广东地区地壳地震波速不均匀性研究

陈贵美， 杨 选，何璟琳，胡文灼

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

广东地区地壳地震波速不均匀性研究

陈贵美1，2，3， 杨 选1，2，3，何璟琳1，2，3，胡文灼1，2，3

(1.广东省地震局，广东 广州 510070；2.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广东 广州510070；3.广东省地震预警与重大工程安全诊断重点实验室 （筹），广东 广州 510070）

利用广东 “十五”区域测震台网自2007年以来的324个地震的直达Pg波及绕射Pn波（共8821个）走时资料，采用遗传算法在广东省范围内联合反演获得走时残差最小的整个研究区的一维速度结构 （水平分层），以及上述324个地震的发震时刻和震源位置。在此基础上，缩小范围，同时考虑到地震台站和震中分布的实际情况，将整个研究区域分成7个小区，对每个小区域内传播的射线再次进行拟合迭代获得该小分区内走时残差最小的反演结果，最后通过对不同分区速度结构的 “拼接”、“对比”以探索研究区内的三维速度结构和发生地震的深部构造背景。由此得出研究区域的地壳厚度为31.09 km，各层地壳厚度：沉积层为0.9 km、上地壳为13.3 km、中地壳为8.3 km、下地壳为8.6 km。从而总结出广东及其邻省的地震大多发生在上地壳层，即在14.2 km以上，有少数在中地壳层 （14.2～22.5 km）。反演结果也表明，大多数地震震源位于高低速度体的过渡区域。

广东地区；联合反演；一维速度结构；成析成像

0 引言

广东省地处欧亚板块东南隅，菲律宾海板块与欧亚板块的俯冲、碰撞近前缘地带。位于我国东南沿海地震带中部，是地震活动较为活跃的地段。自1900年以来，该区曾发生过M≥7级以上地震5次，M≥6级地震35次，1994年9月16日在台湾海峡南端还发生了7.3级地震。其次，东沙群岛及其附近地区的地震活动也很频繁，例如1992年9月14日和9月19日在东沙群岛连续发生5.9级和5.1级地震。此外，南海北部边缘的中强地震比较密集，也是华南地区地震活动水平比较高的地区。近100年来，自北部湾经广东省电白海外、阳江海陵岛、澳门附近海外直至担杆列岛和红海湾等地也连续发生多次5～6级地震。

由于地质历史上发生的多次强烈地壳运动，使广东省的地质构造背景复杂：本区曾经历了三个大地构造发展阶段，五个地质构造旋回和十四个构造运动幕。出露了从震旦纪至第四纪各个时代的地层； 发生了强烈的由酸性到基性的岩浆浸入和喷发活动；激发了广泛的区域变质和动热变质作用；铸就了众多的深、大断裂带；形成了一系列规模不等，方向各异、活动时代前后不一、性质不同的断裂。全省地壳已发现断裂1 000多条，主要有北东向和东西向及北东东向的三组断裂和北西向的断裂[1]（见图1）。

图1 广东省活动断裂分布图[1]Fig.1 Active fault distribution in Guangdong Province[1]

该区以往由于受测震台站密度、台站分布情况、数据数量和数据质量等限制，至今缺乏有关地壳地震波速度结构的研究。

本研究利用广东 “十五”区域测震台网自2007年以来的324个地震的直达Pg波及绕射Pn波走时资料，采用遗传算法同时反演震源位置以及一维速度结构 （水平分层），选取只在小区域内传播的射线获得该区域内的速度结构，通过不同分区 “拼接”来探索三维速度结构和发生地震的深部构造背景。

1 数据和方法

1.1 数据

广东地震台网 “十五”测震项目台于2007年2月底基本完成设备安装调试，至2007年4月基本完成，2007-4-25～2001-05-25台网进行了测试及试运行， 6月1日起进入考核试运行，10月通过中国地震局验收，“十五”建成后的广东数字遥测地震台网有44个子台。之后又共享广东省地方台网、海南台网、广西台网、江西台网、福建台网、湖南台网、香港天文台和台湾台网等的部份台站71个 （地方台网6个、海南6个、广西12个、湖南4个、福建11个、江西8个、香港10个及台湾14个），共计达115个测震台站。与未实现数据共享的广东地震台网相比，联网后的广东地震台网监测区域扩大，使得可定位的地震数量增加了，地震定位的精度也得到了显著提高。从而为广东地区的近震层析成像研究创造了较好的条件。本文选取从2007年4月到2010年8月广东地震台网运行以来记录到的辖区 （21°～27°N，109°～118°E）内324个地震资料 （见图2），进行广东省地区地壳地震波速研究。

图2 本研究所用地震震中分布图Fig.2 Earthquake epicenter distribution

本文选用了324个地震事件，均匀分布，每一个地震都至少有6个台站同时记录到，初始定位精度大多为Ⅰ类，少数为Ⅱ类。以台网初始定位结果为依据查阅 《华南走时表》得出各震相的理论走时，考虑到定位误差、模型误差和分析人员的人为误差等因素，允许实测走时与理论走时有一定的偏差，根据以往的经验具体如下：

Sg与Pg走时差超过25 s（或震中距超过160 km）时，实测走时与理论走时之差的绝对值不超过1.5 s；Sg与Pg走时差不超过25 s（或震中距不超过160 km）时，实测走时与理论走时之差的绝对值不超过1.2 s。按以上原则从台网识辨出的所有震相中筛选出了8821条射线，其中Pn波射线 2297条和Pg波射线6524条。这些射线对应走时与震中距表现出高度的线性相关，相关系数均高于0.995。

1.2 一维速度模型反演

本研究是华南沿海地区的地震构造区之一。此前，一些研究者曾用不同方法对华南地区进行过研究。曾融生等利用瑞利波的相速度法求得广东地壳厚度为30～40 km，丁韫玉利用S、P波法求得广州台附近地壳厚度为31±3 km，范玉兰等编制华南地区走时表时求得地壳厚度为32.4 km，魏柏林和魏恒源从重力反演编制了广东省陆地地壳厚度图和莫霍面的平均深度，从而求得广东省大陆地壳平均厚度为35 km，这个数字也大致接近莫霍面的平均深度。1978年江西永平工业大爆破资料测得江西南部的地壳地震波传播速度结构模型。1981年中国地震局地质研究所在粤东大亚湾地区利用地震转换波测得莲花山深断裂带以东地区的地壳具有多层结构，认为地壳厚度27～30 km，根据转换波的特征，还可以分出康拉德面，埋深在13～16 km。曾融生等认为东南沿海地区的莫霍面深度较全国平均的莫霍面深度略小，为30～32 km，福建滨海地区的莫霍面只有30 km[2、3]。

在参考前人的研究成果和结合全球速度模型基础上，本研究将地壳分为四层即：沉积层、上地壳、中地壳和下地壳。各层厚度及速度范围 （见表1）[4、5]。

表1 初始的一维速度模型Table 1 Initial one-dimensional velocity model

图3 台站及所用地震射线水平面投影分布图Fig.3 Stations and earthquake-ray horizontal projection

图3是台站及所用地震射线水平面投影分布图，射线基本覆盖广东省地区，在研究区周边射线覆盖相对较稀。经过1500次迭代，残差反演后降到0.003429 s，反演的结果见表2。

1.3 通过分区获取纵向差异

网格划分主要考虑地震台站和震中分布的实际情况，保证每个网格点有较多的射线通过，原则上不使用穿越两个分区的射线，但考虑到四周地震射线很少，且定位可能存在误差，因此分界线两侧0.15°内的资料允许重复使用。具体分区见图4：1～6区为2.0°×2.0°，7区网格划分为3.0°×2.0°，共划分了7个块体进行研究[6]（见图4）。

表2 研究区总体地壳分层及P波速度Table 2 The overall crustal layering and P-wave velocity of the study area

图4 研究区域网格划分图Fig.4 Research area Grid division

在分区反演时，我们以整个研究区联合反演得出的结果为基础。固定地壳厚度及上地幔的P波速度，每层的P波速度允许有一定变化，每个地震允许的扰动范围位置在±0.015°，深度允许在±2 km范围内的变化。反演结果见表1及表3。

表3 各分区的地壳分层及P波速度Table 3 Crustal layer and P-wave velocity in each sub-area

分区 参数 地壳分层底界面深度/km P波速度/km.s-1 射线穿越条次3 4∞5 6沉积层 0.8965 4.9357 291上地壳 14.1899 6.0531 40中地壳 22.4618 6.2008 32下地壳 31.0953 7.3400 32上地幔 ∞ 8.0138 32沉积层 0.8965 5.4985 211上地壳 14.1899 6.0226 60中地壳 22.4618 6.3555 52下地壳 31.0953 7.3300 52上地幔沉积层上地壳中地壳下地壳上地幔沉积层上地壳中地壳0.8965 14.1899 22.4618 31.0953∞0.8965 14.1899 22.4618 8.0138 5.4805 6.0002 6.2857 7.3353 8.0138 5.0205 6.0692 6.3112 52 926 230 190 190 190 714 361 218 7下地壳上地幔沉积层上地壳中地壳下地壳上地幔31.0953∞0.8965 14.1899 22.4618 31.0953∞7.3300 8.0138 5.3972 6.0415 6.3998 7.3300 8.0138 218 218 211 46 46 46 46

1.4 方法

本文中我们采用遗传算法进行求解。遗传算法的基本思想是基Darwin进化论和Mendel的遗传学说。Darwin进化论最重要的是适者生存原理，Mendel遗传学说最重要的是基因遗传原理[7]。

由于资料有限独立地对各分区进行上述反演计算结果不太稳定，为使反演结果稳定，本研究首先用8821条射线走时资料，在较大范围内搜索出使得走时残差最小的整个研究区的一维速度结构，以及324个地震的发震时刻和震源位置，然后缩小范围，选取仅在单一分区内传播的射线走时资料再次搜索出使得小分区内走时残差最小的结果，最后通过不同分区比较便可探索横向和纵向上的速度差异[8]。

2 结果

2.1 广东地区上、中、下地壳P波速度结构

通过反复迭代，保留了质量高的324次地震的重新精确定位的震源位置。重新定位后的震中分布见图5。

图5 重新定位的广东及邻省地区的地震震中分布图Fig.5 Epicenter distribution of reposition earthquakes in Guangdong and its adjacent area

计算统计各分区深度与频次分布情况见表4，可见：1区的地震是32个，其中在上地壳层为29个，占该区的91%，中地壳层有3个，占9%，其余的沉积层、下地壳及上地幔层地震数均为0；2区的地震是80个，其中在上地壳层为74个，占该区的93%，中地壳层有6个，占7%，沉积层、下地壳及上地幔层地震数为0；3区的地震是28个，上地壳层有26个，占该区的93%，中地壳层有2个，占7%，其余的沉积层、下地壳及上地幔层地震数均为0；4区的地震是23个，其中上地壳层有22个，占该区的96%，中地壳层有1个，仅占4%，其余的沉积层、下地壳及上地幔层地震数均为0；5区的地震是81个，其中在上地壳层为76个，占该区的94%，中地壳层有5个，占6%，其余的沉积层、下地壳及上地幔层地震数均为0；6区的地震是60个，其中在上地壳层有43个，占该区的72%，中地壳层有17个，28%，其余的沉积层、下地壳及上地幔层地震数均为0；7区的地震是37个，全部在上地壳层，其余的沉积层、中地壳、下地壳及上地幔层均无地震。从而可认为，广东及其邻省的地震大多发生在上地壳层，即在14.2 km以上，有少数在中地壳层 （14.2～22.5 km），其余的诸如沉积层、中地壳、下地壳及上地幔层几乎无地震。

图6给出了深度为0.9，14.2，22.5，31.1km的各分区的P波速度值。结合表4及图6我们可以看到，在不同深度上速度结构呈现不均匀性。在深度为0.9 km的沉积层，其沿海地区的1、2、3及6区相对于其余区为相对低速区；在深度为0.9～14.2 km的上地壳时，在地震较多的2、5、6区：2区与相邻的1、4区相比速度略偏高，而与3区相比略低，即该区处于高低速过渡区。5区与相邻的3、4、6、7区相比速度偏低。6区与相邻的5、7区相比速度偏高；在深度为14.2～22.5km的中地壳时，2区与相邻的1、4区相比速度偏低，而与3区相比略高，即该区在此层依然处于高低速区过渡区。5区与相邻的3区相比速度偏高，与4、6、7区相比速度却偏低，亦处于高低速区过渡区。6区与相邻的5区相比速度偏高，与7区相比速度偏低，同样也属于高低速区过渡区；深度在22.5km以下的下地壳层，各分区的速度变化不大 （可能与本研究很少有此深度以下的震例有关）。有研究者指出，强地震常发生在波速异常的过渡带上。如前所述，本文的联合反演结果也表明，本研究区内的多震区 （2、5、6）P波速度结构也存在以上的规律，即地震常发生在高低速过渡区[9～11]

图6 不同深度各分区P波速度图Fig.6 P-wave velocity diagram of the different depths in each sub-area

2.2 反演的质量分析

表4 各分区及每分层的地震个数Table 4 Earthquake numbers of each sub-area and each layering

地球内部成像结果反应的不仅仅是真实速度结构非均匀性，而且还有数据误差，有限的地震射线采样，模型参数化，线性化以及实施算法等因素带来的影响。这些影响不能轻易被分离出来，因而经常导致最终图像的虚假异常。事实上，得到一幅图像并非层析成像的研究中最困难的，主要的问题在于区分以上所有提及因素最终在影像中造成了何种影响。因此,反演问题的解必须经过相应的分辨度和可信度的检验[12～14]。

层析成像解的评价是层析成像研究的重要组成部分。通过对解的分析，我们可以了解结果的可靠性、分辨率及误差等重要信息。通过衡量每个节点附近的射线数量作为解的可靠性的一种评价，这种评价方法仅给出解的可靠性[15～17]。

这里我们用穿过每个分层的射线数和遗传算法中一代最佳拟合残差的变化来初步度量解的稳定性和可靠性[18]。其结果见表3和图7所示。可见射线穿过每个区及每个分层的射线是足够多的 （32～926条），图7展示了整个研究区及每个分区反演过程拟合残差迭代次数的变化。单位长度上的走时残差 （解）经过至少250次迭代后认为精度最佳，从图7解的情况来看，迭代后最佳解均小于0.004。低于观测时间最小积分度 （拾取震相50采样率为0.02，100采样率为0.01），说明得出的解是稳定且可靠的。

图7 研究区反演过程中拟合残差迭代次数的变化Fig.7 Change of the number of iterations of fitting the residual in the process of inversion in study area

3 讨论与结论

范玉兰等编制华南地区走时表时，从径向将华南地区的地壳分为二层，即上下地壳二层，求得地壳厚度为32.4 km。本文利用广东 “十五”区域测震台网自2007年以来的324个地震的直达Pg波及绕射Pn波走时资料，采用遗传算法同时反演震源位置以及一维速度结构 （水平分层），将该区的地壳分为四层，即沉积层、上地壳、中地壳和下地壳层，求得地壳厚度为31.09 km。地壳厚度两者基本吻合。所不同的是前者上地壳厚度为21.4 km，下地壳为11.0 km，没有考虑沉积层；本文加入了沉积层及中地壳层进行研究，各层厚度如下：沉积层为0.9 km，上地壳为13.3 km，中地壳为8.3 km，下地壳为8.6 km。后者比前者的分层细化了。通过反演震源位置以及一维速度结构 （水平分层）还得出:广东及其邻省的地震大多发生在上地壳层，即在14.2 km以上，有少数在中地壳层 （14.2～22.5 km），其余的诸如沉积层、中地壳、下地壳及上地幔层几乎无地震。另外前者在切向方面没做研究。本文在对地震多发区做了切向比较，结果发现广东及其领省地区大多数地震震源位于高低速度体的过渡区域。

地球深部构造与地表的地质构造都是构造运动的产物，它们相互影响，相互作用，共存于相互变化着的地球中。根据本文的近震层析成像结果，也能得到一些广东地区的典型构造区的构造与地震的关系。如：地震多发区的2区就位于东西向的高要－惠来深断裂带上（图1）；地震多发区的5区在北东向的河源－邵武此深断裂带上；汕头-惠来，潮州-普宁，莲花山深断裂带平行穿插于地震多发区的6区，滨海、饶平大断裂交汇处是该区历史上发生过多次中等以上地震的地区[19]。

综上所述，本研究结果可归纳如下：

（1）对参与计算的324个地震均进行了精定位并给出了定位结果

（2）得出广东地区的地壳厚度为31.09 km。

（3）对地壳整体厚度进行了细化分层 （水平分层），各层厚度为：沉积层为0.9 km，上地壳为13.3 km，中地壳为8.3 km，下地壳为8.6 km。

（4）广东及其邻省的地震大多发生在上地壳层，即在14.2 km以上，有少数在中地壳层 （14.2～22.5 km），其余的诸如沉积层、中地壳层、下地壳层及上地幔层几乎无地震发生。

(5)研究得出，广东及其领省地区中小地震分布具有与强震相同的地壳深部介质背景，大多数地震震源位于高低速度体的过渡区域[20]。

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（1.Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070,China;2.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology,CEA,Guangzhou 510070,China;3.Key Laboratory of Guangdong Province Earthquake Early Warning and Safety Diagnosis of Major Projects,Guangzhou 510070,China)

A Study on the Inhomogeneity of Crustal Seismic Wave Velocity in Guangdong

CHEN Guimei,YANG Xuan,HE Jinglin,HU Wenzhuo

Derived from Guangdong“10th Five”regional digital seismometry network since 2007, direct Pg waves and diffracted Pn waves travel time data (8821 in total)of 324 earthquakes,are used in genetic algorithms along with joint inversion within Guangdong province to acquire the one-dimensional velocity structure (horizontal layer)with minimum residual,as well as seismic origin time and location of the 324 earthquakes mentioned above.With this basis and narrowed range,considering the actual circumstances of the distribution of seismic stations and epicenters, the entire study region can be divided into seven areas.The transmission ray of each area will be fitted and iterated a second time to obtain the inversion result with minimum travel time residual. Finally,through“stitching”and“comparison”of velocity structures of all seven areas,the regional three-dimensional velocity structures and the deep structures may be explored and studied.In addition,it's simultaneously obtained that the crust thickness of the study region is 31.09 km;Crustal thicknesses of each layer:sedimentary 0.9 km,the upper crust 13.3 km;the middle crust8.3 km and the lower crust 8.6 km.Thus concluding that most earthquakes in Guangdong and its neighboring provinces occurs in the upper crust,e.g.14.2 km above,and there are a few in the middle crust (14.2～22.5 km).The inversion results also show that most earthquake sources are located in the transition zone of high and low velocity bodies.

Guangdong Province； Joint Inversion； One-dimensional Velocity Structure；Tomography

P315.31

A

1001-8662（2012）03-0041-12

2012-02-10

广东省科技厅项目 （2007B030402005）资助

陈贵美，女，1969年生，工程师.主要从事地震监测与数据处理工作。E-mail:cgm@gddsn.org.cn.