大同地区地壳横波衰减成像研究

李 丽，刘 剑，李宏伟，梁 艳

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025；3.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

大同地区地壳横波衰减成像研究

李 丽1，2，刘 剑3，李宏伟1，2，梁 艳1，2

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025；3.太原理工大学矿业工程学院，山西 太原 030024)

运用大同地区2001—2014年，中小地震观测报告中的2 991个近震事件的24 016条S波最大振幅和周期资料，反演得到大同火山区及其附近区域的地壳衰减Q0值空间分布图像。检测板实验结果显示，在射线分布较密集的地区，分辨率可以达到20′×20′。空间分布中，低Q0值主要分布在大同盆地及控制盆地发育的主干断裂附近，大同火山区Q0值最低。Q0值强衰减现象反映出大同火山区地壳内部介质状态与周围构造的差异性。

大同地区；横波衰减；振幅层析成像

0 引言

Q值一般用来描述地球介质的衰减特征，是反映构造活动的重要参数。当地震波穿过有岩浆活动的火山区、构造活动区的岩石破碎带、充填流体的空隙和裂隙等区域时，能量将发生强烈衰减而具有低Q值；在一些构造稳定的克拉通地区，能量衰减较少，具有高Q值[1]。利用振幅层析成像方法研究介质衰减特征可以提高震相报告资料的利用率，且该方法先后在华北[2]、川滇[3]、中国大陆地区[4-5]及日本群岛[6]取得较好的研究成效，其可靠性得到检验。

山西地区由许多不同的地质构造单元组成，构造活动非常活跃，大同地区尤为明显。该地发育多条活动断层，大同断陷盆地及大同火山区分布其中。研究表明，地震绝大多数发生在大同盆地内部，且震源深度集中在5～20 km范围内，1989、1991和1999年大同—阳高一系列中强地震，均发生在大同盆地北北东向六棱山断裂附近。因此，研究该区地壳介质的衰减特征，对进一步分析衰减结构与构造活动的关系、理解中强地震孕震环境起重要作用。

文献[7]中，利用大同台网1990—2000年的模拟波形资料研究大同地震序列尾波Q值随时间的变化，但在计算过程中未固定各个台站的频率，不能很好地类比同频率的Q值空间分布，且研究资料使用的是模拟波形数据，其结果的准确性和可靠性仍待验证。靳玉科等[8-9]采用Sato模型分别对代县震群和山西北部十余个台站及其附近的尾波Q值进行计算，结果多分布在20～30之间，但各个台站的拟合地震个数不等。其中，灵丘、凉城、偏关、大同台站仅用了少数几个拟合地震事件，其余台站为几十个，这种波形的拟合不均匀性对分析结果造成一定的局限性。为更充分地利用现有的观测资料，对大同地区地壳介质的衰减特征进行研究，该文利用大同地区2001—2014年，中小地震观测报告中最大振幅及周期资料，采用振幅层析成像方法，反演大同地区壳内横波衰减及介质品质因子Q0值(频率为1 Hz时的Q值)的空间分布特征。

1 区域地质构造背景

研究区域位于山西北部的大同盆地，该盆地是北东向展布的半封闭盆地，山地与盆地之间有断层相隔，东面与河北阳原盆地相连。盆地内主要分布北东走向的采凉山断裂、北北东走向的口泉断裂、北东东走向的天镇—阳高断裂、恒山北麓断裂、六棱山北麓断裂等，这些断裂控制着盆地的主要边界(见第41页图1)。桑干河是本区域的主要河流，属海河水系，发源于大同盆地西南面的管涔山，自西南向东北横穿整个大同盆地后流入阳原盆地[10]。整个大同盆地南北宽约60 km，东西长约150 km，平均海拔在1 000 m左右。

大同盆地内发育有大同火山群，北起阳高县下深井一带，南到六棱山山脚，东西长约30 km，南北宽约20 km，有29座火山，另有玄武岩出露点10余处[11]。火山密集分布在大同县东北，有16座；另外13座分布于桑干河两岸和六棱山山脚(见图1)。大同火山活动时代始于早更新世晚期，主要活跃时期为中更新世，最晚延至晚更新世早期[12-13]，形成于大陆裂谷环境，与软流圈上涌导致的岩石圈-软流圈相互作用有关[14]。

图1 大同地区地质构造图Fig.1 Geological structure in Datong area

2 数据与研究方法

研究所用的地震数据分布区域为39°～42°N，110°～116°E，所用的水平分量最大振幅和周期主要选自山西省地震局2001—2014年的观测报告。为保证数据的可靠性，对资料进行以下选择：(1) 限定周期T在0.1～2.0 s内相应的最大振幅；(2) 单个地震的震级ML是各台测定震级MSL的平均值，为避免单一台站读数的误差或错误，限定二者之差︱MSL-ML︱<0.5；(3) 每个地震至少被3个台站记录，且每个台站至少记录到3个地震；(4) 震源深度小于30 km。根据以上原则，选出2 991个地震，射线数达24 016条。

地震波在台站i和震源j之间的衰减可以通过振幅谱Ai(f)得到，其中f是该振幅对应的频率。振幅通常受地震大小、台基和仪器响应、几何扩散以及介质衰减等因素影响。可以用以下公式描述：

Aij(f)=Oj(f)S(f)Gij(R)Bij(f,R)，

(1)

式中：Oi(f)是频率为f时的震源处振幅；S(f)是观测场地和仪器的响应；Gij(R)是路径距离为R时的几何扩散因子；Bii(f,R)是地震波传播时的能量衰减项。除几何扩散项外，其他各部分都对频率有依赖。

震源谱可用长周期振幅谱Ω0和拐角频率fc描述，其数学表达式如下：

(2)

不同的地震，频率f不同。场地响应的谱函数是未知的，但区域近震ML的带宽很小，可以认为场地响应Si(f)与频率无关。几何扩散项Gii(R)可被写成(1/R)k，其中k是几何扩散因子，主要依赖于波的类型。对体波，k=1.0；对面波，k=0.5。

横波的衰减项Bii(f,R)主要由介质的品质因子Q决定，是频率的函数，可用幂函数描述为：

(3)

式中：c=πf1-ηv；Q=Q0fη；v是横波的速度；Q0和η分别是横波1 Hz时的品质因子Q和频率的幂指数。

将公式(3)带入公式(1)，取对数后得到：

(4)

台站项ai=lnSi(f)，震源项bj=lnOj(f)，通过Y-cR线性拟合可以得到平均Q0值。拟合直线即是区域的平均衰减模型，将式(1)减去平均模型，并将模型离散化成二维网格，可获得离散化的扰动方程。通过引入LSQR方法，即可求得扰动方程的最小二乘解，即Q0值的横向变化。

3 结果与分析

3.1 反演结果

在计算过程中，取几何扩散系数k为1.0，Q随频率指数衰减系数η为0.5，地壳S波平均速度υ为3.6 km/s。通过拟合方程式(1)中几何扩散校正后的ML振幅观测值与折合震中距cR间的线性关系，从拟合直线的斜率获得S波平均Q0值为230。将地壳横向离散成每度6×6的网格，同时取阻尼系数为200，迭代次数为60，通过层析成像的方法反演ML振幅残差即可获得S波Q0值的横向变化。

图2是反演过程中使用的地震事件和射线分布，可以看出大同盆地射线密度较高，地震事件发生较多。第42页图3a为反演得到的地壳横波衰减的介质品质因子Q0值空间分布。图中，深色区域对应地壳高Q0值区(低衰减区)，浅色区域对应地壳低Q0值区(高衰减区)。为检测反演结果的可靠性，采用棋盘检验方法进行分辨率估计(见第42页图3b)，从图3b中可以看出，在射线密集的大同盆地，分辨率能达到20′×20′。图3a中的虚线内部即是满足分辨率条件的区域，而边缘地方由于射线稀疏，反演结果精度较低。

图2 台站、事件与射线分布图Fig.2 Distribution of stations, events and rays

图3 大同地区Q0值分布及分辨率测试结果Fig.3 Distribution of Q0 values in Datong area and resolution test results

3.2 衰减特征

由于地震波的衰减对地球结构和组成的变化更敏感，变化幅度更大，因此，通过对地壳衰减结构横向变化的研究，反映衰减结构与构造活动的密切关系，根据衰减图像可勾画出与构造变形和火山活动有关的地壳软弱区。由图3a可见，大同盆地北部Q0值明显低于其他地区，该低Q0值分布与大同火山区分布基本一致，Q0值约为70～100之间。大同火山活动区表现出的这种低Q0值，与其他火山地区特有的特征一致[15-16]。由于研究区域包含大同火山区，因此，该区域的平均Q0值较低，为230。大同火山的低Q0值，一方面可能由于火山体地下介质内部存在高温热物质(如岩浆体)，从而增强地震波传播过程的散射和吸收效应；另一方面可能是火山喷发的岩溶物质冷却后出露在地表，该熔岩物质的特殊性使S波强烈衰减。综上所述，Q0值强衰减特征反映大同火山区地壳内部介质状态与周围构造的差异性。

除在大同火山区地壳介质衰减强烈外，在大同盆地、忻定盆地内部及其活动断裂附近也存在低Q0值分布。这些断裂构造活动显著，控制盆地的边缘断裂，如采凉山断裂、口泉断裂南端、恒山北麓断裂、六棱山山前断裂和五台山北麓断裂。地壳介质Q0值空间分布特征显示强衰减区域(低Q0值)与地质构造有密切的关系。

4 结论与讨论

研究运用2001—2014年大同区域地震台网测定震级ML时所用的振幅和周期资料，反演得到大同及其附近地区的地壳衰减Q0值空间分布图像，并对成像结果进行检测板测试。在此基础上，对大同地区Q0值分布特征进行分析研究，主要结论和认识如下：

(1) Q0值的变化显示出与地质构造分区相关的特征，低Q0值主要集中在大同盆地、忻定盆地内部及其活动断裂附近，如采凉山断裂、口泉断裂南端、恒山北麓断裂、六棱山山前断裂和五台山北麓断裂。强衰减异常区(低Q0值)在大同火山区表现突出，反映了大同火山区地壳内部介质状态与周围构造的差异性。

(2) 运用区域地震台网测定震级ML时所用的振幅和周期资料，进行振幅层析成像，由于反演结果的可信度在很大程度上取决于数据的数量及质量，而在研究区域的边缘部分，射线覆盖较稀，分辨率不足30′×30′，今后还需补充邻省震相资料做进一步的分析研究。

该文计算程序由中科院青藏所裴顺平研究员提供，在成像过程中亦得到裴老师的悉心指导，在此深表感谢！

[1] 裴顺平，刘 杰，马宏生，等.川滇地区横波Q值动态变化[J].地球物理学报,2010,53(7):1639-1652.

[2] Pei S P,Zhan J M,Rowe C A,et al.MLamplitude tomography in North China[J].Bull.seism.Soc.Am,2006,96(4A):1560-1566.

[3] 马宏生，汪素云，裴顺平，等.川滇及周边地区地壳横波衰减的成像研究[J].地球物理学报,2007,50(2):465-471.

[4] 汪素云，裴顺平，许忠淮，等.利用ML振幅研究地壳横波Q值Ⅰ：不同构造区的衰减特征[J].地球物理学报,2007,50(6):1740-1747.

[5] 汪素云，裴顺平，Thomas M.Hearn，等.利用ML振幅研究地壳横波Q值Ⅱ:Q横向变化特征[J].地球物理学报,2008,51(1):133-139.

[6] 裴顺平，苏金蓉，高 星，等.日本上地壳S波衰减成像[J].地球物理学报,2008,51(3):828-835.

[8] 靳玉科，赵虎明，梁向军.山西代县震群尾波Q值研究[J].山西地震,2008(1):6-9.

[9] 靳玉科，梁向军，贾海玉，等.基于sato模型的山西北部地区尾波Q值研究[J].山西地震,2013(4):12-15.

[10] 王乃棵，杨景春，夏正楷，等.山西地堑系新生代沉积与构造地貌[M].北京：科学出版社，1996：1-290.

[11] 安卫平，苏宗正.山西大同火山地貌[J].山西地震，2008(1)：1-5.

[12] 翟 娇，胡小猛，王丽丽，等.大同盆地火山活动研究综述[J].防灾科技学院学报，2011,13(1)：82-86.

[13] 赵 华，王成敏，毛洪亮，等.大同火山烘烤层的光释光年龄[J].第四纪研究，2012,32(3)：510-515.

[14] 张招崇，骆文娟.中国新生代火山岩岩石学、地球化学与年代学研究进展[J].矿物岩石地球化学通报，2011,30(4)：353-360.

[15] 秦嘉政，皇甫岗，王绍晋，等.腾冲火山活动区的烈度衰减及环境应力场特征[J].地震研究,1997(2)：212-217.

[16] 秦嘉政，皇甫岗，张俊伟.腾冲火山及其周围地区的地壳Q值特征[J].地震研究,1998(4):358-361.

Study on S-wave Attenuation Imaging in Datong Area

LI Li1,2, LIU Jian3, LI Hong-wei1,2, LIANG Yan1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China;2.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China;3.School of mining engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan, Shanxi 030024, China)

By using the data of the maximum amplitude and period of 24016 S waves of 2991 near earthquakes from the middle and small earthquakes observation report in Datong area from 2001 to 2014, spatial distribution images of Q0value of crustal attenuation in Datong volcanic area and its vicinity are obtained by inversion. Experimental results of the detection board show that the resolution can reach 20'×20' in dense ray area. The low Q0values are mainly distributed in the Datong Basin and near the main faults which control the basin, and the Q0value is the lowest in Datong Basin. The strong decay of Q0value reflects the difference between the crustal medium state in Datong volcanic area and peripheral structure.

Datong area; S-wave attenuation; Amplitude tomography

1000-6265(2017)01-0040-04

2016-04-21

山西省地震局青年科研项目(SBK-1519)，2016年度震情跟踪定向工作任务(2016010106)联合资助。

李 丽(1981— )，女，河北省邯郸人。2011年毕业于云南大学，硕士研究生，工程师。

P315.5

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