三峽庫區(qū)及鄰區(qū)背景噪聲直接成像

李長健，薛霆虓，2，胡秀峰，何 誠

(1.桂林理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541006；2.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230022)

0 引言

約50萬年以來，印度板塊與歐亞板塊的碰撞擠壓造就了如今的青藏高原，而青藏高原的隆升過程也伴隨著復(fù)雜的構(gòu)造變形運(yùn)動和深部動力過程。目前，基于不同的隆升和形成機(jī)制，地質(zhì)學(xué)家也提出了不同的板塊碰撞模式，最為典型的“逃逸說”被多數(shù)地球研究學(xué)者所接受[1-2]。與相對于平坦的青藏高原中部來說，青藏高原的東緣地區(qū)具有更為復(fù)雜的地殼結(jié)構(gòu)，青藏高原東緣到四川盆地的平均海拔差高達(dá)幾千米[3]。因此，獲取青藏高原東緣與四川盆地及鄰區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)對揭示該區(qū)的深部構(gòu)造、不同塊體的深層耦合關(guān)系和青藏高原的隆升機(jī)制及其與相鄰塊體的相互作用等地球動力學(xué)問題具有重要的科學(xué)意義。

四川是我國地震活動較為頻繁的地區(qū)(如汶川地震、雅安地震等)，研究該區(qū)域的地殼結(jié)構(gòu)對于研究該區(qū)域的地震成因背景和地震成因機(jī)理有著非常重要的作用，這引起了廣大學(xué)者的參與，并作出了一定的貢獻(xiàn)。比如用遠(yuǎn)震體波層析成像反演殼幔結(jié)構(gòu)，王椿鏞等[4]利用遠(yuǎn)震p波接收函數(shù)反演方法揭示了青藏高原東緣不同構(gòu)造塊體的地殼速度結(jié)構(gòu)橫向變化特征。但接受函數(shù)只是反演臺站下方的結(jié)構(gòu)，對地殼淺部反演不夠精細(xì)，而近年來背景噪聲面波層析成像的快速發(fā)展成為研究地球殼幔結(jié)構(gòu)的一種有效方法[5-6]，人們也利用此方法做了大量研究。Yao等[7]利用中美合作的流動地震觀測臺網(wǎng)所記錄的環(huán)境噪聲及面波數(shù)據(jù)反演了川滇地區(qū)三維地殼上地慢速度結(jié)構(gòu)，結(jié)果顯示龍門山斷裂帶是四川盆地和松潘-甘孜地塊之間重要的地殼構(gòu)造邊界，兩側(cè)的地殼結(jié)構(gòu)有著明顯差異。黃忠賢等[8]應(yīng)用面波成像方法反演了南北地震帶的三維S波速度結(jié)構(gòu)，討論了不同塊體的結(jié)構(gòu)特征，并指出青藏高原東緣下地殼存在低速層。雖然還有其他學(xué)者(李昱等[9]，房立華等[10]，王小龍等[11]，Chen等[12])對該區(qū)域做了一些研究，但是限于臺站的覆蓋區(qū)域和空間分辨率以及不同的研究方法，已有的結(jié)果對研究區(qū)域的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)的橫向變化仍有一定的約束。本文利用國家地震臺陣記錄的1年以上的噪聲數(shù)據(jù)，反演四川盆地及鄰區(qū)臺站下方的橫波速度結(jié)構(gòu)。由于各種地球物理反演方法往往存在一定程度的非唯一性，對同一區(qū)域采用不同數(shù)據(jù)源和多種地球物理反演技術(shù)研究其地下速度結(jié)構(gòu)無疑成為解決這一問題最有效的途徑。

1 數(shù)據(jù)與頻散測量

1.1 數(shù)據(jù)選取以及預(yù)處理

本文利用中國地震臺網(wǎng)在四川及鄰區(qū)，共55個寬頻帶地震儀(圖1)1年以上的連續(xù)波形記錄，并選取垂直方向的波形記錄進(jìn)行去均值、去儀器響應(yīng)、濾波、重采樣(本文選取的是1 Hz)、時域歸一化等預(yù)處理。然后進(jìn)行互相關(guān)計算，得到兩兩臺站之間的互相關(guān)，并對互相關(guān)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，結(jié)果見圖2。由于噪聲源分布不均勻，互相關(guān)函數(shù)正負(fù)時間分支經(jīng)常出現(xiàn)不對稱，Lin等[13]為盡可能地消除這種實(shí)際條件帶來的誤差，將互相關(guān)函數(shù)的正向和逆向反序求平均。由圖2可見明顯的有效信號，正負(fù)分支出現(xiàn)明顯的對稱，且具有良好的信噪比。

圖1 四川盆地及鄰區(qū)臺站分布圖Fig.1 Distribution of stations in the Sichuan Basin andadjacent area1—臺站分布 2—城市所在地 3—斷層(F1—龍門山大斷裂F2—鮮水河斷裂 F3—馬邊—鹽津斷裂 F4—安寧河斷裂)

圖2 臺站(AYU)與其他臺站瑞利波互相關(guān)函數(shù)Fig.2 The correlation function of Rayleigh wave betweenthe station (AYU) and other stations

1.2 提取Rayleigh面波相速度頻散曲線

理論上[14-16]對于任意臺站A和B的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)可以由互相關(guān)函數(shù)對于時間求導(dǎo)可得，它們之間的關(guān)系表達(dá)式可表示為公式(1)：

≈-GAB(t)+GAB(-t),-∞≤t≤∞

(1)

由于經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的空間互易性，可將(1)式改寫為

(2)

進(jìn)而從得到的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)中提取瑞利面波相速度頻散曲線。本文使用的是Yao等[17-18]提出的一種基于圖像分析的相速度頻散曲線快速提取方法，與傳統(tǒng)的等值線描點(diǎn)方法相比，該方法不但可以快速追蹤整條頻散曲線，而且能夠提高相速度頻散曲線的測量精度。

理論上55個臺站可以得到1485條頻散曲線，為了得到可靠地頻散曲線，遵循以下原則進(jìn)行挑選：

1)提取基階Rayleigh面波相速度頻散曲線；

2)提取信噪比(SNR)大于5的頻散曲線；

3)考慮到遠(yuǎn)場近似條件[17]，頻散曲線的測量需滿足公式(3)：

(3)

最終提取1281條6～35 s Rayleigh面波相速度頻散曲線。圖3給出了10 s，15 s，20 s，25 s周期的射線路徑分布圖，并從圖3可見研究區(qū)域的射線分布密集，路徑覆蓋均勻，為后續(xù)反演計算提供了可靠的保證。

2 橫波速度結(jié)構(gòu)與質(zhì)量檢測

2.1 反演方法

通過上述方法得到的數(shù)據(jù)，本文使用的反演方法是由方洪建等人[19]于2015提出基于射線追蹤的三維面波直接剪切波反演方法，為了使反演結(jié)果更加精確，放棄了面波大圓路徑，對相速度不同頻率分別作射線追蹤(快速行進(jìn)法[20])，并采用小波的稀疏約束層析成像反演。在迭代反演過程中，因?yàn)闄M波速度不斷變更，因此每一次迭代都需要進(jìn)行射線追蹤，求得目標(biāo)函數(shù)的最小值，進(jìn)而逐漸達(dá)到收斂。該方法不但在射線覆蓋密集的區(qū)域有著高精度的橫波速度圖像，而且在射線覆蓋不均勻的區(qū)域基于小波稀疏約束也可避免反演問題的錯誤。

2.2 結(jié)果分析

研究表明，基階瑞利波相速度對其相應(yīng)波長的約1/3的深度處的剪切波速度最為敏感，且周期越長，垂向分辨率越不好[21-22]。為了研究中上地殼的速度結(jié)構(gòu)，選取6～35 s的頻散曲線，并利用上述方法將研究區(qū)域劃分成0.16°×0.13°的網(wǎng)格，得到6～35 km的中上地殼地殼橫波速度結(jié)構(gòu)。圖4為該區(qū)域深度10 km、15 km、20 km、25 km橫波速度結(jié)構(gòu)圖，并對圖像呈現(xiàn)作如下分析：

1)深度10 km橫波速度結(jié)構(gòu)圖像分布主要反映了地殼上部速度結(jié)構(gòu)，低速區(qū)域主要位于四川盆地內(nèi)，而松潘-甘孜地塊和川滇地區(qū)呈現(xiàn)高速區(qū)。由圖4可見斷層對速度結(jié)構(gòu)有著一定的影響，特別是龍門山斷裂帶和馬邊—鹽津斷裂帶為界，不同區(qū)域有著明顯的高低速差異。這種差異與其他研究結(jié)果表明四川盆地前陸有較厚的沉積層(約10 km)有較好的一致性[23]。

2)深度15 km、20 km橫波速度結(jié)構(gòu)圖像分布表明，四川盆地、松潘-甘孜地塊、川滇地區(qū)地殼中上部速度結(jié)構(gòu)存在明顯的橫向不均勻變化，形成了高低速相間的不同區(qū)域。10～20 km四川盆地中地殼整體相對逐漸向高速區(qū)轉(zhuǎn)變，松潘-甘孜地塊和川滇地區(qū)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈退賲^(qū)。

3)深度25 km橫波速度結(jié)構(gòu)分布圖表明，四川盆地的中下地殼呈現(xiàn)整體性的相對高速，意味著四川盆地具有相對堅硬的中下地殼。松潘-甘孜地塊和川滇地區(qū)表現(xiàn)為明顯的低速異常，20～30 km深度低速區(qū)意味著它們的中下地殼相對軟弱，該低速區(qū)的埋深及分布范圍說明在青藏高原東緣深部物質(zhì)向西流動存在一定的可能性，也是造成龍門山造山帶隆起的有力證據(jù)，也推測汶川地震的發(fā)生可能由于四川盆地的阻擋，導(dǎo)致應(yīng)變在龍門山斷裂帶脆性上地殼內(nèi)部的高度累積，從而引起汶川地震的突然發(fā)生。

2.3 分辨率測試

為了對本次反演結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，筆者進(jìn)行了棋盤格分辨率測試。此處構(gòu)建橫波速度分布棋盤模型，臺站分布于真實(shí)數(shù)據(jù)臺站完全相同，將2%的隨機(jī)噪聲添加到走時數(shù)據(jù)中，并使用上述方法進(jìn)行反演計算。圖5表示添加隨機(jī)噪聲后的不同深度棋盤橫波速度模型示意圖。反演結(jié)果見圖6，在射線覆蓋較為密集的區(qū)域，可以很好的反演出與預(yù)設(shè)模型相一致的棋盤模型結(jié)構(gòu)，說明了反演的結(jié)果具有較高的分辨率。

圖5 檢測板測試的輸入速度模型(深度分別為10 km、15 km、20 km、25 km)Fig.5 Input speed model of test board measurement (depth of 10 km， 15 km， 20 km and 25 km respectively)

圖6 檢測板測試的反演結(jié)果Fig.6 Inversion result of test board measurement

3 結(jié)論

使用近年來新發(fā)展起來的背景噪聲面波層析成像方法對四川盆地及鄰區(qū)進(jìn)行了研究，使用該區(qū)域55個臺站1年以上地震記錄中的背景噪聲數(shù)據(jù)，得出了研究區(qū)域地殼橫波速度結(jié)構(gòu)，成像結(jié)果表明，研究區(qū)域不同深度中上地殼橫波速度結(jié)構(gòu)有著明顯的橫向不均勻性，和地表地質(zhì)差異很吻合。同時本文的研究成果為四川盆地及鄰區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)研究提供了新的獨(dú)立觀測證據(jù)，并為進(jìn)一步的深人研究提供了重要依據(jù)。也體現(xiàn)了背景噪聲層析成像在研究地殼速度結(jié)構(gòu)具有重要的應(yīng)用價值和前景，能夠給出較好的研究結(jié)果。