率可以反映强阻抗界面的位置，但速度与深度之间的权衡限制了其对绝对速度的约束能力。通过同时考虑HVSR与面波相速度频散曲线，可以实现两种数据的互补，从而获得更高纵向分辨率的速度模型。

中国地震局地球物理研究所鲁来玉研究员团队开发了一种基于单台HVSR曲线和由阵列技术得到的多模式频散曲线的联合反演方法，利用布设在雄安新区的894个地震台站的密集台阵连续数据，构建了雄安新区地下2公里深度以内的高分辨率3D剪切波速度结构。

图1 利用MCBF方法提取Raylegh波和Love波频散曲线示意图

首先，将整个密集台阵划分为多个子阵列。对于每个子阵列，如图1所示，利用修正的聚束分析方法（MCBF）提取基阶和一阶模式的Rayleigh波频散曲线，以及基阶Love波的频散曲线。与传统聚束分析方法相比，MCBF仅考虑稳相区域入射的平面波，能够最大限度降低噪声源和交叉台站对方位分布非均匀性的影响，从而在较短的记录时间内精确估计多模式面波频散曲线。通过该方法，共获得了865个子阵列的Rayleigh波和Love波频散曲线。接着，针对单个台站的连续记录，基于扩散场假设（DFA），利用自相关技术计算每个台站的HVSR曲线。图2展示了沿三条测线的HVSR曲线分布，可以看出HVSR峰值频率随剖面的变化，反映了强阻抗界面深度的变化。

图2 沿三个剖面的台站HVSR曲线。

图3 基于单台HVSR曲线与阵列平均的频散曲线构建联合反演数据示意图。（a）阵列质心的位置（蓝色圆点），红色五角星为台站位置；（b）图a’中圆圈内所有台阵参考点的Rayleigh波频散曲线的平均值；（c）HVSR曲线；（d）图a’中圆圈内所有台阵参考点的Love波频散曲线的平均值。（b）、（c）和（d）中的彩色圆点构成了一组联合反演的数据集

由于从每个子阵列提取的频散曲线反映的是子阵列下方介质的平均特性，而HVSR曲线反映的是单台下方局部结构，因此需要将单台HVSR曲线与阵列平均的面波频散曲线进行组合，开展联合反演。如图3所示，以单个台站为圆心，求取给定半径内阵列参考点面波频散曲线的平均值，该平均值与单台HVSR曲线构成一组联合反演的数据集。图4展示了基于图3数据的联合反演结果。

图4 基于图3的HVSR和面波频散曲线联合反演的示意图。

将每一组HVSR和多模频散曲线的联合反演结果组合在一起，可以得到沉积盆地的三维S波速度模型，结果如图5所示。图5中，我们利用两种方法估算沉积层厚度：（b）和（d）是基于HVSR峰值频率，利用钻孔数据标定的两个强阻抗界面厚度；（a）和（c）是利用三维速度模型的S波速度等深面作为阻抗界面的厚度。两种方法的结果相当吻合。（c）和（d）中的深层阻抗界面，根据钻孔数据解释为Q+N的厚度，在蓉城凸起（RCH）和牛驼镇凸起（NTZH）较浅，在徐水凹陷（XSL）和牛北斜坡（NBS）较深。（a）和（b）为浅部松软沉积物的厚度，以断层F4为界，西北较深，东南较浅。

图5 基于S波速度为0.63km/s（a）和1.0km/s（c）的等深面刻画的强阻抗界面厚度,以及HVSR第一峰频率（b）和第二峰频率（d）经验关系得到的界面深度分布图。

沉积盆地是人类人口和重要资源的聚集地，无论是地表的农业资源，还是深层的水、石油、天然气或地热能资源。如果沉积盆地位于地震活跃区，其结构在确定地震风险方面起着重要作用，尤其是在人口密集的城市地区。许多城市建在沉积盆地上，而沉积盆地的结构对地面运动有显著影响。深厚沉积盆地会放大长周期（1秒）的破坏性地面运动，这种放大效应主要受盆地的S波速度结构控制。因此，获取详细的3D盆地结构，特别是基岩之上的沉积盆地结构，是进行充分地震风险评估的必要条件。美国2023年更新的国家地震危险模型已考虑了地面震动的盆地放大效应。与美国西部类似，华北平原被深厚沉积层覆盖，历史地震活动和近期研究表明，该地区存在发生大地震的潜在风险，因此构建这一地区的沉积盆地模型至关重要。本文提出的雄安新区三维沉积盆地模型，将为该地区的地震灾害评估和城市建设提供重要参考。

研究成果2025年发表于国际学术期刊《Bulletin of the Seismological Society of America》（Youyuan Zhang, Laiyu Lu, Valérie Maupin, Tongwei Qin, Zhifeng Ding; Mapping 3D Sedimentary Structures with Joint Inversion of H/V Spectral Ratios and Multimode Dispersion Curves Derived from Ambient Noise—Application to the Xiong’an New Area, China. Bulletin of the Seismological Society of America 2025; doi: https://doi.org/10.1785/0120240174）。本研究由国家自然科学基金（42474081、U1839209），中国地震局地球物理研究所基本科研业务费专项（DQJB23K34）和国家重点研发计划（2017YFC1500200）资助。

【作者简介】

第一作者：张友源，男，中国地震局地球物理研究所博士研究生，主要从事地震干涉理论、信号的阵列处理技术及HVSR反演成像等方面的研究工作。

通讯作者：鲁来玉，男，中国地震局地球物理研究所研究员、博士生导师，主要从事复杂介质地震波传播与散射理论、地震层析成像及声学信号处理等方面的研究工作。