山西地區(qū)地殼S波速度結(jié)構(gòu)

周　銘　徐朝繁　耿　偉　魏運(yùn)浩

1　中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號(hào)，450002 2　山西省地震局長(zhǎng)治中心地震臺(tái)，長(zhǎng)治市新營(yíng)街135號(hào)，046000

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山西地區(qū)地殼S波速度結(jié)構(gòu)

周銘1徐朝繁1耿偉2魏運(yùn)浩1

1中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州市文化路75號(hào)，450002 2山西省地震局長(zhǎng)治中心地震臺(tái)，長(zhǎng)治市新營(yíng)街135號(hào)，046000

利用山西及周邊共44個(gè)寬頻地震臺(tái)2014-01～07地震噪聲數(shù)據(jù)，反演瑞利波群速度和相速度頻散，得到研究區(qū)域的三維剪切波速度。上地殼中，山西斷陷帶表現(xiàn)為較低的速度異常，而兩側(cè)的隆起區(qū)則顯示高速異常；中下地殼主要表現(xiàn)為以北緯38.5°左右為界的南高北低的速度特征。大同盆地從淺部到中下地殼整體呈現(xiàn)為低速特征，與該地區(qū)廣泛存在的火山群有關(guān)。

山西斷陷帶；群速度；相速度；背景噪聲

研究山西地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)，對(duì)解釋該地區(qū)的深部構(gòu)造以及鄂爾多斯塊體和華北盆地之間的耦合關(guān)系等地球動(dòng)力學(xué)問題具有重要的科學(xué)意義[1]。學(xué)者們利用不同的方法對(duì)山西斷陷帶進(jìn)行了大量研究，如人工地震探測(cè)[2]、面波層析成像[3-4]、體波層析成像[5]、背景噪聲層析成像[6]等。但這些研究方法存在一些不足，如人工地震剖面較少，不足以覆蓋整個(gè)山西地區(qū)。面波層析成像方法因震源信息的不確定性會(huì)影響反演的結(jié)果，同時(shí)由于該方法利用中長(zhǎng)周期的面波數(shù)據(jù)反演速度結(jié)構(gòu)，主要反映的是上地幔巖石圈的物質(zhì)和速度結(jié)構(gòu)，缺少精細(xì)的地殼速度結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)震體波層析成像中，震源位置分布的不均勻性可能會(huì)使研究區(qū)域的分辨率降低。而背景噪聲層析成像不依賴于地震的發(fā)生，且不受震源分布不均勻性的影響，可以獲得高質(zhì)量的高頻面波信息。由于短周期的頻散對(duì)淺層的S波速度較敏感，因此能夠更準(zhǔn)確地約束地殼和上地幔的結(jié)構(gòu)。陳強(qiáng)森等[6]利用背景噪聲數(shù)據(jù)反演鄂爾多斯塊體及南緣地區(qū)速度結(jié)構(gòu)，得到了0～80 km的S波速度結(jié)構(gòu)。但其主要研究了區(qū)域構(gòu)造單元的差異，研究尺度較大、分辨率低，無法提供山西地區(qū)更為細(xì)致的速度結(jié)構(gòu)。本文利用山西地區(qū)的寬頻地震臺(tái)連續(xù)波形記錄，反演研究區(qū)域的瑞利面波速度結(jié)構(gòu)和剪切波速度結(jié)構(gòu)，分析該地區(qū)的深部構(gòu)造，并探討其動(dòng)力學(xué)意義。

1　數(shù)據(jù)來源和處理方法

收集2014-01～07山西及周邊省份44個(gè)地震臺(tái)(包括35個(gè)寬頻臺(tái)站和9個(gè)甚寬頻臺(tái)站，見圖1)的三分量數(shù)據(jù)連續(xù)波形數(shù)據(jù)。 將原始數(shù)據(jù)由seed格式轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的sac地震數(shù)據(jù)格式。為計(jì)算方便，以1 h為間隔將連續(xù)數(shù)據(jù)按照GMT時(shí)間進(jìn)行切割。

圖1　臺(tái)站分布圖和研究區(qū)域地形圖Fig.1　Distribution of seismic stations in the study regions

數(shù)據(jù)處理遵循背景噪聲層析成像方法[7]。對(duì)單臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行去儀器響應(yīng)、帶通濾波(0.01～0.5 Hz)、去均值、去趨勢(shì)，對(duì)連續(xù)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣(1 Hz)以及頻率域歸一化處理。每?jī)蓚€(gè)臺(tái)站之間進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，將7個(gè)月的互相關(guān)數(shù)據(jù)疊加得到經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)。利用時(shí)頻分析和相位匹配技術(shù)提取瑞利波群速度和相速度頻散曲線。最后，根據(jù)提取的頻散數(shù)據(jù)得到不同周期的路徑覆蓋數(shù)目和不同周期的路徑覆蓋情況。 瑞利波的群速度和相速度在8～30 s之間具有較多的覆蓋路徑測(cè)量數(shù)目，30 s以后隨著周期的增長(zhǎng)，路徑覆蓋數(shù)目減少。

通常，不同周期的面波對(duì)不同深度的地球結(jié)構(gòu)敏感，短周期內(nèi)的群速度和相速度傾向于反映近地表物質(zhì)的組成，長(zhǎng)周期與地球深部構(gòu)造密切相關(guān)。由于斷陷盆地在淺層多被沉積層覆蓋，而沉積層速度較低，所以群速度和相速度在短周期中顯示低速特征。圖2為橫跨不同地質(zhì)構(gòu)造單元的臺(tái)站對(duì)之間的瑞利波群速度和相速度頻散結(jié)果。在中短周期內(nèi)(<24 s)，橫穿斷陷盆地的JIC-XAX臺(tái)站對(duì)和LCH-LNQ臺(tái)站對(duì)得到的頻散曲線表現(xiàn)出低于研究區(qū)域平均群速度和平均相速度的特征，說明短周期的速度值可能受到淺層沉積層的影響，顯示低速特征。LCH-LNQ臺(tái)站對(duì)的速度值高于JIC-XAX臺(tái)站對(duì)，可能與兩個(gè)地區(qū)的沉積層厚度不同有關(guān)。QSH-SUDE臺(tái)站對(duì)的頻散在短周期均高于平均速度值，是因?yàn)樵摰貐^(qū)的基底較淺。周期大于24 s之后，JIC-XAX臺(tái)站對(duì)的速度隨著周期逐漸增長(zhǎng)，最后高于平均頻散速度；LCH-LNQ臺(tái)站對(duì)依舊表現(xiàn)出較低的速度特征，說明該區(qū)域中下地殼可能存在低速區(qū)；位于斷陷帶西側(cè)的QSH-SUDE臺(tái)站對(duì)沒有出現(xiàn)這一低速特征，說明該地區(qū)可能沒有明顯的低速層存在，是一個(gè)比較穩(wěn)定的區(qū)域。

圖2　不同區(qū)域群速度和相速度頻散對(duì)比圖Fig.2　Group velocity and phase velocity dispersion curves measured from station-pairs located in different tectonic units

2　群速度和相速度層析成像

根據(jù)瑞利波群速度和相速度混合路徑頻散，利用Occam反演得到面波群速度和相速度值。利用檢測(cè)板測(cè)試方法來確定研究區(qū)域的網(wǎng)格劃分和分辨率。在檢測(cè)板測(cè)試中，初始模型的速度值為2.7 km/s,擾動(dòng)值為±0.135 km/s,網(wǎng)格劃分為0.4°×0.4°，分辨率為0.8°×0.8°。經(jīng)過測(cè)試可以看出，黑色實(shí)線勾勒的范圍中分辨能力較好(圖3)。

圖3　射線分布和測(cè)試結(jié)果Fig.3　Distribution of ray paths and results

利用某一周期在n條混合路徑上的群速度和相速度值，可反演得到該周期的瑞利面波群速度和相速度的橫向分布圖。圖4顯示了瑞利波在8 s、15 s、20 s、25 s和30 s的群速度和相速度層析成像結(jié)果，圖5為相應(yīng)的深度靈敏核圖。

由圖4可見，周期為8 s和15 s的瑞利波群速度分布主要反映的是地殼淺層速度結(jié)構(gòu)特征，山西斷陷帶兩側(cè)的呂梁山隆起和太行山隆起表現(xiàn)為低速特征。周期為20 s和25 s的群速度分布結(jié)果顯示，太原盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地依舊表現(xiàn)為較低的速度特征，而大同盆地低速特征和短周期的速度特征相比更加明顯；呂梁山隆起和太行山隆起依舊表現(xiàn)高速特征，并且高速的范圍明顯縮小。周期為30 s的群速度結(jié)果主要反映的是中下地殼的速度結(jié)構(gòu)，大同盆地依舊顯示低速特征，斷陷帶南段低速特征逐漸減小并消失，太行山隆起依舊表現(xiàn)為高速特征。以北緯38.5°左右為界，整體呈現(xiàn)南高北低的速度特征。

圖4　周期為8 s、15 s、20 s、25 s和30 s的群速度和相速度層析成像結(jié)果Fig.4　Inversion results of group velocity and phase of Rayleigh wave at periods 8 s、15 s、20 s、25 s and 30 s

圖5　瑞利波群速度和相速度深度靈敏核Fig.5　Group velocity and phase velocity sensitivity kernels of Rayleigh and Love waves at different periods

周期為8 s的相速度異常與研究區(qū)域的地表地質(zhì)構(gòu)造單元存在較大的關(guān)聯(lián)性，斷陷帶呈現(xiàn)為較低的速度特征，而斷陷帶兩側(cè)隆起則表現(xiàn)為較高的速度特征，斷陷帶與兩側(cè)隆起的邊緣被清晰地勾勒出來。周期為15 s時(shí)，研究區(qū)域的整體特征依舊表現(xiàn)為斷陷帶較低、兩側(cè)較高的速度特征，不同的是大同盆地的低速特征向盆地邊緣擴(kuò)張。周期為20 s和25 s的相速度分布特征顯示，大同盆地依舊表現(xiàn)為低速，忻定盆地、太原盆地、臨汾盆地和運(yùn)城盆地的低速特征逐漸消失；太原盆地表現(xiàn)為低速特征。周期為30 s的相速度層析成像結(jié)果顯示，以北緯38.5°左右為界，速度特征為南高北低。

從圖5中可以看出，短周期的群速度和相速度通常對(duì)淺部的剪切波比較敏感，而中長(zhǎng)周期的數(shù)據(jù)對(duì)深部的剪切波更為敏感。

3　SV波速度結(jié)構(gòu)

在不同深度范圍，面波在約束剪切波速度結(jié)構(gòu)和橫波速度橫向變化方面能提供有用的信息[8]。面波頻散是各層厚度h、密度ρ、縱波速度α和橫波速度β的非線性函數(shù)，其反演計(jì)算實(shí)質(zhì)上是一個(gè)多極值問題的求解。對(duì)瑞利波而言，每層有4個(gè)待求參數(shù)(h,ρ,α,β)，因此，n層模型就有4n個(gè)參數(shù)。研究表明，并不需要把所有的模型參量都作為獨(dú)立變量進(jìn)行反演，因?yàn)槊娌l散函數(shù)對(duì)縱波速度、橫波速度及密度變化的靈敏度不一樣。對(duì)瑞利波而言，雖然在某些周期范圍內(nèi)密度是一個(gè)重要的變量，但起主要作用的仍然是橫波速度。因此，每層待反演的參數(shù)實(shí)際上可以只考慮厚度及橫波速度兩個(gè)未知量[9]。密度及縱波速度均作為非獨(dú)立變量，縱波速度可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系由波速比求得，密度利用經(jīng)驗(yàn)公式[10]由S波速度計(jì)算求得。根據(jù)從群速度提取的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)純路徑頻散曲線，利用Herrmann等[11]開發(fā)的線性程序來反演每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)下方的剪切波速度，將這些點(diǎn)的速度結(jié)構(gòu)組合起來得到三維的S波速度結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)橫穿研究區(qū)域的人工地震剖面參數(shù)作為S波初始速度模型，反演S波速度結(jié)構(gòu)。

利用瑞利波群速度和相速度反演獲得研究區(qū)域1～45 km的三維SV波速度結(jié)構(gòu)(圖6)。深度為5 km的S波速度結(jié)構(gòu)分布圖顯示，山西斷陷帶中，運(yùn)城盆地、臨汾盆地、太原盆地以及忻定盆地表現(xiàn)為低速特征，山西斷陷帶兩側(cè)的呂梁山隆起和太行山隆起表現(xiàn)為高速特征，盆地和山區(qū)的速度異常與地表地貌和地表地形具有較好的關(guān)聯(lián)性。研究區(qū)域的速度差異還體現(xiàn)在以北緯38.5°左右為界，呈現(xiàn)南低北高的特征。斷陷盆地的低速特征也存在一定的差異，較強(qiáng)的低速異常出現(xiàn)在臨汾盆地和太原盆地。15 km的剪切波速度分布主要顯示了上地殼的速度分布特征。運(yùn)城盆地、臨汾盆地、太原盆地和忻定盆地依舊表現(xiàn)為低速特征，但是臨汾盆地、太原盆地和忻定盆地的低速較弱，較強(qiáng)的低速異常分布在運(yùn)城盆地和大同盆地，暗示在該深度大同盆地可能存在低速異常；太行山隆起和呂梁山隆起北段則表現(xiàn)為高速特征，說明這些區(qū)域由地表到該深度可能沒有較大的速度變化，整體表現(xiàn)為斷陷盆地低速、隆起高速的特征，最大的高速異常出現(xiàn)在呂梁山隆起。 25 km深度的S波速度分布主要揭示中地殼的速度分布特征。主要的斷陷盆地出現(xiàn)了與淺部不同的速度特征。運(yùn)城盆地、臨汾盆地、太原盆地和忻定盆地顯示為高速特征，臨汾和太原盆地交接處以及大同盆地顯示為明顯的低速特征； 兩側(cè)的呂梁山和太行山隆起依舊表現(xiàn)為高速特征，呂梁山隆起的速度明顯大于太行山隆起的速度。35 km的剪切波速度特征為：運(yùn)城盆地、臨汾盆地、太原盆地和忻定盆地出現(xiàn)了與淺部速度結(jié)構(gòu)相反的特征，表現(xiàn)為較高的速度特征，而大同斷陷盆地依舊表現(xiàn)為低速特征，該深度的速度特征主要顯示了下地殼的速度特征。在臨汾盆地和大同盆地交接處25 km深度發(fā)現(xiàn)低速特征消失，在35 km深度表現(xiàn)為高速異常。

圖6下部為剖面AA′和BB′的剪切波隨深度變化的垂向截面圖。AA′剖面西起呂梁山隆起、跨過太原盆地向東到達(dá)長(zhǎng)治盆地。太原盆地到長(zhǎng)治盆地地表具有較厚的沉積層，所以在淺層顯示了較低的速度特征。同時(shí)由于沉積厚度的不同導(dǎo)致了兩個(gè)盆地的低速異常厚度不同，太原盆地的沉積厚度明顯大于長(zhǎng)治盆地的厚度。呂梁山隆起具有較淺的結(jié)晶基地，所以其隆起表現(xiàn)為明顯的高速特征。隨著深度的增加，剪切波速度也逐漸增大，中下地殼速度結(jié)構(gòu)比較均勻，沒有較為明顯的速度異常存在。剖面BB′穿過運(yùn)城盆地、臨汾盆地、太原盆地、忻定盆地和大同盆地，盆地下方

圖6　深度為5 km、15 km、25 km和35 km的剪切波速度結(jié)構(gòu)及剖面位置圖和圖中所示測(cè)線AA′和BB′垂直截面剪切波速度Fig.6　Results of shear wave velocity of 5 km，15 km，25 km and 35 km，and locations of the profiles of AA′， BB′，S wave velocity structure of two profiles AA′ and BB′

的低速異常由南向北逐漸減弱，運(yùn)城盆地的低速異常最厚，大同盆地的低速異常最薄。隨著深度的增加，運(yùn)城盆地、臨汾盆地和忻定盆地中下地殼表現(xiàn)為較高的速度特征，而臨汾盆地和太原盆地交接處下方則顯示為較弱的低速特征，大同盆地的中下地殼則存在一個(gè)明顯的低速異常。

4　討　論

本文利用噪聲成像技術(shù)獲得了山西地區(qū)的SV波速結(jié)構(gòu)特征。深度為5 km時(shí)，呂梁山隆起和太行山隆起因?yàn)榫哂休^淺的結(jié)晶基地，表現(xiàn)為較高的速度特征。山西斷陷帶多為沉積盆地，所以顯示了低速的特征，其低速異常一直從地表沉積延伸到地下15 km左右，將呂梁山和太行山隆起的邊界清楚地勾畫出來。以往的研究表明，斷陷盆地的地?zé)釄?chǎng)值較高，兩側(cè)隆起地?zé)釄?chǎng)值較低[12]；山西地區(qū)的大多數(shù)地震集中在5～15 km深度的斷陷盆地內(nèi)[5]。這些證據(jù)都說明，山西斷陷帶構(gòu)造活動(dòng)相比兩側(cè)的隆起是一個(gè)構(gòu)造軟弱帶。這個(gè)軟弱帶作為鄂爾多斯地塊和華北盆地之間的過渡帶，吸收了兩側(cè)構(gòu)造單元的應(yīng)力和位移之間的差異。山西斷陷帶內(nèi)部強(qiáng)烈的地震活動(dòng)，釋放了由于兩邊的差異運(yùn)動(dòng)而積累的應(yīng)變或能量[1]。

深度為25 km的剪切波速度分布圖中，斷陷盆地的低速逐漸消失，開始表現(xiàn)為高速特征，而大同盆地依舊表現(xiàn)為低速，其他成像方法也顯示大同盆地在該深度存在低速異常[3,13]。剖面圖BB′結(jié)果顯示，大同盆地下地殼30～35 km存在低速特征，這與張建師等[2]人工地震勘探的結(jié)果一致。前人在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了大面積的新生代幔源巖漿巖出露[1]，反映了該地區(qū)有過強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)。該地區(qū)的低速異?？赡芘c地幔熱物質(zhì)上涌和地殼物質(zhì)混雜有關(guān)。

剖面圖BB′中可以看到，臨汾盆地和太原盆地交界的下方中地殼存在一個(gè)低速異常而下地殼為高速異常。接收函數(shù)的結(jié)果[1]顯示，臨汾盆地和太原盆地的形成和發(fā)育方式存在差異，兩個(gè)盆地內(nèi)部發(fā)生的較大震級(jí)地震的震源機(jī)制和斷層走向不同。山西斷陷帶由南向北的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)依次減弱，太原盆地恰好處于斷陷帶“S”形的中間位置。該地區(qū)是一個(gè)明顯的地震密集區(qū)[3]，地震活動(dòng)水平較高，大地?zé)崃髦递^高。推測(cè)山西斷陷帶在臨汾盆地和太原盆地交界處分成了南北兩個(gè)部分，其兩側(cè)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造應(yīng)力并不相同，從而導(dǎo)致了該地區(qū)地幔熱物質(zhì)上涌而造成太原盆地剪切波速度較低。

呂梁山(大約38°～41°N，110°～112°E)從地表至30 km深度均呈現(xiàn)高速異常，與前人研究結(jié)果一致[14]。該地區(qū)恰好位于鄂爾多斯塊體的東緣。鄂爾多斯塊體位于華北克拉通西部，內(nèi)部穩(wěn)定，具有較好的整體性，內(nèi)部沒有發(fā)生過6級(jí)以上的大地震[6]。地球物理探測(cè)表明，該區(qū)殼內(nèi)速度結(jié)構(gòu)呈正梯度，無殼內(nèi)低速層，超過200 km的克拉通根基堅(jiān)固穩(wěn)定，沒有活化和改造的跡象[4]，具有典型的大陸克拉通巖石圈結(jié)構(gòu)特征。所以，該地區(qū)的高速異常與其相對(duì)穩(wěn)定的速度結(jié)構(gòu)有關(guān)。

5　結(jié)　語

本文利用背景噪聲層析成像兩步法，對(duì)山西及周邊地區(qū)44個(gè)臺(tái)站的連續(xù)背景噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，得到了該區(qū)域的群速度和相速度分布特征。短周期的速度特征主要與地殼淺層的地質(zhì)構(gòu)造和地貌相關(guān)聯(lián)：斷陷盆地淺層由于大量沉積物的堆積，在短周期顯示為低速特征；兩側(cè)的隆起地區(qū)則由于具有較淺或者出露的基巖，從而具有較高的速度分布。隨著周期的增加(長(zhǎng)周期的速度特征主要反映了中下地殼的結(jié)構(gòu)特征)，速度結(jié)構(gòu)反映的深度范圍也逐漸增加。研究區(qū)域在長(zhǎng)周期的速度差異主要表現(xiàn)為以北緯38.5°左右為界呈現(xiàn)南高北低的特征。淺層剪切波速度很好地反映了淺層地殼的橫向結(jié)構(gòu)變化，斷陷盆地的沉積層以及黃土高原的沉積是造成這些低速異常的主要原因。斷陷帶兩側(cè)的隆起由于具有較薄的蓋層，所以顯示為高速特征。中下地殼的大同盆地低速特征與該地區(qū)分布較廣的火山群有關(guān)。位于具有穩(wěn)定克拉通性質(zhì)的鄂爾多斯塊體東緣的呂梁山隆起則表現(xiàn)為高速的特征。由于鄂爾多斯塊體的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)和華北盆地的拉伸作用，導(dǎo)致山西斷陷帶從南到北開始拉張，斷陷盆地中下地殼存在的低速異常有利于斷陷盆地的形變和形成，同時(shí)高熱流值也說明山西斷陷帶是一個(gè)構(gòu)造軟弱帶。而位于S形斷陷盆地中間部位的臨汾盆地和太原盆地交接處存在的低速異?？赡苷f明，斷陷盆地以該地區(qū)為界南北兩側(cè)存在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和構(gòu)造應(yīng)力差異。

謹(jǐn)以此文向中國(guó)地震局地球物理勘探中心成立60周年獻(xiàn)禮！

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About the first author:ZHOU Ming，assistant engineer, majors in ambient noise tomography, E-mail: zmplay1234@163.com.

The Crustal S-Wave Velocity Structure of Shanxi Region

ZHOUMing1XUZhaofan1GENGWei2WEIYunhao1

1Geophysical Exploration Center，CEA，75 Wenhua Road, Zhengzhou 450002，China 2Changzhi Digital Seismic Network，Earthquake Administration of Shanxi Province, 135 Xinying Street, Changzhi 046000，China

In this paper, we use ambient noise tomography to study the Shanxi regional crustal velocity structure and deep tectonics.The data includes 7 months (2014 January to 2014 July) three-component continuous data recorded at 44 seismic stations of Shanxi province digital seismic networks and its surrounding . The S-wave velocity structure of the crust is inverted from Rayleigh wave dispersion maps. The S-wave velocity maps show clear lateral variations that correlate well with major geological structures and tectonic units in the study regions: in the upper crust, S-wave velocities of the Shanxi fault depression zone are relatively low at shallow depth, while the uplifts on sides of Shanxi fault depression zone show high velocity. In the mid-lower crust, the latitude ～38.5°N divides the region into a northern part with a low velocity anomaly and a southern part with a high velocity anomaly. Datong basin shows low velocity in the crust,possibly related to the wide distribution of volcanoes.

Shanxi fault depression; group velocity; phase velocity; ambient noise

Active Fault Detection of Changzhi, No.GK-C-2Ⅱ.

2015-09-02

周銘，助理工程師，主要從事背景噪聲層析成像研究，E-mail：zmplay1234@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.015

1671-5942(2016)010-0912-06

P315

A

項(xiàng)目來源：長(zhǎng)治市活斷層探測(cè)項(xiàng)目(GK-C-2Ⅱ)。