唐山及邻区双差层析成像研究

郭 蕾, 张素欣, 王 宁, 周 依

(河北省地震局, 河北 石家庄 050021)

0 引言

唐山地区位于东西向阴山—燕山南缘活动构造带与NNE向冀鲁断块拗陷交汇处,是EW向重力高值带与NE向重力高值带的相交部位,区内多组断裂带交汇发育,构造环境较为复杂,具备强震孕育环境[1]。震惊中外的1976年唐山7.8级大地震便是发生在唐山断裂附近,震后由于老震区地壳介质相对破碎,常通过蠕滑降低应力状态,不易积累到较高的应力水平。唐山地区地震序列强度和频次总体随时间呈现阶段性衰减的趋势,但地震强度衰减较慢且存在起伏[2]。1991年和1995年发生的5.6级和5.4级地震,是唐山7.8级地震快速衰减后较显著的两次地震,然而2012年5月28日又发生了一次4.8级地震,与序列强度衰减趋势相比震级明显偏高。唐山地区ML4以上的地震从2004年开始存在2年的发震韵律及成对发生的特征[3],但2015年的9月14日发生的ML4.8地震打破了唐山地区这一发震特征。2016年以来该区3级以上地震频次显著增强且地震多数发生在唐山的东部区域,3级地震密集发生后出现长时间的3级地震平静,这些现象可能预示着唐山地区地震的活动特征有所改变。Brich[4]研究表明,地震的孕育与发生是应力积累和释放的过程,在这个过程中通常会引起地震波速的变化。因此,获取唐山老震区的精细三维速度结构对进一步分析该地区孕震环境、地壳应力状态及地震活动特征都具有重要的意义。

近年来,层析成像技术在唐山地区得到广泛应用,并取得一系列成果。朱露培等[5]通过频谱参数化的方法得到京津唐张地区的速度结构,发现研究区内大多数强震发生在低速区向高速区过渡的梯度带。赖晓玲等[6]采用三维射线追踪的方法重建了唐山地区莫霍面构造形态。于湘伟等[7-8]选择近震层析成像法和双差层析成像法反演京津唐地区中上地壳三维P波速度结构,发现该区P波速度结构存在明显的横向不均匀性;唐山地区下部的低速异常约在25 km。赖晓玲等[9]利用临时密集台阵资料发现唐山上地壳速度在唐山断裂两侧存在明显速度差异,唐山断裂为速度陡变带,北西侧为高速区,东南侧为低速区。杨歧焱等[10]采用SIMULPS14的算法获得张渤地震带及邻区的三维P波速度结构,发现唐山地区上地壳呈P波高速异常,其下方20 km则为低速异常。尽管前人在唐山地区获得了很好的研究成果,但是利用不同方法得到的结果仍存在一定程度上的差异,针对该区的速度结构仍需要进一步的研究。本文利用唐山地区2010—2018年76个固定地震台网直达波走时数据,采用双差层析成像的方法,联合反演了唐山及其邻区中上地壳的震源位置和三维P波速度结构,分析探讨地震活动与速度结构之间的关系。

1 数据和方法

1.1 双差层析成像方法简介

Zhang等[11-12]在双差定位方法的基础上提出了双差层析成像方法,该方法通过绝对走时和相对走时数据结合来实现三维速度结构和震源参数的联合反演。假设两相邻地震的距离远小于其到同一台站的距离,则认为它们到同一个台站的路径相似,可忽略速度结构的差异。根据射线理论,地震事件i到地震台站k的体波到时可以表示为积分形式:

(1)

式中:τi为地震事件i的发震时刻;u代表慢度,其中震源坐标(x1,x2,x3)、发震时刻、射线路径及慢度未知。将式(1)在震源处展开为一阶Taylor级数得到线性方程:

(2)

(3)

双差层析成像方法结合地震事件的绝对走时数据和地震事件对的相对到时差数据,有效克服了双差定位方法计算过程中忽略速度差异造成的影响从而只能获得相对定位的缺陷和传统近震层析成像方法需要获取精确震源参数的缺点[13]。该方法通过速度结构的适当调整提高地震定位的精度,而地震定位精度的提高又可以降低由于射线路径差异造成的速度结构的误差,进而提高速度结构反演的精度[14]。因此双差层析成像方法可以得到比标准层析成像更精确的精定位和速度结构结果。

1.2 数据处理

本文系统收集和整理唐山及邻区(图1)2010—2018年间发生的中小地震的震相到时数据,并对事件的震相进行人工整合和精确的识别。数据处理之前,人工筛选震相资料进行逐一检查并去除重复地震。为进一步确保三维速度结构反演中有足够多射线的均匀覆盖和高精度的数据,筛选的数据应满足以下条件:(1)震级为ML≥1的地震;(2)定位精度为Ⅰ类的地震;(3)所选用的地震至少被4个台站记录到;(4)震中距小于200 km;(5)通过震相走时曲线剔除误差较大的震相。最终获得可用的地震事件4 262个,P波走时数据72 372条(图2)。

黑色三角形为研究区内台站位置,黑色实线为断层展布,红色五角星为唐山MS7.8地震震中位置图1 研究区地质地貌、断层展布及台站分布图Fig.1 Geological geomorphology and distribution of faults and stations in the research area

图2 研究区内P波射线分布Fig.2 Distribution of P-wave ray in the study area

本文反演采用的一维初始速度模型参考了于湘伟等[7]的研究成果(表1),为了减小初始速度模型对三维反演结果的依赖性,在三维地震层析成像之前采用Kissling[15-16]提出的方法得到了京津唐地区的一维最小模型,在该区域前人的工作中,均未作此处理。根据研究区射线分布特征,水平方向网格划分尺寸为0.2°×0.2°,垂直向下的深度分别取:0 km、5.0 km、10.0 km、15 km、20 km和25 km,与速度模型的分层保持一致。

表1 一维分层速度模型Table 1 1-D stratified velocity model

2 结果分析与讨论

由于反演解的非唯一性,需对反演结果的可靠性进行评估。节点微分加权总和(dericative weighted sum-DWS)大小是判断反演结果可靠性更较为直观的方法。DWS能很好的衡量节点的射线密度[17],DWS值越大则说明穿过此节点的射线数越多,相应的模型分辨率也越高。根据前人的研究[18]我们认为在DWS大于100的区域具有很高的模型分辨率。如图3所示,95%的区域DWS值大于100,唐山断裂附近的DWS最高值达到106。

图3 研究区DWS分布图Fig.3 DWS distribution map in the study area

本文还使用棋盘检测方法[19]对反演结果的分辨率进行进一步检测。如图4所示,除0 km深度外,研究内各深度均具有较好的模型分辨率,尤其唐山断裂附近,由于该区域地震分布较集中,射线覆盖密度较大,使得该区域分辨率明显高于其他区域,与DWS结果一致。

图4 不同深度P波棋盘检测结果Fig.4 Resolution of P-wave checkerboard test at different depths in the study area

本研究采用逐步迭代反演方式,利用所选取的地震走时数据和选取的一维速度模型(表1),采用双差层析成像的方法[11],获得唐山地区的三维P波速度结构。对研究区4 262个地震进行重新定位,重定位后均方根残差平均值由原来的1.17降为0.31。对比重新定位前后的震中分布(图5、图6),可以看出重新定位后的震中位置更加集中,线性分布更明显,优势分布方向为NE向,与该区域断层走向基本一致。重新定位后震源深度主要集中在5～15 km,分布形态更接近正太分布,结果更加合理。

图5 地震重新定位前震中分布Fig.5 Distribution of epicenters before relocation

图6 地震重新定位后震中分布Fig.6 Distribution of epicenters after relocation

图7给出了0 km、5 km、10 km、15 km、20 km和25 km六个不同深度的P波速度图像及其对应深度上经过重新定位后的ML2以上地震的震中分布图。结果表明(图7),唐山地区P 波速度结构存在较强的横向不均匀性,速度变化较强烈的区域主要集中在唐山断裂周围,速度横向不均匀性在10～15 km 深度最为显著,之后随深度增加横向不均匀性减弱。唐山地区在浅层显示为高速,由于唐山地区是张渤地震带上一个隆起的块体[20]。浅层深度(0～5 km),两个NNW向高低速交界区分别于滦县—乐亭断裂和蓟运河断裂位置一致。迁安地区表现为高速异常。在地下5～10 km深度范围,唐山断裂以北存在一个明显的低速区域,滦县乐亭断南部存在低速异常,在地下10～15 km 深度研究区P波平均速度结构横向不均性显著,沿NE向的唐山断裂带有串珠状高低速的线性特征,反映了唐山断裂带是研究区的一条主要构造带。P波速度在地下20～25 km深度范围存在明显的低速特征,与接收函数的研究结果基本一致,认为可能与幔源物质大规模侵入有关[21]。总体来看,研究区P波速度的相对变化与地表地质构造和活动断裂的展布具有较好的一致性,地震多发生在高低速过渡带,且大多数地震是沿着断裂的走向展布的。

白色实线表示DWS值大于100的区域图7 研究区P波速度水平切片图Fig.7 P-wave velocity at different depths in the study area

根据唐山地区地震活动的分布特征,沿唐山断裂方向与垂直于唐山断裂方向(图8)做剖面AA′和BB′(图8)。从垂直剖面来看,唐山菱形块体的地壳具有与其周边明显不同的高、低速相间的非均匀速度结构。P波速度成像结果显示,唐山地区上地壳速度结构零碎,这可能是因为在浅层沉积层分层清晰,地层被复杂的多种形态的断层分割,十分破碎[22]。中地壳速度结构块体较大,说明中部构造较浅部更整体且断裂更加集中[9]。古冶下方高速异常区位于5～15 km深度之间,这一区域也是地震频发的地带。高速区一般与地下较脆、较强的岩体有关,具有积蓄应变能并在地震事件中释放应变能的能力[23]。地下15～20 km深度范围是P波低速异常区与高速异常区的对比强烈的地带,地下20～30 km深度为P波低速异常区,该区域有较少地震发生。从AA′剖面看,在地下3～10 km深度有一高速体,浅层地震多发生在此高速体周边高、低速交界区。从BB′剖面看,在浅部(4～12 km),速度陡变带的边界及重定位后的地震分布均近乎垂直,而在深部(18 km以下)重新定位后的地震略向西倾斜。这一现象与唐山地区深地震反射探测研究结果唐山断裂的倾向在浅部近乎直立,在深部(约22 km)向西倾斜的结论基本一致[24]。

图8 剖面位置示意及重定位后地震分布图Fig.8 Vertical profile positions and seismic distribution after relocation

唐山地区ML3.0以上地震重新定位后发现,大部分地震的震源位于P波低速异常区与高速异常区的对比强烈交接带中偏向高速的区域(图9)。研究表明[23],较高的P波速度结构表明存在较坚硬的岩层,具有积蓄应变能并在地震事件中释放应变能的能力,为地震的孕育和发生提供基础。

图9 沿AA′和 BB′轴线的速度结构剖面图(震中图例见图7)Fig.9 The velocity structure profile along the AA′ and BB′ axes (the legend of the epicenter is shown in Fig.7)

3 结论

本文使用双差层析成像方法反演获得了唐山及邻区震源位置和三维P波速度结构,结果表明:

(1) 从P波速度的水平剖面来看,唐山地区P 波速度结构存在较强的横向不均匀性,速度变化主要集中在唐山断裂带周围;沿北东向的唐山断裂带有串珠状高低速交替的线性特征,反映了唐山断裂带是研究区的一条主要构造带。

(2) 从P波速度的垂直剖面来看,唐山菱形块体的地壳具有与其周边明显不同的高、低速相间的非均匀速度结构,上地壳速度结构零碎,中地壳速度结构块体较大,预示着唐山地区浅部地层破碎,中地壳地层相对均匀。

(3) 从定位结果来看,重定后唐山及邻区地震的线性分布更明显,与该区域断层走向基本一致,绝大部分地震都位于P波速度低速异常区与高速异常区的对比强烈的交界地带;地震分布与唐山断裂的几何特征基本一致,在浅层均近乎垂直分布,而在深部则略向西倾斜。

致谢:感谢中国科技大学的张海江教授提供了TomoDD程序。