唐山及鄰區(qū)雙差層析成像研究

郭 蕾, 張素欣, 王 寧, 周 依

(河北省地震局, 河北 石家莊 050021)

0 引言

唐山地區(qū)位于東西向陰山—燕山南緣活動(dòng)構(gòu)造帶與NNE向冀魯斷塊拗陷交匯處,是EW向重力高值帶與NE向重力高值帶的相交部位,區(qū)內(nèi)多組斷裂帶交匯發(fā)育,構(gòu)造環(huán)境較為復(fù)雜,具備強(qiáng)震孕育環(huán)境[1]。震驚中外的1976年唐山7.8級大地震便是發(fā)生在唐山斷裂附近,震后由于老震區(qū)地殼介質(zhì)相對破碎,常通過蠕滑降低應(yīng)力狀態(tài),不易積累到較高的應(yīng)力水平。唐山地區(qū)地震序列強(qiáng)度和頻次總體隨時(shí)間呈現(xiàn)階段性衰減的趨勢,但地震強(qiáng)度衰減較慢且存在起伏[2]。1991年和1995年發(fā)生的5.6級和5.4級地震,是唐山7.8級地震快速衰減后較顯著的兩次地震,然而2012年5月28日又發(fā)生了一次4.8級地震,與序列強(qiáng)度衰減趨勢相比震級明顯偏高。唐山地區(qū)ML4以上的地震從2004年開始存在2年的發(fā)震韻律及成對發(fā)生的特征[3],但2015年的9月14日發(fā)生的ML4.8地震打破了唐山地區(qū)這一發(fā)震特征。2016年以來該區(qū)3級以上地震頻次顯著增強(qiáng)且地震多數(shù)發(fā)生在唐山的東部區(qū)域,3級地震密集發(fā)生后出現(xiàn)長時(shí)間的3級地震平靜,這些現(xiàn)象可能預(yù)示著唐山地區(qū)地震的活動(dòng)特征有所改變。Brich[4]研究表明,地震的孕育與發(fā)生是應(yīng)力積累和釋放的過程,在這個(gè)過程中通常會引起地震波速的變化。因此,獲取唐山老震區(qū)的精細(xì)三維速度結(jié)構(gòu)對進(jìn)一步分析該地區(qū)孕震環(huán)境、地殼應(yīng)力狀態(tài)及地震活動(dòng)特征都具有重要的意義。

近年來,層析成像技術(shù)在唐山地區(qū)得到廣泛應(yīng)用,并取得一系列成果。朱露培等[5]通過頻譜參數(shù)化的方法得到京津唐張地區(qū)的速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)大多數(shù)強(qiáng)震發(fā)生在低速區(qū)向高速區(qū)過渡的梯度帶。賴曉玲等[6]采用三維射線追蹤的方法重建了唐山地區(qū)莫霍面構(gòu)造形態(tài)。于湘?zhèn)サ萚7-8]選擇近震層析成像法和雙差層析成像法反演京津唐地區(qū)中上地殼三維P波速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)該區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)存在明顯的橫向不均勻性;唐山地區(qū)下部的低速異常約在25 km。賴曉玲等[9]利用臨時(shí)密集臺陣資料發(fā)現(xiàn)唐山上地殼速度在唐山斷裂兩側(cè)存在明顯速度差異,唐山斷裂為速度陡變帶,北西側(cè)為高速區(qū),東南側(cè)為低速區(qū)。楊歧焱等[10]采用SIMULPS14的算法獲得張渤地震帶及鄰區(qū)的三維P波速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)唐山地區(qū)上地殼呈P波高速異常,其下方20 km則為低速異常。盡管前人在唐山地區(qū)獲得了很好的研究成果,但是利用不同方法得到的結(jié)果仍存在一定程度上的差異,針對該區(qū)的速度結(jié)構(gòu)仍需要進(jìn)一步的研究。本文利用唐山地區(qū)2010—2018年76個(gè)固定地震臺網(wǎng)直達(dá)波走時(shí)數(shù)據(jù),采用雙差層析成像的方法,聯(lián)合反演了唐山及其鄰區(qū)中上地殼的震源位置和三維P波速度結(jié)構(gòu),分析探討地震活動(dòng)與速度結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 雙差層析成像方法簡介

Zhang等[11-12]在雙差定位方法的基礎(chǔ)上提出了雙差層析成像方法,該方法通過絕對走時(shí)和相對走時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)合來實(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)兩相鄰地震的距離遠(yuǎn)小于其到同一臺站的距離,則認(rèn)為它們到同一個(gè)臺站的路徑相似,可忽略速度結(jié)構(gòu)的差異。根據(jù)射線理論,地震事件i到地震臺站k的體波到時(shí)可以表示為積分形式:

(1)

式中:τi為地震事件i的發(fā)震時(shí)刻;u代表慢度,其中震源坐標(biāo)(x1,x2,x3)、發(fā)震時(shí)刻、射線路徑及慢度未知。將式(1)在震源處展開為一階Taylor級數(shù)得到線性方程:

(2)

(3)

雙差層析成像方法結(jié)合地震事件的絕對走時(shí)數(shù)據(jù)和地震事件對的相對到時(shí)差數(shù)據(jù),有效克服了雙差定位方法計(jì)算過程中忽略速度差異造成的影響從而只能獲得相對定位的缺陷和傳統(tǒng)近震層析成像方法需要獲取精確震源參數(shù)的缺點(diǎn)[13]。該方法通過速度結(jié)構(gòu)的適當(dāng)調(diào)整提高地震定位的精度,而地震定位精度的提高又可以降低由于射線路徑差異造成的速度結(jié)構(gòu)的誤差,進(jìn)而提高速度結(jié)構(gòu)反演的精度[14]。因此雙差層析成像方法可以得到比標(biāo)準(zhǔn)層析成像更精確的精定位和速度結(jié)構(gòu)結(jié)果。

1.2 數(shù)據(jù)處理

本文系統(tǒng)收集和整理唐山及鄰區(qū)(圖1)2010—2018年間發(fā)生的中小地震的震相到時(shí)數(shù)據(jù),并對事件的震相進(jìn)行人工整合和精確的識別。數(shù)據(jù)處理之前,人工篩選震相資料進(jìn)行逐一檢查并去除重復(fù)地震。為進(jìn)一步確保三維速度結(jié)構(gòu)反演中有足夠多射線的均勻覆蓋和高精度的數(shù)據(jù),篩選的數(shù)據(jù)應(yīng)滿足以下條件:(1)震級為ML≥1的地震;(2)定位精度為Ⅰ類的地震;(3)所選用的地震至少被4個(gè)臺站記錄到;(4)震中距小于200 km;(5)通過震相走時(shí)曲線剔除誤差較大的震相。最終獲得可用的地震事件4 262個(gè),P波走時(shí)數(shù)據(jù)72 372條(圖2)。

黑色三角形為研究區(qū)內(nèi)臺站位置,黑色實(shí)線為斷層展布,紅色五角星為唐山MS7.8地震震中位置圖1 研究區(qū)地質(zhì)地貌、斷層展布及臺站分布圖Fig.1 Geological geomorphology and distribution of faults and stations in the research area

圖2 研究區(qū)內(nèi)P波射線分布Fig.2 Distribution of P-wave ray in the study area

本文反演采用的一維初始速度模型參考了于湘?zhèn)サ萚7]的研究成果(表1),為了減小初始速度模型對三維反演結(jié)果的依賴性,在三維地震層析成像之前采用Kissling[15-16]提出的方法得到了京津唐地區(qū)的一維最小模型,在該區(qū)域前人的工作中,均未作此處理。根據(jù)研究區(qū)射線分布特征,水平方向網(wǎng)格劃分尺寸為0.2°×0.2°,垂直向下的深度分別取:0 km、5.0 km、10.0 km、15 km、20 km和25 km,與速度模型的分層保持一致。

表1 一維分層速度模型Table 1 1-D stratified velocity model

2 結(jié)果分析與討論

由于反演解的非唯一性,需對反演結(jié)果的可靠性進(jìn)行評估。節(jié)點(diǎn)微分加權(quán)總和(dericative weighted sum-DWS)大小是判斷反演結(jié)果可靠性更較為直觀的方法。DWS能很好的衡量節(jié)點(diǎn)的射線密度[17],DWS值越大則說明穿過此節(jié)點(diǎn)的射線數(shù)越多,相應(yīng)的模型分辨率也越高。根據(jù)前人的研究[18]我們認(rèn)為在DWS大于100的區(qū)域具有很高的模型分辨率。如圖3所示,95%的區(qū)域DWS值大于100,唐山斷裂附近的DWS最高值達(dá)到106。

圖3 研究區(qū)DWS分布圖Fig.3 DWS distribution map in the study area

本文還使用棋盤檢測方法[19]對反演結(jié)果的分辨率進(jìn)行進(jìn)一步檢測。如圖4所示,除0 km深度外,研究內(nèi)各深度均具有較好的模型分辨率,尤其唐山斷裂附近,由于該區(qū)域地震分布較集中,射線覆蓋密度較大,使得該區(qū)域分辨率明顯高于其他區(qū)域,與DWS結(jié)果一致。

圖4 不同深度P波棋盤檢測結(jié)果Fig.4 Resolution of P-wave checkerboard test at different depths in the study area

本研究采用逐步迭代反演方式,利用所選取的地震走時(shí)數(shù)據(jù)和選取的一維速度模型(表1),采用雙差層析成像的方法[11],獲得唐山地區(qū)的三維P波速度結(jié)構(gòu)。對研究區(qū)4 262個(gè)地震進(jìn)行重新定位,重定位后均方根殘差平均值由原來的1.17降為0.31。對比重新定位前后的震中分布(圖5、圖6),可以看出重新定位后的震中位置更加集中,線性分布更明顯,優(yōu)勢分布方向?yàn)镹E向,與該區(qū)域斷層走向基本一致。重新定位后震源深度主要集中在5～15 km,分布形態(tài)更接近正太分布,結(jié)果更加合理。

圖5 地震重新定位前震中分布Fig.5 Distribution of epicenters before relocation

圖6 地震重新定位后震中分布Fig.6 Distribution of epicenters after relocation

圖7給出了0 km、5 km、10 km、15 km、20 km和25 km六個(gè)不同深度的P波速度圖像及其對應(yīng)深度上經(jīng)過重新定位后的ML2以上地震的震中分布圖。結(jié)果表明(圖7),唐山地區(qū)P 波速度結(jié)構(gòu)存在較強(qiáng)的橫向不均勻性,速度變化較強(qiáng)烈的區(qū)域主要集中在唐山斷裂周圍,速度橫向不均勻性在10～15 km 深度最為顯著,之后隨深度增加橫向不均勻性減弱。唐山地區(qū)在淺層顯示為高速,由于唐山地區(qū)是張渤地震帶上一個(gè)隆起的塊體[20]。淺層深度(0～5 km),兩個(gè)NNW向高低速交界區(qū)分別于灤縣—樂亭斷裂和薊運(yùn)河斷裂位置一致。遷安地區(qū)表現(xiàn)為高速異常。在地下5～10 km深度范圍,唐山斷裂以北存在一個(gè)明顯的低速區(qū)域,灤縣樂亭斷南部存在低速異常,在地下10～15 km 深度研究區(qū)P波平均速度結(jié)構(gòu)橫向不均性顯著,沿NE向的唐山斷裂帶有串珠狀高低速的線性特征,反映了唐山斷裂帶是研究區(qū)的一條主要構(gòu)造帶。P波速度在地下20～25 km深度范圍存在明顯的低速特征,與接收函數(shù)的研究結(jié)果基本一致,認(rèn)為可能與幔源物質(zhì)大規(guī)模侵入有關(guān)[21]?？傮w來看,研究區(qū)P波速度的相對變化與地表地質(zhì)構(gòu)造和活動(dòng)斷裂的展布具有較好的一致性,地震多發(fā)生在高低速過渡帶,且大多數(shù)地震是沿著斷裂的走向展布的。

白色實(shí)線表示DWS值大于100的區(qū)域圖7 研究區(qū)P波速度水平切片圖Fig.7 P-wave velocity at different depths in the study area

根據(jù)唐山地區(qū)地震活動(dòng)的分布特征,沿唐山斷裂方向與垂直于唐山斷裂方向(圖8)做剖面AA′和BB′(圖8)。從垂直剖面來看,唐山菱形塊體的地殼具有與其周邊明顯不同的高、低速相間的非均勻速度結(jié)構(gòu)。P波速度成像結(jié)果顯示,唐山地區(qū)上地殼速度結(jié)構(gòu)零碎,這可能是因?yàn)樵跍\層沉積層分層清晰,地層被復(fù)雜的多種形態(tài)的斷層分割,十分破碎[22]。中地殼速度結(jié)構(gòu)塊體較大,說明中部構(gòu)造較淺部更整體且斷裂更加集中[9]。古冶下方高速異常區(qū)位于5～15 km深度之間,這一區(qū)域也是地震頻發(fā)的地帶。高速區(qū)一般與地下較脆、較強(qiáng)的巖體有關(guān),具有積蓄應(yīng)變能并在地震事件中釋放應(yīng)變能的能力[23]。地下15～20 km深度范圍是P波低速異常區(qū)與高速異常區(qū)的對比強(qiáng)烈的地帶,地下20～30 km深度為P波低速異常區(qū),該區(qū)域有較少地震發(fā)生。從AA′剖面看,在地下3～10 km深度有一高速體,淺層地震多發(fā)生在此高速體周邊高、低速交界區(qū)。從BB′剖面看,在淺部(4～12 km),速度陡變帶的邊界及重定位后的地震分布均近乎垂直,而在深部(18 km以下)重新定位后的地震略向西傾斜。這一現(xiàn)象與唐山地區(qū)深地震反射探測研究結(jié)果唐山斷裂的傾向在淺部近乎直立,在深部(約22 km)向西傾斜的結(jié)論基本一致[24]。

圖8 剖面位置示意及重定位后地震分布圖Fig.8 Vertical profile positions and seismic distribution after relocation

唐山地區(qū)ML3.0以上地震重新定位后發(fā)現(xiàn),大部分地震的震源位于P波低速異常區(qū)與高速異常區(qū)的對比強(qiáng)烈交接帶中偏向高速的區(qū)域(圖9)。研究表明[23],較高的P波速度結(jié)構(gòu)表明存在較堅(jiān)硬的巖層,具有積蓄應(yīng)變能并在地震事件中釋放應(yīng)變能的能力,為地震的孕育和發(fā)生提供基礎(chǔ)。

圖9 沿AA′和 BB′軸線的速度結(jié)構(gòu)剖面圖(震中圖例見圖7)Fig.9 The velocity structure profile along the AA′ and BB′ axes (the legend of the epicenter is shown in Fig.7)

3 結(jié)論

本文使用雙差層析成像方法反演獲得了唐山及鄰區(qū)震源位置和三維P波速度結(jié)構(gòu),結(jié)果表明:

(1) 從P波速度的水平剖面來看,唐山地區(qū)P 波速度結(jié)構(gòu)存在較強(qiáng)的橫向不均勻性,速度變化主要集中在唐山斷裂帶周圍;沿北東向的唐山斷裂帶有串珠狀高低速交替的線性特征,反映了唐山斷裂帶是研究區(qū)的一條主要構(gòu)造帶。

(2) 從P波速度的垂直剖面來看,唐山菱形塊體的地殼具有與其周邊明顯不同的高、低速相間的非均勻速度結(jié)構(gòu),上地殼速度結(jié)構(gòu)零碎,中地殼速度結(jié)構(gòu)塊體較大,預(yù)示著唐山地區(qū)淺部地層破碎,中地殼地層相對均勻。

(3) 從定位結(jié)果來看,重定后唐山及鄰區(qū)地震的線性分布更明顯,與該區(qū)域斷層走向基本一致,絕大部分地震都位于P波速度低速異常區(qū)與高速異常區(qū)的對比強(qiáng)烈的交界地帶;地震分布與唐山斷裂的幾何特征基本一致,在淺層均近乎垂直分布,而在深部則略向西傾斜。

致謝:感謝中國科技大學(xué)的張海江教授提供了TomoDD程序。