馮 策 于海英 邵永謙 畢 波 王 鵬

（中國上海 200062 上海市地震局）

0 引言

遼寧地區(qū)地處中朝準地臺，同時屬華北斷塊區(qū)，深震活動較為活躍。據《遼寧省區(qū)域地質志》（遼寧省地質礦產局，1989），遼寧地區(qū)按巖性和地層劃分，總體可分為3 個次級斷塊，即遼西斷塊隆起帶、下遼河渤海灣盆地和遼東斷塊隆起區(qū)，地勢地形上呈“兩壘夾一塹”。該區(qū)域構造演化與華北克拉通存在一定聯系（嵇少丞等，2009），地震活動性較活躍，曾發(fā)生1917 年鴨綠江6.1 級、1969 年渤海7.4 級地震、1975 年海城7.3 級地震和1999 年岫巖5.4 級地震。研究遼寧及鄰區(qū)地下速度結構，對于研究華北克拉通地質構造演化以及遼寧地區(qū)地震發(fā)震機制均具有重要意義。

針對遼寧地區(qū)，多利用體波反演地下速度結構，如盧造勛等（1993）、李志偉等（2006）、王亮等（2014）、呂子強等（2016）的研究，進而解釋地殼及上地幔介質的不均勻性。但是，接收函數和地震層析成像方法，容易受到臺站覆蓋及數據源分布的影響，不利于提高分辨率。近年來，隨著各省地震局對寬頻帶地震計及NECESSArray 臺陣布設加大投入，中國東北地區(qū)地下結構研究資料日益豐富，使用地震波、背景噪聲等多種方法對該區(qū)域地下結構的成像分析取得諸多成果，如：朱介壽等（2002）利用波形擬合及面波頻散，對東亞及西太平洋邊緣海地區(qū)（60°— 160°E，20°S— 60°N）地殼上地幔進行高分辨率三維S 波速度成像；朱良保等（2002）利用面波群速度資料，反演得到中國大陸及其鄰近海域周期15—120 s 的群速度分布圖像；何正勤等（2009）利用華北197 個臨時臺陣，采用雙臺法得到周期8—75 s 的相速度分布；潘佳鐵等（2011，2014）得到華北和東北地區(qū)群速度和相速度分布圖；Guo 等（2015）利用NECESSArray 數據，基于背景噪聲技術，獲得東北地區(qū)三維高分辨率殼幔結構；王仁濤等（2019）利用NECESSArray 數據，基于背景噪聲技術反演松遼盆地0—12 km 深度的S 波速度結構。以上研究成果較好揭示了中國東北地區(qū)二維和三維地下速度結構。但遼寧地區(qū)地處東北地區(qū)南部，位于研究區(qū)域邊緣地帶，成像分辨率不高，噪聲層析成像雖也有部分成果，如馮策等（2018）給出遼寧及鄰區(qū)面波二維群速度結構，但存在所選臺站數目較少，分辨率不高等問題。

本文收集整理遼寧及鄰區(qū)70 個固定地震臺（鄭秀芬等，2009）2012 年連續(xù)背景噪聲垂向波形數據作為數據源，基于背景噪聲成像方法，獲得研究區(qū)（34°—45°N，114°—128°E）下方周期10—40 s 的面波相速度結構分布，結合相關研究資料，探討并分析其所存在的物理意義。

2 數據及處理

2.1 地震數據

背景噪聲層析成像以地震臺站為接收源，臺站數量和分布情況對于成像的分辨率及數據的可靠性至關重要。選取遼寧及鄰區(qū)2012 年70 個地震臺站的連續(xù)背景噪聲垂直分量數據作為來源，原始數據來源于各省級地震局監(jiān)測中心（遼寧省地震局、吉林省地震局）以及中國地震局地球物理研究所國家數據備份中心（鄭秀芬等，2009）。遼寧地區(qū)數字地震臺網在全省范圍內按照均勻布局的原則布設臺陣，間距70 km。臺站主要配備寬頻帶地震計（部分為超、甚寬頻帶地震計），配用24 位IP 數據采集器，實時匯總地震數據。臺站分布見圖1。圖1展示了研究區(qū)臺站及主要斷裂的分布情況，可見研究區(qū)臺站（黑色三角形）分布較為合理，除毗鄰朝鮮地區(qū)臺站較少外，其他臺站皆可將研究區(qū)包圍其中，圖中：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分別代表下遼河盆地—渤海盆地、遼西—燕山臺褶系、遼東斷塊隆起區(qū)即遼東臺?。籉1為貫穿研究區(qū)南北的郯廬斷裂帶北段（圖中黑色虛線部分），該斷裂為域內深大斷裂，局部可延伸至研究區(qū)莫霍面；F2（圖中白色虛線）則為南北重力梯度帶。

圖1 臺站及主要斷裂分布Fig.1 The distribution of stations and faults in the study area

2.2 處理方法

2.2.1 單臺數據預處理。基于Bensen 等（2007）的數據處理流程，進行背景噪聲數據處理：①單臺數據預處理；②臺站對的互相關數據計算及疊加；③頻散曲線測量提??；④質量控制和誤差分析；⑤面波層析成像反演。

以鞍山（臺站代碼ANS）與其他地震臺站互相關結果為例（圖2），時間段截取-600—600 s，進行周期5—50 s 的帶通濾波，按照與ANS 臺的距離，在縱軸上由近及遠排列。由圖2 可見，正負分支以0 s 為中心軸兩側對稱分布，圖中呈倒“V”的信號即為面波信號。圖中紅色框所示非面波信號應為日本九州島微震所引起的干擾（Zheng et al，2011）。

圖2 ANS 臺與其他臺站互相關結果（周期5—50 s）Fig.2 Cross-correlation curves between ANS and other stations（filtered in 5-50 s）

2.2.2 相速度頻散曲線提取。采用目前較常用的時頻分析方法（Frequency-time Analysis）提取頻散曲線相速度。為保證頻散曲線的可靠性，提高信噪比，利用臺站對方法，即選取間距大于2—3 倍波長的臺站對進行質量控制。圖3 展示了頻散曲線的提取過程，圖4 給出周期分別為10 s、25 s 和35 s 的射線分布圖。由圖4 可見，研究區(qū)邊緣射線密度較低，但其中心區(qū)域射線分布較密集，下文將利用分辨率測量去評測成像有效區(qū)域。

圖3 相速度頻散曲線提取Fig.3 The phase velocity dispersion curve

圖4 研究區(qū)射線覆蓋（T =10 s、25 s、35 s）Fig.4 The path coverage in the study area（T=10 s,25 s,35 s）

3 面波反演

3.1 面波反演成像分辨率

利用Ditmar 等（1987）提出的層析成像方法，對研究區(qū)域按0.25°×0.25°進行網格劃分，得出研究區(qū)相速度分布圖像，并進行分析與解釋。選擇不同周期，即在T=10 s、25 s、35 s 時，繪制研究區(qū)Rayleigh 面波相速度分辨率圖像，結果見圖5。

圖5 研究區(qū)內相速度分辨率結果（T =10 s、25 s、35 s）Fig.5 Results of resolution in the study area（T=10 s,25 s,35 s）

由圖5 明顯可見，研究區(qū)相速度分辨率絕大部分在50 km 以內，局部可達20 km 左右，說明研究區(qū)層析成像效果較好，射線分布較密集、均勻，速度異常相對較準確，結果相對可靠。研究區(qū)東南部毗鄰朝鮮，缺少相關資料和數據，導致射線密度稀疏，故該區(qū)域結果不做過多分析。

3.2 相速度成像結果

在周期15—40 s 時，繪制遼寧地區(qū)基階瑞雷面波相速度對S 波速度隨深度變化的敏感核曲線，結果見圖6?；诿舾泻饲€和研究區(qū)地殼及上地幔分層情況（盧造勛等，2005），當周期T=10 s、15 s、20 s、25 s、30 s、35 s、40 s 時，繪制群速度及相速度的結構分布，結果見圖7，其中（a）—（b）圖主要對應上地殼（10—20 km），（c）—（d）圖主要對應中下地殼（渤海地區(qū)可深至莫霍界面）（24—40 km），（e）—（f）圖主要對應下地殼底部及上地幔頂部（40—70 km）。

圖6 基階瑞雷面波相速度敏感核曲線（T=15—40 s）Fig.6 sensitivity kernel curves of Rayleigh-wave phase velocity（T =15-40 s）

圖7 不同周期群/相速度結構分布（T =10 s、15 s、20 s、25 s、30 s、35 s、40 s）Fig.7 Rayleigh-wave phase velocity maps in different periods（T =10 s,15 s,20 s,25 s,30 s,35 s,40 s）

本研究采用Barmin 等（2001）的方法進行相速度結構反演。由圖7 明顯可見，對比馮策等（2018）的群速度結果，文中所示臺站增加后群/相速度分辨率更高，且主要體現了速度異常的分布情況，其中紅色空心圓表示歷史上研究區(qū)5 級以上中強震（萬波等，2013），灰色部分表示不在研究區(qū)域或分辨率較低區(qū)域。

（a）—（b）圖給出周期為10—15 s 的群速度分布，主要反映地殼淺層及上地殼的群速度結構。由圖可見，在10—15 s周期內，群速度分布與研究區(qū)地質構造單元分布特征基本吻合，呈兩側高速中間低速、山區(qū)隆起高速、盆地坳陷低速的特點。其中最高速位于遼東斷塊隆起區(qū)，最低速度位于遼東灣至渤海灣盆地內。從地震分布角度（萬波等，2013）明顯可見，遼寧地區(qū)地震多發(fā)于高低速轉換帶上（馮策等，2018），且沿郯廬斷裂帶走向排布，說明該地區(qū)淺緣地震多受控于深大斷裂，易發(fā)生于巖石性質差異較大、易積累能量的轉換帶上。

（c）—（d）圖給出周期為20—25 s 的相速度分布，主要反映中下地殼深度范圍的速度結構變化。由圖可見，與周期在10—15 s 內的群速度分布相比，周期在20—25 s 內的相速度分布已經有了明顯變化，特別是在遼西燕山臺褶帶、內蒙地軸地區(qū)，由短周期中高速異常變?yōu)榈退佼惓＃以谶|西及內蒙古部分地區(qū)低速異常為全區(qū)最低值，遼東半島及下遼河盆地呈現高速異常，說明研究區(qū)內地殼厚度呈“西厚東薄”的特點，而低速異常區(qū)大部分分布于渤海海域，沿渤海灣形成一橢圓形低速異常區(qū)，與斷裂帶展布方向一致，呈NE 向。有研究表明，渤海地區(qū)沉積層厚度高達2—12 km（孫若昧等，1993），而這種巨厚、松散的沉積層可能導致渤海盆地內面波速度的降低，造成局部低速異?，F象。需要說明的是，海城至大連地區(qū)明顯可見一個低速體位于高速體之中，推測低速異常因地幔軟流層熱物質上涌所致，與滕吉文等（1997）研究所得渤海灣內存在地幔熱柱結果一致，與盧造勛等（1993）對閭陽—海城—東溝剖面的地球物理綜合解釋結果一致，即海城震源區(qū)附近地下15—21 km 處存在明顯的低速透鏡體。

（e）—（f）圖為周期30—40 s 時的相速度分布圖像，主要反映研究區(qū)深度為40—70 km的上地幔速度結構，相速度依然受到莫霍面影響，但速度分布與20—25 s 周期相似，其中遼東半島由高速異常變?yōu)榈退佼惓?，存在明顯變化，說明該區(qū)域地殼相對較厚。綜合周期為20—25 s 時下地殼及上地幔速度結果，認為研究區(qū)地殼厚度或莫霍面埋深呈“兩側厚，中間薄”的特點，與盧造勛等（2005）根據剖面資料繪制的東北地區(qū)地殼厚度輪廓圖及賈麗華等（2013）繪制的遼寧地區(qū)地殼厚度分布圖相吻合。也就是說，下遼河地區(qū)存在NE 向上地幔隆起帶，且沈陽—海城—營口一帶地殼厚度更薄。

4 結論

利用遼寧及鄰區(qū)70 個地震臺站2012 年地震連續(xù)波形垂向數據，基于背景噪聲成像技術，獲取研究區(qū)10—40 s 周期內相速度分布圖，提取1 661 條具有較高信噪比的基階瑞雷波相速度頻散曲線，利用層析成像方法，以0.25°×0.25°對研究區(qū)域進行網格劃分，反演得到研究區(qū)該周期內群速度和相速度分布圖，結果揭示了遼寧地區(qū)地殼及上地幔存在明顯的橫向不均勻性，主要結論如下。

（1）利用噪聲層析成像方法，獲取遼寧及鄰區(qū)10—40 s 周期內群速度和相速度結構圖像，與馮策等（2018）及潘佳鐵等（2011）對該區(qū)殼幔結構的研究成果進行對比，在臺站數量、密度、成像分辨率以及使用方法上皆有所提高和增加，大部分地區(qū)分辨率可達0.5°×0.5°，局部分辨率可達0.25°×0.25°。

（2）成像結果較好地揭示了研究內地殼上地幔介質的橫向不均勻性。在周期10—15 s的群速度分布，研究區(qū)群速度結構主要受控于區(qū)域內主要地質構造單元和深大斷裂，呈“兩塹高，一壘低”的分布特點，并以郯廬斷裂帶北段為界，兩側呈現高速、低速分明的特點。周期20—25 s 的相速度分布則主要受控于莫霍面起伏形態(tài)，地殼厚度分布呈“西厚東薄”的特點，最厚處位于遼西及內蒙古部分地區(qū)。渤海地區(qū)呈低速特點，可能受到渤海內較厚沉積層的影響，導致地殼較薄的渤海盆地內出現低速異常。周期30—40 s 的相速度結構分布依然受控于莫霍面狀態(tài)，與中長周期內莫霍面形態(tài)相比，遼東半島的部分地區(qū)呈低速狀態(tài)，說明研究區(qū)莫霍面主要呈下遼河盆地為“脊”、向兩側逐漸變厚的埋深狀態(tài)。

（3）結合域內5 級以上中強地震分布，研究區(qū)地震多發(fā)于高低速過渡帶上，特別是海城—營口—蓋州—大連一帶，形成地震較易發(fā)生地區(qū)。

（4）需要說明的是，馮策等（2018）利用絕對速度展示的研究區(qū)20—25 s 周期群速度分布結果指出，蓋州至大連段存在較明顯的低速異常，推斷該區(qū)地下存在熱物質上涌現象。

深圳南方科技大學郭震團隊在研究過程中提供計算程序，上海市地震局于海英給予技術指導，深圳南方科技大學李世林、吳曉陽等亦對論文撰寫給予幫助，在此一并表示感謝。