中國東北及周邊地區(qū)地殼橫波衰減的成像研究

孫 蓮，李永華，吳慶舉，汪素云

中國地震局地球物理研究所，北京 100081

中國東北及周邊地區(qū)地殼橫波衰減的成像研究

孫 蓮，李永華，吳慶舉，汪素云

中國地震局地球物理研究所，北京 100081

利用146個(gè)臺站記錄的中國地震年報(bào)及黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古四省地震臺網(wǎng)觀測報(bào)告的6371個(gè)近震46652條橫波振幅與周期資料，采用二維層析成像方法反演東北地區(qū)地殼介質(zhì)品質(zhì)因子Q0空間分布圖像.在絕大部分研究區(qū)都可達(dá)到2°×2°的分辨率.結(jié)果表明，東北及周邊地區(qū)地殼介質(zhì)品質(zhì)因子Q0平均值為323，其Q0值分布及其所揭示的衰減變化特征與研究區(qū)的地表構(gòu)造具有明顯的相關(guān)性，如華北平原、松遼盆地和海拉爾平原等沉積層較厚的區(qū)域通常呈現(xiàn)為低Q0值；而燕山、太行、興蒙褶皺帶等沉積層薄或基巖出露的區(qū)域則呈現(xiàn)為相對高的Q0值.整個(gè)東北地區(qū)呈現(xiàn)高低衰減帶相間分布.

地震波衰減，東北，Q0值，振幅層析成像

1 引 言

地震波因地殼介質(zhì)的非均勻性引起的散射和介質(zhì)非彈性吸收而引起的地震波能量的衰減可以用介質(zhì)的品質(zhì)因子（即地震波Q值）來表述.地震波Q值是除地震波速度外，地球深部結(jié)構(gòu)及地球動(dòng)力學(xué)所研究的另一個(gè)非常重要的地球物理學(xué)參數(shù).大量研究結(jié)果表明，地殼上地幔地震波速度的橫向變化通常只有百分之幾，而地殼上地幔Q值的橫向變化的量級卻在數(shù)十倍以上［1］.因此借助于對地殼Q值的研究，可以更準(zhǔn)確的認(rèn)識地殼的結(jié)構(gòu)特征.當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^構(gòu)造活動(dòng)區(qū)時(shí)，能量將發(fā)生強(qiáng)烈衰減而具有低Q值，而在一些構(gòu)造穩(wěn)定的地區(qū)則因衰減較少而具有高Q值［2－7］.從而進(jìn)一步認(rèn)識火山區(qū)的巖漿分布、構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的斷層分布、殼內(nèi)低速層等.

東北地區(qū)在構(gòu)造上位于中朝板塊和西伯利亞板塊之間，屬于天山—興蒙地槽褶皺系的東支.中、新生代以來，受太平洋板塊向西俯沖的影響，中國東北部形成了以擴(kuò)張為主、局部壓張的大地構(gòu)造格局，形成了一系列北東向、北東東向?yàn)橹鞯脑焐綆В璧貥?gòu)造單元，并伴有強(qiáng)烈的火山作用與地震活動(dòng)發(fā)生［8－12］.為探討太平洋板塊俯沖及其對中國東北地區(qū)的影響，科學(xué)家在該區(qū)開展了大量的人工地震和天然地震研究，很好地刻畫了研究區(qū)的殼幔速度結(jié)構(gòu)［13－22］.在該區(qū)開展地震波Q值研究，將為地學(xué)家更準(zhǔn)確的認(rèn)識中國東北及周邊地區(qū)的殼幔結(jié)構(gòu)提供重要的約束.

目前，多數(shù)學(xué)者直接利用數(shù)字地震波形資料，如Lg尾波或長周期面波［23－27］等開展Q值的研究，但其受到臺站密度和資料數(shù)量的限制，缺少足以覆蓋研究區(qū)域的大量數(shù)據(jù).為獲得更好的射線覆蓋和分辨率，可利用測定震級ML的振幅數(shù)據(jù)開展對Q值的研究［2－7］.汪素云等［4－5］利用中國地震年報(bào)（1984—2004年）測定ML所用的54000余條區(qū)域地震最大振幅數(shù)據(jù)資料，反演了中國大陸地殼介質(zhì)品質(zhì)因子Q0結(jié)構(gòu).雖然射線覆蓋面很大，但是對于東北區(qū)域來說，射線覆蓋還不夠密集，結(jié)果的分辨率不足3°×3°.本文利用中國地震年報(bào)和地方臺網(wǎng)測定的中國東北及周邊區(qū)域地震的最大振幅資料，反演東北及周邊地區(qū)地殼介質(zhì)品質(zhì)因子Q0結(jié)構(gòu)，進(jìn)而為東北及周邊地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)及構(gòu)造活動(dòng)的分布和強(qiáng)度的研究提供依據(jù).

2 資 料

本文研究的范圍為（30°N—60°N，110°E—140°E），主要包括了東北地區(qū)和華北北部地區(qū).所用觀測數(shù)據(jù)來源于《中國地震年報(bào)》（1984年1月—2008年6月）、黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古四省地震臺網(wǎng)觀測報(bào)告（2001年1月—2008年12月）.在近距離內(nèi)（震中距＜200km），測定ML所用的振幅多為直達(dá)S波的最大振幅；而震中距＞200km時(shí)，為Lg波的最大振幅.在本文中簡化統(tǒng)稱為橫波的最大振幅.為了獲得高精度和有廣泛均勻覆蓋面的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選需要滿足下列條件：（1）震中距在1°～7°范圍內(nèi)，震源深度小于45km；（2）每個(gè)地震事件至少有3個(gè)地震臺站記錄到；（3）每個(gè)地震臺站至少記錄到3個(gè)地震事件.刪除不符合上述條件的數(shù)據(jù)記錄，最后共選出在146個(gè)臺站上記錄到的6371個(gè)近震的46652條射線數(shù)據(jù).最終采用的橫波振幅數(shù)據(jù)的臺站和地震位置以及射線分布圖見圖1.

3 反演方法

我們所采用的反演方法在汪素云等［5］的文章中有詳細(xì)講解，本文只做簡單的介紹：

地震波在傳播路徑上的衰減，直接表現(xiàn)為地震波振幅的變化.其主要的影響因素有：（1）臺站及儀器響應(yīng)，（2）震源強(qiáng)度，（3）幾何擴(kuò)散，（4）介質(zhì)衰減.因此地震波振幅可用以下形式表述：

（1）式中，A是記錄到的地震波的振幅，f是頻率，r為震中距，其中，I（f）是臺站響應(yīng)是震源強(qiáng)度是幾何擴(kuò)散因子，該項(xiàng)與波的類型密切相關(guān)，這里無論是Sg波還是Lg波，地殼橫波的幾何擴(kuò)散系數(shù)k都簡化為1；An（f，r）＝是介質(zhì)吸收因子，其中v是地殼剪切波波速，品質(zhì)因子Q＝，Q0是橫波1Hz時(shí)的品質(zhì)因子，η是Q隨頻率變化的相關(guān)因子.

取對數(shù)并校正后，將研究區(qū)域分成二維網(wǎng)絡(luò)，可以寫成用于求解各網(wǎng)格的臺站校正、震源校正以及的方程組.

式中，ai是臺站校正項(xiàng)，負(fù)值表示臺站下方衰減較大，而正值則表示臺站下方增益較大.其絕對值越小表示儀器標(biāo)定準(zhǔn)確，場地地質(zhì)環(huán)境較好，臺站的臺基相對較好.bj是地震震源校正項(xiàng)，負(fù)值表示實(shí)際震級比目錄給出的要小，而正值則表示實(shí)際震級要比目錄給出的大.為網(wǎng)絡(luò)內(nèi)頻率為1Hz時(shí)的品質(zhì)因子Q0的變化.rijl為第j個(gè)地震到第i個(gè)臺站的射線經(jīng)過第l個(gè)網(wǎng)絡(luò)的長度.反演中速度v取為3.6km／s.通過預(yù)條件LSQR共軛梯度最小二乘的迭代算法來求解.迭代次數(shù)取為60次，網(wǎng)格大小取為20′×20′；阻尼常數(shù)取為1000.經(jīng)反演迭代計(jì)算，最終得到了Q0值的區(qū)域變化圖像、臺站增益校正項(xiàng)和震源尺度擾動(dòng)項(xiàng).該方法已在華北和川滇等地區(qū)［5－7］得到了成功的應(yīng)用.

4 反演結(jié)果及分析

圖1 射線路徑及臺站、地震位置Fig.1 Ray paths，earthquake and seismic station locations

圖2是反演得到的地殼橫波衰減的介質(zhì)品質(zhì)因子Q0空間分布圖.圖中用不同顏色表示Q0值的變化分布，紅色對應(yīng)比平均Q0值低的區(qū)域（高衰減區(qū)），藍(lán)色對應(yīng)比平均Q0值高的區(qū)域（低衰減區(qū)）.從圖中可見，相對于Q0的平均值323，Q0橫向變化量為－200至200.從圖2顯示渤海地區(qū)Q0值最小，衰減最高；松遼盆地、海拉爾平原等穩(wěn)定地塊區(qū)Q0值相對較小，衰減較高；整個(gè)東北地區(qū)呈高低衰減帶相間分布.

圖2 Q0橫向變化圖像（Q0變化是相對于均值323）Fig.2 Q0variation within the crust beneath China.Q0perturbations are relative to 323

圖3 臺站相對增益分布（a）及震源校正項(xiàng)分布（b）Fig.3 （a）Station term perturbations and event term perturbations（b）event term perturbations

圖3a給出了臺站校正ai分布圖，ai介于－0.25至＋0.35個(gè)震級單位，有60%的臺站≤0.1個(gè)震級單位；只有10%的臺站＞0.2個(gè)震級單位.臺站校正系數(shù)比較小，故可以看出東北及鄰區(qū)臺站的臺基相對較好.圖3b給出了震源校正bj分布圖，bj介于－0.51至＋0.52個(gè)震級單位，有64%震源校正項(xiàng)≤0.1個(gè)震級單位；只有9%的臺站＞0.2個(gè)震級單位.許多地方如渤海附近，是由于高衰減帶造成經(jīng)過的射線振幅衰減較大，震源尺度估計(jì)偏低.震級測定會受到地殼介質(zhì)衰減橫向變化的影響.

圖4給出了采用測試板方法測試地殼介質(zhì)品質(zhì)因子Q0值空間分布結(jié)果的分辨率，即對相同的射線分布及阻尼常數(shù)，用不同尺度的測試版試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，施加幅值為?00的正弦函數(shù)Q0擾動(dòng)模型計(jì)算理論振幅殘差，反演出給定的Q0擾動(dòng)模型的恢復(fù)結(jié)果.在絕大部分地區(qū)都達(dá)到2°×2°的分辨率.本文還采用計(jì)算100次的bootstrap方法反演，每次迭代60次，得出Q0橫向變化，其中97%的地區(qū)誤差不超過20，從而進(jìn)一步驗(yàn)證本研究得到的Q0值的可靠性及穩(wěn)定性.

5 結(jié)論和討論

利用中國地震年報(bào)、黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古四省地震臺網(wǎng)觀測報(bào)告的橫波振幅與周期資料，進(jìn)行了振幅的層析成像研究.在前人的研究［5，7］基礎(chǔ)上，本文工作補(bǔ)充了中國東北及鄰區(qū)地方臺網(wǎng)和2005—2008年《地震年報(bào)》中的2萬多條射線數(shù)據(jù)，從而大大提高了反演結(jié)果的分辨率.檢測板測試表明，研究區(qū)基本上達(dá)到了2°×2°的分辨率，僅在北緯50°以北的最邊緣部分由于區(qū)域臺站數(shù)據(jù)量少，射線覆蓋較稀，分辨率為3°×3°.反演結(jié)果顯示，東北及周邊地區(qū)地殼介質(zhì)品質(zhì)因子Q0平均值為323，其Q0值分布及其所揭示的衰減變化特征與研究區(qū)的地表構(gòu)造具有明顯的相關(guān)性，如華北平原、松遼盆地和海拉爾平原等沉積層較厚的區(qū)域通常呈現(xiàn)為低Q0值；而燕山、太行、興蒙褶皺帶等沉積層薄或基巖出露的區(qū)域則呈現(xiàn)為相對高的Q0值.本文結(jié)果與Zhao等［24］利用Lg尾波所得到的研究區(qū)的衰減特征非常相似：Q0值橫向變化相似，但大小并不一致.這與我們結(jié)果中Q0值的大小與反演中幾何擴(kuò)散項(xiàng)中的系數(shù)k和介質(zhì)吸收項(xiàng)中η，v參數(shù)的選取有關(guān)，由于幾何擴(kuò)散項(xiàng)和介質(zhì)吸收項(xiàng)的相關(guān)性，當(dāng)幾何擴(kuò)散系數(shù)k增高時(shí)，幾何擴(kuò)散項(xiàng)增大，介質(zhì)吸收項(xiàng)會減少，因而Q0值增大；而當(dāng)固定k值時(shí)，隨著η的減少，Q0值也會增加.下面著重研究的是Q0值的橫向變化圖像.

Q0值的橫向變化表現(xiàn)的是地殼中地震波能量的衰減分布，其大小與沉積層厚度、構(gòu)造活動(dòng)的強(qiáng)弱作用及地殼介質(zhì)屬性關(guān)系密切.圖5a為采用CRUST2.0［28］獲得的沉積層厚度的數(shù)據(jù)繪成東北及鄰區(qū)沉積層厚度分布圖，對比地殼衰減結(jié)果與沉積層厚度發(fā)現(xiàn)，東北及其鄰區(qū)反演得到的介質(zhì)品質(zhì)因子Q0值分布與沉積層厚度之間的密切關(guān)系：沉積層較厚，Q0值較低，衰減較強(qiáng)，如在渤海灣地區(qū)、松遼盆地等；沉積層較薄，Q0值較高，衰減較弱.另外松遼盆地等沉積較厚區(qū)域的低Q0值可能與沉積層內(nèi)孔隙為含水流體充填有一定關(guān)系［7］.東北及其鄰區(qū)反演得到的介質(zhì)品質(zhì)因子Q0值分布與地殼的溫度也有一定的相關(guān)性.圖5b為根據(jù)胡圣標(biāo)等［29］發(fā)表的中國大陸地區(qū)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)匯編（第三版）給出的研究區(qū)大地?zé)崃鞣植紙D.對比地殼衰減結(jié)果與大地?zé)崃鞣植及l(fā)現(xiàn)，在具有可比性的穩(wěn)定地塊區(qū)，呈現(xiàn)出強(qiáng)衰減對應(yīng)高的大地?zé)崃髦档奶匦?如在松遼盆地、海拉爾平原等穩(wěn)定地塊區(qū)，Q0值較低，衰減較強(qiáng)，對應(yīng)的大地?zé)崃饕草^高；而其周邊的褶皺帶，Q0值較高，衰減較弱，對應(yīng)的大地?zé)崃鲃t偏低.

本文所揭示的研究區(qū)的Q0值橫向變化與已有的Pn，Sn成像結(jié)果［30－34］也具有很好的相關(guān)性，在Pn和Sn速度高的地區(qū)地殼Q0值高；在低Pn速度或者Sn傳播無效區(qū)地殼Q0值低.前人［35－37］曾經(jīng)將藏北地區(qū)的低Pn速度、強(qiáng)烈的Sn、Lg高頻衰減以及高泊松比的地球物理特征解釋為殼內(nèi)部分熔融的證據(jù).研究區(qū)內(nèi)的五大連池火山和天池火山是我國大陸境內(nèi)有過歷史噴發(fā)記載的近代活動(dòng)火山.80年代以來在上述活動(dòng)火山地區(qū)開展的大量地球物理調(diào)查表明，五大連池火山和天池火山下方存在殼內(nèi)低速區(qū)或者殼內(nèi)巖漿房［38－42］.但是本文研究顯示，上述火山地區(qū)并沒有顯著的衰減.這可能是由于上述火山地區(qū)的巖漿房太小，或者本文的Q0值成像結(jié)果分辨率不夠而無法分辨的緣故.

我們發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)有趣的現(xiàn)象是，盡管都屬于沉積層較厚的盆地地區(qū)，但是華北平原較松遼平原的Q0值明顯要低.本文顯示的華北平原這種強(qiáng)烈的衰減特征與前人所揭示的低的殼幔P、S波速度、薄的巖石圈蓋層［43－44］都暗示華北克拉通巖石圈結(jié)構(gòu)遭受了強(qiáng)烈的改造作用.如果東北地區(qū)低的Q0值也與太平洋俯沖導(dǎo)致的中國東部巖石圈破壞有關(guān)，那么這很可能暗示華北巖石圈破壞程度要大于東北地區(qū)，或者東北地區(qū)巖石圈破壞的時(shí)間要早于華北地區(qū)［10，45］.

圖4 分辨率測試（a）3°×3°，（b）2°×2°Fig.4 Checkerboard resolution tests for（a）3°×3°squares and（b）2°×2°squares

圖5 東北及鄰區(qū)沉積層厚度分布（a）和大地?zé)崃鞣植迹╞）Fig.5 （a）Distribution of sedimentary thickness in Northeast China and adjacent regions（b）Distribution of heat flow in Northeast China and adjacent regions

致 謝 感謝劉瑞豐研究員提供《中國地震年報(bào)》資料，感謝國家地震科學(xué)數(shù)據(jù)共享中心和中國地震臺網(wǎng)中心提供的地震震相數(shù)據(jù).

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Q0tomography of S wave attenuation in Northeast China and adjacent regions

SUN Lian，LI Yong－Hua，WU Qing－Ju，WANG Su－Yun
Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081，China

In this paper we have selected 46652 MLamplitude readings from 6371events recorded by 146stations as reported in the Annual Bulletin of Chinese Earthquakes（ABCE）and regional seismic network of Heilongjiang province，Jilin province，Liaoning province and Inner Mongolia province.A two－dimensional tomography method is adopted to find regional variation of crustal attenuation in Northeast China and its adjacent regions.We obtained an average Q0value of 323 for the entire studied region with regional fluctuations±200.In most of the study area a resolution of 2degrees is attained.Regions with the highest attenuation（low Q0values）are beneath Bohai Basin，and Songliao Plain and Hailaer Basin also have lowQ0values，as these areas have thick sediments and strong tectonic activity.The entire Northeast region shows a distribution pattern of alternating high and low attenuation.

Seismic attenuation，the Northeast，Q0value，Amplitude tomography

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.014

P315

2011－12－16，2012－03－22收修定稿

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41004034，90814013，41174075，40874041）和中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（DQJB09B11）資助.

孫蓮，女，1981年生，2009年畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)為中國地震局地球物理研究所博士后，從事深部構(gòu)造與地球動(dòng)力學(xué)研究.E－mail：sunl＠cea－igp.ac.cn

孫蓮，李永華，吳慶舉等.中國東北及周邊地區(qū)地殼橫波衰減的成像研究.地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（4）：1179－1185，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.014.

Sun L，Li Y H，Wu Q J，et al.Q0tomography of S wave attenuation in Northeast China and adjacent regions.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（4）：1179－1185，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.014.

（本文編輯 汪海英）