華北地區(qū)瑞利面波噪聲層析成像研究

房立華

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

華北地區(qū)瑞利面波噪聲層析成像研究

房立華

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

華北具有中國大陸最古老的克拉通構(gòu)造，自中生代以來，華北克拉通活化，發(fā)生大規(guī)模的伸展和裂解，巖石圈減薄，并成為中新生代構(gòu)造強(qiáng)烈活動的地區(qū)。華北地區(qū)不但是中國的政治、經(jīng)濟(jì)和文化中心，也是地震災(zāi)害多發(fā)區(qū)，歷史上曾發(fā)生過多次破壞性地震。近代發(fā)生的唐山、灤縣、寧河強(qiáng)震造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，因此該區(qū)一直是中國的地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)。區(qū)內(nèi)斷層分布縱橫交錯，地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜。鑒于此，許多學(xué)者利用多種地球物理方法對華北地區(qū)的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，取得了許多重要成果，使人們對華北地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景、地殼上地幔深部構(gòu)造環(huán)境、地震活動性及破壞性地震的成因和機(jī)理有了一定程度的了解和認(rèn)識。

盡管前人對華北地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了很多研究，但由于地震定位精度、臺站分布的不均勻性、臺站密度和數(shù)據(jù)質(zhì)量等多方面因素的限制，以前的研究也存在一些不足。如：P波速度結(jié)構(gòu)研究較多，而S波速度結(jié)構(gòu)的研究相對較少；早期面波層析成像研究多采用1°×1°以上的網(wǎng)格劃分，只能揭示較大尺度的構(gòu)造框架和主要構(gòu)造單元的基本性質(zhì)，分辨率較低；射線平均路徑長，短周期面波信號不足，對地殼淺部速度結(jié)構(gòu)的約束較差。

為研究華北克拉通的破壞和巖石圈減薄，深入探討華北地區(qū)強(qiáng)震的孕震背景，獲取高分辨率的地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)，為該區(qū)域中長期破壞性地震預(yù)測和華北地區(qū)的防震減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)，中國地震局地球物理研究所于2006年11月在華北地區(qū)開展了大規(guī)模流動地震臺陣觀測，在該區(qū)域布設(shè)了250套流動地震觀測設(shè)備。作為華北地區(qū)寬頻帶流動地震臺陣綜合研究的一部分，本文對噪聲層析成像的理論和方法進(jìn)行了研究，并將該方法成功應(yīng)用于華北地區(qū)。利用布設(shè)在華北地區(qū)的190個寬頻帶、10個甚寬帶臺的2007年1月至2008年2月垂直分量的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，采用互相關(guān)方法提取出了瑞利面波的格林函數(shù)，利用多重濾波和相位匹配濾波方法提取了基階瑞利面波的群速度頻散曲線，得到5630條高質(zhì)量的頻散曲線，繼而對研究區(qū)進(jìn)行0.25°×0.25°網(wǎng)格剖分求得了每個網(wǎng)格的群速度純路徑頻散，分辨率比以往的研究大有提高。利用遺傳算法反演得到了每個網(wǎng)格下方0～50 km深度范圍的橫波速度分布，構(gòu)建了華北地區(qū)的三維S波速度結(jié)構(gòu)。迄今為止，這是中國大陸分辨率最高的群速度層析成像結(jié)果。

主要研究內(nèi)容及結(jié)果概述如下：

（1）對從背景噪聲提取格林函數(shù)的理論，頻散曲線的測量和反演，以及面波層析成像的理論和方法進(jìn)行了研究。開發(fā)了噪聲層析成像的數(shù)據(jù)處理程序和群速度頻散曲線的自動測量程序。測量由地震背景噪聲提取出的瑞利面波的頻散曲線時(shí)，使用多重濾波方法大多能獲得較為滿意的結(jié)果，對于信噪比較差的格林函數(shù)，可配合使用相位匹配濾波方法。

（2）對提取出的格林函數(shù)分析后發(fā)現(xiàn)，從地震背景噪聲中提取的頻散曲線的最大周期與臺陣孔徑有關(guān)，臺陣孔徑越大，提取的頻散曲線頻帶越寬；通過引入最大可信周期可使測得的頻散數(shù)據(jù)更可靠；發(fā)現(xiàn)格林函數(shù)的信噪比與觀測時(shí)間的平方根成正比，使用對稱分量可以提高信噪比；噪聲源的不均勻分布，導(dǎo)致格林函數(shù)的不對稱性；使用一年以上的觀測數(shù)據(jù)，可以降低噪聲源分布不均勻性對格林函數(shù)的影響，使提取出的格林函數(shù)更加對稱，信噪比更高。

（3）對噪聲特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)不同周期段的噪聲特征是不一樣的。4～10 s周期段，互相關(guān)函數(shù)在零時(shí)刻附近出現(xiàn)一組振幅強(qiáng)、震相連貫的波組。由于短周期面波強(qiáng)烈的衰減和吸收效應(yīng)，提取出的這一周期段的瑞利面波格林函數(shù)的信噪比較低。在10～20 s周期段，噪聲源存在季節(jié)性變化，噪聲強(qiáng)度與全球海浪高度較一致。在20～50 s周期段，瑞利面波格林函數(shù)基本對稱且不隨季節(jié)性變化，表明這一周期段的噪聲源分布較均勻。在4～20 s周期段，盡管互相關(guān)函數(shù)的正負(fù)分支在振幅上存在很明顯的不對稱性，但是到時(shí)卻基本一致，說明噪聲源分布對互相關(guān)函數(shù)振幅的影響較大，對到時(shí)的影響較小。

（4）將研究區(qū)域劃分為0.25°×0.25°的網(wǎng)格，用面波層析成像方法，反演得到了4～40 s周期的群速度分布圖像。層析成像結(jié)果較好地揭示了地殼內(nèi)部，尤其是淺部地殼的橫向速度變化。短周期的群速度分布同地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)、地形密切相關(guān)；華北盆地及山間的沉積盆地，如延慶-懷來盆地，大同盆地，顯示低速異常，而基巖廣泛出露的太行山和燕山隆起區(qū)，呈現(xiàn)高速異常；我們計(jì)算了9～12 s的群速度分布圖的速度梯度場，將速度梯度劃分為3個區(qū)間：＜0.05 km／s，0.05～0.15 km／s，＞0.15 km／s，并同時(shí)給出了公元前780年以來發(fā)生的M≥6.0的強(qiáng)震的震中分布，發(fā)現(xiàn)約2／3的強(qiáng)震（M≥6.0）都發(fā)生在中等速度梯度帶（0.05～0.15 km／s）附近。

（5）使用光滑約束的遺傳算法反演了432個節(jié)點(diǎn)的瑞利面波群速度純路徑頻散曲線，得到了華北地區(qū)0～50 km深度的三維S波速度結(jié)構(gòu)。反演結(jié)果較好地揭示了華北地區(qū)地殼內(nèi)部的S波速度結(jié)構(gòu)、結(jié)晶基底埋深和莫霍面埋深的橫向變化。反演結(jié)果表明太行山、燕山隆起區(qū)結(jié)晶基底埋深一般約＜2 km，延慶-懷來盆地約5 km，大同盆地約3 km。華北盆地內(nèi)部結(jié)晶基底厚度一般＞6 km，且不同構(gòu)造單元存在差異，滄縣隆起約8 km，冀中坳陷和黃驊坳陷約11 km。研究區(qū)域的地殼厚度橫向變化較大，基本形態(tài)是西部厚、東部薄，由東南向西北逐漸加深，莫霍面的區(qū)域構(gòu)造方向呈北東或北北東向展布。地殼厚度從東部渤海灣附近的28 km逐漸向西北方向變厚，進(jìn)入山西高原、張家口地區(qū)達(dá)到44 km，其橫向變化達(dá)16 km。在太行山山前斷裂附近，莫霍面厚度由東部的36 km左右，至西部突變?yōu)?0 km左右。燕山隆起帶地殼厚度由渤海邊的32 km，向西逐漸加深至約44 km。

（6）S波速度橫向分布圖揭示：在0～12 km深度范圍，太行山山前斷裂以東表現(xiàn)為低速異常，而以西表現(xiàn)為高速異常，13 km以下，東西兩部分的高低速速度異常開始變得模糊，僅在部分區(qū)域較明顯。據(jù)此推測，太行山山前斷裂可能僅在部分區(qū)域延伸至莫霍面。在0～8 km深處，燕山隆起帶為大范圍的高速異常；在燕山隆起帶南側(cè)、與張渤地震帶相鄰的地方，高低速異常交替分布，可能是受北北東-北東向斷裂的切割所致；沿張渤地震帶附近，在10 km深處有一條較為連續(xù)的北西向低速異常，這一低速異常帶和燕山高速區(qū)的南緣勾畫出了張渤斷裂帶的位置和北部邊界。北京—天津—唐山區(qū)域在中下地殼（15～32 km）存在顯著的低速異常，可能是由地幔熱物質(zhì)侵入造成的。

（7）對唐山、灤縣、寧河強(qiáng)震區(qū)的S波速度結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，唐山地震和灤縣地震發(fā)生在高速體內(nèi)部，且震源下方存在低速體，寧河地震發(fā)生在S波低速體與高速體的過渡帶。震源區(qū)上地幔頂部的S波速度較低，莫霍面在寧河西南和灤縣存在局部隆起。根據(jù)本文反演得到的高分辨率的S波速度結(jié)構(gòu)，我們認(rèn)為這3個強(qiáng)震的成因與上地幔的垂直形變、殼幔物質(zhì)的交換和地殼中的流體有關(guān)。幔源巖漿沿殼幔邊界的斷錯侵入，導(dǎo)致上地幔頂部的速度較低。同時(shí)巖漿的侵入使下地殼增熱，粘度下降，某些礦物發(fā)生脫水作用，脫出的水上移并存儲于中地殼內(nèi)。這些流體長時(shí)間的存在影響了斷層帶的結(jié)構(gòu)和組成，進(jìn)而改變了斷層帶的應(yīng)力狀態(tài)，造成了孕震區(qū)的弱化，從而觸發(fā)地震。

噪聲層析成像；互相關(guān)；瑞利波；群速度；遺傳算法；華北

（作者電子信箱，房立華：flh＠cea-igp.ac.cn）

P315.3＋1；

： A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2010.02.017