中國東北地區(qū)遠(yuǎn)震P波走時(shí)層析成像研究

張風(fēng)雪，吳慶舉，李永華

1 中國地震局地球物理研究所地震觀測與地球物理成像重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081

2 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

1 引 言

中國東北地區(qū)是研究火山活動、太平洋板塊俯沖及深源地震的重要區(qū)域，針對這些問題許多科學(xué)家開展了一系列的研究工作［1－6］.關(guān)于此區(qū)火山的形成機(jī)制，存在不同的觀點(diǎn)，如Turcotte等認(rèn)為長白山為熱點(diǎn)火山［7］；Miyashiro通過“熱區(qū)”運(yùn)移的機(jī)制來解釋中國東北火山的形成原因［8］；Tatsumi等認(rèn)為中國東北地區(qū)早第三紀(jì)至晚第三紀(jì)玄武巖的形成與俯沖的大洋巖石圈沒有關(guān)系，而是由深處上涌的軟流圈物質(zhì)形成，不斷上涌的軟流圈物質(zhì)還導(dǎo)致此區(qū)火山和北東向斷裂系的發(fā)育［9］；Zhao和Lei等的研究結(jié)果表明太平洋滯留板塊在火山的形成過程中起了極為重要的作用［1，3］，認(rèn)為長白山火山是與板塊滯留及深部脫水等過程緊密相關(guān)的一種弧后板內(nèi)火山.Zhao等在長白山地區(qū)的高分辨成像結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)長白山下方的地殼與上地幔中存在深達(dá)410 km的低速異常，他同時(shí)還指出在五大連池火山附近開展基于高密度臺站的地球物理探測的必要性，用來驗(yàn)證五大連池火山和長白山火山具有相同成因的這樣一個(gè)推測［1－2］.不僅如此，眾多的其他學(xué)者也采用各種地球物理探測手段來研究此區(qū)火山下方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，如大地電磁研究結(jié)果［10－13］顯示長白山下的地殼中存在一個(gè)高導(dǎo)低阻層，是一個(gè)地殼巖漿囊；阿爾山下方可能有通往深部的巖漿通道；五大連池下方地殼可能存在一個(gè)正在冷卻的低阻巖漿囊；人工地震測深表明長白山之下的地殼與上地幔頂部存在一個(gè)低速異常［14］.

俯沖的西太平洋板塊在東北地區(qū)下方的地幔轉(zhuǎn)換帶中近水平地停滯匯集，這是東北地區(qū)深部動力學(xué)的一個(gè)顯著特征［1，3－4，15］.Zhao［1］和 Li等［15］的 結(jié)果表明滯留板塊的下方有明顯的高速異常碎片，Zhao等和雷建設(shè)等通過分析已有的研究成果認(rèn)為太平洋板塊在俯沖過程中遇到了670km間斷面的強(qiáng)大阻力，因而在地幔轉(zhuǎn)換帶中變彎并在此長期積累，最后會因相變引起的極大重力不平衡而下落至核幔邊界［1－2，16］，但 Huang等［4］的結(jié)果顯示，在滯留板塊的下方?jīng)]有表現(xiàn)出明顯的高速異常碎片，接收函數(shù)的相關(guān)研究［5－6］也表明俯沖的太平洋板塊并沒有大量的穿透660km間斷面下沉到下地幔中.

隨著數(shù)字地震技術(shù)的快速發(fā)展，中國東北地區(qū)流動和固定臺網(wǎng)觀測也迅速地發(fā)展起來，在本文中我們收集了兩條臨時(shí)流動臺站和固定臺網(wǎng)中相關(guān)臺站（圖1）的波形數(shù)據(jù)開展遠(yuǎn)震P波走時(shí)層析成像研究，以期得到較為詳實(shí)的中國東北地區(qū)上地幔速度結(jié)構(gòu)，并以此來探討此區(qū)火山成因和滯留的俯沖板塊等地球動力學(xué)過程.本文的研究區(qū)從東向西可分為吉黑褶皺系、松遼盆地、大興安嶺褶皺系等三大構(gòu)造單元，研究區(qū)內(nèi)還包含長白山、阿爾山、五大連池等三座火山，它們的分布情況如圖1所示.

2 數(shù)據(jù)資料與方法

受國家自然科學(xué)基金委和國土資源部實(shí)驗(yàn)專項(xiàng)的資助中國地震局球物理研究所在中國東北地區(qū)布設(shè)了120余套流動地震觀測線，這些臺站統(tǒng)一裝備的都是CMG－3ESP寬頻地震計(jì)，本研究中使用這些臺站在2009年6月—2011年5月所記錄到的遠(yuǎn)震資料，開展遠(yuǎn)震P波走時(shí)的層析成像研究，同時(shí)我們也采用中國東北地區(qū)固定臺網(wǎng)寬頻地震計(jì)的同期記錄數(shù)據(jù)作為補(bǔ)充，流動臺站和固定臺站的總數(shù)為234個(gè)，它們的位置分布見圖1中的黑色圈點(diǎn)和方塊.我們選取遠(yuǎn)震事件的原則是：（1）震中距在30°～90°間，盡量避免下地幔和核幔邊界的復(fù)雜構(gòu)造對地震波走時(shí)產(chǎn)生的影響；（2）震級大于Ms5.0，以確保地震波到達(dá)臺站時(shí)還有較高的信噪比；（3）每個(gè)地震事件的有效記錄數(shù)要大于10.經(jīng)過以上三個(gè)條件的篩選后，我們將符合條件的事件波形利用波形互相關(guān)的方法［17－18］來拾取走時(shí)殘差.在使用波形互相關(guān)拾取走時(shí)殘差前，我們對數(shù)據(jù)進(jìn)行了去均值、去傾斜、去儀器響應(yīng)、濾波等預(yù)處理工作，濾波采用的是帶通濾波器，頻段為0.02～0.1Hz，最終拾取到57251個(gè)有效走時(shí)數(shù)據(jù)，有效地震事件是396個(gè)，這些事件震中的位置分布如圖2所示，從圖中可以看出這些事件具有較好的后方位角覆蓋.

圖1 臺站及地質(zhì)構(gòu)造黑色圈點(diǎn)為流動臺站，黑色方塊為固定臺站，紅色三角形為火山，藍(lán)線實(shí)線為地質(zhì)構(gòu)造分界線，綠色實(shí)線是大興安嶺重力梯級帶，紅色實(shí)線是郯廬斷裂，黑色實(shí)線是太平洋俯沖板塊的等深線，標(biāo)有a，b，…等字母的灰色實(shí)線是圖7中垂直剖面的位置.Fig.1 The distribution of station position and the tectonic The black circles denote the temporary stations，the black rectangles denote the permanent stations，the red triangles denote the volcanoes，the blue lines represent the tectonic dividing line，the green line represents the Da Hinggan Ling gravitational gradient zone，the red lines represent the Tanlu faults，the dark lines represent the isobath curve of the subducting Pacific Plate，the gray lines，which are marked with the character a，b，and so on，represent the sections position shown in Fig.7.

本研究采用 FMTT（Fast Marching Teleseismic Tomography）走時(shí)層析成像的方法來研究中國東北地區(qū)的速度結(jié)構(gòu).FMTT走時(shí)層析成像是近年來興起的一種新的研究地球內(nèi)部速度結(jié)構(gòu)的方法，在國內(nèi)外有許多應(yīng)用并取得了較好的成果［19－21］.它是一種以射線理論為基礎(chǔ)的走時(shí)層析成像，采用FMM（Fast Marching Method）來進(jìn)行射線追蹤，通過求解程函方程的數(shù)值解來獲得射線路徑［19］，該方法具有快速高效、無條件穩(wěn)定等特點(diǎn)，它的核心思想是利用由波前節(jié)點(diǎn)組成的窄帶模擬波前曲面的演化.在本文的研究中，射線追蹤采用的是FMM方法，在反演求解時(shí)采用運(yùn)算量相對較少的阻尼LSQR算法，帶阻尼的LSQR算法的原理參見Paige等［22－23］.

圖2 事件震中分布圖Fig.2 The distribution map of the epicenters

3 反演結(jié)果的可靠性分析

3.1 檢測板分辨測試

由于反演的不惟一性，使得反演結(jié)果的解也具有多樣性.為了檢驗(yàn)本研究中由臺站和地震事件分布所構(gòu)成的這樣一個(gè)觀測系統(tǒng)的分辨能力，在反演前我們進(jìn)行了檢測板測試.檢測板測試的過程是：在初始速度模型Ⅰ基礎(chǔ)上建立一個(gè)擾動速度正負(fù)相間分布的擾動模型Ⅱ，然后用前文所述的臺站和事件分布合成各個(gè)臺站的理論相對走時(shí)殘差，作為反演的已知觀測量，以模型Ⅰ作為成像反演中的初始參考模型，進(jìn)行反演得到擾動模型Ⅲ，把模型Ⅲ與模型Ⅱ相比較，在模型Ⅲ中能分辨出的最小異常體的尺度就是該檢測板測試的分辨率.

圖3 檢測板分辨測試結(jié)果（下有續(xù)圖）檢測板測試中正負(fù)異常的排列采用兩種方式（見正文），（a）和（b）是采取方式①時(shí)的測試結(jié)果，（c）和（d）是采取方式②時(shí)的測試結(jié)果.圖中不同顏色線條所代表的主要地質(zhì)構(gòu)造同圖1中的說明.Fig.3 The results of the checkboard resolution test（continue following）The distribution of positive and negative anomalies was utilized in two ways（see in the text），the results of taking the way 1and way 2are shown in（a），（b），and（c），（d），respectively.The main geological structures represented by different color lines are the same as those in Fig.1.

圖3 續(xù)Fig.3 Continue

在本研究中我們采用水平和垂直方向均為等間隔的塊體剖分法，水平的東西和南北方向間距均為0.8°，垂直的深度間距為60km，在檢測板測試時(shí)，正負(fù)異常的排列采用兩種方式：①采用單個(gè)塊體為一個(gè)速度異常單元，相鄰塊體中的速度擾動各不相同；②將同向相鄰的兩個(gè)塊體劃為一組（由于剖分空間是三維的，每組中有八個(gè)塊體，組的尺度是單個(gè)塊體的兩倍，體積是單個(gè)塊體的八倍），處在同一組中的塊體有相同的速度擾動，相鄰組的速度擾動各不相同.兩種排列方式中輸入模型的速度擾動幅值都是±3%，兩種排列方式檢測板的測試結(jié)果如圖3所示.由于我們采用的是塊體剖分，為了讓讀者能更好地理解各個(gè)層面中的恢復(fù)情況，我們將各個(gè)層的平面圖都展示在圖3中，比如處在刻度為0～－60km范圍內(nèi)的平面圖表示從地表至深60km這個(gè)深度范圍內(nèi)檢測板的恢復(fù)情況（見圖3a），其他平面圖所代表的深度范圍依次類推.從圖3中我們可以明顯看到，檢測板測試的分辨效果排列方式①（圖3（a—b））要明顯低于排列方式②（圖3（c—d））.在采用排列方式②時(shí)，除淺部（0～－60km）外，正負(fù)相間分布的速度異常單元基本全部恢復(fù)出來，由于大部分地震事件來自研究區(qū)以南的環(huán)太平洋地震帶（圖2），所以隨著深度的增加研究區(qū)南部的分辨效果要優(yōu)于北部的，這個(gè)現(xiàn)象在720km以下的平面圖中表現(xiàn)得最為明顯.通過檢測板測試，我們認(rèn)為本研究的分辨能力在水平方向?yàn)?.6°，垂直方向?yàn)?20km.

3.2 阻尼系數(shù)及反演前后走時(shí)殘差分析

本文在反演中采用了帶阻尼的LSQR算法［22－23］，該算法中的阻尼系數(shù)控制解的收斂速度和約束模型結(jié)果的平滑程度.通過分析采用不同阻尼系數(shù)時(shí)模型平滑程度和相對走時(shí)殘差均方差之間的消長曲線（亦稱折衷曲線，圖4），我們可以看到，當(dāng)阻尼系數(shù)為4時(shí)，模型相對較為平滑，相對走時(shí)均方差也相對較小，所以在反演中，我們采用的阻尼系數(shù)值為4.

圖4 折衷曲線Fig.4 The tradeoff curve

圖5是反演前后相對走時(shí)殘差的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從圖中可以看到，反演前殘差大部分集中于－0.8～0.8s之間，反演后殘差分布向中間收縮，絕大部分集中于－0.4～0.4s之間，并符合正態(tài)分布的特征，表明經(jīng)反演后初始模型朝著“能擬合走時(shí)異常的模型”演化，而不是背離.

4 成像的反演結(jié)果

我們以地球一維速度模型IASP91［24］為初始參考模型，采用FMTT走時(shí)層析成像的方法反演獲得P波速度結(jié)構(gòu)，各個(gè)深度層面的成像結(jié)果如圖6所示.從地表至－120km的范圍內(nèi)我們可以看到松遼盆地內(nèi)部呈現(xiàn)以高速異常為主導(dǎo)的高低速異?；旌戏植嫉倪@樣一個(gè)特征；重力梯級帶以西的大興安嶺地區(qū)有明顯的低速異常，這個(gè)低速異常主要集中在阿爾山火山地區(qū)；郯廬斷裂以東的吉黑褶皺和長白山地區(qū)也是較為明顯的低速異常區(qū).從－120km至－840km的范圍內(nèi)的切片上可以看到，隨著深度的增加松遼盆地內(nèi)的高低速度異常有逐漸集中的趨勢，并在盆地北部形成一個(gè)高速異常區(qū)，南部出現(xiàn)一個(gè)低速異常區(qū)；大興安嶺地區(qū)和吉黑褶皺地區(qū)基本上為低速異常.從圖6中我們還可以看到長白山和阿爾山下的低速異常可分別追蹤到－420km和－600km左右，但五大連池下的低速異常止于－180km左右.為了更好地將成像結(jié)果的速度異常展現(xiàn)出來，我們沿著圖1中灰色直線所示的位置做了9條垂直剖面，其中，在三座火山處分別做了相互垂直的兩個(gè)剖面圖，用來顯示火山下方低速異常的分布情況，另外三條長剖面垂直于重力梯級帶和郯廬斷裂.三條長剖面中有兩條橫穿松遼盆地，用來展示松遼盆地下方的速度異常結(jié)構(gòu)情況，有關(guān)這些垂直剖面的成像結(jié)果和討論請見下節(jié).

圖5 分演前（a）、后（b）相對走時(shí)殘差統(tǒng)計(jì)Fig.5 The statistic of the relative traveltime residuals before（a）and after（b）inversion

圖6 層析成像結(jié)果的水平切片（a）和（b）分別是0km至－420km、－420km至－840km范圍內(nèi)的結(jié)果.圖中不同顏色線條所代表的主要地質(zhì)構(gòu)造同圖1中的說明.Fig.6 The horizontal slices of the tomography results The results of the range from 0km to－420km，from －420km to－840km are shown in（a）and（b），respectively.The main geological structures represented by different color lines are the same as those in Fig.1.

5 討 論

在本節(jié)我們將重點(diǎn)討論長白山、阿爾山、五大連池三座火山及松遼盆地下方的速度異常結(jié)構(gòu)情況，并以此來推斷它們的深部動力學(xué)環(huán)境.火山和盆地下方的垂直剖面見圖7，各個(gè)剖面的位置見圖1中的灰色直線.

5.1 長白山火山和太平洋俯沖板塊

圖7a和圖7b分別是沿東西和南北兩個(gè)方向經(jīng)過長白山的垂直剖面.從圖中我們不難看出，長白山下方存在一個(gè)低速異常，其他的相關(guān)研究結(jié)果［1，25－27］也得出這個(gè)低速異常體，本研究所得的這個(gè)低速異常在長白山正下方向下延伸至400km左右，但在長白山以西的地區(qū)向下延伸較深，甚至突破地幔轉(zhuǎn)換帶到達(dá)下地幔.在圖7a中126°—134°間的地幔轉(zhuǎn)換帶及其附近有一高速的異常體，我們將距此剖面100km范圍內(nèi)的地震位置投影在圖7a中（黑色小圈點(diǎn)），這些地震分布與高速異常的展布在地幔轉(zhuǎn)換帶中有較好的一致性，這高速異?？赡苁歉_到歐亞大陸板塊下方的西太平洋板塊.已有的體波層析成像研究［1，3－4，15］表明，中國東北地區(qū)存在一個(gè)近水平展布的板片狀俯沖板塊前端，但本研究所得的這個(gè)高速異常的形狀不像一個(gè)水平展布的板片，可能是因?yàn)楦_的板塊因重力不均衡等原因而部分下沉到地幔轉(zhuǎn)換帶中所致，接收函數(shù)研究［5－6］也表明本區(qū)的俯沖板塊部分向下穿透660km間斷面下沉到下地幔的現(xiàn)象.

5.2 阿爾山火山和五大連池火山

圖7c和圖7d分別是沿東西和南北兩個(gè)方向經(jīng)過阿爾山的垂直剖面；圖7e和圖7f分別是沿東西和南北兩個(gè)方向經(jīng)過五大連池的垂直剖面.從圖7c和圖7d中可以看到，阿爾山下方存在一個(gè)低速異常，這低速異常延伸至約600km深度左右，湯吉等［11－12］大地電磁研究表明，阿爾山火山下方可能有一個(gè)地幔巖漿向上輸送熱物質(zhì)的通道，我們在阿爾山下方所得的這個(gè)低速異常有可能就是輸送熱物質(zhì)的通道，是阿爾山地區(qū)溫泉形成的深部原因.圖7e和圖7f中的五大連池下方也有一個(gè)低速異常，這個(gè)低速異常并沒有延伸到較深的深度，顯著的低速異常止于約200km的深度上，這與鄭洪偉等［28］的研究結(jié)果相似，表明現(xiàn)今五大連池火山的熱源較淺或者說它是一個(gè)非深源成因的火山.詹艷等［13］發(fā)現(xiàn)五大連池火山群下方有一個(gè)低阻體，推測這個(gè)低阻體可能是一個(gè)正在冷卻的巖漿囊，也有可能是上次火山噴發(fā)的巖漿固結(jié)造成原始的巖漿通道阻塞，下部巖漿在尋找到新的上涌通道前聚集形成的新巖漿囊，顯然我們的成像結(jié)果顯示五大連池下方這個(gè)低速物質(zhì)的底部是冷的高速物質(zhì)，并沒有發(fā)現(xiàn)更深處或地幔轉(zhuǎn)換帶中有延伸至五大連池下方的低速異常，不管“淺熱源”還是“正在冷卻巖漿囊”的模式解說都表明，五大連池火山下方存在埋深相對較淺的低速異常結(jié)構(gòu).

5.3 松遼盆地

圖7g、圖7h、圖7i是垂直于重力梯級帶和郯廬斷裂等主要構(gòu)造的長剖面，除了橫穿主要地質(zhì)構(gòu)造線外，圖7g和圖7i剖面還分別經(jīng)過該區(qū)的三座火山地區(qū)，圖7h和圖7i剖面的中間區(qū)域是松遼盆地.松遼盆地的東西邊界分別大致以郯廬斷裂和重力梯級帶為界線，在我們的成像結(jié)果圖中可以看到郯廬斷裂和重力梯級帶也是速度異常結(jié)構(gòu)的主要分界線，以它們?yōu)榻缇€可以將東北地區(qū)的速度異常分為東、中、西三個(gè)區(qū)域，其中東西兩個(gè)區(qū)域?yàn)榈退佼惓^(qū)，分別以長白山地區(qū)和阿爾山地區(qū)的低速異常結(jié)構(gòu)為代表，中部是高速異常區(qū)，以松遼盆地中的高速異常結(jié)構(gòu)為代表.

從圖7h、圖7i中可以看到，松遼盆地的下方呈現(xiàn)出以高速異常為主導(dǎo)，高低速異常結(jié)構(gòu)混合分布的特性，已有體波成像結(jié)果［15，29－30］顯示松遼盆地內(nèi)部也是以高速異常為主導(dǎo)，這暗示松遼盆地可能有巖石圈拆沉的過程.在盆地南部的剖面（圖7i）中可以看到，在400km以下的盆地區(qū)域，出現(xiàn)一個(gè)低速異常，雖然在720km深度以下的檢測板測試效果不是很好，但在研究區(qū)南部的分辨效果還是比較令人滿意的，我們推斷這個(gè)低速異常向下延伸至下地幔中，可能是下地幔熱物質(zhì)上涌的產(chǎn)物；在圖7i中也可以看到阿爾山和長白山下方的低速異常結(jié)構(gòu)，從圖中還可以看到，位于松遼盆地400km以下的低速異常與這兩個(gè)火山下方低速異常有連通性，尤其與長白山下低速異常的連通性表現(xiàn)得較為明顯，我們推斷松遼盆地400km以下的低速異常區(qū)可能是下地幔熱物質(zhì)涌入上地幔的一個(gè)通道，是形成火山的深部源泉.

6 結(jié) 論

圖7 層析成像結(jié)果的垂直剖面圖幅編號（a—i）標(biāo)于左下角，每幅圖的靠上部分是地形，靠下部分是速度異常圖，中間是主要地質(zhì)構(gòu)造的標(biāo)識.圖中的虛線是410km和660km的間斷面.Fig.7 The vertical sections of the tomography results The serial characters（a—i）are marked at the lower left corner.The upper part of every map is the topography，the lower part is the velocity anomaly map and the middle part is the annotations of the main geological structures.The dash lines are the 410and 660km discontinuity.

本文利用中國東北流動和固定臺網(wǎng)的234個(gè)寬頻帶地震儀記錄的遠(yuǎn)震波形資料，采用波形相關(guān)技術(shù)提取了57251個(gè)P波的有效相對走時(shí)殘差數(shù)據(jù)，進(jìn)一步采用FMTT走時(shí)層析成像的方法，獲取了研究區(qū)下方上地幔及下地幔頂部的P波速度結(jié)構(gòu)，通過檢測板測試，成像結(jié)果的水平分辨為1.6°，垂直分辨為120km，我們的P波速度結(jié)構(gòu)顯示：

（1）在長白山下方發(fā)現(xiàn)有一個(gè)高速異常結(jié)構(gòu)，這可能就是俯沖到歐亞大陸板塊下方的太平洋板塊，由于板塊部分下沉至下地幔中，使得板塊的形狀并沒有呈現(xiàn)明顯的板片狀.

（2）長白山地區(qū)和阿爾山地區(qū)下方都有延伸至地幔轉(zhuǎn)換帶的低速異常，這些低速異常物質(zhì)與這兩個(gè)火山的形成有關(guān)，這兩個(gè)火山下方的低速異常還與松遼盆地南部下方的低速異常有連通性.五大連池火山下方也有低速異常，但該低速異常向下延伸至200km左右，這個(gè)低速異常結(jié)構(gòu)暗示著五大連池火山的熱源較淺或者它本身就是一個(gè)正在冷卻的巖漿囊，現(xiàn)今的五大連池與長白山和阿爾山具有不同的地下速度異常結(jié)構(gòu)，也意味著它們的成因可能不大相同.

（3）松遼盆地內(nèi)呈現(xiàn)以高速異常為主導(dǎo)高低速異?；旌戏植嫉奶匦裕@暗示松遼盆地可能有巖石圈拆沉的過程，松遼盆地南部存在延伸至下地幔的低速異常，該低速異常中的物質(zhì)與長白山和阿爾山下的低速異常有連通性，可能是下地幔熱物質(zhì)上涌到上地幔的一個(gè)通道，是形成火山的深部源泉.

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