遼寧地區波速比分布特征及構造意義

曹鳳娟, 郭曉燕, 李夢瑩, 賈麗華, 王松陽

(遼寧省地震局, 遼寧 沈陽 110034)

0 引言

地震活動與區域構造和地殼活動狀況密切相關,地震波速或波速比可以反映其斷層或地殼的活動情況。張洪艷等[1]在研究吉林地區波速比分布特征與地震活動的關系時發現,在波速比高值區和高、低值過渡區為地震易發地帶;張學民等[2]研究華北地區的波速比時發現在強震區的波速比總體上高于弱震區;李永莉等[3]研究也發現云南地區波速比空間分布具有區域性、非均勻的特征;劉瓊林等[4]研究華北克拉通中西部地區地殼厚度與波速比中也發現,由于中西部地下介質的巖性和密度不同,導致山區和盆地的地殼厚度和平均波速比也有所不同。

遼寧省屬于華北斷塊區,其中郯廬地震帶縱貫遼寧南北。根據地層、巖石、構造及地球物理特點,遼寧可分為3個次級斷塊,即遼東斷塊隆起,遼西斷塊隆起和下遼河斷塊拗陷。遼東斷隆是一個古老的隆起帶,前震旦系變質巖系在區內有著廣泛的分布;遼西斷塊隆起古老變質巖系和古生代地層出露很少,而中生代火山巖卻廣泛分布,下遼河斷陷為中、新生代斷陷盆地,經歷了先斷陷后拗陷2個構造階段[5]。總體上看,遼寧地區屬于華北克拉通構造的一部分,由于該區域受到華北克拉通活化的影響,內部新構造運動很活躍,存在著多條活動斷裂,如大洋河—康家嶺斷裂和金州斷裂,因此遼寧地區(特別是遼東斷塊隆起區)歷史上發生過多次5級以上地震。

監測地下介質性質的時空變化一直是地震預測預報研究的重要思路和具有潛力的研究方向。通過地震波速提取和監控地下深部介質物性的變化信息,對于中強震的物理參數預測和地點判定無疑是重要的。以往對波速比的研究多以對某一固定區域進行時間變化分析,尋找震前異常。本文則是利用遼寧數字地震臺網34個臺站的觀測報告,采用和達法計算2001年以來遼寧地區的波速比,探討波速比的區域分布特征,同時結合地質構造環境,進一步探討遼寧地區地震活動與波速比和地下介質的關系。

1 資料與方法

遼寧數字地震臺網于1999年6月開始觀測,目前已從原有的16個增加到34個(圖1),儀器都升級為寬頻帶地震儀,臺網監測能力大幅度提高,可以控制全省大部分地區1.0級以上地震,邊緣及鄰近海域可監測到1.5級以上地震。本文利用遼寧地震臺網2001年以來的震相觀測報告,用單臺和達法計算了遼寧地區的波速比。

圖1 遼寧測震臺網臺站位置和2001年以來1級以上地震分布Fig.1 Location of stations in Liaoning seismological network and distribution of earthquakes with ML≥1.0 since 2001

根據 4個以上數字地震臺記錄到的清晰直達波Pg、Sg震相的到時TP、TS,用最小二乘法計算波速比γ和相關系數R:

(1)

(2)

式中:TPi為P波走時;Δti=TSi-TPi,其中TSi為S波走時,i=1,2,3,…,n,n為每次地震到時數據的個數;相關系數R主要用來度量縱波到時與縱橫波到時差之間的線性關系。

通常要求直達波到時差Δti不超過23 s,最好12 s以內,相關系數R大于0.95,最好0.98以上,擬合誤差小于0.05,臺站個數大于4。經過嚴格的數據篩選,最終滿足計算精度參與計算的地震事件(大于1.0級)有17 934個。

2 結果分析

2.1 波速比空間變化特征

表1為遼寧地區測震臺網波速比計算結果。由表1可知,遼寧測震臺網34個臺站中16臺(九五數字化臺站)的波速比數據起止時間為2001年,34個臺站的波速比均值范圍1.666 1～1.726 3,誤差范圍為0.013 0～0.039 2,相關系數除高升(GSH)、西豐(XFN)、首山(SHS)和錦州(JZH)外,均大于0.99。總體來看,波速比、誤差和相關系數的均值分別為1.697 8、0.027 8和0.994 6,都較好地滿足了計算精度。圖中綠色區域代表波速比低于均值,紅色區域代表波速比高于均值。

由波速比的物理意義可知,表1中34個測震臺站的平均波速比代表了震源至臺站周圍介質的平均波速比,不同的區域地質構造特征其波速比也應有所不同。為此,根據遼寧地區新構造運動分區結果[6],遼寧境內主要有三個主要新構造運動分區,即燕遼上升隆起區Ⅱ、松遼—下遼河—遼東灣沉降區Ⅲ、遼東—張廣才嶺上升隆起區Ⅳ。在此將遼寧測震臺站也分成三個區來討論遼寧地區波速比的空間分布特征,即遼西隆起、下遼河盆地和遼東隆起(表1、圖2)。由表1和圖2可見,下遼河盆地的波速比平均值(1.690 5)低于整個遼寧地區波速比的均值(1.697 8),而遼西隆起的波速比(1.701 2)和遼東隆起區的波速比(1.703 3)卻明顯高于下遼河盆地的波速比(1.690 5)和遼寧地區的均值(1.697 8),空間分布呈明顯的橫向不均勻性。該結果雖然與賈麗華等[5,7]利用遠震P波接收函數H-Kappa疊加方法獲得的各臺站下方的波速比在數值上平均偏小0.067,但是整體空間分布特征基本相符。

從圖2中可以看出,波速比在遼西隆起區整體偏高(大于1.70),低值主要集中在北票—朝陽斷裂附近,尤其CHY臺附近,波速比只有1.666 1(表1)。而下遼河盆地地區的波速比值整體偏低,大部分小于1.69,只有GAX臺的波速比大于1.71,低值集中在FSH和LHT臺附近,該區位于密山—敦化和依蘭伊通斷裂交匯處。遼東隆起區的波速比空間分布較不均勻,低值主要集中在南部大洋河斷裂附近,即DDO臺和XYN臺(1.67)臺附近。而北部的波速比整體偏高,尤其QYU臺附近,波速比值達到1.73(表1)。從北到南,遼東隆起區波速比值變化范圍達到0.06。在40°～42°N之間,遼寧地區的波速比分布與研究區內斷裂帶及地質構造地貌形態表現出良好的相關性,即由東到西呈現明顯的橫向不均勻性,空間分布表現為相對的高-低-高,與該區域的新構造分區對應較好:即遼東隆起—下遼河盆地—遼西隆起。此外波速比的空間分布與該區域的地形地貌吻合的也較好,即山區隆起(波速比高)-盆地坳陷(波速比低)-山區隆起(波速比高)(圖1)。遼寧及鄰區背景噪聲面波群速度結構研究結果顯示[8]:遼寧地區地殼及上地幔存在明顯的橫向不均勻性。短周期群速度分布與研究區內斷裂帶及地質構造地貌形態表現出良好的相關性,其中8～15 s周期內群速度分布特征與盆地坳陷、山區隆起對應性較好,呈“兩壘高,一塹低”的群速度分布特點,基本與地質構造相吻合。本文的研究結果與之相類似。

表1 遼寧地震臺網各臺波速比計算結果

2.2 波速比與易震區

地震易震區的劃分主要從地震地質和地質構造的角度,結合地震學方法綜合分析[9]。遼寧省(119°～126°E,39°～43°N)位于郯廬斷裂的北段,是東北地區地震活動最強烈的省份,自公元419年朝陽5級地震發生至今,共記錄到MS≥5.0地震30次。遼寧地區地震的空間分布比較不均勻,省內中強地震明顯受到郯廬斷裂帶、金州斷裂、大洋河斷裂、北票—朝陽斷裂等的控制,即地震活動與構造的相關性較明顯[10]。由遼寧地區的歷史地震分布和波速比變化空間分布圖3可見,歷史上發生過5級以上地震(表2)的區域大都位于波速比低值區域及其附近。1975年2月4日海城7.3和1999年11月29日岫巖5.4級地震就發生在在XYN臺至YKO臺的低值區,2013年1月23日燈塔5.1級和1765年沈陽5級地震發生在LYN臺和SNY臺低值區,1698年義縣5.0級地震發生CHY臺低值區。波速比的高低可以反映區域介質的脆韌性變化,在海城—岫巖,朝陽—北票附近的低值與盧造勛等[11]通過內蒙古東烏珠穆沁旗—遼寧東溝地學斷面的研究結果相符(即發現在海城地震區一帶,存在殼內低速高導、低密度、高熱流等一系列重大地球物理異常,在空間上與震源區存在相當好的一致關系),海城地震(包括前震、余震)震源一般均位于該區低速-高導層上方的脆性地殼內,從下部傳遞應力角度來看,無疑對地震的孕育和發生提供了力源條件[12]。此外,遼寧地區地殼上地幔速度地震層析成像結果也發現,海城—營口地區、朝陽—義縣地區存在明顯的殼內速度低速區[13]。這與王亮等[14]利用層析成像獲得的結果相符,即海城地區地震主要發生在波速比較低的區域,但也有北西段的部分地震發生在高低波速比交界地區。

Ⅰ:大興安嶺上升隆起區; Ⅱ: 燕遼上升隆起區; Ⅲ: 松遼—下遼河—渤海沉降區; Ⅳ: 遼東—張廣才嶺上升隆起區; Ⅴ: 朝鮮北部上升降起區; Ⅵ: 北黃海沉降區圖2 遼寧地區測震臺站及新構造分區(據萬波)和主要活動斷裂Fig.2 Seismological stations,Neotectonic division (according to Wanbo) and main active faults in Liaoning area

Ⅰ:大興安嶺上升隆起區; Ⅱ: 燕遼上升隆起區; Ⅲ: 松遼—下遼河—渤海沉降區; Ⅳ: 遼東—張廣才嶺上升隆起區; Ⅴ: 朝鮮北部上升降起區; Ⅵ: 北黃海沉降區圖3 遼寧地區測震臺站和歷史地震空間分布及新構造分區(據萬波)Fig.3 Spatial distribution of seismological stations and historical earthquakes in Liaoning area and Neotectonic division (according to Wanbo)

表2 遼寧地區(119°～126°E,39°～43°N)5級以上地震Table 2 The MS≥5.0 earquakes in Liaoning area(119°-126°E,39°-43°N)

有些歷史地震(1900年前)則位于波速比高值與低值梯度轉換地帶,如鴨綠江口(DDO和GUS臺之間)、遼南(DLI和WFD臺之間),以及遼西和遼北等地的地震,且這些地震的震級大都超過6級。總體來看,波速比低值區或者高低梯度轉化帶附近為5級以上地震的易發區,尤其集中分布于松遼—下遼河—渤海沉降區和遼東—張廣才嶺上升隆起區的過渡地帶(圖3中Ⅲ區與Ⅴ區分界線附近),即郯廬斷裂沈陽—渤海段。這可能與地質構造環境即地質構造所形成的斷裂帶兩側的介質特性差異有關,由于兩側構造單元的不同物理性質,更易孕育地震[11]。海城地震區位于地殼與上地幔介質橫向最不均勻的地段,其西側的下遼河地區和東側的遼東地區,地殼特征有顯著差異:西側具新生代裂谷特征,有巨厚的新生代沉積及深大斷裂,且有從深斷裂上溢的鎂鐵質巖,地殼厚度較薄;而其東側不具備這些特征[11]。因此導致在過渡區即海城地震區易于出現明顯的新構造運動,構成新構造差異運動較強烈的地段。

3 結論與討論

本文采用單臺和達法計算了遼寧測震臺網34個臺站的平均波速比,重點分析了遼寧地區波速比的空間分布特征。結果顯示,遼寧地區的波速比空間分布呈橫向不均勻性:下遼河盆地的波速比平均值低于整個遼寧地區波速比的均值,而遼西隆起和遼東隆起區的波速比卻明顯高于下遼河盆地的波速比和遼寧地區的均值。研究也發現,遼寧地區5級以上地震多發生在波速比低值區或高低值過渡區。

波速比是反映地殼介質性質的參數,其不確定因素主要由介質的橫向不均勻性和計算方法的局限性造成的。非介質原因造成的波速比不確定因素中,首先考慮震源深度的影響,據Nicholson[15]的研究發現,波速比隨震源深度的增加而減小,但蔡靜觀[16]的研究認為當1.50

波速比是地震學中最重要的運動學參數之一,它與地震波傳播路徑上介質的物理性狀密切相關,反映了巖石受應力作用以及其他物理條件改變的影響[18]。巖石物理和實驗研究表明,波速比與巖石的巖性之間存在密切關系,巖石微觀結構如裂隙、孔隙的形狀、密度以及巖石含水的飽和程度等都對波速比起著重要影響[19-25]。盧造勛等[11]對內蒙古東烏珠穆沁旗—遼寧東溝地學斷面的研究中發現:遼東臺隆位于遼東古陸的主體部位,為長期處于隆起狀態的克拉通地塊,太古字、下元古界的麻粒巖、角閃巖、綠片巖相巖廣泛出露地表,沉積蓋層不發育,殼內發育I,S型花崗巖,下遼河中、新生代裂谷是在兩個古陸拼接成的克拉通基底上,于中、新生拉張裂開形成的斷陷盆地,地震縱波速度值較低(3.0 km/s),存在速度逆轉層和低密度層。密度變化最顯著的地段分布在遼河平原與遼東半島的過渡地帶,在此中層地殼上部存在明顯的低密度層[12]。該層由于塑性較大,易于傳遞應力,在受到區域構造應力場的作用后,在其附近,特別是鄰近低速層之上的脆性地殼,更易于應力集中,巖石更易于破裂,從而形成地震易于孕育和發生的層位[11]。由此可見,由于遼東隆起區的巖石密度(花崗巖)大于下遼河盆地區(存在低密度層),導致下遼河盆地區域的波速比值相對較低,進而導致遼寧境內5級以上地震集中分布于松遼—下遼河—渤海沉降區和遼東—張廣才嶺上升隆起區的過渡地帶。