1 研究背景

粤港澳大湾区是与东京湾区、纽约大都会湾区以及旧金山湾区相媲美的全球第四大湾区。大湾区内有中国密度最高的城市超高层建筑群、现代化综合交通运输体系、世界级港口群、空港群，以及大亚湾核电站、港珠澳大桥等灾害敏感程度高的生命线工程。不容忽视的是大湾区近海展布着曾发生多次强震的滨海断裂带（刘以宣，1981）。大湾区城市防震减灾工作既要重视当地活动断裂带破坏性地震的发生，更应重视场地效应对于远处强震的放大作用所引发的灾害，地表松散的浅层结构是造成地震场地作用、加剧地震破坏的主要因素。

开展浅层地壳结构探测对于探查城市区域的断层分布、强地面运动模拟、地震灾害评估、城市规划、建构筑物抗震设计等，均具有重要的地震工程意义。因此，有必要在大湾区城市群开展地下空间浅部三维精细结构探查。浅层地壳结构模型的分辨率至少要达到千米量级才能可靠地模拟较高频（1 Hz及更高）的地震动，才具有真正的地震工程意义（姚华健等，2020）。因此，为项目设计了台站间距达到750 m的面状密集台阵，并结合甲烷气爆主动震源技术，满足城市尺度模型的横向分辨率要求。

2 探测方法介绍

传统的浅层结构探测主要依赖浅地表地震勘探、钻孔取样或测井等，这些调查方法的优势是结果准确，但成本高，探测深度达不到千米尺度，而且得到的数据只是一个点或线上的，无法刻画连续的城市精细三维结构。其他主动源勘探方法，例如可控震源等虽然可以得到浅部的比较精细的界面分布或速度结构，但噪音大、振动大；小型气枪的激发虽然环境友好且激发能量较大，但气枪激发依赖水体，因此上述方法在大城市人口密集区域施工困难。

氧气和可燃气体（如氢气、甲烷等）混合，可在一定能量点火条件下发生爆轰反应，释放大量的化学能，可作为一种新型震源产生地震波（张博等，2014）。同时，该震源燃爆产物为对环境无害的水和二氧化碳，是一种绿色震源，且可在陆地井中激发，是一种适合在城市地区开展的绿色、环保的新型震源。结合短周期密集台阵的地震背景噪声成像，为城市地下结构探测提供了经济、环保、便捷的技术。同时，噪声源随时随地存在，其对场地的适应能力最强，可以在主动源无法开展的环境敏感或高背景噪声区域实施。因此，本项目采用甲烷气爆震源，布设超密集短周期台阵，利用宽频带骨干网接收主动源走时信号以及背景噪声，完成体波成像、地震背景噪声成像和水平垂直谱比法计算，以期得到大湾区浅层精细速度结构以及沉积层厚度。

3 观测仪器部署及主动震源激发 3.1 观测仪器部署

2020年12月至2021年1月，本项目在广州主城区、佛山和东莞部分区域开展探测实验，探测面积60×60 km²，探测范围约（113°07′—113°43′E，22°48′—23°22′N）（图 1）。工作区范围内以约2.25 km台间距布设观测时长30—35天的短周期骨干观测网，共计720个观测点位（图 1中三角形）；以约0.75 km台间距布设观测时长3—10天短周期基本观测网，共计6 214个观测点位（图 1中圆点）；并以约20 km台间距布设观测时长30—35天的宽频带骨干网，共计16个观测点位。由于基本观测网涉及点位数量庞大，观测需要的仪器设备多，从项目可操作性出发，将观测区沿纵向以约15 km宽度划分为4个区域，从西往东依次称为A区、B区、C区、D区，不同区域分别由不同单位承担仪器布设任务，共使用Zland、SmartSolo及EPS三种类型的短周期节点式三分量地震仪3 000多套，各区各单位由南向北同步推进，并配合甲烷气爆震源激发进行主动源信号记录。

3.2 主动震源激发

甲烷震源激发条件如下：井深8—15 m，探测区范围打井63个，炮间距约7.1 km，井径均在140 mm左右，震源需填埋。震源使用装置为伟博WB-120-1000型震源，外径120 mm，长度1 000 mm，容积约10.8 L；装置主体为耐高压（500 MPa）特种钢材密闭柱体，震源混合气体注气压力为9 MPa，其中甲烷注气3 MPa，氧气注气6 MPa，完成注气后使用带有GPS高精度授时的起爆器进行点火激发，最终完成63个点位的63炮激发。为保证激发读取时间精度及控制激发效果，激发点位同步布设smartsolo地震仪2台、强震仪5台。同时，为获得更高信噪比的主动源记录，激发时间基本控制在凌晨1时前后30 min内，且与密集台阵布设时间同步，保证甲烷震源激发时震源点附近15 km范围内已完成密集台阵布设并同步记录。

4 总体数据质量和可用性

项目组将密集台阵所有台站的接收数据按照激发时间进行切割，保留震中距0—20 km内的数据，经校正系统时间偏差，获得63个甲烷震源激发事件的有效波形记录，均具有明显的同相轴信息。

本次探测任务中，短周期密集台阵骨干点间距2.25 km，在整个野外作业期从布设开始直至作业完成撤离，观测时长基本在27天以上。基本点间距0.75 km，数量庞大，受制于设备数量，基本点采用分期覆盖方式布设，基本点观测时长至少在8天以上，多数台站观测时长在15天左右。同时，为评估观测点仪器GPS授时情况，对在基本点上大量使用的SmartSolo节点地震仪的GPS授时钟差进行了统计。结果显示，其钟差基本在2.5—3 μs，远低于本次观测采用的4 ms采样间隔，表明节点地震仪波形记录的时间信息准确可信。

探测任务期间在广州地震监测中心站的同一观测坑内，同步布设Zland、SmartSolo及EPS三种类型的地震仪各1台，对比天然地震记录发现，波形清晰可辨，且相位、振幅高度一致。另外，选取其他点位不同仪器记录的不同天然地震事件波形进行比对，均可见清晰地震波形，初动明显，表明数据质量较好，为后续数据处理工作奠定了基础。

后续将完成探测区浅层三维精细模型及沉积层厚度模型的构建，系统总结超大城市新型主动震源广距探测方式以及高阶背景噪声成像、主被动源地震记录联合成像等技术方法。不断提高在城市浅层结构探测中的可靠性及便捷性，为城市地下空间的无损探测、城市防灾减灾能力的提升提供技术支撑。