荐言献策

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

太行山隆起及邻区地壳S波Q值成像特征

陈婷 王晓山 孙丽娜

陈婷,王晓山,孙丽娜. 太行山隆起及邻区地壳S波Q值成像特征[J]. 华北地震科学,2021, 39(2):67-72. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.02.010
引用本文: 陈婷,王晓山,孙丽娜. 太行山隆起及邻区地壳S波Q值成像特征[J]. 华北地震科学,2021, 39(2):67-72. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.02.010
CHEN Ting,WANG Xiaoshan,SUN Li'na. Crustal QS Tomography in Taihangshan Uplift and Adjacent Regions[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(2):67-72. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.02.010
Citation: CHEN Ting,WANG Xiaoshan,SUN Li'na. Crustal QS Tomography in Taihangshan Uplift and Adjacent Regions[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(2):67-72. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.02.010

太行山隆起及邻区地壳S波Q值成像特征

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.02.010
基金项目: 河北省地震科技星火计划重点项目(DZ20170109002);河北省地震局强震发震构造与机理研究创新团队(DZ20180319009);河北省地震科技星火计划青年项目(DZ20190419028)
详细信息
    作者简介:

    陈婷(1990—),女,山东聊城人,工程师,主要从事数字地震学及中长期预测等研究. E-mail:chenting_ouc@163.com

  • 中图分类号: P315.3

Crustal QS Tomography in Taihangshan Uplift and Adjacent Regions

图(6)
计量
  • 文章访问数:  1087
  • HTML全文浏览量:  722
  • PDF下载量:  6
出版历程
  • 收稿日期:  2020-04-24
  • 网络出版日期:  2021-06-23
  • 刊出日期:  2021-04-20

太行山隆起及邻区地壳S波Q值成像特征

doi: 10.3969/j.issn.1003-1375.2021.02.010
    基金项目:  河北省地震科技星火计划重点项目(DZ20170109002);河北省地震局强震发震构造与机理研究创新团队(DZ20180319009);河北省地震科技星火计划青年项目(DZ20190419028)
    作者简介:

    陈婷(1990—),女,山东聊城人,工程师,主要从事数字地震学及中长期预测等研究. E-mail:chenting_ouc@163.com

  • 中图分类号: P315.3

摘要: 利用2009—2018年ML2.0以上地震事件波形资料,对太行山隆起及邻区进行地壳S波Q值成像,结合地震活动和大地热流等分析该区地壳介质衰减特征。结果表明,研究区地壳QS值横向变化显著,总体上地形越低、构造活动越强烈的地区QS值越低,QS值分布与地形和构造活动明显相关;1900年以来大部分6级以上地震发生在低QS值区域边界,尤其是山东菏泽和河北邢台2个强震多发区低QS值更为显著;研究区内大部分热流点位于低QS值区域,热流值与QS值呈负对应关系。

English Abstract

陈婷,王晓山,孙丽娜. 太行山隆起及邻区地壳S波Q值成像特征[J]. 华北地震科学,2021, 39(2):67-72. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.02.010
引用本文: 陈婷,王晓山,孙丽娜. 太行山隆起及邻区地壳S波Q值成像特征[J]. 华北地震科学,2021, 39(2):67-72. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.02.010
CHEN Ting,WANG Xiaoshan,SUN Li'na. Crustal QS Tomography in Taihangshan Uplift and Adjacent Regions[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(2):67-72. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.02.010
Citation: CHEN Ting,WANG Xiaoshan,SUN Li'na. Crustal QS Tomography in Taihangshan Uplift and Adjacent Regions[J]. North China Earthquake Sciences,2021, 39(2):67-72. doi:10.3969/j.issn.1003−1375.2021.02.010
    • Q值描述了介质吸收特性的强弱,与地壳介质的温度、破碎程度和流体活动等密切相关,能很好地反映构造活动强度。近年来,为研究Q值的精细分布特征,层析成像技术被广泛应用于衰减结构成像并取得了大量成果,地壳衰减结构存在不均匀性基本达成共识[1-5]。此外,研究认为地震带的活动断层区域地震波衰减很强烈[6],介质裂隙分布越广泛、含流体饱和度越高其衰减程度越大[6-8],火山裂谷带的地壳介质具有低Q值特征[9],高大地热流点基本分布在高衰减区域[10-11]。因此,研究地壳介质的衰减结构成像可为活动断层分布、介质裂隙分布和流体含量、介质的热力学状态等研究提供有效信息,有利于进一步分析区域地震危险性。

      太行山隆起区位于华北地区中部,1900年以来该区地震活动较弱,没有6级以上地震发生。但其作为山西隆起区与渤海湾盆地的边界,周边地区地震活动活跃,北面为张渤地震带,西面为山西地震带,东面为河北平原地震带,这些区域1990年以来发生多次6级以上地震,是地震学家重点关注区域。目前关于华北地区开展的Q值研究基本以省为区域研究对象,研究多地震多台联合反演平均Q[12-13],尚未开展Q值精细成像特征的研究。本文搜集太行山隆起及邻区2009—2018年ML2.0以上地震的波形资料,利用S波衰减层析成像方法反演该区地壳S波Q值,分析该区地壳Q值分布特征,结合地形、地震活动、大地热流等分析,探讨其与地壳衰减特征的关系。

    • 在频率域,第j个台站上观测到的第i个事件的振幅谱Aijf)为

      $${A_{ij}}(f) = {S_i}(f){I_j}(f){R_j}(f){G_{ij}}(r){B_{ij}}(f)$$ (1)

      式中:f为频率;Sif)为震源谱;Ijf)为仪器响应;Rjf)为场地响应;Gijr)为沿路径r的几何扩散因子;Bijf)为衰减谱。

      Brune[14]将震源谱用长周期振幅谱Ω0和拐角频率fc来表达,即

      $${S_i}(f) = {{\rm{\varOmega }}_0}/(1 + ({{{f^2}} / {f_{\rm{c}}^{\rm{2}}}}))$$ (2)

      采用Atkinson等[15]提出的互相衔接的3段几何衰减函数表示几何扩散因子,即

      $${G_{ij}}(r) = \left\{ {\begin{array}{l} {{r^{ - {b_1}}},\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {}&{}&{}&{} \end{array}}&{}&{} \end{array}\begin{array}{*{20}{c}} {}&{} \end{array}}\quad\;{r \leqslant {R_{01}}} \end{array}} \\ {R_{01}^{ - {b_1}}R_{01}^{ - {b_2}}{r^{ - {b_2}}},\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {}&{} \end{array}}\qquad{{R_{01}} < r \leqslant {R_{02}}} \end{array}} \\ {R_{01}^{ - {b_1}}R_{01}^{ - {b_2}}R_{02}^{ - {b_2}}R_{02}^{ - {b_3}}{r^{ - {b_3}}},\begin{array}{*{20}{c}} \qquad\;\;\;\;{r > {R_{02}}} \end{array}} \end{array}} \right.$$ (3)

      式中:系数b1b2b3均与频率无关;当rR01时,对应直达波的几何衰减;当R01<rR02时,对应过渡区,在该震源距范围内,直达波中加入了在地壳内间断面和莫霍面上的反射波;当r>R02时,对应多次折射反射波的衰减。

      沿整个射线路径的衰减谱可以用下式表示[16-17]:

      $${B_{ij}}(f) = \exp ( - {\text π} f{t_{ij}}Q_{ij}^{ - 1}) = \exp ( - {\text π} ft_{ij}^*)$$ (4)

      式中:tij为沿射线路径的走时;Qij为无量纲的品质因子;$t_{ij}^*$为沿整个射线路径的衰减算子。

      仪器响应可以根据台站参数直接扣除,此时振幅谱为$A_{ij}^{'}(f) = {A_{ij}}(f)/{I_j}(f)$。此外,由于大多数区域台站都是建在基岩上,其场地响应可以假定为接近1的常数。因此方程(1)可以写成

      $$A_{ij}^{'}(f) = {{\rm{\varOmega }}_0}\frac{{f_{\rm{c}}^2}}{{f_{\rm{c}}^{\rm{2}} + {f^2}}}{G_{ij}}(r)\exp ( - \pi ft_{ij}^*)$$ (5)

      其中,$t_{ij}^*$可以写成$1/(Q(s)v(s))$沿震源i至台站j的射线路径的投影[18-19],即

      $$t_{ij}^* = \int\limits_{{\rm{path}}} {\frac{1}{{Q(s)v(s)}}} {\rm{d}}s$$ (6)

      式中:v为横波速度,ds为射线路径单元。

      方程式(5)中存在3个未知变量Ω0fc$t_{ij}^*$,对某个地震事件来说,Ω0fc只与震源有关,对同一事件采用多台观测谱联合反演,可以得到震源到各个台站的路径衰减$t_{ij}^*$。然后根据式(6)可采用与走时层析成像相同的方法进行衰减层析成像确定Q

    • 本文所用事件为太行山隆起及邻区2009—2018年记录到的可定位的震级ML2.0以上的地震事件,其中2009年1月1日至2017年10月19日的事件波形来自国家数字测震台网数据备份中心,2017年10月20日至2018年12月31日的事件波形由喜马拉雅三期台阵提供。

      S波Q值成像首先需用S波位移谱反演求取$t_{ij}^*$。对台站记录的两个水平分量波形进行带通滤波和水平校正处理,取“S波窗”和“噪声窗”。从S波开始到包括S波总能量90%的时间段内的S波即为“S波窗”,“S波窗”在近源距离只包含直达S波,在较远距离包含了从地壳内间断面和莫霍面产生的反射波,在更远的距离还包含Sn和Lg震相。在P波初至之前的波形记录上取512个点(采样频率为100 Hz)或256个点(采样频率为50 Hz)作为“噪声窗”。采用平移窗谱法进行快速傅里叶变换,将“S波窗”内的信号数据和“噪声窗”的噪声数据分别转换成观测振幅谱和噪声谱。由于所有地震台的地震计都是速度计,应将速度振幅谱转换为位移振幅谱。分别处理两个水平分量波形得到其振幅谱,即可合成S波振幅谱[20]。为了数据的可靠性,选择频率范围1~15 Hz,信噪比至少为3。图1为山西灵丘台(SXLNQ)记录的2017年6月7日山西浑源ML2.5地震两个水平分量波形及其合成S波位移谱和噪声位移谱,该事件满足信噪比大于3的台站记录共10个。

      图  1  2017年6月7日山西浑源ML2.5地震

      据式(5),采用多台观测谱联合反演[10],假定一个地震事件被N个台站记录到,那么未知变量为N+2个,即Ω0fc$t_1^*$$t_2^*$…,$t_N^*$。假定有M个频率点,第i个台在第j个频率点的观测振幅谱为$A_i^{{\rm{obs}}}({f_j})$,理论振幅谱为$A_i^{{\rm{cal}}}({f_j})$,寻找一组未知变量值,使残差$\displaystyle\sum\limits_{i = 1}^N {\displaystyle\sum\limits_{j = 1}^M {\lg \left| {A_i^{{\rm{obs}}}({f_j}) - A_i^{{\rm{cal}}}({f_j})} \right|} }$最小,这组未知变量值就是多台观测谱联合反演结果。采用遗传算法反演N+2个未知变量,使得N个台观测谱和理论谱在M个频率点上的所有残差之和最小的解即为最优解[21]。经过噪声和几何衰减校正后,对同一震源多台观测谱进行联合反演,图2为2017年6月7日山西浑源ML2.5地震多台观测谱联合反演结果,共得10个台站的t*算子,不同台站位移谱的高频衰减主要受不同路径的Q值影响。从图中可以看出,有3个台站的拟合位移谱误差较大,分别为SXDAX(t*=0.117 3)、SXSHZ(t*=0.121 8)和SXZCH(t*=0.104 2),这3个台站的t*值远大于其他台站,说明有些台站的t*算子反演误差较大,在后续处理中应当按一定规则删除(大于1倍均方差)。

      图  2  2017年6月7日山西浑源ML2.5地震多台观测谱联合反演结果

      根据式(6),求得衰减算子t*后,采用与速度层析成像相同的方法就可得到S波Q值层析成像结果。首先,选出满足误差要求的t*衰减算子,据网格平均射线数选择合适大小的网格进行检测板分辨率实验,根据检测板分辨率实验结果调整网格直到选出合适的分辨率。之后,计算地壳平均QS作为初始模型,采用射线追踪伪弯曲法迭代反演QS值。为减弱震源深度影响,在用t*反演QS值的过程中用震源距代替震中距。

    • 根据式(5),利用遗传算法反演t*数据,为降低解的非唯一性,要求每个事件至少能反演出5条t*数据,共得到1 434个事件的20 985条t*数据。由于某些台站t*数据反演误差较大(图2),剔除大于1倍均方差的数据,进一步筛选出13 627条t*数据,相应的台站、事件及射线分布见图3。将研究区地壳(35°~42°N,112°~116°N)在平面上划分为0.5°×0.5°的均匀网格,利用筛选出的t*数据对QS反演成像,平均网格射线数为221。

      图  3  研究区台站(红色三角)、事件(+)及射线分布

      反演QS前计算研究区S波的平均速度,得到vS=3.52 km/s。假定该区初始Q值为均匀值,据式(6)可知t*与震中距成线性关系,利用线性最小二乘法对t*与震中距进行线性拟合(图4),求得研究区地壳的平均QS值为340。将vS和平均QS作为反演的初始模型。经过10次迭代反演后即可得到研究区S波Q值成像结果,其中t*的均方根(RMS)残差由0.027 2降低到0.025 3。

      图  4  t*数据与震中距之间的线性拟合

      采用检测板分辨率实验验证0.5°×0.5°网格反演结果的可靠性(图5),结果表明,研究区内(35°~42°N,112°~116°N)检测板恢复较好,反演结果可靠。由于研究区外部边缘没有地震,只有记录到研究区内事件波形的台站,部分区域检测板恢复不好,这些区域基本不在研究区域内,对反演结果影响不大。

      图  5  网格检测板分辨率实验结果

    • 经过10次迭代反演求得太行山隆起及邻区S波QS值(图6)。结果显示,研究区的QS值范围为180~520,平均值为350。由图6可以看出,太行山隆起及邻区的地壳QS值横向变化显著,QS值大小代表地壳中地震波能量的衰减程度,与沉积层厚度、构造活动及地壳介质属性密切相关[22]。总体上看,QS值分布与研究区的地形和构造活动明显相关,地形越低、构造活动越强烈的地区QS值越低。以太行山山前断裂北段(F11)和晋获断裂带(F2)为界,西部和北部山区盆地地区QS值总体高于东南部平原地区,但在西部和北部总体QS值偏高的背景下,盆地区域大多数存在低QS值区,如延怀盆地、大同盆地、忻定盆地、太原盆地和长治盆地均存在低QS值;在东南部总体QS偏低的基础上,河北邢台和山东菏泽等构造活动强烈地区则分布了大片低QS值。

      图  6  研究区S波Q值分布

      从研究区1900年以来6级以上强震分布来看(图6),大多数6级以上地震位于低QS值(高衰减)区域边界,尤其是历史强震多发区域。如河北邢台和山东菏泽地区,且研究区2个7级以上地震(1966年邢台7.2级地震和1937年菏泽7.0级地震)均发生在这两个历史强震多发的低QS值区域边界,这些区域的低QS值可能是强震(尤其是7级以上地震)发生导致大量裂隙,且裂隙中充满流体的结果[23]。同时,也注意到1976年和林格尔6.2级地震和1998年张北6.2级地震发生在高QS值的边缘,这可能是由于1900年以来这两个震源区均只发生了1次6.2级地震,不如强震多发区域地壳介质松散、破碎,QS值相对较高,但震源区周边有微弱的低QS值区,尤其是1998年张北6.2级地震震源区东面的低QS值区更为明显。

      QS值与温度的关系主要表现为区域QS值与区域大地热流分布的联系。大地热流是地球内部热状态和热结构在地表的最直接显示。根据中国大陆地区大地热流数据汇编[24-26],本文给出了研究区范围内的热流点数据(热流值大于等于80 mW/m2)。由图6可以看出,研究区反演得到的介质品质因子QS值分布与大地热流分布有一定关系,如区域内的高热流点,大多分布在QS值相对较低的区域,即热流值与衰减值成负对应关系。

      值得注意的是,本文假设Q值与频率无关,理论上反演得到的Q值比频率相关的反演结果略高,但Q值的分布不会因此改变,因此可以采用该结果来分析介质衰减特征[10]

    • 采用类似速度层析成像的方法对太行山隆起及邻区进行QS值成像,分析讨论其成像特征及其与地震活动、大地热流的关系,得到如下结论:

      1)QS值分布与研究区的地形和构造活动基本相关,总体上地形越低,构造活动越强烈的地区QS值越低;

      2)1900年以来6级以上地震大部分发生在低QS值区域边界,如河北邢台和山东菏泽2个强震多发且各发生1次7级以上地震的震源区位于低QS值区域边界,而1976年和林格尔6.2级地震和1998年张北6.2级地震发生在高QS值的边缘,这可能是由于单个6级地震震源区地壳介质不如强震多发(尤其是7级以上地震)的震源区介质松散、破碎;

      3)研究区内热流值与QS值呈负对应关系,热流值大于等于80 mW/m2的热流点大多位于QS值相对较低的区域。

参考文献 (26)

目录

    /

    返回文章
    返回