基金项目:国家自然科学基金(41574044)资助.
通讯作者:张元生(1965-),研究员,主要从事地震学和卫星遥感研究工作.E-mail:zhangys@gssb.gov.cn
(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000; 2.陕西省地震局,陕西 西安 710068)
(1.Lanzhou Institute of Seismology,CEA,Lanzhou 730000,Gansu,China)(2.Shaanxi Earthquake Agency,Xi'an 710068,Shaanxi,China)
ambient noise; cross correlation function; ray tracing; rayleigh wave tomography; the Qilian Mountains region
利用祁连山地区(36°~42°N,96°~104°E)38个台站2014年8月—2015年12月的垂直分量连续背景噪声记录,获得了台站对之间的互相关函数和瑞利面波相速度频散曲线,采用基于射线追踪的面波频散直接反演方法,得到了观测台站下方5~40 km深度范围内的S波速度分布图像。结果 表明:在5 km深度处,速度结构分布特征与地表构造分布存在一定的相关性,松散沉积层厚度影响明显; 在18 km深度处,S波速度横向不均匀性明显,呈现为高低速相间不同尺度大小的区域性。同时,5~20 km深度范围内速度随深度增加而逐渐增加,其变化幅度为0.2 km/s; 在30 km深度处,祁连和门源地区高低速相间分布明显; 在35~40 km深度,随深度增大,祁连山北缘断裂带、托莱山断裂、冷龙岭断裂带以北地区为高速区,以南为低速区。
Using the vertical component of continuous background noise records of 38 stations located in the Qilian Mountains(36°N ~ 42°N,96°E ~ 104°E),and the record time was from August 2014 to December 2015,then we obtained the cross correlation function of all seismic station pairs and the velocity dispersion curve of Rayleigh wave.The velocity distribution of the S wave in the depth range of 5 ~ 40 km and is obtained by using the direct inversion method of surface wave dispersion based on ray tracing.The result shows that there is a certain correlation between the velocity structure distribution and the tectonic distribution at the depth of 5 km.And the thickness of the sedimentary layer has obvious effect.The S-wave velocity has an obvious lateral heterogeneity and shows different scales of the regional at the depth of 18 km.Meanwhile,the velocity increases with the depth,and the variation range is 0.2 km/s at the depth of 5~20 km.And the high and low speed phases of Qilian and Menyuan areas are obviously distributed at a depth of 30km.The north of the Qilian Mountains,the Tuolaishan fault,the Lenglongling fault zone,the north of the Lenglongling fault zone,and the south of the Lenglongling fault zone,which may be a manifestation of different blocks at the deep boundary in the depth of 35~40 km.
近年来,面波成像尤其是噪声面波成像已成为研究地壳速度结构的一种重要方法。传统面波成像使用的数据资料为地震面波数据,计算周期通常大于15 s(Huang et al,2003; Yao et al,2005),其结果主要反映中下地壳的速度结构。而噪声面波成像使用的数据资料为背景噪声数据,台间距大于50 km时,其计算周期范围为5~40 s(Shapiro et al,2005; Yao et al,2006; Yang et al,2007,2010; Fang et al,2010; 房立华等,2009a; 郑定昌等,2014); 而台间距在0~15 km时,其计算周期可降至0.5~5 s,有利于对浅层300 m~5 km深度范围速度结构的研究(Fang et al,2015; Li et al,2016)。本文将采用噪声面波成像方法,该方法使用噪声信号作为数据源,不受震源位置和地震分布不均匀的影响,其分辨率主要取决于台站的分布情况。在台站分布合理的情况下,噪声面波成像可以实现对地下三维介质的连续监测,从而可以提高对速度结构的分辨能力(张冰等,2015)。
研究区域为祁连—海原带,该区位于青藏高原东北缘,地处青藏地块和阿拉善地块的挤压缝合带,构造活动强烈、地震活动十分频繁。开展该地区S波速度结构研究对于了解青藏高原大陆动力学过程具有十分重要的意义。20世纪80年代初以来,在青藏高原东北缘已经开展了不少的研究工作(张元生等,2004; 周民都等,2006; 李永华等,2006),取得了重要的P波速度结构研究结果。许忠淮等(2003)利用走时层析成像方法分析了青藏高原东北缘地区上地幔顶部P波速度结构及其各向异性的横向变化,结果认为该地区Pn波的平均速度偏高。Liang和Song(2006)采用Pn波层析成像的方法,认为青藏高原地壳底部速度具有横向不均匀性和各向异性; 王椿镛等(2008)用远震P波接收函数反演方法获得了青藏高原东部观测剖面下方0~80 km深度范围的S波速度结构,其结果揭示了沿观测剖面的下地壳普遍存在低速异常。范文渊等(2015)利用地震背景噪声和互相关技术,反演获得了青藏高原东部及周边地区地壳三维S波速度结构,其结果表明祁连山地区速度结构呈现较强的横向不均匀性。
在该区域已取得的速度结构研究成果主要为P波速度结构,而S波速度结果研究较少,且研究的尺度较大,一般网格尺度都在0.5°×0.5°以上,更精细的三维成像结果稀缺(Huang et al,2002; Yao et al,2008)。为了更清晰地认识研究区域的深部速度结构,使其成像结果分辨率更高,利用该区现代测震台网记录的连续背景噪声数据,采用基于射线追踪的面波频散直接反演方法,网格尺度为0.18°×0.30°,研究该区地壳S波速度结构。
收集整理了甘肃台网和部分青海台网38个固定台(图1)的垂直分量连续背景噪声记录,数据记录时间为2014年8月—2015年12月,共17个月。其仪器响应频带范围为0.02~60 s,台间距范围为从十几千米至700 多千米,台站基本覆盖了青藏地块和阿拉善地块的挤压缝合地带区域。数据处理流程主要分为:面波信号提取,相速度计算,速度结构反演计算和计算结果分析等。下面对数据处理的重要步骤进行简单介绍。
首先将原始数据统一转化为sac格式,截取1 d为一个数据段,然后将其进行1 Hz重采样和仪器校正,去均值及去倾处理,5~40 s带通滤波,最后进行时域归一化和谱白化处理。在此基础上,把所有单台的数据进行互相关计算并叠加,获得
台站对互相关函数(图2)。从图2中可以看出,随着台间距的增加,面波信号的到时滞后更加明显,台间距较近时,面波信号之间存在明显的体波前驱信号(王伟涛等,2011)。
相速度频散曲线提取计算公式为(Tromp,Jeroen,1998):
CAB(T)=Δ/(t-T/8)(1)
式中:CAB(T)为平均相速度; Δ为台间距; T为面波周期; t为经验格林函数在周期T附近窄带滤波后波峰的传播时间。姚华建等(2004)开发了相速度频散曲线快速提取交互式软件,提高了工作效率(图3)。相速度频散曲线的测量需满足3个方面的条件:一是选取长时间的数据进行互相关计算并叠加; 二是剔除信噪比(SNR)比较差的互相关函数,前人研究发现SNR≥5时可以获得比较可靠的互相关函数(Yao et al,2005,2006); 三是必须满足相应的远场近似条件:
CAB·T=λ≤Δ/3(2)
式中:CAB为平均相速度; λ为波长; T为测量周期; Δ为台间距。一般来说,远场近似条件决定了台站对相速度的最大测量周期,平均相速度取3 km/s,则可以获得的最大测量周期T≈Δ/9 s,研究区域的台间距最大约为700 km,因此本研究频
散曲线的测量周期主要集中在5~40 s。为了保证频散曲线的可靠性,避免自动拾取对反演结果的影响,本文所有的频散曲线都为人工拾取,同时删除了部分质量较差的频散曲线,最后得到不同周期的台站对频散曲线,射线路径数分布如图4所示。
图3 台站对AXX-JFS相速度频散曲线测量示意图
Fig.3 Example of Rayleigh wave velocity dispersion curve of seismic station pairs AXX-JFS
本文瑞利波相速度层析成像采用Fang等(2015)基于射线追踪的面波频散直接反演方法。该方法把所有台站对频散曲线的不同周期的走时信息整合在一起,直接反演出三维S波速度结构。相比传统两步法(Yao et al,2006; Ritzwoller et al,2002)省去了2D相速度反演这一步,并考虑了复杂介质中面波会偏离大圆路径传播,射线追踪计算使用的是快速行进法(Rawlinson,Sambridge,2004)。在S波速度结构反演计算中,其目标函数为(Fang et al,2015):
Φ(m)=〖JB<1=〗d-Gm〖JB>1=〗22+λ〖JB<1=〗Lm〖JB>1=〗22(3)
式中:d为参与反演的路径上面波观测走时与理论走时的走时残差向量; G是数据敏感矩阵; m是模型参数向量; λ是平衡数据拟合和模型正则化的权重参数; L为模型的光滑约束。通过使目标函数最
小化来获得每个深度的S波速度分布。权重参数λ越大反演结果越光滑,分辨率越低,反之,则反演结果的分辨率越高,误差也越大,反演结果中会经常出现高低速交替的情形。反演过程中不断尝试确定λ值,所得的结果比较光滑,且误差较小,最优解由公式m=^(GTG+λI)-1GTG求得,其中I为单位矩阵。
初始模型的建立是反演过程的重要环节。在均匀层状模型情况下,基阶瑞利面波的最佳敏感深度为其波长(λ)的1/3,某一周期的相速度约等于对应深度处S波速度的0.92倍(Shearer,2009)。如已知每个频散点(周期T)的相速度,可以计算不同深度处的S波速度,从而可以建立S波速度初始模型。其初始模型主要参考了庄真等(1992)的研究结果,同时也参考了crust1.0模型,在上地壳和中地壳层划分过程中,各自分别按正梯度进行划分(图5)。
为了验证反演结果的可靠性,通常使用射线路径覆盖程度和检测板测试结果来对计算结果进行评价。图6为不同周期(T=5 s,25 s)的射线路径分布,中间区域射线路径覆盖较好。模板检测对6 km、18 km、30 km、40 km深度的检测结果显示,对5~15 km的速度扰动值为12%和18~40
km的速度扰动值为10%的中间区域恢复较好,模型边缘以及在40 km深度,射线较少,恢复程度较差(图7)。经过不断测试,总体来说,按0.18°×0.30°进行网格划分是合理的,主要区域是可以分辨的。网格数为34×34×18,纬度方向的间隔为0.18°,经度方向的间隔为0.3°,深度方向上共分
图7 初始模型(a)、(b)及不同深度6 km(c)、18 km(d)、30 km(e)、40 km(f)的检测板测试
Fig.7 Checkboard tests of input models(a)、(b),and different depth at 6 km(c)、18 km(d)、30 km(e)、40 km(f)
图8 面波走时残差标准差随迭代次数的变化示意图(a)及面波走时残差分布图(b)
Fig.8 Variation of the standard deviation of surface-wave travel-time residuals with the iteration number(a)and distribution of surface wave travel-time residuals(b)
为18层。反演经过15次的迭代计算,走时残差的标准差从2.7 s减少到0.6 s(图8a),迭代后最终走时残差平均值为0.016,接近于零(图8b)。
5km深度速度切片(图9a),主要受松散沉积层厚度和构造的影响,速度呈区域性分布明显,与浅部沉积层和地表构造特征分布存在一定关系。其中,阿尔金断裂带(F1)两侧具有明显的速度差异,龙首山南缘断裂(F5)附近呈现高低速相间分布特征,托莱山断裂带(F6)附近存在高速区,皇城—双塔断裂(F7)带两侧速度差异较明显。祁连海原带南边界速度高于河西走廊,造成这种速度差异的主要原因可能是河西走廊前陆盆地存在较厚的沉积层(杜远生等,2004; 陈启林,杨占龙,2010),同时推测祁连海原带南边界具有相对坚硬的上地壳。
18km深度速度切片(图9b),中上地壳速度结构存在明显的横向不均匀变化,形成了尺度不同的速度差异分布结构,多数低速分布区与柯小平等(2009)研究的低密度异常区相对应。祁连县和门源县附近区域呈现高低速相间的分块特征,即祁连县附近为高速区,门源县附近为低速区,其低速区域包围2016年1月21日门源地震震中位置(郭安宁等,2016),发现震源区为低速特征(图 10),这与前人研究的大震震源区及附近通常有壳内低速体(高导体)发育的结论一致(房立华,2009b)。为了进一步探讨震源区速度结构与构造的关系,切了一条剖面(图 10b),AB剖面穿过震源区并横切冷龙岭断裂(F8)、祁连山北缘断裂带(F2)、皇城—双塔断裂(F7)和龙首山南缘断裂(F5),剖面结果显示震源区为低速结构,冷龙岭断裂(F8)为主断裂,倾角陡,切割深,为主要活动断裂。次级断裂(F2,F7,F5)与主断裂(F8)在深部可能交汇,发震断层可能是以逆冲为主的祁连山北缘逆冲断裂(F2),与震源机制解一致(胡朝忠等,2016)。在5~20 km深度范围内速度随深度增加而逐渐增加,其变化幅度为0.2 km/s,这种地震波速度随深度正梯度增加的趋势符合正常大陆属性。
30km深度速度切片(图9c),相比于地壳浅部速度,祁连县和门源县地区表现出明显的高低速分布特征。阴凹曹断裂(F10)西南侧区域为低速区,可能对应祁连造山带大范围的中地壳低速层(Bao et al,2013),也对应该地区中地壳具有较低的SV波速度结构(Yang et al,2012)。导致这种低速的原因可能是由于祁连造山带经历了加里东造山运动发生地壳增厚,致使中地壳的矿物晶体定向排列引起。
35~40 km深度(图9d),浅层沉积盖层的影响消失,速度变化与地壳深度呈现负相关性变化,即具有较薄地壳的区域表现为高速,具有较厚地壳的区域则表现为低速。在祁连山北缘断裂(F2)、托莱山断裂(F6)、冷龙岭断裂(F8)以北区域为高速区,以南呈现为低速分布。祁连海原带南边界的地壳厚度大约为58~62 km,下地壳厚度为25~30 km,阿拉善地块的地壳厚度大约为45~54 km,下地壳厚度为20 km,而祁连海原带北边界—河西走廊和阿拉善地块的下地壳厚度基本一致(张洪双等,2015),从而导致祁连山海原带南边界与河西走廊速度差异比较明显,这种速度差异可能是块体间的反映,也可能是青藏高原向
NE方向运动和变形所致。这与前人的研究结果具有一致性,丁志峰等(2001)研究结果显示青藏高原东北部地区下地壳存在S波速度低,Li等(2012)得到的三维S波速度结构显示在周期(15~35 s)内,青藏高原北缘总体上比周围区域的S
波速度要低。值得注意的是,在祁连地块30~40 km深度区域,明显的低速区可能对应于地幔岩浆活动导致的底侵作用(范文渊等,2015)。
通过速度分布特征分析,并结合他人的研究结果,对研究区的深部结构有了进一步的了解和认识,主要结论如下:
(1)研究区上地壳速度结构存在横向不均匀性,浅层的S波速度横向变化与地表构造分布存在密切关系,低速区的分布特征主要受松散沉积层厚度的影响,沉积层越厚的地区S波速度越低。
(2)随着深度的增加,浅层沉积层的影响逐渐消失,S波速度与莫霍面深度变化具有负相关性,即祁连海原带南边界下地壳厚度较大,表现为低速; 河西走廊和阿拉善地块的下地壳厚度基本一致而相对变化较小,表现为高速。这种速度差异可能是不同地块的反映,也可能是青藏高原向NE向运动和变形所致。
(3)在研究区内,上地壳和下地壳的速度分别随深度的增加而增加,这种正梯度增加的S波速度结构符合正常大陆地壳的速度变化规律。
(4)通过对S波速度分布特征和门源地震的位置关系分析,结果显示门源地震震源位于S波速度低值区域,发震断层可能是祁连山北缘逆冲断裂,与震源机制解一致。
本研究的连续波形数据由甘肃省地震局提供,感谢中国科学技术大学姚华建教授提供的背景噪声计算程序,感谢审稿专家对本文提出的宝贵意见与指导。