利用密集臺陣背景噪聲研究通州—三河地區(qū)高分辨率三維S波速度結構

徐微，丁志峰,2*，吳萍萍，魯來玉,2，秦彤威，劉獻偉，黃翔，高天揚，劉嘉棟

1 中國地震局地球物理研究所，北京 100081 2 中國地震局震源物理重點實驗室，北京 100081

0 引言

北京及其鄰區(qū)人口稠密，經濟發(fā)達，新生代構造活動強烈，位于我國華北城市群的重點地震監(jiān)測防御區(qū).由圖1展示的1970～2021年發(fā)生在北京平原區(qū)的地震事件（2≤ML≤4.7，共382次）可見，平原區(qū)的中小地震頻發(fā)，2～4級地震分布較均勻，4級以上地震主要分布在斷裂帶周圍，在夏墊斷裂（F1）和二十里長山斷裂（F8）交匯處、順義—良鄉(xiāng)段斷裂（F5）北段分布較密集.此外，歷史上還發(fā)生過多次5級以上的地震，如1679年的三河—平谷8級大地震和1665年的通州61/2級地震，受災嚴重.已有的體波走時成像研究表明，北京平原及其鄰區(qū)的速度結構有強烈的非均勻性，隆起的山區(qū)（如燕山隆起、太行山隆起）表現(xiàn)為高速，凹陷和盆地一般表現(xiàn)為低速，速度分布特征與地表地質構造單元有良好的對應關系，強震區(qū)（如三河—平谷8級地震區(qū)、唐山7.8級地震區(qū)）的深部通常存在強烈的速度變化特征，震源主要位于高低速異常區(qū)的交界帶，偏高速一側（朱露培等，1990；孫若昧和劉福田，1995；Huang and Zhao，2004；黃金莉和趙大鵬，2005；王夫運等，2005；齊誠等，2006；Lei et al.，2008；楊峰等，2010；于湘?zhèn)サ龋?003，2010；）.深地震測深研究顯示，三河—平谷區(qū)內深度約8～22 km時存在向南傾斜的低速構造（嘉世旭等，2005）.電性結構研究顯示，三河—平谷區(qū)由淺至深大致可分為沉積層、高阻基底和殼內高導層等電性層，震源深度（11～13 km）主要位于電性特征變化的范圍內，三河—平谷8級地震的震源區(qū)比鄰區(qū)電性結構復雜（高文學和馬瑾，1993；鄧前輝等，2001）.前人的研究成果為認識北京及其鄰區(qū)的地震活動、殼幔速度結構和深部動力學等提供了大量的重要資料，但是由于其臺站或測點分布相對稀疏，目標區(qū)域尺度較大，在揭示通州—三河地區(qū)物性結構時的分辨率有限.

通州—三河地區(qū)位于北京平原區(qū)的東部，鑒于其重要的經濟地位和特殊的地質構造背景，本文將其作為研究區(qū).研究區(qū)（圖1中的黑色框）現(xiàn)今被較厚的第四紀松散沉積物覆蓋.城市隱伏活動斷裂突發(fā)錯動產生的大地震和地表位錯，長期緩慢蠕滑造成的次生地質災害（地裂縫、地面塌陷、地面升降不均勻等）威脅城市安全（鄧起東等，2003；梁亞南，2019；趙忠海，2009）.探究通州—三河地區(qū)的隱伏斷裂、隱伏凹陷和隆起的構造格局可為預測和減輕地質災害風險提供參考.

基于環(huán)境噪聲干涉的成像法（地震背景噪聲成像法），不依賴于地震（天然地震或人工震源）發(fā)生的方位和時間，以自然現(xiàn)象或人類活動產生的微動信號為被動源，計算兩個臺站的長時間背景噪聲互相關函數(shù)并疊加，提取臺站間的經驗格林函數(shù)，從而獲得面波頻散信息以進行速度結構成像（Shapiro and Campillo，2004；Shapiro et al.，2005；Sabra et al.，2005）.該方法成本低、施工便捷、破壞性小、抗干擾能力強，被廣泛應用于礦產資源探測（俞貴平等，2020；黃宇奇等，2021），殼幔速度結構研究（鄭現(xiàn)等，2012；徐小明等，2015）和火山活動研究（王武和陳棋福，2017；范興利等，2020）等領域.傳統(tǒng)噪聲成像方法（兩步反演法）先對路徑頻散數(shù)據反演獲得不同周期的二維面波群/相速度，再對地表網格頻散數(shù)據進行一維反演，構建區(qū)域三維S波速度結構.隨著便攜式地震儀的發(fā)展，密集臺陣數(shù)據有效地應用于小區(qū)域高精度速度結構研究.兩步反演法處理技術成熟，結果穩(wěn)定，也適用于計算密集臺陣噪聲數(shù)據（王爽等，2018；Jia and Clayton，2021）.近年來，密集臺陣背景噪聲成像法還被廣泛應用于城市地區(qū)的精細速度結構研究（Liu et al.，2014；Li et al.，2016；李玲利等，2020）.

中國地震局地球物理勘探中心于2019年在通州—三河地區(qū)布設了914個流動臺站組成的密集地震臺陣.利用這些記錄數(shù)據，本文采用密集臺陣背景噪聲成像法構建該區(qū)的三維精細S波速度結構，探討速度異常分布特征與夏墊斷裂、南苑—通州斷裂、南口—孫河斷裂和李橋斷裂的關系，獲取大興隆起、俸伯凹陷和大廠凹陷的沉積蓋層厚度和結晶基底埋深，研究結果可為城市地區(qū)的防震減災和規(guī)劃建設等提供重要基礎.

1 區(qū)域構造背景

北京平原區(qū)（圖1）的西部為太行山隆起，北部為燕山隆起，東部和南部為華北斷陷盆地.平原中的NE向和NW向兩組主要斷裂相互交叉形成網格狀斷裂格局，NE向斷裂活動趨勢突出，NW向斷裂切割和改造了NE向斷裂（彭一民等，1981；Ran，2001；Wang et al.，2017）.古近紀時，北京地區(qū)以黃莊—高麗營斷裂（F6）和南苑—通州斷裂（F2）為界，形成“二隆一凹”（京西隆起、北京凹陷、大興隆起）的構造格局（汪良謀等，1990）.新近紀時，“二隆一凹”構造格局解體，北京沖積平原初步形成（張磊等，2017a）.第四紀時，南口—孫河（F3）等NW向斷裂活動強烈，使京西隆起和北京凹陷發(fā)生重大分異，形成沙河凹陷和順義凹陷等地質單元（黃秀銘等，1991；焦青和邱澤華，2006；鄧梅，2018）.第四紀新構造活動具有繼承性和新生性，形成了馬池口凹陷、后沙峪凹陷、俸伯凹陷、大廠凹陷和平谷凹陷五個新沉積中心，其中俸伯凹陷和后沙峪凹陷是因為順義斷裂在早更新世活動強烈，由順義凹陷解體形成（張磊等，2016；何付兵，2019）.

本文研究區(qū)中自西向東主要有俸伯凹陷、NE向南苑—通州斷裂（F2）、大興隆起、NE向夏墊斷裂（F1）和大廠凹陷，還有NW向的南口—孫河斷裂（F3）和李橋斷裂（F4）.南苑—通州斷裂為晚更新世中期活動正斷裂，傾向NW，上部傾角為57～60°，錯斷了結晶基底（劉保金等，2009a，2009b；何付兵，2019）.南苑—通州斷裂以南口—孫河斷裂為界分為北段和南段，本文研究區(qū)中為其北段.

夏墊斷裂為全新世強活動正斷裂，兼有右旋走滑性質，傾向SE，傾角為70～80°，發(fā)震危險性最大，為超殼深斷裂（何付兵等，2013；馬志霞等，2018；雷曉東等，2021）.該斷裂是大興隆起和大廠凹陷的邊界斷裂，其深淺共存的構造體系有利于地震的孕育和發(fā)生（張先康等，2002；趙金仁等，2004；萬永魁等，2014）.三河—平谷8級地震是該斷裂最強的一次地表破裂型地震事件，地表破裂帶長約10 km，形成了斷裂陡坎和低洼負地形等地貌特征（冉勇康等，1997）.

南口—孫河斷裂為正斷裂，兼有左旋走滑分量，是北京地區(qū)規(guī)模最大的一條NW向斷裂，可能一直向下延伸至11 km甚至更深的中地殼，其北西段（南口至北七家）傾向SW，南東段（北七家至孫河）傾向NE，傾角約67°，活動時期為晚更新世早期-中更新世晚期，北西段和南東段相反的傾向體現(xiàn)了該斷裂的張扭性力學性質（彭一民等，1981；李娟，2003；張磊等，2014，2017b；白凌燕等，2018；何付兵，2019；張曉亮等，2020）.本文研究區(qū)中是南口—孫河斷裂南東段的延伸段（也被稱為“張家灣斷裂”），與南苑—通州斷裂相交，共同影響了俸伯凹陷和大興隆起的沉積.李橋斷裂走向NW，東南處與夏墊斷裂相交，是一條小斷裂.

圖2 研究區(qū)地震臺站分布圖兩個紅色三角形分別表示1137臺站和6145臺站，F(xiàn)1：夏墊斷裂，F(xiàn)2：南苑—通州斷裂（F21和F22是支斷裂），F(xiàn)3：南口—孫河斷裂，F(xiàn)4：李橋斷裂.Fig.2 The locations of seismic stations in study areaThe two red triangles represent the stations of 1137 and 6145.The brown lines represent the faults.The black lines represent the boundary of the provinces.F1:Xiadian fault,F2:Nanyuan-Tongxian fault （F21 and F22 are the branch faults）,F3:Nankou-Sunhe fault,F4:Liqiao fault.

2 數(shù)據與方法

2.1 臺陣布設

圖2展示了本文研究區(qū)（39.818°N—40.034°N，116.610°E—117.057°E）的短周期密集流動地震臺陣分布.臺陣西部為通州區(qū)（北京城市副中心），東至河北省三河市，北鄰順義區(qū)北務鎮(zhèn)，南至河北省大廠回族自治縣.臺陣面積約為38 km×24 km，平均臺間距約為1 km（夏墊斷裂（F1）上的4條密集測線除外），平均高程20.33 m.臺陣由454個CDS-E20和460個EPS-2三分量短周期地震儀組成，儀器頻帶范圍分別為0.05～200 Hz和0.2～200 Hz.臺陣的914個臺站同步觀測時間為2019年11月20日至2020年1月3日，共45天，其中890個臺站的連續(xù)觀測時間都達到40天以上，其余24個臺站的連續(xù)觀測時間為24～39天.

2.2 數(shù)據處理

本文背景噪聲數(shù)據的處理流程主要包含單臺數(shù)據預處理、互相關計算和疊加、頻散曲線提取步驟，以下簡要介紹每個步驟的處理過程.

第一步，單臺數(shù)據預處理.參考Bensen等（2007）的數(shù)據預處理流程，對各個臺站每小時的切向分量（T分量）的連續(xù)波形數(shù)據進行降采樣（20 Hz）、去均值、去線性趨勢、one-bit時間域歸一化、頻譜白化、帶通濾波（2～8 s）.

第二步，互相關計算和疊加.相位加權疊加相比于線性疊加能極大提高疊加波形的信噪比，本文基于Ventosa等（2017）提出的時間尺度相位加權疊加法（Time-scale phase-weighted stack，ts-PWS），計算預處理后數(shù)據的臺站對互相關波形，最大互相關時間延遲為409.6 s，共獲得417241個臺站對的噪聲經驗格林函數(shù).圖3為按照不同震中距隨機挑選出的900條示例互相關波形，可見正負半軸均有明顯的信號且不對稱，說明研究區(qū)噪聲源分布不均勻.

圖3 2～8 s周期段的部分臺站對T分量互相關波形圖紅色和藍色虛線分別表示群速度為1 km·s-1和 3 km·s-1的時距線.Fig.3 Part of interstation cross-correlation functions of T component in the period of 2～8 sThered dashed line represents the group velocity of 1 km·s-1 and the blue dashed line represents the group velocity of 3 km·s-1.

第三步，頻散曲線提取.反演勒夫波的頻散數(shù)據可以獲得SH波速度結構，同周期的勒夫波敏感深度比瑞利波淺，更能提供淺部構造信息（房立華等，2013；付媛媛和高原，2016）.而且基階面波能量強、信號穩(wěn)定，因此本文使用T分量用于提取基階勒夫波頻散曲線.先挑選出信噪比大于70的互相關函數(shù)，取群速度介于1～3.5 km·s-1的波形窗口作為信號窗（圖4a的紅色線區(qū)間），信號窗后100 s的窗口作為噪聲窗（圖4a的藍色線區(qū)間），信噪比定義為信號窗內波形的波包最大振幅值除以噪聲窗內波形振幅的平均絕對值.對互相關函數(shù)正負半軸的信號進行對稱化處理，以減弱噪聲源不均勻帶來的影響.再基于多時窗的時頻濾波方法（Dziewonski et al.，1969；Levshin et al.，1992；Yao et al.，2006，2011）提取2～8 s基階勒夫波群速度頻散曲線.圖4為1137-6145臺站對提取頻散曲線的示例圖，臺站位置如圖2的紅色三角形所示.由圖4a可見此臺站對的面波信號到時約為15～20 s，根據臺間距（31 km）估算出面波群速度為1.5～2 km·s-1，與圖4b展示的頻散曲線（黃色線）的數(shù)值相符合.保留臺間距大于1.5倍波長和數(shù)據長度大于1.5 s的頻散曲線，經過信噪比控制，最終篩選出52470條頻散曲線用于反演計算.由于頻散曲線數(shù)量較多，為了清晰地顯示研究區(qū)頻散曲線的趨勢特征，圖5展示了1200條頻散曲線，可見群速度值隨著周期的增加而增加，在1～3 km·s-1都有分布，體現(xiàn)了面波的頻散特性.

圖4 1137-6145臺站對頻散曲線測量示意圖（a） 該臺站對互相關函數(shù)的正分支圖，紅線區(qū)間為信號窗，藍線區(qū)間為噪聲窗；（b） 多重濾波后的時頻能量分布圖，黃色曲線為提取的頻散曲線.Fig.4 Example of dispersion measurement of the station pair 1137-6145（a） Positive segment of cross-correlation function obtained by station pair 1137-6145.The red line represents the signal window and the blue line represents the noise window;（b） Time-period energy distribution diagram after multiple filtering analysis. The yellow line represents the obtained dispersion curve.

圖5 部分基階勒夫波群速度頻散曲線圖Fig.5 Part of fundamental Love wave group velocity dispersions

2.3 反演方法

本文使用快速行進面波層析成像方法（Fast Marching Surface Tomography，F(xiàn)MST）（Rawlinson and Sambridge，2003，2005）進行二維面波群速度反演.該方法基于有限差分法正演地震波走時場，通過求解臺站到虛源的走時梯度，獲取兩點之間的最短走時路徑，該方法考慮了介質非均勻性對射線路徑的影響，相比傳統(tǒng)射線追蹤方法，更適用于復雜介質的射線追蹤.二維面波群/相速度反演方法是子空間反演法（Subspace Inversion），分別反演不同周期的面波頻散數(shù)據，獲取每個周期的面波速度圖像.再基于CPS3.30軟件（Hermann，2013）的surf96線性反演模塊反演地表每個網格點下方介質的一維S波速度結構，最終構建研究區(qū)深度7.5 km以內的三維S波速度模型.

3 勒夫波群速度反演

3.1 射線路徑覆蓋

圖6（a—g）展示了不同周期（2～8 s）的面波傳播射線密度，由圖可見本文挑選的面波頻散數(shù)據在各個周期都有較密集的射線覆蓋，其中射線數(shù)最多的周期在4 s、5 s、6 s，射線數(shù)最少的周期在8 s.射線密集程度由臺陣中心逐漸向邊緣區(qū)域逐漸減小.俸伯凹陷的射線分布相對較稀疏，大興隆起中部和大廠凹陷西部的射線分布最密集，射線的密集程度會影響成像的分辨率.圖6h為不同周期的頻散數(shù)據統(tǒng)計圖，圖中顯示射線條數(shù)大于30000條的周期有3.5 s、4.0 s、4.5 s、5.0 s和5.5 s，射線條數(shù)介于20000～30000條的周期有3.0 s、6.0 s和6.5 s，射線條數(shù)介于10000～20000條的周期有2.0 s、2.5 s、7.0 s和7.5 s，射線條數(shù)小于10000的周期只有8 s.

3.2 檢測板測試

為了測試頻散數(shù)據對速度結構的分辨能力，本文使用棋盤測試檢驗射線覆蓋對棋盤模型的恢復效果，網格大小取0.02°×0.02°，總共242個（22×11），異常體大小取0.04°×0.04°，背景速度與反演背景速度相同，加入±0.15 km·s-1的速度擾動.圖7為不同深度的棋盤測試恢復結果，可見在2～7 s周期段內大部分區(qū)域能較好地恢復棋盤模型，8 s周期時由于射線分布稀疏，恢復效果較差，分辨能力低，因此后續(xù)計算使用2～7 s周期段的頻散數(shù)據.圖7還顯示俸伯凹陷的恢復效果相對于大興隆起和大廠凹陷差，與射線分布的疏密程度相符合.

圖8a展示了周期為5s時頻散數(shù)據的迭代擬合差的變化，可見走時殘差的均方根值（RMS）隨迭代次數(shù)的增加而逐漸降低，經過13次反演迭代后，最終收斂于1.45 s左右.圖8b是同周期頻散數(shù)據的走時殘差統(tǒng)計直方圖，可見反演后的走時殘差（紅色）相對于初始模型（灰色）有明顯收斂，主要集中在±1 s左右，走時殘差平均值由2.19 s降至1.15 s（圖8b），說明反演結果能較好地擬合觀測數(shù)據.

3.3 結果

圖9展示了不同周期（2～7 s）群速度的水平分布，可見群速度隨周期的增加而增加，速度異常區(qū)的位置及形狀在不同周期處具有相似性.在大興隆起上，存在NE向和EW向的兩個高速異常條帶，兩條帶的相交區(qū)位于南口—孫河斷裂（F3）的西南側，呈現(xiàn)出近似“C”字的形狀.在所有周期段，大興隆起的中部均存在一個明顯的低速區(qū)，俸伯凹陷和大廠凹陷主要表現(xiàn)為低速異常.

圖6 不同周期射線密度分布和頻散數(shù)目統(tǒng)計圖（a—g） 分別對應2.0 s、3.0 s、4.0 s、5.0 s、6.0 s、7.0 s和8.0 s周期的射線密度分布圖像，F(xiàn)1：夏墊斷裂，F(xiàn)2：南苑—通州斷裂（F21和F22是支斷裂），F(xiàn)3：南口—孫河斷裂，F(xiàn)4：李橋斷裂;（h） 為2～8 s周期段的統(tǒng)計直方圖.Fig.6 Ray path coverage tomography and the number of dispersion data at different period（a—g） Ray path coverage at the period of 2.0 s、3.0 s、4.0 s、5.0 s、6.0 s、7.0 s and 8.0 s,respectively.F1:Xiadian fault,F2:Nanyuan-Tongxian fault （F21 and F22 are the branch faults）,F3:Nankou-Sunhe fault,F4:Liqiao fault;（h） Statistical histogram in the period of 2～8 s.

圖7 不同周期檢測板測試恢復圖（a） 真實模型;（b—h） 分別對應2.0 s、3.0 s、4.0 s、5.0 s、6.0 s、7.0 s和8.0 s周期的棋盤測試恢復結果，F(xiàn)1：夏墊斷裂，F(xiàn)2：南苑—通州斷裂（F21和F22是支斷裂），F(xiàn)3：南口—孫河斷裂，F(xiàn)4：李橋斷裂.Fig.7 The checkboard test results at different periods（a） True model,（b—h）Checkboard test results at the period of 2.0 s、3.0 s、4.0 s、5.0 s、6.0 s、7.0 s and 8.0 s,respectively.F1:Xiadian fault,F2:Nanyuan-Tongxian fault （F21 and F22 are the branch faults）,F3:Nankou-Sunhe fault,F4:Liqiao fault.

圖8 走時殘差在反演前后的變化（a） 走時殘差的RMS值隨迭代次數(shù)的變化圖；（b） 走時殘差在反演前后的分布和均值的變化圖，灰色柱狀圖表示初始模型，紅色柱狀圖表示最終模型.Fig.8 Variation of travel time residuals before and after inversion（a） Variation of the RMS of travel-time residuals with the iteration number;（b） Histograms of travel-time residuals and mean value before inversion and after iterations.The gray bar represents initial model.The red bar represents final model.

圖9 不同周期群速度分布圖（a—f） 分別對應2.0 s、3.0 s、4.0 s、5.0 s、6.0 s和7.0 s周期的群速度圖像，F(xiàn)1：夏墊斷裂，F(xiàn)2：南苑—通州斷裂（F21和F22是支斷裂），F(xiàn)3：南口—孫河斷裂，F(xiàn)4：李橋斷裂.Fig.9 The group velocity distribution at different periods（a—f） Group velocity distribution at the period of 2.0 s、3.0 s、4.0 s、5.0 s、6.0 s and 7.0 s,respectively.F1:Xiadian fault,F2:Nanyuan-Tongxian fault （F21 and F22 are the branch faults）,F3:Nankou-Sunhe fault,F4:Liqiao fault.

圖10 大興隆起和大廠凹陷中頻散值的對比圖（a） 大興隆起和大廠凹陷中的部分射線分布圖，棕色直線表示大興隆起中的射線，灰色直線表示大廠凹陷中的直線，F(xiàn)1：夏墊斷裂，F(xiàn)2：南苑—通州斷裂（F21和F22是支斷裂），F(xiàn)3：南口—孫河斷裂，F(xiàn)4：李橋斷裂；（b） 大興隆起和大廠凹陷中的部分頻散曲線圖，棕色曲線表示大興隆起中的頻散曲線，灰色曲線表示大廠凹陷中的頻散曲線.Fig.10 Comparison of the dispersion values of Daxing uplift and Dachang depression（a） Part of rays in Daxing uplift and Dachang depression.The brown straight lines represent the rays in Daxing uplift.The gray straight lines represent the rays in Dachang depression.F1:Xiadian fault,F2:Nanyuan-Tongxian fault （F21 and F22 are the branch faults）,F3:Nankou-Sunhe fault,F4:Liqiao fault;（b） Part of dispersion curves in Daxing uplift and Dachang depression.The brown dispersion curves are from Daxing uplift.The gray dispersion curves are from Dachang depression.

圖11 （a）初始模型（黑色線）和所有格點的最終模型（灰色線）對比圖；（b） 平均頻散觀測數(shù)據（黑色圓圈）與反演模型預測的頻散曲線（紅色線）擬合圖；（c） 初始模型反映的群速度對S波速度的深度敏感核曲線圖Fig.11 （a） Comparison of initial model （black line） and all final inversion models （gray lines） that from every grid;（b） Fitting of the average dispersion data （black open circle） and the forward dispersion curve of the final model （red line）;（c） Depth sensitivity kernels to shear wave velocities for group velocities of initial model

圖12 不同深度S波速度分布圖（a—f） 分別對應1.5 km、2.5 km、3.5 km、4.5 km、5.5 km和7.5 km深度的S波速度圖像，（f）中藍色直線表示垂直剖面的位置，黑色圓點表示鎮(zhèn)的位置，F(xiàn)1：夏墊斷裂，F(xiàn)2：南苑—通州斷裂（F21和F22是支斷裂），F(xiàn)3：南口—孫河斷裂，F(xiàn)4：李橋斷裂.Fig.12 The shear wave velocity distribution at different depths（a—f） Shear wave velocity distribution at the depth of 1.5 km、2.5 km、3.5 km、4.5 km、5.5 km and 7.5 km,respectively.The blue straight line in （f） represents the profiles′ locations,the black filled circles in （f） represent the town′s locations.F1:Xiadian fault,F2:Nanyuan-Tongxian fault （F21 and F22 are the branch faults）,F3:Nankou-Sunhe fault,F4:Liqiao fault.

圖13 不同方位S波速度垂直剖面圖（a—c） 分別對應AA′剖面、BB′剖面和CC′剖面的S波速度結構，剖面位置見圖12f，黑色虛線表示斷裂，棕色豎線表示隆起和凹陷的分界帶，箭頭表示斷層上盤的滑動方向，F(xiàn)1：夏墊斷裂，F(xiàn)4：李橋斷裂.Fig.13 Vertical profiles of shear wave in different directions（a—c） Shear wave along the AA′、BB′ and CC′ vertical profiles,respectively.The locations of profiles showed in Fig.12f.The black dashed lines represent the faults.The brown vertical lines represent the boundary of the uplift and the depression.The arrows represent the sliding direction of fault.F1:Xiadian fault,F4:Liqiao fault.

圖14 （a）DD′剖面附近的重力異常曲線圖（修改自：雷曉東等，2021）；（b） DD′剖面附近的地層結構圖（修改自：雷曉東等，2021），藍色虛線表示斷裂，F(xiàn)1：夏墊斷裂，F(xiàn)2：南苑—通州斷裂；（c） DD′剖面的S波速度垂直剖面圖Fig.14 （a）Gravity anomaly curve nearby the DD′ profile （Modified from:LEI Xiaodong et al.,2021）;（b） Strata structure nearby the DD′ profile （Modified from:LEI Xiaodong et al.,2021）.The blue dashed lines representthe faults.F1:Xiadian fault,F2:Nanyuan-Tongxian fault （F21 and F22 are the branch faults）;（c） Shear wave along the DD′ vertical profile

不同周期的局部速度異常也存在差異性.2～5 s周期段的NE向高速體表現(xiàn)為串珠狀，存在高低速異常以南口—孫河斷裂為界，相鄰分布的現(xiàn)象，大廠凹陷中存在小尺度高速異常體.在6～7 s周期段，NE向串珠狀高速帶和EW向高速帶逐漸融合、擴展，呈現(xiàn)出大面積高速異常區(qū)，隆起和凹陷的高低速分區(qū)特征更加明顯，大廠凹陷中的小尺度高速異常體逐漸消失.

為了進一步檢驗反演結果的可靠性，本文在大興隆起和大廠凹陷分別選取部分臺站對的頻散曲線進行對比（圖10）.如圖10a所示，大興隆起中的射線（棕色直線）整體沿SN向穿過其高速區(qū)，大廠凹陷中的射線（灰色直線）也整體沿SN向穿過其低速區(qū)，臺間距與大興隆起中的臺間距相近.圖10b顯示大興隆起中的頻散值（棕色曲線）明顯大于大廠凹陷中的頻散值（灰色曲線），與反演結果（圖9）反映的群速度差異性相符合.

4 S波速度反演

4.1 初始模型

選擇合理的初始模型是獲取穩(wěn)定可靠的反演結果的重要一步，經過多種初始模型測試，本文最終選擇由平均網格頻散數(shù)據反演得到的一維S波速度模型作為初始模型（圖11a中的黑線）.圖11b為反演平均網格頻散數(shù)據的擬合圖，黑色圓圈為平均網格頻散數(shù)據，紅色線為反演后理論模型正演的頻散曲線，可見理論模型正演的頻散曲線與實測數(shù)據能較好地擬合，說明得到的初始模型適用于研究區(qū)，最后用該初始模型反演得到所有格點上的一維模型（圖11a中的灰色線）.

4.2 深度敏感核計算

圖11c展示了初始模型在不同周期（2～7 s）的深度敏感核函數(shù)，可見不同周期的敏感核函數(shù)峰值在3 km以內，3～8 km深度范圍內的核函數(shù)在各個周期也有敏感性.隨著深度增加，敏感核函數(shù)的值趨于零，說明本文采用的頻散數(shù)據可以有效地約束深度7.5 km以內的速度結構.因此下文在構建三維速度模型中主要關注深度7.5 km以內的物性特征.

4.3 結果

圖12展示了不同深度（1.5～7.5 km）的S波速度水平分布，可見S波速度的分布形態(tài)與群速度（圖9）有相似性.整體上看，高速區(qū)主要分布在大興隆起中，也呈現(xiàn)出“C”字狀形態(tài).俸伯凹陷和大廠凹陷由淺至深主要表現(xiàn)為低速特征.大廠凹陷在局部區(qū)域也存在小尺度高速異常體.南苑—通州斷裂（F2）附近的高速體展布方向近似為NE向，南口—孫河斷裂（F3）附近的高速體展布方向近似為NW向.南苑—通州斷裂是俸伯凹陷低速區(qū)和大興隆起高速區(qū)的分界帶，李橋斷裂（F4）也是西高東低速度異常的分界帶.夏墊斷裂帶（F1）上存在明顯的速度非均勻性.

在1.5～3.5 km深度范圍內，大興隆起中的高速異常區(qū)面積較大.當深度大于3.5 km時，高速區(qū)面積縮小，高速特征減弱，大興隆起北端的高速區(qū)逐漸轉變?yōu)榈退佼惓?，南部的NW向高速體主要位于南口—孫河斷裂和李橋斷裂之間.此外，大興隆起中部的低速體在各個周期仍表現(xiàn)明顯，該低速體大致以李橋斷裂為西邊界，橫跨夏墊斷裂，東部延伸至大廠凹陷中，此展布特征尤其在深度為2.5～5.5 km時表現(xiàn)明顯.

為了多方位分析研究區(qū)三維S波速度結構，本文給出了4個垂直剖面圖（圖13和圖14c），剖面位置見圖12f.整體上看，4條剖面圖上速度存在明顯的分層現(xiàn)象，下部的高速層（藍色）上覆蓋了厚度不均勻的低速層（紅色），低速層的厚度最薄小于1 km，最厚可達7 km，凹陷和隆起的形態(tài)反映明顯.

AA′剖面主要位于大興隆起，起于梨園鎮(zhèn)，近垂直穿過李橋斷裂，末端至夏墊鎮(zhèn).圖13a顯示，李橋斷裂剛好位于西高東低速度異常的邊界處，其西側的低速層主要分布在近地表2 km以內，而東側的低速層一直向下延伸至7 km左右.BB′剖面大致平行于夏墊斷裂走向，穿過夏墊鎮(zhèn).圖13b顯示，夏墊斷裂中段的低速層較厚，在夏墊鎮(zhèn)南北兩側延伸至4 km左右.CC′剖面自西向東穿過大興隆起、夏墊鎮(zhèn)和大廠凹陷，DD′剖面由NW至SE向穿過俸伯凹陷、大興隆起和大廠凹陷.圖13c和14c顯示，以夏墊斷裂為界，兩側的低速層厚度差異較大，厚度差值可達5 km，俸伯凹陷在深度大于2 km時的速度低于大興隆起.

5 討論

5.1 斷裂對速度分布的影響

通州—三河地區(qū)是北京及其鄰區(qū)城市發(fā)展的重點區(qū)域之一，研究該區(qū)斷裂的構造特征有助于提高城市地質安全性.北京及其鄰區(qū)的地殼速度結構受深大斷裂和地表主要構造單元影響（張嶺等，2007）.夏墊斷裂（F1）是本文研究中重點關注的斷裂.多種地球物理資料表明該斷裂深部存在明顯的不均勻性，其兩側的電阻率、磁測異常、基巖埋深差異較大，東側的電阻率低于西側，基巖埋深大于西側（石涵靜，2017），該斷裂還是高低重力異常區(qū)的分界帶，大興隆起表現(xiàn)出重力高異常，大廠凹陷表現(xiàn)出重力低異常（姜文亮和張景發(fā)，2012），2 km深度處時夏墊斷裂的東南側存在一片S波速度低速區(qū)（王峻等，2009），初至波層析成像結果顯示該斷裂為高速隆起區(qū)和低速凹陷區(qū)的分界（劉保金等，2011）.本文的成像結果（圖9和圖12）顯示夏墊斷裂是大興隆起高速區(qū)和大廠凹陷低速區(qū)的分界帶，此速度異常分區(qū)特征與上述前人研究結果的分區(qū)特征有一致性.圖13c和圖14c顯示，夏墊斷裂處的高低速分界帶在剖面上表現(xiàn)出以高傾角向下延伸的形態(tài)，與人工地震反射剖面（孟立朋等，2019）刻畫的夏墊斷裂陡傾角性質一致.

南苑—通州斷裂（F2）是高低重力異常區(qū)的分界帶，大興隆起區(qū)表現(xiàn)出重力高異常，北京凹陷表現(xiàn)出重力低異常（姜文亮等，2010），本文的成像結果（圖9和圖12）顯示南苑—通州斷裂是大興隆起高速區(qū)和俸伯凹陷低速區(qū)的分界帶，此速度異常分區(qū)特征與重力異常分區(qū)特征有一致性.圖12顯示的南苑—通州斷裂和南口—孫河斷裂（F3）附近的高速體分別沿NE向和NW向展布，斷裂的存在可能對高速體的展布形態(tài)和方向有一定的影響.圖13a中顯示李橋斷裂（F4）位于高低速區(qū)的分界處，前人對李橋斷裂的研究較少，還需要更多的地球物理資料來探討其構造特征.

總的來說，研究區(qū)介質有強烈的非均勻性，速度異常分布與地表地質構造有相關性.盆地內隱伏凹陷和隆起與隱伏斷裂帶的空間展布密切相關（彭菲等，2020）.

5.2 結晶基底埋深特征

結晶基底將上地殼分為沉積蓋層和上地殼底部兩部分，結晶基底是上地殼中一個主要的物性分界面（劉保金等，2009a，2009b）.劉保金等（2009b）使用深地震反射剖面法探測到大廠凹陷的基底埋深約為7～8 km.趙金仁等（2004）使用深地震反射剖面和寬角反射剖面法探測到通州—平谷一帶基底埋深一般在2.5 km左右.本文的4條垂直剖面圖（圖13和圖14c）均顯示，S波速度大致以2.5～3 km·s-1為界，表現(xiàn)出明顯的分層特征，大興隆起中的紅色低速層厚度約2 km，大廠凹陷中的紅色低速層厚度最深可達7 km左右.結合劉保金等（2009b）和趙金仁等（2004）對結晶基底的研究結果，推測垂直剖面圖（圖13和圖14c）的上部紅色層為沉積蓋層，下部藍色和上部紅色的交界層為結晶基底.

大興隆起的結晶基底埋深在約在2 km以內，可能受到了夏墊斷裂（F1）和南苑—通州斷裂（F2）的共同影響，大廠凹陷的結晶基底埋深約為4～7 km，可能受到了夏墊斷裂的影響，斷裂兩側結晶基底埋深的較大差異，體現(xiàn)了結晶基底埋深狀態(tài)與斷裂的相關性.沿夏墊斷裂帶（圖13b）上的結晶基底起伏較大，說明沿該斷裂帶走向的物性差異較大，結構復雜，可能與三河—平谷8級地震和頻發(fā)的微小地震引起斷裂帶嚴重破碎有關.3條穿過夏墊鎮(zhèn)的剖面（圖13（a—c））顯示其下方的結晶基底埋深約為3 km.

5.3 地層密度對速度分布的影響

結晶基底是新生代、中生代和古生代沉積建造或沉積蓋層的底邊界層（劉保金等，2009a，2009b；滕吉文等，2009，2010）.DD′剖面位置與雷曉東等（2021）的重力和地層研究的剖面（圖14a，b）位置相近，因此根據圖14b的地層結構，認為寒武系及以上的地層為沉積蓋層.

大興隆起由于隆升和剝蝕作用，沉積蓋層較薄.圖14b揭示了大興隆起的沉積蓋層由1 km以內的第四系地層（密度為2 g·cm-3）和少量寒武系地層組成，在4～7.5 km深度范圍內，由約4 km厚的較高密度（2.75 g·cm-3）的太古界地層構成.S波速度的變化與地層密度的變化呈現(xiàn)正相關關系（Brocher,2005），所以大興隆起上部的低密度沉積蓋層較薄，下部存在較厚的高密度太古界地層，在相同深度處比大廠凹陷和俸伯凹陷的地層古老和堅硬，因此地層密度較大可能是引起大興隆起表現(xiàn)為高速特征的因素之一.

俸伯凹陷和大廠凹陷由于正斷層的上盤下降，沉積蓋層較厚，與大興隆起的沉積地層不連續(xù).圖14b揭示大廠凹陷的沉積蓋層由厚度為2～4 km的新生界地層（密度2.41 g·cm-3）和厚度為1～2 km的寒武系地層組成，在整個深度范圍內（0～7.5 km）沒有密度較大的太古界地層.俸伯凹陷的沉積蓋層由厚度約為800 m的第四系地層（密度為2 g·cm-3）構成，長城系地層在俸伯凹陷中的埋深相比于比大興隆起中更深.因此較厚的沉積蓋層和較低密度地層的存在，可能與大廠凹陷和俸伯凹陷的低速特征有關.

6 結論

本文基于北京通州—三河地區(qū)的914個密集流動臺站的背景噪聲數(shù)據，采用地震背景噪聲成像方法，獲得深度7.5 km以內的三維精細S波速度結構，取得了以下認識：

（1） 研究區(qū)的S波速度分布有強烈的非均勻性.夏墊斷裂、南苑—通州斷裂和李橋斷裂影響了地質構造單元的S波速度分布，是高低速區(qū)的分界帶.高速區(qū)主要分布于大興隆起上，呈現(xiàn)出“C”字形狀，大廠凹陷和俸伯凹陷主要表現(xiàn)為低速特征.南苑—通州斷裂附近的高速體大致沿NE向展布，南口—孫河斷裂附近的高速體大致沿NW向展布，高速體的展布方向與斷裂的走向有相關性.

（2） 俸伯凹陷和大廠凹陷的低速特征可能與具有較厚的低密度沉積蓋層有關.大興隆起的沉積蓋層相對于俸伯凹陷和大廠凹陷的薄，且大興隆起的沉積蓋層之下是較厚的太古界古老地層.同一深度處地層密度的橫向差異可能與地質構造單元的速度異常有關.

（3） 研究區(qū)結晶基底起伏較大，大興隆起的結晶基底埋深約在2 km以內，大廠凹陷的結晶基底埋深約為4～7 km，斷裂的分布可能影響了結晶基底的埋深.

本文S波速度成像結果的空間分辨率較高，細致地刻畫了研究區(qū)局部速度結構和隱伏斷裂、隆起和凹陷的構造特征，未來的工作將加入高頻和高階面波頻散信息以提供更多的地下結構信息.

致謝感謝中國地震局地球物理勘探中心的野外臺站布設工作.感謝中國地質大學（北京）李紅誼教授給本論文提出的寶貴意見.本論文的互相關疊加使用了時間尺度相位加權疊加的ts-PWS程序（Ventosa et al.,2017），反演計算使用了快速面波行進法的FMST程序（Rawlinson and Sambridge，2003，2005）和CPS3.30軟件（Hermann，2013），畫圖使用了GMT6軟件（Wessel et al.，2019），在此表示感謝.