濮陽地震集中區(qū)雙差層析成像研究

呂子強(qiáng)　鄭建常　張剛　張書建　于澄　顏啟

摘要：利用2000～2013年濮陽地震集中區(qū)的地震觀測數(shù)據(jù)，采用雙差層析成像方法，對地震進(jìn)行精定位，并反演了濮陽地震集中區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：小震震源主要位于聊城一蘭考主干斷裂上，優(yōu)勢深度集中在4～15km之間，與斷層的產(chǎn)狀吻合：濮陽地震集中區(qū)的速度結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造有著一定的相關(guān)性，地震大部分發(fā)生在高速異常體內(nèi)，高速異常體內(nèi)的脆性介質(zhì)往往是應(yīng)力最為集中的地方，這可能是導(dǎo)致濮陽地震集中區(qū)小震發(fā)生的主要原因。

關(guān)鍵詞：雙差層析成像；速度結(jié)構(gòu)；重定位；濮陽地震集中區(qū)

中圖分類號：P315.72 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1000-0666（2016）02-0255-06

0 引言

濮陽地震集中區(qū)處于山東鄄城、河南濮陽的交界地區(qū)，是華北地區(qū)地震活動(dòng)較為集中的區(qū)域之一，主要受北北東走向的聊城一蘭考斷裂帶和北東走向的長垣斷裂帶控制，同時(shí)該區(qū)還有多條次級斷裂，構(gòu)造特征比較復(fù)雜。歷史上曾經(jīng)發(fā)生過1830年河北磁縣7.5級地震和1937年山東菏澤7.0級地震等多次7級以上強(qiáng)震。自1997年以來，該區(qū)連續(xù)發(fā)生多次4級以上中等地震，經(jīng)歷了兩次小震活動(dòng)的增強(qiáng)過程，目前小震活動(dòng)仍比較活躍。因此構(gòu)建濮陽地震集中區(qū)三維速度結(jié)構(gòu)，有助于進(jìn)一步了解該區(qū)域的地震活動(dòng)特征。

地震層析成像是探測地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)和深部斷裂活動(dòng)的重要方法。Zhang和Thurber（2003）在雙差定位方法（Waldhauser，Ellsworth，2000）的基礎(chǔ)上提出了雙差層析成像方法。該方法考慮了介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)在空間范圍上的變化，采用層狀網(wǎng)格模型，因此可以得到更加精確的定位結(jié)果。以往的研究結(jié)果表明，利用該方法可得到震源區(qū)精細(xì)速度結(jié)構(gòu)，為揭示震源區(qū)介質(zhì)分布及地震發(fā)生的深部構(gòu)造研究提供了更加可靠的信息（zhang，Thurber，2005；王長在等，2011，2013；鄧文澤等，2014）。本文采用雙差層析成像方法，對濮陽地震集中區(qū)的地震序列進(jìn)行重定位和速度結(jié)構(gòu)的反演，為該區(qū)域的地震危險(xiǎn)性判斷和地震趨勢研究提供一定的參考。

1 資料與方法

雙差層析成像方法通過聯(lián)合絕對走時(shí)數(shù)據(jù)和相對走時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維速度結(jié)構(gòu)和震源參數(shù)的聯(lián)合反演。假設(shè)有兩個(gè)相鄰的地震，對于第i次地震，臺站k的觀測到時(shí)與理論到時(shí)差rⁱ_k可近似表示為

對于符合組對條件的第i次地震，臺站k同樣可以得到上述的殘差r^j_k，則第i和第j兩次地震在同一臺站的到時(shí)差之差可以表示為

通過聯(lián)合反演就可以得到震源區(qū)精細(xì)的速度結(jié)構(gòu)及地震重新定位結(jié)果。由于該方法聯(lián)合使用絕對走時(shí)和相對走時(shí)，增加了雙差方程，因此相比于傳統(tǒng)方法可以揭示更多的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。

本文選取濮陽地震集中區(qū)有數(shù)字記錄資料以來的2000～2013年發(fā)生的315個(gè)地震。為了確保震相拾取的準(zhǔn)確性，所選地震震級均大于1.0級，首先對震相數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，依據(jù)P波、S波的時(shí)距曲線，剔除有明顯錯(cuò)誤或數(shù)據(jù)偏差較大的震相。圖1給出了本文所使用的震相數(shù)據(jù)的時(shí)距曲線，同時(shí)保證每次地震至少被4個(gè)臺站記錄到，其中參加反演的P波絕對到時(shí)2539個(gè)，相對到時(shí)資料33972個(gè)，參與反演的臺站有24個(gè)。臺站和地震分布見圖2。

本文反演采用的初始模型參考了該區(qū)域以往的研究結(jié)果及人工地震觀測的結(jié)果（嘉世旭等，2001：莘海亮等，2011）。表1給出了P波速度初始模型。表1中的上界面深度表示為分層速度模型中各層的頂面深度，層厚度為下一個(gè)上界面深度與該上界面深度之差。海平面以上部分與第一層的速度相同。S波速度與P波速度的比值為1.72。

2 雙差層析成像結(jié)果

濮陽地震集中區(qū)主要位于東濮凹陷地區(qū)，屬于第三系裂陷盆地。東濮凹陷地處豫魯邊界，北起范縣，南至蘭考，西自濮陽，東到東明，為渤海裂谷系向西的分支。它是在結(jié)晶變質(zhì)巖系基底上發(fā)育的地臺型構(gòu)造層系，受到新生代地殼水平拉張作用，逐漸裂解斷陷而形成的斷陷盆地（王婧韞等，2014）。圖3為濮陽地震集中區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造圖，東濮凹陷夾在魯西隆起與內(nèi)黃隆起之間，主要受NNE走向的聊城-蘭考斷裂和長垣斷裂控制，其中聊城-蘭考斷裂帶以東為魯西隆起區(qū)，長垣斷裂帶以西為內(nèi)黃隆起區(qū)。

本文利用雙差層析成像方法反演濮陽地震集中區(qū)的三維速度結(jié)構(gòu)，對研究區(qū)域內(nèi)的315次地震進(jìn)行重新定位，最終獲得291次地震的精定位結(jié)果，重新定位后均方根殘差平均值由原來的1.19s降為0.59s，通過對理論到時(shí)和觀測到時(shí)殘差的理論估計(jì)，震源位置的測定誤差在E-w方向平均為O.36km，在N-S方向平均為0.40km，在垂直方向平均為0.49km。

對比重定位前后的震中分布（圖4），可以看出雙差定位后的震中位置更加集中，叢集性較為明顯，優(yōu)勢分布方向?yàn)镹NE向，與該區(qū)域斷層的走向方向基本一致。重新定位后震中主要分布于聊城-蘭考斷裂帶一側(cè)，延展范圍約20km，地震分布與斷層的形態(tài)密切相關(guān)。胡長和和許坤福（1991）認(rèn)為聊城一蘭考斷裂帶走向23°～32°，傾角40°～70°，據(jù)鉆孔資料揭露，該斷裂東西兩側(cè)上第三系和第四系厚度相差660m，說明該斷裂繼承性差異運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，這種差異運(yùn)動(dòng)可能與該地區(qū)小震活動(dòng)有一定的相關(guān)性。

從反演結(jié)果看，絕大部分地震主要集中在深度15km以上，本文給出上界面深度為4km和10km的速度結(jié)構(gòu)結(jié)果。深度為4km和10km速度結(jié)構(gòu)結(jié)果基本反映了該地區(qū)上地殼速度的橫向變化特征，與該地區(qū)的地表構(gòu)造有著一定的關(guān)系。從深度為4km速度結(jié)構(gòu)結(jié)果（圖5a）可以看出，內(nèi)黃隆起呈現(xiàn)為明顯的高速異常，東濮凹陷呈現(xiàn)為低速異常，內(nèi)黃隆起的高速異常有向東“侵入”的特征。從圖5b同樣可以看出，內(nèi)黃隆起呈現(xiàn)為高速異常，高速異常體的形態(tài)有一定的收斂，而東濮凹陷呈現(xiàn)為相對更加明顯的低速異常的形態(tài)，可以清楚地顯示東濮凹陷的基底特征。該結(jié)果與莘海亮等（2011）所反演得到的4～12km深度層的速度結(jié)果比較吻合。聊城-蘭考斷裂帶和長垣斷裂帶介于高低速異常的轉(zhuǎn)換帶上，表明斷裂帶兩側(cè)的介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)存在差異性，這種差異性可能更有利于應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生地震。從整體的反演結(jié)果來看，該地區(qū)的淺層速度結(jié)構(gòu)與地表構(gòu)造基本一致。

3 討論

濮陽地震集中區(qū)內(nèi)的構(gòu)造特征和斷裂展布與速度結(jié)構(gòu)的橫向變化有著較好的對應(yīng)，聊城一蘭考斷裂帶和長垣斷裂帶的走向與高低速過渡帶的形態(tài)比較一致，斷裂帶兩側(cè)的速度存在明顯差異。深度為4km和10km的水平層析成像結(jié)果顯示，地震主要發(fā)生在聊城一蘭考主干斷裂帶上，并且處于高速異常體內(nèi)。一般認(rèn)為高速體與地下較脆、較強(qiáng)的巖體有關(guān)，這些部分能夠積累更多的孕震能量，內(nèi)黃隆起的高速異常體向東“侵入”特征可能與地震的孕育密切相關(guān)。

AA'剖面（圖6a）的速度結(jié)構(gòu)顯示，內(nèi)黃隆起的高速異常向東“侵入”聊城一蘭考斷裂帶下方，可能導(dǎo)致聊城一蘭考斷裂帶下方的應(yīng)力比較集中，從而增強(qiáng)了斷層的活動(dòng)性。從BB'剖面（圖6b）的速度結(jié)果可以看出，地震震源處的高低速異常過渡帶比較明顯，斷裂帶兩側(cè)介質(zhì)速度結(jié)構(gòu)具有明顯的不均勻性，高低速異常體的過渡地帶既是應(yīng)力集中的地方，又是介質(zhì)相對比較脆弱的地方，這樣的環(huán)境具備了積累大量應(yīng)變能的介質(zhì)條件，容易發(fā)生破裂釋放應(yīng)力。

從圖6可以清楚得看到，地震主要發(fā)生在高速異常體內(nèi)，主要分布在25km以上，優(yōu)勢深度集中在4～15km之間，斷層的破裂寬度約20km，地震分布比較密集，顯示出斷層的傾角比較陡立，這與于平等（2003）認(rèn)為的聊城一蘭考斷面上部視傾角約為70°～80°的結(jié)果比較接近。對比速度結(jié)構(gòu)與地震分布可以看出，速度結(jié)構(gòu)的不均勻性可能是控制地震分布的主要因素。東濮凹陷發(fā)生過M≥6地震3次，即1502年10月27日濮城M61/2地震、1937年8月1日菏澤M7.0地震和M61/2強(qiáng)余震。濮陽地震集中區(qū)與1502年濮城M61/2震的震源破裂區(qū)的范圍大致重合，而目前該區(qū)域內(nèi)的地震活動(dòng)的持續(xù)增強(qiáng)過程，可能表明歷史地震的斷層上又重新積累了一定水平的應(yīng)變（鄭建常等，2013）。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)研究區(qū)內(nèi)成像結(jié)果的可靠性及分辨率，利用恢復(fù)性實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行驗(yàn)證（zhao etal，1992）。采用實(shí)際地震資料的反演結(jié)果作為恢復(fù)性實(shí)驗(yàn)的輸入模型，可以得到各震相的理論走時(shí)，然后將獲得的理論走時(shí)作為觀測值，基于初始模型，反演得到新的成像結(jié)果。通過對比新的成像結(jié)果和實(shí)際地震資料的反演結(jié)果，可以反映成像結(jié)果的可靠性。圖7給出了研究區(qū)內(nèi)的恢復(fù)性實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)結(jié)果。對比恢復(fù)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際地震資料的反演結(jié)果可以看出，二者速度異常形態(tài)非常相似，只有部分異常體的形態(tài)和幅值存在較小的差異，這表明成像結(jié)果中的主要構(gòu)造特征是可靠的。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用雙差層析成像方法反演得到了濮陽地震集中區(qū)的速度結(jié)構(gòu)特征，反演結(jié)果與該區(qū)域的構(gòu)造特征和斷裂展布比較一致。濮陽地震集中區(qū)的小震活動(dòng)主要發(fā)生在高速異常體內(nèi)，地震分布比較密集。內(nèi)黃隆起的高速異常體向東“侵入”現(xiàn)象導(dǎo)致了聊城一蘭考斷裂帶處的速度結(jié)構(gòu)的不均勻性，可能致使該區(qū)的應(yīng)力比較集中，這表明速度結(jié)構(gòu)的不均勻性可能是控制該區(qū)域地震分布的主要因素。

感謝張海江博士無私地提供雙差層析成像程序。