周茜茜 陳強(qiáng) 張一君 黃小梅

摘要：采用2015—2018年南加州地區(qū)密集分布的寬頻帶地震臺(tái)站記錄的505個(gè)近震事件，利用AIC準(zhǔn)則拾取了35 600個(gè)初至P波到時(shí)，應(yīng)用FMTOMO軟件進(jìn)行走時(shí)層析成像，獲得了該地區(qū)0～40 km深度的三維P波地殼速度結(jié)構(gòu)，其分辨率達(dá)0.5°×0.5°×5 km。不同深度的速度結(jié)構(gòu)表明：南加州地區(qū)P波速度不僅隨深度的變化而變化，且該地區(qū)地殼具有明顯的橫向不均勻性。反演結(jié)果顯示：中地殼以上的速度結(jié)構(gòu)與地殼巖層和斷層系統(tǒng)密切相關(guān)，下地殼以下的速度結(jié)構(gòu)存在大范圍低速區(qū)，呈現(xiàn)橫向不均勻性。

關(guān)鍵詞：南加州;P波走時(shí);三維地殼速度結(jié)構(gòu)模型;地震層析成像

中圖分類號(hào)：P315.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-0666（2020）04-0674-06

0引言

美國南加州地區(qū)位于太平洋板塊和北美板塊的交匯地帶，是世界上地震活動(dòng)最活躍的地區(qū)之一。該地區(qū)自中生代以來經(jīng)歷了強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)，經(jīng)過多次強(qiáng)烈的擠壓和伸展作用，形成了特殊的地質(zhì)構(gòu)造格局，出現(xiàn)了板塊俯沖、島弧形成、大陸增生等現(xiàn)象（田有，2008）。歷史上南加州地區(qū)多次發(fā)生中強(qiáng)地震，如舊金山1906年8.6級(jí)大地震和1989年6.9級(jí)地震、1994年洛杉磯6.6級(jí)地震等。2019年南加州發(fā)生7.1級(jí)強(qiáng)震，刷新了近20年來最強(qiáng)烈地震的記錄，再次引起了社會(huì)各界廣泛的關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，南加州地區(qū)大部分中強(qiáng)地震發(fā)生于地殼層，對(duì)人類的生命和財(cái)產(chǎn)安全危害極大。因此研究南加州地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)對(duì)于認(rèn)識(shí)該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、輔助地震的分析預(yù)報(bào)等具有十分重要的作用。

地震層析成像技術(shù)是近年來獲取地球內(nèi)部非均勻結(jié)構(gòu)的一種重要手段，可使用的地震資料豐富，理論方法多樣。如利用地震體波、面波資料或者地震接收臺(tái)站之間的噪聲記錄都可以重建研究區(qū)的速度結(jié)構(gòu)模型（Yang，F(xiàn)orsyth，2006;Barak，2015）。相較于地震的其他信息，地震體波的走時(shí)信息具有更穩(wěn)健、更可靠、更易提取且數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此地震體波走時(shí)層析成像技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，在南加州地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)研究中取得了大量成果（Lin et al，2007;Tape et al，2010;Barak et al，2015）。如Hauksson（2000）利用體波走時(shí)資料獲得了南加州地區(qū)0～22 km深度的地殼速度結(jié)構(gòu)，但該模型對(duì)于南加州地區(qū)地殼的成像深度不夠;Tian等（2007）聯(lián)合近震和遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)對(duì)南加州地區(qū)進(jìn)行體波走時(shí)層析成像，獲得了該地區(qū)地殼上地幔的三維速度結(jié)構(gòu)，但垂向分辨率較低。

本文利用南加州地區(qū)近震P波的初至到時(shí)，采用FMTOMO軟件進(jìn)行地震走時(shí)層析成像，得到南加州地區(qū)分辨率為0.5°×0.5°×5 km的三維地殼P波速度結(jié)構(gòu)。

1數(shù)據(jù)資料與研究方法

1.1數(shù)據(jù)資料

本文研究區(qū)位于美國西部的南加州地區(qū)（121°～114°W，32°～38°N），使用2015—2018年研究區(qū)內(nèi)239個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站記錄的505個(gè)近震事件的波形數(shù)據(jù)資料進(jìn)行研究，臺(tái)站和地震分布如圖1所示。事件挑選原則為：①首先挑選震中距為0～5°、震級(jí)大于3級(jí)、震源深度為0～40 km的近震事件;②對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣、去毛刺、去均值、去線性、滅尖、帶通濾波等預(yù)處理;③使用全球一維速度模型AK135，計(jì)算各地震事件理論到時(shí)，并將波形截取為理論到時(shí)的前10 s至后20 s;④利用AIC法（Maeda，1985）實(shí)現(xiàn)實(shí)際到時(shí)的自動(dòng)拾取，并進(jìn)行波形的質(zhì)量篩選，刪除信噪比低的波形數(shù)據(jù);⑤保證每個(gè)地震事件至少具備10個(gè)以上的臺(tái)站到時(shí)，剔除不符合此要求的地震事件。由于近震震中距較小，后續(xù)震相不便于自動(dòng)拾取，本文僅使用P波的初至到時(shí)進(jìn)行層析成像，最終挑選了35 600條初至P波和Pn波到時(shí)。

1.2研究方法

地震層析成像過程主要包括模型參數(shù)化、正演、反演以及解的評(píng)價(jià)（羅炬等，2011）。本文采用Rawlinson等（2006）發(fā)展的FMTOMO軟件進(jìn)行近震P波走時(shí)層析成像，該軟件具有僅需地震走時(shí)信息、追蹤多種震相、可聯(lián)合多種數(shù)據(jù)集進(jìn)行反演等優(yōu)點(diǎn)（趙啟光等，2011），是近年來研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)較流行的一種方法。

地震研究43卷第4期周茜茜等：基于近震P波走時(shí)的南加州地區(qū)速度結(jié)構(gòu)層析成像該軟件采用網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)法進(jìn)行模型參數(shù)化，采用的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)包括速度網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)、界面網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)和傳播網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)。其中傳播網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)代表正演計(jì)算得到的走時(shí)場，速度網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)和界面網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)構(gòu)成反演初始模型。本文采用的初始速度模型為Hadley和Kanamori（1977）提出的一維速度模型，如圖2所示。對(duì)于界面網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，在深度方向上以29 km的平均莫霍面深度為界將研究區(qū)分為兩層，并在深度方向上以每2 km設(shè)置速度網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，在經(jīng)度和緯度方向以15 km×15 km設(shè)置速度網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)。本文反演過程中保持震源初始位置不變，僅對(duì)P波速度進(jìn)行反演。

FMTOMO軟件正演方法采用多步快速行進(jìn)法 （Kool et al，2006），該方法根據(jù)給定的初始速度模型，利用迎風(fēng)有限差分算法求解程函方程，從而得到各傳播網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的走時(shí)值。反演方法采用子空間反演法（Rawlinson et al，2006），該反演方法將非線性問題線性化進(jìn)行迭代求解，通過求解當(dāng)前模型的走時(shí)數(shù)據(jù)與觀測走時(shí)數(shù)據(jù)構(gòu)建的目標(biāo)函數(shù)的極小值獲得速度模型的擾動(dòng)量，進(jìn)行速度場的解算。

2解的評(píng)價(jià)

2.1檢測板測試

在分析結(jié)果之前，為了驗(yàn)證層析成像結(jié)果的可靠性，對(duì)層析成像結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，可了解層析成像結(jié)果的可靠性、分辨率及誤差等信息（雷棟，胡祥云，2006）。本文采用檢測板分辨率測試：對(duì)初始模型添加±0.4 km/s的速度擾動(dòng)值，保持地震接收臺(tái)站和震源的數(shù)量以及位置分布不變，計(jì)算出一組走時(shí)代替實(shí)際觀測走時(shí)，進(jìn)行層析成像，反演得到的速度結(jié)構(gòu)可直觀地分析層析成像結(jié)果的可靠性。

本文采用水平格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)間距約為0.5°，垂向格網(wǎng)結(jié)點(diǎn)間距約為5 km的檢測板進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3所示：1 km水平切片的檢測板結(jié)果顯示，邊緣地區(qū)由于臺(tái)站和地震稀少，檢測板還原效果較差，而臺(tái)站和地震密集分布的區(qū)域，還原效果較好;11 km水平切片的檢測板還原效果較好，這是由于地震事件震源深度大部分都位于20 km以上，該深度上射線密集;22 km水平切片的圖3檢測板測試結(jié)果

Fig.3Checkerboard test results檢測板結(jié)果顯示，由于所選地震事件大多發(fā)生于上地殼，且本文僅采用了初至的直達(dá)P波和Pn波，所以該深度射線密度不足，此處檢測板還原效果較差，但依然可以看出檢測板還原出正負(fù)相間的速度擾動(dòng);35 km水平切片的檢測板還原效果較好，因?yàn)榇颂嶱n波射線能較好地交叉穿過且射線密集。對(duì)于垂向剖面的檢測板，在0～15 km以及30～40 km深度還原效果較好，而15～30 km深度還原效果稍差。

2.2反演殘差分析

本文經(jīng)過5次迭代計(jì)算，速度結(jié)構(gòu)模型的解逐漸收斂。觀測走時(shí)數(shù)據(jù)與反演走時(shí)數(shù)據(jù)走時(shí)差方差從2.015 s2下降到1.361 s2，改善了近32%;卡方值從222.259下降到119.801，改善了46%。

3層析成像結(jié)果與討論

3.1層析成像結(jié)果

由反演結(jié)果（圖4a）可以看出，在1 km深度，研究區(qū)內(nèi)一些低地形區(qū)域如圣華金山谷、文圖拉盆地和莫哈韋沙漠南部呈現(xiàn)低速分布，這是由于圣華金山谷堆積著新近紀(jì)的沉積物，文圖拉盆地下方堆積著較厚的上新世的沉積物（Shaw et al，2015），莫哈韋沙漠南部在1～3 km的深度存在沉積盆地（Tape et al，2010）。一些高山山脈呈現(xiàn)明顯高速，如內(nèi)華達(dá)山脈、橫斷山脈、半島山脈、海岸山脈、圣蓋博山脈、圣貝納迪諾山脈。中生代的花崗巖在半島山脈、橫斷山脈和內(nèi)華達(dá)山脈南部的基巖中占據(jù)主要地位（Phil，2013），圣貝納迪諾山脈巖層分布以侏羅紀(jì)花崗巖侵入性火成巖為主（宋國政，2011），從沉積物到火成巖、花崗巖的過渡，定義了南加州大部分地區(qū)橫向速度的不均勻性。圣安德烈斯斷層兩端速度分布存在明顯差異，其WS側(cè)速度較高，EN側(cè)速度偏低。由圖1可以看出，大多數(shù)地震分布在圣安德烈斯斷層附近，尤其是其WS側(cè)地震活動(dòng)較多，該現(xiàn)象與圣安德烈斯斷層附近的速度分布情況相符。由此可見，該地區(qū)淺部的P波速度分布與地表的地質(zhì)構(gòu)造以及斷層系統(tǒng)的分布具有較好的一致性。

由圖4b可見，在11 km深度，大部分地區(qū)呈現(xiàn)高速分布，但異常幅度較1 km深度小。圣安德烈斯斷層兩端速度分布依舊存在差異，半島山脈持續(xù)高速，大陸邊緣帶、圣華金山谷、思爾頓凹槽、圣瑪麗亞盆地呈現(xiàn)高速分布，而洛杉磯、文圖拉等盆地的低速特征消失，呈現(xiàn)高速分布。在南加州地區(qū)的沉積盆地如洛杉磯盆地、文圖拉盆地、圣瑪麗亞盆地等在地殼中形成了重要的速度結(jié)構(gòu)。這些盆地的基底巖通常被沉積物覆蓋，其中洛杉磯盆地的基底巖由火成巖構(gòu)成（Wright，1987），文圖拉盆地和圣瑪麗亞盆地的基底巖由早期的第三紀(jì)和中生代的變質(zhì)巖構(gòu)成（Yerkes et al，1987）。這種由沉積物到基底巖的分布，反映了南加州盆地地區(qū)垂向上速度的不連續(xù)性。Fuis等（1984）的研究成果表明，在該深度上，半島山脈和思爾頓凹槽下方分布著鎂鐵質(zhì)巖層，地震波較同深度其他巖層傳播速度快。在莫哈韋沙漠東南部的蘭德斯地區(qū)，有一小范圍區(qū)域呈現(xiàn)高速異常，并被低速塊體截?cái)?，這樣的速度分布與該地區(qū)地震頻發(fā)情況相符。前人的研究也表明，地震多發(fā)生于高速和低速塊體的過渡部位或偏向高速塊體（田有等，2007）。該地區(qū)中地殼的速度結(jié)構(gòu)不僅與地殼巖層構(gòu)成有關(guān)，與以往的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)也相關(guān)。

在22 km深度，反演結(jié)果（圖4c）顯示了下地殼速度的橫向不均勻性，半島山脈、思爾頓凹槽、圣瑪麗亞盆地、文圖拉盆地及蘭德斯地區(qū)持續(xù)高速。圣瑪麗亞盆地和文圖拉盆地的高速分布受新近紀(jì)橫斷山脈順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的影響，為俯沖捕獲的法拉隆洋殼所導(dǎo)致（Tape et al，2010）。內(nèi)華達(dá)山脈呈現(xiàn)低速分布，多學(xué)科綜合研究揭示內(nèi)華達(dá)山脈巖石圈地幔以及下地殼在8～3.5 Ma范圍內(nèi)發(fā)生拆沉，而拆沉將導(dǎo)致該深度上P波低速（曾令森等，2006;Cin-Ty等，2001）。圣蓋博山脈和海岸山脈呈現(xiàn)低速分布，該地區(qū)下地殼存在早期第三紀(jì)的沉積巖和變質(zhì)沉積巖（Shaw et al，2015）。

在35 km深度，圣華金山谷、內(nèi)華達(dá)南部、半島山脈和莫哈韋沙漠呈現(xiàn)明顯低速，橫斷山脈、海岸山脈、思爾頓凹槽、文圖拉盆地、圣瑪麗亞盆地和洛杉磯盆地呈現(xiàn)明顯高速（圖4d）。該結(jié)果與Zhu和Kanamori（2000）利用遠(yuǎn)震接收函數(shù)得到的南加州莫霍面深度結(jié)果相對(duì)應(yīng)，其研究結(jié)果顯示在圣華金山谷、內(nèi)華達(dá)山脈、半島山脈和莫哈韋沙漠地區(qū)地殼深度較深，在該深度上這些區(qū)域顯示的是下地殼的速度特性，因而速度較低;而思爾頓凹槽、橫斷山脈、文圖拉盆地、圣瑪麗亞盆地和洛杉磯盆地地殼厚度較薄。

3.2對(duì)比分析

為了進(jìn)一步分析本文層析成像結(jié)果的可靠性，將本文結(jié)果與Tian等（2007）聯(lián)合近震與遠(yuǎn)震的P波走時(shí)資料獲得的相似區(qū)域的層析成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。由于所使用的數(shù)據(jù)集、模型參數(shù)化以及從屬格網(wǎng)的劃分不同，再加上反演問題的多解性，本文層析成像結(jié)果雖與其存在一些差異，但仍然具有較好的一致性，具體為：地表層P波速度分布與地表的地質(zhì)構(gòu)造、地形起伏具有較好的一致性，如半島山脈、圣蓋博山脈以及海岸山脈等高山山脈的高速異常，圣華金山谷和文圖拉盆地的低速異常。在中地殼大部分區(qū)域都顯示高速異常，如半島山脈和圣華金山谷等。在下地殼，如半島山脈、文圖拉盆地等呈現(xiàn)高速異常，內(nèi)華達(dá)山脈呈現(xiàn)低速異常。在上地幔，大部分區(qū)域呈現(xiàn)低速異常，如圣華金山谷、內(nèi)華達(dá)山脈、半島山脈等，而在研究區(qū)的西部，如海岸山脈、沉積盆地等表現(xiàn)為高速異常。與Tian等（2007）結(jié)果相比，本文還揭示了蘭德斯地區(qū)較清晰的速度異常。

4結(jié)論

本文利用2015—2018年南加州臺(tái)網(wǎng)239個(gè)地震臺(tái)站記錄的共505個(gè)近震波形數(shù)據(jù)，采用AIC法提取了35 600條P波初至到時(shí)信息，應(yīng)用FMTOMO軟件進(jìn)行地震走時(shí)層析成像，確定了南加州地區(qū)分辨率達(dá)0.5°×0.5°×5 km的0～40 km深度的三維P波速度結(jié)構(gòu)，得到以下結(jié)論：

（1）本文僅需引入近震波形數(shù)據(jù)的絕對(duì)到時(shí)信息參與層析成像，所需數(shù)據(jù)相較于其它方法具有易獲取、精度高、成像方法簡單快速的優(yōu)點(diǎn)。得到的層析成像結(jié)果與前人研究成果總體上具有較好的一致性，且垂向分辨率得到了較大改善，有助于準(zhǔn)確預(yù)測強(qiáng)地面震動(dòng)，更有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)該地區(qū)的地殼構(gòu)造和地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)。因此該方法可用來獲取區(qū)域高分辨率的地殼速度結(jié)構(gòu)。

（2）層析成像結(jié)果反映了南加州地區(qū)P波速度隨深度發(fā)生變化，且地殼存在明顯橫向不均勻性。淺部的速度結(jié)構(gòu)較好地恢復(fù)了該地區(qū)地表地形的大致位置，如洛杉磯盆地、文圖拉盆地等沉積盆地和半島山脈、海岸山脈等高山山脈的位置，與地表的地質(zhì)構(gòu)造和巖性密切相關(guān)，深部的速度結(jié)構(gòu)存在大面積的低速區(qū)，呈現(xiàn)橫向不均勻性。

由于數(shù)據(jù)的限制，某些深度上層析成像結(jié)果的分辨率稍差，有待進(jìn)一步改善，在后續(xù)的研究中需要搜集更多的數(shù)據(jù)，如通過提取后續(xù)震相的信息來增加地震射線的密度，從而獲得更高分辨率的三維速度結(jié)構(gòu)。

感謝審稿專家和編輯部的幫助，感謝Rawlinson提供的FMTOMO層析成像軟件。

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Velocity Structure Tomography in Southern California Area Based

on Local Earthquakes P-wave Travel-time

ZHOU Xixi，CHEN Qiang，ZHANG Yijun，HUANG Xiaomei

（Faculty of Geosciences and Environmental Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，Sichuan，China）

Abstract

In this study，basing on 505 local-seismic events recorded by densely distributed broadband seismic stations in Southern California between Jan.，2015 and Dec.，2018，we pick up 35 600 first-arrival travel-time of P-waves by adopted the AIC method.Then using the FMTOMO software，we obtained a three-dimensional P-wave crust velocity structure with a depth range of 0～40 km in this area through travel-time tomography，and the resolution of the velocity structure can reach 0.5°×0.5°×5 km.The velocity structure at different depth revealed that the P-wave velocity in Southern California changed with the depth，and the crust in this region had obvious lateral heterogeneity.The inversion results show that the velocity structure above the mid-crust is closely related to the rock formations and fault systems，and that below the lower crust has a large area of low-speed，showing lateral heterogeneity.

Keywords：Southern California;P-wave travel-times;three-dimensional crustal velocity structure;seismic tomography