川西地區地殼三維速度結構環境噪聲高分辨率地震成像研究

李 昱

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

川西地區地殼三維速度結構環境噪聲高分辨率地震成像研究

李 昱

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

川西高原地處青藏高原東部邊緣。川西地區高分辨率的地殼上地幔三維速度結構探測研究對于青藏高原動力學和大陸內部塊體邊界動力學來說無疑具有至關重要的意義。近年來,川西地區已成為青藏高原動力學和大陸內部塊體邊界動力學研究的熱點。與之相應的地球物理探測工作也十分活躍。但是,由于臺站覆蓋區域及空間分辨率的限制,前期發表的研究結果對于全面了解川西高原地殼上地幔速度結構的橫向變化仍存在較大的局限性。

另一方面,川西高原也是中國大陸地震活動最為頻繁的一個地區。川西地區高分辨率的地殼上地幔結構對于研究這一地區地震成因背景和地震形成的機理具有不可替代的作用。特別是,2008年5月12日在龍門山斷裂帶發生了汶川MS8.0地震。這進一步激發了人們對這一地區深部構造背景研究的興趣。一系列有關龍門山斷裂帶及其鄰域的地殼上地幔三維速度結構的最新研究結果陸續發表。這些研究成果對于進一步理解汶川大震區及其鄰域的地殼上地幔速度結構和汶川大地震的動力學背景無疑具有重要的參考意義。但是,比較不同作者給出的結果,我們不難發現它們之間尚存在不同程度的矛盾和差異。

自2006年10月起,在國家重大基礎研究項目(973)的支持下,中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室在川西地區(26°～32°N,100°～105°E)布設了由297臺寬頻帶數字地震儀組成的流動觀測臺陣(以下簡稱川西臺陣),獲得了汶川MS8.0地震前后完整的地震活動的觀測記錄。這為利用天然地震數據研究川西地區三維高分辨率地殼上地幔速度結構圖像積累了新的寶貴資料。

利用川西臺陣觀測的遠震P波波形數據和非線性接收函數方法,劉啟元等[1]已經給出了穿越汶川地震震中區(沿31°N)的二維地殼上地幔S波速度結構及地殼的平均泊松比。利用遠震P波走時層析成像方法,郭飚等[2]給出了川西地區(29°～32°N,100°～105°E)400 km深度范圍內地殼上地幔的三維P波速度結構。由于各種地球物理反演方法往往存在程度不同的非唯一性,對同一區域,采用不同數據源和多種地球物理反演技術研究其地下速度結構無疑成為解決這一問題最有效的途徑。

近年來,跨學科研究表明,通過對長時間段內的環境噪聲進行互相關運算,可以提取接收點間的格林函數。環境噪聲層析成像通過對兩個臺站長時間的環境地震噪聲進行互相關計算提取臺站間的格林函數,從而獲取面波頻散特征,并進一步通過地震面波層析成像獲得地球內部的速度結構。利用環境地震噪聲提取臺站間的格林函數的工作由Shap iro等人于2005年取得了成功[3]。此后,環境噪聲的層析成像技術獲得了快速發展,并成為廣泛關注和研究的熱點。特別是,利用環境噪聲進行淺層面波成像的方法得到了廣泛應用。環境噪聲層析成像技術為利用密集臺陣進行地下速度結構的高分辨率地震成像提供了新的途徑。

本文系統闡述了由環境噪聲數據提取經驗格林函數以及瑞雷波相速度圖像的理論和方法,介紹了面波非線性全局搜索反演的近鄰算法,并利用2007年1月—2007年12月川西臺陣29°N以北的156個臺站記錄的環境地震噪聲數據和姚華建等[4]提出的基于圖像分析的相速度頻散曲線快速提取方法,篩選并得到11358條瑞雷波相速度頻散曲線。在此基礎上,利用瑞雷波相速度層析成像技術及面波速度結構反演方法,研究了川西臺陣下方高分辨率的地殼三維橫波速度結構。本文得到的結果為研究川西高原和四川盆地的地殼結構提供了新的獨立觀測證據,為進一步的深入研究提供了重要的約束。

本文對從環境噪聲數據提取相速度頻散曲線的方法作了如下改進:①川西臺陣覆蓋區域的地形復雜,且在龍門山斷裂帶的兩側地形高差變化很大;為此,在計算相速度頻散曲線時考慮了相應的高程修正;②為了更好地獲取近距離臺站的相速度頻散信息,改進了經驗格林函數提取相速度頻散曲線時所用的濾波窗,使其能夠更好地壓制經驗格林函數曲線上零點附近的強振幅波形。經過上述處理,頻散曲線的短周期部分有了較大改善。

關于環境噪聲面波層析成像方法,本文研究得到以下幾點認識:

(1)作為一種無源方法,環境噪聲面波層析成像擺脫了天然地震研究方法對于震源參數的依賴,只要有足夠長時間連續的地震噪聲的觀測記錄,就可以通過互相關方法提取到質量較好的格林函數。

(2)利用密集臺陣環境噪聲數據的地震成像的分辨率大大優于經典面波成像的結果,而觀測臺陣的合理布局對于射線路徑均勻覆蓋研究區域,充分發揮環境噪聲方法的優勢至關重要。觀測臺站的布設格局決定了射線路徑的分布,臺站密度決定了能夠提取的射線路徑的數量,而臺站孔徑和密度則決定了提取的面波頻散曲線的頻帶寬度。

(3)由于10～20 s周期段的噪聲源主要來自于海浪,導致互相關函數的振幅呈現與季節相關的時間變化。但是,這并不影響相位信息整體的穩定性,從經過正向和逆向疊加處理的經驗格林函數中提取的相速度信息仍然是可靠的。

(4)環境噪聲方法也有其自身的局限性,目前得到周期40 s以上的信息仍比較困難,以至于僅用環境噪聲數據的地震成像深度難以超越地殼的范圍。除非與其他地震觀測數據相結合,這種方法目前尚難以獨立用于超過一般地殼深度范圍的地震層析成像。另外,環境噪聲互相關函數的短周期部分(＜10 s)在0時刻附近往往出現一段振幅較強的波形。當臺站間距很小(如小于30 km)的時候,該波形將會干擾后續的信號,影響頻散曲線的提取。

利用面波相速度層析成像方法,本文給出了川西地區0.25°×0.25°周期2～35 s的瑞雷波相速度分布,并利用近鄰算法反演了273個格點的瑞雷波相速度分布,我們得到了川西地區的地殼三維橫波速度結構。本文的成像結果表明,觀測臺陣覆蓋的川滇地塊、松潘—甘孜地塊和四川盆地的地殼速度結構具有顯著差異和各自不同的特點。具體表現為:

(1)淺部2～8 km深度的S波速度結構(相應于短周期2～8 s相速度分布)與地表構造特征相吻合,作為川滇地塊、松潘—甘孜地塊和四川盆地之間的邊界斷裂,龍門山斷裂帶和鮮水河斷裂帶對上述3個地塊上地殼的速度結構具有明顯的控制作用,四川盆地前陸低速特征表明相應區域存在較厚的沉積蓋層,厚度約為8～10 km。

(2)中上地殼8～20 km的S波速度結構(相應于中周期12～18 s相速度分布)表明,川滇地塊和松潘—甘孜地塊中上地殼速度結構存在明顯的不均勻橫向變化,并形成了尺度不同,高低速相間的分塊結構,而四川盆地中地殼S波速度整體高于另外兩個塊體。

(3)中下地殼20～40 km的S波速度結構(相應于長周期25～35 s相速度分布)表明,松潘—甘孜地塊,特別是川滇地塊中下地殼表現出具有比較廣泛的低速分布,意味著它們的中下地殼相對軟弱,而四川盆地的中下地殼呈現整體性的高速特征,意味著四川盆地具有比較堅硬的中下地殼;并且以汶川地震的震中為界,龍門山斷裂帶的地殼結構顯示了北段為高速、南段為低速的分段特征。

(4)周期大于12 s的相速度分布表明,隨著周期的加大,龍門山斷裂帶與鮮水河斷裂帶及安寧河斷裂帶交匯處東側高速異常區逐漸增大,表明川滇地塊運動方向的改變應與四川盆地堅硬地殼的阻擋作用密切相關。

(5)本文得到的相速度成像結果與相應的地殼上地幔瑞雷波地震反演的結果是吻合的,同時它們也與相應的接收函數反演結果基本一致。本文利用環境噪聲數據得到的瑞雷波相速度頻散數據可以為研究川西臺陣下方地殼結構,特別是對接收函數反演,提供重要的有價值的約束。

(6)本文給出的研究區下方的地殼三維S波速度結構表明,川滇地塊的中下地殼具有大面積分布的S波低速區,這對該地區存在中下地殼的通道流的推斷是一個有力的支持。但是,在松潘—甘孜地塊內,其地殼速度結構相對來說較為復雜,盡管該地區中下地殼也存在大面積的S波低速區,但通道流模型(Channel flow)是否能夠解釋該地區的地殼變形仍有待進一步的深入研究和更高分辨率的實驗證據。盡管如此,松潘—甘孜地塊的中下地殼強度應明顯小于四川盆地相應深度范圍的地殼強度,這意味著松潘—甘孜地塊向東逃逸受到了四川盆地堅硬的中下地殼的阻擋。本文的結果為這一推斷提供了高分辨率地殼三維速度結構的證據,并為進一步的動力學數值模擬研究奠定了重要基礎。

環境噪聲;相速度反演;瑞雷面波;層析成像;近鄰算法;S波速度結構;川西臺陣

[1] 劉啟元,李昱,陳九輝,等.汶川MS8.0地震:地殼上地幔S波速度結構的初步研究.地球物理學報,2009,52(2):309-319

[2] 郭飚,劉啟元,陳九輝,等.川西龍門山及鄰區地殼上地幔遠震P波層析成像.地球物理學報,2009,52(2):346-355

[3] Shapiro N M,Camp illo M.Em ergence of broadband Rayleigh waves from correlations of the am bientseism ic noise.Geophys.Res.Lett.,2004,31(7):L07614,doi:10.1029/2004 GL019491

[4] 姚華建,徐果明,肖翔,等.利用基于圖像分析的雙臺面波相速度頻散曲線快速提取方法.地震地磁觀測與研究,2004,25(1):1-8

P315.2;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.006

(作者電子信箱,李昱:ly@sac.ac.cn)