应用远震有限频率层析成像反演首都圈上地幔速度结构

作     者：杨峰 

作者单位：中国地震局地震预测研究所 

学位级别：硕士

导师姓名：黄金莉

授予年度：2009年

学科分类：070801[理学-固体地球物理学] 07[理学] 0708[理学-地球物理学] 

主      题：首都圈地区 灵敏度核 远震波形 上地幔速度结构 有限频率层析成像 分辨率检测 

摘      要：首都圈地区位于华北活动地块的北部,包括华北盆地、燕山和太行山隆起区三个构造单元。区内的地质构造复杂,新生代构造活动较为强烈,历史上曾发生过多次破坏性地震,如:1679年三河—平谷8级地震、1976年唐山7.8级和1998年张北6.2级地震,给国家经济和人民生命财产造成了巨大的损失。鉴于首都圈地区重要的地理位置、复杂的地质构造和较强的地震活动,该区一直是地学界研究的热点。本次研究利用首都圈数字地震台网记录的远震波形资料,采用有限频率层析成像方法反演获得该区上地幔P波三维速度结构模型。 有限频率层析成像是在宽频带地震观测时代提出的反演地球深部结构的新方法。它将地震波的走时变化表示为灵敏度核函数在射线周围一定空间范围内的三维体积分,而不是像射线理论中那样将地震波走时表示为慢度沿射线路径的线积分,这是两者的本质差别。有限频率层析成像的主要特点是对宽频带资料的分频带处理,这是充分利用宽频地震波信息的有效手段,不同频段的三维灵敏度核在三维模型空间内的相互交叉,可加大采样的空间范围,降低数据不均匀覆盖的影响,对异常的估计应该更加充分。 本次研究以37.5o～41.5oN,113.5o～120.5oE为研究区域,选取了首都圈数字地震台网2003年9月到2005年12月记录的以(39.5°N,117.0°E)为中心、震中距在30°～90°之间、震级大于5级的300多个远震事件的波形资料,所用全部远震具有较完备的方位角和震中距覆盖,波形资料具有较高的信噪比。在数据预处理中,根据地震波的频率依赖关系以及首都圈数字地震台网不同类型地震仪器的频带范围,应用带通滤波将宽频带地震波分为三个频段(低频段:0.05～0.1 Hz;中频段:0.1～1.0 Hz;高频段:1.0～2.0 Hz),采用多道互相关方法确定各台站所接收到的远震P波震相在不同频段内的相对走时,最终得到18499个高质量的P波相对走时数据,其中高频段数据6212个、中频段数据7229个、低频段数据5058个。在计算有限频率灵敏度核时,首先利用网格化方法对模型空间离散化:以(39.5°N,117.0°E)为中心,划分37×35×31的三维网格,节点间距在各方向上均约为35 km。采用快速射线跟踪技术计算IASP91参考模型下从震源到台站的几何中心射线路径,应用“旁轴近似计算中心射线路径附近点在三个不同频段内的灵敏度核函数。由不同频段的相对走时数据和相应的灵敏度核函数建立观测方程,然后对观测方程进行反演。为了尽量减少地壳速度结构对反演的上地幔速度结构的影响,在反演计算前对相对走时数据进行了地壳校正和高程校正,并在反演计算时对每一个台站加入了台站校正项。反演中,采用阻尼最小二乘法和卷积消制法两种不同的正则化方法对模型进行约束,用LSQR算法完成数值求解,得到首都圈地区的上地幔三维P波速度结构模型。为了检测所用资料和方法得到的反演结果的可靠性,利用采样密度法、检测板法和恢复试验法进行了详细的分辨率分析。 本次研究采用了阻尼最小二乘法对模型进行约束、LSQR方法反演经地壳校正、高程校正及加入台站校正项的相对走时数据的反演结果作为最终模型。结果表明,首都圈地区三个构造单元具有明显不同的速度结构特征,这种差异可到150 km深:燕山隆起区表现为高速,这与它稳定而少震的特点是吻合的;太行山隆起区整体以低速为主并伴有小尺度的高速块体;华北盆地区和渤海湾下的浅层地幔中显示明显的大尺度低速异常,该区地震活动性较强。 研究结果揭示,华北盆地、渤海湾下浅层上地幔存在大范围的强低速异常,该异常的延伸深度在华北盆地下为50～150 km,在渤海湾内则可达到200 km以下。该低速异常在华北盆地和渤海湾下的顶面埋深为50～70 km,与大地电磁探测并结合大地热流值数据推测的上地幔高导层的顶部埋深较为接近,我们认为这是华北盆地、渤海湾下岩石圈明显减薄的显示。 本次研究得到的速度结构图上,张家口——蓬莱断裂带是上地幔速度结构的变化带,也是岩石圈减薄的边界带,区内大部分的历史强震都发生在这条构造边界带上,本文认为此断裂带两侧不均匀的软流圈活动所引起的热应力可能是导致大地震频发的重要原因,说明该带上强震的发生不仅受到地壳结构不均匀性的影响,还与上地幔速度结构的变化相关。 与基于射线理论的走时地震层析成像方法相比,有限频率层析成像方法对地震波形数据的质量要求更高,反演结果受数据采样的影响较大。在采样密度和分辨率都较好的区域,两种方法得到的结果大体一致,但有限频率层析成像方法比射线层析成像方法所揭示的速度结构异常更零碎。