利用密集臨時地震臺網資料研究唐山地震區三維速度結構*

賴曉玲 孫 譯

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

1 引言

利用地震層析成像獲得地殼三維速度結構是廣泛采用的方法。但是，多數是用于大區域的三維結構研究。所用的數據，一般是固定地震臺網的到時資料，反演模型網格點距大多為幾十千米。

為了研究某些震源區的細結構，可以在震源區周圍布設幾千米點距的密集臨時地震臺網，記錄近場微震資料。近場資料的特點是震源與接收臺站之間的路徑較短，接收到的地震波直接反映震源區介質的信息，并且臺站之間距離較小且分布較均勻，使得模型網格點距可為幾千米。因此，可以得到精細的震源區成像結果［1，2］。

1976年唐山7.8級大地震以來，在唐山地區開展了大量地質調查、地震活動性、地震構造等相關研究工作［3－8］。但是，對唐山震源區仍缺少精細的三維地殼速度圖像。

2006年8—10月，中國地震局地球物理勘探中心在唐山至灤縣地區布設了由30 個臺站組成的密集臨時地震臺網，得到了大量的微震記錄。我們利用地震定位和震源參數圖像方法得到了一些初步的結果［9，10］。

2010年3月，在唐山至灤縣地區發生了ML3.8和ML4.8 兩次地震，并且2011年該區也有幾次3級以上的地震。為了對該區域地震構造進行研究，本文利用地震成像方法對臨時地震臺網資料做進一步處理，得到唐山震源區的三維地殼速度結構。

2 資料處理和結果分析

研究地點為唐山至灤縣地震區。反演模型的深度取決于震源深度。考慮到大部分地震的震源深度在25 km 以上，因而將三維反演模型的垂向尺度定為20 km。速度模型網格間距為4 km ×4 km ×5 km。整個三維模型約為東西長77 km、南北寬55 km、垂向厚20 km 的長方體。

正問題利用“似彎曲法”三維快速射線追蹤，反演方程采用變阻尼最小二乘求解。

圖1 為唐山-灤縣地震區三維速度成像所用的30 個臨時臺站分布，圖2 為速度成像所用的地震事件分布，可以看出震級較大的地震沿唐山、古冶北東方向呈帶狀分布。圖3 為反演的射線分布，可以看出射線密集地分布在唐山、灤縣、野雞坨、豐潤圍限的區域。

圖1 臨時地震臺站分布Fig.1 Distribution of temporary seismostations

從唐山微震觀測挑選出391 個震相清晰的地震事件，多數地震事件都被十幾個以上地震臺記錄到。共有5 000 多個P 波到時用于三維速度成像。

圖2 三維速度成像所用的地震分布Fig.2 Epicenter distribution used for the 3D velocity tomography

反演的初始模型為一維速度模型(表1)，利用三維速度成像方法得到了唐山震源區三維速度結構。圖4 給出了15 km 以上深度的P 波速度圖像。從圖4 中可以看出，地殼1 ～7 km 的深度上，速度圖像反映了以北東方向的唐山-古冶斷層為界，其北西側為高速區，東南側為低速區。另外，在1 ～3 km 的深度上，速度圖像在灤縣附近以北北西向的低速帶與北北西向的灤縣-樂亭斷裂相對應。在9 ～13 km的深度上。以低速為主要特征。15 km 的深度，在研究區中部有一條近東西向展布的低速帶，另外，在唐山-古冶有一條串珠狀的高速帶。

圖3 三維速度成像的射線分布Fig.3 Rays distribution used for the 3D velocity tomography

表1 三維反演的初始速度模型Tab.1 Initial velocity model used for the 3D inversion

圖5是以唐山7.8級地震震中(118°11'E，39°38'N)為交點的東西和南北正交剖面，它反映了唐山震源區地殼垂向20 千米的速度變化。圖5(a)沿東西方向剖面可以看出，從地表到13 千米深度，地震發生在地殼高速和低速的陡變部位，并且，速度陡變帶的邊界是近乎直立的，與區域臺網小震精定位得到的唐山斷裂傾向近乎直立的結論一致［8］。圖5(b)沿南北方向剖面可以看出，從地表到5 千米深度有一高速層，在其下方深度為8 ～14 千米的中地殼有一低速層。因此，唐山7.8級震源區無論是深度方向還是水平方向都存在地殼速度的陡變帶。

圖4 研究區三維速度圖像(單位:km/s)Fig.4 3-D velocity imaging in the studied area(unit:km/s)

3 結論和討論

對照速度成像結果可以看出:上地殼(1 ～7 km深度)以北東向的唐山斷裂帶為界，北西側為高速區，而東南側為低速區，唐山斷裂帶為速度差異帶;在淺部(1 ～3 km 的深度)，灤縣附近的北北西向低速帶與北北西向的灤縣-樂亭斷裂在位置上相對應;中地殼(9 ～13 km 深度)，研究區以近東西方向展布的低速帶為主要特征，位置和方向與近東西向的豐臺-野雞坨斷裂有對應關系。反映了該斷裂已延伸到中下地殼并且斷裂的規模較大。

在15 km 深度，沿北東向的唐山斷裂帶有串珠狀高低速的線性特征，反映了北東向的唐山斷裂帶是研究區的主要構造帶。并且震源較深的地震和震級較大的地震都沿唐山、古冶一帶的北東方向分布，表明該斷裂帶仍然是活動性較強的構造。

唐山震中區沿東西剖面顯示，從地表到地殼內13 千米深度，存在沿垂直方向的高速和低速陡變帶。唐山7.8級地震的震源深度約為13 km，由此推測，深度方向的速度陡變帶是與大地震的垂直錯動有關的速度差異帶。沿南北剖面，從地表到5 km深度有一高速層，在其下方8 ～14 km 深度有一低速層。唐山地震深淺構造關系研究認為，中地殼的多層性和低速性造成水平滑脫是構成地殼差異變形和誘發地震的一個重要因素［5］。震中區沿南北剖面，上、中地殼速度異常體層狀差異明顯，并且三維成像的中地殼總體以低速帶為主要特征。因此，中地殼低速層和速度陡變帶是唐山地震構造的重要特征。

圖5 唐山地震震中區垂向速度變化圖像(單位:km/s)Fig.5 Vertical velocity imaging across the epicenter area in Tangshan earthqhake(unit:km/s)

唐山三維速度成像另一個特征是，上地殼的速度結構比較零碎，反映了淺部具有較為復雜的局部斷裂，中地殼速度結構塊體比較大，反映了中部地殼構造比淺部構造更整體，斷裂較為集中。煤礦地質構造分析顯示［11］，唐山開灤礦區附近的淺部有多條局部斷裂，主要走向為北東，與上地殼1 ～3 km 深度的圖像反映的特征較為一致。

鉆孔剖面探測和探槽開挖揭示的唐山震中區活動斷裂構造［7］，在震中附近的牛馬庫、孫家樓等地點晚第四紀地層斷錯、垂直位移明顯，與震中下方的高速和低速陡變帶位置對應。三維速度圖像補充了發震斷裂在地殼深部的斷錯和延伸形態。

1 賴曉玲，張先康，李松林.伽師近場地震資料處理——三維速度成像［J］.中國科學院研究生院學報，2003，20(1):50－55.(Lai Xialing，Zhang Xiankang and Li Songlin.Data processing of near field earthquake records in Jiashi earthquake region— 3-D velocity tomograthy［J］.Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，2003，20(1):50－55)

2 賴曉玲，等.張北地震區三維構造特征［J］.地學前緣，2002，9(4):383－388.(Lai Xiaoling，et al.3-D structural feature in Zhangbei earthquake region［J］.Earth Science Frontiers，2002，9(4):383－388)

3 張四昌，刁桂苓.唐山地震序列的構造過程［J］.中國地震，1992，8(2):73－80.(Zhang Sichang and Diao Guiling.The tectonic process of the Tangshan earthquake sequence［J］.Earthquake Research in China，1992，8(2):73－80)

4 李建華，等.1976年唐山地震發震斷裂的活動性研究［J］.地震地質，1998，20(1):27－33.(Li Jianhua，et al.A study on activity of the seismogenic fault for the Tangshan earthquake of 1976［J］.Seismology and Geology，1998，20(1):27－33)

5 尤惠川，等.唐山地震深淺構造關系研究［J］.地震地質，2002，24(2):571－582.(You Huichuan，et al.Study on the relationship between shallow and deep structures in the 1976 Tangshan earthquake area［J］.Seismology and Geology，2002，24(2):571－582)

6 邱澤華，馬 瑾，劉國璽.新發現的唐山地震大斷層［J］.地震地質，2005，27(4):669－677.(Qiu Zehua，Ma Jin and Liu Guoxi.Late discovery of the great fault of the Tangshan earthquake［J］.Seismology and Geology，2005，27(4):669－677)

7 郭慧，江娃利，謝新生.鉆孔與探槽揭示1976年河北唐山Ms 7.8地震發震構造晚第四紀強震活動［J］.中國科學(地球科學)，2011，41(7):1 009－1 028.(Guo Hui，Jiang Wali and Xie Xinsheng.Late-Quaternary strong earthquakes on the seismogenic fault of 1976 Ms7.8 Tangshan earthquake，Hebei，as revealed by drilling and trenching［J］.Sci China Earth Sci.，2011，doi:10.1007/s11430－011－4218－x.

8 萬永革，等.利用小震分布和區域應力場確定大震斷層面參數方法及其在唐山地震序列中的應用［J］.地球物理學報，2008，51(3):793－804.(Wan Yongge，et a1.An algorithm of fault parameter determination using distribution of small earthquakes and parameters of regional stress field and its application to Tangshan earthquake sequence［J］.Chinese J Geophys.，2008，51(3):793－804)

9 賴曉玲，等.2006年唐山震源區臨時地震臺網微震觀測初步結果［J］.大地測量與地球動力學，2008，(1):7－10.(Lai Xiaoling，et al.Preliminary results of microearthquake observation by temporary seismostation networks in Tangshan region in 2006［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(1):7－10)

10 賴曉玲，等.唐山地震區震源參數圖像分析［J］.大地測量與地球動力學，2009，(6):32－34.(Lai Xiaoling，et al.Pattern analyses of hypocentral parameters in Tangshan earthquake region［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(6):32－34)

11 陳尚斌，等.開灤唐山礦逆沖推覆構造及其控煤作用［J］.煤田地質與勘探，2011，39(2):7－12.(Chen Shangbin，et al.Nappe structure characteristics and coal-controlling action of Tangshan mine in Kailuan［J］.Coal Geology ＆ Exploration，2011，39(2):7－12)