大同地區地殼橫波衰減成像研究

李 麗，劉 劍，李宏偉，梁 艷

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025；3.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

大同地區地殼橫波衰減成像研究

李 麗1，2，劉 劍3，李宏偉1，2，梁 艷1，2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025；3.太原理工大學礦業工程學院，山西 太原 030024)

運用大同地區2001—2014年，中小地震觀測報告中的2 991個近震事件的24 016條S波最大振幅和周期資料，反演得到大同火山區及其附近區域的地殼衰減Q0值空間分布圖像。檢測板實驗結果顯示，在射線分布較密集的地區，分辨率可以達到20′×20′?？臻g分布中，低Q0值主要分布在大同盆地及控制盆地發育的主干斷裂附近，大同火山區Q0值最低。Q0值強衰減現象反映出大同火山區地殼內部介質狀態與周圍構造的差異性。

大同地區；橫波衰減；振幅層析成像

0 引言

Q值一般用來描述地球介質的衰減特征，是反映構造活動的重要參數。當地震波穿過有巖漿活動的火山區、構造活動區的巖石破碎帶、充填流體的空隙和裂隙等區域時，能量將發生強烈衰減而具有低Q值；在一些構造穩定的克拉通地區，能量衰減較少，具有高Q值[1]。利用振幅層析成像方法研究介質衰減特征可以提高震相報告資料的利用率，且該方法先后在華北[2]、川滇[3]、中國大陸地區[4-5]及日本群島[6]取得較好的研究成效，其可靠性得到檢驗。

山西地區由許多不同的地質構造單元組成，構造活動非?；钴S，大同地區尤為明顯。該地發育多條活動斷層，大同斷陷盆地及大同火山區分布其中。研究表明，地震絕大多數發生在大同盆地內部，且震源深度集中在5～20 km范圍內，1989、1991和1999年大同—陽高一系列中強地震，均發生在大同盆地北北東向六棱山斷裂附近。因此，研究該區地殼介質的衰減特征，對進一步分析衰減結構與構造活動的關系、理解中強地震孕震環境起重要作用。

文獻[7]中，利用大同臺網1990—2000年的模擬波形資料研究大同地震序列尾波Q值隨時間的變化，但在計算過程中未固定各個臺站的頻率，不能很好地類比同頻率的Q值空間分布，且研究資料使用的是模擬波形數據，其結果的準確性和可靠性仍待驗證。靳玉科等[8-9]采用Sato模型分別對代縣震群和山西北部十余個臺站及其附近的尾波Q值進行計算，結果多分布在20～30之間，但各個臺站的擬合地震個數不等。其中，靈丘、涼城、偏關、大同臺站僅用了少數幾個擬合地震事件，其余臺站為幾十個，這種波形的擬合不均勻性對分析結果造成一定的局限性。為更充分地利用現有的觀測資料，對大同地區地殼介質的衰減特征進行研究，該文利用大同地區2001—2014年，中小地震觀測報告中最大振幅及周期資料，采用振幅層析成像方法，反演大同地區殼內橫波衰減及介質品質因子Q0值(頻率為1 Hz時的Q值)的空間分布特征。

1 區域地質構造背景

研究區域位于山西北部的大同盆地，該盆地是北東向展布的半封閉盆地，山地與盆地之間有斷層相隔，東面與河北陽原盆地相連。盆地內主要分布北東走向的采涼山斷裂、北北東走向的口泉斷裂、北東東走向的天鎮—陽高斷裂、恒山北麓斷裂、六棱山北麓斷裂等，這些斷裂控制著盆地的主要邊界(見第41頁圖1)。桑干河是本區域的主要河流，屬海河水系，發源于大同盆地西南面的管涔山，自西南向東北橫穿整個大同盆地后流入陽原盆地[10]。整個大同盆地南北寬約60 km，東西長約150 km，平均海拔在1 000 m左右。

大同盆地內發育有大同火山群，北起陽高縣下深井一帶，南到六棱山山腳，東西長約30 km，南北寬約20 km，有29座火山，另有玄武巖出露點10余處[11]?；鹕矫芗植荚诖笸h東北，有16座；另外13座分布于桑干河兩岸和六棱山山腳(見圖1)。大同火山活動時代始于早更新世晚期，主要活躍時期為中更新世，最晚延至晚更新世早期[12-13]，形成于大陸裂谷環境，與軟流圈上涌導致的巖石圈-軟流圈相互作用有關[14]。

圖1 大同地區地質構造圖Fig.1 Geological structure in Datong area

2 數據與研究方法

研究所用的地震數據分布區域為39°～42°N，110°～116°E，所用的水平分量最大振幅和周期主要選自山西省地震局2001—2014年的觀測報告。為保證數據的可靠性，對資料進行以下選擇：(1) 限定周期T在0.1～2.0 s內相應的最大振幅；(2) 單個地震的震級ML是各臺測定震級MSL的平均值，為避免單一臺站讀數的誤差或錯誤，限定二者之差︱MSL-ML︱<0.5；(3) 每個地震至少被3個臺站記錄，且每個臺站至少記錄到3個地震；(4) 震源深度小于30 km。根據以上原則，選出2 991個地震，射線數達24 016條。

地震波在臺站i和震源j之間的衰減可以通過振幅譜Ai(f)得到，其中f是該振幅對應的頻率。振幅通常受地震大小、臺基和儀器響應、幾何擴散以及介質衰減等因素影響。可以用以下公式描述：

Aij(f)=Oj(f)S(f)Gij(R)Bij(f,R)，

(1)

式中：Oi(f)是頻率為f時的震源處振幅；S(f)是觀測場地和儀器的響應；Gij(R)是路徑距離為R時的幾何擴散因子；Bii(f,R)是地震波傳播時的能量衰減項。除幾何擴散項外，其他各部分都對頻率有依賴。

震源譜可用長周期振幅譜Ω0和拐角頻率fc描述，其數學表達式如下：

(2)

不同的地震，頻率f不同。場地響應的譜函數是未知的，但區域近震ML的帶寬很小，可以認為場地響應Si(f)與頻率無關。幾何擴散項Gii(R)可被寫成(1/R)k，其中k是幾何擴散因子，主要依賴于波的類型。對體波，k=1.0；對面波，k=0.5。

橫波的衰減項Bii(f,R)主要由介質的品質因子Q決定，是頻率的函數，可用冪函數描述為：

(3)

式中：c=πf1-ηv；Q=Q0fη；v是橫波的速度；Q0和η分別是橫波1 Hz時的品質因子Q和頻率的冪指數。

將公式(3)帶入公式(1)，取對數后得到：

(4)

臺站項ai=lnSi(f)，震源項bj=lnOj(f)，通過Y-cR線性擬合可以得到平均Q0值。擬合直線即是區域的平均衰減模型，將式(1)減去平均模型，并將模型離散化成二維網格，可獲得離散化的擾動方程。通過引入LSQR方法，即可求得擾動方程的最小二乘解，即Q0值的橫向變化。

3 結果與分析

3.1 反演結果

在計算過程中，取幾何擴散系數k為1.0，Q隨頻率指數衰減系數η為0.5，地殼S波平均速度υ為3.6 km/s。通過擬合方程式(1)中幾何擴散校正后的ML振幅觀測值與折合震中距cR間的線性關系，從擬合直線的斜率獲得S波平均Q0值為230。將地殼橫向離散成每度6×6的網格，同時取阻尼系數為200，迭代次數為60，通過層析成像的方法反演ML振幅殘差即可獲得S波Q0值的橫向變化。

圖2是反演過程中使用的地震事件和射線分布，可以看出大同盆地射線密度較高，地震事件發生較多。第42頁圖3a為反演得到的地殼橫波衰減的介質品質因子Q0值空間分布。圖中，深色區域對應地殼高Q0值區(低衰減區)，淺色區域對應地殼低Q0值區(高衰減區)。為檢測反演結果的可靠性，采用棋盤檢驗方法進行分辨率估計(見第42頁圖3b)，從圖3b中可以看出，在射線密集的大同盆地，分辨率能達到20′×20′。圖3a中的虛線內部即是滿足分辨率條件的區域，而邊緣地方由于射線稀疏，反演結果精度較低。

圖2 臺站、事件與射線分布圖Fig.2 Distribution of stations, events and rays

圖3 大同地區Q0值分布及分辨率測試結果Fig.3 Distribution of Q0 values in Datong area and resolution test results

3.2 衰減特征

由于地震波的衰減對地球結構和組成的變化更敏感，變化幅度更大，因此，通過對地殼衰減結構橫向變化的研究，反映衰減結構與構造活動的密切關系，根據衰減圖像可勾畫出與構造變形和火山活動有關的地殼軟弱區。由圖3a可見，大同盆地北部Q0值明顯低于其他地區，該低Q0值分布與大同火山區分布基本一致，Q0值約為70～100之間。大同火山活動區表現出的這種低Q0值，與其他火山地區特有的特征一致[15-16]。由于研究區域包含大同火山區，因此，該區域的平均Q0值較低，為230。大同火山的低Q0值，一方面可能由于火山體地下介質內部存在高溫熱物質(如巖漿體)，從而增強地震波傳播過程的散射和吸收效應；另一方面可能是火山噴發的巖溶物質冷卻后出露在地表，該熔巖物質的特殊性使S波強烈衰減。綜上所述，Q0值強衰減特征反映大同火山區地殼內部介質狀態與周圍構造的差異性。

除在大同火山區地殼介質衰減強烈外，在大同盆地、忻定盆地內部及其活動斷裂附近也存在低Q0值分布。這些斷裂構造活動顯著，控制盆地的邊緣斷裂，如采涼山斷裂、口泉斷裂南端、恒山北麓斷裂、六棱山山前斷裂和五臺山北麓斷裂。地殼介質Q0值空間分布特征顯示強衰減區域(低Q0值)與地質構造有密切的關系。

4 結論與討論

研究運用2001—2014年大同區域地震臺網測定震級ML時所用的振幅和周期資料，反演得到大同及其附近地區的地殼衰減Q0值空間分布圖像，并對成像結果進行檢測板測試。在此基礎上，對大同地區Q0值分布特征進行分析研究，主要結論和認識如下：

(1) Q0值的變化顯示出與地質構造分區相關的特征，低Q0值主要集中在大同盆地、忻定盆地內部及其活動斷裂附近，如采涼山斷裂、口泉斷裂南端、恒山北麓斷裂、六棱山山前斷裂和五臺山北麓斷裂。強衰減異常區(低Q0值)在大同火山區表現突出，反映了大同火山區地殼內部介質狀態與周圍構造的差異性。

(2) 運用區域地震臺網測定震級ML時所用的振幅和周期資料，進行振幅層析成像，由于反演結果的可信度在很大程度上取決于數據的數量及質量，而在研究區域的邊緣部分，射線覆蓋較稀，分辨率不足30′×30′，今后還需補充鄰省震相資料做進一步的分析研究。

該文計算程序由中科院青藏所裴順平研究員提供，在成像過程中亦得到裴老師的悉心指導，在此深表感謝！

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Study on S-wave Attenuation Imaging in Datong Area

LI Li1,2, LIU Jian3, LI Hong-wei1,2, LIANG Yan1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China;3.School of mining engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

By using the data of the maximum amplitude and period of 24016 S waves of 2991 near earthquakes from the middle and small earthquakes observation report in Datong area from 2001 to 2014, spatial distribution images of Q0value of crustal attenuation in Datong volcanic area and its vicinity are obtained by inversion. Experimental results of the detection board show that the resolution can reach 20'×20' in dense ray area. The low Q0values are mainly distributed in the Datong Basin and near the main faults which control the basin, and the Q0value is the lowest in Datong Basin. The strong decay of Q0value reflects the difference between the crustal medium state in Datong volcanic area and peripheral structure.

Datong area; S-wave attenuation; Amplitude tomography

1000-6265(2017)01-0040-04

2016-04-21

山西省地震局青年科研項目(SBK-1519)，2016年度震情跟蹤定向工作任務(2016010106)聯合資助。

李 麗(1981— )，女，河北省邯鄲人。2011年畢業于云南大學，碩士研究生，工程師。

P315.5

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