邱玉榮 楊宜海 邵輝成 張恩會(huì)
陜西省地震局,西安 710068
地震波在地球介質(zhì)中傳播時(shí)能量會(huì)產(chǎn)生衰減,這反映了傳播介質(zhì)的非彈性與非均勻性兩種性質(zhì)(Anderson et al,1965;Taylor et al,1986;陳颙等,2009)。介質(zhì)衰減Q值為無量綱的品質(zhì)因子,是用于描述地球介質(zhì)衰減特性的重要參數(shù)(Hwang et al,1986;Al-Shukri et al,1990;Martine et al,1993;Mitchell,1995),運(yùn)用這個(gè)參數(shù)可豐富人們對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)(Abercrombie,2000;蘇有錦等,2006;周龍泉等,2009;孫蓮等,2012;王惠琳等,2016)。大量研究結(jié)果表明,Q值與構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的斷層分布、大地?zé)崃鞣植技盎鹕絽^(qū)的巖漿分布密切相關(guān),對(duì)構(gòu)造區(qū)的活動(dòng)性、地殼內(nèi)低速層、殼幔的熱結(jié)構(gòu)及粘滯結(jié)構(gòu)等特征的研究具有重要的意義(Anderson et al,1965;Dziewonski et al,1972;Canas et al,1978;Winkler et al,1982;eber et al,1992;陳颙等,2009;王勤彩等,2010)。層析成像是一種比較成熟的技術(shù),很多學(xué)者將其應(yīng)用于構(gòu)造區(qū)、斷裂帶、火山裂谷帶及水庫等地區(qū)的地震波衰減特性研究,并獲取了這些地區(qū)精細(xì)的衰減結(jié)構(gòu)分布特征(Hearn et al,2008;汪素云等,2008;裴順平等,2008;周龍泉等,2009;王惠琳等,2012、2016;李金等,2017;葉慶東等,2018)。
圖1 陜甘寧交界地區(qū)地形與數(shù)字地震臺(tái)站分布(據(jù)鄧起東(2007))黑線表示斷裂;黑色三角形表示地震臺(tái)站;白線表示塊體邊界;ORDOS:鄂爾多斯盆地;LZHB:隴中盆地;ALSHB:阿拉善地塊;QLSB:祁連山地塊;EKLB:東昆侖地塊;SGB:松潘-甘孜地塊;YZB:揚(yáng)子地塊;QLZSD:秦嶺造山帶;XS-TJSF:香山-天景山斷裂;HY-LPS-BJF:海原-六盤山-寶雞斷裂;XQLF:西秦嶺北緣斷裂;LT-DCF:臨潭-宕昌斷裂;GGS-DSF:光蓋山-迭山斷裂;MJF:岷江斷裂;QLBLF:秦嶺北麓斷裂;MXF:勉縣斷裂;CXF:成縣盆地?cái)嗔眩籛XF:文縣斷裂;PW-QCF:平武-青川斷裂
陜甘寧交界地區(qū)位于新構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的青藏塊體與華北塊體的交匯地帶,是我國大陸南北地震構(gòu)造帶北段的重要組成部分。同時(shí),該地區(qū)處在我國南北與東西構(gòu)造帶的交匯位置,是地球科學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)區(qū)域(張國偉,2001;張培震等,2006;詹艷等,2017;郭曉玉等,2017)。該地區(qū)活動(dòng)斷裂縱橫交錯(cuò),地震構(gòu)造復(fù)雜,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈。有歷史地震記錄以來,該地區(qū)發(fā)生過多次中強(qiáng)以上破壞性地震,其中包括3次8級(jí)以上大地震,分別是1654年天水南8級(jí)地震、1879年武都南8級(jí)地震和1920年海原 8級(jí)地震(圖1)。深入研究陜甘寧交界地區(qū)地殼衰減結(jié)構(gòu)有助于認(rèn)識(shí)強(qiáng)震發(fā)生的地下介質(zhì)環(huán)境和強(qiáng)震孕育機(jī)理。目前對(duì)該地區(qū)地殼剪切波衰減的研究主要來自于區(qū)域平均值或大區(qū)域衰減分布結(jié)果(劉紅桂等,2005;汪素云等,2008;Hearn et al,2008),對(duì)于精細(xì)的衰減結(jié)構(gòu)的研究工作尚未開展。本文利用國家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(鄭秀芬等,2009)提供的2009—2018年陜甘寧交界地區(qū)的近震波形資料,采用衰減層析成像方法(賴曉玲等,2002;周龍泉等,2009;王惠琳等,2016),構(gòu)建該地區(qū)較為精細(xì)的地殼剪切波衰減結(jié)構(gòu),探討地震波衰減分布與活動(dòng)斷裂、地震活動(dòng)和大地?zé)崃鞣植贾g的關(guān)系,為進(jìn)一步深入研究該地區(qū)強(qiáng)震發(fā)生機(jī)理及介質(zhì)環(huán)境提供參考。
地震波在地球介質(zhì)中傳播時(shí)能量會(huì)產(chǎn)生衰減,由于地球介質(zhì)的非完全彈性而引起的衰減特性可用品質(zhì)因子Q值來表示。在頻率域中,臺(tái)站觀測(cè)到的地震波形振幅譜可表示為(Scherbaum,1990)
Aij(f)=Si(f)Bij(f)Gij(r)Rj(f)Ij(f)
(1)
式中,f表示為頻率;r為射線路徑;Aij(f)為頻率域中第j個(gè)臺(tái)站記錄到的第i個(gè)地震事件的振幅譜函數(shù),其包含地震波在傳播過程中所攜帶的震源譜Si(f)、衰減譜Bij(f)、幾何擴(kuò)散因子Gij(r)、場(chǎng)地響應(yīng)Rj(f)和儀器響應(yīng)Ij(f)等綜合信息。
據(jù)Scherbaum(1990)和Sanders(1993)的研究成果,沿整個(gè)射線路徑的衰減譜可表示為
(2)
震源譜采用w2震源模式(Brune,1970);幾何擴(kuò)散因子采用互相銜接的三段幾何衰減模型(Atkinson et al,1992)。考慮到研究區(qū)的臺(tái)站均建立在基巖上,本文合理地假定臺(tái)站場(chǎng)地響應(yīng)為常數(shù)1(周龍泉等,2009),根據(jù)臺(tái)站參數(shù)扣除儀器響應(yīng)后,式(1)可以表示為如下形式
(3)
(4)
(5)
其與走時(shí)反演的形式一致。
本文采用二維層析成像的方法,使用周龍泉等(2009)編寫的反演程序,該程序利用存儲(chǔ)稀疏矩陣和SVD(奇異值分解)法,可大幅度提高計(jì)算效率。
本文使用了由國家測(cè)震數(shù)據(jù)備份中心(鄭秀芬等,2009)提供的陜甘寧交界地區(qū)及鄰區(qū)的76個(gè)數(shù)字地震臺(tái)于2009—2018年記錄到的共4423個(gè)地震波形資料和中國地震臺(tái)網(wǎng)中心提供的地震觀測(cè)報(bào)告,震級(jí)范圍為M1.0~4.5,震源深度為1~25km,其中優(yōu)勢(shì)深度為 5~20km。 因此,本文結(jié)果主要反映的是上部地殼(H≤20km)QS值的分布特征。
根據(jù)“S波窗”的定義是從S波開始到包括S波能量90%的時(shí)間段(周龍泉等;2009),“噪聲窗”為P波初至前波形。為了獲得可辨識(shí)S震相的“S波窗”內(nèi)的信號(hào),首先對(duì)數(shù)字地震波形記錄進(jìn)行去儀器響應(yīng)、濾波和水平校正等預(yù)處理。根據(jù)震相報(bào)告中P波、S波到時(shí),取S波窗長TSwin=0.38+1.08×TS-P(TS-P為S、P波到時(shí)差)。截取后的“S波窗”和“噪聲窗”兩端各加5%的旁瓣,通過快速傅立葉變換獲得觀測(cè)振幅譜和噪聲譜。根據(jù)研究區(qū)域的地震計(jì)均為速度計(jì),進(jìn)一步將得到的速度譜轉(zhuǎn)換成位移譜,其中,S波位移譜為2個(gè)水平分量的振幅譜合成(周龍泉等,2009)。本文給出一個(gè)波形數(shù)據(jù)預(yù)處理的示例,為固原臺(tái)站記錄到的2018年2月2日寧夏同心M3.3地震的波形和位移譜(圖2)。為了確保反演結(jié)果的質(zhì)量,根據(jù)震相報(bào)告挑選出至少有3個(gè)臺(tái)站記錄的地震事件,利用最小二乘法對(duì)震中距和走時(shí)進(jìn)行擬合,擬合值為研究區(qū)域平均S波速度值,刪除誤差較大的值,并選用信噪比SNR>3的地震波形用于反演(邱玉榮等,2017)。
圖2 固原臺(tái)記錄到的2018年2月2日寧夏同心M3.3地震的波形和位移譜(a)2個(gè)水平分量的波形及“噪聲窗”和“S窗”;(b)剪切波合成位移譜和噪聲譜
圖3 2018年2月2日寧夏同心M3.3地震在不同臺(tái)站的觀測(cè)位移譜和擬合譜TSH:炭山臺(tái);HYU:海原臺(tái);XJI:西吉臺(tái);GYU:固原臺(tái);JYU:涇源臺(tái);BYT:巴彥浩特臺(tái)
圖數(shù)據(jù)與震中距之間的擬合
圖5 陜甘寧交界地區(qū)射線分布紅色三角形表示臺(tái)站;黑色十字表示事件
圖6 反演殘差隨震中距分布(a)反演前;(b)反演后
為進(jìn)一步檢驗(yàn)0.5°×0.5°網(wǎng)格成像結(jié)果的可靠性,本文采用檢測(cè)板分辨率實(shí)驗(yàn),以區(qū)域地殼平均QS值為背景,對(duì)相同的射線分布在相鄰網(wǎng)格點(diǎn)上施加幅值為 250±QS值的擾動(dòng)模型,計(jì)算理論衰減算子及殘差,并對(duì)給定的QS值擾動(dòng)模型進(jìn)行恢復(fù)。圖7 給出了檢測(cè)板分辨率實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看出,射線外側(cè)邊緣區(qū)域存在拖尾效應(yīng)引起的虛假分辨(He et al,2017),故本文僅對(duì)射線覆蓋和分辨率效果均較好的區(qū)域(103.5°~107.5°E、33°~37°N)(圖7 黑色虛線方框所示的研究區(qū)域)進(jìn)行成像。
圖7 0.5°×0.5°的網(wǎng)格檢測(cè)板分辨率結(jié)果黑色虛線方框表示成像區(qū)
反演前計(jì)算得到陜甘寧交界地區(qū)地殼的平均QS值為480,該結(jié)果高于利用相同方法得到的云南地區(qū)的平均QS值400(周龍泉等,2009),同時(shí)也高于紫坪鋪水庫庫區(qū)的平均QS值90(王惠琳等,2012)、三峽水庫庫區(qū)的平均QS值180(吳海波等,2016)和廣西龍灘水庫庫區(qū)的平均QS值240(葉慶東等,2018),但低于海南島及鄰區(qū)的平均QS值860(王惠琳等,2016)。水庫區(qū)域和地震活動(dòng)相對(duì)活躍的云南地區(qū)和地震波衰減相對(duì)劇烈,平均QS值相對(duì)較低。紫坪鋪水庫位于汶川M8.0地震附近,其平均QS值最低;海南島及鄰區(qū)地震活動(dòng)相對(duì)較弱,地震波衰減相對(duì)較小,其區(qū)域內(nèi)的平均QS值相對(duì)較高;陜甘寧交界地區(qū)地震活動(dòng)低于云南地區(qū),但高于海南島及鄰區(qū),研究區(qū)域內(nèi)的平均QS值介于兩者之間,這反映平均QS值的高低與地震活動(dòng)強(qiáng)弱具有負(fù)相關(guān)的關(guān)系。
利用上述反演參數(shù)和衰減算子數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行成像,獲得了陜甘寧交界地區(qū)地殼QS值分布特征(圖8),結(jié)果顯示研究區(qū)域地殼QS值變化范圍為250~750,這與使用ML振幅數(shù)據(jù)獲得的QS值基本吻合(Hearn et al,2008;汪素云等,2008)。可以看出,陜甘寧交界地區(qū)地殼剪切波衰減橫向不均勻性顯著,海原-六盤山-寶雞斷裂帶和西秦嶺北緣斷裂帶整體上呈現(xiàn)低QS值,這兩條活動(dòng)斷裂夾持的隴中盆地和海原-六盤山-寶雞斷裂帶西側(cè)的鄂爾多斯盆地呈現(xiàn)高QS值。此外,環(huán)縣地區(qū)和西秦嶺北緣斷裂以南的武都地區(qū)、徽縣地區(qū)呈現(xiàn)相對(duì)低的QS值。
圖8 陜甘寧交界地區(qū)地殼S波QS值分布白色圓圈表示6級(jí)以上歷史地震;深藍(lán)色線表示斷裂;ORDOS:鄂爾多斯盆地;LZHB:隴中盆地;QLZSD:秦嶺造山帶;HY-LPS-BJF:海原-六盤山-寶雞斷裂;XQLF:西秦嶺北緣斷裂;LT-DCF:臨潭-宕昌斷裂;GGS-DSF:光蓋山-迭山斷裂;MXF:勉縣斷裂;CXF:成縣盆地?cái)嗔?;WXF:文縣斷裂(鄧起東,2007)
QS值空間分布特征體現(xiàn)的是地震波在地殼介質(zhì)中傳播時(shí)能量衰減程度的分布,其大小與地殼介質(zhì)屬性關(guān)系密切(孫蓮等,2012)。深反射地震剖面研究結(jié)果顯示,六盤山構(gòu)造區(qū)上地殼物質(zhì)主要是由沉積物和板塊碎片組成的構(gòu)造增生楔,而兩側(cè)分別是鄂爾多斯盆地的結(jié)晶基底和隴中盆地古老的火山島弧(郭曉玉等,2017),與本文研究得到的六盤山構(gòu)造區(qū)地殼呈現(xiàn)低QS值、兩側(cè)地殼呈現(xiàn)高QS值的結(jié)果相對(duì)應(yīng),反映了地殼介質(zhì)完整性差的地區(qū),其地震波衰減強(qiáng)烈,地殼QS值低。反之,地殼介質(zhì)完整性好且“硬”的地區(qū),地震波衰減小,地殼QS值高。秦嶺造山帶結(jié)晶基底出露廣泛,本文結(jié)果顯示其大部分山區(qū)QS值相對(duì)較高,但天水南部、徽縣和武都等地區(qū)呈現(xiàn)低QS值,這可能與中新生代以來秦嶺造山帶與南北構(gòu)造地震帶交匯復(fù)合,從地幔動(dòng)力學(xué)調(diào)整到地殼的具體構(gòu)造表現(xiàn)等有關(guān)(張國偉,2001),揭示了秦嶺與南北地震構(gòu)造帶交匯區(qū)地殼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
在速度結(jié)構(gòu)上,海原-六盤山構(gòu)造帶和研究區(qū)域東緣環(huán)縣地區(qū)上地殼的vS較低(莘海亮等,2020),這與本文研究得到的六盤山構(gòu)造帶、環(huán)縣地區(qū)地殼呈現(xiàn)低QS值的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。在電性結(jié)構(gòu)上,六盤山構(gòu)造帶上地殼存在“正花狀”結(jié)構(gòu)的多條帶狀低阻體(詹艷等,2017),南北地震構(gòu)造帶與秦嶺造山帶交匯部位的天水地區(qū)、徽縣地區(qū)和武都地區(qū)上地殼也存在顯著低阻體(詹艷等,2014),這與本文研究得到的上述地區(qū)地殼均呈現(xiàn)低QS值的結(jié)果相對(duì)應(yīng)。速度、電阻率與衰減成像結(jié)果一致,反映了相同的地殼介質(zhì)特征。
從QS值與斷裂分布關(guān)系來看,低QS值主要分布在活動(dòng)斷裂和活動(dòng)斷裂交匯處,表明低QS值空間分布主要受活動(dòng)斷裂的影響。研究區(qū)域內(nèi)海原-六盤山-寶雞活動(dòng)斷裂、西秦嶺北緣活動(dòng)斷裂和多條活動(dòng)斷裂帶交匯的武都地區(qū)均顯示低QS值。海原-六盤山-寶雞斷裂是青藏高原NE向擴(kuò)展的前緣地帶,為新生代以來構(gòu)造變形較強(qiáng)烈的青藏塊體與構(gòu)造相對(duì)較穩(wěn)定的鄂爾多斯和阿拉善塊體的分割帶(張培震等,2006);西秦嶺北緣斷裂帶是青藏高原東緣一條大型左旋走滑活動(dòng)斷裂帶和歷史強(qiáng)震帶(袁道陽等,2017);武都地區(qū)位于東昆侖斷裂帶向秦嶺斷裂帶轉(zhuǎn)換的過渡區(qū)域,該區(qū)域內(nèi)多條NW向斷裂和NE向斷裂交匯。根據(jù)低QS值空間分布與活動(dòng)斷裂的關(guān)系,結(jié)合已有研究表明活動(dòng)斷裂帶中存在大量流體(張西娟等,2006),初步推斷為強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致斷裂帶及交匯區(qū)的地殼巖石較為破碎,裂隙和節(jié)理發(fā)育且含有大量流體,從而使QS值降低。
從QS值與強(qiáng)震分布關(guān)系來看,自有歷史地震記錄以來,研究區(qū)域大多數(shù)6級(jí)以上的地震分布在高、低QS值的過渡區(qū)。高、低QS值的過渡區(qū)可理解為兩種“硬”、“軟”介質(zhì)交界區(qū),該交界區(qū)容易積累地震應(yīng)變能,進(jìn)而孕育強(qiáng)震。小部分6級(jí)以上地震位于低QS值區(qū),這可能是因?yàn)閺?qiáng)烈的地震活動(dòng)導(dǎo)致地殼產(chǎn)生裂隙,且充滿流體,從而使QS值減小。我們也注意到1718年甘肅通渭M7.5地震位于高QS值區(qū),考慮到歷史地震震中位置的估計(jì)存在誤差,以及距離該地震最近的活動(dòng)斷裂是位于低QS值的西秦嶺北緣斷裂,故認(rèn)為不影響上述結(jié)論。
從QS值與大地?zé)崃髦店P(guān)系來看,大地?zé)崃髦蹈叩牡貐^(qū)地震波衰減劇烈,QS值相對(duì)較低(劉紅桂等,2005;周龍泉等,2009;李金等,2017)。據(jù)胡圣標(biāo)等(2001)發(fā)表的《中國大陸地區(qū)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)匯編(第三版)》和姜光政等(2016)發(fā)表的《中國大陸地區(qū)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù)匯編(第四版)》,研究區(qū)域內(nèi)大地?zé)崃鼽c(diǎn)的高值(大于80mW/m2)主要分布于天水地區(qū)。本文結(jié)果顯示天水地區(qū)QS值偏低,由此推斷天水地區(qū)地殼呈現(xiàn)低QS值可能與該區(qū)深部熱活動(dòng)較活躍有關(guān)。但呈現(xiàn)低QS值的海原弧形構(gòu)造帶及附近大地?zé)崃髦得黠@較低(汪洋等,2001;姜光政等,2016;Wang et al,2018),結(jié)合前文分析,認(rèn)為該構(gòu)造帶QS值較低與強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)有關(guān),反映了不同地區(qū)地殼呈現(xiàn)低QS值的物理機(jī)制不同。
此外,需要說明的是,本文使用的反演方法的前提是假設(shè)QS值與頻率無關(guān),雖然導(dǎo)致反演結(jié)果與頻率相關(guān)的結(jié)果在數(shù)值上有所偏差,但其QS值的分布特征不受影響,因此采用該結(jié)果分析地殼介質(zhì)物理特性分布特征是合理的(Eberhart-Phillips et al,2002;周龍泉等,2009;王惠琳等,2016)
本文利用區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)多年記錄到的近震波形資料,采用衰減層析成像方法獲得了陜甘寧交界地區(qū)S波Q值分布特征,分析討論了研究區(qū)域內(nèi)QS值分布與活動(dòng)斷裂及強(qiáng)震活動(dòng)等之間的關(guān)系,獲得的主要結(jié)論如下:
(1)陜甘寧交界地區(qū)地殼QS橫向不均勻性顯著,整體上鄂爾多斯盆地和隴中盆地地殼QS值相對(duì)較高,海原-六盤山構(gòu)造帶和西秦嶺構(gòu)造帶QS值相對(duì)較低。
(2)低QS值主要分布于海原-六盤山-寶雞活動(dòng)斷裂、西秦嶺北緣活動(dòng)斷裂及多條活動(dòng)斷裂帶交匯的武都地區(qū),結(jié)合前人研究結(jié)果,分析認(rèn)為這與活動(dòng)斷裂帶及交匯區(qū)巖石破碎度高且富含流體有關(guān)。
(3)研究區(qū)域內(nèi)大多數(shù)6級(jí)以上地震分布于高、低QS值的過渡區(qū),分析認(rèn)為QS高、低值過渡區(qū),即“硬”、“軟”介質(zhì)交界處容易積累地震應(yīng)變能,進(jìn)而孕育地震。
(4)研究區(qū)域內(nèi)低QS值分布與低橫波速度和低電阻率區(qū)的主要分布特征較為一致,這反映了共同的地殼介質(zhì)特性;但與大地?zé)崃餮芯拷Y(jié)果存在區(qū)域性差異,分析認(rèn)為不同地區(qū)地殼呈現(xiàn)低QS值的物理機(jī)制不同。
致謝:感謝國家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供波形數(shù)據(jù),感謝周龍泉研究員提供計(jì)算程序,感謝審稿專家的細(xì)致審閱和寶貴意見。