山西地区地壳S波速度结构

周　铭　徐朝繁　耿　伟　魏运浩

1　中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002 2　山西省地震局长治中心地震台，长治市新营街135号，046000



山西地区地壳S波速度结构

周铭1徐朝繁1耿伟2魏运浩1

1中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002 2山西省地震局长治中心地震台，长治市新营街135号，046000

利用山西及周边共44个宽频地震台2014-01～07地震噪声数据，反演瑞利波群速度和相速度频散，得到研究区域的三维剪切波速度。上地壳中，山西断陷带表现为较低的速度异常，而两侧的隆起区则显示高速异常；中下地壳主要表现为以北纬38.5°左右为界的南高北低的速度特征。大同盆地从浅部到中下地壳整体呈现为低速特征，与该地区广泛存在的火山群有关。

山西断陷带；群速度；相速度；背景噪声

研究山西地区的地壳结构，对解释该地区的深部构造以及鄂尔多斯块体和华北盆地之间的耦合关系等地球动力学问题具有重要的科学意义[1]。学者们利用不同的方法对山西断陷带进行了大量研究，如人工地震探测[2]、面波层析成像[3-4]、体波层析成像[5]、背景噪声层析成像[6]等。但这些研究方法存在一些不足，如人工地震剖面较少，不足以覆盖整个山西地区。面波层析成像方法因震源信息的不确定性会影响反演的结果，同时由于该方法利用中长周期的面波数据反演速度结构，主要反映的是上地幔岩石圈的物质和速度结构，缺少精细的地壳速度结构。远震体波层析成像中，震源位置分布的不均匀性可能会使研究区域的分辨率降低。而背景噪声层析成像不依赖于地震的发生，且不受震源分布不均匀性的影响，可以获得高质量的高频面波信息。由于短周期的频散对浅层的S波速度较敏感，因此能够更准确地约束地壳和上地幔的结构。陈强森等[6]利用背景噪声数据反演鄂尔多斯块体及南缘地区速度结构，得到了0～80 km的S波速度结构。但其主要研究了区域构造单元的差异，研究尺度较大、分辨率低，无法提供山西地区更为细致的速度结构。本文利用山西地区的宽频地震台连续波形记录，反演研究区域的瑞利面波速度结构和剪切波速度结构，分析该地区的深部构造，并探讨其动力学意义。

1　数据来源和处理方法

收集2014-01～07山西及周边省份44个地震台(包括35个宽频台站和9个甚宽频台站，见图1)的三分量数据连续波形数据。 将原始数据由seed格式转化为标准的sac地震数据格式。为计算方便，以1 h为间隔将连续数据按照GMT时间进行切割。

图1　台站分布图和研究区域地形图Fig.1　Distribution of seismic stations in the study regions

数据处理遵循背景噪声层析成像方法[7]。对单台数据进行去仪器响应、带通滤波(0.01～0.5 Hz)、去均值、去趋势，对连续记录数据进行重采样(1 Hz)以及频率域归一化处理。每两个台站之间进行互相关计算，将7个月的互相关数据叠加得到经验格林函数。利用时频分析和相位匹配技术提取瑞利波群速度和相速度频散曲线。最后，根据提取的频散数据得到不同周期的路径覆盖数目和不同周期的路径覆盖情况。 瑞利波的群速度和相速度在8～30 s之间具有较多的覆盖路径测量数目，30 s以后随着周期的增长，路径覆盖数目减少。

通常，不同周期的面波对不同深度的地球结构敏感，短周期内的群速度和相速度倾向于反映近地表物质的组成，长周期与地球深部构造密切相关。由于断陷盆地在浅层多被沉积层覆盖，而沉积层速度较低，所以群速度和相速度在短周期中显示低速特征。图2为横跨不同地质构造单元的台站对之间的瑞利波群速度和相速度频散结果。在中短周期内(<24 s)，横穿断陷盆地的JIC-XAX台站对和LCH-LNQ台站对得到的频散曲线表现出低于研究区域平均群速度和平均相速度的特征，说明短周期的速度值可能受到浅层沉积层的影响，显示低速特征。LCH-LNQ台站对的速度值高于JIC-XAX台站对，可能与两个地区的沉积层厚度不同有关。QSH-SUDE台站对的频散在短周期均高于平均速度值，是因为该地区的基底较浅。周期大于24 s之后，JIC-XAX台站对的速度随着周期逐渐增长，最后高于平均频散速度；LCH-LNQ台站对依旧表现出较低的速度特征，说明该区域中下地壳可能存在低速区；位于断陷带西侧的QSH-SUDE台站对没有出现这一低速特征，说明该地区可能没有明显的低速层存在，是一个比较稳定的区域。

图2　不同区域群速度和相速度频散对比图Fig.2　Group velocity and phase velocity dispersion curves measured from station-pairs located in different tectonic units

2　群速度和相速度层析成像

根据瑞利波群速度和相速度混合路径频散，利用Occam反演得到面波群速度和相速度值。利用检测板测试方法来确定研究区域的网格划分和分辨率。在检测板测试中，初始模型的速度值为2.7 km/s,扰动值为±0.135 km/s,网格划分为0.4°×0.4°，分辨率为0.8°×0.8°。经过测试可以看出，黑色实线勾勒的范围中分辨能力较好(图3)。

图3　射线分布和测试结果Fig.3　Distribution of ray paths and results

利用某一周期在n条混合路径上的群速度和相速度值，可反演得到该周期的瑞利面波群速度和相速度的横向分布图。图4显示了瑞利波在8 s、15 s、20 s、25 s和30 s的群速度和相速度层析成像结果，图5为相应的深度灵敏核图。

由图4可见，周期为8 s和15 s的瑞利波群速度分布主要反映的是地壳浅层速度结构特征，山西断陷带两侧的吕梁山隆起和太行山隆起表现为低速特征。周期为20 s和25 s的群速度分布结果显示，太原盆地、临汾盆地和运城盆地依旧表现为较低的速度特征，而大同盆地低速特征和短周期的速度特征相比更加明显；吕梁山隆起和太行山隆起依旧表现高速特征，并且高速的范围明显缩小。周期为30 s的群速度结果主要反映的是中下地壳的速度结构，大同盆地依旧显示低速特征，断陷带南段低速特征逐渐减小并消失，太行山隆起依旧表现为高速特征。以北纬38.5°左右为界，整体呈现南高北低的速度特征。

图4　周期为8 s、15 s、20 s、25 s和30 s的群速度和相速度层析成像结果Fig.4　Inversion results of group velocity and phase of Rayleigh wave at periods 8 s、15 s、20 s、25 s and 30 s

图5　瑞利波群速度和相速度深度灵敏核Fig.5　Group velocity and phase velocity sensitivity kernels of Rayleigh and Love waves at different periods

周期为8 s的相速度异常与研究区域的地表地质构造单元存在较大的关联性，断陷带呈现为较低的速度特征，而断陷带两侧隆起则表现为较高的速度特征，断陷带与两侧隆起的边缘被清晰地勾勒出来。周期为15 s时，研究区域的整体特征依旧表现为断陷带较低、两侧较高的速度特征，不同的是大同盆地的低速特征向盆地边缘扩张。周期为20 s和25 s的相速度分布特征显示，大同盆地依旧表现为低速，忻定盆地、太原盆地、临汾盆地和运城盆地的低速特征逐渐消失；太原盆地表现为低速特征。周期为30 s的相速度层析成像结果显示，以北纬38.5°左右为界，速度特征为南高北低。

从图5中可以看出，短周期的群速度和相速度通常对浅部的剪切波比较敏感，而中长周期的数据对深部的剪切波更为敏感。

3　SV波速度结构

在不同深度范围，面波在约束剪切波速度结构和横波速度横向变化方面能提供有用的信息[8]。面波频散是各层厚度h、密度ρ、纵波速度α和横波速度β的非线性函数，其反演计算实质上是一个多极值问题的求解。对瑞利波而言，每层有4个待求参数(h,ρ,α,β)，因此，n层模型就有4n个参数。研究表明，并不需要把所有的模型参量都作为独立变量进行反演，因为面波频散函数对纵波速度、横波速度及密度变化的灵敏度不一样。对瑞利波而言，虽然在某些周期范围内密度是一个重要的变量，但起主要作用的仍然是横波速度。因此，每层待反演的参数实际上可以只考虑厚度及横波速度两个未知量[9]。密度及纵波速度均作为非独立变量，纵波速度可根据经验关系由波速比求得，密度利用经验公式[10]由S波速度计算求得。根据从群速度提取的每个网格点纯路径频散曲线，利用Herrmann等[11]开发的线性程序来反演每个网格点下方的剪切波速度，将这些点的速度结构组合起来得到三维的S波速度结构。本文根据横穿研究区域的人工地震剖面参数作为S波初始速度模型，反演S波速度结构。

利用瑞利波群速度和相速度反演获得研究区域1～45 km的三维SV波速度结构(图6)。深度为5 km的S波速度结构分布图显示，山西断陷带中，运城盆地、临汾盆地、太原盆地以及忻定盆地表现为低速特征，山西断陷带两侧的吕梁山隆起和太行山隆起表现为高速特征，盆地和山区的速度异常与地表地貌和地表地形具有较好的关联性。研究区域的速度差异还体现在以北纬38.5°左右为界，呈现南低北高的特征。断陷盆地的低速特征也存在一定的差异，较强的低速异常出现在临汾盆地和太原盆地。15 km的剪切波速度分布主要显示了上地壳的速度分布特征。运城盆地、临汾盆地、太原盆地和忻定盆地依旧表现为低速特征，但是临汾盆地、太原盆地和忻定盆地的低速较弱，较强的低速异常分布在运城盆地和大同盆地，暗示在该深度大同盆地可能存在低速异常；太行山隆起和吕梁山隆起北段则表现为高速特征，说明这些区域由地表到该深度可能没有较大的速度变化，整体表现为断陷盆地低速、隆起高速的特征，最大的高速异常出现在吕梁山隆起。 25 km深度的S波速度分布主要揭示中地壳的速度分布特征。主要的断陷盆地出现了与浅部不同的速度特征。运城盆地、临汾盆地、太原盆地和忻定盆地显示为高速特征，临汾和太原盆地交接处以及大同盆地显示为明显的低速特征； 两侧的吕梁山和太行山隆起依旧表现为高速特征，吕梁山隆起的速度明显大于太行山隆起的速度。35 km的剪切波速度特征为：运城盆地、临汾盆地、太原盆地和忻定盆地出现了与浅部速度结构相反的特征，表现为较高的速度特征，而大同断陷盆地依旧表现为低速特征，该深度的速度特征主要显示了下地壳的速度特征。在临汾盆地和大同盆地交接处25 km深度发现低速特征消失，在35 km深度表现为高速异常。

图6下部为剖面AA′和BB′的剪切波随深度变化的垂向截面图。AA′剖面西起吕梁山隆起、跨过太原盆地向东到达长治盆地。太原盆地到长治盆地地表具有较厚的沉积层，所以在浅层显示了较低的速度特征。同时由于沉积厚度的不同导致了两个盆地的低速异常厚度不同，太原盆地的沉积厚度明显大于长治盆地的厚度。吕梁山隆起具有较浅的结晶基地，所以其隆起表现为明显的高速特征。随着深度的增加，剪切波速度也逐渐增大，中下地壳速度结构比较均匀，没有较为明显的速度异常存在。剖面BB′穿过运城盆地、临汾盆地、太原盆地、忻定盆地和大同盆地，盆地下方

图6　深度为5 km、15 km、25 km和35 km的剪切波速度结构及剖面位置图和图中所示测线AA′和BB′垂直截面剪切波速度Fig.6　Results of shear wave velocity of 5 km，15 km，25 km and 35 km，and locations of the profiles of AA′， BB′，S wave velocity structure of two profiles AA′ and BB′

的低速异常由南向北逐渐减弱，运城盆地的低速异常最厚，大同盆地的低速异常最薄。随着深度的增加，运城盆地、临汾盆地和忻定盆地中下地壳表现为较高的速度特征，而临汾盆地和太原盆地交接处下方则显示为较弱的低速特征，大同盆地的中下地壳则存在一个明显的低速异常。

4　讨　论

本文利用噪声成像技术获得了山西地区的SV波速结构特征。深度为5 km时，吕梁山隆起和太行山隆起因为具有较浅的结晶基地，表现为较高的速度特征。山西断陷带多为沉积盆地，所以显示了低速的特征，其低速异常一直从地表沉积延伸到地下15 km左右，将吕梁山和太行山隆起的边界清楚地勾画出来。以往的研究表明，断陷盆地的地热场值较高，两侧隆起地热场值较低[12]；山西地区的大多数地震集中在5～15 km深度的断陷盆地内[5]。这些证据都说明，山西断陷带构造活动相比两侧的隆起是一个构造软弱带。这个软弱带作为鄂尔多斯地块和华北盆地之间的过渡带，吸收了两侧构造单元的应力和位移之间的差异。山西断陷带内部强烈的地震活动，释放了由于两边的差异运动而积累的应变或能量[1]。

深度为25 km的剪切波速度分布图中，断陷盆地的低速逐渐消失，开始表现为高速特征，而大同盆地依旧表现为低速，其他成像方法也显示大同盆地在该深度存在低速异常[3,13]。剖面图BB′结果显示，大同盆地下地壳30～35 km存在低速特征，这与张建师等[2]人工地震勘探的结果一致。前人在该区域发现了大面积的新生代幔源岩浆岩出露[1]，反映了该地区有过强烈的岩浆活动。该地区的低速异常可能与地幔热物质上涌和地壳物质混杂有关。

剖面图BB′中可以看到，临汾盆地和太原盆地交界的下方中地壳存在一个低速异常而下地壳为高速异常。接收函数的结果[1]显示，临汾盆地和太原盆地的形成和发育方式存在差异，两个盆地内部发生的较大震级地震的震源机制和断层走向不同。山西断陷带由南向北的构造运动依次减弱，太原盆地恰好处于断陷带“S”形的中间位置。该地区是一个明显的地震密集区[3]，地震活动水平较高，大地热流值较高。推测山西断陷带在临汾盆地和太原盆地交界处分成了南北两个部分，其两侧的构造运动和构造应力并不相同，从而导致了该地区地幔热物质上涌而造成太原盆地剪切波速度较低。

吕梁山(大约38°～41°N，110°～112°E)从地表至30 km深度均呈现高速异常，与前人研究结果一致[14]。该地区恰好位于鄂尔多斯块体的东缘。鄂尔多斯块体位于华北克拉通西部，内部稳定，具有较好的整体性，内部没有发生过6级以上的大地震[6]。地球物理探测表明，该区壳内速度结构呈正梯度，无壳内低速层，超过200 km的克拉通根基坚固稳定，没有活化和改造的迹象[4]，具有典型的大陆克拉通岩石圈结构特征。所以，该地区的高速异常与其相对稳定的速度结构有关。

5　结　语

本文利用背景噪声层析成像两步法，对山西及周边地区44个台站的连续背景噪声数据进行反演，得到了该区域的群速度和相速度分布特征。短周期的速度特征主要与地壳浅层的地质构造和地貌相关联：断陷盆地浅层由于大量沉积物的堆积，在短周期显示为低速特征；两侧的隆起地区则由于具有较浅或者出露的基岩，从而具有较高的速度分布。随着周期的增加(长周期的速度特征主要反映了中下地壳的结构特征)，速度结构反映的深度范围也逐渐增加。研究区域在长周期的速度差异主要表现为以北纬38.5°左右为界呈现南高北低的特征。浅层剪切波速度很好地反映了浅层地壳的横向结构变化，断陷盆地的沉积层以及黄土高原的沉积是造成这些低速异常的主要原因。断陷带两侧的隆起由于具有较薄的盖层，所以显示为高速特征。中下地壳的大同盆地低速特征与该地区分布较广的火山群有关。位于具有稳定克拉通性质的鄂尔多斯块体东缘的吕梁山隆起则表现为高速的特征。由于鄂尔多斯块体的逆时针旋转和华北盆地的拉伸作用，导致山西断陷带从南到北开始拉张，断陷盆地中下地壳存在的低速异常有利于断陷盆地的形变和形成，同时高热流值也说明山西断陷带是一个构造软弱带。而位于S形断陷盆地中间部位的临汾盆地和太原盆地交接处存在的低速异常可能说明，断陷盆地以该地区为界南北两侧存在构造运动和构造应力差异。

谨以此文向中国地震局地球物理勘探中心成立60周年献礼！

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About the first author:ZHOU Ming，assistant engineer, majors in ambient noise tomography, E-mail: zmplay1234@163.com.

The Crustal S-Wave Velocity Structure of Shanxi Region

ZHOUMing1XUZhaofan1GENGWei2WEIYunhao1

1Geophysical Exploration Center，CEA，75 Wenhua Road, Zhengzhou 450002，China 2Changzhi Digital Seismic Network，Earthquake Administration of Shanxi Province, 135 Xinying Street, Changzhi 046000，China

In this paper, we use ambient noise tomography to study the Shanxi regional crustal velocity structure and deep tectonics.The data includes 7 months (2014 January to 2014 July) three-component continuous data recorded at 44 seismic stations of Shanxi province digital seismic networks and its surrounding . The S-wave velocity structure of the crust is inverted from Rayleigh wave dispersion maps. The S-wave velocity maps show clear lateral variations that correlate well with major geological structures and tectonic units in the study regions: in the upper crust, S-wave velocities of the Shanxi fault depression zone are relatively low at shallow depth, while the uplifts on sides of Shanxi fault depression zone show high velocity. In the mid-lower crust, the latitude ～38.5°N divides the region into a northern part with a low velocity anomaly and a southern part with a high velocity anomaly. Datong basin shows low velocity in the crust,possibly related to the wide distribution of volcanoes.

Shanxi fault depression; group velocity; phase velocity; ambient noise

Active Fault Detection of Changzhi, No.GK-C-2Ⅱ.

2015-09-02

周铭，助理工程师，主要从事背景噪声层析成像研究，E-mail：zmplay1234@163.com。

10.14075/j.jgg.2016.10.015

1671-5942(2016)010-0912-06

P315

A

项目来源：长治市活断层探测项目(GK-C-2Ⅱ)。