余大新 吳慶舉 王 鵬 葉慶東潘佳鐵 高孟潭

1) 中國天津300180中國地震局第一監(jiān)測中心 2) 中國北京100081中國地震局地球物理研究所3) 中國武漢430011水利部長江勘測技術(shù)研究所

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蒙古中南部地區(qū)基于天然地震的勒夫波相速度層析成像

1) 中國天津300180中國地震局第一監(jiān)測中心 2) 中國北京100081中國地震局地球物理研究所3) 中國武漢430011水利部長江勘測技術(shù)研究所

借助中蒙國際科技合作項目獲取的寬頻帶地震臺陣觀測數(shù)據(jù)， 采用小波變換頻時分析技術(shù)提取了蒙古中南部地區(qū)901條雙臺間基階勒夫波相速度頻散曲線． 通過對該曲線進行二維反演， 重構(gòu)了蒙古中南部地區(qū)12—80 s周期內(nèi)橫向分辨率約為50 km的勒夫波相速度分布圖． 結(jié)果顯示， 蒙古中南部地區(qū)相速度分布存在一定的橫向不均勻性． 短周期內(nèi)(12—20 s)， 相速度分布受地表地形的控制， 杭愛—肯特山盆表現(xiàn)為高速異常， 烏蘭巴托盆地、 中戈壁帶及南戈壁帶均表現(xiàn)為低速異常; 中等周期內(nèi)(20—40 s)， 研究區(qū)相速度分布形態(tài)與短周期類似， 但橫向不均勻性強度減弱; 中長周期內(nèi)(40—70 s)， 南戈壁帶和杭愛—肯特山盆為低速異常， 中戈壁帶為高速異常， 整個區(qū)域表現(xiàn)出南北低速異常夾中部高速異常的形態(tài)， 與瑞雷波中長周期速度分布形態(tài)顯著不同． 結(jié)合中戈壁帶分布大量新生代火山巖， 推測研究區(qū)域內(nèi)存在較強的徑向各向異性．

蒙古中南部 相速度 面波層析成像 勒夫波

引言

蒙古地區(qū)作為理解內(nèi)陸增生動力學(xué)機制的核心研究區(qū)域(Badarchetal， 2002； Petitetal， 2002； Calaisetal， 2003； Xiaoetal， 2003； Petit， Fournier， 2005; Zorinetal， 2006; Tiberietal， 2008; 張建利等， 2012)， 其位于廣闊而復(fù)雜的中亞造山帶中心部位， 主要由一系列古生代向南凸出的弧形地塊拼接而成， 其間被幾條近EW向的弧形大斷裂以及一些近NW或NE向的小型斷裂切割(Kozakovetal， 2001; Badarchetal， 2002)． 該地區(qū)地形高， 地質(zhì)年齡相對年輕(Cunningham， 2001)， 目前處于中等變形階段， 該變形很可能與印度—歐亞板塊的碰撞有關(guān)(Tapponnier， Molnar， 1979; Cunninghametal， 1996; Calaisetal， 2003)． 蒙古西部以高原山脈地形(阿爾泰山脈、 杭愛高原)為主， 東部主要為戈壁帶． 該地區(qū)地震發(fā)生頻繁， 構(gòu)造活動強烈， 從晚遠古代到新生代各種噴出巖和侵入巖均廣泛發(fā)育(Zonenshain， Savostin， 1981; Kulakov， 2008)． 已有的地質(zhì)資料(IAVCEI， 1973; Whitford-Stark， 1987; Croswelleretal， 2012)表明， 研究區(qū)內(nèi)有多處新生代玄武巖零星出露， 且主要集中在中戈壁帶． 由于缺乏大規(guī)模的地震觀測， 我們對蒙古地區(qū)的深入認識一直較為匱乏(Calaisetal， 2003； 熊熊等， 2010)．

利用面波頻散特性反演地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 是目前探測地球深部結(jié)構(gòu)的有效手段之一． 面波主要分為勒夫波和瑞雷波， 與瑞雷波相比， 勒夫波能量集中在較淺的部位， 有利于改善淺部的分辨率(彭艷菊等， 2002)． 此外， 由于目前尚缺乏基于各向異性理論進行反演的有效方法， 我們?nèi)孕枥锰崛〉降娜鹄撞ê屠辗虿l散曲線， 分別進行各向同性反演以獲取地下介質(zhì)SV波和SH波的速度結(jié)構(gòu)． 通過比較兩種剪切波的速度差異， 從而以定性的方式來研究殼幔介質(zhì)中可能存在的徑向各向異性， 這對于研究殼幔變形及其耦合機制是非常重要的(莊真， 鄧大量， 1988; Gaherty， 2004； 彭艷菊等， 2007； 房立華等， 2013)．

隨著全球范圍內(nèi)數(shù)字地震觀測技術(shù)的發(fā)展， 借助國際合作而開展的大規(guī)模數(shù)字地震臺陣觀測計劃， 我們獲得了寶貴的地震觀測資料， 為揭示蒙古乃至中亞造山帶的增生和變形機制打開了通道． 在前期已經(jīng)完成的瑞雷波相速度層析成像(余大新等， 2015)的基礎(chǔ)上， 本文利用中蒙國際合作得到的地震臺陣觀測數(shù)據(jù)， 使用基于小波變換的頻時分析技術(shù)(Wuetal， 2009)， 提取了勒夫波相速度頻散曲線． 將研究區(qū)域劃分為0.5°×0.5°的網(wǎng)格， 利用面波層析成像法得到了12—80 s周期的勒夫波相速度分布圖像， 并對該結(jié)果進行了探討， 以期為蒙古地區(qū)深部結(jié)構(gòu)的分布特征和內(nèi)陸增生機制的研究提供更全面的約束和參考．

1 數(shù)據(jù)與頻散測定

1.1 數(shù)據(jù)

在中國地震局地球物理研究所與蒙古科學(xué)院的項目合作中， 我們在蒙古中南部地區(qū)開展了寬頻帶地震觀測實驗． 2011年8月架設(shè)了60套寬頻帶地震儀， 2012年8月調(diào)整了其中9個臺站的位置， 進行了兩年左右的觀測后于 2013 年 7月撤回． 相鄰臺站間平均距離約為 40 km． 所有地震臺站統(tǒng)一采用 CMG-3ESPC地震計和 REFTEK-130 數(shù)據(jù)采集器， 且數(shù)據(jù)采集器統(tǒng)一由配備的GPS 自動授時， 保證了波形記錄時間參數(shù)的準(zhǔn)確性． 采集器波形記錄頻率為 50 Hz． 由于蒙古地區(qū)人口稀少， 人類活動干擾相對較弱， 且臺站架設(shè)過程中地震計埋設(shè)較深， 故獲取了69 個臺站的良好地震記錄． 臺站位置分布及研究區(qū)構(gòu)造背景如圖1所示． 圖中火山巖出露位置參考了IAVCEI(1973)和Whitford-Stark(1987)文章，主要斷層參考Badarch等(2002)文章.

圖1 蒙古及周邊地區(qū)的構(gòu)造背景(修改自Badarch et al， 2002)及臺站分布

圖2 本文所用的地震事件分布Fig.2 Distribution of the earthquake events used in this study

1.2 頻散測定

為保證勒夫波波形記錄的質(zhì)量， 本文首先統(tǒng)計出有效測定了瑞雷波相速度頻散的垂直分量， 然后將該垂直分量對應(yīng)的兩個水平分量旋轉(zhuǎn)至徑向和切向分量上, 最后提取出包含勒夫波信息的切向分量． 由于在進行瑞雷波相速度提取時已經(jīng)完成了地震事件的選取， 所以切向分量地震記錄滿足： ① 震中距為15°—100°(避免近場效應(yīng)和高階面波干擾)； ② 震源深度小于70 km， 震級為MW5.5—7.5(保證面波發(fā)育且有較高信噪比)． 最終有效的地震事件為208個， 其位置分布如圖2所示． 可以看出， 地震事件分布較為均勻．

圖3 勒夫波波形(a)和相速度頻散曲線提取示意圖(b)

圖4 不同周期T下的頻散曲線數(shù)目 Fig.4 Numbers of dispersion curves for different periods T

在提取勒夫波頻散曲線之前， 需要對選取的地震記錄進行重采樣(1 Hz)、 去均值、 去傾斜和帶通濾波等預(yù)處理． 由于所有臺站均采用同一類型的地震計和采集器， 所以對于本文采用的雙臺法可以不用進行去儀器響應(yīng)的操作． 雙臺法基于大圓弧理論， 要求臺站對和地震事件盡可能在同一個大圓弧上， 而實際滿足該要求的臺站對甚少， 這里我們限定遠臺站(相對地震事件)到近臺站的方位角與遠臺站到地震事件的方位角之間的偏差小于5°． 經(jīng)過上述處理后， 采用小波變換頻時分析技術(shù)(Wuetal， 2009)測量了雙臺間基階勒夫波10—80 s周期內(nèi)的相速度頻散曲線， 如圖3所示． 對于所獲得的相速度頻散曲線， 通過手動逐一檢查其光滑性和可靠性， 最終篩選出901條頻散曲線． 對相同臺站對的頻散曲線進行算術(shù)平均， 最終得到的各周期頻散曲線數(shù)目如圖4所示． 圖5給出了周期為12 s， 30 s， 60 s和80 s時， 0.5°×0.5°網(wǎng)格下相速度射線路徑的分布. 可以看出， 除了周期為80 s時， 研究區(qū)絕大部分地區(qū)射線路徑分布密集， 且具有較好的方位覆蓋， 為我們有效地進行相速度二維反演提供了基本保證． 由于勒夫波同時要求地震儀器記錄到的兩個水平分量均有良好的波形記錄， 而一般情況下， 水平分量更容易受到區(qū)域性干擾源的影響， 其信噪比較垂直分量要差， 因此勒夫波的頻散測量要比瑞雷波困難得多， 其最終頻散路徑條數(shù)比瑞雷波要少一半左右．

圖5 不同周期T時各網(wǎng)格點內(nèi)的射線路徑方位分布

2 相速度層析成像

2.1 成像方法

經(jīng)上述處理后， 我們得到勒夫波頻散曲線共計901條． 基于該頻散曲線所對應(yīng)的射線分布， 將研究區(qū)域劃分為0.5°×0.5°網(wǎng)格， 采用Ditmar和Yanovskaya(1987)及Yanovskaya和Ditmar(1990)提出的面波層析成像法反演相速度分布． 該方法是Backus-Gilbert(1968)法在二維情形下的推廣， 在面波層析成像中被廣泛采用(房立華等， 2009； 何正勤等， 2009； 潘佳鐵等， 2011； Lietal， 2013)． 面波層析成像法主要通過最小化罰函數(shù)來獲得每個周期的相速度分布， 該罰函數(shù)為

(1)

其中，

2.2 分辨率分析

在反演相速度分布的同時， 根據(jù)射線密度和射線方位分布計算了成像結(jié)果的橫向分辨率， 周期12 s和60 s時的分辨率如圖6a所示. 可以看出， 大部分區(qū)域的分辨尺度均為50 km左右．

圖6 不同周期T的橫向分辨率(a)和檢測板測試(b)

2.3 檢測板測試

檢測板測試是通過預(yù)設(shè)理論速度模型， 根據(jù)實際的射線分布計算其理論走時， 再加上一定的速度擾動量作為觀測到時， 然后采用相同的方法和控制參數(shù)進行反演， 考查其反演結(jié)果能否恢復(fù)到預(yù)設(shè)的理論速度模型． 實驗中， 如果劃分的網(wǎng)格太大會造成數(shù)據(jù)的不充分利用, 太小則可能造成反演結(jié)果中假異常的引入， 所以檢測板測試為設(shè)置網(wǎng)格大小提供了重要的參考．

依照檢測板測試原理， 將研究區(qū)域劃分為0.5°×0.5°網(wǎng)格， 初始模型速度值設(shè)為3.3 km/s， 速度擾動量為±0.3 km/s， 同時在理論計算得到的射線旅行時中加入了標(biāo)準(zhǔn)差為0.15 s的高斯噪聲， 然后采用相同的反演方法和控制參數(shù)， 分別對12 s和60 s兩個周期進行了檢測板測試， 其結(jié)果如圖6b所示. 可以看出， 在0.5°×0.5°網(wǎng)格大小下， 除了邊緣地區(qū)由于交叉射線少造成模型恢復(fù)效果不太理想外， 研究區(qū)絕大部分地區(qū)均能較好地恢復(fù)， 表明射線覆蓋對50 km左右的異常是可以分辨的．

圖7 不同周期下勒夫波相速度對S波速度的深度敏感核 Fig.7 Depth sensitivity kernels of Love wave phase velocity to S-wave velocity for different periods

2.4 結(jié)果與分析

為了將不同周期面波與不同深度的地下結(jié)構(gòu)變化聯(lián)系起來， 本文計算了不同周期勒夫波相速度在深度方向上的敏感核, 如圖7所示． 關(guān)于計算敏感核的初始模型， 地殼部分我們采用了CRUST1.0(Laskeetal， 2013)在研究區(qū)域內(nèi)的平均模型， 地幔部分采用了AK135模型(Kennettetal, 1995)． 通常情況下， 瑞雷波相速度的敏感深度大約為波長的1/3—1/2， 而勒夫波的敏感深度要淺一些， 且隨著周期的增大， 縱向分辨率越低(Bensenetal， 2008)．

圖8給出了不同周期的勒夫波相速度分布圖. 可以看出， 12—20 s周期內(nèi)的勒夫波相速度分布清晰地顯示出研究區(qū)中、 上地殼的速度結(jié)構(gòu)及其橫向變化． 北部靠近杭愛山脈地區(qū)為高速異常， 烏蘭巴托盆地為低速異常， 在瑞雷波12 s周期的相速度分布圖上， 烏蘭巴托盆地的低速異常并沒有清晰地顯示出來(余大新等， 2015)， 這可能與相同周期下勒夫波敏感核深度要淺于瑞雷波有關(guān)． 存在火山巖出露的中戈壁帶、 南戈壁帶主要為低速異常， 可能與其沉積層及淺層為砂石、 碎巖的結(jié)構(gòu)有關(guān)． 總體來看， 短周期內(nèi)的相速度分布在整個研究區(qū)內(nèi)表現(xiàn)出強烈的橫向不均勻性， 與地表的構(gòu)造形態(tài)相吻合．

根據(jù)已有的接收函數(shù)結(jié)果(Gaoetal， 2003; 何靜等， 2014)可知， 研究區(qū)的地殼厚度為39—46 km， 所以20—40 s中等周期的勒夫波相速度分布主要與中下地殼、 上地幔頂部的速度結(jié)構(gòu)和橫向變化有關(guān)． 20—40 s周期內(nèi)， 杭愛—肯特山盆依然顯示為高速異常， 但與短周期相比， 異常幅度開始減??； 中戈壁帶低速異常范圍不斷縮小， 且低速異常開始變得不明顯； 南戈壁帶依然表現(xiàn)為低速異常． 由于勒夫波敏感核在深度上延伸較寬且不同周期的敏感核相互重疊， 所以中等周期的整體速度分布形態(tài)與短周期類似， 即整個研究區(qū)表現(xiàn)為北部高速異常、 中南部低速異常的特征， 但研究區(qū)內(nèi)的橫向不均勻性比短周期有所減弱．

40—80 s周期的勒夫波相速度分布主要與上地幔的速度結(jié)構(gòu)及其橫向變化有關(guān)． 考慮到80 s周期時射線分布較少， 可靠性相對較差， 與其它周期的相速度分布圖差異較大， 所以我們主要分析70 s周期以內(nèi)的速度分布圖． 從50 s周期開始， 北部的杭愛—肯特山盆由高速異常變?yōu)榈退佼惓＃?而在中短周期內(nèi)主要為低速異常的中戈壁帶顯現(xiàn)為高速異常， 且高速異常范圍不斷向北部延伸； 南戈壁帶仍然主要表現(xiàn)為低速異常， 其異常范圍和強度也隨著周期的增加而有增大和增強的趨勢．

圖8 不同周期T的勒夫波相速度分布藍色圓圈為近代中強震(M≥4.3)震中位置， 紅色菱形為火山巖出露位置， 紅色實線為斷層位置

3 討論與結(jié)論

3.1 徑向各向異性存在的可能性

通過本文反演得到的相速度分布圖可以看出， 在地殼深度內(nèi)(T≤30 s)， 北部的杭愛—肯特山盆地區(qū)表現(xiàn)為高速異常， 中戈壁帶和南戈壁帶主要表現(xiàn)為低速異常． 進入殼幔過渡帶和上地幔頂部后， 南戈壁帶基本上都表現(xiàn)為低速異常， 而杭愛—肯特山盆則從高速異常反轉(zhuǎn)為低速異常， 同時中戈壁帶表現(xiàn)為顯著的高速異常， 形成南北低速夾中部高速的形態(tài)． 對比余大新等(2015)在本區(qū)域的瑞雷波相速度分布圖可以看出： 在地殼深度內(nèi)， 瑞雷波與勒夫波相速度分布特征具有很好的一致性; 而進入上地幔頂部后， 瑞雷波相速度圖顯示中戈壁帶仍為低速異常， 整體呈南北高速夾中部低速的形態(tài)， 與勒夫波相速度分布形態(tài)不一致， 可能意味著本研究區(qū)下方介質(zhì)具有較強的徑向各向異性． 圖9給出了中戈壁帶內(nèi)一點(108.5°E， 45.5°N)基于相同初始模型(地殼部分采用CRUST1.0模型， 地幔部分采用AK135模型)， 分別由勒夫波和瑞雷波頻散反演得到的SH波和SV波速度結(jié)構(gòu)模型． 可以看出， 從中下地殼到上地幔， SH波與SV波速度的差異顯著， 這可能與研究區(qū)北部貝加爾裂谷的伸展構(gòu)造作用有關(guān)(楊巍然等， 2003)． 此外， 在中戈壁帶數(shù)處出露的火山巖(IAVCEI， 1973； Whitford-Stark， 1987)， 也從側(cè)面說明了研究區(qū)下方徑向各向異性介質(zhì)的存在．

圖9 相同初始模型下反演得到的SH波(實線)和SV波(虛線)速度結(jié)構(gòu) Fig.9 SH (solid line) and SV (dashed line) velocity structure from the inver- sion based on the same initial model

3.2 中強震分布與速度分布關(guān)系

從USGS網(wǎng)站上收集的本研究區(qū)域內(nèi)1950年以來發(fā)生的有確切記錄的中強震信息(M≥4.3)， 發(fā)現(xiàn)所有地震均發(fā)生在地殼內(nèi)． 由圖8可以看出， 大多數(shù)地震均發(fā)生在高速體與低速體的過渡帶上， 且偏向于高速異常體一側(cè)． 速度變化強烈的區(qū)域也正是應(yīng)力最為集中活躍的地方， 容易積累較強的應(yīng)變能從而發(fā)生破裂引發(fā)大地震(房立華等， 2009)． 吳建平等(2009)關(guān)于汶川地震余震的分布和三維速度結(jié)構(gòu)的研究也顯示地震集中發(fā)生在高速異常與低速異常過渡帶的高速異常體內(nèi)． 此外， 蘆山地震(李大虎等， 2015)、 玉樹地震(王長在等， 2013)和日本中越地震(Katoetal， 2005)的震源也位于高、 低速異常交界附近且偏向高速異常體一側(cè)． 這些相似的速度結(jié)構(gòu)特征， 對于深入研究孕震環(huán)境具有重要意義．

通過中國地震局地球物理研究所與蒙古科學(xué)院合作在蒙古中南部地區(qū)獲得的地震觀測資料， 我們提取了勒夫波相速度頻散曲線， 并進行了二維相速度反演． 結(jié)果表明， 蒙古中南部地區(qū)相速度分布存在橫向不均勻性． 短周期內(nèi)(12—20 s)， 相速度分布受地表地形的控制， 其中杭愛—肯特山盆表現(xiàn)為高速異常， 烏蘭巴托盆地、 中戈壁帶以及南戈壁帶均表現(xiàn)為低速異常； 中等周期內(nèi)(20—40 s)， 研究區(qū)相速度分布形態(tài)與短周期類似， 但橫向不均勻性強度減弱， 且隨著周期增大， 中戈壁帶出現(xiàn)高速異常； 中長周期內(nèi)(40—70 s)， 整個區(qū)域表現(xiàn)出南北低速異常夾中部高速異常的形態(tài)， 這與瑞雷波中長周期相速度分布形態(tài)顯著不同， 結(jié)合中戈壁帶分布大量火山巖的地質(zhì)背景， 推測研究區(qū)域內(nèi)存在較強的徑向各向異性． 此外， 相速度分布圖與中強地震震中分布關(guān)系的對比分析， 顯示多數(shù)地震均發(fā)生在高速體與低速體的過渡區(qū)域， 這對探討地震發(fā)生機制和地震危險區(qū)劃分具有重要的參考意義．

需要指出的是， 由于本文僅討論了相速度分布， 并未反演和分析不同深度的S波速度結(jié)構(gòu)． 下一步尚需進一步利用純路徑頻散反演該地區(qū)的三維S波速度結(jié)構(gòu)及徑向各向異性， 從而更加直觀深入地探討有關(guān)問題．

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Love wave phase velocity tomography in the south-central Mongolia from earthquakes

1)FirstCrustMonitoringandApplicationCenter，ChinaEarthquakeAdministration，Tianjin300180，China2)InstituteofGeophysics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100081，China3)TheYangtzeResearchInstituteofGeotechniqueandSurvey，MinistryofWaterResources，Wuhan430011，China

This paper utilized the data from broadband seismic arrays of the China-Mongolia cooperative project， and extracted the fundamental mode Love wave phase velocity dispersion curves along the 901 two-station paths in the south-central Mongolia by the wavelet transformation method. These phase velocity dispersion curves were applied to construct the 2-D Love wave phase velocity maps for the period range of 12--80 s with horizontal resolution about 50 km in the area. The distribution of phase velocity show that horizontal heterogeneity exists in the studied area. The phase velocity distributions at shorter periods (12--20 s) are obviously controlled by geologic units， for example， Hangay-Hentiy mountain basin exhibits high velocity anomaly while Ulaanbaatar basin， middle Gobi and southern Gobi desert exhibit low velocity anomaly. In the period range of 20--40 s， the features of phase velocity distribution are similar to those for shorter periods， but the amplitude of horizontal heterogeneity becomes weaker. At longer periods (40--70 s)， the southern Gobi and Hangay-Hentiy mountain basin show low velocity anomaly while the middle Gobi shows high velocity anomaly， which is distinctly different from that by Rayleigh wave phase tomography. The whole areas present the shape of low velocity anomaly in north and south and high velocity anomaly in middle. Therefore， combined with broad distribution of Cenozoic volcanic rocks in the middle Gobi， it is deduced that the stronger radial anisotropy exists in the studied area.

south-central Mongolia； phase velocity； surface wave tomography； Love wave

中蒙國際科技合作專項(2011DFB20210)， 國家自然基金(41274088， 41504073)和中國地震局第一監(jiān)測中心主任基金(2015014)聯(lián)合資助.

2015-06-02收到初稿， 2015-07-14決定采用修改稿.

e-mail: wuqj@cea-igp.ac.cn

10.11939/jass.2016.01.004

P315.3+1

A

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