馮 策 焦明若 于海英 李世林

1 上海市地震局，上海市蘭溪路87號，200062 2 上海佘山地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，上海市蘭溪路87號，200062 3 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，110031 4 南方科技大學(xué)理學(xué)院，深圳市學(xué)苑大道1088號，518055

遼寧地區(qū)地處中朝準(zhǔn)地臺北部，屬于華北斷塊區(qū)，可以按照巖性和地層特點分為3個次級斷塊：遼東斷塊隆起區(qū)、遼西斷塊隆起區(qū)和下遼河盆地坳陷。第四紀以來，遼西斷塊隆起區(qū)和遼東臺隆間歇性緩慢抬升，下遼河盆地斷陷持續(xù)下降，但下降幅度減緩，呈現(xiàn)向渤海沿岸傾斜的趨勢。遼寧地區(qū)的區(qū)域構(gòu)造演化與華北克拉通之間存在一定的聯(lián)系，遼寧地區(qū)的地殼及上地幔結(jié)構(gòu)對于研究華北克拉通的動力學(xué)演化過程及機制具有重要意義。遼寧地區(qū)地震活動較為活躍，發(fā)生過1917年鴨綠江6.1級地震、1975年海城7.3級地震等。

有學(xué)者利用地震波接收函數(shù)、背景噪聲等多種方法對遼寧地區(qū)的地下結(jié)構(gòu)進行成像分析，取得諸多成果[1-2]。但遼寧地區(qū)地處東北地區(qū)南部，射線覆蓋較差，成像分辨率不高。針對遼寧地區(qū)地下結(jié)構(gòu)的研究大多是利用天然地震的體波反演速度結(jié)構(gòu)，進而說明地殼及上地幔的不均勻性，得到各個地層的厚度[3]。由于地震波的接收函數(shù)和層析成像反演方法易受到臺站覆蓋率和分布的影響，潘佳鐵等[1]利用噪聲層析成像法對中國東北地區(qū)進行研究，但遼寧位于其研究區(qū)邊緣，分辨率不高；馮策等[4]給出遼寧地區(qū)二維群速度結(jié)構(gòu)，但未繼續(xù)進行三維S波速度結(jié)構(gòu)的反演工作。

本文利用遼寧及鄰區(qū)70個固定臺站[5]的數(shù)據(jù)，基于背景噪聲成像法獲取研究區(qū)(34°～45°N，114°～128°E)下方10～40 s的面波相速度結(jié)構(gòu)。利用獲取的相速度頻散曲線，基于馬爾科夫鏈蒙特卡洛(MCMC)[6]方法反演該地區(qū)下方10～40 km深度處的三維S波速度結(jié)構(gòu)，并結(jié)合相關(guān)研究資料對結(jié)果的物理意義進行分析和討論。

1 數(shù)據(jù)選取及處理方法

1.1 地震數(shù)據(jù)

本文使用遼寧省、吉林省地震監(jiān)測中心以及國家數(shù)據(jù)備份中心70個寬頻帶地震臺站2012年的連續(xù)背景噪聲垂向數(shù)據(jù)[5]。臺站分布見圖1，A-A′、B-B′、C-C′為剖面位置。

F1: 郯廬斷裂帶北段(由多組斷裂組成) ；F2：南北重力梯度帶；F3:赤峰-開原斷裂；F4：依蘭-伊通斷裂；Ⅰ：下遼河盆地，遼東灣斷陷，渤海灣；Ⅱ:遼西-燕山臺褶系；Ⅲ：膠遼臺隆圖1 臺站及主要大斷裂的分布

1.2 單臺預(yù)處理與互相關(guān)

本文數(shù)據(jù)處理流程參考文獻[7]，大致分為5步：1)單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理；2)噪聲互相關(guān)計算與疊加；3)頻散曲線提?。?)質(zhì)量控制；5)面波層析成像。首先將每天的原始數(shù)據(jù)進行拼接、補零，然后對數(shù)據(jù)進行重采樣，降采樣率至1 Hz，再進行去儀器響應(yīng)、去均值、去零漂、5～50 s的帶通濾波等操作。采用滑動平均值法進行時間域歸一化處理，最后進行頻譜白化，放大噪聲信號。

單臺預(yù)處理結(jié)束后，便可進行臺站間背景噪聲數(shù)據(jù)的互相關(guān)計算與疊加。為避免出現(xiàn)正負時間信號振幅不對稱的情況，在計算過程中采用正負信號反序疊加平均值作為經(jīng)驗格林函數(shù)。

1.3 頻散曲線測量

采用時頻分析方法提取相速度頻散曲線。為保證頻散曲線的可靠性、提高信噪比，采用以下標(biāo)準(zhǔn)：1)選出信噪比SNR>10的經(jīng)驗格林函數(shù)進行頻散曲線測量；2)挑選臺間距大于3倍波長的臺站對；3)去除擬合殘差過大的數(shù)據(jù)。最后從2 415條頻散曲線中篩選出1 660條信噪比較高的頻散曲線。

1.4 分辨率測試

通過檢測研究區(qū)分辨率的高低來驗證面波層析成像結(jié)果的可靠程度。根據(jù)射線的密度和方位分布，以0.5°×0.5°劃分網(wǎng)格，分別計算研究區(qū)下方10～35 s的分辨率。圖2為10 s、25 s、35 s的射線分布及其對應(yīng)的分辨率測試結(jié)果。從10 s和25 s的分辨率圖像中可以看出，2個周期的射線覆蓋密集，除毗鄰朝鮮的部分區(qū)域外，遼寧地區(qū)的分辨率均可達到50 km，局部可達20 km。周期為35 s時，由于射線數(shù)目變少，遼寧地區(qū)的分辨率有所降低，但研究區(qū)中心位置的分辨率仍可達到50 km。綜上可知，本文成像結(jié)果可靠，效果較好。

圖2 研究區(qū)射線分布及分辨率

2 面波相速度反演

使用文獻[8]的層析成像方法得到研究區(qū)相速度分布圖。圖3為遼寧地區(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。圖4為不同周期相速度的速度結(jié)構(gòu)分布，其中紅色空心圓為歷史上大于5級的中強震，灰色部分為分辨率較低的區(qū)域。

圖3 不同周期相速度深度靈敏核

圖4 不同周期相速度成像結(jié)果

由圖4(a)、(b)可見，10 s、15 s周期的相速度分布與研究區(qū)內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造分布特征基本吻合，呈兩側(cè)高速、中間低速、山區(qū)隆起高速、盆地坳陷低速的特點。從地震分布的角度可以看出，研究區(qū)內(nèi)的地震多發(fā)于高低速轉(zhuǎn)換帶上，且沿郯廬斷裂帶走向展布。

由圖4(c)、(d)可見，遼西及內(nèi)蒙古部分地區(qū)的低速異常為全區(qū)最低值，遼東半島及下遼河盆地出現(xiàn)高速異常，說明研究區(qū)內(nèi)地殼厚度呈“西厚東薄”的特點。低速異常體大部分位于渤海海域，推測可能受到渤海盆地下覆巨厚、松散的沉積層影響[9]。海城至大連地區(qū)存在一個明顯的低速體，推測可能是受到郯廬斷裂帶北段的切割影響，地幔軟流層熱物質(zhì)上涌所致[10]。

由圖4(e)、(f)可見，遼東半島由高速異常變?yōu)榈退佼惓?，說明該區(qū)域內(nèi)地殼相對較厚。該結(jié)果與盧造勛等[11]的研究結(jié)果一致。

3 S波速度結(jié)構(gòu)反演

采用MCMC法反演S波速度結(jié)構(gòu)，該方法最早用于描述模型空間對真實數(shù)據(jù)的擬合殘差。

3.1 一維S波速度結(jié)構(gòu)反演

首先將一維S波速度模型參數(shù)化。模型主要分為3層：沉積層、地殼層及地幔層。沉積層由3個參數(shù)構(gòu)成：沉積層厚度、頂層和底層的S波速度。沉積層厚度采用CRUST1.0模型，地表到地下100 km處的厚度采用PREM模型，莫霍面深度模型采用張廣成等[12]的東北地區(qū)地殼上地幔結(jié)構(gòu)研究結(jié)果，地幔的厚度模型則用總厚度減去莫霍面的深度得出。圖5為網(wǎng)格點(116.4°E，43.3°N)處的一維S波速度結(jié)構(gòu)反演擬合曲線，圖5(a)中紅色粗線為擬合的頻散曲線，黑色細線為該處節(jié)點的觀測純路徑頻散曲線; 圖5(b)中綠色實線為S波速度模型概率密度分布最大值的連線，深藍色實線為反演得到的平均S波速度模型?？梢钥闯觯瑪M合的頻散曲線與實際測量值的一致性較好。

圖5 網(wǎng)格點一維S波速度反演的數(shù)據(jù)擬合

3.2 三維S波速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果

對每個節(jié)點下方得到的S波速度頻散曲線進行線性差值計算，獲取10～40 km深度處的橫切面S波速度結(jié)構(gòu)分布(圖6)。

F1:郯廬斷裂帶北段；F3:赤峰-開原斷裂；F4:依蘭-伊通斷裂；黑色空心圓為區(qū)域內(nèi)M>4.8的地震圖6 不同深度下S波橫切面的速度分布

3.2.1 S波橫剖面反演結(jié)果

由圖6(a)可見，淺地表及上地殼的S波速度結(jié)構(gòu)分布與地表的構(gòu)造單元較為吻合，高速體主要分布在遼東臺隆和遼西斷塊隆起區(qū)，低速體主要分布在下遼河盆地及渤海灣。速度最低值位于渤海灣盆地，這可能與渤海內(nèi)存在較厚的沉積層有關(guān)?？傮w上10 km的速度值主要受到地質(zhì)構(gòu)造單元的影響。結(jié)合該區(qū)域中強震(黑色空心圓)時空分布特點可以發(fā)現(xiàn)，大地震基本都圍繞高低速過渡帶分布，因此推測S波高低速過渡帶更容易成為大震孕震區(qū)。郯廬斷裂帶北段將區(qū)域內(nèi)的速度值分割成高低2個區(qū)域，說明區(qū)域內(nèi)中上地殼S波速度受到地形地貌及大型斷裂的影響較大。

由圖6(b)可見，下遼河盆地由低速轉(zhuǎn)為高速，低速異常體集中在渤海盆地和蓬萊灣內(nèi)。渤海灣盆地和蓬萊灣分別為郯廬斷裂帶北段及張家口-蓬萊斷裂帶的主要分布區(qū)域，該處低速異常體很可能受到2條主要斷裂帶的影響。根據(jù)文獻[13]可知，渤海海域中下地殼速度普遍偏低，推測與華北克拉通及熱物質(zhì)上涌有關(guān)，該觀點與本文觀點一致。同時，大連海城一帶的高速異常也與前人的研究結(jié)果相似[14]。上述結(jié)果表明，隨著深度的增加，中下地殼內(nèi)S波速度結(jié)構(gòu)受沉積層及地形地貌的影響程度逐漸減弱，受深大斷裂帶的影響逐漸增強。

由圖6(c)可見，30 km處的速度異常分布與10 km和20 km深度處幾乎完全相反。遼東灣處由高速異常變?yōu)榈退佼惓?，渤海灣盆地?nèi)由低速異常變?yōu)楦咚佼惓＃@與孫若昧等[9]提出的渤海灣為該地區(qū)莫霍面最薄處的結(jié)論相符。遼西斷塊隆起區(qū)高速異常則變?yōu)榇蠓秶牡退佼惓?，說明該層S波速度異常分布已經(jīng)不受地質(zhì)構(gòu)造和大型斷裂的影響，轉(zhuǎn)而更多地受到地殼厚度的影響。結(jié)合圖6(c)、(d)可以看出，位于海城至大連區(qū)域的低速異常體從30 km處貫穿至40 km處。根據(jù)滕吉文等[10]得到的渤海灣內(nèi)存在地幔熱柱的結(jié)論，結(jié)合區(qū)域內(nèi)深大斷裂及歷史地震震中位置進行綜合分析，推測該區(qū)域可能受到深大斷裂的影響，同時受熱物質(zhì)上涌等因素的共同作用，致使其構(gòu)造環(huán)境發(fā)生改變，成為諸如1969年渤海7.4級地震、1975年海城7.3級大地震及圖6(a)、(b)中淺源中強震的主要誘發(fā)原因。

由圖6(d)可見，低速體集中位于40 km深度處的2個位置上，分別是海城至渤海灣盆地區(qū)域及遼西斷塊隆起區(qū)，遼東地區(qū)則由低速區(qū)變?yōu)楦咚賲^(qū)。排除熱物質(zhì)上涌的影響，該地區(qū)上地幔的S波呈現(xiàn)以郯廬斷裂帶為界的“東高西低”的速度分布，這與盧造勛等[11]得出的東北地區(qū)莫霍面呈現(xiàn)“東淺西深”的結(jié)論一致。

3.2.2 S波縱剖面反演結(jié)果

圖7為S波速度結(jié)構(gòu)縱向剖面結(jié)果，黑色虛線為莫霍面輪廓。由圖可見，縱剖面A-A′西起遼西斷塊隆起區(qū)、中間穿過下遼河盆地、東至遼東斷塊岫巖處?？梢钥闯觯芯繀^(qū)的地殼厚度分布整體呈中間薄、兩側(cè)厚的特點。結(jié)合發(fā)生在海城下方16 km深度處的1975年海城7.3級大地震及2013年遼寧燈塔5.1級地震的震中位置可知，高低速過渡帶作為地下物質(zhì)組成差異化的體現(xiàn)，其巖性、密度、應(yīng)力累積等均不相同，因此成為大震孕震區(qū)。

圖7 S波速度結(jié)構(gòu)縱向剖面結(jié)果

縱剖面B-B′呈東西走向，西起內(nèi)蒙古地軸，橫跨渤海灣，東至遼東臺隆。由于受到沉積層的影響，低速區(qū)域位于渤海灣盆地內(nèi)。圖中遼東地區(qū)莫霍面頂部呈凹狀，與盧造勛等[11]的研究結(jié)論一致。

縱剖面C-C′沿郯廬斷裂帶北段分布，呈NE走向，貫穿渤海灣及遼東臺隆。該剖面較為清晰地展示了莫霍面自南向北沿郯廬斷裂帶先高后低、地殼厚度由薄到厚的變化過程。其中，地殼最厚處出現(xiàn)在120.5°～121.5°E之間的渤海灣與遼東半島交界處，推測該區(qū)域是由受到擠壓的遼東褶皺帶與渤海灣盆地碰撞后形成的。遼陽至伊通段出現(xiàn)低速異常體(紅色虛線橢圓處)，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的赤峰-開原斷裂(圖1中F3)及郯廬斷裂帶北段的依蘭-伊通斷裂(圖1中F4)的展布情況，結(jié)合相關(guān)研究[15]綜合推測可知，形成該低速異常的主要原因可能是該剖面區(qū)域位于2大斷裂的交會處(圖1)，且其中一條為全新世活躍斷裂。2條大型構(gòu)造斷裂相互作用，導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、密度等因素發(fā)生改變或者破壞了地下構(gòu)造，形成深部熱物質(zhì)及氣態(tài)物質(zhì)的上升通道。

4 討 論

4.1 30～40 km大連海城附近低速異常

橫剖面30～40 km的遼寧海城至遼東灣一帶存在一個低速異常體，雖然該異常范圍會隨深度加深而變小，但卻一直存在。李志偉等[3]發(fā)現(xiàn)遼東半島附近存在速度低值區(qū)，推測是由高熱流值引起的；滕吉文等[10]提出渤海灣為地幔熱流的上涌中心，輻射至周圍的大連、海城一帶；趙俊猛等[16]認為遼河裂谷自西向東遷移，其熱流值明顯高于其他地區(qū)。根據(jù)以上結(jié)論，本研究推測該區(qū)域一直存在的低速異常體可能是受到郯廬斷裂帶的影響，使得原本就存在物質(zhì)上涌現(xiàn)象的區(qū)域出現(xiàn)新通道。

4.2 遼陽-伊通段低速異常體

C-C′剖面的遼陽至伊通段存在一個橢圓形的低速異常體。相關(guān)資料顯示，遼寧地區(qū)斷裂盤根錯節(jié)，構(gòu)造格局以深大斷裂郯廬斷裂帶北段為主，赤峰-開原斷裂、依蘭-伊通斷裂、金州斷裂等大型斷裂為輔。楊舒程等[17]提出，遼寧地區(qū)的中強震多發(fā)生于2組斷裂的交會處；滕吉文等[10]也指出渤海及其鄰區(qū)深大斷裂與其他斷裂的交會部位的確是該區(qū)域熱物質(zhì)上涌的通道。遼陽-伊通段低速異常體正好位于全新世活斷裂郯廬斷裂帶依蘭-伊通段與赤峰-開原斷裂的交會處。綜上可知，該處的低速異常體很可能是由于斷裂的相互作用引起該地區(qū)地下結(jié)構(gòu)應(yīng)力等因素變化，或者形成相應(yīng)熱物質(zhì)上升通道同時改變周圍環(huán)境所致。

5 結(jié) 語

1)橫向S波速度結(jié)構(gòu)的10～40 km分層結(jié)果較好地揭示了研究區(qū)域的橫向不均勻性。10～20 km的中上地殼S波速度結(jié)構(gòu)基本與地貌地勢及大地構(gòu)造分布一致，呈“兩壘高、一塹低”的速度分布。由于地下物質(zhì)組成成分的差別及莫霍面起伏變化，20～30 km的中下地殼S波速度結(jié)構(gòu)分布更多受控于地殼厚度及郯廬斷裂北段、張家口-蓬萊斷裂等深大斷裂。海城至大連區(qū)域地下30～40 km處一直存在一個低速體，結(jié)合相關(guān)研究推測該區(qū)域受深大斷裂及熱物質(zhì)上涌等綜合因素的影響，導(dǎo)致構(gòu)造環(huán)境發(fā)生改變，進而使該區(qū)域更易成為中強震的孕震區(qū)。40 km處上地幔的S波速度分布呈現(xiàn)以郯廬斷裂帶為界的“東高西低”現(xiàn)象。

2)縱向剖面參照研究區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造分布及大型斷裂走向進行布設(shè)。A-A′剖面揭示了研究區(qū)地殼厚度呈中間薄兩側(cè)厚的特點，最薄處位于下遼河盆地，最厚處位于遼西斷塊隆起。結(jié)合歷史地震震中位置可以看出，高低速轉(zhuǎn)換帶更容易成為大震的孕震區(qū)。由于受到沉積層的影響，縱剖面B-B′低速區(qū)位于渤海灣盆地內(nèi)。從C-C′剖面可以較為清晰地看出莫霍面自南向北沿郯廬斷裂帶呈現(xiàn)先高后低的變化過程，最厚處位于渤海灣與遼東半島的交界處，推測是由受到擠壓的遼東褶皺帶與渤海灣盆地碰撞擠壓后形成。遼陽至伊通段下方發(fā)現(xiàn)低速體，結(jié)合相關(guān)文獻推斷該低速體可能是由區(qū)域內(nèi)大型斷裂(赤峰-開原斷裂、依蘭-伊通斷裂)相互作用或者熱物質(zhì)上涌所致。