引用本文
顾勤平, 康清清, 张鹏, 孟科, 吴珊珊, 李正楷, 王俊菲, 黄群, 蒋新, 李大虎. 郯庐断裂带中南段及邻区Rayleigh波相速度与方位各向异性[J]. 地震地质, 2020,42(5): 1129-1152.
GU Qin-ping, KANG Qing-qing, ZHANG Peng, MENG Ke, WU Shan-shan, LI Zheng-kai, WANG Jun-fei, HUANG Qun, JIANG Xin, LI Da-hu. RAYLEIGH WAVE PHASE VELOCITY AND AZIMUTHAL ANISOTROPY OF THE MIDDLE-SOUTHERN SEGMENT OF THE TAN-LU FAULT ZONE AND ADJACENT REGIONS FROM AMBIENT NOISE TOMOGRAPHY[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2020,42(5): 1129-1152.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2020.05.007
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郯庐断裂带中南段及邻区Rayleigh波相速度与方位各向异性
顾勤平1), 康清清1), 张鹏2),*, 孟科1), 吴珊珊3), 李正楷1), 王俊菲1), 黄群4), 蒋新1), 李大虎5)
1)江苏省地震局, 南京 210014
2)南京工业大学, 交通运输工程学院, 南京 210009
3)上海市地震局佘山地震台, 上海 201602
4)江苏省地震局溧阳地震台, 溧阳 213333
5)四川省地震局, 成都 610041
*通讯作者: 张鹏, 男, 1981年生, 副研究员, 主要从事活动构造方面的研究, E-mail: zhpju@163.com。

〔作者简介〕 顾勤平,男,1983年生,2019年于中国地震局地球物理研究所获固体地球物理学专业博士学位,高级工程师,主要从事天然地震层析成像、 浅层地震勘探及活断层探测等研究工作,电话: 025-84285628,E-mail: gqp1221@163.com。

收稿日期: 2019-12-20 修回日期: 2020-03-09
基金项目: 中国地震局地震科技星火计划项目(XH18017Y)、 国家自然科学基金(41704052, 41974066)和中国地震重点监视防御区活动断层地震危险性评价之 “栟茶河断裂活动性鉴定”项目(1530601)共同资助
摘要

郯庐断裂带中南段及邻区处于华北克拉通和扬子克拉通的结合带, 是研究陆内碰撞、 大陆聚合及生长、 地球动力学和岩石圈形变等问题的天然实验场。 为获取研究区内更为精细的壳幔S波速度和方位各向异性的分布, 文中利用郯庐断裂带中南段及邻区范围内共261个固定宽频带地震台站2a记录的连续波形数据, 利用时频分析法提取了5~50s周期的Rayleigh面波相速度频散曲线。 之后, 将研究区域划分为0.25°×0.25°等间隔的网格点, 并采用Tarantola方法反演获得了研究目标区内的二维Rayleigh波相速度与方位各向异性的分布图像。 此外, 还分析研究了6个具有代表性周期的相速度及方位各向异性分布图像, 这些图像揭示出郯庐断裂带中南段及邻区壳幔速度结构的横向非均匀性及方位各向异性的空间差异特征。 研究结果表明, 相速度的分布特征与地质构造单元有着较好的对应关系。 在地壳浅部(6~10s), 拥有较厚松散沉积层覆盖的盆地和基岩出露的造山带分别呈现为低速异常和高速异常。 随着周期递增(15~20s), 地壳介质受浅部沉积层的影响有所减弱, 河淮盆地、 苏北盆地等平原地区局部出现了高速异常。 下地壳至上地幔(25~30s)的相速度分布受地壳厚度的影响, 总体上与莫霍面埋深呈负相关, 如莫霍面厚40km的大别造山带由短周期高速转为低速分布。 由于研究区内各个地质构造单元所处的构造环境存在差异, Rayleigh波相速度的方位各向异性也存在较为明显的空间差异性。 总体上, 各向异性的强度随着周期(深度)的递增而有所增强, 快波方向更具规律性。 综合苏北盆地自地壳浅部至岩石圈地幔的连贯低速分布及方位各向异性的一致性, 我们认为其下方可能存在着壳-幔强耦合的现象。

关键词: 郯庐断裂带中南段; 噪声成像; Rayleigh面波; 相速度; 方位各向异性
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)05-1129-24
RAYLEIGH WAVE PHASE VELOCITY AND AZIMUTHAL ANISOTROPY OF THE MIDDLE-SOUTHERN SEGMENT OF THE TAN-LU FAULT ZONE AND ADJACENT REGIONS FROM AMBIENT NOISE TOMOGRAPHY
GU Qin-ping1), KANG Qing-qing1), ZHANG Peng2), MENG Ke1), WU Shan-shan3), LI Zheng-kai1), WANG Jun-fei1), HUANG Qun4), JIANG Xin1), LI Da-hu5)
1)Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China
2)College of Transportation Science & Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 210009, China;
3)Sheshan Seismic Station of Shanghai Earthquake Agency, Shanghai 201602, China
4)Liyang Seismic Station of Jiangsu Earthquake Agency, Liyang 213333, China
5)Sichuan Earthquake Agency, Chengdu 610041, China
Abstract

The middle-southern segment of the Tan-Lu fault zone and its adjacent area is located in the joint zone of the North China craton and Yangtze craton. It is a natural test ground for studying the problems of intracontinental collision, continental convergence and growth, geodynamics and lithospheric deformation. Although early research involved the central-south section of the Tan-Lu fault zone and its neighboring areas, it is difficult to carry out a detailed discussion on the S-wave velocity and azimuthal anisotropy in the middle and south section of the Tan-Lu fault zone and its adjacent areas, due to different research purposes and objects, the limitation in selecting research scope or the lack of resolution.
To obtain more detailed crust-mantle velocity structure and azimuthal anisotropy distribution characteristics in the study area, this paper uses waveform data recorded by 261 fixed wideband seismic stations in the middle-southern segment of the Tan-Lu fault zone and its adjacent zone for two consecutive years. The phase velocity dispersion curve of Rayleigh surface wave with 5~50s period was extracted by time-frequency analysis. Then, the study area was divided into 0.25°×0.25°grids, and the two-dimensional Rayleigh phase velocity and azimuthal anisotropy distribution image in the area was retrieved using the Tarantola method.
The phase velocity and azimuthal anisotropy distribution images of 6 representative periods were analyzed. These images reveal the lateral heterogeneity of the crust-mantle velocity structure and spatial differences in azimuthal anisotropy in the middle-southern segment of the Tan-Lu Fault and its adjacent areas. The results show that the distribution characteristics of phase velocity have a good correspondence with geological tectonic units. In the shallow part of the earth's crust, the basins covered by thick unconsolidated sedimentary layers and the bedrock exposed orogenic belts show low and high velocity anomalies, respectively. With the increase of the period(15~20s), the influence of the shallow sedimentary layer is weakened, and the high-speed anomaly appears in some plain areas such as the Hehuai Basin and Subei Basin. The distribution of phase velocity in the lower crust and upper mantle(25~30s)is affected by the thickness of the crust, which is inversely related to the burial depth of Moho surface. For example, the Dabie orogenic belt with a thickness of 40km changes from a short period high-speed to a low-speed distribution.
Due to the differences in the tectonic environment of each geological structural unit in the study area, the azimuthal anisotropy of Rayleigh waves has obvious spatial differences. In general, the strength of anisotropy increases with increasing period(depth), and the direction of fast wave is more regular and followable. Based on the consistent distribution of low velocity and azimuthal anisotropy from the shallow crust to the lithospheric mantle in the Subei Basin, we believe that there may be a strong crust-mantle coupling phenomenon. The results obtained by different seismic anisotropy observation methods are different manifestations of anisotropy. However, due to the one-sided and low-resolution problems of single observation method, it is necessary to carry out joint inversion or comprehensive multiple observation methods.

Keyword: middle-southern segment of Tan-Lu Fault; ambient noise tomography; Rayleigh surface wave; phase velocity; azimuthal anisotropy
0 引言

有着半部东亚演化史的郯庐断裂带是中国东部最重要的地震带。 自20世纪50年代通过航磁异常特征发现郯庐断裂带的存在以来, 地学家们围绕它开展了广泛的科学研究, 并取得了显著的成果(李家灵等, 1994; 张鹏等, 2007; 万桂梅等, 2009; 黄耘等, 2011; 刘保金等, 2015; 顾勤平等, 2016; 许汉刚等, 2016; 朱光等, 2016)。 郯庐断裂带中南段及邻区处于华北克拉通和扬子克拉通的结合带, 前期近EW向特提斯构造体制的产物和后期近NE向太平洋构造体制的产物在此处叠加, 导致该区域成为具有复杂岩石圈动力学形变的区域。 因此, 该区域是研究陆内碰撞、 大陆聚合及生长、 地球动力学和岩石圈形变等问题的天然实验室。

截至目前, 已在郯庐断裂带中南段及邻区开展了大量的深部地球物理探测研究, 主要包括地震深反射(刘保金等, 2015)、 大地电磁测深剖面(张继红等, 2010)、 宽频带地震台阵(Chen et al., 2006; 黄耘等, 2011; 郭震等, 2012; 吴萍萍等, 2015; 孟亚锋等, 2019; 顾勤平等, 2020a, b)和重磁(唐新功等, 2006; 李春峰等, 2009)等。 这些研究结果揭示了郯庐断裂带中南段及邻区的深部特征, 并从不同的角度为郯庐断裂带的深部结构特征、 演化及其动力学成因研究提供了丰富的深部结构信息。 但是, 已有的关于郯庐断裂带中南段及邻区的壳幔三维速度结构成果(徐佩芬等, 2000; 徐纪人等, 2003; 李志伟等, 2006; 赵志新等, 2009; 黄耘等, 2011; Luo et al., 2012, 2013; Zhou et al., 2012; 吴萍萍等, 2015; 顾勤平等, 2016; 吕坚等, 2016; 熊振等, 2016; 孟亚锋等, 2019)在精度和分辨率等方面仍然不能满足科学探索的需要, 有必要搜集区内更为全面的波形资料开展进一步研究。 首先, 由于中国东部暨郯庐断裂带中南段及邻区的地震活动性相对较低, 基于传统天然源地震的层析成像受到地震数目的制约, 在研究区域内的射线覆盖不佳。 其次, 震源定位不精确导致某些记录数据无法直接参与反演。 最后, 远震体波在地表的射线覆盖较差、 面波高频成分丢失严重, 很难得到地壳浅层的高分辨率成像结果。 因此, 传统天然地震层析成像受诸多不利因素的制约, 无论在水平方向还是深度方向均存在着分辨率较低或无分辨率的空白区域。 由此可见, 收集研究区内更为全面的数据集、 采用更为先进的地震层析技术— — 噪声层析成像法开展研究区内壳幔速度结构的科学探索工作亟待得到补充和完善。

近年来, 背景噪声层析成像已成为地球内部结构成像的主流方法之一(Yao et al., 2006, 2008; Bensen et al., 2007; 唐有彩等, 2011; Luo et al., 2012, 2013; Zhou et al., 2012; 鲁来玉等, 2014; Ouyang et al., 2014; 吴萍萍等, 2015; 吕坚等, 2016; 孟亚锋等, 2019; 杨志高等, 2019; 顾勤平等, 2020a)。 首先, 它不受制于地震, 而是依赖于地震台站的数量、 分布。 郯庐断裂带中南段及邻区的地震活动性不高且震中分布不均, 但台站数量多、 分布密集, 具备利用台站的噪声记录对该地区进行中、 短周期高分辨率面波层析成像的客观条件。 其次, 不受限于地震的优点避免了地震定位偏差带来的影响。 此外, 噪声层析成像法相对地震面波成像法能够获得更短周期的面波频散, 可获得更好的地壳浅部成像结果。 前人(Luo et al., 2012, 2013; Zhou et al., 2012; Ouyang et al., 2014; 吴萍萍等, 2015; 吕坚等, 2016; 孟亚锋等, 2019)立足于不同的科学问题或科学目标开展了郯庐断裂带中南段及周边的背景噪声成像研究。 但是, 其中一些研究的尺度较大, 导致局部差异大多被平滑; 另一些研究的尺度则较小, 鲜有关于本文研究区域的相关讨论; 并且, 不同的研究方法、 不同数据体在同一区域得到的成像结果仍存在着一定差异。 此外, 在反演计算速度结构的同时, 若能将方位各向异性考虑在内, 将有助于了解岩石圈演化、 壳幔耦合以及探测地幔对流等重要作用(Tanimoto et al., 1985; 高原等, 2005)。 由于面波的传播路径具有特殊性, 面波方位各向异性具有较高的纵向分辨率(Debayle et al., 2005), 常被地震学家(Tanimoto et al., 1985; 易桂喜等, 2010; 鲁来玉等, 2014)用于研究地球内部不同埋藏深度的各向异性特征。 针对郯庐断裂带中南段及邻区的壳-幔S波速度和方位各向异性的展布特征, 仍有开展进一步探索研究工作的必要性。 本文立足于研究郯庐断裂带中南段及周缘特定区域的深部结构条件、 孕震环境及发震机理, 有针对性地圈选出的范围不同于前人的研究目标区。 对该区开展研究, 可为探究郯庐断裂带的形成与演化、 苏鲁造山带是否受到郯庐断裂带的左旋作用而平移至此等问题提供一定的地震学依据。 其次, 本文搜集了研究范围内截至目前最为全面的固定宽频带地震台站数据, 采用其中连续2a记录的垂直分量波形资料提取台站对间的经验格林函数, 经反演获得了郯庐断裂带中南段及邻区5~50s的高分辨率Rayleigh面波相速度和方位各向异性分布, 为研究郯庐断裂带中南段的形成与演化、 研究区的深部结构条件和孕震环境等提供了地震学基础资料。

1 资料和数据处理
1.1 数据资料选取

为保证在研究目标区内分布的射线覆盖密集且均匀, 除从国家数字测震台网数据备份中心收集了162个固定宽频台站2015年1月— 2016年12月记录的垂直分量数据(郑秀芬等, 2009)外, 还从研究区域内各个省属及市县地震台网搜集了99个固定宽频带地震台站同期接收的垂直分量波形资料, 即本研究所用数据包含了研究区域范围内该时间段最全面的固定宽频台记录的连续波形资料, 共计261个固定宽频带台站, 用于提取Rayleigh面波的格林函数, 从而保证对研究目标区具有较好的射线覆盖。 本文所用台站的分布如图 1 所示。

图 1 研究区的地形地貌及台站分布图
黄色三角形表示由中国地震局所建的宽频台, 玫红色三角形表示各省、 市地震局自建的宽频台, 黑色实线表示断层, 浅灰色虚线表示地质构造单元的边界。 BHW BASIN 渤海湾盆地; HH BASIN 河淮盆地; LX UPLIFT 鲁西隆起; HF BASIN 合肥盆地; SB-NHH BASIN 苏北-南黄海盆地。 ① 郯城-庐江断裂; ② 江山-绍兴断裂; ③ 淮阴-响水口断裂; ④ 烟台-五莲断裂; ⑤ 广济-襄樊断裂; ⑥ 肥中断裂; ⑦ 寿县-定远断裂Fig. 1 Topography and station distribution of the study area.

1.2 数据预处理

Rayleigh面波相速度格林函数的提取重点参考了Bensen等(2007)介绍的背景噪声资料处理方法及流程, 主要包括: 1)单台数据的初步处理; 2)互相关函数即格林函数的计算和叠加; 3)频散曲线的提取; 4)质量控制和误差研究; 5)相速度和方位各向异性的层析成像研究。

针对单台数据处理, 首先将100Hz或50Hz采样率的原始SEED格式数据转化为标准的SAC格式, 并降采样至1Hz。 之后进行去仪器响应、 零漂、 均值、 倾斜、 尖灭等, 并通过3~80s频带范围的带通滤波, 最后进行时间域归一化和谱白化处理(Bensen et al., 2007)。 其中, 最为关键的步骤是针对单台的时间域归一化处理, 其主要目的是尽可能减少地震信号、 台站附近非稳定噪声源及因地震仪故障导致的畸变对互相关函数求取的影响。 其中, 地震信号对结果的影响最为明显, 必须予以剔除。

在前期单台数据处理完毕的基础上, 通过对台站对的噪声记录开展互相关计算即可提取格林函数, 经叠加及后期的质量控制得到最终的噪声互相关函数(Noise Correlation Function, NCF)。 长时间的叠加可有效减少季节性变化的影响, 以提高数据的信噪比。 然而, 由于噪声源的不均匀分布, 获得的Rayleigh波的经验格林函数的正、 负支往往表现为不对称的形态。 为提高数据的信噪比, 我们对正、 负分支取均值, 得到 “ 对称分量” 。 图2a为安徽省安庆地震台站(AH.ANQ)和其它台站组成的台站对的射线路径覆盖分布图, 图2b为基于这些台站对求得的互相关函数。 由图可见, 所得的Rayleigh面波信号较为清晰、 信噪比较高, 并且正、 负2支对称。

图 2 安庆台和其它台构成台站对的路径分布(a)与其互相关函数反转叠加和带通滤波(5~60s)的结果(b)
左图中红色实心三角形为安徽省安庆台(ANQ)Fig. 2 The results of the path distribution(a)and the cross-correlation function inversion superposition and bandpass filtering(5~60s)of station ANQ and other station pairs(b).

1.3 提取频散曲线及初始速度模型

基于海量的台站对经验格林函数, 采用姚华建等(2004)利用图像分析方法开发的MATLAB交互式软件EGFAnalysisTimeFreg完成频散曲线的批量提取。 高质量的频散曲线是获得较好反演结果的前提, 为此, 我们设置了以下5个筛选条件确保提取的面波频散数据具有较高的质量:

(1)选取长时间的资料展开互相关计算及叠加, 本文仅挑选连续监测达到24个月的波形资料参与反演, 将连续监测时间不足的资料予以剔除;

(2)剔除信噪比SNR< 5的互相关函数;

(3)满足相应的远场近似条件 CAB×T=λ≤Δ2, 其中, CAB为平均相速度, λ 为波长, T为测量周期, Δ为台间距;

(4)利用EGFAnalysisTimeFreg软件随机抽样选取了2 000条通过上述原则筛选的频散曲线(比例大于频散曲线总数的10%)手动提取频散值, 之后对取得的频散值取均值, 建立本文研究区域内的参考Rayleigh波相速度频散曲线及范围;

(5)频散曲线上相邻周期的频散值没有明显跳变。

依据以上准则对数据进行筛选, 最终得到了15 863条路径上周期为5~50s的Rayleigh面波相速度混合路径频散曲线。

图 3a 给出了不同周期的混合射线路径数目, 图3b给出了各个周期的平均相速度值, 将其作为后期相速度纯路径频散反演的初始参考速度模型。 由图3a可见, 5~29s周期段内射线条数都在8 000条以上, 在周期为30s时射线条数虽有所下降, 但数量仍然> 7 000条, 周期> 30s后射线数量逐渐减少。

图 3 a 不同周期用于反演的射线路径数; b 各周期的平均相速度值Fig. 3 The number of ray paths used for inversion in different periods(a), and average Rayleigh wave phase velocity of each period(b).

2 Rayleigh波相速度层析成像
2.1 成像方法

本文基于所得到的混合路径频散曲线, 采用Tarantola等(1982)提出的最小二乘非线性反演方法计算Rayleigh面波不同周期的相速度和方位各向异性分布。 该方法获得的结果收敛于先验模型, 且在迭代计算时具有抑制发散的优点。

周期T的Rayleigh波的速度模型为k r, 先验模型的协方差函数为 Ck0r1, r2, 先验模型为k0 r, 观测走时数据为tobs, t为根据Rayleigh波相速度初始速度模型k r计算得到的理论走时, 数据的协方差矩阵为 Ct0。 反演时, 寻找解k r使得式(1)的值最小:

Φ(k)=(t-tobs)TCt0-1(t-tobs)+(k-k0)TCk0-1(k-k0)(1)

式(1)中, 先验模型协方差矩阵 Ck0(r1, r2)取高斯函数为

Ck0(r1, r2)=σk2exp-12(r1-r2)2L2, σt=σkc02(2)

由式(1)和(2)可知, 3个参数控制了最终的反演结果(Montagner et al., 1986), 即观测值的标准差σ t、 模型参数的先验误差σ k及模型参数的空间相关长度L。 σ k和L分别控制了反演模型的异常和平滑程度, 相关长度控制了反演相速度结果的光滑度。 经一系列测试后, 我们设置$L=max(40km, \frac{C_{0}T}{2})$, 以避免出现奇异点; 设置方位各向异性的相关长度为相速度相关长度的2倍。 相速度的计算误差通常< 2% (图 5), 本文设 σt为相速度值的2%, 设 σk为各周期平均相速度的2%。

图 4 不同周期的射线路径分布Fig. 4 Distribution of ray paths at different periods.

图 5 不同周期相速度的反演误差分布图Fig. 5 Inversion error distribution of phase velocities at different periods.

在一阶近似下, Smith等(1973)以及Montagner等(1986)给出了弱各向异性介质中面波相速度随方位角的展开形式:

cω, θ=A1ω+A2ωcos2θ+A3ωsin2θ+A4ωcos4θ+A5ωsin4θ(3)

式(3)中, A1 ω为各向同性介质中的Rayleigh波相速度, A2 ω、 A3 ω、 A4 ω及A5 ω为各向异性系数, θ 为波矢量与正N向的夹角。 在弱各向异性介质中, Montagner等(1986)根据实验数据指出2θ 项对Rayleigh面波的贡献远大于4θ 项。 因此, 本文在反演计算每个网格内的方位各向异性时忽略了4θ 项。 最终, 由计算 A22ω+A32ω12及1/2arctan A3ω/A2ω分别求取各个反演网格内的方位各向异性强度及快波方向。 将研究区域划分为0.25° × 0.25° 的等间距网格点后, 按照上述成像方法基于Rayleigh面波相速度的混合路径频散反演计算每个周期的二维相速度及方位各向异性分布。

2.2 可靠性检测

本文将从射线路径分布图、 检测板测试及速度反演误差这3个方面对反演结果的可靠性和分辨率做检测。 当然, 除了这些检测方法外, 反演结果与地质构造条件相吻合才是最重要的衡量标准。 在2.3节中, 还将对研究区内的地质构造特征和反演结果进行对比和分析。

2.2.1 不同周期的射线分布

图 4 给出了与下文6个不同周期的Rayleigh波相速度相匹配的射线路径分布图, 射线的分布与台站的分布直接相关, 在台站密集分布的区域, 射线的覆盖、 交叉较好。 由图可见, 无论是短周期还是长周期, 郯庐断裂带中南段及邻区的射线覆盖均较好。 T=6s时, 除渤海湾盆地及南黄海的射线分布较为稀疏外, 绝大多数区域的路径分布密度和交叉较好。 与本文研究区域内已有的噪声层析成像研究(吴萍萍等, 2015; 叶庆东等, 2015)相比, 本文的射线覆盖效果更好, 主要原因是本研究利用了区内更多的宽频带地震台资料。

2.2.2 不同周期相速度的反演误差分布

Tarantola算法具有在反演计算时能够同时获得误差和分辨率的特点。 图 5 给出了文中6个周期的Rayleigh面波相速度成像计算的误差分布图, 误差总体都控制在0.06km/s以内。 对比射线分布(图 4)、 速度反演计算误差(图 5)及检测板测试结果(图 6)可发现, 三者的一致性较好, 表明本文的结果具有较高的可靠性。

图 6 Rayleigh波各向同性相速度的0.75° × 0.75° 检测板测试结果
图a— f分别代表6s、 10s、 15s、 20s、 25s、 30s的结果Fig. 6 Checkerboard test results of Rayleigh wave phase velocity.

2.2.3 不同周期的相速度及方位各向异性的检测板测试结果

采用棋盘网格检测板测试反演结果的可靠性已成为地震层析成像中最为常见的方法之一(李志伟等; 2006; 顾勤平等, 2016; 吕坚等; 2016; 孟亚锋等, 2019)。 其理念为: 给定一个初始的理论速度模型, 按照虚拟震源震中(地震台站)到台站的实际射线路径计算出台站对路径的理论走时, 并在理论走时的基础上添加2%的随机误差构成合成数据, 各向同性和各向异性的异常幅度分别取为该周期相速度平均值的6%和3%, 之后, 使用与计算理论走时同等大小的网格、 阻尼参数和反演方法重新计算一次, 检查反演结果是否能够恢复最初给定的初始理论速度模型。 本文不仅给出了各个周期的射线路径及速度结构反演误差分布图, 还采用了检测板的方法对反演结果的可靠性和分辨率进行了测试。

图 6给出了郯庐断裂带中南段及邻区Rayleigh波相速度0.75° × 0.75° 网格分辨尺度的检测板测试结果。 由图可见, 在该网格分辨尺度下, 除研究区的边缘地区外, 绝大多数地区有着很好的分辨率。 因南黄海海域存在台站布设缺失的弊端, 射线以近SN向分布为主, 导致其反演结果的分辨率不高。 实际上, 在鲁、 苏、 皖这些核心区域能够得到0.5° × 0.5° 网格的分辨尺度, 受篇幅限制不再单独列出。 对比图 4 和图 6 可发现, 检测板的测试结果与射线分布图呈正相关, 即射线路径覆盖密集、 交叉好的区域往往速度检测板的恢复效果就好。 南黄海海域因缺失了近EW向分布的射线, 速度检测板的恢复效果稍差。

图 7 给出了郯庐断裂带中南段及邻区Rayleigh波相速度方位各向异性1.5° × 1.5° 网格分辨尺度的检测板测试结果。 由图可见, 除研究区东部即南黄海海域因缺失了近EW向射线分布导致分辨率较低以外, 其余绝大多数区域的分辨效果理想。 此外, 对比图 6 和图 7 可以发现, 各向异性结果的可靠程度明显不如相速度, 这是由于在同等射线条件下反演计算方位各向异性时多出了2.1节式(3)中的A2(ω)及A3(ω)这2个各向异性参数, 因此分辨率降低了近1倍。

图 7 Rayleigh波方位各向异性的1.5° × 1.5° 检测板结果
灰色空心三角形表示地震台站, 绿色细实线表示各向异性的强度及方向Fig. 7 Checkerboard results of 1.5° × 1.5° grid size of azimuthal anisotropy of Rayleigh wave.

2.3 反演结果

2.3.1 灵敏度核函数

相对P波速度、 地球介质密度ρ 及厚度等参数, Rayleigh面波的相速度对S波速度更为敏感, 不同周期的Rayleigh面波相速度值反映了一定深度范围内的平均横波速度变化特征, 其穿透深度随周期的增大而增加。 因此, 在对不同周期的Rayleigh面波相速度反演结果展开讨论时, 需给出其对应深度上的灵敏度核函数(图 8)。 速度模型参考了CRUST1.0 的结果, 上地幔采用了AK135模型。 由灵敏度核函数分辨图(图 8)可以看出, 短周期的Rayleigh面波相速度的核心敏感深度浅, 且其分辨瓣较窄, 在深度域方向上具有更高的分辨率; 长周期的Rayleigh面波相速度的核心敏感深度较深, 受其分辨瓣较宽的影响, 深度方向上的分辨率稍差。

图 8 不同周期的Rayleigh波相速度对S波速度的灵敏度
纵坐标为深度, 横坐标为Rayleigh波相速度对横波的导数Fig. 8 Sensitivity to the S-wave velocity for Rayleigh wave phase velocity at different periods.

2.3.2 不同周期的相速度分布

采用2.1节所述的层析成像反演方法和参数, 经过反演计算后得到了0.75° × 0.75° 网格分辨尺度、 周期为5~50s的Rayleigh面波的相速度和方位各向异性的分布。 为了便于将反演获得的各个周期的Rayleigh面波相速度与地形地貌及地质构造特征进行对比、 分析和讨论, 本文将相速度的反演结果投影到研究区的地形地貌背景图之上。 图 9 依次给出了周期为6s、 10s、 15s、 20s、 25s及30s的Rayleigh波相速度及方位各向异性的分布图像, 按照图 8 所示的灵敏度核函数结果, 其主要能量对应的深度依次约为6km、 11km、 16km、 26km、 32km和48km。 事实上, 面波相速度值反映的是大致半个波长深度范围内S波的平均速度。 下面通过讨论这6个代表性周期的相速度水平切片来讨论研究区地壳上地幔的横向非均匀性特征。 总体而言, Rayleigh面波的相速度值随着周期的增加而递增, 符合地球介质的实际物性特征。

图 9 Rayleigh波不同周期的相速度及方位各向异性分布Fig. 9 Rayleigh wave phase velocity and azimuthal anisotropy at periods of 6s, 10s, 15s, 20s, 25s and 30s.

根据图 8 给出的灵敏度核函数结果可知, 图 9 中6~10s周期段的Rayleigh波相速度主要对应6~11km深度, 即对应研究区上地壳范围内的速度结构, 这些水平切片反映了研究区沉积层和上地壳结晶基底的S波速度的横向变化特征。 对比Rayleigh波的相速度与研究区的地形地貌可知, 高、 低速的分布与地质构造特征密切相关, 即山地隆起区呈现为高速异常, 而盆地或平原等地质构造单元表现为低速异常。 渤海湾盆地南部、 合肥盆地、 苏北盆地及河淮盆地等因具有较厚的松散沉积层, 直接导致其在地壳浅部呈现面波相速度低速异常分布的特征; 而鲁西隆起、 胶东半岛、 苏鲁-大别造山带、 下扬子西部(江南造山带)及华南褶皱系由于基底埋深较浅或出露, Rayleigh面波的相速度表现为高速异常。 本文有针对性地圈选了研究目标区— — 郯庐断裂带中南段及邻区, 并增加了研究区内99个固定宽频带地震台站连续记录的波形资料进行反演, 将所得结果与前人在该区域采用相同层析成像方法获得的结果(吴萍萍等, 2015; 叶庆东等, 2015; Shen et al., 2016; 孟亚锋等, 2019)进行对比发现, 本文的反演结果不仅与前人的成果具有总体一致的高、 低速展布特征, 且反演的分辨率得到了一定程度的提升, 能够与研究区内的地质构造单元更好地吻合, 山、 盆边界在噪声层析成像法获得的面波相速度结果图上揭露得较为清楚。 例如, 面波高、 低相速度将近似圆形的鲁西隆起和渤海湾盆地的边界清晰地勾勒了出来, 在周期T=10s图(图9b)上该圆形边界的特征更为突出, 在前人同周期的相速度结果(Shen et al., 2016)中也非常明显; 大别造山带和合肥盆地、 河淮盆地的边界— — 肥中断裂也得到了很好的体现。 结合本文的射线覆盖分布(图 4)、 反演结果的误差分布(图 5)及检测板结果(图 6), 加上Rayleigh波相速度结构与近地表地质构造特征的吻合程度, 可知本文获得的层析成像结果具有较高的可信度。

15~20s周期段的Rayleigh波相速度主要对应16~26km深度范围内(对应研究区中地壳深度域)的速度结构特征, 该周期段Rayleigh波相速度的展布特征对6~10s短周期段的相速度具有一定的继承性和延续性, 主要是因为Rayleigh波的相速度对S波速度的敏感核在深度上的延伸较宽, 不同周期的灵敏度分辨瓣相互重叠的缘故(图 8)。 由图 8 可见, 该深度域的速度展布特征仍受浅部松散沉积层影响, 平原或盆地等地质构造单元仍然表现为低速; 然而, 低速异常特征已有所减弱, 渤海湾盆地南部、 河淮盆地由原来地壳浅部较为明显的低速转为中地壳的相对低速。 此外, 原来速度较高的苏鲁-大别造山带、 江南造山带及华南褶皱系等区域逐渐出现了低速或者弱低速异常; 较短周期6~10s而言, 苏北盆地低速异常的面积有所减小, 且呈现自西向东逐渐收敛的趋势。 由此可见, 中地壳虽继承和延续了地壳浅部速度结构的总体特征, 但也存在着些许变化, 即受地壳浅部松散沉积层影响而表现为低速的盆地和平原中逐渐出现了部分高速异常, 相反亦是如此。 鲁西隆起与渤海湾盆地边界的高、 低速异常边界带自地壳浅部一直延续到埋深约为中地壳的15s周期, 据此推测该山盆基底构造的埋藏深度可深抵中地壳。

25~30s周期段的Rayleigh波相速度分布主要反映了研究区内下地壳— 上地幔(32~48km)的速度结构特征。 该周期段对应深度域的速度结构表现为高、 低速相间的强烈变化, 表明郯庐断裂带中南段及邻区下地壳及上地幔顶部区域具有强烈的横向非均匀性, 后文给出的方位各向异性强度也出现了类似的结果。 由此可见, 郯庐断裂带中南段及邻区的地壳和上地幔速度结构特征存在着明显不同的特征。 宏观上, 该周期段的Rayleigh面波相速度分布总体上以低速分布为主。 随着周期的递增, 局部区域表现出了速度逆转, 如在地壳浅部和中地壳分别以高速及弱高速异常呈现的大别-苏鲁造山带, 在该周期段出现了不同程度的低速异常分布。 该周期段的Rayleigh波相速度主要受地壳厚度的影响, 与地壳的厚度往往具有负相关关系, 即地壳厚度薄的区域Rayleigh面波的相速度较高, 地壳较厚的区域则相速度较低。 郯庐断裂带中南段及邻区的地壳平均厚度约为33km, 而大别隆起地区则可达40km, 大别隆起区由原先的高速分布转为该周期段的低速分布, 这与其莫霍面埋藏较深的认识一致。 作者近期采用研究区内的远震波形资料开展了P波接收函数成像研究, 所得结果清晰地揭露了大别山下方莫霍面较周缘更深的现象, 该成果将于近期发表。

本文获得的噪声层析成像反演结果不仅与前人采用相同方法获得的结果(Luo et al., 2012, 2013; Zhou et al., 2012; Ouyang et al., 2014; 吴萍萍等, 2015; 叶庆东等, 2015; 吕坚等, 2016; Shen et al., 2016; 孟亚锋等, 2019; 顾勤平等, 2020b)具有一致性, 而且与研究区的天然地震P波层析成像结果(徐佩芬等, 2000; 熊振等, 2016)及广角反射P波结果(徐纪人等, 2003; 赵志新等, 2009)吻合较好。 值得注意的是, 由于苏北盆地受到拉张作用导致地壳厚度不断减薄, 在本文给出的前4个周期的Rayleigh面波相速度分布图上均呈低速异常分布, 低速的空间展布范围随周期的递增有缩小的趋势; 其巨厚、 相对年轻的松散沉积盖层是导致它在较大埋深范围内呈现为低速的直接原因。 根据图 8 给出的灵敏度核函数可知, 最后2个周期(25s、 30s)对应的埋藏深度已进入研究区域的上地幔顶部范围, 苏北盆地仍然为低速分布区域, 可能意味着该区域具有壳-幔强耦合的特征。

2.3.3 不同周期的方位各向异性分布

不同周期的Rayleigh面波方位各向异性可用于研究地球不同埋藏深度的各向异性强度和快波方向特征, 进而了解不同深度域的形变、 对流等地球动力学过程。 为了便于讨论方位各向异性与速度之间的关系, 本文将各周期的方位各向异性结果直接投影在Rayleigh波相速度分布图上(图 9), 图中黑色短实线的延伸方向指示该处Rayleigh面波的快速传播方向(也称为快波方向), 长度则代表各向异性的强度大小。 由图9可见, 不同周期的Rayleigh面波相速度方位各向异性图像呈现出明显的横向变化, 具有与地质构造单元密不可分的空间差异性展布特征。 现将反演获得的Rayleigh波相速度方位各向异性分为3个周期区间分别进行描述。

6~10s周期段的Rayleigh波相速度方位各向异性对应研究区域上地壳内的地震各向异性。 该周期段的各向异性强度总体上偏弱, 绝大多数区域的各向异性强度< 3%, 快波方向呈现凌乱无序、 杂乱无章的状态。 在苏北盆地、 河淮盆地、 渤海湾盆地南部等Rayleigh波相速度较低的地质构造单元区域, 其方位各向异性强度较大(≥ 3%); 而基岩出露的鲁西隆起、 苏鲁-大别造山带、 江南造山带及华南褶皱系等Rayleigh波相速度较高区域的方位各向异性表现出相对较弱(< 3%)的特征。 上地壳各向异性主要由流体包裹体或者裂隙所致, 低速区域的物质易发生运移、 流动性较强, 导致上地壳内裂隙或者矿物介质的重新定向排列产生更强的各向异性, 这与本文在地壳浅部低速区观测到较强各向异性的认识相符。 值得一提的是, 鲁西隆起的Rayleigh面波相速度方位各向异性较弱, 基本未能探测到, 而地震面波群速度观测法(黄忠贤, 2011)在周期T=11.6s时得到了同样的观测结果, 我们推测可能是该区受到的强烈的造山运动将原先 “ 冻结” 保存的 “ 化石” 各向异性特征抹去了, 并且未发生明显的水平运动形成新的水平方向上的方位各向异性; 此外, 其Rayleigh波的快波方向主要表现为NW-SE向, 不仅与黄忠贤(2011)采用地震面波法获得的群速度快波传播方向、 Rayleigh波相速度快波方向(Shen et al., 2016)及SKS波分裂结果(Zhao et al., 2008; 高原等, 2010)一致, 而且与其地壳浅部绝大多数断裂构造的伸展方向一致。 周期T=6s时苏北盆地的快波方向主要表现为NNE-SSW和NEE-SWW向, 这与该区域近地表一系列NE-SW向隐伏断裂构造的走向和Rayleigh波相速度的快波方向(Shen et al., 2016)一致; 其西部的快波方向由短周期T=6s的近SN向转为NE-SW向。 此外, 作者将揭露地壳浅部的面波方位各向异性与主压应力的观测结果(Heidbach et al., 2018)进行了对比, 发现二者也存在一定的相似性, 如在苏北盆地均表现为NE-SW向。

15~20s周期段(15~35km的中、 下地壳)的Rayleigh波相速度方位各向异性表现出以下特征: 随着周期的递增, 虽然研究区内低速异常的区域有所减小, 但是该周期段的方位各向异性强度总体上较短周期有所增大。 在苏北盆地、 鲁西隆起、 大别造山带、 华南褶皱系及下扬子西部的江南造山带等区域, 各向异性强度出现了一定程度的增加, 达到3%以上。 表现为低速异常的苏北盆地, 其Rayleigh面波方位各向异性的强度> 5% , 快波方向自南向北由NW-SE向转为NNE-SSW向, 且周期T=15s和T=20s的结果具有很好的一致性, 表明该区域中、 下地壳具有一定的垂直连贯性。 鲁西隆起的快波方向由短周期的NW-SE向转至中、 下地壳的NWW-SEE或近EW向, 与前人(黄忠贤, 2011)由地震面波群速度获得的NW-SE快波方向存在一定的偏差, 推测可能是由群速度和相速度的本质区别所致。 在鲁西隆起以南、 合肥盆地及苏北盆地以北地区, 快波方向存在一顺时针旋转的 “ 漩涡流” , 其下方是否也存在着类似青藏高原东南缘下方的地壳流(朱介寿等, 2017)值得进一步深入开展研究。 胶东半岛的面波快波方向呈NW-SE向, 这与地震各向异性SKS波分裂观测法得到的结果(高原等, 2010)一致。 在苏鲁造山带与苏北盆地分界的淮阴-响水口断裂(图 1 中③号断裂)西段以南, 面波的快波方向表现为同断裂构造展布延伸方向一致的NE-SW向, 断裂的形成、 演化机制可能与NE-SW向的剪切应力相关。

25~30s周期段(25~55km的下地壳至上地幔)的Rayleigh波相速度方位各向异性表现出以下特征: 随着周期的递增, 速度出现了高、 低速相间分布的强非均匀性特征。 由图 9 可见, 随着周期(深度)的增加, 研究区内的Rayleigh面波相速度方位各向异性强度普遍增大(> 3%), 并且相对短周期(6~20s)对应的地壳而言, 方位各向异性的快波方向已不再像短周期对应的地壳内所表现的那样杂乱无序, 而是更具规律可循。 地震各向异性的观测手段主要包括面波层析成像、 Pn波、 接收函数及SKS波分裂法等, 不同的各向异性观测结果实则是地震各向异性的不同表现形式。 沿着界面传播的面波的各向异性主要体现水平方向上地球介质的各向异性特征, 而近垂直入射台站的SKS波的分裂则代表地球介质垂向上的平均效应, 如若二者观测结果一致, 则可认为其下方的各向异性结构在垂向的变化不大。 经对比可知, SKS波分裂结果(Yang et al., 2019)与面波方位各向异性结果存在一致之处, 如郯庐断裂带东南的近EW或者NW-SE向; 而2种各向异性的观测方法也存在一定差异之处, 如大别造山地区面波各向异性主要表现为近EW向, 而SKS波分裂结果则在NW-SE或NE-SW向均有一定分布。 分析认为, 2种不同观测方法存在一定差异表明地球介质的垂向各向异性较强, 这也与大别造山地区的第四纪以来的活动特征明显相匹配; 而郯庐断裂带东南这2种各向异性观测手段近似表明其下方的垂向各向异性不强, 这也与该地区具有弱地震活动的特征吻合。 由此可见, 任何单一的地震各向异性观测手段仍存在片面性和低分辨的缺陷, 开展基于多种观测手段的各向异性联合反演并进行综合解释和探索研究才更为可靠。

地幔的各向异性通常被认为是由于地幔物质形变引起橄榄岩中晶格的优势排列方向所导致, 而板块运动在很大程度上决定了地幔各向异性的方向和大小, 扬子板块由南向其北面的华北地块下插、 俯冲等一系列的板块运动(地幔流动方向)导致碰撞完成后上地幔受挤压而 “ 冻结” 了一系列近EW和NW-SE向的橄榄岩晶格优势趋向, 下地壳及岩石圈地幔的方位各向异性方向基本一致, 据此推测其下方的岩石圈变形属于垂直连贯变形壳-幔强耦合模型。 已有研究(易桂喜等, 2010)认为, 地壳及上地幔内的部分熔融层具有低速异常分布与各向异性双重特征, 而熔融和熔体的重新定向排列可能改变各向异性的强度和方向; 苏北盆地自短周期至长周期均呈现为低速异常, 上地壳呈现低速可能是受较厚沉积层的影响, 中、 下地壳则可能存在熔融层, 岩石圈地幔可能仍处于热异常状态, 部分证据可见大地热流结果分布图(顾勤平等, 2020b); 同时, 结合该地质单元自地壳浅部至岩石圈地幔的方位各向异性快波方向特征分析, 该区域可能存在着壳-幔强耦合现象。

3 结论

本文收集了郯庐断裂带中南段及邻区内共261个固定宽频带地震台站2015年1月— 2016年12月的连续波形资料, 利用时频分析方法— — FTAN提取了Rayleigh面波在5~50s周期范围内的相速度频散曲线, 反演获得了郯庐断裂带中南段及邻区的Rayleigh面波相速度和方位各向异性分布, 进而对郯庐断裂带中南段及邻区的地质构造机制、 深部构造环境、 岩石圈演化、 壳幔耦合等展开了初步探讨。

Rayleigh面波的相速度与地表地质和构造特征表现出很好的相关性。 在上地壳, 具有较厚松散沉积层的盆地或平原区表现为明显的低速异常, 渤海湾盆地南部、 苏北盆地、 河淮盆地等地质单元自新生代以来接受了大量松散沉积物的积淀, 受沉积盖层的影响, Rayleigh波的相速度相对较低; 而基岩出露的鲁西隆起、 大别-苏鲁造山带、 华南褶皱系及江南造山带等表现为高速异常。 随着周期(深度)的递增, 中、 下地壳的相速度继承了地壳浅部速度结构的特征, 速度仍然受浅层松散沉积层的影响, 但其影响已有所减弱, 在原先呈低速分布的盆地或平原区— — 渤海湾盆地、 河淮盆地等出现了部分高速异常。 较长周期的(25~30s)Rayleigh波相速度与地壳厚度大体上呈负相关, 如原先以高速异常展布的大别山地区, 因其具有较厚的莫霍面而呈现为低速异常。

郯庐断裂带中南段及邻区各个地质构造单元因所处构造环境存在差异, 其Rayleigh面波方位各向异性的强度和方向均存在着明显的空间差异性。 6~10s周期段的方位各向异性强度与高、 低速相速度之间呈现出一定的相关性, 以低速分布的盆地或平原区的各向异性稍强(> 3%), 基岩出露的造山带的各向异性稍弱(< 3%)。 而在鲁西隆起基本未能探测到方位各向异性, 推测是受到的强烈的造山运动将原先 “ 冻结” 保存的 “ 化石” 各向异性特征抹去了, 并且未发生明显的水平运动形成新的方位各向异性。 随着周期的递增(15~20s), 各向异性的强度整体上有所增强, 强度> 3%的区域明显增多。 低速异常分布的苏北盆地的快波方向自南向北由NW-SE向转为NNE-SSW向, 且周期T=15s和T=20s的结果具有很好的一致性, 表明该区域中、 下地壳具有一定的垂直连贯性。 当周期(深度)递增到下地壳至上地幔, 各向异性强度继续增强, 快波方向已不再像短周期所反映的地壳那样表现得杂乱无序, 而是更具规律可循。 沿界面水平传播的Rayleigh波的快波方向与近垂直抵达台站的SKS波观测的各向异性存在异、 同点, 如二者的观测结果一致, 则观测点下方的各向异性结构在垂向的变化不大。 不同的各向异性观测手段获得的结果实则是地震各向异性的不同表现形式, 由于任一单独的观测手段存在片面性和低分辨等问题, 有必要开展多种观测手段的联合反演或综合解释。

本文虽获得了郯庐断裂带中南段及邻区地壳上地幔的Rayleigh波相速度及方位各向异性展布结果, 但仍然具有一定的局限性和片面性。 例如, 黄海海域受限于台站分布条件, 缺失了近EW向射线分布, 直接导致了分辨率的降低。 其次, 本文仅给出了不同周期的相速度及方位各向异性结果, 而其是不同深度域S波速度和各向异性的 “ 平均效应” , 这为开展剖面速度、 方位各向异性结果与地质构造特征的对比讨论带来了一定的困难。 在下一步工作中, 将收集东部IRIS固定宽频台站的数据, 以弥补缺失的EW向射线覆盖, 进而完成面波层析成像的第二步即不同深度域的S波反演; 此外, 还将结合作者已完成的对界面敏感的P波接收函数开展面波频散和接收函数的联合反演。

致谢 中国地震局地球物理研究所 “ 国家数字测震台网数据备份中心” 以及浙、 鲁、 皖、 苏等省属地震台网为本文提供了连续波形数据; 论文中所有图件均采用GMT(Wessel et al., 1998)绘制; 中国科学技术大学姚华建教授提供了面波频散曲线测定程序; 审稿专家为本研究提出了建设性意见, 使本文增色良多。 在此一并表示感谢!

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