江苏及邻区P波速度结构反演研究

张 扬,宫 杰,张 敏,单 菡,王 佳,杨 驰,李正楷

（江苏省地震局,南京 210014）

关键字:P波；反演；双差成像

0引言

随着地球内部构造探测分析技术不断发展以及图像技术的进步,20世纪70年代开始选取地震S波来进行地幔三维速度结构反演计算,将得出的地幔速度结构结果和地球板块构造理论的相互印证；20世纪80年代将测震台网实时波形数据对应到地球内部岩石圈构造上面。随着三维层析成像技术不断发展,为构造学、板块运动、地球内部富矿资源探测、防震减灾以及改善地表人类居住环境等方向提供了更多的选择。江苏及邻区(116°-123°E,30°-36°N)位于华东长江三角洲地区,该区域人口稠密、经济较为发达。该区域自南向北依次位于华南褶皱系、扬子地台与华北地台范围内,是属于中国大陆三大地质构造单元的交汇区域,东南濒临西太平洋,西与青藏高原接壤,北倚秦岭—大别造山带,是欧亚大陆运动学与动力学研究领域的重要组成部分。其中南黄海地区最近几年都是中国东部地震重点监视区,历史上曾经发生过7级地震,近年来多次发生5级以上地震。

地震波层析成像是用来研究地球内部结构有效的分析手段之一,能够为地球深部结构探测研究提供更多的帮助。黄耘等采用1980年到2005年间华东地区上海、安徽、浙江、山东和江苏、五个区域地震台网共224个台站记录,反演了江苏及邻区40×40 km2网格的三维地壳速度结构[1]。梅卫萍等[2]通过对1980年到2011年间地震资料进行分析,多震相地震走时成像反演郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区三维地壳速度结构。郯庐断裂带临沭到定远及以东地区在中地壳的20～25 km出现低速层,部分地区莫霍面深度不一。浅层速度结构的分段与断裂活动的分段匹配较好,得出结论:新沂到泗洪是郯庐断裂的闭锁段。对比1668年山东郯城8级地震区和研究区的深部速度结构,结合与郯庐带相交的断裂、地震活动、活动断裂的闭锁段、中地壳低速层及莫霍面深度变化,综合判断郯庐断裂带江苏段未来可能发生大震的地区,顾勤平等[3]采用1984年到2014年间地震资料,采用Pn波时间项层析成像法反演得到了郯庐断裂带中南段及邻区上地幔顶部Pn波速度结构和各向异性。结果显示:研究区上地幔顶部具有显著的横向非均匀性,Pn波速度分布在郯庐断裂带中段和南段具有分段性:沿中段及周边存在NE向低速异常带,低速可能是由于岩石圈的减薄和软流圈的高温物质沿郯庐带上涌导致；沿南段表现为NNE向弱高波速异常带,作为高低速的边界带清晰地勾勒出了华北与扬子这两个不同块体,该边界在江苏域向华北地块NW方向凹进。Pn波速度各向异性的强弱与速度分布存在一定的相关性。

江苏及邻区之前的人工地震测深主要是宽角反射、垂直反射与折射深地震测深分辨率较高,受限于调查范围较小,只能从一两条剖面的测量数据来反演二维结果,对研究整个研究区的整体结构帮助不大,特别是重大地质构造比较复杂的边界区域,只是通过几条剖面是很难能够全面分析认识,需要有大范围地下深部结构图像分析。但是由于江苏的大部分地区地震活动不活跃,导致对地下深部研究较少,还很不均匀,分辨率非常低。因此,进一步细化江苏及邻区速度结构反演,提高深部结构分辨率势在必行。

1 研究数据及方法

采用了江苏地震台网73个数字测震台站1980年1月—2015年12月的观测数据。为保证地震数据的准确性,时间精度较高的P波初至到时,震相分为Pg波、Pn波直达P 波等和。选取的震相数据时记录大于等于5到,而走时残差小于3.5 s。从测震台网的地震观测报告中严格挑选出符合条件的P波震相记录,为获得高质量的成像结果奠定了坚实的基础。挑选P波震相的原则是:①震中距大于1.2°；②震源深度小于30 km；③每个地震能被5个以上台站同时观测获得。经过仔细筛选后有1 1687条参与反演。

地震波走时反演层析成像方法来构建分析研究区内三维速度结构。通过将在三维速度结构综合构建出地壳和上地幔内部速度梯度面之间的复杂形状数据,进而计算出在三维介质中地震波理论走时数据。三维速度结构的参数化表示采用网格方法,其优点在于网格可以根据震中和台站位置的分布稠密程度而作不等间距划分,以保证每个网格内有足够的射线交叉覆盖。研究区域三维速度模型的地理范围为30°～36°N和116°～123°E。垂直向共划分为9层,其中第1层位于地表0 km,第2层位于地下5 km,第3层位于地下10 km。一维初始速度模型的速度值是通过对初步反演后不同深度的平均速度以及部分人工地震测深获得。其中地表到康氏面的P波速度为6.55 km/s。莫霍面下部速度结果参考地球模型（PREM）。

为提高地震定位精度,双差反演P波三维速度结构,首先建立P波三维速度模型求解理论走时。然后根据射线追踪理论,速度结构反演。利用两个震相数据的走时差的观测值与理论计算值的残差(双差)确定其相对位置。地震对走时残差之差与走时对震源参数和走时对速度模型的偏导数的关系反演求解地震重定位结果。

2初始速度模型

建立初始速度模型,首先构建网格设置速度模型参数,综合分析研究区以及邻近区域的地壳速度结构研究成果,建立本研究成像的一维参考速度模型如表3.1所示。

表1 初始速度模型Table1 Initial velocity model

3 反演方法与解的分辨分析

为了使反演的解具有稳定性,本研究采用了双差反演法。在计算过程中为降低计算量以及减小内存需求,本次计算在成像过程中通过伪弯曲射线追踪法进一步得出射线路径,计算P波理论走时结果。双差层析成像方法在计算过程中是对两射线路径相似的地震到时求解差值,然后来反演地下速度结构的地震波层析成像方法,Zhang等(2003)研究得出通过计算两相邻地震波形的到时差数据可以提高速度结构反演的精度结果,双差层析成像方法首先假设有两个距离较近的两个震相,震源到同一个台站k的距离大致相等,然后把两个地震的走时残差相减得到双差,通过计算的数据结果来进行速度结构的反演。地震i到地震台站k的体波到时可以表示成积分形式:

τ i为地震i的发震时刻,u为慢度矢量,ds为路径积分元。

绝对到时与相对到时进行反演三维速度结构以及地震重新定位,因为震源位置与速度结构的耦合效应的结果,通过对到时差数据来反演计算研究区域的精细速度结构,双差层析成像可以通过微调速度结构来提高震源定位的精度,震源定位降低了部分速度结构反演的误差数据,而该误差主要是由于射线路径的不同造成的,反演精度进一步提升。故采用双差层析成像方法可以更加精确的反演地震波速结构,并且能够提高地震定位结果精度。

4 反演结果

采用检测板方法来验证解的分辨率。检测板的主要步骤是,以原速度模型参数为基础,将各节点数据正负相间来进行处理,接着按照实际射线的分布进行正演计算出理论走时结果,把理论走时结果与部分随机误差数据求和后观测数据来反计算演,并且反演方法必须和实际成像过程中使用的计算方法相同,最后分析反演数据结果和检测板的相关系数,得出解的可靠性的估计结果。

图1 射线分布图（三角形为台站,圆形为震源）Fig.1 P wave raypaths（triangle: station,circle:earthquake source.）

图2 检测板测试结果Fig.2 Test results of board test

图3反演垂直切面图Fig.3 Inversion of vertical section

图4 反演纬度切面图Fig.4 Inversion of latitude section

图5反演结果经度切面图Fig.5 Inversion of longitude section

5～17.5 km层苏鲁超高压变质岩以及茅山断裂带附近区域波速度高于周边地区。在5～35 km沿郯庐断裂带呈现明显的高低速异常分界线。在17.5～25 km深度层,呈现负梯度特征,特别是安徽霍山地区、安徽西北地区、郯庐断裂带江苏段、茅山断裂附近、P波速度计算结果较低。25～45 km深度层在江苏盐城附近区域,P波速度计算结果较低,在南黄海北部区域呈现高速特征,地震活动较为活跃。45～90 km深度层在郯庐断裂带呈现明显的高低速异常分界线。

总体来看,地震多分布在速度梯度变化明显的部位,以高速区域居多。

5 结论

通过反演计算江苏及邻区P波三维速度结构,能够在一定程度上反映该区域地壳速度结构当前最新的状况。通过将数据、图像结果进行对比分析,更清晰明确地认识了研究区内地壳三维结构特点,主要归纳如下:

（1）江苏及邻区地壳P波速度的计算结果幅度变化较大,且各深度层平面结构十分复杂,总体上可以概括为3个相间排列的速度区,走向趋势都以北东向为主。华北断块区与苏鲁断块区以低速带为主,下扬子断块则以高速带为主。研究区内浅部速度结构与地表地质具有一定的相关性,但也存在较大的差别。

（2）总体上看,在研究区内地壳的P波速度随深度增大而增大,但在郯庐断裂附近,17.5 km深度出现速度倒转的现象。

（3）研究区内西部区域、中部区域、东部区域三区域地壳下层区域的P波速度差异越来越明显:西区相对速度较低,东区、中区则相对高速。

（4）研究区中郯庐断裂带是速度结构明显的分界线,高速层与地震对应较好。