芦山地区S波速度结构讨论

康 萌，徐明军

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.西昌地震中心站，四川省地震局，四川 西昌 615000)

芦山地区S波速度结构讨论

康 萌1，徐明军2

(1.四川省地震局，四川 成都 610041；2.西昌地震中心站，四川省地震局，四川 西昌 615000)

本文利用芦山地震区域中(BAX,TQU,MDS)能记录远震波形的台站，通过坐标转换和时间域迭代反卷积，得到了该区域台站的P波接收函数。初步讨论了初始模型的选择对于芦山地区以及周边地区的S波速度结构结果的影响，对进一步探索该区域精细结构提供参考。

接收函数；初始模型；速度结构

芦山位于龙门山断裂带南端，龙门山断裂带的南段是巨型推覆构造带，从龙门山西北到东南、由后山向前山顺序来看分别由陇东、五龙、双石等几大推覆体呈叠瓦状堆叠而成，构成一个背驮式扩展的推覆构造带，并显示出由褶皱推覆向冲断推覆、由厚皮构造向薄皮构造、由深层次的韧性构造向浅层次的脆性构造发展的趋势。芦山地震震中附近的主要断裂有：大邑—名山(山前)断裂、双石—大川(天全)断裂、盐井—五龙(宝兴)断裂和宝兴西断裂。2013年位于龙门山南段的芦山7.0级大地震给当地人民带来了巨大的经济损失和人员伤亡。对于目前地震科学研究来讲，加强重点地区的地震监测和该区域地下结构的研究也是基础性的工作。

1 方法原理

P波接收函数己经发展为研究站下方地壳结构的常规方法[1]。计算得到的接收函数分析的数据是一个时间序列，主要包含台站下方地壳和上地幔速度间断面所产生的Ps转换波及其多次反射波的信息，如图1所示。

图1 Ps转换波及其多次反射波示例

接收函数方法的原理是通过研究P波到S波的Ps转换波和在介质体上产生的多次波的信息，对于近垂直入射的P波，利用ZRT(Z垂直、R径向、T切向)坐标系统就可以非常简便地获取接收函数，但是由于入射角的增大，垂向分量上的直达P波越来越少，本来应该集中在水平分量上的SV波也越来越少，这会导致转换波能量会被位于径向分量上的直达P波能量掩盖，使得台站下方介质速度界面产生的转换波信息难以得到。为了隔离直达P波中的转换波震相，Vinnik在1977年提出在LQT(其中L为直达P波的射线方向，Q为射线平面内垂直于L的方向，T分量垂直于L、Q方向)坐标系来达到这个目的[3]。通过LQT坐标系，L方向上就主要集中了P波的能量，Q方向上主要集中了转换波。通过坐标系转换，根据后方位角将地震记录从ZNE坐标系旋转到ZRT坐标系，再根据入射角从ZRT坐标系旋转到LQT坐标系，如图2和图3所示。

图2 LQT和ZRT坐标系

图3 方位角和反方位角

在进行接收函数的提取工作前，首先选择震中距30～90°，震级大于5.5且Z分量上P波初动清晰的波形数据，并通过程序截取P波初动前10秒到P波到时后200秒的地震事件记录波形。截取后的地震事件波形，当中除了有效的天然地震波外，还夹杂着许多不相干的噪声。于是，在进行接收函数反演分析当中，只选取与研究目标区域相对应的、经过地球的低通滤波作用产生的低频天然地震波形记录数据，接收函数频段在0.05～2 Hz(即：0.5～20 s)间。由于不同地震台站下方的地质结构不相同，滤波前首先要对单个台站下方的波形数据进行有效的频谱分析，使得频段在0.05～2 Hz之间，然后根据得到的单台的有效信息带宽参数进行滤波处理。

2 结果及分析

反演问题本质上是模型参数空间的搜索问题,根据搜索方法的不同，接收函数反演方法分为线性反演[5]和非线性反演[6]两种。非线性反演方法采用随机算法搜索模型参数空间，对初始模型条件依赖较小，但计算速度慢， 容易陷入局部极值，反演结果也不稳定。线性反演算法则相反，虽然对初始模型依赖程度较高，但计算速度快，反演结果稳定。本文使用的是Ammon等的线性化反演方法[6]。我们这里的研究中将单台各个方位接收函数叠加得到单台的平均接收函数,用以反演台站下方S波速度结构。

表1 反演初始模型

在提取P波接收函数时，分别利用了α=2.0、2.5和3.0的高斯系数进行低通滤波，得到了三个频段的接收函数。低频信息可以用来约束大尺度结构变化，一些比较清晰的地下介质速度界面可以识别出来，而高频信息能够捕捉壳、幔速度结构的细微变化。但是，一些小速度差界面是不真实的，这是由于反演具有非唯一性，会造成一些假象[8-9]。

采用时间域广义线性算法来进行接收函数波形反演，以便求取台站下方一维地震横波S波速度结构。广义线性算法进行波形反演时不但对初始模型的要求比较高，而且对于初始模型的依赖度也较高，根据Ammon的研究结果[6]，如果选用了适当的初始模型，则只需要基于有限次数的迭代后便可收敛到非常接近于真实结构的速度模型；相反，如果选择了不适用当的初始模型，得到的速度模型会和真实模型相差很大。通过多方资料的获取分析来制定初始模型，我们采用ak135模型框架，根据赵珠1987年使用10个工业爆破和154个天然地震,以及四川台网50个台站记录的P波组到时资料获取的四川地区速度结构模型来初步来制定研究区域的初始速度模型，初始模型如下图所示[2]。然后根据反演结果，不断修正我们的初始速度模型结构，使之与最后的反演结果拟合度较高，从而达到较好的反演效果。我们首先假设台站下方地质结构为均匀水平分层模型，层厚度取决于接收函数的分辨率。

计算结果如图4～5。由图4～5可知，当选择错误的初始模型时，即使经过500次迭代反演，得到的地壳上地幔垂直断面及波形拟合图具有明显的跳动，与我们对地壳速度结构的基本变化常识不符。由此可见，反演计算中极重要的一环便是设法获取合适的初始模型。

图4 参考赵珠初始模型得到地壳上地幔Vs速度垂直断面及波形拟合图

图5 参考错误初始模型(四川盆地西部)得到地壳上地幔Vs速度垂直断面及波形拟合图

3 结论

通过初步讨论分析，我们认为：(1)四川芦山地区，特别是龙门山断裂带两侧地下结构较为复杂，接收函数拟合波形拟合度有待提高，今后可以采用面波成像和其他联合反演方法得到更为准确的地下介质地震波速度结构；(2)采用线性反演比较依赖于初始模型的设立，使用与本地区差别较大的初始速度模型，经过迭代得到的结果与实际往往也相差较大，芦山区域设定的初始模型参照了赵珠等人的对该地区的研究成果[2]，还可以与非线性反演相结合，以减少初始模型的偏差；(3)对于芦山地区的速度模型，由于地下结构的复杂性，尚需更多的震例检验。

[1] 徐强,赵俊猛.接收函数方法的研究综述[J].地球物理学进展,2008(23): 1709-1716.

[2] 赵珠,张润生.四川地区地壳上地幔速度结构的初步研究[J].四川地震，1987(2)：154-166.

[3] 王宇航,苏金蓉,袁文扬,等.利用VB和Fortran编程实现芦山地区震后远震事件挑选[J].四川地震, 2015(3):9-12.

[4] Vinnik L P. Detection of waves converted from P to SV in the mantle. Phys. Earth Planet Int., 1977, 15: 39-45.

[5] Owens T J, Taylor S R, Zandt G. 1987. Crustal structure at Regional Seismic Test Network stations determined from inversion of broadband tele-seismic P waveforms. Bull Seismology. Soc. America, 77: 631-662.

[6] Ammon C J, Randall G E, Zandt G. 1990. On the non-uniqueness of receiver function inversions. J Geophysics Res. Solid Earth, 95:15303-15318.

[7] Shibutani T, Sambridge M, Kennett B. Genetic algorithm inversion for receiver functions with application to crust and uppermost mantle structure beneath eastern Australia. Geophysics Res Letter, 1996,23: 1829-1832.

[8] Sambridge M. 1999a. Geophysical inversion with a neighborhood algorithm—I. Searching a parameter space. Geophysics J Int, 138: 479-494.

[9] Sambridge M. 1999b. Geophysical inversion with a neighborhood algorithm—II. Appraising the ensemble. Geophysics J Int, 138: 727-746.

S-waveVelocityStructureinLushanArea

KANG Meng, XU Mingjun

(Sichuan Earthquake Agency, Sichuan Chengdu 610041, China)

receiver function; initial model; velocity structure

P315.31

:B

:1001-8115(2017)03-0015-04

2017-03-09;

：2017-04-19

康萌(1982-)，男，汉族，四川省成都市人，助理工程师，主要从事地震监测.

10.13716/j.cnki.1001-8115.2017.03.004