蘆山地區S波速度結構討論

康 萌，徐明軍

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.西昌地震中心站，四川省地震局，四川 西昌 615000)

蘆山地區S波速度結構討論

康 萌1，徐明軍2

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.西昌地震中心站，四川省地震局，四川 西昌 615000)

本文利用蘆山地震區域中(BAX,TQU,MDS)能記錄遠震波形的臺站，通過坐標轉換和時間域迭代反卷積，得到了該區域臺站的P波接收函數。初步討論了初始模型的選擇對于蘆山地區以及周邊地區的S波速度結構結果的影響，對進一步探索該區域精細結構提供參考。

接收函數；初始模型；速度結構

蘆山位于龍門山斷裂帶南端，龍門山斷裂帶的南段是巨型推覆構造帶，從龍門山西北到東南、由后山向前山順序來看分別由隴東、五龍、雙石等幾大推覆體呈疊瓦狀堆疊而成，構成一個背馱式擴展的推覆構造帶，并顯示出由褶皺推覆向沖斷推覆、由厚皮構造向薄皮構造、由深層次的韌性構造向淺層次的脆性構造發展的趨勢。蘆山地震震中附近的主要斷裂有：大邑—名山(山前)斷裂、雙石—大川(天全)斷裂、鹽井—五龍(寶興)斷裂和寶興西斷裂。2013年位于龍門山南段的蘆山7.0級大地震給當地人民帶來了巨大的經濟損失和人員傷亡。對于目前地震科學研究來講，加強重點地區的地震監測和該區域地下結構的研究也是基礎性的工作。

1 方法原理

P波接收函數己經發展為研究站下方地殼結構的常規方法[1]。計算得到的接收函數分析的數據是一個時間序列，主要包含臺站下方地殼和上地幔速度間斷面所產生的Ps轉換波及其多次反射波的信息，如圖1所示。

圖1 Ps轉換波及其多次反射波示例

接收函數方法的原理是通過研究P波到S波的Ps轉換波和在介質體上產生的多次波的信息，對于近垂直入射的P波，利用ZRT(Z垂直、R徑向、T切向)坐標系統就可以非常簡便地獲取接收函數，但是由于入射角的增大，垂向分量上的直達P波越來越少，本來應該集中在水平分量上的SV波也越來越少，這會導致轉換波能量會被位于徑向分量上的直達P波能量掩蓋，使得臺站下方介質速度界面產生的轉換波信息難以得到。為了隔離直達P波中的轉換波震相，Vinnik在1977年提出在LQT(其中L為直達P波的射線方向，Q為射線平面內垂直于L的方向，T分量垂直于L、Q方向)坐標系來達到這個目的[3]。通過LQT坐標系，L方向上就主要集中了P波的能量，Q方向上主要集中了轉換波。通過坐標系轉換，根據后方位角將地震記錄從ZNE坐標系旋轉到ZRT坐標系，再根據入射角從ZRT坐標系旋轉到LQT坐標系，如圖2和圖3所示。

圖2 LQT和ZRT坐標系

圖3 方位角和反方位角

在進行接收函數的提取工作前，首先選擇震中距30～90°，震級大于5.5且Z分量上P波初動清晰的波形數據，并通過程序截取P波初動前10秒到P波到時后200秒的地震事件記錄波形。截取后的地震事件波形，當中除了有效的天然地震波外，還夾雜著許多不相干的噪聲。于是，在進行接收函數反演分析當中，只選取與研究目標區域相對應的、經過地球的低通濾波作用產生的低頻天然地震波形記錄數據，接收函數頻段在0.05～2 Hz(即：0.5～20 s)間。由于不同地震臺站下方的地質結構不相同，濾波前首先要對單個臺站下方的波形數據進行有效的頻譜分析，使得頻段在0.05～2 Hz之間，然后根據得到的單臺的有效信息帶寬參數進行濾波處理。

2 結果及分析

反演問題本質上是模型參數空間的搜索問題,根據搜索方法的不同，接收函數反演方法分為線性反演[5]和非線性反演[6]兩種。非線性反演方法采用隨機算法搜索模型參數空間，對初始模型條件依賴較小，但計算速度慢， 容易陷入局部極值，反演結果也不穩定。線性反演算法則相反，雖然對初始模型依賴程度較高，但計算速度快，反演結果穩定。本文使用的是Ammon等的線性化反演方法[6]。我們這里的研究中將單臺各個方位接收函數疊加得到單臺的平均接收函數,用以反演臺站下方S波速度結構。

表1 反演初始模型

在提取P波接收函數時，分別利用了α=2.0、2.5和3.0的高斯系數進行低通濾波，得到了三個頻段的接收函數。低頻信息可以用來約束大尺度結構變化，一些比較清晰的地下介質速度界面可以識別出來，而高頻信息能夠捕捉殼、幔速度結構的細微變化。但是，一些小速度差界面是不真實的，這是由于反演具有非唯一性，會造成一些假象[8-9]。

采用時間域廣義線性算法來進行接收函數波形反演，以便求取臺站下方一維地震橫波S波速度結構。廣義線性算法進行波形反演時不但對初始模型的要求比較高，而且對于初始模型的依賴度也較高，根據Ammon的研究結果[6]，如果選用了適當的初始模型，則只需要基于有限次數的迭代后便可收斂到非常接近于真實結構的速度模型；相反，如果選擇了不適用當的初始模型，得到的速度模型會和真實模型相差很大。通過多方資料的獲取分析來制定初始模型，我們采用ak135模型框架，根據趙珠1987年使用10個工業爆破和154個天然地震,以及四川臺網50個臺站記錄的P波組到時資料獲取的四川地區速度結構模型來初步來制定研究區域的初始速度模型，初始模型如下圖所示[2]。然后根據反演結果，不斷修正我們的初始速度模型結構，使之與最后的反演結果擬合度較高，從而達到較好的反演效果。我們首先假設臺站下方地質結構為均勻水平分層模型，層厚度取決于接收函數的分辨率。

計算結果如圖4～5。由圖4～5可知，當選擇錯誤的初始模型時，即使經過500次迭代反演，得到的地殼上地幔垂直斷面及波形擬合圖具有明顯的跳動，與我們對地殼速度結構的基本變化常識不符。由此可見，反演計算中極重要的一環便是設法獲取合適的初始模型。

圖4 參考趙珠初始模型得到地殼上地幔Vs速度垂直斷面及波形擬合圖

圖5 參考錯誤初始模型(四川盆地西部)得到地殼上地幔Vs速度垂直斷面及波形擬合圖

3 結論

通過初步討論分析，我們認為：(1)四川蘆山地區，特別是龍門山斷裂帶兩側地下結構較為復雜，接收函數擬合波形擬合度有待提高，今后可以采用面波成像和其他聯合反演方法得到更為準確的地下介質地震波速度結構；(2)采用線性反演比較依賴于初始模型的設立，使用與本地區差別較大的初始速度模型，經過迭代得到的結果與實際往往也相差較大，蘆山區域設定的初始模型參照了趙珠等人的對該地區的研究成果[2]，還可以與非線性反演相結合，以減少初始模型的偏差；(3)對于蘆山地區的速度模型，由于地下結構的復雜性，尚需更多的震例檢驗。

[1] 徐強,趙俊猛.接收函數方法的研究綜述[J].地球物理學進展,2008(23): 1709-1716.

[2] 趙珠,張潤生.四川地區地殼上地幔速度結構的初步研究[J].四川地震，1987(2)：154-166.

[3] 王宇航,蘇金蓉,袁文揚,等.利用VB和Fortran編程實現蘆山地區震后遠震事件挑選[J].四川地震, 2015(3):9-12.

[4] Vinnik L P. Detection of waves converted from P to SV in the mantle. Phys. Earth Planet Int., 1977, 15: 39-45.

[5] Owens T J, Taylor S R, Zandt G. 1987. Crustal structure at Regional Seismic Test Network stations determined from inversion of broadband tele-seismic P waveforms. Bull Seismology. Soc. America, 77: 631-662.

[6] Ammon C J, Randall G E, Zandt G. 1990. On the non-uniqueness of receiver function inversions. J Geophysics Res. Solid Earth, 95:15303-15318.

[7] Shibutani T, Sambridge M, Kennett B. Genetic algorithm inversion for receiver functions with application to crust and uppermost mantle structure beneath eastern Australia. Geophysics Res Letter, 1996,23: 1829-1832.

[8] Sambridge M. 1999a. Geophysical inversion with a neighborhood algorithm—I. Searching a parameter space. Geophysics J Int, 138: 479-494.

[9] Sambridge M. 1999b. Geophysical inversion with a neighborhood algorithm—II. Appraising the ensemble. Geophysics J Int, 138: 727-746.

S-waveVelocityStructureinLushanArea

KANG Meng, XU Mingjun

(Sichuan Earthquake Agency, Sichuan Chengdu 610041, China)

receiver function; initial model; velocity structure

P315.31

:B

:1001-8115(2017)03-0015-04

2017-03-09;

：2017-04-19

康萌(1982-)，男，漢族，四川省成都市人，助理工程師，主要從事地震監測.

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.03.004