基于近震P波走時的南加州地區(qū)速度結(jié)構(gòu)層析成像

周茜茜 陳強 張一君 黃小梅

摘要：采用2015—2018年南加州地區(qū)密集分布的寬頻帶地震臺站記錄的505個近震事件，利用AIC準則拾取了35 600個初至P波到時，應(yīng)用FMTOMO軟件進行走時層析成像，獲得了該地區(qū)0～40 km深度的三維P波地殼速度結(jié)構(gòu)，其分辨率達0.5°×0.5°×5 km。不同深度的速度結(jié)構(gòu)表明：南加州地區(qū)P波速度不僅隨深度的變化而變化，且該地區(qū)地殼具有明顯的橫向不均勻性。反演結(jié)果顯示：中地殼以上的速度結(jié)構(gòu)與地殼巖層和斷層系統(tǒng)密切相關(guān)，下地殼以下的速度結(jié)構(gòu)存在大范圍低速區(qū)，呈現(xiàn)橫向不均勻性。

關(guān)鍵詞：南加州;P波走時;三維地殼速度結(jié)構(gòu)模型;地震層析成像

中圖分類號：P315.2文獻標識碼：A文章編號：1000-0666（2020）04-0674-06

0引言

美國南加州地區(qū)位于太平洋板塊和北美板塊的交匯地帶，是世界上地震活動最活躍的地區(qū)之一。該地區(qū)自中生代以來經(jīng)歷了強烈的地質(zhì)構(gòu)造活動，經(jīng)過多次強烈的擠壓和伸展作用，形成了特殊的地質(zhì)構(gòu)造格局，出現(xiàn)了板塊俯沖、島弧形成、大陸增生等現(xiàn)象（田有，2008）。歷史上南加州地區(qū)多次發(fā)生中強地震，如舊金山1906年8.6級大地震和1989年6.9級地震、1994年洛杉磯6.6級地震等。2019年南加州發(fā)生7.1級強震，刷新了近20年來最強烈地震的記錄，再次引起了社會各界廣泛的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，南加州地區(qū)大部分中強地震發(fā)生于地殼層，對人類的生命和財產(chǎn)安全危害極大。因此研究南加州地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)對于認識該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、輔助地震的分析預報等具有十分重要的作用。

地震層析成像技術(shù)是近年來獲取地球內(nèi)部非均勻結(jié)構(gòu)的一種重要手段，可使用的地震資料豐富，理論方法多樣。如利用地震體波、面波資料或者地震接收臺站之間的噪聲記錄都可以重建研究區(qū)的速度結(jié)構(gòu)模型（Yang，F(xiàn)orsyth，2006;Barak，2015）。相較于地震的其他信息，地震體波的走時信息具有更穩(wěn)健、更可靠、更易提取且數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)點，因此地震體波走時層析成像技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，在南加州地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)研究中取得了大量成果（Lin et al，2007;Tape et al，2010;Barak et al，2015）。如Hauksson（2000）利用體波走時資料獲得了南加州地區(qū)0～22 km深度的地殼速度結(jié)構(gòu)，但該模型對于南加州地區(qū)地殼的成像深度不夠;Tian等（2007）聯(lián)合近震和遠震數(shù)據(jù)對南加州地區(qū)進行體波走時層析成像，獲得了該地區(qū)地殼上地幔的三維速度結(jié)構(gòu)，但垂向分辨率較低。

本文利用南加州地區(qū)近震P波的初至到時，采用FMTOMO軟件進行地震走時層析成像，得到南加州地區(qū)分辨率為0.5°×0.5°×5 km的三維地殼P波速度結(jié)構(gòu)。

1數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1數(shù)據(jù)資料

本文研究區(qū)位于美國西部的南加州地區(qū)（121°～114°W，32°～38°N），使用2015—2018年研究區(qū)內(nèi)239個寬頻帶地震臺站記錄的505個近震事件的波形數(shù)據(jù)資料進行研究，臺站和地震分布如圖1所示。事件挑選原則為：①首先挑選震中距為0～5°、震級大于3級、震源深度為0～40 km的近震事件;②對數(shù)據(jù)進行重采樣、去毛刺、去均值、去線性、滅尖、帶通濾波等預處理;③使用全球一維速度模型AK135，計算各地震事件理論到時，并將波形截取為理論到時的前10 s至后20 s;④利用AIC法（Maeda，1985）實現(xiàn)實際到時的自動拾取，并進行波形的質(zhì)量篩選，刪除信噪比低的波形數(shù)據(jù);⑤保證每個地震事件至少具備10個以上的臺站到時，剔除不符合此要求的地震事件。由于近震震中距較小，后續(xù)震相不便于自動拾取，本文僅使用P波的初至到時進行層析成像，最終挑選了35 600條初至P波和Pn波到時。

1.2研究方法

地震層析成像過程主要包括模型參數(shù)化、正演、反演以及解的評價（羅炬等，2011）。本文采用Rawlinson等（2006）發(fā)展的FMTOMO軟件進行近震P波走時層析成像，該軟件具有僅需地震走時信息、追蹤多種震相、可聯(lián)合多種數(shù)據(jù)集進行反演等優(yōu)點（趙啟光等，2011），是近年來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)較流行的一種方法。

地震研究43卷第4期周茜茜等：基于近震P波走時的南加州地區(qū)速度結(jié)構(gòu)層析成像該軟件采用網(wǎng)格結(jié)點法進行模型參數(shù)化，采用的網(wǎng)格結(jié)點包括速度網(wǎng)格結(jié)點、界面網(wǎng)格結(jié)點和傳播網(wǎng)格結(jié)點。其中傳播網(wǎng)格結(jié)點代表正演計算得到的走時場，速度網(wǎng)格結(jié)點和界面網(wǎng)格結(jié)點構(gòu)成反演初始模型。本文采用的初始速度模型為Hadley和Kanamori（1977）提出的一維速度模型，如圖2所示。對于界面網(wǎng)格結(jié)點，在深度方向上以29 km的平均莫霍面深度為界將研究區(qū)分為兩層，并在深度方向上以每2 km設(shè)置速度網(wǎng)格結(jié)點，在經(jīng)度和緯度方向以15 km×15 km設(shè)置速度網(wǎng)格結(jié)點。本文反演過程中保持震源初始位置不變，僅對P波速度進行反演。

FMTOMO軟件正演方法采用多步快速行進法 （Kool et al，2006），該方法根據(jù)給定的初始速度模型，利用迎風有限差分算法求解程函方程，從而得到各傳播網(wǎng)格結(jié)點的走時值。反演方法采用子空間反演法（Rawlinson et al，2006），該反演方法將非線性問題線性化進行迭代求解，通過求解當前模型的走時數(shù)據(jù)與觀測走時數(shù)據(jù)構(gòu)建的目標函數(shù)的極小值獲得速度模型的擾動量，進行速度場的解算。

2解的評價

2.1檢測板測試

在分析結(jié)果之前，為了驗證層析成像結(jié)果的可靠性，對層析成像結(jié)果進行評價，可了解層析成像結(jié)果的可靠性、分辨率及誤差等信息（雷棟，胡祥云，2006）。本文采用檢測板分辨率測試：對初始模型添加±0.4 km/s的速度擾動值，保持地震接收臺站和震源的數(shù)量以及位置分布不變，計算出一組走時代替實際觀測走時，進行層析成像，反演得到的速度結(jié)構(gòu)可直觀地分析層析成像結(jié)果的可靠性。

本文采用水平格網(wǎng)結(jié)點間距約為0.5°，垂向格網(wǎng)結(jié)點間距約為5 km的檢測板進行測試，測試結(jié)果如圖3所示：1 km水平切片的檢測板結(jié)果顯示，邊緣地區(qū)由于臺站和地震稀少，檢測板還原效果較差，而臺站和地震密集分布的區(qū)域，還原效果較好;11 km水平切片的檢測板還原效果較好，這是由于地震事件震源深度大部分都位于20 km以上，該深度上射線密集;22 km水平切片的圖3檢測板測試結(jié)果

Fig.3Checkerboard test results檢測板結(jié)果顯示，由于所選地震事件大多發(fā)生于上地殼，且本文僅采用了初至的直達P波和Pn波，所以該深度射線密度不足，此處檢測板還原效果較差，但依然可以看出檢測板還原出正負相間的速度擾動;35 km水平切片的檢測板還原效果較好，因為此處Pn波射線能較好地交叉穿過且射線密集。對于垂向剖面的檢測板，在0～15 km以及30～40 km深度還原效果較好，而15～30 km深度還原效果稍差。

2.2反演殘差分析

本文經(jīng)過5次迭代計算，速度結(jié)構(gòu)模型的解逐漸收斂。觀測走時數(shù)據(jù)與反演走時數(shù)據(jù)走時差方差從2.015 s2下降到1.361 s2，改善了近32%;卡方值從222.259下降到119.801，改善了46%。

3層析成像結(jié)果與討論

3.1層析成像結(jié)果

由反演結(jié)果（圖4a）可以看出，在1 km深度，研究區(qū)內(nèi)一些低地形區(qū)域如圣華金山谷、文圖拉盆地和莫哈韋沙漠南部呈現(xiàn)低速分布，這是由于圣華金山谷堆積著新近紀的沉積物，文圖拉盆地下方堆積著較厚的上新世的沉積物（Shaw et al，2015），莫哈韋沙漠南部在1～3 km的深度存在沉積盆地（Tape et al，2010）。一些高山山脈呈現(xiàn)明顯高速，如內(nèi)華達山脈、橫斷山脈、半島山脈、海岸山脈、圣蓋博山脈、圣貝納迪諾山脈。中生代的花崗巖在半島山脈、橫斷山脈和內(nèi)華達山脈南部的基巖中占據(jù)主要地位（Phil，2013），圣貝納迪諾山脈巖層分布以侏羅紀花崗巖侵入性火成巖為主（宋國政，2011），從沉積物到火成巖、花崗巖的過渡，定義了南加州大部分地區(qū)橫向速度的不均勻性。圣安德烈斯斷層兩端速度分布存在明顯差異，其WS側(cè)速度較高，EN側(cè)速度偏低。由圖1可以看出，大多數(shù)地震分布在圣安德烈斯斷層附近，尤其是其WS側(cè)地震活動較多，該現(xiàn)象與圣安德烈斯斷層附近的速度分布情況相符。由此可見，該地區(qū)淺部的P波速度分布與地表的地質(zhì)構(gòu)造以及斷層系統(tǒng)的分布具有較好的一致性。

由圖4b可見，在11 km深度，大部分地區(qū)呈現(xiàn)高速分布，但異常幅度較1 km深度小。圣安德烈斯斷層兩端速度分布依舊存在差異，半島山脈持續(xù)高速，大陸邊緣帶、圣華金山谷、思爾頓凹槽、圣瑪麗亞盆地呈現(xiàn)高速分布，而洛杉磯、文圖拉等盆地的低速特征消失，呈現(xiàn)高速分布。在南加州地區(qū)的沉積盆地如洛杉磯盆地、文圖拉盆地、圣瑪麗亞盆地等在地殼中形成了重要的速度結(jié)構(gòu)。這些盆地的基底巖通常被沉積物覆蓋，其中洛杉磯盆地的基底巖由火成巖構(gòu)成（Wright，1987），文圖拉盆地和圣瑪麗亞盆地的基底巖由早期的第三紀和中生代的變質(zhì)巖構(gòu)成（Yerkes et al，1987）。這種由沉積物到基底巖的分布，反映了南加州盆地地區(qū)垂向上速度的不連續(xù)性。Fuis等（1984）的研究成果表明，在該深度上，半島山脈和思爾頓凹槽下方分布著鎂鐵質(zhì)巖層，地震波較同深度其他巖層傳播速度快。在莫哈韋沙漠東南部的蘭德斯地區(qū)，有一小范圍區(qū)域呈現(xiàn)高速異常，并被低速塊體截斷，這樣的速度分布與該地區(qū)地震頻發(fā)情況相符。前人的研究也表明，地震多發(fā)生于高速和低速塊體的過渡部位或偏向高速塊體（田有等，2007）。該地區(qū)中地殼的速度結(jié)構(gòu)不僅與地殼巖層構(gòu)成有關(guān)，與以往的地質(zhì)構(gòu)造活動也相關(guān)。

在22 km深度，反演結(jié)果（圖4c）顯示了下地殼速度的橫向不均勻性，半島山脈、思爾頓凹槽、圣瑪麗亞盆地、文圖拉盆地及蘭德斯地區(qū)持續(xù)高速。圣瑪麗亞盆地和文圖拉盆地的高速分布受新近紀橫斷山脈順時針旋轉(zhuǎn)的影響，為俯沖捕獲的法拉隆洋殼所導致（Tape et al，2010）。內(nèi)華達山脈呈現(xiàn)低速分布，多學科綜合研究揭示內(nèi)華達山脈巖石圈地幔以及下地殼在8～3.5 Ma范圍內(nèi)發(fā)生拆沉，而拆沉將導致該深度上P波低速（曾令森等，2006;Cin-Ty等，2001）。圣蓋博山脈和海岸山脈呈現(xiàn)低速分布，該地區(qū)下地殼存在早期第三紀的沉積巖和變質(zhì)沉積巖（Shaw et al，2015）。

在35 km深度，圣華金山谷、內(nèi)華達南部、半島山脈和莫哈韋沙漠呈現(xiàn)明顯低速，橫斷山脈、海岸山脈、思爾頓凹槽、文圖拉盆地、圣瑪麗亞盆地和洛杉磯盆地呈現(xiàn)明顯高速（圖4d）。該結(jié)果與Zhu和Kanamori（2000）利用遠震接收函數(shù)得到的南加州莫霍面深度結(jié)果相對應(yīng)，其研究結(jié)果顯示在圣華金山谷、內(nèi)華達山脈、半島山脈和莫哈韋沙漠地區(qū)地殼深度較深，在該深度上這些區(qū)域顯示的是下地殼的速度特性，因而速度較低;而思爾頓凹槽、橫斷山脈、文圖拉盆地、圣瑪麗亞盆地和洛杉磯盆地地殼厚度較薄。

3.2對比分析

為了進一步分析本文層析成像結(jié)果的可靠性，將本文結(jié)果與Tian等（2007）聯(lián)合近震與遠震的P波走時資料獲得的相似區(qū)域的層析成像結(jié)果進行對比分析。由于所使用的數(shù)據(jù)集、模型參數(shù)化以及從屬格網(wǎng)的劃分不同，再加上反演問題的多解性，本文層析成像結(jié)果雖與其存在一些差異，但仍然具有較好的一致性，具體為：地表層P波速度分布與地表的地質(zhì)構(gòu)造、地形起伏具有較好的一致性，如半島山脈、圣蓋博山脈以及海岸山脈等高山山脈的高速異常，圣華金山谷和文圖拉盆地的低速異常。在中地殼大部分區(qū)域都顯示高速異常，如半島山脈和圣華金山谷等。在下地殼，如半島山脈、文圖拉盆地等呈現(xiàn)高速異常，內(nèi)華達山脈呈現(xiàn)低速異常。在上地幔，大部分區(qū)域呈現(xiàn)低速異常，如圣華金山谷、內(nèi)華達山脈、半島山脈等，而在研究區(qū)的西部，如海岸山脈、沉積盆地等表現(xiàn)為高速異常。與Tian等（2007）結(jié)果相比，本文還揭示了蘭德斯地區(qū)較清晰的速度異常。

4結(jié)論

本文利用2015—2018年南加州臺網(wǎng)239個地震臺站記錄的共505個近震波形數(shù)據(jù)，采用AIC法提取了35 600條P波初至到時信息，應(yīng)用FMTOMO軟件進行地震走時層析成像，確定了南加州地區(qū)分辨率達0.5°×0.5°×5 km的0～40 km深度的三維P波速度結(jié)構(gòu)，得到以下結(jié)論：

（1）本文僅需引入近震波形數(shù)據(jù)的絕對到時信息參與層析成像，所需數(shù)據(jù)相較于其它方法具有易獲取、精度高、成像方法簡單快速的優(yōu)點。得到的層析成像結(jié)果與前人研究成果總體上具有較好的一致性，且垂向分辨率得到了較大改善，有助于準確預測強地面震動，更有助于進一步認識該地區(qū)的地殼構(gòu)造和地質(zhì)構(gòu)造活動。因此該方法可用來獲取區(qū)域高分辨率的地殼速度結(jié)構(gòu)。

（2）層析成像結(jié)果反映了南加州地區(qū)P波速度隨深度發(fā)生變化，且地殼存在明顯橫向不均勻性。淺部的速度結(jié)構(gòu)較好地恢復了該地區(qū)地表地形的大致位置，如洛杉磯盆地、文圖拉盆地等沉積盆地和半島山脈、海岸山脈等高山山脈的位置，與地表的地質(zhì)構(gòu)造和巖性密切相關(guān)，深部的速度結(jié)構(gòu)存在大面積的低速區(qū)，呈現(xiàn)橫向不均勻性。

由于數(shù)據(jù)的限制，某些深度上層析成像結(jié)果的分辨率稍差，有待進一步改善，在后續(xù)的研究中需要搜集更多的數(shù)據(jù)，如通過提取后續(xù)震相的信息來增加地震射線的密度，從而獲得更高分辨率的三維速度結(jié)構(gòu)。

感謝審稿專家和編輯部的幫助，感謝Rawlinson提供的FMTOMO層析成像軟件。

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Velocity Structure Tomography in Southern California Area Based

on Local Earthquakes P-wave Travel-time

ZHOU Xixi，CHEN Qiang，ZHANG Yijun，HUANG Xiaomei

（Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，Sichuan，China）

Abstract

In this study，basing on 505 local-seismic events recorded by densely distributed broadband seismic stations in Southern California between Jan.，2015 and Dec.，2018，we pick up 35 600 first-arrival travel-time of P-waves by adopted the AIC method.Then using the FMTOMO software，we obtained a three-dimensional P-wave crust velocity structure with a depth range of 0～40 km in this area through travel-time tomography，and the resolution of the velocity structure can reach 0.5°×0.5°×5 km.The velocity structure at different depth revealed that the P-wave velocity in Southern California changed with the depth，and the crust in this region had obvious lateral heterogeneity.The inversion results show that the velocity structure above the mid-crust is closely related to the rock formations and fault systems，and that below the lower crust has a large area of low-speed，showing lateral heterogeneity.

Keywords：Southern California;P-wave travel-times;three-dimensional crustal velocity structure;seismic tomography