葉慶東 丁志峰 鄭 晨 呂苗苗 陳浩朋 吳萍萍

1） 中國北京100081中國地震局地球物理研究所 2） 中國武漢430079武漢大學(xué)測繪學(xué)院地球物理系3） 中國河北三河065201防災(zāi)科技學(xué)院

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大別-蘇魯及其鄰近地區(qū)基于背景噪聲的瑞雷波和勒夫波相速度層析成像

1） 中國北京100081中國地震局地球物理研究所 2） 中國武漢430079武漢大學(xué)測繪學(xué)院地球物理系3） 中國河北三河065201防災(zāi)科技學(xué)院

采用與作者2014年發(fā)表的“大別-蘇魯及其鄰近地區(qū)基于背景噪聲的勒夫波群速度成像”文章相同的資料， 用頻時分析提取5000余條瑞雷波和4000余條勒夫波相速度頻散曲線， 反演得到了8—32 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布圖像． 結(jié)果顯示， 瑞雷波與勒夫波相速度分布具有很好的一致性． 8 s的相速度分布與地表構(gòu)造特征相吻合， 造山帶與隆起區(qū)均表現(xiàn)為高速， 盆地因其規(guī)模不同而顯示不同程度的低速． 隨著周期的增大， 大別-蘇魯?shù)母咚賻в蓮?qiáng)變?nèi)酰?但始終存在． 16—24 s的高速可能主要受到中地殼高速的控制， 而32 s的高速則可能與上地幔頂部的高速有關(guān)． 比較大別造山帶與蘇魯造山帶的平均頻散曲線， 發(fā)現(xiàn)大別造山帶和蘇魯造山帶的勒夫波頻散曲線均高于AK135模型計(jì)算的理論頻散曲線， 而瑞雷波則沒有這一現(xiàn)象. 這可能意味著兩個地區(qū)有比較強(qiáng)烈的徑向各向異性．

背景噪聲 瑞雷波 勒夫波 相速度反演 大別-蘇魯造山帶

引言

大別-蘇魯造山帶是我國東部重要的構(gòu)造單元之一， 其橫跨山東、 河南、 安徽、 江蘇和湖北5省， 是揚(yáng)子地塊與華北地塊間的陸-陸造山帶（王清晨等， 1989； Okayetal， 1993）， 約形成于230 Ma前（Amesetal, 1996; Heetal, 2014）． 受燕山時期郯廬地震帶大規(guī)模的由西南向東北方向的左旋走滑運(yùn)動影響， 蘇魯造山帶向NNE方向推移約600 km （徐嘉煒， 1980）； 大別造山帶沿WNW--ESE， 西北部與秦嶺造山帶相連. 蘇魯造山帶呈NNE--SSW走向， 幾乎與秦嶺-大別走向垂直． 自20世紀(jì)80年代中期在該造山帶的榴輝巖中發(fā)現(xiàn)柯石英和金剛石包體， 確認(rèn)這里是世界上規(guī)模最大、 出露最好的超高壓高壓變質(zhì)帶之后， 該造山帶成為研究陸-陸碰撞、 超高壓作用以及大陸動力學(xué)的重要現(xiàn)場（Xuetal， 1998； 徐紀(jì)人等， 2003）． 地球物理學(xué)家采用了幾乎所有地球物理方面的手段展開了對該地區(qū)的研究， 取得了很多有意義的成果．

背景噪聲成像作為一種新的成像技術(shù)， 具有不依賴地震事件、 分辨率高等特點(diǎn). 目前專門用背景噪聲來研究大別-蘇魯?shù)貐^(qū)的速度結(jié)構(gòu)還不是很多． 葉慶東等（2014）（以下簡稱前文）收集了研究區(qū)域內(nèi)國家數(shù)字地震臺網(wǎng)和中國區(qū)域地震數(shù)據(jù)臺網(wǎng)共151個寬頻帶地震臺約兩年的記錄（2009年5月—2011年5月）， 采用Lin等（2008）先相關(guān)再旋轉(zhuǎn)的方法， 并引入相位權(quán)重疊加法（Schimmel, Paulssen， 1997）獲取格林函數(shù)， 最終獲得了4000余條勒夫波群速度頻散曲線并計(jì)算了6—40 s的勒夫波群速度分布, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在30 s時大別地區(qū)、 蘇魯?shù)貐^(qū)和郯廬斷裂帶都有一定程度的高速異常. 為進(jìn)一步與前文的結(jié)果相比較， 本文采用與前文相同的資料， 同時利用瑞雷波和勒夫波的相速度對該地區(qū)進(jìn)行層析成像， 并對結(jié)果進(jìn)行分析討論．

1 數(shù)據(jù)和方法

本文旨在前文的基礎(chǔ)上， 利用相同的資料提取瑞雷波和勒夫波的相速度來獲取相速度分布.

數(shù)據(jù)處理主要包括預(yù)處理、 互相關(guān)疊加、 相速度頻散測量和計(jì)算相速度分布等4個方面． 由于T分量和R分量的信噪比較低（Bensenetal, 2008; 魯來玉等， 2014） ， 在獲取勒夫波互相關(guān)疊加時采用前文的方法以提高信噪比， 處理瑞雷波時則采用通常的方法（Bensenetal, 2007， 2008）． 采用信噪比挑選可靠的格林函數(shù)， 即取定一個信號窗和噪聲窗， 將信號窗的最大振幅與噪聲窗的均方差的比值作為信噪比（房立華等， 2009）， 信噪比小于10則予以剔除． 在相速度頻散測量方面， 采用Ritzwoller （2013）的AFTAN程序進(jìn)行自動提取頻散， 然后手動剔除掉奇異的頻散曲線. 由于互相關(guān)函數(shù)與格林函數(shù)存在π/2的相差（Linetal, 2008; 唐有彩等， 2011）， 在使用AFTAN時必須謹(jǐn)慎地選擇相關(guān)參數(shù)． 最后， 對提取出來的頻散曲線采用3倍波長準(zhǔn)則（Yaoetal， 2006）進(jìn)一步篩選， 提取出符合條件的頻散或頻散曲線的有用段． Niu和Li （2011）利用遠(yuǎn)震P波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動分析中國大陸800余個寬頻帶臺站的地震計(jì)方位， 發(fā)現(xiàn)部分臺站存在方位角偏差問題． 因此， 對得到的勒夫波分量進(jìn)行了更為嚴(yán)格的篩選． 其方法為： ① 挑選遠(yuǎn)震事件， 窄帶濾波后對比同一臺站記錄的徑向分量的希爾伯特變換與垂向分量， 如果差別不大則認(rèn)為該臺站的數(shù)據(jù)可用； ② 對于同一個臺站對， 對比利用其徑向與垂向分量格林函數(shù)提取的頻散曲線， 如果差別不大則與之對應(yīng)的勒夫波頻散予以保留． 經(jīng)過以上篩選后， 可用的勒夫波數(shù)據(jù)由最初的151個臺減少為143個臺． 圖1給出了瑞雷波與勒夫波不同周期的射線統(tǒng)計(jì)圖， 圖2給出了典型周期的射線密度， 圖3給出了典型的瑞雷波與勒夫波頻散曲線．

圖1 瑞雷波（a）與勒夫波（b）不同周期的射線統(tǒng)計(jì)圖

本文采用Tarantola等（Tarantola, Valette， 1982； Tarantola, Nercessian, 1984； Montagner, 1986； Debayle, Sambridge， 2004）發(fā)展的無網(wǎng)格反演方法反演相速度分布． 參數(shù)選擇略有變化， 相關(guān)長度L取max{40,c0T/2}， 模型的先驗(yàn)方差稍微增大一些．

利用該方法對8 s與32 s的射線分布進(jìn)行了檢測板測試， 其結(jié)果如圖4所示． 可以看出，

圖4 勒夫波檢測板測試（8 s和32 s）結(jié)果

在8 s時可以達(dá)到0.5°×0.5°的分辨率， 32 s時可以達(dá)到1°×1°的分辨率． 雖然32 s的射線與8 s的射線數(shù)目差別不大， 但由于相關(guān)長度的增大分辨率變低， 只能達(dá)到1°×1°的分辨率． 從幾何光學(xué)的角度看這是合理的， 周期越大波長越長， 所以分辨率越低． 同時基于上述理由， 32 s以內(nèi)的相速度分布都不大于1°×1°的分辨率． 在研究區(qū)域的邊緣上， 由于射線稀疏， 且射線交叉不多， 故分辨率較差．

2 結(jié)果

考慮到長周期頻散測量的誤差較大， 本文選擇了8—32 s的相速度分布結(jié)果作進(jìn)一步分析. 圖5給出了瑞雷波和勒夫波相速度的深度敏感核， 圖6分別給出了瑞雷波和勒夫波 8, 16, 24和32 s的相速度的分布圖像． 根據(jù)圖6結(jié)果并結(jié)合圖5以及與前文勒夫波群速度結(jié)果進(jìn)行比較， 可以獲得以下認(rèn)識：

圖5 瑞雷波（a）和勒夫波（b）相速度深度敏感核

圖6 瑞雷波和勒夫波不同周期的相速度分布

1） 8 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布基本可以勾勒出研究區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造單元， 與前文中群速度6—10 s的分布較為一致． 大別造山帶和蘇魯造山帶均呈現(xiàn)出明顯的高速， 其中大別造山帶和東秦嶺的高速被南襄盆地的低速分開， 在大別與郯廬斷裂帶交匯處， 合肥盆地也顯示為低速． 鄂西隆起、 魯西隆起均呈現(xiàn)出高速． 華北平原、 江漢平原呈現(xiàn)出低速特征． 下?lián)P子一近東西向的低速區(qū)在蘇魯西南部和大別東部將大別造山帶與蘇魯造山帶錯開． 郯廬斷裂帶在研究區(qū)域內(nèi)整體表現(xiàn)為高速， 但幅度不是很大．

2） 從16 s的相速度分布圖可以看出大別和蘇魯?shù)貐^(qū)的高速依然很強(qiáng)． 華北平原、 江漢盆地和下?lián)P子地區(qū)的低速進(jìn)一步減弱， 南襄盆地低速幾乎全部消失， 郯廬斷裂帶依然表現(xiàn)為高速． 鄂西隆起和魯西隆起高速也逐漸減弱． 8—16 s瑞雷波與勒夫波相速度分布具有一致性， 并與前文的15—20 s勒夫波群速度分布較為一致．

3） 24 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布顯示湖北西部由8 s的高速變成了低速， 江漢平原已經(jīng)無法分辨． 相對于16 s的瑞雷波和勒夫波相速度分布圖， 大別地區(qū)和蘇魯?shù)貐^(qū)的高速分布減小， 但是出現(xiàn)局部突出的高速． 同時在北大別東南段地區(qū)（116°—117.5°E， 31°—32.5°N）合肥盆地附近出現(xiàn)局部的低速區(qū)， 面積較合肥盆地稍大． 華北地塊表現(xiàn)出強(qiáng)烈的橫向非均勻性， 呈現(xiàn)出高低速交錯的趨勢． 郯廬斷裂帶的高速進(jìn)一步減弱． 鄂西隆起和魯西隆起出現(xiàn)與瑞雷波和勒夫波8 s相速度分布相反的特征， 表現(xiàn)為低速．

4） 根據(jù)馬杏垣等（1989）和徐佩芬等（2000）的研究結(jié)果， 研究區(qū)域的地殼厚度不超過40 km， 所以瑞雷波和勒夫波32 s的相速度分布主要反映了莫霍面附近的S波速度特征． 相比于其24 s的速度分布， 鄂西隆起的低速向南遷移． 瑞雷波分布圖上大別、 蘇魯?shù)貐^(qū)依然存在突出的局部高速， 但在蘇魯?shù)貐^(qū)則不明顯， 且大別地區(qū)的高速規(guī)模比蘇魯?shù)囊?guī)模大． 在北大別地區(qū)合肥盆地附近的局部低速依然可見． 華北平原從36°N往南到33°N， 依次出現(xiàn)低速—高速—低速—高速的條帶狀分布， 并且這種條帶還幾乎貫穿了郯廬斷裂帶．

綜上所述， 8—16 s的瑞雷波和勒夫波相速度頻散分布與勒夫波群速度6—20 s比較一致. 由于敏感深度、 反演參數(shù)選取略有出入, 使得20 s以后的瑞雷波和勒夫波相速度分布與勒夫波群速度分布細(xì)節(jié)上略有出入． 總的來說， 從8—32 s的瑞雷波和勒夫波大別-蘇魯?shù)貐^(qū)高速分布區(qū)域整體范圍逐漸減小， 但存在突出的局部高速. 從24 s以后北大別還出現(xiàn)局部低速來看， 華北平原從低速向高低相間分布過渡， 并且在32 s的這種相間分布有切斷郯廬斷裂帶的趨勢， 使郯廬斷裂帶顯示出分段性特征． 江漢盆地、 南襄盆地低速逐漸消失， 鄂西隆起、 魯西隆起從高速逐漸變?yōu)榈退伲?/p>

3 討論與結(jié)論

本文在葉慶東等（2014）研究結(jié)果的基礎(chǔ)上， 同時對瑞雷波與勒夫波的相速度進(jìn)行層析成像， 根據(jù)圖6并結(jié)合圖5可以看出， 雖然瑞雷波與勒夫波的敏感深度不一樣， 但大致框架相同． 與前文中勒夫波群速度一樣， 在短周期（8 s）表現(xiàn)出完全相同的特征， 速度分布與地表構(gòu)造單元相吻合． 一般認(rèn)為層析成像的好壞除了用分辨率和檢測板進(jìn)行評價之外， 與地質(zhì)結(jié)構(gòu)單元的吻合也是一個衡量標(biāo)準(zhǔn)（房立華等， 2013）， 所以本文中這種速度分布與地表構(gòu)造單元的吻合從側(cè)面也證明了反演的可信度．

瑞雷波和勒夫波16 s的速度分布與8 s的速度分布相類似， 這主要有3個方面的原因： 一是相速度頻散雖然對1/3—1/2個周期的深度比較敏感， 但是由于其縱向分辨率較差， 是一定深度范圍內(nèi)的綜合作用結(jié)果， 所以依然受到地表地質(zhì)構(gòu)造單元的影響； 二是高壓變質(zhì)巖縱向分布達(dá)到10 km或者略深（Xuetal， 2001； 楊文采, 余長青， 2001； 黃耘等， 2011）； 三是徐紀(jì)人等（2003）及趙志新和徐紀(jì)人（2009）研究表明， 大別-蘇魯?shù)貐^(qū)相對于其周圍地區(qū)中地殼的速度也略高．

王椿鏞等（1997， 1999）人工地震剖面結(jié)果表明， 相對于全球標(biāo)準(zhǔn)模型AK135模型（Kennetetal, 1995）， 大別地區(qū)P波速度在地殼內(nèi)普遍都偏高， S波速度在上地殼偏高， 中地殼偏低， 下地殼又稍高． 由于揚(yáng)子塊體向華北塊體的俯沖， 地幔頂部存在高速異常體（Xuetal， 2001）， 而頻散給出的又是一種平均結(jié)果， 所以總體呈現(xiàn)出高速是可以接受的． Luo等（2011）利用背景噪聲瑞雷波相速度分布反演了大別地區(qū)的S波速度， 在大別東南段（116°—117.5°E， 31°—32.5°N）的中地殼也發(fā)現(xiàn)了大面積的低速區(qū)域． 他們認(rèn)為這可能與高壓變質(zhì)巖折返時造成的脆性破裂有關(guān). 這在本文瑞雷波和勒夫波24 s和32 s的相速度分布圖上也得到了體現(xiàn)．

為了進(jìn)一步比較大別地區(qū)與蘇魯?shù)貐^(qū)頻散的異同， 對大別造山帶和蘇魯造山帶瑞雷波和勒夫波各個點(diǎn)的頻散求平均， 其結(jié)果如圖7所示． 可以看出， 大別造山帶瑞雷波的頻散與全球標(biāo)準(zhǔn)模型AK135模型的頻散類似， 而蘇魯造山帶20 s以后的相速度則低于AK135模型的頻散． 一個有趣的現(xiàn)象是， 無論是大別造山帶還是蘇魯造山帶勒夫波頻散均高于AK135模型計(jì)算出來的頻散， 這可能意味著這兩個地區(qū)有比較強(qiáng)烈的徑向各向異性．

圖7 大別造山帶（a）和蘇魯造山帶（b）的瑞雷波和勒夫波平均頻散曲線與AK135模型理論頻散曲線的比較. 誤差棒表示±1倍的方均差

本文僅僅討論了瑞雷波和勒夫波的頻散分布， 尚未定量分析不同深度上的速度特征， 且未作更深入的分析． 我們下一步的研究是利用純路徑頻散反演該地區(qū)的三維S波速度結(jié)構(gòu)以及徑向各向異性， 并進(jìn)行更為詳細(xì)而深入的討論．

中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”和中國數(shù)字地震臺網(wǎng)為本研究提供地震波形數(shù)據(jù)， 張旭博士對本研究提出寶貴意見和建議， 廣西壯族自治區(qū)地震局閻春恒和中國地震局地球物理研究所王生文對本文插圖的繪制給予幫助， 審稿專家對本文提出了寶貴意見. 作者在此表示由衷的感謝.

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Phase velocity tomography of Rayleigh and Love waves in Dabie-Sulu and its adjacent areas from ambient seismic noise

1）InstituteofGeophysics,ChinaEarthquakeAdministration,Beijing100081,China2）DepartmentofGeophysics,SchoolofGeodesyandGeomatics,WuhanUniversity,Wuhan430079,China3）InstituteofDisasterPrevention,HebeiSanhe065201,China

We used the same seismic data as the published paper “Love wave group velocity tomography in Dabie-Sulu and its adjacent areas from ambient seismic noise” by the author in 2014 and obtained more than 5000 Rayleigh wave velocity dispersion curves and 4000 Love wave phase velocity dispersion curves by frequency-time analysis （FTAN）. Then, we constructed the Rayleigh and Love wave phase velocity maps at the period of 8—32 s. The results of Rayleigh wave is consistent with those of Love wave. The phase velocity maps at 8 s are well correlated with surface geological features. Orogenic belts and uplifts reveal high velocity anomaly, and the basins exhibit different levels of low velocity anomaly due to the different scales of deep sediments. The high velocity feature in the Dabie and Sulu regions becomes successively less prominent from 16 s to 32 s, but always exists. The high velocity anomaly from 16 s to 24 s may be controlled by the high velocity in the middle crust, while high velocity at 32 s may be influenced by the high velocity structure of uppermost mantle. The average dispersion curves of Love waves in Dabie and Sulu orogenic belts are all higher than the theoretical dispersion curves of AK135 model, whereas the dispersions of Rayleigh waves are not, possibly suggesting strong radial anisotropy in Dabie and Sulu orogenic belts.

ambient noise; Rayleigh wave; Love wave; phase velocity inversion; Dabie-Sulu orogenic belt

10.11939/jass.2015.01.003.

地震行業(yè)科研專項(xiàng)（201308011）資助.

2014-04-15收到初稿， 2014-07-28決定采用修改稿.

e-mail: yeqingdongg@126.com

10.11939/jass.2015.01.003

P315.3+1

A

葉慶東, 丁志峰, 鄭晨, 呂苗苗, 陳浩朋, 吳萍萍. 2015. 大別-蘇魯及其鄰近地區(qū)基于背景噪聲的瑞雷波和勒夫波相速度層析成像. 地震學(xué)報(bào), 37（1）: 29--38.

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