利用雙差地震成像方法反演遼南地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)

王 亮 焦明若 錢 蕊 張 博 楊士超 邵媛媛

(遼寧省地震局，沈陽 110043)

0 引言

遼寧地區(qū)是中國大陸東部地震活動(dòng)相對活躍的地區(qū)，著名的郯廬斷裂帶貫穿整個(gè)遼寧地區(qū)。在地質(zhì)構(gòu)造方面，遼寧地區(qū)位于中朝地臺(tái)的東北緣地區(qū)(盧造勛等，2002)，由東側(cè)的遼東臺(tái)隆(圖 1 中的區(qū)域Ⅳ，即遼東上升隆起區(qū))、中部的遼河裂谷(圖 1 中的區(qū)域Ⅲ，即下遼河渤海沉降區(qū))和西側(cè)的遼西-燕山臺(tái)褶帶(圖 1 中的區(qū)域Ⅱ，即燕山上升隆起)3個(gè)地質(zhì)單元共同構(gòu)成(趙俊猛等，1998)。EW走向形成了“兩塹夾一壘”的構(gòu)造模式(圖 1)。

圖 1 遼寧地區(qū)活動(dòng)斷裂及地質(zhì)單元分區(qū)圖(據(jù)萬波等，2017重新繪制)Fig. 1 Distribution of active faults and geological units in Liaoning area(adapted from WAN Bo et al.，2017).紅色方框?yàn)檠芯繀^(qū)域

遼南地區(qū)是近年來遼寧主要的地震活動(dòng)集中區(qū)域，其主要地質(zhì)構(gòu)造單元由遼河裂谷和東側(cè)的遼東臺(tái)隆構(gòu)成。遼河裂谷是渤海灣裂谷系的一部分，它的形成可能歸因于渤海灣地區(qū)的郯廬斷裂和地幔上窿的雙重作用(蔡國剛，2010)。地震作為現(xiàn)代構(gòu)造活動(dòng)的重要表現(xiàn)形式，在遼河裂谷的分布很弱，主要的地震活動(dòng)大都集中在遼河裂谷東側(cè)的遼東臺(tái)隆區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較為復(fù)雜，第四紀(jì)期間老斷裂的復(fù)活現(xiàn)象明顯，且有十多條第四紀(jì)斷裂。但從已有的資料來看，僅有NE向的金州斷裂、鴨綠江斷裂、太子河斷裂和NW向的熊岳-莊河斷裂、海城河-大洋河斷裂屬于晚更新世—全新世活動(dòng)斷裂(高常波等，2000)。

1975年海城7.3級(jí)地震就發(fā)生在海城河-大洋河斷裂，1999年斷裂的東側(cè)又發(fā)生了岫巖5.4級(jí)地震。截至目前，該區(qū)的地震活動(dòng)已持續(xù)40多年，是遼南主要的地震活動(dòng)區(qū)域。金州斷裂附近的地震活動(dòng)密集頻繁，且多以震群的形式發(fā)生，特別是2012年以來在金州斷裂的中段與北段之間發(fā)生了持續(xù)8年多的蓋州震群活動(dòng)。如此密集頻繁的地震活動(dòng)與該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造有何相關(guān)性？其地質(zhì)構(gòu)造的演化特征與地震孕震機(jī)理關(guān)系如何？要回答這些問題，有必要對該區(qū)的地下結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究。

地震層析成像是進(jìn)行地下速度結(jié)構(gòu)研究的有效手段。前人在該區(qū)已開展過較多的研究工作，早年的研究成果大多基于人工地震測深和體波成像。閭陽—海城—東溝剖面的人工測深解算結(jié)果顯示，海城西側(cè)的新力—海城東側(cè)的析木在15～20km深度存在低速體(盧造勛等，1989)。體波反演結(jié)果則顯示，中朝地臺(tái)東北緣地區(qū)的淺層成像結(jié)果與該深度處的巖石介質(zhì)特性有一定的相關(guān)性(盧造勛等，2002)，海城地震區(qū)淺層3～9km深度的速度結(jié)構(gòu)較高，而17km深度以下的中下地殼速度較低(李榮安等，1997)。但基于1981—2005年的觀測數(shù)據(jù)得到的雙差地震成像反演結(jié)果則顯示海城區(qū)域0～5km深度的介質(zhì)為低速體，其地下的高速體主要分布在5～15km深度(Zhengetal.，2018)。同時(shí)，基于2008—2013年的觀測資料通過聯(lián)合反演方法給出的結(jié)果卻反映出該區(qū)速度結(jié)構(gòu)的另一種特征(王亮等，2014)?？梢?，近年來該區(qū)反演得到的結(jié)果與早年(2000年前)應(yīng)用人工地震測深和體波成像得到的結(jié)果差異較大，分析其原因可能為以下2點(diǎn)： 1)研究時(shí)段、應(yīng)用的數(shù)據(jù)量、分辨率尺度和剖面劃分位置不同而導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)差異； 2)該區(qū)在應(yīng)力背景下，以10a為尺度統(tǒng)計(jì)該區(qū)的速度結(jié)構(gòu)所得結(jié)果可能會(huì)有所變化。

基于上述研究現(xiàn)狀，目前針對該區(qū)地下介質(zhì)的認(rèn)識(shí)仍存在差異，上文提出的科學(xué)問題也并未完全得到解釋。為獲取研究區(qū)更為詳細(xì)準(zhǔn)確的速度結(jié)構(gòu)，本文利用遼寧地區(qū)長時(shí)間的測震臺(tái)站資料，通過雙差層析成像的方法反演了遼南地區(qū)的速度結(jié)構(gòu)并對該區(qū)的地震進(jìn)行了重新定位，期望基于所得結(jié)果對以上科學(xué)問題進(jìn)行研討。

1 方法與數(shù)據(jù)

1.1 研究方法

圖 2 遼寧地區(qū)的臺(tái)站分布情況Fig. 2 The distribution of seismic stations in Liaoning area.

圖 3 遼寧地區(qū)1975—2017年震相數(shù)據(jù)校正前、后的對比Fig. 3 Fitting curve of travel time and epicenter distance.a “十五”改造前校正前； b “十五”改造前校正后； c “十五”改造后校正前； d “十五”改造后校正后。紅色為P波震相，綠色為S波震相

表 1 一維速度模型Table1 The one dimensional P wave velocity model

1.2 研究范圍與應(yīng)用數(shù)據(jù)

2 雙差層析成像計(jì)算

2.1 一維速度模型選取

2.2 網(wǎng)格劃分及射線分布

圖 4 參與反演的射線分布情況Fig. 4 Ray distribution involved in inversion.空心圓為震中，藍(lán)色三角形為臺(tái)站

圖 6 光滑因子(a)和阻尼參數(shù)(b)的均衡歸一化曲線Fig. 6 The best smoothing factor(a)and damping parameter(b)selected using L-curve method.

2.3 正則化參數(shù)的選取

tomoDD中的光滑因子是約束慢度的變化量，阻尼參數(shù)可同時(shí)約束地震的位置和慢度的變化量，由于阻尼因子及光滑因子的選取對反演結(jié)果的穩(wěn)定性有較大的影響(王小娜等，2015)，本研究對不同的光滑因子和阻尼參數(shù)進(jìn)行了權(quán)衡分析，依據(jù)模型方差和數(shù)據(jù)方差建立均衡曲線并進(jìn)行搜索和歸一化。首先假定阻尼參數(shù)為100，搜索10～2000范圍內(nèi)的光滑因子，發(fā)現(xiàn)當(dāng)光滑因子為25時(shí)，模型方差和數(shù)據(jù)方法的相應(yīng)均衡曲線關(guān)系最佳； 之后以光滑因子25為確定參數(shù)，搜素10～2000范圍內(nèi)的阻尼因子，得到最佳阻尼因子為200。最終設(shè)定光滑因子為25、阻尼因子為200進(jìn)行反演。

圖 7 不同深度的棋盤格檢測板測試結(jié)果Fig. 7 Results of checkerboard test at different depths.

2.4 檢測板測試

圖 8 不同剖面的棋盤格檢測板測試結(jié)果Fig. 8 Results of checkerboard test in different profiles.

3 實(shí)際數(shù)據(jù)反演結(jié)果

3.1 精定位結(jié)果

圖 9 研究區(qū)定位前、后的深度分布圖Fig. 9 Depth distribution before and after relocation in the study area.a 重定位后； b 重定位前

圖 10 研究區(qū)重定位后各方向的誤差Fig. 10 The error in each direction after relocation in the study area.a 緯度方向； b 經(jīng)度方向； c 深度方向

圖 11 研究區(qū)重定位前、后的震中分布Fig. 11 Epicenter distribution before and after relocation in the study area.a 重定位后； b 重定位前

3.2 P波速度結(jié)構(gòu)

基于圖 7 的分辨率測試結(jié)果可知，大部分區(qū)域在4km、13km、24km和33km深度處的P波速度反演結(jié)果較為可靠，同時(shí)我們對分辨率較差的局部區(qū)域進(jìn)行了白化處理(圖 8)。疊加了重定位震中分布的遼南地殼速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果顯示，遼河裂谷區(qū)域4km深度的P波速度呈現(xiàn)低值特征，這與該區(qū)的地表地質(zhì)構(gòu)造分區(qū)(圖 1)較為一致，即全新統(tǒng)第四紀(jì)盆地的遼河裂谷與渤海灣均呈現(xiàn)出低速特征。東側(cè)遼東臺(tái)隆區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其中遼東南的丹東、莊河受燕山期、印支期侵入巖作用，其地下也呈現(xiàn)低速度特征。而屬下元古地質(zhì)構(gòu)造的海城、營口、蓋州區(qū)域則呈現(xiàn)出速度高值。遼河裂谷與遼東臺(tái)隆2個(gè)地質(zhì)單元間存在高、低速間斷面，該間斷面與郯廬斷裂吻合較好。

在13km深度處，渤海灣的低速區(qū)域逐漸縮小，但營口—海城區(qū)域的低速區(qū)域逐漸擴(kuò)大，蓋州地區(qū)的高速體區(qū)域逐漸縮小。在24km的深度處，地下速度結(jié)構(gòu)與4km的速度結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)反向特征，渤海灣及遼河裂谷區(qū)域呈現(xiàn)出速度高值，營口—海城區(qū)域的低速區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，并與南部的蓋州區(qū)域連通； 遼河裂谷地質(zhì)單元呈現(xiàn)P波高速特征，遼東臺(tái)隆地質(zhì)單元主要呈現(xiàn)出P波低速特征，高速與低速的間斷面與郯廬帶的吻合性仍然較好。33km深度的反演結(jié)果顯示遼河裂谷區(qū)域的速度結(jié)構(gòu)值較高，而遼東隆起的區(qū)域速度較低，這主要是由于遼河裂谷遼東灣部分區(qū)域的莫霍面深度為29～32km，而遼東隆起的莫霍面深度約為35km(萬波等，2013)，深度33km已經(jīng)達(dá)到了遼河裂谷部分區(qū)域的上地幔，這與該區(qū)莫霍面的分布構(gòu)造也較為一致(圖 12)。

圖 12 遼南地區(qū)不同深度的P波速度反演結(jié)果Fig. 12 Inversion results of P-wave velocity at different depths in southern Liaoning Province.圖中白色部分為分辨率較差的區(qū)域

為進(jìn)一步研究不同地震活躍區(qū)地下的速度結(jié)構(gòu)模型，對該區(qū)域進(jìn)行了剖面分析(圖 12)。沿海城地震活躍區(qū)的海城河斷裂做剖面AA′，沿蓋州震群的破裂方向做剖面BB′，沿金州斷裂垂直蓋州震群及大洋河斷裂做剖面CC′，并平行CC′對1975年海城7.3級(jí)地震序列和1999年岫巖5.4級(jí)地震序列的不同位置做剖面DD′、EE′和FF′(圖12c)。通過剖面AA′(圖 13)可以發(fā)現(xiàn)，海城主要的地震活動(dòng)區(qū)域淺部4km深度處的速度值較高，這與盧造勛等(2002)通過聯(lián)合反演方法所得的結(jié)論較為一致，其低速體的侵入由西向東呈現(xiàn)不斷深入的特征。同時(shí)，低速體的范圍也控制了地震發(fā)生的范圍，即西側(cè)的震源深度較淺、東側(cè)的震源深度較深。而在東側(cè)岫巖區(qū)域地下存在高速體，阻止了海城、岫巖余震活動(dòng)向E的進(jìn)一步擴(kuò)展。1999年岫巖5.4級(jí)地震就發(fā)生在高、低速體的間斷面上。同時(shí)在岫巖與海城序列中間存在地震活動(dòng)空段，該空段位于高、低速交界的區(qū)域，且下方存在較為顯著的低速體，從孕震模型機(jī)理的角度分析，該速度結(jié)構(gòu)模型具備孕育較大地震的條件。

通過BB′剖面分析發(fā)現(xiàn)蓋州主要震群活動(dòng)的區(qū)域速度結(jié)構(gòu)存在高值，結(jié)合其地震活動(dòng)序列活動(dòng)特征可知，該地區(qū)可能存在顯著的應(yīng)力積累，速度結(jié)構(gòu)高值也可能是地下巖石的孔隙含水飽和率上升所致，史謌等(2003)認(rèn)為在含水飽和率上升到一定程度時(shí)，中—粗粒混合砂巖的速度結(jié)構(gòu)會(huì)明顯上升，同時(shí)根據(jù)蓋州震群應(yīng)力降較岫巖序列應(yīng)力降小1個(gè)數(shù)量級(jí)的計(jì)算結(jié)果(張博等，2019)分析，蓋州震群活動(dòng)可能是在應(yīng)力積累的條件下受到液體侵入而使巖石的含水飽和率上升所致。CC′剖面則反映了金州斷裂蓋縣北—鞍山南段兩側(cè)存在高速體，證明金州斷裂各段的端部存在較強(qiáng)的應(yīng)力積累，是未來震群活動(dòng)與中強(qiáng)地震風(fēng)險(xiǎn)較高的區(qū)域。CC′、DD′、EE′剖面則反映海城河斷裂與速度結(jié)構(gòu)的間斷面分布較為吻合，DD′剖面反映1975年海城7.3級(jí)地震主要余震分布區(qū)域存在共軛破裂特征，證明海城河斷裂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，F(xiàn)F′剖面顯示1999年岫巖5.4級(jí)地震序列發(fā)生在地下高、低速體的過渡區(qū)域。

圖 13 不同剖面的P波速度模型Fig. 13 P-wave velocity model for different profiles.圖中紅星為岫巖5.4級(jí)地震的震中位置

4 結(jié)論

本文利用遼寧地區(qū)34個(gè)區(qū)域地震臺(tái)記錄的1975年8月—2017年12月期間的地震震相觀測報(bào)告，通過雙差地震成像的方法，采用tomoDD軟件對遼南地區(qū)進(jìn)行了小地震精定位及速度結(jié)構(gòu)反演，計(jì)算得到了遼南地區(qū)記錄大部分地震的重新定位結(jié)果和4km、13km、24km、33km幾個(gè)層面上較好的P波速度結(jié)果。重新定位結(jié)果顯示，1975年海城7.3級(jí)地震的余震區(qū)和2012年開始的蓋州震群活動(dòng)區(qū)域作為遼南地區(qū)主要的地震活動(dòng)區(qū)域，其地震活動(dòng)呈明顯的NW向展布特征。

不同深度的網(wǎng)格檢測板結(jié)果顯示，大部分區(qū)域4km、13km、24km和33km深度處的P波速度反演結(jié)果較為可靠。4km深度的P波層析成像結(jié)果則較好地反映了遼南地區(qū)淺部速度結(jié)構(gòu)與地表地質(zhì)構(gòu)造較為一致的特征。郯廬斷裂帶兩側(cè)表現(xiàn)為顯著不同的速度結(jié)構(gòu)模型，高、低速的間斷面與郯廬斷裂帶的分布較為一致，與該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的吻合度較高。海城余震區(qū)所處的海城河斷裂在淺層存在高速體，在4～12km深度存在低速體，且低速體向E的侵入不斷加深。在東側(cè)岫巖區(qū)域地下存在高速體，阻止了海城地震序列在易震區(qū)域向E的進(jìn)一步擴(kuò)展。1999年的岫巖5.4級(jí)地震就發(fā)生在高、低速體的間斷面上。同時(shí)在1975年海城7.3級(jí)地震序列和1999年岫巖5.4級(jí)地震序列間存在地震活動(dòng)的空段，該空段處于高、低速交界的區(qū)域，且該區(qū)域的地下存在較為顯著的低速體，從孕震模型機(jī)理的角度分析，該速度結(jié)構(gòu)模型具備孕育較大地震的條件。

金州斷裂不同分段的端部存在高速體，證明斷裂帶的兩端存在較為明顯的應(yīng)力積累，這可能是引發(fā)蓋州震群的主要原因。同時(shí)，結(jié)合斷裂端部的蓋州震群應(yīng)力降值較小的特征，推測蓋州震群的活動(dòng)可能是在應(yīng)力積累的條件下受到液體侵入而使巖石的含水飽和率上升所致。

致謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張海江教授提供了tomoDD程序； 本文使用GMT軟件進(jìn)行制圖。在此一并表示感謝！