大同地區(qū)地殼橫波衰減成像研究

李 麗，劉 劍，李宏偉，梁 艷

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025；3.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

大同地區(qū)地殼橫波衰減成像研究

李 麗1，2，劉 劍3，李宏偉1，2，梁 艷1，2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025；3.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

運(yùn)用大同地區(qū)2001—2014年，中小地震觀測(cè)報(bào)告中的2 991個(gè)近震事件的24 016條S波最大振幅和周期資料，反演得到大同火山區(qū)及其附近區(qū)域的地殼衰減Q0值空間分布圖像。檢測(cè)板實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在射線分布較密集的地區(qū)，分辨率可以達(dá)到20′×20′。空間分布中，低Q0值主要分布在大同盆地及控制盆地發(fā)育的主干斷裂附近，大同火山區(qū)Q0值最低。Q0值強(qiáng)衰減現(xiàn)象反映出大同火山區(qū)地殼內(nèi)部介質(zhì)狀態(tài)與周圍構(gòu)造的差異性。

大同地區(qū)；橫波衰減；振幅層析成像

0 引言

Q值一般用來描述地球介質(zhì)的衰減特征，是反映構(gòu)造活動(dòng)的重要參數(shù)。當(dāng)?shù)卣鸩ù┻^有巖漿活動(dòng)的火山區(qū)、構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的巖石破碎帶、充填流體的空隙和裂隙等區(qū)域時(shí)，能量將發(fā)生強(qiáng)烈衰減而具有低Q值；在一些構(gòu)造穩(wěn)定的克拉通地區(qū)，能量衰減較少，具有高Q值[1]。利用振幅層析成像方法研究介質(zhì)衰減特征可以提高震相報(bào)告資料的利用率，且該方法先后在華北[2]、川滇[3]、中國(guó)大陸地區(qū)[4-5]及日本群島[6]取得較好的研究成效，其可靠性得到檢驗(yàn)。

山西地區(qū)由許多不同的地質(zhì)構(gòu)造單元組成，構(gòu)造活動(dòng)非?；钴S，大同地區(qū)尤為明顯。該地發(fā)育多條活動(dòng)斷層，大同斷陷盆地及大同火山區(qū)分布其中。研究表明，地震絕大多數(shù)發(fā)生在大同盆地內(nèi)部，且震源深度集中在5～20 km范圍內(nèi)，1989、1991和1999年大同—陽(yáng)高一系列中強(qiáng)地震，均發(fā)生在大同盆地北北東向六棱山斷裂附近。因此，研究該區(qū)地殼介質(zhì)的衰減特征，對(duì)進(jìn)一步分析衰減結(jié)構(gòu)與構(gòu)造活動(dòng)的關(guān)系、理解中強(qiáng)地震孕震環(huán)境起重要作用。

文獻(xiàn)[7]中，利用大同臺(tái)網(wǎng)1990—2000年的模擬波形資料研究大同地震序列尾波Q值隨時(shí)間的變化，但在計(jì)算過程中未固定各個(gè)臺(tái)站的頻率，不能很好地類比同頻率的Q值空間分布，且研究資料使用的是模擬波形數(shù)據(jù)，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性仍待驗(yàn)證。靳玉科等[8-9]采用Sato模型分別對(duì)代縣震群和山西北部十余個(gè)臺(tái)站及其附近的尾波Q值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果多分布在20～30之間，但各個(gè)臺(tái)站的擬合地震個(gè)數(shù)不等。其中，靈丘、涼城、偏關(guān)、大同臺(tái)站僅用了少數(shù)幾個(gè)擬合地震事件，其余臺(tái)站為幾十個(gè)，這種波形的擬合不均勻性對(duì)分析結(jié)果造成一定的局限性。為更充分地利用現(xiàn)有的觀測(cè)資料，對(duì)大同地區(qū)地殼介質(zhì)的衰減特征進(jìn)行研究，該文利用大同地區(qū)2001—2014年，中小地震觀測(cè)報(bào)告中最大振幅及周期資料，采用振幅層析成像方法，反演大同地區(qū)殼內(nèi)橫波衰減及介質(zhì)品質(zhì)因子Q0值(頻率為1 Hz時(shí)的Q值)的空間分布特征。

1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)域位于山西北部的大同盆地，該盆地是北東向展布的半封閉盆地，山地與盆地之間有斷層相隔，東面與河北陽(yáng)原盆地相連。盆地內(nèi)主要分布北東走向的采涼山斷裂、北北東走向的口泉斷裂、北東東走向的天鎮(zhèn)—陽(yáng)高斷裂、恒山北麓斷裂、六棱山北麓斷裂等，這些斷裂控制著盆地的主要邊界(見第41頁(yè)圖1)。桑干河是本區(qū)域的主要河流，屬海河水系，發(fā)源于大同盆地西南面的管涔山，自西南向東北橫穿整個(gè)大同盆地后流入陽(yáng)原盆地[10]。整個(gè)大同盆地南北寬約60 km，東西長(zhǎng)約150 km，平均海拔在1 000 m左右。

大同盆地內(nèi)發(fā)育有大同火山群，北起陽(yáng)高縣下深井一帶，南到六棱山山腳，東西長(zhǎng)約30 km，南北寬約20 km，有29座火山，另有玄武巖出露點(diǎn)10余處[11]。火山密集分布在大同縣東北，有16座；另外13座分布于桑干河兩岸和六棱山山腳(見圖1)。大同火山活動(dòng)時(shí)代始于早更新世晚期，主要活躍時(shí)期為中更新世，最晚延至晚更新世早期[12-13]，形成于大陸裂谷環(huán)境，與軟流圈上涌導(dǎo)致的巖石圈-軟流圈相互作用有關(guān)[14]。

圖1 大同地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Geological structure in Datong area

2 數(shù)據(jù)與研究方法

研究所用的地震數(shù)據(jù)分布區(qū)域?yàn)?9°～42°N，110°～116°E，所用的水平分量最大振幅和周期主要選自山西省地震局2001—2014年的觀測(cè)報(bào)告。為保證數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)資料進(jìn)行以下選擇：(1) 限定周期T在0.1～2.0 s內(nèi)相應(yīng)的最大振幅；(2) 單個(gè)地震的震級(jí)ML是各臺(tái)測(cè)定震級(jí)MSL的平均值，為避免單一臺(tái)站讀數(shù)的誤差或錯(cuò)誤，限定二者之差︱MSL-ML︱<0.5；(3) 每個(gè)地震至少被3個(gè)臺(tái)站記錄，且每個(gè)臺(tái)站至少記錄到3個(gè)地震；(4) 震源深度小于30 km。根據(jù)以上原則，選出2 991個(gè)地震，射線數(shù)達(dá)24 016條。

地震波在臺(tái)站i和震源j之間的衰減可以通過振幅譜Ai(f)得到，其中f是該振幅對(duì)應(yīng)的頻率。振幅通常受地震大小、臺(tái)基和儀器響應(yīng)、幾何擴(kuò)散以及介質(zhì)衰減等因素影響?？梢杂靡韵鹿矫枋觯?/p>

Aij(f)=Oj(f)S(f)Gij(R)Bij(f,R)，

(1)

式中：Oi(f)是頻率為f時(shí)的震源處振幅；S(f)是觀測(cè)場(chǎng)地和儀器的響應(yīng)；Gij(R)是路徑距離為R時(shí)的幾何擴(kuò)散因子；Bii(f,R)是地震波傳播時(shí)的能量衰減項(xiàng)。除幾何擴(kuò)散項(xiàng)外，其他各部分都對(duì)頻率有依賴。

震源譜可用長(zhǎng)周期振幅譜Ω0和拐角頻率fc描述，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(2)

不同的地震，頻率f不同。場(chǎng)地響應(yīng)的譜函數(shù)是未知的，但區(qū)域近震ML的帶寬很小，可以認(rèn)為場(chǎng)地響應(yīng)Si(f)與頻率無(wú)關(guān)。幾何擴(kuò)散項(xiàng)Gii(R)可被寫成(1/R)k，其中k是幾何擴(kuò)散因子，主要依賴于波的類型。對(duì)體波，k=1.0；對(duì)面波，k=0.5。

橫波的衰減項(xiàng)Bii(f,R)主要由介質(zhì)的品質(zhì)因子Q決定，是頻率的函數(shù)，可用冪函數(shù)描述為：

(3)

式中：c=πf1-ηv；Q=Q0fη；v是橫波的速度；Q0和η分別是橫波1 Hz時(shí)的品質(zhì)因子Q和頻率的冪指數(shù)。

將公式(3)帶入公式(1)，取對(duì)數(shù)后得到：

(4)

臺(tái)站項(xiàng)ai=lnSi(f)，震源項(xiàng)bj=lnOj(f)，通過Y-cR線性擬合可以得到平均Q0值。擬合直線即是區(qū)域的平均衰減模型，將式(1)減去平均模型，并將模型離散化成二維網(wǎng)格，可獲得離散化的擾動(dòng)方程。通過引入LSQR方法，即可求得擾動(dòng)方程的最小二乘解，即Q0值的橫向變化。

3 結(jié)果與分析

3.1 反演結(jié)果

在計(jì)算過程中，取幾何擴(kuò)散系數(shù)k為1.0，Q隨頻率指數(shù)衰減系數(shù)η為0.5，地殼S波平均速度υ為3.6 km/s。通過擬合方程式(1)中幾何擴(kuò)散校正后的ML振幅觀測(cè)值與折合震中距cR間的線性關(guān)系，從擬合直線的斜率獲得S波平均Q0值為230。將地殼橫向離散成每度6×6的網(wǎng)格，同時(shí)取阻尼系數(shù)為200，迭代次數(shù)為60，通過層析成像的方法反演ML振幅殘差即可獲得S波Q0值的橫向變化。

圖2是反演過程中使用的地震事件和射線分布，可以看出大同盆地射線密度較高，地震事件發(fā)生較多。第42頁(yè)圖3a為反演得到的地殼橫波衰減的介質(zhì)品質(zhì)因子Q0值空間分布。圖中，深色區(qū)域?qū)?yīng)地殼高Q0值區(qū)(低衰減區(qū))，淺色區(qū)域?qū)?yīng)地殼低Q0值區(qū)(高衰減區(qū))。為檢測(cè)反演結(jié)果的可靠性，采用棋盤檢驗(yàn)方法進(jìn)行分辨率估計(jì)(見第42頁(yè)圖3b)，從圖3b中可以看出，在射線密集的大同盆地，分辨率能達(dá)到20′×20′。圖3a中的虛線內(nèi)部即是滿足分辨率條件的區(qū)域，而邊緣地方由于射線稀疏，反演結(jié)果精度較低。

圖2 臺(tái)站、事件與射線分布圖Fig.2 Distribution of stations, events and rays

圖3 大同地區(qū)Q0值分布及分辨率測(cè)試結(jié)果Fig.3 Distribution of Q0 values in Datong area and resolution test results

3.2 衰減特征

由于地震波的衰減對(duì)地球結(jié)構(gòu)和組成的變化更敏感，變化幅度更大，因此，通過對(duì)地殼衰減結(jié)構(gòu)橫向變化的研究，反映衰減結(jié)構(gòu)與構(gòu)造活動(dòng)的密切關(guān)系，根據(jù)衰減圖像可勾畫出與構(gòu)造變形和火山活動(dòng)有關(guān)的地殼軟弱區(qū)。由圖3a可見，大同盆地北部Q0值明顯低于其他地區(qū)，該低Q0值分布與大同火山區(qū)分布基本一致，Q0值約為70～100之間。大同火山活動(dòng)區(qū)表現(xiàn)出的這種低Q0值，與其他火山地區(qū)特有的特征一致[15-16]。由于研究區(qū)域包含大同火山區(qū)，因此，該區(qū)域的平均Q0值較低，為230。大同火山的低Q0值，一方面可能由于火山體地下介質(zhì)內(nèi)部存在高溫?zé)嵛镔|(zhì)(如巖漿體)，從而增強(qiáng)地震波傳播過程的散射和吸收效應(yīng)；另一方面可能是火山噴發(fā)的巖溶物質(zhì)冷卻后出露在地表，該熔巖物質(zhì)的特殊性使S波強(qiáng)烈衰減。綜上所述，Q0值強(qiáng)衰減特征反映大同火山區(qū)地殼內(nèi)部介質(zhì)狀態(tài)與周圍構(gòu)造的差異性。

除在大同火山區(qū)地殼介質(zhì)衰減強(qiáng)烈外，在大同盆地、忻定盆地內(nèi)部及其活動(dòng)斷裂附近也存在低Q0值分布。這些斷裂構(gòu)造活動(dòng)顯著，控制盆地的邊緣斷裂，如采涼山斷裂、口泉斷裂南端、恒山北麓斷裂、六棱山山前斷裂和五臺(tái)山北麓斷裂。地殼介質(zhì)Q0值空間分布特征顯示強(qiáng)衰減區(qū)域(低Q0值)與地質(zhì)構(gòu)造有密切的關(guān)系。

4 結(jié)論與討論

研究運(yùn)用2001—2014年大同區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定震級(jí)ML時(shí)所用的振幅和周期資料，反演得到大同及其附近地區(qū)的地殼衰減Q0值空間分布圖像，并對(duì)成像結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)板測(cè)試。在此基礎(chǔ)上，對(duì)大同地區(qū)Q0值分布特征進(jìn)行分析研究，主要結(jié)論和認(rèn)識(shí)如下：

(1) Q0值的變化顯示出與地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)相關(guān)的特征，低Q0值主要集中在大同盆地、忻定盆地內(nèi)部及其活動(dòng)斷裂附近，如采涼山斷裂、口泉斷裂南端、恒山北麓斷裂、六棱山山前斷裂和五臺(tái)山北麓斷裂。強(qiáng)衰減異常區(qū)(低Q0值)在大同火山區(qū)表現(xiàn)突出，反映了大同火山區(qū)地殼內(nèi)部介質(zhì)狀態(tài)與周圍構(gòu)造的差異性。

(2) 運(yùn)用區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定震級(jí)ML時(shí)所用的振幅和周期資料，進(jìn)行振幅層析成像，由于反演結(jié)果的可信度在很大程度上取決于數(shù)據(jù)的數(shù)量及質(zhì)量，而在研究區(qū)域的邊緣部分，射線覆蓋較稀，分辨率不足30′×30′，今后還需補(bǔ)充鄰省震相資料做進(jìn)一步的分析研究。

該文計(jì)算程序由中科院青藏所裴順平研究員提供，在成像過程中亦得到裴老師的悉心指導(dǎo)，在此深表感謝！

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Study on S-wave Attenuation Imaging in Datong Area

LI Li1,2, LIU Jian3, LI Hong-wei1,2, LIANG Yan1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China;3.School of mining engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

By using the data of the maximum amplitude and period of 24016 S waves of 2991 near earthquakes from the middle and small earthquakes observation report in Datong area from 2001 to 2014, spatial distribution images of Q0value of crustal attenuation in Datong volcanic area and its vicinity are obtained by inversion. Experimental results of the detection board show that the resolution can reach 20'×20' in dense ray area. The low Q0values are mainly distributed in the Datong Basin and near the main faults which control the basin, and the Q0value is the lowest in Datong Basin. The strong decay of Q0value reflects the difference between the crustal medium state in Datong volcanic area and peripheral structure.

Datong area; S-wave attenuation; Amplitude tomography

1000-6265(2017)01-0040-04

2016-04-21

山西省地震局青年科研項(xiàng)目(SBK-1519)，2016年度震情跟蹤定向工作任務(wù)(2016010106)聯(lián)合資助。

李 麗(1981— )，女，河北省邯鄲人。2011年畢業(yè)于云南大學(xué)，碩士研究生，工程師。

P315.5

A