华北东部基于背景噪声的壳幔三维s波速度结构-宫猛.pdf

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1、第39卷第1期2017年3月地 震 地 质SEISMOLOGY AND GEOLOGYV0139NO1Mar，2017doi：103969jissn02534967201701010华北东部基于背景噪声的壳幔三维S波速度结构宫 猛12 徐锡伟 张新东3欧阳龙斌4 江国焰” 董 博”1)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室，北京 1000292)河北省地震局，石家庄0500213)河北省地震局邯郸中心台，邯郸0560014)广东省地震局地震监测中心，广州 5100705)河北地质大学，石家庄05002l摘 要 收集了华北东部地区的190个宽频地震仪记录的自2010年1月至201 1年1

2、2月共24个月的垂直分量(z分量)连续噪声数据，采用FTAN(FrequencyTime Analysis)方法从15 700多条台站对路径中提取可用的面波群速度和相速度频散曲线，将研究区域划分为020020的网格，利用Ocealn方法反演得到研究区内740s周期内的面波群速度和相速度分布。然后，使用面波在各个网格节点下方的纯路径频散反演研究区一维s波速度结构，再通过线性插值获取了华北东部地区的三维S波速度结构。结果显示S波速度分布特征与地表地质和构造特征表现出较好的相关性，能清晰地揭示出地壳内部的横向速度变化；在中上地壳(深度30kin)，下地壳一上地幔顶部的s波分布特征呈现出与浅部相反的特

3、性，拥有较薄地壳的华北盆地表现为高速，而拥有较厚地壳的太行山及燕山隆起区s波速度相对较低。三维s波速度剖面结果显示：华北平原带的唐山一河间一邢台一磁县一线和渤海湾地下1020km存在低速异常区。大同地区地下2030km的S波速度出现低微的速度逆转可能与该区壳一幔的热物质分布相联系。S波速度分布显示，太行山不仅是华北平原与太行山的地形和构造分界带，同时也是1个明显的速度转换带。关键词 背景噪声 频散曲线s波速度 壳一幔结构中图分类号：P3153+1 文献标识码：A 文章编号：02534967(2017)0卜叭30170引言华北具有中国大陆最古老的克拉通构造，中新生代经历了燕山期和喜马拉雅期两大造

4、山运动，在中国地势上最突出的表现是由东高西低，变成了现今的西高东低。地质特征上表现为东部大陆裂谷、中部克拉通块体群、西部挤压造山带(图1)。本文的研究区域位于华北克拉通收稿日期2015-01-20收稿，2016一1122改回。基金项目 国家自然科学基金(91214201)、晋冀蒙交界地区l临时台网架设运行维护及地震危险性和对策研究(DZ201 50428102)与中国地震局震情跟踪课题(2016010119)共同资助。万方数据l期 宫 猛等：华北东部基于背景噪声的壳幔三维s波速度结构 131图l 研究区地貌及所用台站分布图Fig1 Topographic relief of Hebei and

5、 adjacent areas and seismic stations used in this study红色三角为所用台站位置的东部地区，西面为NE走向的太行山隆起，北面为近EW走向的燕山一阴山隆起，南部是华北盆地，东部与渤海湾相接，内部还存在邢台断裂带、三河平谷断裂带和唐山断裂带等活动构造带。该地区新构造运动强烈，中生代燕山运动开始活动，东部和北部发生大量岩浆活动并伴随广泛的构造变形，新生代时由于洋壳俯冲使构造格局发生反转，NE向构造由左旋变为右旋，应力状态由挤压变为拉张，挤压后的松弛使许多晚侏罗世形成的高角度逆冲断层转变为张性断裂，产生了大规模的裂陷活动，地壳结构极其复杂(葛肖虹，1

6、989；徐杰等，1996；邓晋福等，2007；M7专项工作组，2012)，是1个研究大陆地壳演化、地震孕育环境和构造动力学环境的理想场所之一。研究表明，当2个地震台站的背景噪声记录足够长时(la)，对其进行互相关计算便可获取该台站对之间的近似经验格林函数(Campillo et a1，2003；Shapiro et a1，2004；Sabra et a1，2005)。背景噪声层析成像便是利用从地震台站间的格林函数中提取的面波频散信息进行地震成像，该方法可以在少震或无震但台站分布较好的地区得到较高分辨率的浅层速度结构信息，能对短周期和无震区域的面波层析成像研究形成有效的弥补。与传统的天然地震成像

7、相比，它不受震源分布不均匀性和震源定位精确性的影响且能进行短周期的频散测量。由于这些优势的存在，近年来该方法被广泛应用于不同尺度地壳一上地幔速度结构研究(Yao et a1，2006，2008；Yang et a1，2007；Cho et a1，2007；Bensen et a1，2007，2008；Lin et a1，2007，2008；Li eta1，2009，2010，2012；Zhou et a1，2012)。近年来，随着中国地震台网建设的快速发展，背景噪声层析成像在国内也得到了广泛的应僻伫”妒号妒拊妒”万方数据132 地震地质用并取得了一系列的研究成果。已有学者完成了包含整个中国大陆

8、东部地区的大尺度背景噪声成像研究(Sun et a1，2010；Zheng et a1，201 1；郑现等，2012)。对华北地区而言，房立华等(2009，201 3)利用华北地震科学台阵使用背景噪声互相关方法得到了华北地区440s周期的瑞利波和430s周期的勒夫波群速度分布图；唐有彩等(201 1)利用华北地区的流动与固定地震观测台阵在2007年的垂直分量记录，采用背景噪声层析成像方法获得了华北克拉通中部地区640s的相速度和群速度分布图像；Pan(2012)利用华北台阵187个宽频带台阵近2a的连续背景噪声记录，获得了华北克拉通东北部地区530s周期的瑞利面波相速度分布图；施程成等(201

9、4)利用鄂尔多斯和华北流动台阵及华北区域固定台网连续1a的地震记录，基于背景噪声成像方法得到了华北克拉通中西部地区636s的面波群速度分布图像。Zheng等(2011)使用部分中国台网、日本台网及IRIS国际台网的2007-2009年的连续波形记录，利用背景噪声层析成像方法获取了包括中国华北、东北、朝鲜半岛及日本海0100km深度的s波速度结构；Tang等(2103)利用背景噪声和远震面波联合反演华北克拉通0200km范围内的S波速度分布图像。除此之外，关于华北地区的地壳和上地幔速度结构，大量学者已利用人工地震测深、地学大断面探测及地震面波层析成像等技术手段做了一系列的研究(王椿镛等，1993

10、；张先康等，1994；刘宝峰等，2000；嘉世旭等，2005；齐诚等，2006；何正勤等，2009；李松林等，201 1)。这些研究很好地揭示了华北地区的块体差异，增进了人们对华北地区深部构造背景的了解。尽管如此，利用不同方法得到的结果仍存在一定的差异，针对华北地区壳一幔S波速度结构仍需要进一步的研究工作。本文利用从背景噪声中提取的面波群速度和相速度频散来联合反演华北东部地区壳一幔s波速度分布特征，为该区地震孕育环境和构造动力学研究方面的研究提供一些科学参考。l方法与数据本文使用华北东部地区的190个宽频地震仪记录到的自2010年1月至201 1年12月2a时间垂直分量的连续数字波形记录(郑秀

11、芬等，2009)，提取台站问的经验格林函数。数据处理流程与“等(2009，2010)的背景噪声互相关方法一致。首先，将每个台站的记录截成1d长度的文件，对每天的数据记录进行去均值、去线性趋势、去除仪器响应、带通滤波(550s)、重采样(1Hz)。为了减少强地震事件的干扰我们对数据文件进行00202Hz谱白化处理。之后，使用频时归一化方法(Ekstr6m et a1，2009；Shen et a1，2012)对数据进行归一化处理，至此单台数据处理完毕。然后，对所有台站对的数据进行互相关计算，并把每个台站对的互相关数据(约730个)叠加得到最终的互相关函数。通过长时间的叠加，不仅可以较为有效地减少

12、季节性变化的影响，也进一步地提高了信噪比(Yang et a1，2007；Bensen et a1，2008)。理论上来说，如果噪声源的分布是均匀的，那么互相关函数的正负2个分支上应该是对称的。然而，由于受季节性变化的影响噪声源分布并不均匀，正负分支的信号经常会出现不对称现象。为增强数据的信噪比，把正负分支反序后再叠加，形成“对称分量”后再进行频散测量。图2a绘出了台站NKY和其他所有可用台站组成的台站对路径覆盖图，图2b则给出了这些台站对经过反转叠加后按照台站对间距排列的互相关函数。Yao等(2008)和Zheng等(2008)的研究结果表明，为了获得可靠的面波频散曲线，台站对之间的距离至少

13、要为波长的3倍。因此，在剔除了台站对之间距离25s)的面波群速度和相速度分布主要受地壳厚度和地壳上地幔介质的影响，它通常与地壳厚度反向相关，即速度较低的地区地壳较厚，速度较高的地区地壳较薄。因为在同一深度面上，地壳厚度较大的地区依然处于下地壳层则表现为相对低速，而地壳厚度较薄的地区已到达上地幔顶部则表现为相对高速。周期r=28s的面波群速度和相速度分布图显示华北盆地地区面波速度相对较高，而太行山和鄂尔多斯块体速度相对较低，可以推断华北盆地的地壳较薄，而太行山和鄂尔多斯地块西北部的地壳较厚，这一推断基本与华北地区地壳厚度的分布特征相吻合(罗艳等，2008；葛粲等，2011)。同时，发现在此周期山

14、西断陷带南北2段的面波速度有明显差异，山西带北段速度相对较低，裴顺平等(2004)的sn波成像结果和杨婷等(2012)的s波速度研究也有类似的发现。周期T=38s面波群速度和相速度分布图表现为高、低速相问变化，表明该华北东部地区的深部的地壳结构具有较强的横向不均匀性。3 S波速度层析成像在进行S波速度反演时，为了有效地抑制观测误差及路径覆盖缺陷的影响，获得可靠的主要构造特征，反演中引入了对模型光滑程度的约束，反演的目标是在满足一定残差条件下寻求最光滑的模型。由于面波对于速度不连续面的分辨率较差，用面波反演剪切波速度时，莫霍面附近的剪切波速度和莫霍面的深度之问存在1个妥协，因此在面波反演中需要设

15、定莫霍面深度。首先从全球Crustl0(Laske et a1，2013)速度模型中得到每个节点下方莫霍面的深度。然后，参考AKl35速度模型(Kennett et a1，1995)将莫霍面深度以上至地表地壳拆分为每2km 1层，莫霍面以下至50km深度作为单独的1层，50km以下每10km作为1层，由此得到每个节点下的速度模型。图7显示了深度为8km、20km、35km和50km处的S波相对速度扰动图像，不难发现S波的速度分布特征与前面讨论的面波速度分布有相似之处。在浅层(8km)由于盆地及坳陷地区沉积盖层的影响速度相对较低，而太行山和燕山山脉及鲁西隆起地区由于浅部缺少沉积层、基底埋深较浅表

16、现为高速异常。地震测深资料显示(嘉世旭等，2001，2005；刘志等，2015)燕山隆起、太行山隆起和鲁西隆起的基底埋深30kin)，the Swave velocity distribution presents a contrary characteristic compared to that of the shallow layer，andthe S wave velocity beneath the Taihang and Yanshan uplifts are much lower than basin areas，whichis possibly correlated with

17、the thickness of the crust3一D S wave velocity shows a lowvelocity zoneat1020km depth observed beneath the TanshanHejianXintai-Cixian belt and Bohai Baythe lowvelocity zone at2030km depth beneath the Datong area may be associated with the thermalmaterial in the crustmantleOur S wave velocity distribu

18、tion maps clearly show that TaihangMountains is not only the boundary of topography and tectonic zone，but also the transition zone ofhigh and low S wave velocityKey words ambient noise，dispersion curve，S wave，crustal and uppermost mantle structure作者简介 宫猛，男，1983年生，博士研究生在读，构造地质学专业，主要从事数字地震学及地震活动性分析研究工作，Email：mrgongm163corn。万方数据