李 昱

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

川西地區(qū)地殼三維速度結(jié)構(gòu)環(huán)境噪聲高分辨率地震成像研究

李 昱

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

川西高原地處青藏高原東部邊緣。川西地區(qū)高分辨率的地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)探測研究對于青藏高原動力學(xué)和大陸內(nèi)部塊體邊界動力學(xué)來說無疑具有至關(guān)重要的意義。近年來,川西地區(qū)已成為青藏高原動力學(xué)和大陸內(nèi)部塊體邊界動力學(xué)研究的熱點(diǎn)。與之相應(yīng)的地球物理探測工作也十分活躍。但是,由于臺站覆蓋區(qū)域及空間分辨率的限制,前期發(fā)表的研究結(jié)果對于全面了解川西高原地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)的橫向變化仍存在較大的局限性。

另一方面,川西高原也是中國大陸地震活動最為頻繁的一個地區(qū)。川西地區(qū)高分辨率的地殼上地幔結(jié)構(gòu)對于研究這一地區(qū)地震成因背景和地震形成的機(jī)理具有不可替代的作用。特別是,2008年5月12日在龍門山斷裂帶發(fā)生了汶川MS8.0地震。這進(jìn)一步激發(fā)了人們對這一地區(qū)深部構(gòu)造背景研究的興趣。一系列有關(guān)龍門山斷裂帶及其鄰域的地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)的最新研究結(jié)果陸續(xù)發(fā)表。這些研究成果對于進(jìn)一步理解汶川大震區(qū)及其鄰域的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)和汶川大地震的動力學(xué)背景無疑具有重要的參考意義。但是,比較不同作者給出的結(jié)果,我們不難發(fā)現(xiàn)它們之間尚存在不同程度的矛盾和差異。

自2006年10月起,在國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(973)的支持下,中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在川西地區(qū)(26°～32°N,100°～105°E)布設(shè)了由297臺寬頻帶數(shù)字地震儀組成的流動觀測臺陣(以下簡稱川西臺陣),獲得了汶川MS8.0地震前后完整的地震活動的觀測記錄。這為利用天然地震數(shù)據(jù)研究川西地區(qū)三維高分辨率地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)圖像積累了新的寶貴資料。

利用川西臺陣觀測的遠(yuǎn)震P波波形數(shù)據(jù)和非線性接收函數(shù)方法,劉啟元等[1]已經(jīng)給出了穿越汶川地震震中區(qū)(沿31°N)的二維地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu)及地殼的平均泊松比。利用遠(yuǎn)震P波走時層析成像方法,郭飚等[2]給出了川西地區(qū)(29°～32°N,100°～105°E)400 km深度范圍內(nèi)地殼上地幔的三維P波速度結(jié)構(gòu)。由于各種地球物理反演方法往往存在程度不同的非唯一性,對同一區(qū)域,采用不同數(shù)據(jù)源和多種地球物理反演技術(shù)研究其地下速度結(jié)構(gòu)無疑成為解決這一問題最有效的途徑。

近年來,跨學(xué)科研究表明,通過對長時間段內(nèi)的環(huán)境噪聲進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算,可以提取接收點(diǎn)間的格林函數(shù)。環(huán)境噪聲層析成像通過對兩個臺站長時間的環(huán)境地震噪聲進(jìn)行互相關(guān)計算提取臺站間的格林函數(shù),從而獲取面波頻散特征,并進(jìn)一步通過地震面波層析成像獲得地球內(nèi)部的速度結(jié)構(gòu)。利用環(huán)境地震噪聲提取臺站間的格林函數(shù)的工作由Shap iro等人于2005年取得了成功[3]。此后,環(huán)境噪聲的層析成像技術(shù)獲得了快速發(fā)展,并成為廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。特別是,利用環(huán)境噪聲進(jìn)行淺層面波成像的方法得到了廣泛應(yīng)用。環(huán)境噪聲層析成像技術(shù)為利用密集臺陣進(jìn)行地下速度結(jié)構(gòu)的高分辨率地震成像提供了新的途徑。

本文系統(tǒng)闡述了由環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)提取經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)以及瑞雷波相速度圖像的理論和方法,介紹了面波非線性全局搜索反演的近鄰算法,并利用2007年1月—2007年12月川西臺陣29°N以北的156個臺站記錄的環(huán)境地震噪聲數(shù)據(jù)和姚華建等[4]提出的基于圖像分析的相速度頻散曲線快速提取方法,篩選并得到11358條瑞雷波相速度頻散曲線。在此基礎(chǔ)上,利用瑞雷波相速度層析成像技術(shù)及面波速度結(jié)構(gòu)反演方法,研究了川西臺陣下方高分辨率的地殼三維橫波速度結(jié)構(gòu)。本文得到的結(jié)果為研究川西高原和四川盆地的地殼結(jié)構(gòu)提供了新的獨(dú)立觀測證據(jù),為進(jìn)一步的深入研究提供了重要的約束。

本文對從環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)提取相速度頻散曲線的方法作了如下改進(jìn):①川西臺陣覆蓋區(qū)域的地形復(fù)雜,且在龍門山斷裂帶的兩側(cè)地形高差變化很大;為此,在計算相速度頻散曲線時考慮了相應(yīng)的高程修正;②為了更好地獲取近距離臺站的相速度頻散信息,改進(jìn)了經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)提取相速度頻散曲線時所用的濾波窗,使其能夠更好地壓制經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)曲線上零點(diǎn)附近的強(qiáng)振幅波形。經(jīng)過上述處理,頻散曲線的短周期部分有了較大改善。

關(guān)于環(huán)境噪聲面波層析成像方法,本文研究得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識:

(1)作為一種無源方法,環(huán)境噪聲面波層析成像擺脫了天然地震研究方法對于震源參數(shù)的依賴,只要有足夠長時間連續(xù)的地震噪聲的觀測記錄,就可以通過互相關(guān)方法提取到質(zhì)量較好的格林函數(shù)。

(2)利用密集臺陣環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的地震成像的分辨率大大優(yōu)于經(jīng)典面波成像的結(jié)果,而觀測臺陣的合理布局對于射線路徑均勻覆蓋研究區(qū)域,充分發(fā)揮環(huán)境噪聲方法的優(yōu)勢至關(guān)重要。觀測臺站的布設(shè)格局決定了射線路徑的分布,臺站密度決定了能夠提取的射線路徑的數(shù)量,而臺站孔徑和密度則決定了提取的面波頻散曲線的頻帶寬度。

(3)由于10～20 s周期段的噪聲源主要來自于海浪,導(dǎo)致互相關(guān)函數(shù)的振幅呈現(xiàn)與季節(jié)相關(guān)的時間變化。但是,這并不影響相位信息整體的穩(wěn)定性,從經(jīng)過正向和逆向疊加處理的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)中提取的相速度信息仍然是可靠的。

(4)環(huán)境噪聲方法也有其自身的局限性,目前得到周期40 s以上的信息仍比較困難,以至于僅用環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)的地震成像深度難以超越地殼的范圍。除非與其他地震觀測數(shù)據(jù)相結(jié)合,這種方法目前尚難以獨(dú)立用于超過一般地殼深度范圍的地震層析成像。另外,環(huán)境噪聲互相關(guān)函數(shù)的短周期部分(＜10 s)在0時刻附近往往出現(xiàn)一段振幅較強(qiáng)的波形。當(dāng)臺站間距很小(如小于30 km)的時候,該波形將會干擾后續(xù)的信號,影響頻散曲線的提取。

利用面波相速度層析成像方法,本文給出了川西地區(qū)0.25°×0.25°周期2～35 s的瑞雷波相速度分布,并利用近鄰算法反演了273個格點(diǎn)的瑞雷波相速度分布,我們得到了川西地區(qū)的地殼三維橫波速度結(jié)構(gòu)。本文的成像結(jié)果表明,觀測臺陣覆蓋的川滇地塊、松潘—甘孜地塊和四川盆地的地殼速度結(jié)構(gòu)具有顯著差異和各自不同的特點(diǎn)。具體表現(xiàn)為:

(1)淺部2～8 km深度的S波速度結(jié)構(gòu)(相應(yīng)于短周期2～8 s相速度分布)與地表構(gòu)造特征相吻合,作為川滇地塊、松潘—甘孜地塊和四川盆地之間的邊界斷裂,龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶對上述3個地塊上地殼的速度結(jié)構(gòu)具有明顯的控制作用,四川盆地前陸低速特征表明相應(yīng)區(qū)域存在較厚的沉積蓋層,厚度約為8～10 km。

(2)中上地殼8～20 km的S波速度結(jié)構(gòu)(相應(yīng)于中周期12～18 s相速度分布)表明,川滇地塊和松潘—甘孜地塊中上地殼速度結(jié)構(gòu)存在明顯的不均勻橫向變化,并形成了尺度不同,高低速相間的分塊結(jié)構(gòu),而四川盆地中地殼S波速度整體高于另外兩個塊體。

(3)中下地殼20～40 km的S波速度結(jié)構(gòu)(相應(yīng)于長周期25～35 s相速度分布)表明,松潘—甘孜地塊,特別是川滇地塊中下地殼表現(xiàn)出具有比較廣泛的低速分布,意味著它們的中下地殼相對軟弱,而四川盆地的中下地殼呈現(xiàn)整體性的高速特征,意味著四川盆地具有比較堅(jiān)硬的中下地殼;并且以汶川地震的震中為界,龍門山斷裂帶的地殼結(jié)構(gòu)顯示了北段為高速、南段為低速的分段特征。

(4)周期大于12 s的相速度分布表明,隨著周期的加大,龍門山斷裂帶與鮮水河斷裂帶及安寧河斷裂帶交匯處東側(cè)高速異常區(qū)逐漸增大,表明川滇地塊運(yùn)動方向的改變應(yīng)與四川盆地堅(jiān)硬地殼的阻擋作用密切相關(guān)。

(5)本文得到的相速度成像結(jié)果與相應(yīng)的地殼上地幔瑞雷波地震反演的結(jié)果是吻合的,同時它們也與相應(yīng)的接收函數(shù)反演結(jié)果基本一致。本文利用環(huán)境噪聲數(shù)據(jù)得到的瑞雷波相速度頻散數(shù)據(jù)可以為研究川西臺陣下方地殼結(jié)構(gòu),特別是對接收函數(shù)反演,提供重要的有價值的約束。

(6)本文給出的研究區(qū)下方的地殼三維S波速度結(jié)構(gòu)表明,川滇地塊的中下地殼具有大面積分布的S波低速區(qū),這對該地區(qū)存在中下地殼的通道流的推斷是一個有力的支持。但是,在松潘—甘孜地塊內(nèi),其地殼速度結(jié)構(gòu)相對來說較為復(fù)雜,盡管該地區(qū)中下地殼也存在大面積的S波低速區(qū),但通道流模型(Channel flow)是否能夠解釋該地區(qū)的地殼變形仍有待進(jìn)一步的深入研究和更高分辨率的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。盡管如此,松潘—甘孜地塊的中下地殼強(qiáng)度應(yīng)明顯小于四川盆地相應(yīng)深度范圍的地殼強(qiáng)度,這意味著松潘—甘孜地塊向東逃逸受到了四川盆地堅(jiān)硬的中下地殼的阻擋。本文的結(jié)果為這一推斷提供了高分辨率地殼三維速度結(jié)構(gòu)的證據(jù),并為進(jìn)一步的動力學(xué)數(shù)值模擬研究奠定了重要基礎(chǔ)。

環(huán)境噪聲;相速度反演;瑞雷面波;層析成像;近鄰算法;S波速度結(jié)構(gòu);川西臺陣

[1] 劉啟元,李昱,陳九輝,等.汶川MS8.0地震:地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu)的初步研究.地球物理學(xué)報,2009,52(2):309-319

[2] 郭飚,劉啟元,陳九輝,等.川西龍門山及鄰區(qū)地殼上地幔遠(yuǎn)震P波層析成像.地球物理學(xué)報,2009,52(2):346-355

[3] Shapiro N M,Camp illo M.Em ergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the am bientseism ic noise.Geophys.Res.Lett.,2004,31(7):L07614,doi:10.1029/2004 GL019491

[4] 姚華建,徐果明,肖翔,等.利用基于圖像分析的雙臺面波相速度頻散曲線快速提取方法.地震地磁觀測與研究,2004,25(1):1-8

P315.2;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.006

(作者電子信箱,李昱:ly@sac.ac.cn)