太行山斷裂帶南端的地震縱波速度結(jié)構(gòu)分析

周俊杰 王 雨 張景森 周龍泉

1)河北工程大學，邯鄲 056038

2)河北省資源勘測重點實驗室，邯鄲 056038

3)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

太行山斷裂帶南端的地震縱波速度結(jié)構(gòu)分析

周俊杰1，2)王 雨1)張景森1)周龍泉3)

1)河北工程大學，邯鄲 056038

2)河北省資源勘測重點實驗室，邯鄲 056038

3)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

斷裂構(gòu)造的活動是地震的成因之一。斷裂構(gòu)造上的小震速度結(jié)構(gòu)分布為人們準確提供了地下殼質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，為斷裂的活動性分析提供了依據(jù)。文中結(jié)合太行山南端的地震臺網(wǎng)監(jiān)測資料，利用小震P波走時數(shù)據(jù)，通過震源和速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演，確定了太行山斷裂構(gòu)造南端的三維速度結(jié)構(gòu)模型。結(jié)果表明：太行山山前斷裂帶的西側(cè)存在NNE向斷層，速度結(jié)構(gòu)平面分布顯示低速區(qū)沿斷裂帶呈條帶狀分布，太行山隆起區(qū)沉積層厚度由8km左右逐漸減薄為2km左右，同時受西側(cè)作用力的影響地殼厚度逐漸增厚。

太行山斷裂帶 地震波 速度結(jié)構(gòu) 反演

0 引言

近幾年，約有95%的6級以上地震分布在新生代以來的活動斷裂帶和構(gòu)造盆地、大型塊體隆起和凹陷邊界活動斷裂帶上，震級越大，這種關系越明顯(王斌等，2008;李樹德，2001)。地震常發(fā)生在活動斷裂帶上，是地殼彈性介質(zhì)的快速破裂事件，是地殼構(gòu)造活動的一種特殊表現(xiàn)形式?！盎顢鄬印奔椿顒訑嗔褞?，是地震災害的元兇。

20世紀70年代以來，前人利用地震層析成像技術(shù)研究了地震區(qū)的速度結(jié)構(gòu)，對地震的孕育構(gòu)造環(huán)境進行了探討(劉福田等，1989;Zhao et al.，2002)。1885—1999年發(fā)生在日本地殼內(nèi)的大地震幾乎都位于由層析成像結(jié)果所解釋的低速帶和高速帶的邊界上。最近在中國西南的川滇地區(qū)大多數(shù)大地震也位于高、低速度帶的邊界上，并且大地震的震源區(qū)下存在低速層(Huang et al.，2002;宋和平，2005)。但對于活斷層附近存在的許多小震現(xiàn)象，利用小震進行速度反演研究還很不足，同時對于速度結(jié)構(gòu)的研究也主要是靜態(tài)的，對于活斷層下的速度結(jié)構(gòu)如何隨著時間變化尚未見探討。

基于此，本文主要采用地震層析成像技術(shù)研究活斷層活動過程中存在的各種微小地震的波速變化，利用1992—2007年邯鄲地震臺網(wǎng)資料，利用P波對該地區(qū)地殼進行速度結(jié)構(gòu)成像，并對其分辨率和誤差進行分析，以確定該地區(qū)活動斷裂構(gòu)造在近期速度結(jié)構(gòu)的動態(tài)演化進程，從而為探討震源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境和地震孕育過程提供介質(zhì)物性變化的依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 構(gòu)造分析

研究區(qū)域主要位于河北省邯鄲市的南部，位于唐山-河間-磁縣地震活動構(gòu)造帶的南端，太行山次級塊體和冀魯次級塊體交接處，存在著SN向和EW向一系列的地震活動帶，如：太行山前斷裂、磁縣斷裂等(圖1)，并且EW向斷裂和SN向斷裂在此交叉，這就使得在本區(qū)內(nèi)的地震活動比較復雜。

收集了1992—2000年邯鄲地震臺網(wǎng)8個模擬臺站的記錄 (圖1)，挑選出有3個及以上臺站記錄到震相且有震源參數(shù)(經(jīng)度、緯度和深度)的地震事件1,072個。2001—2007年共記錄到924個地震事件，其至少被3個及其以上臺站所記錄到，基本屬于Ⅰ類精度。

所有地震波走時資料都取自邯鄲地震臺網(wǎng)觀測報告，考慮到地震射線對研究區(qū)的覆蓋以及較大走時殘差對反演的影響，從1,996個地震事件共7,898條射線中，進一步挑選出參與反演的P波觀測數(shù)據(jù)4,825條。所有參與反演的走時隨震中距分布如圖2所示。

圖1 邯鄲斷裂構(gòu)造、地震臺網(wǎng)以及小震分布圖Fig.1 The distribution ofmain faults，seismic network，and minor earthquakes in Handan area.

圖2 參與反演的P波走時隨震中距的分布Fig.2 The relationship of the seismic Pwave travel-time vs the epicentral distance in the inversion.

1.2 初始速度模型的建立

綜合多年來發(fā)表的該區(qū)及其鄰近區(qū)域的地殼速度結(jié)構(gòu)研究成果(黃金莉等，2005)，選定本區(qū)成像的一維參考速度模型如表1所示。

2 速度結(jié)構(gòu)和震源位置聯(lián)合反演方法簡介

在震源位置和速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演(Aki et al.，1976;劉福田等，1989; 周龍泉等，2005，2006)過程中，走時殘差 δt是由于震源參數(shù)的擾動和速度的擾動引起的，該問題可用以下線性化方程表示

式中Δt、Δx、Δy、Δz和Δvn分別表示震源的發(fā)震時刻、經(jīng)度、緯度、深度的擾動以及速度的擾動，N

表1 研究區(qū)地殼縱波速度初始值Table 1 The original P-wave velocity value of the crust in the study area

為速度參數(shù)的總個數(shù)。對于l個地震和j個臺站，可以將(1)式寫成如下的緊湊形式

式中δt是m維走時殘差向量，δv是n維節(jié)點速度擾動向量，δx是4l維震源參數(shù)擾動向量，A是m×n維走時對速度的偏導數(shù)矩陣，B是m×4l維走時對震源參數(shù)的偏導數(shù)矩陣。

采用劉福田等(1989)提出的正交投影算子，將(2)式分解為以下2個分別求解速度參數(shù)和震源參數(shù)的方程組

地震定位精度除了受地震臺網(wǎng)的布局、可用定位的震相和地震波走時讀數(shù)精度的影響外，還主要受到速度結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)公式(3)和(4)，聯(lián)合反演過程中先確定研究區(qū)的速度結(jié)構(gòu)參數(shù)，再確定震源參數(shù)，從而消除了速度結(jié)構(gòu)的不確定性對定位精度的影響。因此，通過震源位置和速度結(jié)構(gòu)的聯(lián)合反演可有效地提高地震定位的質(zhì)量。

3 計算結(jié)果分析

3.1 解的分辨分析

本論文采用解的分辨矩陣的對角元素來說明解的可靠性問題。由圖3所示，在0km深度上分辨矩陣對角元素值基本上在0.5左右，只有少數(shù)地區(qū)能達到0.6及其以上，即分辨效果一般;在5km深度上，磁縣斷裂及其附近分辨矩陣對角元素值基本在0.9以上，分辨效果非常好，在安陽和邯鄲附近也能達到0.7左右，只有邊緣地區(qū)分辨效果較差;在10km深度上，絕大多數(shù)地區(qū)的分辨矩陣對角元素值＞0.9，邊緣地區(qū)其值也能達到0.7左右;在15km深度上，分辨矩陣對角元素值分布與10km深度類似，基本上在0.9左右;在20km深度上，研究區(qū)的中東部分辨矩陣對角元素值在0.9左右，而在西部對角元素值在0.5左右;在33km深度上，只有研究區(qū)中部地區(qū)分辨矩陣對角元素值能達到0.7左右，而在其他地區(qū)基本上在0.3左右。

綜合分析認為該地區(qū)的速度結(jié)果在5km、10km、15km和20km深度上具有非常好的分辨效果，0km和33km深度上部分地區(qū)的分辨效果比較滿意。

3.2 定位誤差分析

在速度結(jié)構(gòu)和震源位置聯(lián)合反演中，采用逐步迭代反演方式，并且為了降低解的不穩(wěn)定性，每次迭代反演后的參數(shù)調(diào)整都控制在模型參數(shù)的10%以內(nèi)。首先利用邯鄲中心臺網(wǎng)的觀測走時數(shù)據(jù)，以初始速度模型(表1)為基礎，采用最小二乘正交分解(LSQR)方法確定邯鄲遙測臺網(wǎng)覆蓋區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)以及地震事件的位置。經(jīng)過5次迭代反演后，P波走時的均方根殘差(RMS)由反演前的0.877,4s降到反演后的0.372,1s，定位偏差在EW方向上平均為0.098,1km，在NS方向上平均為0.096,6km，在垂直方向上平均為0.041,9km。

圖3 不同深度分辨矩陣對角元素值等值線分布圖Fig.3 The distinguishability of diagonal element isogram in different depths.

4 速度結(jié)構(gòu)演化分析

根據(jù)解的分辨分析結(jié)果，在5km、10km、15km以及20km深度上，解的可靠性非常好，因此，我們選取這4個深度上的速度分布來探討該地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)與構(gòu)造之間的關系(圖4)。

5km深度上速度分布圖(圖4a)顯示：太行山山前斷裂東西兩側(cè)速度差異顯著，東側(cè)低速區(qū)反映的是新近紀—第四紀凹陷區(qū);西側(cè)高速區(qū)呈NNE向分布，為太行山隆起區(qū)的沉積蓋層。在太行山隆起的NNE向高速體西側(cè)也存在明顯的速度差異轉(zhuǎn)換帶，認為存在NNE方向的斷裂。

10km深度速度分布(圖4b)顯示：太行山山前斷裂東側(cè)依然為低速區(qū)，反映了凹陷區(qū)沉積厚度可達10km左右;而斷裂西側(cè)速度變化不明顯，表明此隆起區(qū)只是該深度以上的地殼介質(zhì)被向上抬升。

15km和20km深度速度分布(圖4c和4d)顯示：太行山山前斷裂東側(cè)速度變化不明顯，斷裂帶西側(cè)為明顯的低速區(qū)，說明在隆起區(qū)10km以下地殼介質(zhì)往下擠壓。

圖4 研究區(qū)速度結(jié)構(gòu)分布Fig.4 Velocity change in the study area.

圖5 沿北緯36.4°垂直剖面的速度分布Fig.5 The vertical velocity section on north latitude 36.4°.

為了進一步驗證該結(jié)果，沿北緯36.4°橫切太行山隆起區(qū)做速度垂直分布圖 (圖5)。結(jié)果表明：由西往東沉積層厚度由8km左右逐漸減薄為2km左右，同時地殼厚度逐漸增厚。而在太行山山前斷裂帶東側(cè)沉積層厚度基本在10km左右，認為是由于太行山隆起區(qū)地殼介質(zhì)受西側(cè)的作用力，地殼介質(zhì)同時向上和向下擠壓，造成太行山隆起以及地殼增厚。

結(jié)果表明，在太行山隆起區(qū)10km深度以上介質(zhì)往上抬升，此深度以下介質(zhì)向下擠壓。

5 結(jié)論

根據(jù)太行山斷裂帶南端的地震臺網(wǎng)監(jiān)測的小震資料，利用縱波速度進行聯(lián)合反演，對該地區(qū)的地震波速度結(jié)構(gòu)的演化進行了分析，總體認為：

(1)反演后的地震波速度平面分布上，太行山斷裂帶的西側(cè)為高速區(qū)，東側(cè)為低速區(qū)，且在深度大約10km附近東側(cè)和西側(cè)速度變化不大，表明東側(cè)為新近紀—第四紀凹陷區(qū)，西側(cè)為沉積蓋層。

(2)根據(jù)地震波速度在平面和垂向剖面上的分布特征，認為在太行山山前斷裂帶的西側(cè)，存在一個近NNE向的林州—武安的推測斷裂。

(3)太行山隆起區(qū)地殼介質(zhì)受西側(cè)的作用力，地殼介質(zhì)同時向上和向下擠壓，造成太行山隆起和地殼增厚，由西往東沉積層厚度由8km左右逐漸減薄為2km左右。

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ANALYSISON THE EVOLUTION OF SEISM IC VELOCITY STRUCTURE AT THE SOUTHERN END OF TAIHANG MOUNTAINS FAULT ZONE

ZHOU Jun-jie1，2)WANG Yu1)ZHANG Jing-sen1)ZHOU Long-quan3)
1)Hebei University of Engineering，Handan 056038，China
2)Key Laboratory of Resource Survey and Research of Hebei Province，Handan 056038，China
3)China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China

The activity of fault is one of the causes of earthquakes.The distribution of the velocity structure of small earthquakes on the fault structure can offer an accurate underground crust structuremodel for us to analyze the activity of fault.Using the seismic networkmonitoring data at the southern end of the Taihang Mountains and the small earthquake Pwave travel time data，the paper reconstructs the threedimensional velocity structuremodel for the southern end of the Taihang Mountains Fault zone by joint inversion of seismic source and velocity structure.The results show：on the west of Taihang Mountain piedmont fault zone，there exists a NNE-trending fault.Horizontal distribution shows a zonal distribution of low velocity zone along the fault zone.The thickness of the sedimentary layer in Taihangshan uplift has reduced gradually from approximately 8km to about 2km，while under the force from the western side，the crust thickens gradually.

Taihang Mountains Fault zone，seismic wave，velocity structure，inversion

P315.3+1

A

0253-4967(2011)01-0107-07

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.01.010

2010-05-20收稿，2010-08-26改回。

河北省教育廳“河北南部礦產(chǎn)資源開發(fā)環(huán)境效應研究”項目(Z2008202)資助。

周俊杰，男，1976年生，2000年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(武漢)，2006年畢業(yè)于河北工程大學資源學院，獲碩士學位，講師，主要從事地球物理探測和構(gòu)造地質(zhì)方面的教學與研究，電話：0310-8579542，E-mail：ansanzhou 7684@163.com。