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大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的瑞雷波和勒夫波相速度层析成像

2015-03-17叶庆东丁志峰吕苗苗陈浩朋吴萍萍

地震学报 2015年1期
关键词:群速度郯庐苏鲁

叶庆东 丁志峰 郑 晨 吕苗苗 陈浩朋 吴萍萍

1) 中国北京100081中国地震局地球物理研究所 2) 中国武汉430079武汉大学测绘学院地球物理系3) 中国河北三河065201防灾科技学院



大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的瑞雷波和勒夫波相速度层析成像

1) 中国北京100081中国地震局地球物理研究所 2) 中国武汉430079武汉大学测绘学院地球物理系3) 中国河北三河065201防灾科技学院

采用与作者2014年发表的“大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的勒夫波群速度成像”文章相同的资料, 用频时分析提取5000余条瑞雷波和4000余条勒夫波相速度频散曲线, 反演得到了8—32 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布图像. 结果显示, 瑞雷波与勒夫波相速度分布具有很好的一致性. 8 s的相速度分布与地表构造特征相吻合, 造山带与隆起区均表现为高速, 盆地因其规模不同而显示不同程度的低速. 随着周期的增大, 大别-苏鲁的高速带由强变弱, 但始终存在. 16—24 s的高速可能主要受到中地壳高速的控制, 而32 s的高速则可能与上地幔顶部的高速有关. 比较大别造山带与苏鲁造山带的平均频散曲线, 发现大别造山带和苏鲁造山带的勒夫波频散曲线均高于AK135模型计算的理论频散曲线, 而瑞雷波则没有这一现象. 这可能意味着两个地区有比较强烈的径向各向异性.

背景噪声 瑞雷波 勒夫波 相速度反演 大别-苏鲁造山带

引言

大别-苏鲁造山带是我国东部重要的构造单元之一, 其横跨山东、 河南、 安徽、 江苏和湖北5省, 是扬子地块与华北地块间的陆-陆造山带(王清晨等, 1989; Okayetal, 1993), 约形成于230 Ma前(Amesetal, 1996; Heetal, 2014). 受燕山时期郯庐地震带大规模的由西南向东北方向的左旋走滑运动影响, 苏鲁造山带向NNE方向推移约600 km (徐嘉炜, 1980); 大别造山带沿WNW--ESE, 西北部与秦岭造山带相连. 苏鲁造山带呈NNE--SSW走向, 几乎与秦岭-大别走向垂直. 自20世纪80年代中期在该造山带的榴辉岩中发现柯石英和金刚石包体, 确认这里是世界上规模最大、 出露最好的超高压高压变质带之后, 该造山带成为研究陆-陆碰撞、 超高压作用以及大陆动力学的重要现场(Xuetal, 1998; 徐纪人等, 2003). 地球物理学家采用了几乎所有地球物理方面的手段展开了对该地区的研究, 取得了很多有意义的成果.

背景噪声成像作为一种新的成像技术, 具有不依赖地震事件、 分辨率高等特点. 目前专门用背景噪声来研究大别-苏鲁地区的速度结构还不是很多. 叶庆东等(2014)(以下简称前文)收集了研究区域内国家数字地震台网和中国区域地震数据台网共151个宽频带地震台约两年的记录(2009年5月—2011年5月), 采用Lin等(2008)先相关再旋转的方法, 并引入相位权重叠加法(Schimmel, Paulssen, 1997)获取格林函数, 最终获得了4000余条勒夫波群速度频散曲线并计算了6—40 s的勒夫波群速度分布, 结果发现在30 s时大别地区、 苏鲁地区和郯庐断裂带都有一定程度的高速异常. 为进一步与前文的结果相比较, 本文采用与前文相同的资料, 同时利用瑞雷波和勒夫波的相速度对该地区进行层析成像, 并对结果进行分析讨论.

1 数据和方法

本文旨在前文的基础上, 利用相同的资料提取瑞雷波和勒夫波的相速度来获取相速度分布.

数据处理主要包括预处理、 互相关叠加、 相速度频散测量和计算相速度分布等4个方面. 由于T分量和R分量的信噪比较低(Bensenetal, 2008; 鲁来玉等, 2014) , 在获取勒夫波互相关叠加时采用前文的方法以提高信噪比, 处理瑞雷波时则采用通常的方法(Bensenetal, 2007, 2008). 采用信噪比挑选可靠的格林函数, 即取定一个信号窗和噪声窗, 将信号窗的最大振幅与噪声窗的均方差的比值作为信噪比(房立华等, 2009), 信噪比小于10则予以剔除. 在相速度频散测量方面, 采用Ritzwoller (2013)的AFTAN程序进行自动提取频散, 然后手动剔除掉奇异的频散曲线. 由于互相关函数与格林函数存在π/2的相差(Linetal, 2008; 唐有彩等, 2011), 在使用AFTAN时必须谨慎地选择相关参数. 最后, 对提取出来的频散曲线采用3倍波长准则(Yaoetal, 2006)进一步筛选, 提取出符合条件的频散或频散曲线的有用段. Niu和Li (2011)利用远震P波的质点运动分析中国大陆800余个宽频带台站的地震计方位, 发现部分台站存在方位角偏差问题. 因此, 对得到的勒夫波分量进行了更为严格的筛选. 其方法为: ① 挑选远震事件, 窄带滤波后对比同一台站记录的径向分量的希尔伯特变换与垂向分量, 如果差别不大则认为该台站的数据可用; ② 对于同一个台站对, 对比利用其径向与垂向分量格林函数提取的频散曲线, 如果差别不大则与之对应的勒夫波频散予以保留. 经过以上筛选后, 可用的勒夫波数据由最初的151个台减少为143个台. 图1给出了瑞雷波与勒夫波不同周期的射线统计图, 图2给出了典型周期的射线密度, 图3给出了典型的瑞雷波与勒夫波频散曲线.

图1 瑞雷波(a)与勒夫波(b)不同周期的射线统计图

本文采用Tarantola等(Tarantola, Valette, 1982; Tarantola, Nercessian, 1984; Montagner, 1986; Debayle, Sambridge, 2004)发展的无网格反演方法反演相速度分布. 参数选择略有变化, 相关长度L取max{40,c0T/2}, 模型的先验方差稍微增大一些.

利用该方法对8 s与32 s的射线分布进行了检测板测试, 其结果如图4所示. 可以看出,

图4 勒夫波检测板测试(8 s和32 s)结果

在8 s时可以达到0.5°×0.5°的分辨率, 32 s时可以达到1°×1°的分辨率. 虽然32 s的射线与8 s的射线数目差别不大, 但由于相关长度的增大分辨率变低, 只能达到1°×1°的分辨率. 从几何光学的角度看这是合理的, 周期越大波长越长, 所以分辨率越低. 同时基于上述理由, 32 s以内的相速度分布都不大于1°×1°的分辨率. 在研究区域的边缘上, 由于射线稀疏, 且射线交叉不多, 故分辨率较差.

2 结果

考虑到长周期频散测量的误差较大, 本文选择了8—32 s的相速度分布结果作进一步分析. 图5给出了瑞雷波和勒夫波相速度的深度敏感核, 图6分别给出了瑞雷波和勒夫波 8, 16, 24和32 s的相速度的分布图像. 根据图6结果并结合图5以及与前文勒夫波群速度结果进行比较, 可以获得以下认识:

图5 瑞雷波(a)和勒夫波(b)相速度深度敏感核

图6 瑞雷波和勒夫波不同周期的相速度分布

1) 8 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布基本可以勾勒出研究区域的地质构造单元, 与前文中群速度6—10 s的分布较为一致. 大别造山带和苏鲁造山带均呈现出明显的高速, 其中大别造山带和东秦岭的高速被南襄盆地的低速分开, 在大别与郯庐断裂带交汇处, 合肥盆地也显示为低速. 鄂西隆起、 鲁西隆起均呈现出高速. 华北平原、 江汉平原呈现出低速特征. 下扬子一近东西向的低速区在苏鲁西南部和大别东部将大别造山带与苏鲁造山带错开. 郯庐断裂带在研究区域内整体表现为高速, 但幅度不是很大.

2) 从16 s的相速度分布图可以看出大别和苏鲁地区的高速依然很强. 华北平原、 江汉盆地和下扬子地区的低速进一步减弱, 南襄盆地低速几乎全部消失, 郯庐断裂带依然表现为高速. 鄂西隆起和鲁西隆起高速也逐渐减弱. 8—16 s瑞雷波与勒夫波相速度分布具有一致性, 并与前文的15—20 s勒夫波群速度分布较为一致.

3) 24 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布显示湖北西部由8 s的高速变成了低速, 江汉平原已经无法分辨. 相对于16 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布图, 大别地区和苏鲁地区的高速分布减小, 但是出现局部突出的高速. 同时在北大别东南段地区(116°—117.5°E, 31°—32.5°N)合肥盆地附近出现局部的低速区, 面积较合肥盆地稍大. 华北地块表现出强烈的横向非均匀性, 呈现出高低速交错的趋势. 郯庐断裂带的高速进一步减弱. 鄂西隆起和鲁西隆起出现与瑞雷波和勒夫波8 s相速度分布相反的特征, 表现为低速.

4) 根据马杏垣等(1989)和徐佩芬等(2000)的研究结果, 研究区域的地壳厚度不超过40 km, 所以瑞雷波和勒夫波32 s的相速度分布主要反映了莫霍面附近的S波速度特征. 相比于其24 s的速度分布, 鄂西隆起的低速向南迁移. 瑞雷波分布图上大别、 苏鲁地区依然存在突出的局部高速, 但在苏鲁地区则不明显, 且大别地区的高速规模比苏鲁的规模大. 在北大别地区合肥盆地附近的局部低速依然可见. 华北平原从36°N往南到33°N, 依次出现低速—高速—低速—高速的条带状分布, 并且这种条带还几乎贯穿了郯庐断裂带.

综上所述, 8—16 s的瑞雷波和勒夫波相速度频散分布与勒夫波群速度6—20 s比较一致. 由于敏感深度、 反演参数选取略有出入, 使得20 s以后的瑞雷波和勒夫波相速度分布与勒夫波群速度分布细节上略有出入. 总的来说, 从8—32 s的瑞雷波和勒夫波大别-苏鲁地区高速分布区域整体范围逐渐减小, 但存在突出的局部高速. 从24 s以后北大别还出现局部低速来看, 华北平原从低速向高低相间分布过渡, 并且在32 s的这种相间分布有切断郯庐断裂带的趋势, 使郯庐断裂带显示出分段性特征. 江汉盆地、 南襄盆地低速逐渐消失, 鄂西隆起、 鲁西隆起从高速逐渐变为低速.

3 讨论与结论

本文在叶庆东等(2014)研究结果的基础上, 同时对瑞雷波与勒夫波的相速度进行层析成像, 根据图6并结合图5可以看出, 虽然瑞雷波与勒夫波的敏感深度不一样, 但大致框架相同. 与前文中勒夫波群速度一样, 在短周期(8 s)表现出完全相同的特征, 速度分布与地表构造单元相吻合. 一般认为层析成像的好坏除了用分辨率和检测板进行评价之外, 与地质结构单元的吻合也是一个衡量标准(房立华等, 2013), 所以本文中这种速度分布与地表构造单元的吻合从侧面也证明了反演的可信度.

瑞雷波和勒夫波16 s的速度分布与8 s的速度分布相类似, 这主要有3个方面的原因: 一是相速度频散虽然对1/3—1/2个周期的深度比较敏感, 但是由于其纵向分辨率较差, 是一定深度范围内的综合作用结果, 所以依然受到地表地质构造单元的影响; 二是高压变质岩纵向分布达到10 km或者略深(Xuetal, 2001; 杨文采, 余长青, 2001; 黄耘等, 2011); 三是徐纪人等(2003)及赵志新和徐纪人(2009)研究表明, 大别-苏鲁地区相对于其周围地区中地壳的速度也略高.

王椿镛等(1997, 1999)人工地震剖面结果表明, 相对于全球标准模型AK135模型(Kennetetal, 1995), 大别地区P波速度在地壳内普遍都偏高, S波速度在上地壳偏高, 中地壳偏低, 下地壳又稍高. 由于扬子块体向华北块体的俯冲, 地幔顶部存在高速异常体(Xuetal, 2001), 而频散给出的又是一种平均结果, 所以总体呈现出高速是可以接受的. Luo等(2011)利用背景噪声瑞雷波相速度分布反演了大别地区的S波速度, 在大别东南段(116°—117.5°E, 31°—32.5°N)的中地壳也发现了大面积的低速区域. 他们认为这可能与高压变质岩折返时造成的脆性破裂有关. 这在本文瑞雷波和勒夫波24 s和32 s的相速度分布图上也得到了体现.

为了进一步比较大别地区与苏鲁地区频散的异同, 对大别造山带和苏鲁造山带瑞雷波和勒夫波各个点的频散求平均, 其结果如图7所示. 可以看出, 大别造山带瑞雷波的频散与全球标准模型AK135模型的频散类似, 而苏鲁造山带20 s以后的相速度则低于AK135模型的频散. 一个有趣的现象是, 无论是大别造山带还是苏鲁造山带勒夫波频散均高于AK135模型计算出来的频散, 这可能意味着这两个地区有比较强烈的径向各向异性.

图7 大别造山带(a)和苏鲁造山带(b)的瑞雷波和勒夫波平均频散曲线与AK135模型理论频散曲线的比较. 误差棒表示±1倍的方均差

本文仅仅讨论了瑞雷波和勒夫波的频散分布, 尚未定量分析不同深度上的速度特征, 且未作更深入的分析. 我们下一步的研究是利用纯路径频散反演该地区的三维S波速度结构以及径向各向异性, 并进行更为详细而深入的讨论.

中国地震局地球物理研究所“国家数字测震台网数据备份中心”和中国数字地震台网为本研究提供地震波形数据, 张旭博士对本研究提出宝贵意见和建议, 广西壮族自治区地震局阎春恒和中国地震局地球物理研究所王生文对本文插图的绘制给予帮助, 审稿专家对本文提出了宝贵意见. 作者在此表示由衷的感谢.

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Phase velocity tomography of Rayleigh and Love waves in Dabie-Sulu and its adjacent areas from ambient seismic noise

1)InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China2)DepartmentofGeophysics,SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China3)InstituteofDisasterPrevention,HebeiSanhe065201,China

We used the same seismic data as the published paper “Love wave group velocity tomography in Dabie-Sulu and its adjacent areas from ambient seismic noise” by the author in 2014 and obtained more than 5000 Rayleigh wave velocity dispersion curves and 4000 Love wave phase velocity dispersion curves by frequency-time analysis (FTAN). Then, we constructed the Rayleigh and Love wave phase velocity maps at the period of 8—32 s. The results of Rayleigh wave is consistent with those of Love wave. The phase velocity maps at 8 s are well correlated with surface geological features. Orogenic belts and uplifts reveal high velocity anomaly, and the basins exhibit different levels of low velocity anomaly due to the different scales of deep sediments. The high velocity feature in the Dabie and Sulu regions becomes successively less prominent from 16 s to 32 s, but always exists. The high velocity anomaly from 16 s to 24 s may be controlled by the high velocity in the middle crust, while high velocity at 32 s may be influenced by the high velocity structure of uppermost mantle. The average dispersion curves of Love waves in Dabie and Sulu orogenic belts are all higher than the theoretical dispersion curves of AK135 model, whereas the dispersions of Rayleigh waves are not, possibly suggesting strong radial anisotropy in Dabie and Sulu orogenic belts.

ambient noise; Rayleigh wave; Love wave; phase velocity inversion; Dabie-Sulu orogenic belt

10.11939/jass.2015.01.003.

地震行业科研专项(201308011)资助.

2014-04-15收到初稿, 2014-07-28决定采用修改稿.

e-mail: yeqingdongg@126.com

10.11939/jass.2015.01.003

P315.3+1

A

叶庆东, 丁志峰, 郑晨, 吕苗苗, 陈浩朋, 吴萍萍. 2015. 大别-苏鲁及其邻近地区基于背景噪声的瑞雷波和勒夫波相速度层析成像. 地震学报, 37(1): 29--38.

Ye Q D, Ding Z F, Zheng C, Lü M M, Chen H P, Wu P P. 2015. Phase velocity tomography of Rayleigh and Love waves in Dabie-Sulu and its adjacent areas from ambient seismic noise.ActaSeismologicaSinica, 37(1): 29--38. doi:10.11939/jass.2015.01.003.

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郯庐断裂带及两侧地区强震异常特征分析
我的课题我做主(连载)