接收函数和面波频散联合反演广西北流MS5.2级地震震源区地壳速度结构

范 盼, 沈旭章*, 黄强强

接收函数和面波频散联合反演广西北流M5.2级地震震源区地壳速度结构

范 盼1, 2, 沈旭章1, 2*, 黄强强1, 2

(1. 中山大学 地球科学与工程学院, 广东省地球动力作用与地质灾害重点实验室, 广东 珠海 519082; 2.南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海), 广东 珠海 519082)

华南陆块属于比较稳定的陆块, 地震活动不论是强度还是频度都比西部和华北地区弱很多, 2019年在广西北流与广东化州交界处发生的M5.2中强地震为探讨华南板内中强地震成因提供了理想场所。本文计算了北流地震震源区布设的7个宽频带流动地震台站、120个短周期流动台站和4个固定台站的远震P波接收函数, 结合前人在该区域的面波频散曲线, 采用线性阻尼最小二乘反演算法联合反演了研究区地壳三维S波速度结构。得到如下结果: ①研究区S波速度具有明显横向不均匀性, 上下地壳速度在断裂附近存在明显差异性, 新丰断裂南侧及东侧上地壳整体S波速度较高; ②石窝断裂附近存在一条NW向连续性较好的低速带, 震中区位置10 km深处存在明显局部高速异常, 并随着深度减小异常逐渐增加, 在浅处其与焦林断裂和新丰断裂附近的高速异常汇聚成一条NNE向连续异常带; ③结合研究区地质调查结果和余震分布, 震中区的局部高速异常可能是NW向石窝断裂南西盘发生右行走滑, 并受到新丰断裂高速体的限制和互相作用发生了应力积累, 从而引发此次中强地震; ④地壳厚度泊松比反演结果显示研究区存在NE向明显地壳增厚(26～30 km), 结合华南地区应力场分析, 地壳增厚可能与中下地壳局部的NE向挤压作用相关。

北流地震; 密集台阵; 接收函数; 面波频散; 联合反演; 三维S波速度结构

0 引 言

华南陆块主要由扬子地块与华夏地块组成, 邻近印度洋板块和太平洋板块, 属于太平洋西岸活动陆缘的重要组成部分。新元古代早期, 北西侧的扬子地块与南东侧的华夏地块碰撞拼合形成江南造山带, 奠定了华南陆块的基本构造格局。此后, 华南陆块经过了诸多复杂演化过程。新元古代中期, 华南陆块经历了大洋俯冲作用, 伴随着大规模岩浆活动并导致扬子地块沉降, 形成大量裂谷盆地(Shu et al., 2021)。中生代时期, 在西太平洋板块俯冲作用下华南东南缘地区经历强烈的构造岩浆活动, 发育大量花岗岩(Huang et al., 2002)。造山运动完成后, 华南陆块整体上处于伸展构造环境。在新构造运动中, 华南陆块相对较稳定, 地震活动不论是强度还是频度都比西部和华北地区弱很多。2017年苍梧S5.4级地震和2019年广西北流S5.2级地震是近年来华南地区较为少见的中强地震, 此类板内地震发生为华南板内中强地震成因机制研究提供了理想场所, 同时也对华南地区未来地震活动趋势和抗震设防提供重要参考意义。

北流地处于华南沿海断块差异隆起区, 隆起区内主要发育的构造特征线为NE向断裂, 此外还有NW向断裂(王小娜等, 2020)。研究区内主要发育NW向石窝断裂和NE向新丰断裂及焦林断裂(图1), 北流S5.2地震发生于这三条断裂带交汇处。震后野外调查显示, 北流地震显现出椭圆形的地震烈度分布, 以NW向为主的烈度等震线长轴分布于石窝断裂南西盘。新丰断裂的最新活动性质为逆断, 而石窝断裂则显示具有正断分量的左行走滑活动性质, 但南西盘NWW向节面同震运动方向却为右行走滑(李冰溯等, 2019)。阎春恒等(2019)认为北流地震震源机制解为走滑型, 结合NWW向和NEE向的两组节面, 推测地震与NW向石窝断裂和NE向新丰断裂有关。王小娜等(2020)则指出走滑型是主震和位于主震北西约1 km处4.2级前震的共同震源机制解, 主震节面与NW向石窝断裂走向一致, NEE向为前震震源机制解节面, 4.2级前震对主震存在触发作用。He et al. (2021)发现4.2级前震向西北偏北方向破裂约1 km, 而5.2级主震向东南偏东方向破裂约1.5 km, 提出该区域具有共轭走滑断层模式。黄强强等(2022)基于背景噪声得到的深度4 km之内S波速度结构反演结果显示, 石窝断裂北西盘存在一条近NNW-SSE向的高速异常, 且震中区至新丰断裂北西盘下方存在上凸的高速异常, 该研究弥补了北流地区浅层地下速度结构的空白。前人的一系列工作对深入了解北流地震提供了重要参考, 但受观测资料限制, 北流地震震源区精细地下结构的研究仍然相对较少, 缺乏详尽的深部和浅部构造资料。高分辨精细地下速度结构为了解北流发震构造提供重要信息, 同时也可为发震机制的研究提供重要参考。

图1 北流地震震源区地形及台站分布图

接收函数和面波是目前研究地壳速度结构最为广泛的有效手段。接收函数对于速度间断面具有较强敏感度, 被广泛应用于地壳和上地幔间断面结构探测(Chen et al., 2006; 许卫卫等, 2011)、地壳厚度与地壳平均泊松比估计(Zhu and Kanamori, 2000)、壳幔剪切波速度结构反演等(Owens et al., 1984; Ammon and Zandt, 1993; Vinnik et al., 2004; 李永华等, 2006)研究。虽然可以利用接收函数反演地下S波速度结构得到研究区壳幔间断面和地下速度变化信息, 但接收函数对地下介质的绝对S波速度敏感性差, 反演结果非唯一性较强。面波频散方法主要利用面波频散特性研究S波速度结构(Yao et al., 2006; Brenguier et al., 2007; Zheng et al., 2008; Lin et al., 2014; Shen et al., 2016), 对一定范围内介质平均速度敏感, 它可为绝对速度提供较为准确的约束, 但对速度间断面深度约束较弱。Ammon et al. (1990)基于数值实验提出了接收函数和面波频散联合反演地壳速度结构的方法; Julià et al. (2000)基于线性阻尼最小二乘方法, 联合接收函数、面波群速度和相速度进行S波速度反演。近年来随着地震学迅速发展, 宽频带地震仪在野外地质工作中被大量布设, 联合反演在研究地下速度结构中得到了广泛应用并取得重要成果(Horspool et al., 2006; Chen and Niu, 2013; Shen et al., 2013; Wang et al., 2014; Sun et al., 2014; 郑现, 2016; Chen et al., 2021; 檀玉娟等, 2021; 高天扬等, 2021)。

本文运用架设于北流地震震源区及附近的短周期、宽频带流动地震台站及固定台站记录到的远震体波资料计算接收函数, 联合前人瑞雷面波相速度频散曲线(Chen et al., 2021), 对震源区地壳结构进行反演。为了抑制反演结果的不唯一性, 我们利用径向接收函数波形中来自莫霍面的Ps转换波及多次波震相与直达波的到时差对地壳厚度及波速比(P/S)进行网格叠加搜索, 得到的地壳厚度作为联合反演的约束条件。通过接收函数与面波频散曲线联合反演获取区域内不同网格地壳和上地幔一维S波速度结构。基于一维S波速度结构, 通过线性插值得到研究区三维S波速度结构。最后结合余震分布和前人在研究区内所得结果探讨北流地震的发震构造与孕震机理。

1 资料与数据处理

1.1 接收函数

本研究观测资料主要包括三部分: ①2019年10月～11月广西北流震源区架设的120台密集短周期流动台站23天观测波形; ②2019年10月～2020年10月广西北流震源区架设的7台宽频带地震仪近一年观测波形; ③2007～2011年记录将近5年的4个固定台站波形资料, 台站分布如图1所示。这些台站共记录到的震中距在30°～90°、震级M≥5.5的远震事件1649个, 且远震事件具有较好的方位覆盖范围(图2)。首选截取P波到时前20 s、后100 s的三分量波形, 剔除无清晰P波初至的记录, 再进行去仪器响应、去均值和去线性趋势等预处理。通过不同滤波参数测试, 最后选取0.02～2 Hz的带通滤波器对波形进行滤波, 以压制信号中的噪声干扰。参考地震后方位角, 将三分量波形中的南北和东西分量旋转到径向分量(R)和切向分量, 后选用系数为3.0的高斯因子使用时间域迭代反褶积算法进行接收函数计算(Liggro and Ammon, 1999)。保留P波零时刻振幅为正, 且PmS波到时清晰的接收函数, 最后共得到2885条高质量远震体波接收函数, 其中固定台计算得到2231条, 短周期流动台站共294条, 宽频带流动台站共360条。按照震中距排列和接收函数叠加的结果中可清晰看到来自Moho面的一次转换波和多次波(图3), 说明观测结果研究地壳结构的可靠性。根据在Moho面透射转换点分布, 我们将研究区所有接收函数划分到图4所示网格中, 其中有接收函数分布的网格总计18个, 后续将对这18个网格内速度结构进行反演。

图2 远震事件震中分布图

(a) 流动台站(短周期和宽频带台站)所有接收函数; (b) 固定台站所有接收函数。

1.2 瑞雷面波相速度频散曲线

Chen et al. (2021)利用地震波形资料, 得到了南海及邻区0.5°×0.5°的瑞雷面波相速度频散曲线, 并据此对整个南海区域地壳及上地幔结构进行了反演。我们选取该资料中21.5°～23°N, 110°～111.5°E区域内的面波频散曲线(图5a), 根据前面划分的网格对瑞雷面波相速度频散曲线进行线性插值, 得到了研究区域内0.25°×0.25°的瑞雷面波相速度频散曲线(16～120 s)。剔除无接收函数分布和频散曲线异常的网格, 最后得到17个网格点下方瑞雷面波相速度频散曲线用于后续联合反演。

1.3 地壳厚度与波速比

线性反演对初始模型的依赖性较高, 因此构建合理初始模型对于反演结果的可靠性和准确性非常重要。本研究大部分接收函数波形上可以看到清晰的Moho面一次转换波PS和两个多次波, 这些信息对地壳厚度和波速比起到较好的约束作用, 进而用于初始模型的构建。我们进一步选取了接收函数中PS震相和PPPS及PSPS多次波震相的清晰资料, 通过搜索叠加确定了不同网格内地壳厚度和波速比(图6)。由于部分网格内接收函数多次波不清晰, 不能得到可靠地壳厚度和波速比, 最后挑选了11个网格内的接收函数分别进行地壳厚度和波速比的计算, 通过线性插值得到了研究区的地壳厚度分布和波速比分布(图7)。研究区的地壳厚度在NE方向上出现了明显的地壳厚度增厚, 地壳厚度和地形之间呈现了一定相关性, 地表起伏大的区域地壳更厚。在石窝断裂附近存在较高的波速比。同时, 图7也显示了余震的时空分布, 余震主要集中在新丰断裂西侧, 石窝断裂南侧, 震源深度以3～9 km为主。

蓝色数字代表网格名称, 红色数字代表网格内接收函数数量。

Fig.4 The grid division diagram of the study area

2 联合反演

Julià et al. (2000)的联合反演方法表明, 在面波的约束下, 有利于降低接收函数单独反演的非唯一性问题。利用面波频散曲线和P波接收函数反演地壳及上地幔S波速度的问题都可以转换为对方程求解的问题, 即

式中:表示观测数据;表示反演待求量;[]表示对作非线性运算。在联合反演时,表示待求地下S波速度; 当确定层厚的数值时, 非线性方程(1)可迭代转换成线性问题进行求解。

图5插值前(a)和插值后(b)的频散曲线

图6 网格2内的地壳厚度及波速比叠加搜索结果(a)和接收函数及预测的Moho面转换波及多次到时(b)

颜色深浅大小不同的圆圈表示余震, 颜色由蓝到红, 震源深度越深, 对应图内部的色标; 圆的直径越大, 震级越大。

式中:2表示分辨与稳定性之间的折衷系数;·δλ表示相邻两层间的S波速扰动的一阶差矢量。在联合反演过程中, 由于接收函数和面波频散曲线数据点数对反演结果存在影响, 因此Julià et al. (2000)给出了联合反演误差:

式中:y和z分别表示面波频散和接收函数的残差;Y和Z分别表示面波频散和接收函数对应的偏微分矩阵;N和N分别表示与两者分别对应的数据点数;σ2和σ2分别表示与两者对应的协方差;表示面波频散和接收函数之间的相对影响系数, 取值范围为0～1。为了使面波频散和接收函数对联合反演误差均等, Julià et al. (2000)引入权重系统方程:

为了使得联合反演误差实现最小化, 反演过程中的线性迭代首先应满足(4)式极小化, 再根据(6)式实现误差最小, 其中a2=/Nσ2,β2=(1−)/Nσ2。

本文联合接收函数和面波资料, 采用线性阻尼最小二乘反演方法, 反演研究区不同网格地壳和上地幔S波速度结构。反演程序采用Herrmann and Ammon (2002)编写的CPS330软件包。联合反演时每一个网格内单独进行反演。初始模型设置为地壳和上地幔两部分, 初始模型中的地壳厚度参考地壳和波速比结果, 地幔速度设置为4.4 km/s, 每个网格内选取以地壳和地幔速度均为3.5 m/s, 反演得到的地壳速度作为地壳初始速度模型, 速度模型中每层层厚为1 km。基于每个网格内的层状速度模型, 联合接收函数和面波频散曲线反演每个网格点下方地壳上地幔速度结构。通过测试, 在反演中接收函数和面波频散曲线的权重分别为0.5和0.5。

3 结果与讨论

本文利用接收函数和面波频散, 对研究区16个网格分别进行了一维S波速度结构联合反演, 舍弃了接收数量极少且波形中Moho面一次波不清晰和频散曲线异常的两个网格。图8展示了网格1内联合反演结果。

(a) 红色实线表示联合反演获得的S波速度结构, 黑色虚线为反演所选用的初始模型; (b) 小圆圈表示实际面波频散数据, 红色实线为联合反演拟合的面波频散曲线; (c) 黑色实线代表实际接收函数, 红色实线为联合反演拟合的接收函数。

在得到研究区每个网格点的一维剪切波速度结构后, 对一维剪切波速度通过线性插值获得了整个研究区的壳幔三维剪切波速度结构。为了进一步探讨S波速度结构揭示的构造意义, 将地壳分为上部地壳和中下部地壳(以12 km为界)两部分进行展示。

在上地壳不同深处S波速度水平切片上, 可以看出S波速度具有明显的横向不均匀性, 且在不同深度表现出不同的特征。新丰断裂南侧及东侧剪切波速度整体偏高; 在2～8 km深处, 石窝断裂周围存在一条NW向低速异常带, 这条低速带主要集中分布于石窝断裂北端, 随着深度变浅低速异常分布区域增大; 此外, 在地震发生位置(三条断裂的交汇处)出现局部高速异常, 而12 km的S波水平速度切片上并无这种高速异常(图9)。这种局部高速异常在10 km处出现, 并随着深度的减小异常逐渐增加, 在浅处其与焦林断裂和新丰断裂南侧的高速异常汇聚成一条NNE向连续高速异常带。12 km以下不同深度S波水平速度切片结果(图10)显示, 石窝断裂附近存在着往深处延伸的高速异常, 而上地壳内石窝断裂附近存在低速异常, 同时, 新丰断裂南侧及东侧S波速度在浅层表现的高速特征也随深度的增加逐渐消失, 由此我们推测断裂主要存在于上地壳。

此外本文分别沿着平行于石窝断裂和新丰断裂的方向各选取了三条剖面(图11), 来探讨研究区存在的高低速异常与构造的关系。其中AA′、BB′、CC′剖面平行于新丰断裂。三条剖面左端由北向南在0～10 km深度S波速度逐渐增加; AA′和BB′剖面上地壳高低速交界部位分布较多余震, BB′较AA′剖面存在数量更多深度更深的余震事件, 这些余震主要集中于剖面左侧的焦林断裂附近; 其中BB′剖面中部是震源区所在位置, 表现出了延伸至10 km深度的明显高速异常; CC′剖面贴近新丰断裂, 整个剖面左侧形成高速区, 对应着新丰断裂南侧位置。DD′、EE′、FF′剖面平行于石窝断裂切过新丰断裂。EE′和FF′剖面显示在石窝断裂南西盘, 新丰断裂西侧的上地壳存在大量余震, 这些余震同样分布在高低速交界部位。这三条剖面左侧位于石窝断裂附近, 存在明显的低速异常, 延伸深度达7～8 km, 长度与剖面经过的石窝断裂长度基本一致。此外, 在DD′和EE′两个剖面上, 震源区附近也存在着凸起的相对高速异常, 其中DD′剖面靠近震源区, 高速异常更明显。

图9 浅层S波速度结构不同深度水平切片

图10 深层S波速度结构不同深度水平切片

水平速度剖面和垂向速度剖面结果揭示, 石窝断裂附近存在延伸深度约7～8 km处低速异常, 新丰断裂南侧深度约10 km处存在高速异常。结合石窝断裂右行走滑性质、震源机制解节面近NW向展布(闫春恒等, 2019; 李冰溯等, 2019; 王小娜等, 2020)、新丰断裂西侧沿着焦林断裂两盘和石窝断裂南西盘分布的余震分布, 以及位于三条断裂中间震中区的地表隆起地形(剖面BB′和剖面EE′), 我们推测此次北流地震可能是由石窝断裂南西盘发生右行走滑且受到新丰断裂高速体的阻挡及相互作用, 发生应力积累与快速释放导致, 震中受挤压应力积累作用的区域表现局部高速异常。由于NEE前震走向与焦林断裂走向相近(王小娜等, 2020; He et al., 2021), 焦林断裂附近浅层出现高速异常且两侧分布着大量余震, 我们推测焦林断裂也与此次地震发生有关, 但由于缺乏焦林断裂的断层性质与断裂参数等信息, 因此对于焦林断裂在此次地震中的参与形式暂不明朗。

北流地震属于发震频度较低的华南板内地震, 华南陆块位于欧亚板块、太平洋板块和印澳板块交汇处, 川滇板块地块和印支块体对华南陆块的侧向挤压和剪切作用为NW向断裂活动提供动力, 而NE向断裂活动的动力来源于菲律宾板块与欧亚板块的挤压(徐和赵, 2006; 徐杰等, 2012; Tian and Luo, 2019)。这两种主要应力共同作用构成了华南地区的孕震环境, 但是华南在更早期的形成和拼合过程中, 各种陆相微地块可能会沿若干薄弱带拼合且不同单元的构造被拆离断层分割(Li et al., 2007), 这种构造过程可能也会导致一些微地块以高速异常的方式零散存在于华南陆块中, 这种介质性质不均匀区域也更容易积累应力, 但由于其规模和尺度较小, 因此孕育的地震震级也不会太大。此外, 局部结构的复杂性也会导致局部应力状态和构造背景应力状态的不一致, 研究区NE向存在明显地壳增厚(26～30 km)现象, 且主要集中在石窝断裂北侧与东侧, 石窝断裂附近存在较高平均P/S值(1.75～1.80), 表明此处易于发生横向形变。基于此我们推测震源区在中下地壳可能存在局部NE向的挤压环境, 这种深浅部不一致的构造特征可能也是该次地震发生的一个诱导因素。

红色圆圈为余震; SWF. 石窝断裂; XFF. 新丰断裂; JLF. 焦林断裂。

4 结 论

本研究利用广西北流震源区架设的120台密集短周期流动观测台站、7台宽频带地震仪和4台固定台, 得到了研究区精细地下三维剪切波速度结构。基于研究结果得到如下主要结论:

(1) 研究区上部地壳剪切波速度具有强烈的横向不均匀性, 高低速异常与地表地形相关性强, 大致沿断裂走向分布。石窝断裂附近存在一条连续的NW-SE向低速异常带, 延伸深度约7～8 km; 震中附近约在10 km处存在延伸至地表的局部高速异常, 异常随深度减小异常逐渐增加, 在浅处其与焦林断裂和新丰断裂南侧的高速异常汇聚成一条连续高速异常带。

(2) 新丰断裂附近上地壳高速异常在中下地壳逐渐消失, 石窝断裂在上地壳的低速异常在中下地壳变成高速异常, 推测上地壳和中下地壳内断裂附近处的速度差异性与断裂的延伸深度有关, 断裂可能在地下速度差异界面上产生。

(3) 此次北流地震的余震沿着高低速分界面分布, 主要位于新丰断裂西侧的新丰焦林断裂两盘和石窝断裂南西盘, 焦林断裂对地震可能有一定作用。结合S波速度结构和前人震源机制解和地质调查结果, 我们认为此次地震的发震构造为NW走向的石窝断裂, 石窝断裂南西盘在应力场作用下发生右行走滑且受到新丰断裂限制和相互作用而引发此次中强地震。

(4) 结合研究区地壳厚度与华南大尺度构造应力背景分析, 北流中强地震的发生不仅与北流区域性断裂的相互作用下产生应力积累有关, 也可能与华南陆块受到的挤压作用增强有关。

致谢:广东工业大学陈浩朋博士提供了面波频散曲线, 中国科学院广州地球化学研究所郭锋研究员和两位匿名审稿人对本文提出了建设性修改意见, 在此一并表示感谢。

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Crust Structures BeneathS5.2 Beiliu Earthquake Focal Region in Guangxi Province Constrained by Receiver Functions and Surface Wave Dispersion

FAN Pan1, 2, SHEN Xuzhang1, 2*, HUANG Qianqiang1, 2

(1. Guangdong Provincial Key Lab of Geodynamics and Geohazards, School of Earth Sciences and Engineering, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519082, Guangdong, China; 2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Zhuhai 519082, Guangdong, China)

The South China block is one of the most stable blocks in China, however, its seismic activity is much weaker than those of the west and north China in terms of intensity and frequency. A moderate strong earthquake withS5.2 that occurred at the border of Beiliu, Guangxi and Huazhou, Guangdong in 2019 has important significance for the exploration of the earthquake genesis in South China. Here, we isolated the teleseismic P wave receiver functions beneath 7 broadband temporary seismic stations, 120 short-period nodal seismometers and 4 permanent stations in the earthquake focal region. Combining with the surface wave dispersion from previous results and receiver functions, we perform a joint inversion by means of the linear damped least—squares method to get the 3D S-wave velocity structure of the crust and upper mantle beneath the earthquake focal region. The results are as follows: (1) The S-wave velocity has lateral inhomogeneity. The velocity distribution in the upper and lower crust is different near the fault. The S-wave velocity in the south and east sides of the Xinfeng fault is higher in the upper crust. (2) A continuous low velocity zone along the NW direction exists near the Shiwo fault, and a local high-velocity anomaly is at a depth of 10 km near the epicenter of the Beiliu earthquake, which gradually merged with the high velocity anomaly near the surface beneath the Jiaolin and Xinfeng faults, forming a NNE trend continuous high velocity anomaly zone. (3) In combination with the current geological investigations and aftershock distribution in the study area, we deduced that the local high velocity anomaly may be from the blocked southeast wall of the NW-trending Shiwo fault with dextral strike-slip by the Xinfeng fault, which triggered the medium-strong earthquake by accumulation of stress. (4) Study of the crustal thickness and Possion ratio shows an obvious crustal thickening (26–30 km) along NE direction, which may be related to the compression process during the tectonic evolution in South China.

Beliu earthquake; dense seismic array; receiver function; surface wave dispersion; joint inversion; 3D S-wave velocity structure

10.16539/j.ddgzyckx.2022.03.016

2021-12-10;

2022-2-21

国家自然科学基金项目(U1701641、41730212、41874052)、国家重点研发计划(2017YFC1500103)、广东省引进人才创新创业团队项目(2017ZT07Z066、2016ZT06N331)、第二次青藏高原综合科学考察研究项目(2019QZKK0701)和广东省防震减灾协同创新中心项目(2018B020207011)联合资助。

范盼(1998–), 女, 硕士研究生, 资源与环境专业。E-mail: fanp6@mail2.sysu.edu.cn

沈旭章(1976–), 男, 教授, 从事地球深部结构和地震学研究工作。E-mail: shenxzh5@mail.sysu.edu.cn

P67

A

1001-1552(2022)03-0633-012