甲烷震源和密集臺陣觀測研究粵港澳大灣區(qū)中心城區(qū)淺部P波三維速度結(jié)構(gòu)

王力偉, 張?jiān)迄i, 王偉濤, 劉世爍, 葉秀薇, 楊微, 徐善輝, 馬曉娜

1 廣東省地震局, 中國地震局地震監(jiān)測與減災(zāi)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510070 2 廣東省地震局, 廣東省地震預(yù)警與重大工程安全診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510070 3 中國地震局地球物理研究所, 北京 100081 4 中國地震局, 震源物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081

0 引言

城市地下空間探測是地球物理學(xué)在我國快速城市化過程中面臨的全新問題.對城市地下空間開展高質(zhì)量的開發(fā)和可持續(xù)利用,需要多學(xué)科的協(xié)同研究,而利用地球物理方法開展城市下方三維結(jié)構(gòu)探查是開展多種研究的基礎(chǔ)(陳颙等,2003;王成善等,2019).

對不同深度的城市地下空間進(jìn)行探測,往往采用不同的地球物理手段,也有不同的精度要求.近地表幾十米到幾百米的探測期望獲得極淺層圍巖和圍土等的特性,可結(jié)合地質(zhì)鉆孔分析獲取城市下方場地土、地層結(jié)構(gòu)、隱伏斷裂、地下水、地下工程和不良地質(zhì)體等的綜合地質(zhì)信息(王栩等,2021;楊文采等,2021).利用經(jīng)典的淺地表地震勘探、鉆孔取樣或測井等方法,可以對幾百米以上的地下淺層精細(xì)結(jié)構(gòu)開展研究.如通過主動(dòng)源反射/折射地震勘探能夠獲取到精細(xì)的P波速度和界面信息(趙斌等,2018),通過主動(dòng)源面波勘探也能得到極淺部的S波速度結(jié)構(gòu)(Xia et al., 2005;夏江海等,2015).利用微重力、高密度磁法和電法等勘探方法,也可得到地下百米以上的高分辨率介質(zhì)結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成信息(袁桂琴等,2011;李學(xué)軍,2011).雖然相關(guān)技術(shù)均可獲得較高精度的探測結(jié)果,但其探測范圍和探測深度往往相對較小.

城市承載體下方幾公里深度內(nèi)的速度結(jié)構(gòu),也是開發(fā)城市地下空間和評估城市災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的重要資料.首先,我國多數(shù)大城市分布于盆地和沖積平原上,城市淺部結(jié)構(gòu),尤其是沉積層對地震波有較強(qiáng)的放大作用(Kawase, 1996;Denolle et al., 2014),構(gòu)建地下三維精細(xì)結(jié)構(gòu)對科學(xué)評估潛在地震的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)具備重要的科學(xué)意義(陳颙等,2003;張振國等,2014).再者,獲取城市下方1～3 km深度和幾百平方公里面積上的三維速度結(jié)構(gòu),對于分析整個(gè)城市承載體的構(gòu)造分區(qū)和斷層系統(tǒng)等也具有重要的實(shí)用意義(Lin et al., 2013;Li et al., 2016).將較大尺度的公里深度三維結(jié)構(gòu)與較小區(qū)域的淺地表結(jié)構(gòu)相結(jié)合,可以構(gòu)建城市下方多尺度三維速度模型,有助于開展強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬和災(zāi)害評估等研究,可以更好地服務(wù)于城市規(guī)劃和重大工程建設(shè)(姚華建, 2020).

實(shí)現(xiàn)公里級深度的探測需要信號傳播較遠(yuǎn)的距離,而在城市這一特殊地區(qū),能量較大的炸藥震源等往往無法使用.近年來,隨著噪聲成像和密集臺陣的發(fā)展,很多研究人員利用背景噪聲成像的方法在城市地區(qū)開展了研究.如Li等(2016)利用17個(gè)臺站的噪聲成像方法研究了合肥市區(qū)35 km2范圍內(nèi),400 m深度以內(nèi)的S波速度.李玲利等(2020)利用更大規(guī)模的臺陣反演了合肥地區(qū)3.6 km深度以內(nèi)的S波速度,并分析了城市隱伏斷裂的空間展布和沉積環(huán)境的演化.梁鋒等(2019)利用噪聲成像分析了濟(jì)南市區(qū)1 km深度以內(nèi)的S波速度和巖體展布.基于背景噪聲的探測方法成本低廉,且方法成熟,但往往只能獲得S波的速度,成像結(jié)果較為平滑,此外噪聲互相關(guān)函數(shù)的提取質(zhì)量也會受到各個(gè)地區(qū)噪聲源分布的影響(王奡等,2017).

相比噪聲中的面波信號,體波走時(shí)信號可更好地反映P波以及地下界面的信息.為實(shí)現(xiàn)對城市地區(qū)較大范圍的探測,近年來我們發(fā)展了甲烷氣爆震源實(shí)現(xiàn)綠色探測(Wang et al., 2019).甲烷氣爆震源將甲烷和氧氣進(jìn)行混合點(diǎn)火產(chǎn)生高壓氣體,將其快速釋放形成定向沖擊可產(chǎn)生地震波.相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物為二氧化碳和水,是一種綠色環(huán)保的新型震源.甲烷震源可以在豎井中激發(fā),對周邊建筑物無損害,適用于在城市地區(qū)開展綠色無損探測.甲烷震源的首次使用是在江西景德鎮(zhèn)朱溪鎢礦區(qū)開展的密集臺陣觀測實(shí)驗(yàn)中(Wang et al., 2019;Zhang et al., 2020).已有的研究表明甲烷震源激發(fā)的信號能量強(qiáng),優(yōu)勢頻率為10～80 Hz,單次激發(fā)的傳播距離可達(dá)10～20 km,具備對地殼淺部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測的能力(Wang et al., 2019;Zhang et al., 2020).目前,甲烷震源已被用于城市地區(qū)淺部(徐善輝等,2021)以及斷裂帶(Shao et al., 2022)的精細(xì)結(jié)構(gòu)探測.利用這種新型的綠色震源,結(jié)合密集臺陣,可以對城市下方幾公里深度內(nèi)的三維P波速度進(jìn)行成像分析.

為了全面構(gòu)建大灣區(qū)地下淺層三維精細(xì)結(jié)構(gòu),評估其斷裂分布和地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn),廣東省地震局聯(lián)合多家單位于2020年12月至2021年1月開展了粵港澳大灣區(qū)密集臺陣探測實(shí)驗(yàn)(I期),布設(shè)了面狀密集臺陣,并開展了甲烷震源激發(fā)實(shí)驗(yàn).本文根據(jù)甲烷震源在各個(gè)臺站記錄的體波到時(shí)信息,利用體波層析成像獲取了大灣區(qū)中心城區(qū)高分辨率的地殼淺層三維P波速度結(jié)構(gòu).

1 粵港澳大灣區(qū)密集臺陣探測實(shí)驗(yàn)介紹

粵港澳大灣區(qū)密集臺陣探測實(shí)驗(yàn)從廣州、佛山和東莞等城市開始,分期逐步觀測.第I期于2020年12月至2021年1月在廣州、佛山和東莞等城市部分地區(qū)開展(圖1),探測區(qū)域長寬分別約60 km,總面積達(dá)3600 km2,臺站觀測由中國地震局地球物理勘探中心、南京大學(xué)、中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司和南方科技大學(xué)四家單位共同承擔(dān)完成.實(shí)驗(yàn)期間共布設(shè)有6172個(gè)流動(dòng)臺站(圖1a),使用SmartSolo 16HR 3C(頻帶寬度5 s～150 Hz)、Zland 3C(頻帶寬度5 s～150 Hz)和EPS-2-M6Q(頻帶寬度5 s～150 Hz)三種短周期地震儀.觀測系統(tǒng)由骨干臺網(wǎng)和基本臺網(wǎng)組成,其中,骨干臺網(wǎng)臺間距約2.25 km,一次覆蓋完成,臺站觀測時(shí)長約25～40天.基本臺網(wǎng)臺間距約0.75 km,從南至北分三次覆蓋完成,臺站觀測時(shí)長約5～25 d.

在密集臺陣布設(shè)期間共開展了63炮甲烷震源激發(fā)實(shí)驗(yàn)(圖1a中紅色圓點(diǎn)),炮間距約7 km.激發(fā)裝置為偉博WB-120-1000型震源,外徑120 mm,長度1000 mm,容積約10.8 L.激發(fā)時(shí)震源置于直徑140 mm的激發(fā)井中,井深8～15 m.注氣時(shí)甲烷與氧氣的體積比為1∶2,注氣壓力為7.5 MPa,震源激發(fā)時(shí),周邊30 km范圍內(nèi)的臺站同步記錄.

2 數(shù)據(jù)處理分析

2.1 甲烷震源震相分布與拾取

為了方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,本文首先將搜集的數(shù)據(jù)整理成了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(張?jiān)迄i等,2017).根據(jù)甲烷震源的激發(fā)時(shí)刻,從數(shù)據(jù)庫中截取得到各激發(fā)點(diǎn)在各臺站對應(yīng)的三分量SAC波形,截取長度為激發(fā)時(shí)刻-5 s～10 s.為了保證震相拾取的準(zhǔn)確性,先在原始波形中進(jìn)行初至P波震相的拾取并利用濾波波形進(jìn)行檢驗(yàn)(圖2).最終63炮甲烷震源共拾取到了16885條震相,其中,單個(gè)臺站拾取的震相最多可達(dá)18條,在整個(gè)研究區(qū)可以形成非常密集的射線覆蓋(圖3).

圖2 甲烷震源激發(fā)波形圖(a) 中紅色圓點(diǎn)和黑色三角形為圖(b)對應(yīng)的甲烷震源激發(fā)位置和當(dāng)時(shí)在正常運(yùn)行的觀測臺站; (b) 中波形為8～40 Hz濾波,紅色圓點(diǎn)為初至P波震相拾取位置.Fig.2 Waveform excited by the methane sources The red dot and black triangles in (a) are the location of the methane source and observation stations corresponding to (b). The waveform in (b) is bandpass filtered from 8 to 40 Hz, and the red circles are the manually picked first arrival P-wave phases.

2.2 初始模型選取

在進(jìn)行三維層析成像反演之前,本文首先通過VELEST程序(Kissling et al., 1994)對大灣區(qū)地殼淺層的一維P波速度模型進(jìn)行了反演,該程序已被廣泛應(yīng)用于為三維速度反演構(gòu)建初始模型(Matrullo et al., 2013).

通過設(shè)置0 km深度處不同的速度值和不同的速度梯度,本文共選取了30個(gè)初始一維速度模型(圖4a中灰線)作為VELEST輸入模型.分別經(jīng)過15次迭代后,反演得到的速度模型呈現(xiàn)出相似的分布趨勢(圖4a中黑線),并與王力偉等(2021)利用氣槍震源得到的一維P波速度在淺部具有較為一致的速度值.然后將黑線進(jìn)行平均并再次作為VELEST的輸入模型進(jìn)行反演,最后將反演得到的速度模型進(jìn)行線性化后作為最終的初始一維速度模型(圖4c中綠線),用于simul2000三維層析成像反演的初始模型(Thurber, 1983, 1993;Evans et al., 1994;Thurber and Eberhart-Phillips, 1999;Lin et al., 2014).

在數(shù)學(xué)教學(xué)中教師可以在課堂上組織學(xué)生進(jìn)行數(shù)學(xué)活動(dòng)，提高學(xué)生的積極性，讓學(xué)生在活動(dòng)中提高自主意識，鍛煉學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。因此在教學(xué)中教師需要加強(qiáng)對教學(xué)活動(dòng)的重視，學(xué)生只有通過親身的體會和實(shí)踐，才能夠?qū)崿F(xiàn)對學(xué)生的有效培養(yǎng)，適應(yīng)小學(xué)生的個(gè)性特點(diǎn)，組織學(xué)生主動(dòng)進(jìn)行探索，積極進(jìn)行對學(xué)生的有效培養(yǎng)，推動(dòng)數(shù)學(xué)課堂的教學(xué)發(fā)展。

圖4 利用VELEST程序構(gòu)建初始一維速度模型(a)中黑線為不同輸入模型(包括1、2、和3 km·s-1·km-1三種不同梯度)經(jīng)VELEST反演后得到的速度模型.(b)中藍(lán)線為(a)中黑線的平均模型,紅線為藍(lán)線經(jīng)VELEST反演后得到的速度模型.(c)中綠線為本文三維體波層析成像反演所使用的初始一維速度模型.Fig.4 Selection of the one-dimensional (1D) initial velocity models by the VELEST programBlack lines in (a) are the velocity models inverted from different starting models with three gradients (1, 2, and 3 km·s-1·km-1). The blue line in (b) is the average model from the black lines in (a), and the red line is the velocity model inverted from the blue line by the VELEST program. The green line in (c) is the final 1D initial velocity model for 3D body-wave tomography inversion in the paper.

3 三維速度結(jié)構(gòu)反演

3.1 層析成像反演方法

本文在三維速度反演過程中采用了simul2000程序進(jìn)行成像分析,該程序穩(wěn)定可靠,在火山區(qū)、礦集區(qū)、大震震源區(qū)和斷裂帶等小尺度成像中均有廣泛應(yīng)用(Thurber, 1983, 1993;Lin et al., 2014;Zhang et al., 2020;張?jiān)迄i等,2020).

simul2000走時(shí)反演的主要原理為

(1)

(2)

3.2 網(wǎng)格劃分及參數(shù)優(yōu)化選取

在利用simul2000進(jìn)行三維速度反演時(shí),通過多次測試最終將水平和垂直網(wǎng)格分別設(shè)置為5 km和 0.3 km.此外,因?yàn)檠芯繀^(qū)臺站的最大海拔為海平面以上0.26 km,本文在0.3 km處也設(shè)置了速度層.在反演過程中,由于甲烷震源的發(fā)震時(shí)刻、水平和深度位置都是精確已知的,本文僅反演速度模型.考慮到阻尼參數(shù)優(yōu)化選取在體波層析成像中的重要作用,本文通過試驗(yàn)不同的阻尼值(10～9000),將反演得到的數(shù)據(jù)偏差與模型方差利用L曲線進(jìn)行分析,最終選取200作為P波反演中的最優(yōu)阻尼參數(shù)值(圖5a).利用simul2000經(jīng)過10次迭代反演后已經(jīng)達(dá)到收斂.P波走時(shí)殘差的均方根從0.12 s降為0.05 s.在反演之前,殘差主要分布在-0.2～0.4 s,而P波走時(shí)殘差在反演之后以0 s為中心在-0.2～0.2 s內(nèi)呈現(xiàn)高斯分布(圖5b).

圖5 阻尼參數(shù)優(yōu)化選取和三維體波層析成像反演前后殘差分布Fig.5 Selection of the optimal damping factor (a) and the distribution of travel-time residuals after 3D body-wave tomography inversion (b)

3.3 速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果

反演最終得到的成像結(jié)果如圖6,最顯著的分布特征是不同深度的速度分布在南北向存在顯著差異,高低速度異常主要受瘦狗嶺斷裂(F2)控制(圖6).在0 km,成像結(jié)果的高低速分布特征與研究區(qū)的區(qū)域地形具有很好的一致性.北部和中部斷隆區(qū)呈現(xiàn)高VP,北部、西部、南部和東江斷陷區(qū)則為低VP分布.在0～0.6 km,廣從斷裂(F1)、瘦狗嶺斷裂(F2)、石龍—厚街?jǐn)嗔?F3)和珠江口斷裂(F5)兩側(cè)均具有明顯的速度差異.此外,一些小的斷裂,如中部斷隆區(qū)南側(cè)的新會—市橋斷裂(F6)在南北兩側(cè)速度也有不同,分別呈高度和低速分布.在0.6 km以下,廣從斷裂(F1)和瘦狗嶺斷裂(F2)斷裂起主要的控制作用.此外,斷隆區(qū)下方的高速分布一直延伸到了1 km深度以下.

圖6 不同深度VP分布圖各圖右上角為反演后該深度的平均VP值,F1為廣從斷裂,F2為瘦狗嶺斷裂,F3為石龍—厚街?jǐn)嗔?F4為紫金—博羅斷裂,F5為珠江口斷裂,F6為新會—市橋斷裂,F7為白坭—沙灣斷裂,F8為廣三斷裂.Fig.6 P-wave velocity images at different depths after the inversion The average velocity value is also shown for each depth. F1, Guangcong fault; F2, Shougouling fault; F3, Shilong-Houjie fault; F4, Zijin-Boluo fault; F5, Zhujiangkou fault; F6, Xinhui-Shiqiao fault; F7, Baini-Shawan fault; F8, Guangsan fault.

3.4 速度結(jié)果分辨能力分析

本文通過檢測板測試對三維體波層析成像得到的速度模型進(jìn)行了質(zhì)量評估和分辨率分析.在檢測板測試中,首先在初始一維速度模型中對相鄰網(wǎng)格設(shè)置±5%的擾動(dòng)來構(gòu)建理論模型,然后按照實(shí)際中甲烷震源和密集臺站的分布位置來計(jì)算理論的P波走時(shí).最后選取與實(shí)際數(shù)據(jù)反演時(shí)相同的反演參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算,將獲得的速度模型與設(shè)計(jì)的理論模型進(jìn)行對比分析以評估成像結(jié)果的分辨能力.最終的檢測板測試結(jié)果如圖7所示,整個(gè)研究區(qū)在0～1.5 km深度范圍都能達(dá)到5 km的分辨.

圖7 不同深度的P波檢測板結(jié)果Fig.7 Checkerboard resolution test for P-wave at different depths

4 討論

粵港澳大灣區(qū)位于歐亞板塊東南緣的華南褶皺系中,經(jīng)歷了復(fù)雜的繼承性斷裂活動(dòng)和斷塊差異升降(丁原章,1994;Yao et al., 2013;吳曉陽等,2022).研究區(qū)內(nèi)的斷裂多屬于正斷層,將其切割成了規(guī)模不等、運(yùn)動(dòng)速率差異很大的斷陷區(qū)和斷隆區(qū),并控制了區(qū)域沉積構(gòu)造(黃玉昆等,1983;Zong et al., 2009;董好剛等,2012;梁干和吳業(yè)彪,2013;余章馨等,2016).其中北部斷隆區(qū)又稱為帽峰山—羅浮山隆起區(qū),是由早古生代混合花崗巖和元古界變質(zhì)巖構(gòu)成.北部斷陷區(qū)為沖積平原區(qū),主要是上古生界淺海相碎屑巖、灰?guī)r和海陸交互相碎屑巖.東江斷陷區(qū)最新始于早白堊紀(jì),大部分區(qū)域被第四紀(jì)沉積覆蓋,地貌上呈現(xiàn)為三角洲平原,斷陷基底為白堊系和古近系.中部斷隆區(qū)主要為殘坡積堆積,出露了較多的元古界、下白堊統(tǒng)及燕山期花崗巖.南部斷陷區(qū)則主要為沖海積平原.西部斷陷區(qū)又稱西北江斷陷帶,區(qū)內(nèi)第四紀(jì)三角洲相沉積層分布為主體,第四系地層覆蓋之下大多為白堊系-古近系沉積巖系.

為了對廣從斷裂(F1)、瘦狗嶺斷裂(F2)、珠江口斷裂(F5)和白坭—沙灣斷裂(F7)的性質(zhì)及周圍斷陷和斷隆區(qū)的速度結(jié)構(gòu)有更深一步的認(rèn)識,本文對跨這些斷裂的速度剖面進(jìn)行了分析,分別如圖8、圖9和圖10所示.此外,為了直觀地反映異常體是否能夠被分辨,本文也繪制了各剖面的檢測板測試結(jié)果.因?yàn)槟Ｐ蛥?shù)化過程是通過一系列矩形網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和三維線性插值來描述速度結(jié)構(gòu)的,因此檢測板中的異常幅值會因?yàn)闇y線方向和位置的分布出現(xiàn)差異.

圖8 跨廣從斷裂的速度剖面及檢測板結(jié)果F1為廣從斷裂;F2為瘦狗嶺斷裂;F3為石龍—厚街?jǐn)嗔?F4為紫金—博羅斷裂;F5為珠江口斷裂;F6為新會—市橋斷裂; F7為白坭—沙灣斷裂;F8為廣三斷裂.黑色虛線為根據(jù)速度分布差異預(yù)測的斷裂傾向和傾角.繪圖時(shí)縱軸放大率為2.Fig.8 Vertical depth profile of the P-wave velocity images and checkerboard resolution test across the Guangcong faultF1, Guangcong fault; F2, Shougouling fault; F3, Shilong-Houjie fault; F4, Zijin-Boluo fault; F5, Zhujiangkou fault; F6, Xinhui-Shiqiao fault; F7, Baini-Shawan fault; F8, Guangsan fault. The black dashed lines are predicted dips based on the velocity distribution for different faults. The vertical exaggeration is 2.

圖10 跨珠江口和白泥—沙灣斷裂的速度剖面及檢測板結(jié)果圖中F1為廣從斷裂; F2為瘦狗嶺斷裂; F3為石龍—厚街?jǐn)嗔? F4為紫金—博羅斷裂; F5為珠江口斷裂; F6為新會—市橋斷裂; F7為白坭—沙灣斷裂; F8為廣三斷裂.黑色虛線為根據(jù)速度分布差異預(yù)測的斷裂傾向和傾角.繪圖時(shí)縱軸放大率為2.Fig.10 Vertical depth profile of the P-wave velocity images and checkerboard resolution test across the Zhujiangkou and Baini-Shawan faultsF1, Guangcong fault; F2, Shougouling fault; F3, Shilong-Houjie fault; F4, Zijin-Boluo fault; F5, Zhujiangkou fault; F6, Xinhui-Shiqiao fault; F7, Baini-Shawan fault; F8, Guangsan fault. The black dashed lines are predicted dips based on the velocity distribution for different faults. The vertical exaggeration is 2.

4.1 廣從斷裂(F1)

廣從斷裂(F1)呈北東向延伸,為北部斷隆區(qū)和北部斷陷區(qū)的分界斷裂,屬于全新活動(dòng)斷裂,其活動(dòng)性從北往南有逐漸增加的趨勢,歷史上絕大多數(shù)地震和現(xiàn)今很多小震都主要是由其引起(潘建雄,1992).廣從斷裂(F1)自中生代以來經(jīng)歷了多階段、多期次和不同力學(xué)性質(zhì)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),形成了寬闊的動(dòng)力變質(zhì)帶.此外,廣從斷裂(F1)還控制著研究區(qū)內(nèi)溫泉和地?zé)岬姆植?嚴(yán)國柱,1986;鄧鐘尉,2016).

廣從斷裂(F1)兩側(cè)具有明顯的速度差異(圖8).其西側(cè)的北部斷陷區(qū)沉積了上古生界地臺型沉積建造,呈現(xiàn)低速異常,低速異常范圍與廣花盆地位置相一致.而東側(cè)的北部斷隆區(qū)為元古界后古老隆起,為普遍的高速分布.Wang等(2020)利用噪聲成像得到的剪切波速度結(jié)果同樣發(fā)現(xiàn)廣從斷裂(F1)兩側(cè)具有明顯的速度差異,但本文分辨率較之稍微偏高且研究范圍更大.嚴(yán)國柱(1986)對廣從斷裂(F1)基本特征及其形成演化的分析表明其斷面主要傾向北西,傾角約40°～60°,與圖8中根據(jù)速度差異預(yù)測的斷裂傾向和傾角一致.廣從斷裂(F1)在南段的白云山隱伏進(jìn)入廣州城區(qū),衛(wèi)星影像特征也顯示斷層痕跡沒有北邊顯著(梁干和吳業(yè)彪,2013),這可能是DD′剖面(圖8)中斷裂產(chǎn)狀不明顯的原因.從廣從斷裂(F1)兩側(cè)速度異常分布來看,斷裂東側(cè)和西側(cè)分別以繼承性上升和下降為主,具有明顯的東升西降活動(dòng)特征.

4.2 瘦狗嶺斷裂(F2)

瘦狗嶺斷裂(F2)形成于侏羅紀(jì)之前,是珠江三角洲的北部邊界,切割了前震旦紀(jì)、白堊紀(jì)和燕山期花崗巖,也有小部分地段被第四紀(jì)地層覆蓋(陳偉光等,2000;鄒和平等,2001;梁干和吳業(yè)彪,2013).宋方敏等(2003)根據(jù)沉積厚度和14C測年的研究表明瘦狗嶺斷裂的垂直活動(dòng)速率為0.19～0.21 mm·a-1,為中等活動(dòng)水平.龍志強(qiáng)和吳克剛(1989)對一些露頭剖面的研究表明瘦狗嶺斷裂的斷面南傾,傾角約為60°,經(jīng)歷了長期多次活動(dòng)并在風(fēng)化剝蝕作用下展布了很多近東西向的殘丘.

瘦狗嶺斷裂(F2)兩側(cè)具有明顯的速度差異.其北側(cè)的北部斷隆區(qū)呈現(xiàn)高速異常.而南側(cè)位于北部與中部斷隆區(qū)交叉位置和東江斷陷區(qū)內(nèi),表現(xiàn)為普遍的低速分布.從圖9的速度異常結(jié)果來看,瘦狗嶺斷裂(F2)向南傾,在西部較東側(cè)更陡,且在一些區(qū)域延伸到了1.8 km以下,與龍志強(qiáng)和吳克剛(1989)、梁干和吳業(yè)彪(2013)的野外地震地質(zhì)調(diào)查結(jié)果一致.在CC′剖面中,瘦狗嶺斷裂(F2)下方呈現(xiàn)的低速異常是位于與珠江口斷裂(F5)的交叉部位,可能對應(yīng)復(fù)雜的斷裂帶破碎.Wang等(2020)獲取的剪切波成像結(jié)果也表明瘦狗嶺斷裂(F2)的分界面向南傾且傾角近60°,同時(shí)可延伸到6 km深度,與本文預(yù)測傾向一致,但本文由于成像深度原因無法對斷裂延展深度進(jìn)行進(jìn)一步約束.

Wang等(2020)對跨瘦狗嶺斷裂(F2)測線的水平/垂直譜比法(HVSR)研究發(fā)現(xiàn)斷裂上盤具有較薄的沉積層厚度,與正斷層的特性相矛盾,推測此斷裂經(jīng)歷了斷層反轉(zhuǎn),本文圖9中BB′剖面在瘦狗嶺斷裂(F2)附近的低速分布深度也有此趨勢.嚴(yán)國柱(1985)和Wang等(2020)認(rèn)為瘦狗嶺斷裂(F2)曾經(jīng)遭受了多期相反的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),當(dāng)南北向擠壓占優(yōu)勢時(shí),瘦狗嶺斷裂(F2)可能反轉(zhuǎn)成為逆斷層并形成壓陷盆地,即圖9中BB′剖面穿過的位置,造成斷裂北側(cè)也呈現(xiàn)較深的低速異常.

在北部斷隆區(qū)(圖8和圖9),在大范圍的高速分布下還存在一些特別高速的異常,可能對應(yīng)帽峰山地區(qū)存在的零星分布的巖漿巖,主要為中元古代片麻花崗巖和加里東期花崗巖類(梁干和吳業(yè)彪,2013).另外,北部斷隆區(qū)也夾雜著一些零星的低速異常,可能對應(yīng)于該區(qū)域地?zé)岷蜏厝姆植?嚴(yán)國柱,1986).梁干和吳業(yè)彪(2013)研究表明東江斷陷區(qū)最早可能是一些孤立的小型盆地,形成于早白堊世,而后在晚白堊世時(shí)發(fā)生急劇擴(kuò)展,這可能造成了東江斷陷區(qū)內(nèi)存在大范圍普遍的低速分布.此外,圖9中DD′和EE′剖面的速度分布還顯示東江斷陷區(qū)內(nèi)沉積層的厚度在北側(cè)較厚,基底的埋藏深度約為1 km.

4.3 珠江口(F5)和白坭—沙灣斷裂(F7)

珠江口斷裂(F5)又稱獅子洋斷裂,分為文沖斷裂(東支)和化龍斷裂(西支),影響了沿岸第四紀(jì)盆地的展布和發(fā)育,傾角約50°～80°,僅在小部分位置出露地表(梁干和吳業(yè)彪,2013).白坭—沙灣斷裂(F7)屬于全新活動(dòng)斷裂,整體上傾向南西,局部段傾向北東.北段穿過了晚古生代-早中生代地層,控制了紅層的分布,可見明顯的斷裂跡象.而南段則發(fā)育了寬達(dá)數(shù)十米的硅化破碎帶,同樣也大多隱伏于第四紀(jì)覆蓋之下(付潮罡,2017;李嘉瑞,2021).

珠江口斷裂(F5)兩側(cè)具有明顯的速度差異.西側(cè)的中部斷隆區(qū)呈高速分布,而在東江斷陷區(qū)呈低速異常.珠江口斷裂(F5)切割了元古代變質(zhì)巖、燕山期花崗巖及白堊系碎屑巖基底(麥煒倫,2018),斷層兩側(cè)明顯的速度差異分別對應(yīng)了兩側(cè)強(qiáng)風(fēng)化的細(xì)砂巖和全-強(qiáng)風(fēng)化的混合花崗巖.徐善輝等(2021)在粵港澳大灣區(qū)珠江口斷裂(F5)布設(shè)的約10 km長的密集測線與圖10中BB′剖面有重合,其結(jié)果同樣顯示在斷裂附近的沉積厚度從西往東不斷增厚.此外,還有研究表明珠江口斷裂(F5)附近的近代沉積是疊置在早期的斷塊格局之上的(黃玉昆等,1983;張馨予等,2019),這可能也使得斷裂隱伏于珠江下游河道和第四紀(jì)覆蓋之下,和圖10中顯示高低速差異未出露地表相一致.由于本文成像分辨率很高,可以很清晰地勾勒出珠江口斷裂(F5)東西兩條幾乎平行的分支斷裂,其兩側(cè)速度的差異也反映了東江斷陷區(qū)相對于中部斷隆區(qū)的差異性沉降運(yùn)動(dòng).總體來說,珠江口斷裂(F5)在大部分區(qū)域延展較淺,也有部分較深,西支的化龍斷裂傾向北東,而東支的文沖斷裂則傾向南西,但兩者傾角均較陡,這也與鉆探得到的結(jié)果相一致(梁干和吳業(yè)彪,2013).

對于白坭—沙灣斷裂(F7),其兩側(cè)的P波速度結(jié)構(gòu)也具有顯著不同,西側(cè)的西部斷陷區(qū)呈低速異常,東側(cè)的中部斷隆區(qū)呈高速異常,西部和南部斷陷區(qū)在淺層速度具有連貫性,但在稍深部依舊具有明顯區(qū)別.圖10中的速度剖面顯示白坭—沙灣斷裂(F7)是向南西傾,傾角也很陡,與已有研究根據(jù)露頭確定的斷裂帶的展布情況一致,傾角大約為50°～80°(李出安等,2010;付潮罡,2017;李嘉瑞,2021).廣東省地震局布設(shè)的一些淺層地震測線中表明白坭—沙灣斷裂(F7)切割了第四紀(jì)沉積層,斷距可達(dá)11～20 m(李出安等,2010;付潮罡,2017),本文因?yàn)槌上窨v向分辨率相對較低無法清晰分辨.

此外,2007年在廣州市的南部曾布設(shè)過一條長70 km的深地震發(fā)射探測剖面(梁干和吳業(yè)彪,2013),和圖10中AA′和BB′測線位置較為一致.反射地震勘探獲取的白坭—沙灣斷裂(F7)和珠江口斷裂(F5)的斷裂位置及傾向均與本文研究結(jié)果一致,并且也都勾勒出了中部斷隆區(qū)內(nèi)部次級斷裂的形態(tài).但反射地震勘探的結(jié)果還表明這些斷層向下切割到了4～7 km深,到達(dá)了結(jié)晶基底以下,本文因?yàn)槌上裆疃容^淺無法對此進(jìn)行深入分析.

5 結(jié)論

本文基于粵港澳大灣區(qū)密集臺陣記錄中的63炮甲烷震源信號開展了體波層析成像研究,獲得了研究區(qū)內(nèi)地殼淺層高精度的三維P波速度結(jié)構(gòu).可獲得以下主要認(rèn)識或結(jié)論:

(1) 淺層速度成像結(jié)果與區(qū)域地形和巖性分布有很好的對應(yīng)關(guān)系.北部、東部和中部斷隆區(qū)呈現(xiàn)高VP,對應(yīng)于花崗巖和變質(zhì)巖.而北部、西部、南部及東江斷陷區(qū)則為低VP分布,與碎屑沉積巖巖性相符合.

(2) 不同深度的速度分布主要受廣從斷裂、瘦狗嶺斷裂、珠江口斷裂和白坭—沙灣斷裂影響,斷裂兩側(cè)速度具有明顯差異.其中瘦狗嶺斷裂的控制作用最明顯,向南傾,且西側(cè)傾角大于東側(cè).廣從斷裂傾向北西,傾角較陡.珠江口斷裂的西支傾向北東、東支傾向南西,傾角陡且隱伏于第四紀(jì)沉積物之下.白坭—沙灣斷裂傾向南西,傾角也較陡.

(3) 跨斷層的速度剖面分布特征顯示區(qū)域斷裂控制著沉積層的展布,斷陷區(qū)沉積層的基底埋藏深度可達(dá)1 km.

粵港澳大灣區(qū)密集臺陣探測實(shí)驗(yàn)是首次利用甲烷震源和密集臺陣觀測在超大城市群開展結(jié)構(gòu)探測.本文獲取的高精度淺層三維速度結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步深化對粵港澳大灣區(qū)內(nèi)斷層系統(tǒng)的認(rèn)識,對研究區(qū)域構(gòu)造特征、發(fā)震機(jī)制和進(jìn)行地震風(fēng)險(xiǎn)評估等都具有重要意義.基于綠色主動(dòng)震源和密集臺陣的成像方法,可用于城市承載體的三維速度結(jié)構(gòu)分析,具備實(shí)用和推廣價(jià)值.

致謝感謝南方科技大學(xué)、南京大學(xué)、中國地震局地球物理勘探中心和中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司等單位在密集臺陣布設(shè)期間的艱辛努力.感謝審稿專家們提出的寶貴修改意見.本文圖件的繪制均采用GMT(Wessel et al., 2013)軟件,在此也表示感謝.