沂沭斷裂帶及鄰區(qū)雙差層析成像

劉承雨 張正帥 李國(guó)一

1 山東省地震局，濟(jì)南市文化東路20號(hào)，2500142 河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省三河市學(xué)院街465號(hào)，065201

隨著數(shù)字化地震臺(tái)站布設(shè)密度的增加，地震波到時(shí)的測(cè)量精度得到提升。天然地震體波層析成像技術(shù)已成為研究殼幔結(jié)構(gòu)的重要工具，但利用雙差層析成像方法對(duì)沂沭斷裂帶及鄰區(qū)進(jìn)行成像分析的研究較少。本文在對(duì)沂沭斷裂帶及鄰區(qū)進(jìn)行地震重新精確定位的基礎(chǔ)上，利用地震波走時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)34°～37°N、117°～120°E范圍進(jìn)行精細(xì)雙差層析成像分析，以期獲得更可靠的地下介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)信息，進(jìn)而分析研究區(qū)速度分布及不同構(gòu)造單元速度結(jié)構(gòu)，從而揭示沂沭斷裂帶及鄰區(qū)的地下介質(zhì)性質(zhì)。此外，為明確研究區(qū)地震分布與低速層的關(guān)系，從地殼三維速度分布出發(fā)，重點(diǎn)探討沂沭斷裂帶等典型構(gòu)造對(duì)地震活動(dòng)的控制作用與孕震環(huán)境。

1 研究方法原理

雙差層析成像(tomoDD)是一種體波走時(shí)層析成像技術(shù)，由Zhang等[1-2]將雙差定位方法[3]引入地震層析成像理論而提出的。根據(jù)射線理論，如果2個(gè)相鄰地震到同一臺(tái)站的路徑相似，那么震源i到地震臺(tái)站k的觀測(cè)到時(shí)可表示為：

(1)

式中，τi為地震i的發(fā)震時(shí)刻，δu為慢度矢量，ds為徑積分元。

若地震i被臺(tái)站k所記錄，則：

(2)

(3)

地震事件i、地震事件j在同一臺(tái)站k與理論走時(shí)差的殘差，即雙差為：

(4)

與傳統(tǒng)地震層析成像方法相比，雙差層析成像可改善地震波傳播路徑的差異和介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)的空間不均勻性，能更好地約束地震的空間位置。雙差數(shù)據(jù)的引入可有效提高震源區(qū)的成像分辨率，因此雙差層析成像相比傳統(tǒng)的走時(shí)成像具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在反演計(jì)算過(guò)程中，將相對(duì)走時(shí)殘差和絕對(duì)走時(shí)殘差的2階范數(shù)作為約束函數(shù)，可迭代得到P波及S波三維速度結(jié)構(gòu)和震源位置的最優(yōu)解。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文搜集整理山東及周邊省份地震臺(tái)網(wǎng)提供的2008-10～2017-12震相觀測(cè)資料和182個(gè)地震臺(tái)站的資料信息，包含1 872個(gè)天然地震事件，最大震級(jí)為M4.2。圖1為研究區(qū)地震M-T圖及地震深度分布情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，M2.0以上地震1 371個(gè)，震源深度集中分布在5～25 km。圖2(a)為原始數(shù)據(jù)的走時(shí)-震中距關(guān)系曲線(簡(jiǎn)稱時(shí)距曲線)，由于存在人工拾取等產(chǎn)生的誤差，根據(jù)時(shí)距曲線剔除原始數(shù)據(jù)中離散程度較大的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖2(b)所示。經(jīng)過(guò)篩選，滿足條件的地震事件共1 190 個(gè)，采用tomoDD程序中ph2dt工具將走時(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)和走時(shí)差數(shù)據(jù)，最終獲得P波絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)14 652條，S波絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)14 650條，相對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)89 722條。

圖1 研究區(qū)地震隨時(shí)間分布和地震深度分布Fig.1 Temporal distribution and depths of earthquakesin the study area

圖2 P波和S波走時(shí)曲線Fig.2 Time-distance curve of P-wave and S-wave

2.2 初始模型選擇

圖3為研究區(qū)二維射線路徑分布情況，根據(jù)二維射線的密集程度，本文將經(jīng)度、緯度、深度3個(gè)方向的網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別設(shè)置為20、18、8。以0.2°×0.2°網(wǎng)格劃分經(jīng)緯度，以0.5°間隔對(duì)邊緣進(jìn)行劃分，在深度方向上以5 km為間隔，分別在5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km深度開(kāi)展研究。計(jì)算過(guò)程中，初始速度模型參考文獻(xiàn)[4]，具體參數(shù)信息見(jiàn)表1。

圖3 研究區(qū)二維射線路徑分布Fig.3 Distribution of P-wave ray paths in the study area

表1 本文采用的初始速度模型

2.3 正則化參數(shù)選擇

雙差層析成像方法采用阻尼LSQR算法，為提高反演結(jié)果的穩(wěn)定性，在反演過(guò)程中對(duì)引入的光滑因子和阻尼參數(shù)進(jìn)行權(quán)衡分析[5-6]，其中阻尼因子可在迭代過(guò)程中保證穩(wěn)定迭代和快速收斂，而光滑因子則能解決迭代過(guò)程中模型的突變情況。本文分別選擇 10～800和 0.1～2 000作為阻尼因子和光滑因子權(quán)重的測(cè)試范圍，通過(guò)L曲線法選擇最佳平滑因子20和阻尼因子200作為反演過(guò)程中的控制參數(shù)[7]，結(jié)果如圖4所示。

圖4 平滑因子和阻尼因子均衡曲線Fig.4 Trade-off curves of damping and smoothing weight parameters

3 反演結(jié)果可靠性評(píng)價(jià)

為更好地檢驗(yàn)研究區(qū)速度結(jié)構(gòu)反演空間特征的真實(shí)性，本文采用Lévěque等[8]提出的棋盤檢測(cè)板進(jìn)行測(cè)試。檢測(cè)板分辨率測(cè)試主要是通過(guò)正負(fù)方向的異常擾動(dòng)來(lái)反演結(jié)果的真實(shí)性。將定義的速度模型節(jié)點(diǎn)設(shè)置為空間相間的棋盤分布，在計(jì)算理論走時(shí)過(guò)程中加入±5%的擾動(dòng)速度來(lái)檢測(cè)模型的穩(wěn)定性，最后根據(jù)理論和實(shí)際反演的模型對(duì)正負(fù)速度異常的相對(duì)變化進(jìn)行評(píng)估。在前期重定位研究中發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)深度相對(duì)較淺，因此本文在檢測(cè)板測(cè)試中僅給出20 km深度范圍內(nèi)的檢測(cè)結(jié)果，以5 km作為1個(gè)距離區(qū)間，10 km層深的橫向分辨率可達(dá)0.2°(圖5)。

圖5 不同深度剖面檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test results of checkboard resolution of each depth

4 地殼速度結(jié)構(gòu)成像及分析

4.1 不同深度地殼介質(zhì)水平向P波速度結(jié)構(gòu)

對(duì)研究區(qū)內(nèi)參與計(jì)算的地震事件進(jìn)行重新定位，精定位前后的走時(shí)殘差直方分布如圖6所示。圖6(a)和6(b)分別為初始定位和重新定位后的走時(shí)殘差分布，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，精定位后走時(shí)殘差得到明顯改善，定位精度顯著提高。成像結(jié)果的可信度評(píng)估目前主要基于2個(gè)參數(shù)，分別為檢測(cè)板測(cè)試恢復(fù)度RES(resolution, 最高恢復(fù)度為1)和反演網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處的射線空間分布DWS(distribution of derivative weight sum)。研究表明[9]，當(dāng)DWS≥100時(shí)，反演結(jié)果的可信度較高。經(jīng)過(guò)綜合考慮，本文選擇DWS≥100且RES≥0.8的區(qū)域用于最終成像分析。

圖6 重定位前后走時(shí)殘差變化Fig.6 Travel-time residual of events before and after relocation

整體來(lái)看，研究區(qū)主要涉及3個(gè)大地構(gòu)造單元(圖7(a))，主要包括魯西地塊、膠南地塊和膠遼地塊。魯西地塊和膠南地塊分別處于沂沭斷裂帶西側(cè)和東側(cè)，其中膠遼地塊為一個(gè)NNE向的狹長(zhǎng)臺(tái)隆陸塊。圖7(b)～7(e)為不同深度的P波速度成像結(jié)果，其中膠南地塊為蘇魯大別山造山帶的東延區(qū)域，受構(gòu)造作用的影響，該地區(qū)地殼變形強(qiáng)烈，上地殼內(nèi)普遍存在低速結(jié)構(gòu)；而魯西塊體速度分布極不均勻，這可能與其發(fā)育典型的幔源巖漿活動(dòng)有關(guān)，尤其在泰萊凹陷區(qū)域出現(xiàn)不同規(guī)模的低速結(jié)構(gòu)，而在泰安上地殼存在明顯的高速結(jié)構(gòu)。受限于反演分辨率，膠遼地塊西南部分反演結(jié)果的可靠性較差，總體速度高于膠南地塊，在此不作深入分析。對(duì)于沂沭斷裂帶而言，在不同深度均呈現(xiàn)南北兩側(cè)速度低、中間速度高的特征，體現(xiàn)出沂沭斷裂帶的分段特性。

圖7(b)～7(e)為橫切剖面上下2 km地震的投影分布，從圖中可以看出，高速-低速異常過(guò)渡帶地區(qū)更容易發(fā)生地震。根據(jù)Artyushkov[10]的觀點(diǎn)，高速-低速過(guò)渡區(qū)多發(fā)中強(qiáng)地震的主要原因?yàn)榱髯冞吔缣幱捎谙碌貧ぴ诘蒯崃黩?qū)動(dòng)作用下發(fā)生擠壓，導(dǎo)致上地殼脆性巖石產(chǎn)生形變，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到破裂閾值時(shí)，淺源地震隨即發(fā)生。本文根據(jù)李清河等[11]的相關(guān)研究，在圖8(e)中用紅色五角星標(biāo)識(shí)出1668年郯城8.5級(jí)大地震(34.8°N，118.6°E, 震源深度約為23 km)震中，發(fā)現(xiàn)該地震基本處于高速結(jié)構(gòu)與低速結(jié)構(gòu)之間的過(guò)渡帶中。

圖7 研究區(qū)不同深度P波速度成像結(jié)果(RES≥0.8且DWS≥100)Fig.7 Imaging results of P-wave velocity at different depth in the study area(RES≥0.8 and DWS≥100)

4.2 垂向剖面成像結(jié)果

圖8分別為沿魯西地塊、沂沭斷裂帶、膠南地塊和膠遼地塊縱向和橫向展布的4條P波速度剖面，分別表示為A-A′、B-B′、C-C′和D-D′。圖8中震源位置為離剖面垂直距離30～40 km范圍內(nèi)的地震投影。

圖8 深度剖面的速度結(jié)構(gòu)圖像Fig.8 Velocity structure of vertical cross-sections

剖面A-A′經(jīng)過(guò)沂沭斷裂帶內(nèi)部，從P波速度剖面可以看出，斷裂帶中上地殼速度結(jié)構(gòu)分段特性明顯，表現(xiàn)為南北段地殼速度低、中段速度高(郯城至莒縣)。申金超等[12]研究發(fā)現(xiàn)，郯城-莒縣段內(nèi)存在明顯的地殼減薄帶和高泊松比區(qū)域。剖面B-B′沿沂沭斷裂帶走向穿過(guò)魯西地塊，考慮到成像分辨率的可靠性，主要分析上地殼速度分布情況。從剖面可以看出，魯西地塊南部區(qū)域P波速度普遍高于北部。從地震活動(dòng)性分析，多數(shù)地震發(fā)生在高速結(jié)構(gòu)邊緣及其向上延展的過(guò)渡帶內(nèi)。人工地震測(cè)深結(jié)果結(jié)合重磁異常表明，魯西地塊內(nèi)具有深部巖漿向上運(yùn)移的良好通道，考慮可能存在地幔熱流上涌，使得地球深部應(yīng)力傳導(dǎo)至地殼，造成地殼脆性巖石破裂，繼而引發(fā)地震。

剖面C-C′與D-D′近垂直于沂沭斷裂帶，就C-C′剖面而言，魯西地塊中上地殼P波速度普遍高于膠南地塊，其中郯城大地震發(fā)生于高速結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域。郯城大地震震源區(qū)下方存在代表巖石圈拆沉的高波速異常，也存在代表熱物質(zhì)上涌的低波速異常，表明郯城大地震的發(fā)生與地幔熱物質(zhì)上涌有關(guān)，該結(jié)論與Lei等[13]的最新研究結(jié)果一致，這種由“大地幔楔”中巖石圈拆沉引起熱物質(zhì)上涌至地殼淺部的結(jié)論也與Ma 等[14]關(guān)于高密集地震臺(tái)陣的背景噪聲成像研究及Tian 等[15]關(guān)于遠(yuǎn)震地殼結(jié)構(gòu)研究的結(jié)果吻合。

D-D′剖面起點(diǎn)為泰山地區(qū)，該區(qū)域中上地殼表現(xiàn)為高速結(jié)構(gòu)。孟亞鋒[16]研究認(rèn)為，泰安區(qū)域地殼存在明顯的隆生現(xiàn)象，其地殼高速結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的區(qū)域與隆升位置接近，主要原因?yàn)轸斘鞯貕K地幔熱流的上涌直接影響至地殼。此外，泰山區(qū)域地震活動(dòng)多沿高速-低速過(guò)渡帶發(fā)生，原因可能為中地殼屬于脆韌性轉(zhuǎn)化的拆離面，該拆離面易于積累應(yīng)力并引發(fā)地震。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)沂沭斷裂帶及鄰區(qū)的雙差層析成像結(jié)果進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

1)運(yùn)用雙差層析成像方法，基于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的研究區(qū)內(nèi)地震事件的觀測(cè)報(bào)告和地震臺(tái)站信息，獲得研究區(qū)可靠的中上地殼三維速度結(jié)構(gòu)，且大部分地區(qū)橫向分辨率可達(dá)0.2°。

2)沂沭斷裂帶及鄰區(qū)速度結(jié)構(gòu)整體具不均勻性，斷裂帶內(nèi)速度結(jié)構(gòu)具有明顯的分段特性，郯城大地震發(fā)生的位置處于高速結(jié)構(gòu)邊緣區(qū)域，存在代表熱物質(zhì)上涌的低波速異常。郯城以南和莒縣以北呈低速特征，而中間段具有高速結(jié)構(gòu)，其中郯城和莒縣中地殼存在明顯的低速結(jié)構(gòu)。沂沭斷裂帶兩側(cè)的膠南地塊和魯西地塊速度結(jié)構(gòu)存在差異，膠南地塊中上地殼內(nèi)P波速度普遍低于魯西地塊。魯西地塊內(nèi)速度分布情況較為復(fù)雜，上地殼存在不同規(guī)模且連續(xù)性不強(qiáng)的低速結(jié)構(gòu)，而泰山地區(qū)中上地殼表現(xiàn)為高速結(jié)構(gòu)，其原因可能為魯西地塊地幔熱流上涌直接影響至地殼，而泰山地區(qū)地殼高速結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的區(qū)域與隆升位置接近。

3)本文揭示了三維P波速度結(jié)構(gòu)與地震活動(dòng)性的關(guān)系。多數(shù)地震均發(fā)生在高速結(jié)構(gòu)邊緣或高速-低速過(guò)渡帶內(nèi)，其中穿過(guò)1668年郯城8.5級(jí)地震震中附近的A-A′和C-C′剖面顯示，震中基本處于高速結(jié)構(gòu)邊緣的過(guò)渡帶上，發(fā)震原因主要為地幔熱流上涌使地球深部應(yīng)力傳導(dǎo)至地殼，造成地殼脆性巖石破裂，繼而引發(fā)地震。

致謝：文章在撰寫過(guò)程中應(yīng)用到由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)張海江教授提供的tomoDD計(jì)算程序，在此表示感謝。