中国东北及周边地区地壳横波衰减的成像研究

孙 莲，李永华，吴庆举，汪素云

中国地震局地球物理研究所，北京 100081

中国东北及周边地区地壳横波衰减的成像研究

孙 莲，李永华，吴庆举，汪素云

中国地震局地球物理研究所，北京 100081

利用146个台站记录的中国地震年报及黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古四省地震台网观测报告的6371个近震46652条横波振幅与周期资料，采用二维层析成像方法反演东北地区地壳介质品质因子Q0空间分布图像.在绝大部分研究区都可达到2°×2°的分辨率.结果表明，东北及周边地区地壳介质品质因子Q0平均值为323，其Q0值分布及其所揭示的衰减变化特征与研究区的地表构造具有明显的相关性，如华北平原、松辽盆地和海拉尔平原等沉积层较厚的区域通常呈现为低Q0值；而燕山、太行、兴蒙褶皱带等沉积层薄或基岩出露的区域则呈现为相对高的Q0值.整个东北地区呈现高低衰减带相间分布.

地震波衰减，东北，Q0值，振幅层析成像

1 引 言

地震波因地壳介质的非均匀性引起的散射和介质非弹性吸收而引起的地震波能量的衰减可以用介质的品质因子（即地震波Q值）来表述.地震波Q值是除地震波速度外，地球深部结构及地球动力学所研究的另一个非常重要的地球物理学参数.大量研究结果表明，地壳上地幔地震波速度的横向变化通常只有百分之几，而地壳上地幔Q值的横向变化的量级却在数十倍以上［1］.因此借助于对地壳Q值的研究，可以更准确的认识地壳的结构特征.当地震波穿过构造活动区时，能量将发生强烈衰减而具有低Q值，而在一些构造稳定的地区则因衰减较少而具有高Q值［2－7］.从而进一步认识火山区的岩浆分布、构造活动区的断层分布、壳内低速层等.

东北地区在构造上位于中朝板块和西伯利亚板块之间，属于天山—兴蒙地槽褶皱系的东支.中、新生代以来，受太平洋板块向西俯冲的影响，中国东北部形成了以扩张为主、局部压张的大地构造格局，形成了一系列北东向、北东东向为主的造山带－盆地构造单元，并伴有强烈的火山作用与地震活动发生［8－12］.为探讨太平洋板块俯冲及其对中国东北地区的影响，科学家在该区开展了大量的人工地震和天然地震研究，很好地刻画了研究区的壳幔速度结构［13－22］.在该区开展地震波Q值研究，将为地学家更准确的认识中国东北及周边地区的壳幔结构提供重要的约束.

目前，多数学者直接利用数字地震波形资料，如Lg尾波或长周期面波［23－27］等开展Q值的研究，但其受到台站密度和资料数量的限制，缺少足以覆盖研究区域的大量数据.为获得更好的射线覆盖和分辨率，可利用测定震级ML的振幅数据开展对Q值的研究［2－7］.汪素云等［4－5］利用中国地震年报（1984—2004年）测定ML所用的54000余条区域地震最大振幅数据资料，反演了中国大陆地壳介质品质因子Q0结构.虽然射线覆盖面很大，但是对于东北区域来说，射线覆盖还不够密集，结果的分辨率不足3°×3°.本文利用中国地震年报和地方台网测定的中国东北及周边区域地震的最大振幅资料，反演东北及周边地区地壳介质品质因子Q0结构，进而为东北及周边地区壳幔结构及构造活动的分布和强度的研究提供依据.

2 资 料

本文研究的范围为（30°N—60°N，110°E—140°E），主要包括了东北地区和华北北部地区.所用观测数据来源于《中国地震年报》（1984年1月—2008年6月）、黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古四省地震台网观测报告（2001年1月—2008年12月）.在近距离内（震中距＜200km），测定ML所用的振幅多为直达S波的最大振幅；而震中距＞200km时，为Lg波的最大振幅.在本文中简化统称为横波的最大振幅.为了获得高精度和有广泛均匀覆盖面的数据，对数据进行筛选需要满足下列条件：（1）震中距在1°～7°范围内，震源深度小于45km；（2）每个地震事件至少有3个地震台站记录到；（3）每个地震台站至少记录到3个地震事件.删除不符合上述条件的数据记录，最后共选出在146个台站上记录到的6371个近震的46652条射线数据.最终采用的横波振幅数据的台站和地震位置以及射线分布图见图1.

3 反演方法

我们所采用的反演方法在汪素云等［5］的文章中有详细讲解，本文只做简单的介绍：

地震波在传播路径上的衰减，直接表现为地震波振幅的变化.其主要的影响因素有：（1）台站及仪器响应，（2）震源强度，（3）几何扩散，（4）介质衰减.因此地震波振幅可用以下形式表述：

（1）式中，A是记录到的地震波的振幅，f是频率，r为震中距，其中，I（f）是台站响应是震源强度是几何扩散因子，该项与波的类型密切相关，这里无论是Sg波还是Lg波，地壳横波的几何扩散系数k都简化为1；An（f，r）＝是介质吸收因子，其中v是地壳剪切波波速，品质因子Q＝，Q0是横波1Hz时的品质因子，η是Q随频率变化的相关因子.

取对数并校正后，将研究区域分成二维网络，可以写成用于求解各网格的台站校正、震源校正以及的方程组.

式中，ai是台站校正项，负值表示台站下方衰减较大，而正值则表示台站下方增益较大.其绝对值越小表示仪器标定准确，场地地质环境较好，台站的台基相对较好.bj是地震震源校正项，负值表示实际震级比目录给出的要小，而正值则表示实际震级要比目录给出的大.为网络内频率为1Hz时的品质因子Q0的变化.rijl为第j个地震到第i个台站的射线经过第l个网络的长度.反演中速度v取为3.6km／s.通过预条件LSQR共轭梯度最小二乘的迭代算法来求解.迭代次数取为60次，网格大小取为20′×20′；阻尼常数取为1000.经反演迭代计算，最终得到了Q0值的区域变化图像、台站增益校正项和震源尺度扰动项.该方法已在华北和川滇等地区［5－7］得到了成功的应用.

4 反演结果及分析

图1 射线路径及台站、地震位置Fig.1 Ray paths，earthquake and seismic station locations

图2是反演得到的地壳横波衰减的介质品质因子Q0空间分布图.图中用不同颜色表示Q0值的变化分布，红色对应比平均Q0值低的区域（高衰减区），蓝色对应比平均Q0值高的区域（低衰减区）.从图中可见，相对于Q0的平均值323，Q0横向变化量为－200至200.从图2显示渤海地区Q0值最小，衰减最高；松辽盆地、海拉尔平原等稳定地块区Q0值相对较小，衰减较高；整个东北地区呈高低衰减带相间分布.

图2 Q0横向变化图像（Q0变化是相对于均值323）Fig.2 Q0variation within the crust beneath China.Q0perturbations are relative to 323

图3 台站相对增益分布（a）及震源校正项分布（b）Fig.3 （a）Station term perturbations and event term perturbations（b）event term perturbations

图3a给出了台站校正ai分布图，ai介于－0.25至＋0.35个震级单位，有60%的台站≤0.1个震级单位；只有10%的台站＞0.2个震级单位.台站校正系数比较小，故可以看出东北及邻区台站的台基相对较好.图3b给出了震源校正bj分布图，bj介于－0.51至＋0.52个震级单位，有64%震源校正项≤0.1个震级单位；只有9%的台站＞0.2个震级单位.许多地方如渤海附近，是由于高衰减带造成经过的射线振幅衰减较大，震源尺度估计偏低.震级测定会受到地壳介质衰减横向变化的影响.

图4给出了采用测试板方法测试地壳介质品质因子Q0值空间分布结果的分辨率，即对相同的射线分布及阻尼常数，用不同尺度的测试版试验模型，施加幅值为±200的正弦函数Q0扰动模型计算理论振幅残差，反演出给定的Q0扰动模型的恢复结果.在绝大部分地区都达到2°×2°的分辨率.本文还采用计算100次的bootstrap方法反演，每次迭代60次，得出Q0横向变化，其中97%的地区误差不超过20，从而进一步验证本研究得到的Q0值的可靠性及稳定性.

5 结论和讨论

利用中国地震年报、黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古四省地震台网观测报告的横波振幅与周期资料，进行了振幅的层析成像研究.在前人的研究［5，7］基础上，本文工作补充了中国东北及邻区地方台网和2005—2008年《地震年报》中的2万多条射线数据，从而大大提高了反演结果的分辨率.检测板测试表明，研究区基本上达到了2°×2°的分辨率，仅在北纬50°以北的最边缘部分由于区域台站数据量少，射线覆盖较稀，分辨率为3°×3°.反演结果显示，东北及周边地区地壳介质品质因子Q0平均值为323，其Q0值分布及其所揭示的衰减变化特征与研究区的地表构造具有明显的相关性，如华北平原、松辽盆地和海拉尔平原等沉积层较厚的区域通常呈现为低Q0值；而燕山、太行、兴蒙褶皱带等沉积层薄或基岩出露的区域则呈现为相对高的Q0值.本文结果与Zhao等［24］利用Lg尾波所得到的研究区的衰减特征非常相似：Q0值横向变化相似，但大小并不一致.这与我们结果中Q0值的大小与反演中几何扩散项中的系数k和介质吸收项中η，v参数的选取有关，由于几何扩散项和介质吸收项的相关性，当几何扩散系数k增高时，几何扩散项增大，介质吸收项会减少，因而Q0值增大；而当固定k值时，随着η的减少，Q0值也会增加.下面着重研究的是Q0值的横向变化图像.

Q0值的横向变化表现的是地壳中地震波能量的衰减分布，其大小与沉积层厚度、构造活动的强弱作用及地壳介质属性关系密切.图5a为采用CRUST2.0［28］获得的沉积层厚度的数据绘成东北及邻区沉积层厚度分布图，对比地壳衰减结果与沉积层厚度发现，东北及其邻区反演得到的介质品质因子Q0值分布与沉积层厚度之间的密切关系：沉积层较厚，Q0值较低，衰减较强，如在渤海湾地区、松辽盆地等；沉积层较薄，Q0值较高，衰减较弱.另外松辽盆地等沉积较厚区域的低Q0值可能与沉积层内孔隙为含水流体充填有一定关系［7］.东北及其邻区反演得到的介质品质因子Q0值分布与地壳的温度也有一定的相关性.图5b为根据胡圣标等［29］发表的中国大陆地区大地热流数据汇编（第三版）给出的研究区大地热流分布图.对比地壳衰减结果与大地热流分布发现，在具有可比性的稳定地块区，呈现出强衰减对应高的大地热流值的特性.如在松辽盆地、海拉尔平原等稳定地块区，Q0值较低，衰减较强，对应的大地热流也较高；而其周边的褶皱带，Q0值较高，衰减较弱，对应的大地热流则偏低.

本文所揭示的研究区的Q0值横向变化与已有的Pn，Sn成像结果［30－34］也具有很好的相关性，在Pn和Sn速度高的地区地壳Q0值高；在低Pn速度或者Sn传播无效区地壳Q0值低.前人［35－37］曾经将藏北地区的低Pn速度、强烈的Sn、Lg高频衰减以及高泊松比的地球物理特征解释为壳内部分熔融的证据.研究区内的五大连池火山和天池火山是我国大陆境内有过历史喷发记载的近代活动火山.80年代以来在上述活动火山地区开展的大量地球物理调查表明，五大连池火山和天池火山下方存在壳内低速区或者壳内岩浆房［38－42］.但是本文研究显示，上述火山地区并没有显著的衰减.这可能是由于上述火山地区的岩浆房太小，或者本文的Q0值成像结果分辨率不够而无法分辨的缘故.

我们发现的另一个有趣的现象是，尽管都属于沉积层较厚的盆地地区，但是华北平原较松辽平原的Q0值明显要低.本文显示的华北平原这种强烈的衰减特征与前人所揭示的低的壳幔P、S波速度、薄的岩石圈盖层［43－44］都暗示华北克拉通岩石圈结构遭受了强烈的改造作用.如果东北地区低的Q0值也与太平洋俯冲导致的中国东部岩石圈破坏有关，那么这很可能暗示华北岩石圈破坏程度要大于东北地区，或者东北地区岩石圈破坏的时间要早于华北地区［10，45］.

图4 分辨率测试（a）3°×3°，（b）2°×2°Fig.4 Checkerboard resolution tests for（a）3°×3°squares and（b）2°×2°squares

图5 东北及邻区沉积层厚度分布（a）和大地热流分布（b）Fig.5 （a）Distribution of sedimentary thickness in Northeast China and adjacent regions（b）Distribution of heat flow in Northeast China and adjacent regions

致 谢 感谢刘瑞丰研究员提供《中国地震年报》资料，感谢国家地震科学数据共享中心和中国地震台网中心提供的地震震相数据.

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Q0tomography of S wave attenuation in Northeast China and adjacent regions

SUN Lian，LI Yong－Hua，WU Qing－Ju，WANG Su－Yun
Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing100081，China

In this paper we have selected 46652 MLamplitude readings from 6371events recorded by 146stations as reported in the Annual Bulletin of Chinese Earthquakes（ABCE）and regional seismic network of Heilongjiang province，Jilin province，Liaoning province and Inner Mongolia province.A two－dimensional tomography method is adopted to find regional variation of crustal attenuation in Northeast China and its adjacent regions.We obtained an average Q0value of 323 for the entire studied region with regional fluctuations±200.In most of the study area a resolution of 2degrees is attained.Regions with the highest attenuation（low Q0values）are beneath Bohai Basin，and Songliao Plain and Hailaer Basin also have lowQ0values，as these areas have thick sediments and strong tectonic activity.The entire Northeast region shows a distribution pattern of alternating high and low attenuation.

Seismic attenuation，the Northeast，Q0value，Amplitude tomography

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.014

P315

2011－12－16，2012－03－22收修定稿

国家自然科学基金项目（41004034，90814013，41174075，40874041）和中国地震局地球物理研究所基本科研业务专项（DQJB09B11）资助.

孙莲，女，1981年生，2009年毕业于中国科学技术大学，获博士学位，现为中国地震局地球物理研究所博士后，从事深部构造与地球动力学研究.E－mail：sunl＠cea－igp.ac.cn

孙莲，李永华，吴庆举等.中国东北及周边地区地壳横波衰减的成像研究.地球物理学报，2012，55（4）：1179－1185，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.014.

Sun L，Li Y H，Wu Q J，et al.Q0tomography of S wave attenuation in Northeast China and adjacent regions.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（4）：1179－1185，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.014.

（本文编辑 汪海英）