龍門山斷裂帶淺層精細結構的地震環(huán)境噪聲成像研究

趙盼盼

(中國地震局地質研究所,北京100029)

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龍門山斷裂帶淺層精細結構的地震環(huán)境噪聲成像研究

趙盼盼

(中國地震局地質研究所,北京100029)

2008年5月12日,四川龍門山斷裂帶發(fā)生MW7.9地震,造成巨大傷亡與損失。震后地表地質考察、 余震序列精確重定位等方面顯示,汶川地震是迄今為止在高角度逆沖斷裂上發(fā)生的一次逆沖兼右旋走滑型破裂。汶川地震發(fā)生于青藏高原東緣與揚子塊體交界的龍門山斷裂帶上,并具有特殊的發(fā)震構造,對龍門山斷裂帶深部精細速度結構和孕震構造環(huán)境的詳細研究,不僅是理解汶川地震發(fā)生的構造背景和動力過程的迫切需求,同時也將推進關于青藏高原東緣動力學研究的認識,對大陸動力學和地震動力學研究具有重要的意義。

汶川地震發(fā)生后,國內外科學家針對汶川地震區(qū)和鄰近地區(qū)的地殼上地幔速度結構、 區(qū)域孕震條件、 區(qū)域應力場特征等展開了大量工作,并已經取得了豐富的研究成果。采用接收函數(shù)反演、 地震環(huán)境噪聲和走時層析成像等方法,利用區(qū)域地震臺網數(shù)據和橫跨四川盆地、 龍門山和松潘—甘孜地塊以及川滇塊體的密集流動地震臺陣探測結果表明,松潘—甘孜地塊中下地殼具有廣泛分布的S波低速體,龍門山斷裂帶中上地殼具有高波速異常。松潘—甘孜地塊中下地殼的低速物質向東運動,在四川盆地剛性地殼的阻擋作用下向上抬升,由此造成龍門山斷裂帶上的破裂,可能是汶川地震發(fā)生的深層動力過程。松潘—甘孜地塊上中地殼的結構差異及其與揚子塊體的相互作用可能是汶川地震孕震的主控因素。龍門山斷裂帶中上地殼的精細結構則是確認汶川地震發(fā)生機理的關鍵證據。然而,這些工作的空間分辨率一般都在25 km以上,尚難以給出寬度約30 km的龍門山斷裂帶的精細結構。不同學者利用雙差層析成像方法和汶川地震的余震走時數(shù)據,給出了汶川地震區(qū)和龍門山斷裂帶的上地殼5～10 km分辨率的精細速度結構。他們的結果給出了龍門山斷裂上盤的高速異常和斷層深部延伸特征,但是,由于所用地震均分布于約22 km以上深度,研究結果并未給出上地殼高速異常體的底邊界。

2003 年以來,地震環(huán)境噪聲成像方法的出現(xiàn)為地震波成像方法提供了新的手段。該方法利用連續(xù)記錄的地震環(huán)境噪聲資料,提取臺站間的面波格林函數(shù),采用成熟的雙臺面波成像技術獲得地殼上地幔速度結構。地震環(huán)境噪聲成像方法已經在川西地區(qū)地殼上地幔速度結構和汶川地震同震地殼速度變化研究中取得了廣泛應用。由于環(huán)境噪聲層析成像方法的空間分辨率主要依賴臺站分布,近年來,短周期環(huán)境噪聲面波成像被越來越多地用于斷層淺部速度結構的高分辨率密集臺陣成像,取得了良好的成像結果。

汶川地震發(fā)生后,中國地震局地質研究所地震動力學實驗室橫跨龍門山斷裂帶布設了由40臺寬頻帶流動數(shù)字地震儀組成的密集地震臺陣。該臺陣與973項目資助的川西流動地震臺陣相結合,覆蓋了汶川地震發(fā)震斷裂龍門山斷裂帶從南端雅安到北端青川的整個區(qū)域,臺站間距從十幾千米到近300 km。臺陣自2008年9月開始進行連續(xù)觀測,觀測周期為13個月。

本文使用了該臺陣的57個臺站自2008年11月～2009年11月為期一年的垂直分量連續(xù)觀測數(shù)據。利用短周期地震環(huán)境噪聲成像方法,研究龍門山斷裂帶區(qū)域中上地殼精細速度結構。主要步驟包括： 噪聲數(shù)據預處理、 相關函數(shù)計算與疊加、 面波頻散曲線測量、 面波層析成像、 S波速度反演。在預處理中,我們使用了一種短時時間窗方法代替了傳統(tǒng)的時間域正則化處理,例如1 bit,提高了互相關函數(shù)的信噪比。計算相關函數(shù)后,采用時頻分析方法測量了1 ～25 s的瑞利面波群速度,進而反演得到了周期2～20 s的群速度分布。通過檢測板測試,我們的橫向分辨率約為10 km。最后,基于各節(jié)點的瑞利面波群速度結構,我們反演出S波速度結構。

需要注意的是,龍門山斷裂帶地區(qū)位于青藏高原東緣松潘塊體和穩(wěn)定的四川盆地的陡變構造邊界帶,在部分段落斷裂帶兩側地表高程差異接近5 km。在龍門山斷裂帶這樣的極端地貌地區(qū),研究地殼結構,特別是,淺層地殼結構時,地形高程的影響是不可忽略的因素。而常規(guī)環(huán)境噪聲成像方法采用的S波速度結構反演仍然基于一維平層假定,并未考慮地形校正和三維波場問題。

為此,我們提出了一種通過三維正演模擬迭代修正的方法來克服地形高程對速度結構成像研究帶來的不利影響。整個修正過程是對S波反演時的輸入群速度曲線的微調,通過三維正演模擬估算進而修正地形高程影響,使得第n次模擬修正后反演的速度結構vsmin(n),作為下一次正演模擬的輸入速度結構,在添加了內部速度vsmin(n))與水平面速度相等的地形高程情況下,通過第n+1次模擬后的數(shù)據再次修正高程影響,反演得到的速度結構vsmin(n+1)與vsmin(n)盡可能接近。這也意味著我們最終修正后的反演結果帶有高程部分的速度結構。通過使用不同理論模型測試,證明了這種方法的有效性。

將地形高程影響修正方法應用于龍門山斷裂帶速度結構的研究中,我們最終得到了龍門山斷裂帶中北段地殼25 km深度范圍的S波精細速度結構。由本文研究結果可以得到以下主要認識：

(1) 利用平均間距10～300 km的流動地震觀測數(shù)據和2～20 s周期的地震環(huán)境噪聲群速度反演方法,我們獲得了橫向分辨率達到10 km,垂向分辨率約為2～5 km的中上地殼S波速度圖像。這一結果已經達到或超過了利用數(shù)千個余震到時數(shù)據和相近臺站密度的體波層析成像方法的分辨率,顯示出密集臺陣和短周期環(huán)境噪聲面波方法在地殼淺部精細速度結構和斷層探測研究中的巨大潛力。

(2) S波速度結構顯示,龍門山斷裂帶周邊區(qū)域10 km以上的速度結構與地表斷裂的分布形態(tài)具有良好的一致性,速度結構控制了龍門山主要斷層的深部延展特征； 在15 km及以下深度,S波速度結構呈現(xiàn)沿龍門山和沿岷山隆起走向的交叉構造格局,由此造成的速度結構差異可能影響了汶川地震的破裂過程。

(3) 速度結構隨深度的分布特征為龍門山斷裂帶主要斷層的深部延伸形態(tài)給出了良好的約束,結果進一步確認了龍門山斷裂中段的高角度鏟型斷裂構造特征。

(4) 我們在本文研究區(qū)的南端發(fā)現(xiàn)了龍門山斷裂下方20 km以下深度具有與松潘地塊中地殼低速層相關的低速結構的跡象。這可能是汶川地震破裂帶南段22 km左右深度存在脆韌轉換帶的一個證據。由于臺站分布的原因,我們的成像結果無法給出汶川地震起始破裂段的中上地殼速度結構,這無疑是一個缺憾。

本研究采用短周期地震環(huán)境噪聲成像方法對地殼淺部精細速度結構進行研究,并對復雜地表地形進行校正,是對地殼淺層結構探測研究的一個新嘗試。本研究將對強震孕震構造背景研究和斷層深部結構探測起到重要推動作用。

汶川地震； 龍門山斷裂帶； 速度結構； 地震環(huán)境噪聲

(作者電子信箱,趙盼盼： panpanzhao@live.cn)

P315.2；文獻標識碼：A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.011