李秀麗，李鐵亮，高業(yè)欣，燕 云，雷 晨

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034；2.沈陽市勘察測(cè)繪研究院，遼寧 沈陽 110004）

0 引言

東北地區(qū)在構(gòu)造上位于西伯利亞與中朝塊體復(fù)雜的構(gòu)造演化帶內(nèi)，處于興蒙復(fù)合造山帶的東部，東臨西北太平洋邊緣海，在晚古生代和中生代曾經(jīng)活動(dòng)比較劇烈[1]。是環(huán)太平洋構(gòu)造域和古亞洲洋構(gòu)造域構(gòu)造疊加作用最明顯的地區(qū)[2]。經(jīng)過多期構(gòu)造作用，使得該區(qū)地質(zhì)情況非常復(fù)雜，斷裂交錯(cuò)分布，主要地質(zhì)構(gòu)造單元呈北東向、北東東向展布，主要山脈有大興安嶺、小興安嶺、張廣才嶺、長(zhǎng)白山、燕山、太行山、佳木斯臺(tái)隆、興蒙地槽等褶皺帶，主要盆地有松遼盆地、三江盆地、海拉爾盆地以及下遼河盆。主要火山：長(zhǎng)白山火山、五大連池火山。區(qū)域內(nèi)分布一條大興安嶺—太行山重力梯度帶。有6條主要的斷裂：鴨綠江—春陽斷裂、伊通—依蘭斷裂、敦化—密山斷裂、嫩江—八里汗斷裂、農(nóng)安—哈爾濱斷裂、得爾布干—額爾古納斷裂。

長(zhǎng)期以來，前人利用不同的觀測(cè)資料及方法在東北地區(qū)開展了大量的研究，并取得了一系列成果。在面波研究方面，據(jù)文獻(xiàn)[3-6]所述，前人已獲得諸多成果：利用雙臺(tái)法分別提取了研究區(qū)Rayleigh波群速度及相速度，得到了東北地區(qū)剪切波速度結(jié)構(gòu)分布。利用約4000條周期10～184 s瑞利面波群速度頻散曲線，反演獲得研究區(qū)域地殼及上地幔群速度及S波速度分布。結(jié)果顯示，研究區(qū)東部群速度等值線在周期為20～60 s時(shí)呈北東向或北北東向展布；以大興安嶺—太行山重力梯度帶為界，東西Moho面分布差異顯著，表現(xiàn)為西厚東薄的特點(diǎn)。周期大于50 s時(shí)，東北東部地區(qū)因受太平洋板塊西向俯沖影響呈現(xiàn)低速特征，而大興安嶺—太行山重力梯度帶以西地區(qū)表現(xiàn)為高速，這種高速特征到周期為100 s時(shí)仍然存在但已不太顯著。結(jié)合S波速度結(jié)構(gòu)可以看出，重力梯度帶以西地區(qū)巖石圈呈現(xiàn)高速，而軟流層較薄。

1 觀測(cè)資料

本文以黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙東部共111個(gè)測(cè)震臺(tái)站（臺(tái)站位置分布如圖1所示）為范圍，時(shí)間范圍在2012年1月1日至2015年10月1日，選取了震源深度小于50km，震中距大于10°小于100°，瑞利面波發(fā)育較好，頻散特征明顯的281個(gè)地震事件（地震事件分布如圖2所示）用于面波研究，共獲得8242條面波相速度頻散曲線（包括重復(fù)路徑），經(jīng)資料處理最后共獲得1785條獨(dú)立路徑頻散資料，在研究區(qū)域中部獲得了較好的路徑分布。

圖1 東北地區(qū)地形圖及臺(tái)站分布情況Fig.1 Topographic map of the distribution of the seismic stations in Northeast China

2 面波頻散曲線提取

2.1 提取方法

近年來，姚華建等提出一種新的雙臺(tái)面波相速度頻散曲線提取方法，并利用matlab程序編寫了圖像提取界面，相速度提取清晰、直觀、實(shí)現(xiàn)了相速度頻散的快速提取，同時(shí)提高了測(cè)量精度，縮短了大區(qū)域雙臺(tái)相速度研究的周期。雙臺(tái)法是基于成對(duì)臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究的方法；在傳統(tǒng)的單臺(tái)法面波頻散曲線的提取中，需要用到震源機(jī)制、初始相位、震中位置、發(fā)震時(shí)刻等參數(shù)，而分項(xiàng)測(cè)定這些參數(shù)就會(huì)引入大量誤差項(xiàng)，降低頻散曲線提取的精度。使用雙臺(tái)互相關(guān)方法提取頻散曲線，可以去掉震源的影響，并留頻散信息，不用考慮上述震源參數(shù)，從而大大提高測(cè)量精度。

2.2 參數(shù)設(shè)置

本文采用雙臺(tái)法使用文獻(xiàn)[7]提出的一種基于圖像分析的雙臺(tái)面波相速度頻散曲線軟件提取面波相速度頻散曲線。首先對(duì)地震波形數(shù)據(jù)進(jìn)行降采樣，降采樣頻率設(shè)置為1 Hz；然后對(duì)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行零漂校正、去儀器響應(yīng)、波形歸一化等一系列處理；設(shè)置濾波參數(shù)窄帶濾波器的生成和濾波環(huán)節(jié)，選取了加Kaiser窗的有限沖擊響應(yīng)濾波器，中心測(cè)試周期設(shè)置為40，變化量為1，經(jīng)過試驗(yàn)Kaiser窗的特征參數(shù)β值取為8。在本部分我們提取Rayleigh面波8～160 s的數(shù)據(jù)，方位角α、β分別為3°和5°。

2.3 資料處理結(jié)果

圖2 面波所用事件震中分布圖Fig.2 Map of the epicenter of events used for surface waves

使用上述方法共獲得3888條周期在8～120 s范圍內(nèi)的頻散曲線，對(duì)所挑選的頻散曲線按周期處理，得到各周期路徑分布圖如圖4所示。對(duì)重復(fù)路徑頻散曲線進(jìn)行整合平均，最后獲得1785條獨(dú)立路徑相速度頻散資料，獨(dú)立路徑對(duì)于研究區(qū)域覆蓋情況如圖3所示，研究區(qū)域中部覆蓋較好，周圍覆蓋比較稀疏，主要是由于研究區(qū)東北部臨近別國，南端靠海，不能獲取較好的地震事件記錄，故本文討論側(cè)重點(diǎn)放在覆蓋較好的中部區(qū)域。

圖3 獨(dú)立面波頻散曲線路徑分布圖Fig.3 Distribution of independent surface wave dispersion path

圖4 各周期路徑分布圖Fig.4 Path maps for each cycle

3 反演

3.1 反演方法

通過面波相速度頻散來反演面波相速度分布，就是Radon反變換問題，針對(duì)這一問題，要充分考慮研究區(qū)域范圍、面波波長(zhǎng)、獨(dú)立路徑頻散覆蓋程度等因素，對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行參數(shù)選擇。目前用于參數(shù)化的方法較多：如本證函數(shù)展開法、不分塊概率反演方法、Fourier展開法、球面Radon變換法、Yanovskaya-Ditmar方法以及Tarantola概率反演法。分塊反演法，顧名思義，就是將研究區(qū)按一定的尺度進(jìn)行劃分，在通過實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)小塊分別進(jìn)行反演，最后得到全區(qū)的模型結(jié)構(gòu)。本征函數(shù)反演法就是待求模型按本征函數(shù)展開，利用觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出待求系數(shù)，從而獲得模型參數(shù)，得到模型結(jié)構(gòu)。Tarantola概率反演法，即可以用于線性反演，也可以應(yīng)用于非線性反演。文獻(xiàn)[8]中對(duì)上述一些方法分別進(jìn)行了正演、反演數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果表明Tarantola概率反演法的反演效果較好。

在本章我們選取Tarantola的概率法進(jìn)行相速度反演。

3.2 反演參數(shù)及分辨率

上一節(jié)中提取的頻散曲線的周期范圍是8～160 s，由于所選數(shù)據(jù)均來自寬頻帶地震計(jì)的數(shù)據(jù)，故只反演10～120 s的相速度分布。從10 s開始，以每5 s為間隔，共反演15個(gè)中心周期相速度分布。

如上所述，觀測(cè)數(shù)據(jù)相速度頻散路徑對(duì)研究區(qū)的覆蓋情況和相關(guān)長(zhǎng)度L的取值影響分辨率。在分辨率測(cè)試中如果相關(guān)長(zhǎng)度太小，會(huì)導(dǎo)致反演結(jié)果中出現(xiàn)假像。若相關(guān)長(zhǎng)度L的取值太大，則較小尺度異常就會(huì)被平滑掉，進(jìn)而無法顯示。所以在反演同性相速度分布時(shí)，相關(guān)長(zhǎng)度L的取值要大于1/3波長(zhǎng)，我們可以通過檢測(cè)板測(cè)試方法（或稱為棋盤測(cè)試checkerboard test）對(duì)不同周期相速度反演進(jìn)行試算測(cè)試，通過比較來確定不同周期相關(guān)長(zhǎng)度L的取值。

反演網(wǎng)格的選取直接影響面波成像的分辨率，根據(jù)15個(gè)中心周期的雙臺(tái)路徑分布將反演網(wǎng)格設(shè)置為0.5°和0.25°，經(jīng)過測(cè)試反演，比較兩種情況下的結(jié)果發(fā)現(xiàn)0.25°的網(wǎng)格設(shè)置反演效果更好，于是將反演網(wǎng)格確定為0.25°。將研究區(qū)域分別劃分為 1°×1°、1.5°×1.5°、2°×2°的網(wǎng)格，在3種網(wǎng)格尺度下對(duì)10～80 s的23中心周期分別設(shè)置相關(guān)長(zhǎng)度L取大于1/3波長(zhǎng)的5個(gè)數(shù)值進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于覆蓋較差的10 s、15 s周期外加 2.5°×2.5°、3°×3°網(wǎng)格，將每個(gè)中心周期的平均相速度作為初始速度模型的參考值，根據(jù)檢測(cè)板測(cè)試原理，加入5%的速度擾動(dòng)量，構(gòu)成高低速相間的西洋跳棋盤樣式的輸入模型，進(jìn)行檢測(cè)板測(cè)試。

圖5 檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果Fig.5 Test board results

測(cè)試結(jié)果表明，選擇0.25°的反演網(wǎng)格，L值從10 s到80 s分別取75 km到110 km不等。2°×2°分辨能力最好，部分周期可以達(dá)到 1.5°×1.5°，甚至1°×1°的分辨率；圖 5給出了部分周期的分辨率測(cè)試結(jié)果，左側(cè)為各中心周期西洋跳棋盤式初始速度模型，右側(cè)為該中心周期的檢測(cè)板測(cè)試成像圖，紅色代表低速區(qū)域，藍(lán)色代表高速區(qū)域。根據(jù)我們最終確定的相關(guān)長(zhǎng)度，我們發(fā)現(xiàn)相關(guān)長(zhǎng)度L在1/2波長(zhǎng)附近，可以得到較好的分辨率。

上述棋盤法分辨率測(cè)試，是對(duì)不同深度橫向分辨率的測(cè)試，即水平方向測(cè)試。接下來針對(duì)深度分辨率，也就是縱向上的分辨率進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，我們對(duì)不同深度的橫波速度，進(jìn)行敏感核測(cè)驗(yàn)。我們所得的敏感核曲線即為縱向上的分辨率（圖6）至此，橫向和縱向的分辨率都有了比較明確的分析，可以對(duì)瑞利面波相速度空間分布進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕忉尅?/p>

圖6 相速度深度敏感核曲線Fig.6 Phase velocity depth sensitive nuclear curve

3.3 反演結(jié)果

我們提取研究區(qū)111個(gè)臺(tái)站2年觀測(cè)記錄，提取到1782條相速度頻散曲線（獨(dú)立路徑），反演得到10～80 s周期范圍的相速度分布圖，檢測(cè)板測(cè)試表明所有周期都能達(dá)到2°×2°的分辨率。經(jīng)反演，得到各中心周期平均相速度值如表1所示。圖7給出了不同周期相速度分布。

表1 各周期相速度平均值

圖7 不同周期相速度分布圖Fig.7 Phase velocity distribution of different cycles

4 討論

由圖7總結(jié)分析，隨著周期增加，相速度結(jié)構(gòu)有如下主要特征：

（1）以10 s為中心周期的相速度反映的是7～8 km深的上地殼底部速度結(jié)構(gòu)，相速度水平不均勻性較大，呈現(xiàn)高速的區(qū)域：大興安嶺、張廣才嶺、小興安嶺等山區(qū)。呈現(xiàn)低速的區(qū)域：松遼盆地、下遼河盆地、三江盆地、內(nèi)蒙東部等盆地對(duì)比研究區(qū)斷裂帶情況發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)高低速異常帶大致呈北東向分布，與該區(qū)大型斷裂帶的走勢(shì)一致，并且在斷裂帶兩側(cè)有明顯的速度差異，說明地殼淺層的速度結(jié)構(gòu)受斷層影響較為明顯。而研究區(qū)海拉爾盆地表現(xiàn)出高速異常，小興安嶺北部山區(qū)呈現(xiàn)低速區(qū)，通過對(duì)15 s周期結(jié)果及射線路徑覆蓋情況分析該現(xiàn)象，認(rèn)為由于在本周期內(nèi)頻散曲線對(duì)異常區(qū)的覆蓋情況較差，可能是引起該異常的一個(gè)原因。而長(zhǎng)白山出現(xiàn)低速異常。

（2）以15s為中心周期的相速度反映的是7～20km深的上地殼速度，體現(xiàn)地形地貌和地殼厚度。比較得知，周期15 s與周期10 s的速度圖像變化較小，松遼盆地、內(nèi)蒙東部、下遼河盆地仍然呈現(xiàn)低速區(qū)，并且松遼盆地低速區(qū)有向北部斷裂帶靠近，分析原因認(rèn)為該現(xiàn)象應(yīng)該與沉積層的厚度有關(guān)，文獻(xiàn)[9]曾指出松遼盆地是東北地區(qū)地沉積層厚度最大的地區(qū)，厚度約為7～10km，最深處達(dá)到12 km，海拉爾盆地高速區(qū)在該深度上高速異常消失，呈現(xiàn)低速狀態(tài)。大興安嶺、張廣才嶺、小興安嶺、依舊呈現(xiàn)高速區(qū)。長(zhǎng)白山地區(qū)仍然表現(xiàn)出低速異常，與地表地形成“鏡像”關(guān)系。該結(jié)果與文獻(xiàn)[10]短周期群速度結(jié)果一致。

（3）以20 s為中心周期的相速度反映的是15～30 km的中地殼速度結(jié)構(gòu)，相速度的不均勻性減小，松遼盆地低速異常逐漸減小到盆地中心位置、高低速度區(qū)各有擴(kuò)大趨勢(shì)，再次結(jié)合研究區(qū)斷層信息發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)在此深度上表現(xiàn)為以重力梯度帶為界，東部表現(xiàn)為高速區(qū)，西部表現(xiàn)為低速區(qū)。文獻(xiàn)[10]中獲得的20～30 s群速度結(jié)果一致，雖然兩者周期不同，但是通過深度敏感核曲線得知，二者反映的是相同速度的結(jié)構(gòu)特征。

（4）在25～30 s周期的相速度分布反映的是30～50 km深的地殼中下部和上地幔速度結(jié)構(gòu)，在該深度上，低速區(qū)減少，高速區(qū)增多，重力梯度帶兩側(cè)差異已經(jīng)不那么明顯，這是因?yàn)樵撋疃壬系貧ず穸群蚆OHO面影響較大，反應(yīng)了地殼厚度信息，總體上高低速分區(qū)依舊較為突出，但有向西移動(dòng)的趨勢(shì)。速度不均勻性減小。

（5）在35～55 s周期的相速度反映的是50～70 km上地幔速度結(jié)構(gòu)。該周期上速度多分塊化減小，低速各小分區(qū)、高速各小分區(qū)連通成大的區(qū)域，并且呈現(xiàn)出高速區(qū)上升，低速區(qū)下降的趨勢(shì)。比較淺層的速度結(jié)構(gòu)，可以推算出縱向連續(xù)性。低速區(qū)表現(xiàn)在山脈，高速區(qū)分布在山脈兩側(cè)。

（6）在60～80 s周期，相速度分布差異非常小，這是由于該周期范圍相速度分布反應(yīng)的是70～110 km上地幔速度結(jié)構(gòu)，在大尺度深度變化范圍以內(nèi)。該深度層上速度區(qū)域整體性更強(qiáng)，低速區(qū)域擴(kuò)大，總體表現(xiàn)為東部低速，西部高速的特征，松遼盆地西側(cè)存在被低速包圍的穩(wěn)定高速區(qū)，整體低速區(qū)有向西移動(dòng)的趨勢(shì)，可能反映了太平洋板塊西向俯沖的作用下，俯沖板塊脫水導(dǎo)致軟流圈物質(zhì)大規(guī)模的上涌，使大興安嶺以東地區(qū)巖石圈厚度減薄。

5 結(jié)論

基于圖像分析頻散曲線快速提取軟件，共提取8242條頻散曲線，利用Tarantola反演方法，得到研究區(qū)域10～80 s周期范圍的相速度分布圖 （2°×2°），得到如下結(jié)論：研究區(qū)10～20 s相速度分布與地形有鏡像關(guān)系：盆地區(qū)表現(xiàn)為低速，山區(qū)高速。周期為20～25 s相速度以重力梯度帶為界，東西差異顯著。30～80 s周期范圍內(nèi)：長(zhǎng)白山下方一直呈現(xiàn)出低速異常，可能與新生代火山活動(dòng)有關(guān)，隨著周期的增加，東部低速區(qū)有向西移動(dòng)的趨勢(shì)，該現(xiàn)象可能與太平洋板塊俯沖有關(guān)。