利用雙差層析成像方法研究遼寧海城-岫巖地區的精細速度結構

夏彩韻 張正帥 賈麗華 王喜龍

1 遼寧省地震局，沈陽市黃河北大街44號，1100312 山東省地震局，濟南市文化東路20號，250014

海城-岫巖地區一直是遼寧省地震活動頻發區[1]。1975年的海城MS7.3地震是遼寧省內有記錄以來發生的最大地震，之后余震區的小震活動不斷，1999年發生岫巖MS5.4地震。研究區位于遼東地塊與下遼河斷陷相交處，東側呈上升、西側呈階梯狀下降狀態，區內新構造運動強烈，表現為明顯的間歇性抬升運動，地質構造環境復雜[2](圖1)。

圖1 遼寧南部地區主要斷裂分布和地震分布Fig.1 Distribution of main faults and earthquakesin southern Liaoning

目前，利用體波走時數據對遼寧各地區開展雙差層析成像的研究并不多，區域小尺度的網格劃分亦不夠精細，對海城-岫巖地區相關的地下深部構造模型尚未有一致的認識。因此，本文期望利用雙差層析成像(tomoDD)方法獲得海城-岫巖地區小尺度范圍內精細的三維地殼速度結構成像結果，并深入分析強震與速度結構及地震活動與斷裂構造的關系，為該地區的斷裂帶活動性與地震危險性研究提供新的地震學依據。

1 研究方法

雙差層析成像方法是Zhang等[3]在Zhao等[4]的反演方法基礎上，將雙差定位方法引入到地震層析成像中提出的。該方法既可以得到反演三維速度結構，又可以對地震進行重新定位[5]。雙差層析成像方法之所以可以得到比常規地震層析成像方法更精確的反演結果，是因為其充分利用了絕對到時和到時差2種數據[6]。由此，可以進一步得到震源區內部和外部更加細致的速度結構和震源位置。雙差層析成像方法具體原理可見文獻[3，7]，本文不再贅述。

2 數據與方法

2.1 數據

本文收集整理了2008-10～2020-04由中國地震臺網中心提供的遼寧海城-岫巖地區(39°～42° N，121°～124° E)近震震相觀測報告，根據走時-震中距關系情況剔除初始數據中離散度較大的走時信息，得到滿足條件的地震事件5 028個。對震相報告進行預處理，刪除大于5倍均方差的地震震相資料，得到走時-震中距關系如圖2所示。在提取相對走時和絕對走時數據時，具體設置參數如下：地震對之間的最大距離為maxdist=10 km，每個地震的最大鄰居數為maxngh=10，每個地震事件所需要的震相數最小值為minobs=8、最大值為maxobs=50，地震對到臺站之間的最大距離為maxdist=400 km。

圖2 走時-震源距曲線Fig.2 Travel time and focus distance curve

2.2 初始模型選擇

根據海城-岫巖地區小震與地震臺網分布及地震射線覆蓋情況，對研究區水平方向以0.2°×0.2°網格進行劃分，深度方向速度切片分為9層，共設置反演網格個數為16×15×9，如圖3所示。由該網絡節點的劃分可見，海城-岫巖地區的網格節點密集，因此得到的成像結果足以詳細刻畫該地區的三維速度結構分布特征。本文在如何選取適當的一維速度模型方面，查閱了該地區已有的研究資料，并經過多次嘗試，最終選取盧造勛等[8]的初始速度模型，如圖4所示，其中為了有效減少空震(深度<0 km)現象，最上層選取-10 km，速度設置為0.3 km/s。

圖3 研究區二維射線路徑Fig.3 Two-dimensional ray path in the study area

圖4 初始速度模型Fig.4 Initial velocity model

2.3 正則化參數選取

雙差層析成像方法采用最小二乘QR分解(least square QR factorization，LSQR)算法，其中平滑權重因子和阻尼因子的選擇對于反演結果的穩定性有較大影響，因此在反演之前必須對兩者進行權衡分析[7,9-10]。平滑權重因子在反演過程中用來約束慢度的變化量，因此選擇慢度變化量的2范數與走時殘差的2范數對平滑權重因子進行權衡分析；而阻尼因子同時約束了震中位置和慢度的變化量，因此選擇震源位置和慢度變化量的2范數進行權衡分析[11]。本文通過L曲線法[12]選擇最佳平滑因子10和阻尼因子150作為反演過程中的控制參數(圖5)。

圖5 平滑因子和阻尼因子均衡曲線Fig.5 Smoothing factor and damping factorequilibrium curve

2.4 檢測板測試

為檢驗在實際數據和網格模型下反演得到的速度結構的可靠性及空間分辨能力，預先進行棋盤格測試[13]。檢測板目標模型設置為相對初始速度模型，在反演網格點上正負交錯添加±5%的速度擾動，若得到的檢測板結果呈正負相間的速度變化，則表示分辨率較高，反演結果較好[5]。測試結果如圖6所示，可以看出，在5～10 km深度地殼橫向分辨率高的地區主要集中在研究區中部，成像結果較為可靠；近地表和中地殼15 km左右的邊緣分辨率不太理想，因此后續將著重分析中上地殼的研究結果。

圖6 深度剖面檢測板測試結果Fig.6 Test results of the depth profile inspection board

3 地殼速度結構成像結果與分析

對海城-岫巖地區地震重新定位，經過24次迭代反演，定位走時殘差由0.507 s降低為0.279 s。從圖7的地震重定位分布結果看出：1)重新定位后，研究區內地震震中的條帶分布更加明顯，深度也更加集中，主要分布在5～20 km深度范圍內；2)小震活動集中，其中沿海城河-大洋河斷裂、金州斷裂帶分布最為密集。

圖7 重定位前后地震分布與走時殘差Fig.7 Earthquake location distribution and traveltime residual before and after relocation

3.1 不同深度地殼介質P波速度結構

圖8分別為2 km、5 km、10 km、15 km深度P波速度結構剖面。DWS(distribution of derivative weight sum)參數可以表征反演節點周圍平均的相對射線密度[14]，本文選擇DWS≥100時的反演結構進行分析，該范圍內的結果可信度較高[15]?？梢钥闯?，2 km近地表高速區和低速區分塊明顯，以海城-營口斷裂和金州斷裂為界，東側對應遼東地塊，速度偏高，西側對應遼東灣-下遼河段，速度偏低。研究區在第三紀晚期形成下遼河斷陷，第四紀以來下遼河斷陷持續下降，覆蓋了大量沉積物，厚度可達10 km以上。由海城-岫巖地區2～15 km不同深度的P波速度結構可以看出，遼東地塊普遍呈現高速結構，P波速度在下遼河斷陷地區表現的淺層特征為低速，在遼東地塊隆起地區表現為高速。2 km剖面顯示，下遼河斷陷地區為低速異常區，地震多發于高速區與低速區的過渡區內。海城-岫巖地區5～10 km深度的速度結構具有一定的相似性，上地殼存在明顯的橫向不均勻性。其中，海城-營口斷裂和金州斷裂兩側的速度結構存在差異，東南側明顯高于西北側，南端具有明顯的高速區，蓋州地區地震多分布于低速區與高速區過渡帶內。大洋河斷裂及其鄰區呈現高速狀態，海城-岫巖地區地震多發生于大洋河斷裂西北端的低速區和高速-低速區過渡帶內，而且大洋河斷裂東南端明顯存在高速區，這可能也解釋了海城-岫巖地區地震向西北方向延展，而不向東南方向展布的特征[1]。15 km左右深度發生的地震較少，且地震活動主要集中在低速區，海城-岫巖地震活動區存在明顯低速層，這與以往研究認為該區中地殼存在低速高導層的結論相對應[8]。

圖8 海城-岫巖地區不同深度P波速度結構Fig.8 P-wave velocity at different depths in Haicheng-Xiuyan area

3.2 垂向P波速度剖面結構

為進一步揭示海城-岫巖地區地下介質P波垂向速度變化特征，分別沿3個方向得到3個剖面(圖9)，其中AA′剖面沿北緯40.5°方向穿過震源區，BB′剖面沿東經122.5°穿過震源區，CC′剖面沿海城-營口斷裂和金州斷裂走向展布。從AA′深度-速度剖面可以看出，海城-營口斷裂東西兩側速度結構具有明顯的差異性，東側高于西側，且西側的下遼河斷陷低速區一直延伸至地下15 km左右[2]。海城-岫巖地區地下5～15 km存在明顯低速區，大量地震發生在低速層內。從BB′剖面可以看出，蓋州震區和海城震區之間存在明顯的高速區，蓋州震群深度分布范圍(0～8 km)小于海城-岫巖震區地震(0～16 km)。

圖9 海城-岫巖地區P波速度結構剖面分析Fig.9 Analysis of P-wave velocity structure profile in Haicheng-Xiuyan area

4 結 語

本文利用雙差層析成像方法對2008-10～2020-04海城-岫巖地區5 028個地震的震源位置和速度結構進行聯合反演，結合該地區的地質構造背景，得到如下結論：

1) 地震重新定位后，震中明顯呈條帶狀集中分布在海城河-大洋河斷裂帶中段，東、西兩端地震較少；震中位置呈北西向展布，與該斷裂帶的走向一致；地震定位走時殘差由0.507 s降低到0.279 s，地震定位精度得到明顯改善。

2) P波速度隨深度的增加而增大，海城-岫巖地區速度結構具有特殊性，相對周圍地區較低。地震主要集中在P波低速區或高速區與低速區交界區域，與該區中地殼存在的低速高導層相對應，且研究區兩端具有高速區，這也解釋了為何海城-岫巖地區地震活動沒有向兩端延伸。下遼河斷陷地下介質存在低速異常區，根據研究可知，下遼河斷陷第四紀以來持續下降，該地區覆蓋大量沉積物，厚度達10 km以上。

3) 3條深度剖面結果顯示，海城地區金州斷裂地下5～15 km處存在明顯低速層，這些低速高導層可能與其中充滿的流體有關。本文認為海城地區地震頻發主要是由斷裂活動和低速區(即地下流體)共同作用引起的。