魏紅梅，陳麗娟，王同軍

（重慶市地震局，重慶 401147）

0 引言

重慶位于華南地震區(qū)的長江中下游地震帶內(nèi)，屬于相對穩(wěn)定的華南板塊。重慶地區(qū)地殼巖層結(jié)構(gòu)大致可以分為基底和蓋層兩大巖層部分，基底由基底斷裂和深斷裂分割為渝東北、渝西、渝中、渝東南四大塊。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造以北東向為主導(dǎo)，主要基底斷裂為華鎣山基底斷裂、方斗山基底斷裂、七曜山—金佛山基底斷裂、彭水基底斷裂和長壽—遵義基底斷裂。

利用地震臺站記錄的背景噪聲互相關(guān)獲得面波的格林函數(shù)，并進行層析成像反演是近年來發(fā)展迅速的一種新的地震成像方法。Shapiro等[1]最早利用背景噪聲層析成像方法反演得到美國加州7.5 s和15 s周期的瑞利面波群速度分布圖。相比于傳統(tǒng)的基于地震面波的層析成像方法，這種方法不受震源分布、震源位置誤差，以及短周期面波衰減的影響，特別適合少震地區(qū)。近年來該方法廣泛用于全球多個地區(qū)地殼速度的研究[2-6]。方洪健等[7]提出的基于小波變換的多尺度地震成像方法利用小波多分辨分析的優(yōu)良性質(zhì)，實現(xiàn)了速度模型的多尺度成像，具有數(shù)據(jù)自適應(yīng)的優(yōu)點；而基于射線追蹤的面波數(shù)據(jù)直接反演方法由面波頻散數(shù)據(jù)直接反演得到三維速度結(jié)構(gòu)，相比于傳統(tǒng)方法，不會因為某個周期數(shù)據(jù)少而舍棄該周期的數(shù)據(jù)，考慮了面波非大圓路徑的影響，對短周期面波反演尤其有利。本文利用重慶、四川、湖北、湖南及貴州測震臺網(wǎng)記錄的地震噪聲的垂直分量數(shù)據(jù)，提取地震臺站間瑞利面波的格林函數(shù)，利用面波層析成像方法反演得到榮昌地區(qū)周期為5～15s的S波速度圖像。

1 數(shù)據(jù)及方法

選取重慶、四川、湖北、湖南及貴州測震臺網(wǎng)總共25個固定臺站2015年3～9月的連續(xù)地震背景噪聲記錄。其中重慶測震臺網(wǎng)14個臺站，四川測震臺網(wǎng)6個臺站，湖北測震臺網(wǎng)2個臺站，湖南測震臺網(wǎng)1個臺站，貴州測震臺網(wǎng)2個臺站。儀器采樣率為100 Hz，除重慶臺網(wǎng)麻柳臺、石龍臺、云門臺為短周期儀器外，其余為寬頻帶儀器。由于需要從臺站記錄的背景噪聲中提取瑞利面波的格林函數(shù)，因此只使用了瑞利面波能量較強的垂直分量的地震記錄。臺站分布如圖1所示。

圖1 臺站分布圖Fig.1 Station distribution map

數(shù)據(jù)預(yù)處理對每一個臺站每天垂直分量的數(shù)據(jù)進行重采樣（5 Hz）、去除儀器響應(yīng)、帶通濾波、頻率域歸一化、譜白化、時間域歸一化去除天然地震信號、儀器故障引起的異常信號以及地震臺站附近非平穩(wěn)噪聲對互相關(guān)計算結(jié)果的影響，提高背景噪聲的 “信噪比”。

對于給定的觀測臺站A和B，環(huán)境噪聲的互相關(guān)函數(shù)與格林函數(shù)之間的關(guān)系可由給出。這里，CAB（t）為臺站A和臺站B環(huán)境噪聲的互相關(guān)函數(shù)；GAB（t）為臺站B的精確格林函數(shù) （以A為源）；GBA（-t）則是臺站A的逆向格林函數(shù) （以B為源）；和表示相應(yīng)的估計值（經(jīng)驗格林函數(shù)），t表示時間。

研究表明，如果噪聲源在空間上分布是均勻的，那么噪聲數(shù)據(jù)正向和逆向互相關(guān)的結(jié)果應(yīng)該是對稱的，這樣得到的經(jīng)驗格林函數(shù)和精確格林函數(shù)的相位信息是相同的。但實際上，噪聲源的空間分布通常是不均勻的，以至于不能保證由實際觀測數(shù)據(jù)得到的正向和逆向的互相關(guān)序列的對稱性。為此，用噪聲數(shù)據(jù)正向及逆向互相關(guān)函數(shù)的反序平均結(jié)果計算相應(yīng)的經(jīng)驗格林函數(shù)。這不但能夠有效的降低噪聲源分布不均勻造成的影響，而且可同時提高結(jié)果的信噪比。本文先將互相關(guān)函數(shù)求時間導(dǎo)數(shù)，再將得到的正向及逆向求導(dǎo)結(jié)果做反序平均，最終可獲得等價的經(jīng)驗格林函數(shù)。圖2是計算得到的所有臺站2015年3～9月共7個月速度譜噪聲互相關(guān)函數(shù)。計算結(jié)果不但顯示了很好的對稱性，而且具有較高的信噪比。

圖2 所有臺站經(jīng)驗格林函數(shù)Fig.2 EGFs at all stations

本文采用姚華建等[2]提出的基于圖像分析的方法來提取面波經(jīng)驗格林函數(shù)或噪聲互相關(guān)函數(shù)的相速度頻散和群速度頻散曲線提取方法提取雙臺站間瑞利面波群速度頻散曲線。

為了獲得可靠的頻散曲線，我們規(guī)定臺站間的距離至少需要兩倍波長，因此可以測量到截止周期（T）和臺站間距離（ΔAB）與平均群速度 νAB需要滿足以下條件： ΔAB≥2λ=2νAB×T， 式中 λ 表示測量截止周期為T的波長。我們選取的臺站間最大、最小距離分別為295 km和28 km，取測量平均群速度νAB為3.5km/s，計算得到的頻散曲線周期范圍約為4.2～42 s。因此，本文提取5～40 s周期范圍內(nèi)的頻散曲線，在此范圍內(nèi)測量的頻散曲線是較為可靠的。

另外，頻散曲線的可靠性與信噪比（SNR）有密切的關(guān)系，我們舍棄信噪比小于5的數(shù)據(jù)，同時去除臺站間距小于2倍波長的射線路徑數(shù)據(jù)以提高群速度測量的可靠性，然后，利用得到的噪聲互相關(guān)函數(shù)來測量瑞利波的群速度。

圖3是重慶臺和花馬寺臺間頻散曲線測量示意圖，其中圖3（a）是信噪比計算結(jié)果，表明5～50 s周期內(nèi)信噪比是滿足要求的；圖3（b）虛線部分是截取的噪聲信號時間窗；圖3（c）是群速度頻散曲線計算結(jié)果。

2 質(zhì)量控制

本文共選取研究區(qū)域內(nèi)25個臺站，理論上可以得到300條路徑上的格林函數(shù)。通過上述信噪比計算等一系列數(shù)據(jù)篩選，最終得到146條路徑來進行面波層析成像反演（圖4）。

由于臺站間距不等，不同周期參與反演的射線路徑數(shù)目不盡相同，圖5給出了各周期參與反演的頻散曲線數(shù)目。圖5表明，在5～20 s周期內(nèi)獲得了一定數(shù)量的頻散曲線，射線分布基本能滿足反演計算的要求。

為了驗證層析成像結(jié)果的可靠性，一般使用檢測板測試對臺站分布和射線路徑的影響進行檢測。其基本原理是通過給定的理論速度模型，按實際射線分布計算理論走時，加上一定的速度擾動后作為觀測走時，然后用同樣的方法和控制參數(shù)進行反演，檢查反演結(jié)果是否能恢復(fù)給定的理論速度模型。本文輸入檢測板測試的網(wǎng)格劃分為0.5°×0.5°，加上2%的速度擾動進行相應(yīng)的檢測板測試。

圖3 頻散曲線測量示意圖Fig.3 Schematic diagram of dispersion curve measurement

圖4 射線分布圖Fig.4 Ray distribution map

圖5 各周期射線路徑數(shù)目Fig.5 Number of ray paths per cycle

圖6給出深度為 5 km、10 km、15 km、20 km、25 km、30 km、35 km檢測板測試結(jié)果及初始檢測板模型。檢測結(jié)果顯示，深度為5～25 km時，反演重建的速度結(jié)果較好，即反演結(jié)果重現(xiàn)了給定的理論速度模型和擾動，成像結(jié)果的可信度較高，但研究區(qū)邊緣重建結(jié)果相對較差，且隨著深度的增加，重建效果相對較差。

圖6 檢測板測試結(jié)果（5～35km及初始模型）Fig.6 Test results of test board

3 結(jié)論及討論

面波群速度表示一組面波能量的傳播，即波包最大振幅的傳播速度。通過面波層析成像可以了解某一深度范圍內(nèi)速度結(jié)構(gòu)的橫向變化特征，以及不同深度范圍內(nèi)的速度變化差異。S波速度隨深度從淺到深的變化反映地球介質(zhì)從淺到深速度結(jié)構(gòu)的變化趨勢，對研究區(qū)構(gòu)造特征的研究有重要的參考價值。本文用姚華建等[2，8-14]提出的面波層析成像方法反演深度為5～35 km S波速度。根據(jù)群速度分布特征及檢測板可靠性分析結(jié)果，選取深度為5 km、10 km、15 km、20 km的S波群速度分布圖像進行討論（圖7）。從圖7可以看出：

（1）S波速度高與低不均勻分布，表明研究區(qū)中上地殼速度結(jié)構(gòu)存在橫向不均勻性。同一深度，S波速度出現(xiàn)高值、低值異常交替出現(xiàn)的情況。

（2）depth=5 km時，S波速度橫向變化反映了地表構(gòu)造特征，速度變化呈現(xiàn)出受研究區(qū)內(nèi)華鎣山基底斷裂、七曜山—金佛山基底斷裂等構(gòu)造斷裂控制的區(qū)塊化特征。尤其是沿華鎣山斷裂帶一線有明顯的低速異常，與斷裂東西兩側(cè)形成明顯的不同，可能與斷裂旁側(cè)次級斷層、褶皺發(fā)育有關(guān)。

（3）同一地區(qū)S波速度隨深度的變化而變化，反映出地殼不同深度S波速度的變化情況。重慶石柱—忠縣附近地區(qū)為高速異常區(qū)，且隨著深度的增加而增加，depth=5 km時，S波速度約為3.25 km/s，depth=20 km時，S波速度約為3.65 km/s，表明石柱—忠縣一帶基底埋深較淺。綦江—萬盛地區(qū)為低值異常區(qū)，表明綦江—萬盛地區(qū)沉積厚度相對較大。榮昌及附近地區(qū)S波速度隨著深度的增加而增加，深度為5 km時，S波速度約為3.2 km/s，深度為20 km時，S波速度約為3.7 km/s。

圖7 深度為5～20 km S波速度層析成像結(jié)果Fig.7 S wave velocity tomography results at depth of 5-20 km

（4）重慶轄區(qū)地震活動相對較頻繁的地區(qū)包括榮昌及附近以及三峽庫區(qū)石柱—忠縣段，區(qū)內(nèi)除有華鎣山基底斷裂、七曜山—金佛山基底斷裂經(jīng)過外，還包含一系列北東向的斷層，如曹子沖斷層、燕子巖斷層、石柱斷層等，而這兩個地區(qū)都表現(xiàn)出S波速度高值異常，與國內(nèi)其他地區(qū)的研究結(jié)果顯示了同樣的特征，即山脈地區(qū)S波速度為高值異常。另外，榮昌地區(qū)采氣注水及庫區(qū)水體的對地下裂隙的滲透都對地震活動產(chǎn)生一定的觸發(fā)作用。

本文獲得了研究區(qū)內(nèi)中上地殼的S波速度分布，研究結(jié)果基本能反映出重慶地區(qū)淺部地殼S波速度結(jié)構(gòu)特性以及與地震活動性的一些關(guān)系，為重慶地區(qū)的地震活動構(gòu)造背景及地震孕育機理提供重要參考資料。因研究區(qū)內(nèi)臺站數(shù)量有限等因素的影響，結(jié)果不是很理想。隨著臺站的增加、臺站分布均勻性的提高以及計算時間的加長，信噪比會有所提高，也能得到更加精細的成像結(jié)果。