利用雙差層析成像方法研究遼寧海城-岫巖地區(qū)的精細(xì)速度結(jié)構(gòu)

夏彩韻 張正帥 賈麗華 王喜龍

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號(hào)，1100312 山東省地震局，濟(jì)南市文化東路20號(hào)，250014

海城-岫巖地區(qū)一直是遼寧省地震活動(dòng)頻發(fā)區(qū)[1]。1975年的海城MS7.3地震是遼寧省內(nèi)有記錄以來發(fā)生的最大地震，之后余震區(qū)的小震活動(dòng)不斷，1999年發(fā)生岫巖MS5.4地震。研究區(qū)位于遼東地塊與下遼河斷陷相交處，東側(cè)呈上升、西側(cè)呈階梯狀下降狀態(tài)，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，表現(xiàn)為明顯的間歇性抬升運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境復(fù)雜[2](圖1)。

圖1 遼寧南部地區(qū)主要斷裂分布和地震分布Fig.1 Distribution of main faults and earthquakesin southern Liaoning

目前，利用體波走時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)遼寧各地區(qū)開展雙差層析成像的研究并不多，區(qū)域小尺度的網(wǎng)格劃分亦不夠精細(xì)，對(duì)海城-岫巖地區(qū)相關(guān)的地下深部構(gòu)造模型尚未有一致的認(rèn)識(shí)。因此，本文期望利用雙差層析成像(tomoDD)方法獲得海城-岫巖地區(qū)小尺度范圍內(nèi)精細(xì)的三維地殼速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果，并深入分析強(qiáng)震與速度結(jié)構(gòu)及地震活動(dòng)與斷裂構(gòu)造的關(guān)系，為該地區(qū)的斷裂帶活動(dòng)性與地震危險(xiǎn)性研究提供新的地震學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

雙差層析成像方法是Zhang等[3]在Zhao等[4]的反演方法基礎(chǔ)上，將雙差定位方法引入到地震層析成像中提出的。該方法既可以得到反演三維速度結(jié)構(gòu)，又可以對(duì)地震進(jìn)行重新定位[5]。雙差層析成像方法之所以可以得到比常規(guī)地震層析成像方法更精確的反演結(jié)果，是因?yàn)槠涑浞掷昧私^對(duì)到時(shí)和到時(shí)差2種數(shù)據(jù)[6]。由此，可以進(jìn)一步得到震源區(qū)內(nèi)部和外部更加細(xì)致的速度結(jié)構(gòu)和震源位置。雙差層析成像方法具體原理可見文獻(xiàn)[3，7]，本文不再贅述。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

本文收集整理了2008-10～2020-04由中國地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的遼寧海城-岫巖地區(qū)(39°～42° N，121°～124° E)近震震相觀測(cè)報(bào)告，根據(jù)走時(shí)-震中距關(guān)系情況剔除初始數(shù)據(jù)中離散度較大的走時(shí)信息，得到滿足條件的地震事件5 028個(gè)。對(duì)震相報(bào)告進(jìn)行預(yù)處理，刪除大于5倍均方差的地震震相資料，得到走時(shí)-震中距關(guān)系如圖2所示。在提取相對(duì)走時(shí)和絕對(duì)走時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，具體設(shè)置參數(shù)如下：地震對(duì)之間的最大距離為maxdist=10 km，每個(gè)地震的最大鄰居數(shù)為maxngh=10，每個(gè)地震事件所需要的震相數(shù)最小值為minobs=8、最大值為maxobs=50，地震對(duì)到臺(tái)站之間的最大距離為maxdist=400 km。

圖2 走時(shí)-震源距曲線Fig.2 Travel time and focus distance curve

2.2 初始模型選擇

根據(jù)海城-岫巖地區(qū)小震與地震臺(tái)網(wǎng)分布及地震射線覆蓋情況，對(duì)研究區(qū)水平方向以0.2°×0.2°網(wǎng)格進(jìn)行劃分，深度方向速度切片分為9層，共設(shè)置反演網(wǎng)格個(gè)數(shù)為16×15×9，如圖3所示。由該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的劃分可見，海城-岫巖地區(qū)的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)密集，因此得到的成像結(jié)果足以詳細(xì)刻畫該地區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)分布特征。本文在如何選取適當(dāng)?shù)囊痪S速度模型方面，查閱了該地區(qū)已有的研究資料，并經(jīng)過多次嘗試，最終選取盧造勛等[8]的初始速度模型，如圖4所示，其中為了有效減少空震(深度<0 km)現(xiàn)象，最上層選取-10 km，速度設(shè)置為0.3 km/s。

圖3 研究區(qū)二維射線路徑Fig.3 Two-dimensional ray path in the study area

圖4 初始速度模型Fig.4 Initial velocity model

2.3 正則化參數(shù)選取

雙差層析成像方法采用最小二乘QR分解(least square QR factorization，LSQR)算法，其中平滑權(quán)重因子和阻尼因子的選擇對(duì)于反演結(jié)果的穩(wěn)定性有較大影響，因此在反演之前必須對(duì)兩者進(jìn)行權(quán)衡分析[7,9-10]。平滑權(quán)重因子在反演過程中用來約束慢度的變化量，因此選擇慢度變化量的2范數(shù)與走時(shí)殘差的2范數(shù)對(duì)平滑權(quán)重因子進(jìn)行權(quán)衡分析；而阻尼因子同時(shí)約束了震中位置和慢度的變化量，因此選擇震源位置和慢度變化量的2范數(shù)進(jìn)行權(quán)衡分析[11]。本文通過L曲線法[12]選擇最佳平滑因子10和阻尼因子150作為反演過程中的控制參數(shù)(圖5)。

圖5 平滑因子和阻尼因子均衡曲線Fig.5 Smoothing factor and damping factorequilibrium curve

2.4 檢測(cè)板測(cè)試

為檢驗(yàn)在實(shí)際數(shù)據(jù)和網(wǎng)格模型下反演得到的速度結(jié)構(gòu)的可靠性及空間分辨能力，預(yù)先進(jìn)行棋盤格測(cè)試[13]。檢測(cè)板目標(biāo)模型設(shè)置為相對(duì)初始速度模型，在反演網(wǎng)格點(diǎn)上正負(fù)交錯(cuò)添加±5%的速度擾動(dòng)，若得到的檢測(cè)板結(jié)果呈正負(fù)相間的速度變化，則表示分辨率較高，反演結(jié)果較好[5]。測(cè)試結(jié)果如圖6所示，可以看出，在5～10 km深度地殼橫向分辨率高的地區(qū)主要集中在研究區(qū)中部，成像結(jié)果較為可靠；近地表和中地殼15 km左右的邊緣分辨率不太理想，因此后續(xù)將著重分析中上地殼的研究結(jié)果。

圖6 深度剖面檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果Fig.6 Test results of the depth profile inspection board

3 地殼速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果與分析

對(duì)海城-岫巖地區(qū)地震重新定位，經(jīng)過24次迭代反演，定位走時(shí)殘差由0.507 s降低為0.279 s。從圖7的地震重定位分布結(jié)果看出：1)重新定位后，研究區(qū)內(nèi)地震震中的條帶分布更加明顯，深度也更加集中，主要分布在5～20 km深度范圍內(nèi)；2)小震活動(dòng)集中，其中沿海城河-大洋河斷裂、金州斷裂帶分布最為密集。

圖7 重定位前后地震分布與走時(shí)殘差Fig.7 Earthquake location distribution and traveltime residual before and after relocation

3.1 不同深度地殼介質(zhì)P波速度結(jié)構(gòu)

圖8分別為2 km、5 km、10 km、15 km深度P波速度結(jié)構(gòu)剖面。DWS(distribution of derivative weight sum)參數(shù)可以表征反演節(jié)點(diǎn)周圍平均的相對(duì)射線密度[14]，本文選擇DWS≥100時(shí)的反演結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該范圍內(nèi)的結(jié)果可信度較高[15]?？梢钥闯?，2 km近地表高速區(qū)和低速區(qū)分塊明顯，以海城-營口斷裂和金州斷裂為界，東側(cè)對(duì)應(yīng)遼東地塊，速度偏高，西側(cè)對(duì)應(yīng)遼東灣-下遼河段，速度偏低。研究區(qū)在第三紀(jì)晚期形成下遼河斷陷，第四紀(jì)以來下遼河斷陷持續(xù)下降，覆蓋了大量沉積物，厚度可達(dá)10 km以上。由海城-岫巖地區(qū)2～15 km不同深度的P波速度結(jié)構(gòu)可以看出，遼東地塊普遍呈現(xiàn)高速結(jié)構(gòu)，P波速度在下遼河斷陷地區(qū)表現(xiàn)的淺層特征為低速，在遼東地塊隆起地區(qū)表現(xiàn)為高速。2 km剖面顯示，下遼河斷陷地區(qū)為低速異常區(qū)，地震多發(fā)于高速區(qū)與低速區(qū)的過渡區(qū)內(nèi)。海城-岫巖地區(qū)5～10 km深度的速度結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，上地殼存在明顯的橫向不均勻性。其中，海城-營口斷裂和金州斷裂兩側(cè)的速度結(jié)構(gòu)存在差異，東南側(cè)明顯高于西北側(cè)，南端具有明顯的高速區(qū)，蓋州地區(qū)地震多分布于低速區(qū)與高速區(qū)過渡帶內(nèi)。大洋河斷裂及其鄰區(qū)呈現(xiàn)高速狀態(tài)，海城-岫巖地區(qū)地震多發(fā)生于大洋河斷裂西北端的低速區(qū)和高速-低速區(qū)過渡帶內(nèi)，而且大洋河斷裂東南端明顯存在高速區(qū)，這可能也解釋了海城-岫巖地區(qū)地震向西北方向延展，而不向東南方向展布的特征[1]。15 km左右深度發(fā)生的地震較少，且地震活動(dòng)主要集中在低速區(qū)，海城-岫巖地震活動(dòng)區(qū)存在明顯低速層，這與以往研究認(rèn)為該區(qū)中地殼存在低速高導(dǎo)層的結(jié)論相對(duì)應(yīng)[8]。

圖8 海城-岫巖地區(qū)不同深度P波速度結(jié)構(gòu)Fig.8 P-wave velocity at different depths in Haicheng-Xiuyan area

3.2 垂向P波速度剖面結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步揭示海城-岫巖地區(qū)地下介質(zhì)P波垂向速度變化特征，分別沿3個(gè)方向得到3個(gè)剖面(圖9)，其中AA′剖面沿北緯40.5°方向穿過震源區(qū)，BB′剖面沿東經(jīng)122.5°穿過震源區(qū)，CC′剖面沿海城-營口斷裂和金州斷裂走向展布。從AA′深度-速度剖面可以看出，海城-營口斷裂東西兩側(cè)速度結(jié)構(gòu)具有明顯的差異性，東側(cè)高于西側(cè)，且西側(cè)的下遼河斷陷低速區(qū)一直延伸至地下15 km左右[2]。海城-岫巖地區(qū)地下5～15 km存在明顯低速區(qū)，大量地震發(fā)生在低速層內(nèi)。從BB′剖面可以看出，蓋州震區(qū)和海城震區(qū)之間存在明顯的高速區(qū)，蓋州震群深度分布范圍(0～8 km)小于海城-岫巖震區(qū)地震(0～16 km)。

圖9 海城-岫巖地區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)剖面分析Fig.9 Analysis of P-wave velocity structure profile in Haicheng-Xiuyan area

4 結(jié) 語

本文利用雙差層析成像方法對(duì)2008-10～2020-04海城-岫巖地區(qū)5 028個(gè)地震的震源位置和速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)合反演，結(jié)合該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造背景，得到如下結(jié)論：

1) 地震重新定位后，震中明顯呈條帶狀集中分布在海城河-大洋河斷裂帶中段，東、西兩端地震較少；震中位置呈北西向展布，與該斷裂帶的走向一致；地震定位走時(shí)殘差由0.507 s降低到0.279 s，地震定位精度得到明顯改善。

2) P波速度隨深度的增加而增大，海城-岫巖地區(qū)速度結(jié)構(gòu)具有特殊性，相對(duì)周圍地區(qū)較低。地震主要集中在P波低速區(qū)或高速區(qū)與低速區(qū)交界區(qū)域，與該區(qū)中地殼存在的低速高導(dǎo)層相對(duì)應(yīng)，且研究區(qū)兩端具有高速區(qū)，這也解釋了為何海城-岫巖地區(qū)地震活動(dòng)沒有向兩端延伸。下遼河斷陷地下介質(zhì)存在低速異常區(qū)，根據(jù)研究可知，下遼河斷陷第四紀(jì)以來持續(xù)下降，該地區(qū)覆蓋大量沉積物，厚度達(dá)10 km以上。

3) 3條深度剖面結(jié)果顯示，海城地區(qū)金州斷裂地下5～15 km處存在明顯低速層，這些低速高導(dǎo)層可能與其中充滿的流體有關(guān)。本文認(rèn)為海城地區(qū)地震頻發(fā)主要是由斷裂活動(dòng)和低速區(qū)(即地下流體)共同作用引起的。