基于s波純波形擬合法的蘇魯?shù)貐^(qū)殼幔剪切波速度結(jié)構(gòu)

基于s波純波形擬合法的蘇魯?shù)貐^(qū)殼幔剪切波速度結(jié)構(gòu)

0蘇魯?shù)貐^(qū)s波速度結(jié)構(gòu)的精細(xì)研究大陸的深度和動(dòng)力學(xué)是國際地殼研究的熱點(diǎn)。大別—蘇魯造山帶中發(fā)現(xiàn)了含柯石英和微粒金剛石的超高壓變質(zhì)榴輝巖,表明那里的陸殼巖石曾俯沖到100km以下的深度,并快速折返;而隨后在大別、蘇魯?shù)氖耖蠙鞄r中發(fā)現(xiàn)的針狀鈦鉻磁鐵狀出溶體被認(rèn)為可能來自300～400km的深度。大別造山帶已有多條人工地震剖面經(jīng)過,對(duì)大別地區(qū)地殼的細(xì)結(jié)構(gòu)提供了很清晰的圖象,蘇魯?shù)貐^(qū)相對(duì)而言研究力度較弱,尤其是剪切波速度結(jié)構(gòu)的精細(xì)研究更是非常少見。本文利用擬合深源遠(yuǎn)震的S波記錄波形反演了蘇魯?shù)貐^(qū)17個(gè)臺(tái)站下方地表至100km深度的精細(xì)巖石圈S波速度結(jié)構(gòu)(臺(tái)站分布見圖1),填補(bǔ)了該項(xiàng)研究的不足,并對(duì)該地區(qū)不同構(gòu)造體內(nèi)總體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析;結(jié)合部分臺(tái)站的長(zhǎng)周期波形記錄反演,對(duì)俯沖板片的深度及現(xiàn)存狀態(tài)等進(jìn)行了分析;最后探討了速度結(jié)構(gòu)與中小地震深度分布的關(guān)系。1切割波速結(jié)構(gòu)反演方法1.1剪切波速度結(jié)構(gòu)張學(xué)民等發(fā)展的純S波波形擬合方法,可參看文獻(xiàn)。通過計(jì)算垂向S波波形,與實(shí)際觀測(cè)波形進(jìn)行對(duì)比,就可以得到臺(tái)站下方的剪切波速度結(jié)構(gòu)。該方法使用完整的矩陣傳遞手段,所得到的理論波形中包含了各個(gè)界面的反、透射波,是多個(gè)次級(jí)透射和反射波的疊加,因此計(jì)算結(jié)果可以直接與原始波形進(jìn)行對(duì)比,波形中各震相的損失減低到最小。1.2利用廣義反透射矩陣計(jì)算地震儀器的頻率關(guān)系有些臺(tái)站遠(yuǎn)震資料很少,無法獲得清晰的深源遠(yuǎn)震S波資料,我們使用P波中的轉(zhuǎn)換波來研究其剪切波速度結(jié)構(gòu)。因?yàn)榕_(tái)站記錄的徑向與垂向波形數(shù)據(jù)可以表示為U(ω)?S(ω)Ru(ω)I(ω),W(ω)?S(ω)Rw(ω)I(ω)(1)U(ω)?S(ω)Ru(ω)Ι(ω),W(ω)?S(ω)Rw(ω)Ι(ω)(1)其中S(ω)是震源函數(shù)的頻率譜;Ru(ω)和Rw(ω)分別是臺(tái)站下方的徑向和垂向位移響應(yīng)函數(shù);I(ω)是地震儀器的頻率響應(yīng)。利用廣義反透射矩陣方法可以計(jì)算Ru(ω)和Rw(ω)(朱碚定等,1985)。定義T函數(shù)為T(ω)=Ru(ω)/Rw(ω),則U(ω)=T(ω)W(ω)(2)U(ω)=Τ(ω)W(ω)(2)臺(tái)站的徑向與垂向響應(yīng)函數(shù)相除后,理論轉(zhuǎn)換波形主要反映地殼、地幔中各界面上的PS轉(zhuǎn)換波,因此用來研究剪切波速度結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)便。因?yàn)橹邪苏鹪春瘮?shù)和儀器的頻率響應(yīng),將上式直接變換到時(shí)間域即可得到臺(tái)站記錄的徑向波形,不需要再與儀器進(jìn)行褶積運(yùn)算,通過與實(shí)際波形進(jìn)行對(duì)比就可以調(diào)整速度結(jié)構(gòu)模型。1.3快速模擬退火法di-dmi法因?yàn)槿斯ぴ囧e(cuò)法工作量較大,耗時(shí)較長(zhǎng),我們使用快速模擬退火法進(jìn)行速度模型的反演。反演的目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為E1(m)=1?RE(m)=1n∑ni=1(E1(m))2(3)E1(m)=1-RE(m)=1n∑ni=1(E1(m))2(3)其中E是誤差函數(shù);R是觀測(cè)波形與理論波形的相關(guān)系數(shù);n是各臺(tái)需要擬合的遠(yuǎn)震個(gè)數(shù)。解的誤差函數(shù)為σ=∑Ni=1(di?dmi)(di?dmi)N?Nm?????????????ue001?ue000ue000(4)σ=∑Νi=1(di-dmi)(di-dmi)Ν-Νm(4)其中di為第i個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù);dmi是依據(jù)理論模型m計(jì)算的第i個(gè)理論數(shù)據(jù);N為需要擬合的波形的總采樣數(shù);Nm為需要擬合的模型參量的個(gè)數(shù)。快速模擬退火法是非線性反演方法中比較常用的一種,本文采用柯西分布搜索模型,可以保證在搜索的初始階段模型分布范圍比較廣泛,不致落入局部極小值點(diǎn)。隨著溫度的降低,搜索圍繞誤差越來越小的模型周圍進(jìn)行細(xì)致搜索,可以保證最后結(jié)果的精度。選擇研究區(qū)域的已有成果作為反演的初始模型。將之上下分別取0.5km/s作為模型的約束限制,以減小搜索范圍,降低工作量。即便如此,搜索模型仍在10000次以上,因此可以保證模型的可靠性。對(duì)于莫霍界面深度處,層厚減小到1km,并將上下限制放寬,以獲得合理的莫霍界面深度。反演過程中同時(shí)引進(jìn)光滑約束因子,避免層間速度出現(xiàn)過大的突跳,即將層間速度差作為權(quán)系數(shù),同時(shí)累加在目標(biāo)函數(shù)中。該約束條件避開莫霍界面。為保證搜索模型的廣泛性和可靠性,在每個(gè)臺(tái)站至少取3個(gè)以上的震例進(jìn)行擬合,并保證理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形的相關(guān)系數(shù)大于0.8。波形的長(zhǎng)短選取只影響反演模型地幔深度的結(jié)果,對(duì)地殼模型沒有太大影響。圖2(a)給出了郯城和費(fèi)縣臺(tái)的短周期波形擬合結(jié)果,可以看到幾個(gè)震例都擬合的較好,所得模型平均誤差在0.1km/s左右。為防止單一地震得到的速度模型偏離真實(shí)模型,所以利用多個(gè)震例來共同約束。從圖2中也可以看到,不同方位的地震記錄波形之間存在比較大的差異,如果簡(jiǎn)單只取其一,結(jié)果必然會(huì)出現(xiàn)較大偏差。2地殼下速度結(jié)構(gòu)特征使用32s長(zhǎng)度的深源遠(yuǎn)震S波波列,反演地震臺(tái)下100km左右殼幔S波速度結(jié)構(gòu)。挑選震源深度大于100km的地震,以保證記錄波形不受震源上方介質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響,又保證了入射臺(tái)站下方均勻介質(zhì)底部的入射角比較小。對(duì)于近垂直入射臺(tái)下的純S波,地表記錄到的地震波形包含了震源發(fā)射后經(jīng)地幔、地殼傳播中層狀介質(zhì)的多次轉(zhuǎn)換和反射疊加,波形變化攜帶著臺(tái)站下介質(zhì)結(jié)構(gòu)信息,這是本文反演臺(tái)下橫波速度結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)。本文所使用的震例參數(shù)見表1。模擬記錄多為短周期DD-1儀器,掃描后進(jìn)行數(shù)字化采樣處理,把兩個(gè)水平方向的記錄合成到臺(tái)站與震源組成的大圓弧上作為徑向記錄,垂直向記錄保持不變。通過擬合S波波形的垂向記錄,共反演得到了蘇魯?shù)貐^(qū)15個(gè)臺(tái)站的剪切波速度結(jié)構(gòu)資料(圖3),另外長(zhǎng)島和榮成臺(tái)用T函數(shù)反演P波波形得到。蘇魯?shù)貐^(qū)地殼厚度普遍小于35km,其介質(zhì)分布特征是:郯廬斷裂東部是出露的高壓、超高壓物質(zhì),西部則是抬升后的元古代結(jié)晶基底,都屬于比較高速的物質(zhì)。山東省大部分臺(tái)站下方上地殼都存在高速層,正好對(duì)應(yīng)了這種特性。江蘇省北部的4個(gè)臺(tái)站中,灌云與新沂速度結(jié)構(gòu)比較相似,除了在中地殼出現(xiàn)一個(gè)明顯的高速層,其他層位速度分布比較平穩(wěn),沒有明顯的起伏;連云港與贛榆比較相似,在中地殼連續(xù)出現(xiàn)多個(gè)低速層,而上下地殼速度結(jié)構(gòu)比較平穩(wěn)。日照位于其北部,其地殼速度整體高于其他臺(tái)站,速度層之間起伏變化不大。楊文采等在該區(qū)域的深反射地震結(jié)果顯示:日照北部的超高壓變質(zhì)帶內(nèi)地下5km以上為含橄欖巖和大理巖的片麻巖,5～7km是超高壓物質(zhì)巖片,速度最高值達(dá)到VP=6.8km/s,與日照臺(tái)反演的上地殼的速度結(jié)構(gòu)基本一致。之下十幾公里速度都低于上面的高速層位,直到19km以下速度升高為6.9km/s,地殼底部是速度為7.6km/s的高速薄層。日照臺(tái)反演雖然也有一個(gè)厚度較大的層位,但在23km左右速度下降有一低速層出現(xiàn),之后快速恢復(fù),地殼底部S波速度達(dá)到4.35km/s,與石門地區(qū)相當(dāng)。日照臺(tái)處于活動(dòng)斷裂邊緣,是超高壓變質(zhì)帶北段與南段被切割拉斷的區(qū)域,我們得到的總體速度變化與楊文采等比較一致,其下地殼比較復(fù)雜可能是受到斷層作用的影響。盧造鄖等利用層析成像得到了渤海及其鄰近地區(qū)的速度,在山東半島一帶,在3km深度煙臺(tái)地區(qū)速度最高,VP為6.2km/s;14km深度處,煙臺(tái)地區(qū)速度低于地殼頂部,與其他臺(tái)附近相當(dāng),為5.6km/s;25km界面處,煙臺(tái)由高速6.8km/s下降為6.0km/s,長(zhǎng)島臺(tái)附近速度由6.2下降到6.0km/s,榮成變化不大;34km基本都達(dá)到了地幔頂部速度。我們的結(jié)果顯示煙臺(tái)臺(tái)高低速起伏變化最大,而上地殼低速層比較明顯,25km處的高速層也基本吻合;榮成臺(tái)速度最為穩(wěn)定,無論是14km還是25km深度都沒有高低速層變化;長(zhǎng)島臺(tái)比較突出的是23km以下深度的低速層。結(jié)果與前人一致。郯城、新沂、莒南、沂水,莒縣臺(tái)沿郯廬斷裂依次分布。其中郯城與莒南臺(tái)在上、下地殼都出現(xiàn)明顯的低速,中地殼表現(xiàn)為相對(duì)高速。新沂臺(tái)速度變化幅度沒有上述兩臺(tái)明顯,但與郯城臺(tái)類似之處是上地殼底部存在一個(gè)低速層,一直到地殼底部速度都沒有達(dá)到與其他臺(tái)站相似的水平,可能反映該臺(tái)下方介質(zhì)破碎程度比較強(qiáng)烈。該臺(tái)位于郯廬斷裂的西支中,與其他3個(gè)臺(tái)站不屬于同一條斷裂。1980年國家地震局地球物理勘探大隊(duì)跨郯廬帶的人工地震探測(cè)結(jié)果顯示,郯廬斷裂上地殼速度等值線向上隆起,隆起點(diǎn)逐漸東移,上地殼底部存在速度間斷面,其下為中層地殼的低速層,在下地殼底部有一個(gè)向下凸出的低速異常區(qū),其厚度要超過6km。這與郯城臺(tái)及莒南臺(tái)的速度結(jié)構(gòu)非常吻合,上地殼頂部的高速層以及中下地殼低速層的埋深與厚度都是相當(dāng)?shù)摹２煌幨俏覀兊牡退賹铀俣雀?一來可能是地區(qū)不同速度結(jié)構(gòu)本身存在一定差異,二來我們研究結(jié)果反映S波對(duì)于地下低速層敏感性要高于P波。北部的莒縣、沂水臺(tái)附近速度結(jié)構(gòu)差異比較大。沂水臺(tái)位于郯廬帶的西支,其活動(dòng)強(qiáng)度本身就比東邊的斷裂低。沿郯廬斷裂帶有中、新生代的火山巖分布,郯廬斷裂是地幔物質(zhì)上涌的通道,其速度結(jié)構(gòu)復(fù)雜性應(yīng)與不同地區(qū)斷裂活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)。濟(jì)南和泰安臺(tái)相距比較近,但其速度結(jié)構(gòu)存在明顯的差異。濟(jì)南臺(tái)下方整個(gè)地殼高低速層起伏變化,而泰安臺(tái)上地殼呈現(xiàn)明顯高速,中下地殼相間一些低速層。費(fèi)縣、陶莊、嘉祥臺(tái)速度結(jié)構(gòu)比較相似,是所有臺(tái)站中速度結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定的,中地殼整個(gè)速度結(jié)構(gòu)穩(wěn)定上升。陶莊整個(gè)上地殼速度都比較低,而且在上地殼底部出現(xiàn)一個(gè)明顯低速層,之后一直很穩(wěn)定;費(fèi)縣臺(tái)在下地殼出現(xiàn)低速層,且伴隨上地幔頂部低值。根據(jù)劉長(zhǎng)銓等的結(jié)果,費(fèi)縣—泗水及其以西地區(qū)在中下地殼均出現(xiàn)多個(gè)低速層,而且地殼底部的低速層是最突出的。我們?cè)谖鞑康膸讉€(gè)臺(tái)在下地殼也都不同程度的顯示了一定厚度的低速層。從以上的分析對(duì)比中可以清楚的看到,我們的計(jì)算結(jié)果與前人的研究大部分都能吻合,反映反演結(jié)果是可靠的。同時(shí)可以看到,越是精細(xì)的研究結(jié)果越能與我們的結(jié)果較好的對(duì)應(yīng),這可能與我們的結(jié)果集中于單一臺(tái)站,相當(dāng)于一個(gè)深測(cè)井,而且速度分層比較細(xì)密的緣故。有些地區(qū)存在的差異,可能S波反演與P波反演結(jié)果本身就會(huì)不同,這在層析成像結(jié)果中也有類似的顯示。蘇魯?shù)貐^(qū)也是揚(yáng)子板塊俯沖消減的地區(qū),為了對(duì)深部介質(zhì)有所了解,我們選取了使用FBS-3寬頻帶數(shù)字記錄儀的連云港臺(tái)和萊陽臺(tái)作為反演的對(duì)象(其他臺(tái)站是短周期記錄,不適宜做大深度的反演)。首先利用仿真原理將之轉(zhuǎn)換成波形記錄周期相對(duì)較長(zhǎng)的DK-1位移記錄,然后截取256s長(zhǎng)度的波形,反演臺(tái)站下方800km左右深度的速度結(jié)構(gòu)。因?yàn)镾波位于P波序列之后,各種后續(xù)震相夾雜其中,難以提取長(zhǎng)時(shí)間的純S波波形,所以我們使用P波波形進(jìn)行反演。雖然整個(gè)波形記錄中包含了pP、sP等震相,但由于這些震相與P波具有相同的入射角及傳播特征,而且把垂直向波形作為全波形輸入,理論波形中完全可以計(jì)算和包含這些震相,得到完整的波形結(jié)果。P波在透射過程中在各速度界面產(chǎn)生相關(guān)的PS轉(zhuǎn)換波,因此其徑向記錄攜帶了大量地下構(gòu)造信息,利用上面介紹的T函數(shù)法來計(jì)算理論波形與實(shí)際觀測(cè)波形進(jìn)行對(duì)比,搜索最佳擬合模型作為臺(tái)下的速度結(jié)構(gòu),其中VP=1.8VS。因波形記錄周期大,反演層位厚度設(shè)為20～30km。理論及觀測(cè)徑向記錄波形參見圖2(b),多個(gè)震例的波形記錄都得到了比較好的擬合。反演結(jié)果顯示(圖4),連云港臺(tái)下方地幔頂部速度穩(wěn)定,并保持有微弱降低趨勢(shì),在180～300km深度出現(xiàn)明顯高速層。該臺(tái)位于超高壓物質(zhì)出露地區(qū),也就是俯沖物質(zhì)折返出露地區(qū),180km以下出現(xiàn)的高速層可能就是同步于地表出露所拆離下沉的物質(zhì),從而在地幔中形成相對(duì)高速體。另外740～780km深度處出現(xiàn)了另一個(gè)明顯的高速層,厚度在50km左右。與上面的高速層的S波速度對(duì)比,它們相對(duì)于其上下層位的速度相對(duì)量是近似的,因此有可能是拆離后的板片繼續(xù)下沉后的殘余體,隨著深度的增加板片上下界面熔融,與周圍介質(zhì)融合,板片厚度減小,但板片內(nèi)部溫度相對(duì)其周圍介質(zhì)仍然偏低,呈現(xiàn)相對(duì)高速的特征。當(dāng)然這還有待其他資料的驗(yàn)證。萊陽臺(tái)位于煙臺(tái)—五蓮斷裂附近(圖1),也是揚(yáng)子板塊俯沖的邊緣地帶。其長(zhǎng)周期的速度結(jié)構(gòu)與連云港類似,臺(tái)下方在150～240km深度出現(xiàn)高速層,埋深比連云港淺,厚度也較小,速度值與連云港臺(tái)非常相近,但上下低速層均沒有連云港明顯,說明其在地幔介質(zhì)中停留時(shí)間相對(duì)較短,邊界介質(zhì)剛性仍然較強(qiáng)。再往深部直到800km沒有再出現(xiàn)比較明顯的高速層。推斷150km深度的高速體應(yīng)該是揚(yáng)子板塊的俯沖物質(zhì)。根據(jù)徐佩芬等的地震層析成像結(jié)果,在煙臺(tái)—五蓮斷裂帶西側(cè)110～150km深度為低速物質(zhì),在150～250km深度處存在明顯高速物質(zhì),認(rèn)為110～150km是板塊斷離的深度,而下伏的高速層就是向北俯沖的揚(yáng)子板塊。這與我們的結(jié)果是一致的。綜合這兩個(gè)臺(tái)的資料來看,揚(yáng)子板塊在華北板塊下的俯沖、斷離、拆沉現(xiàn)象是無庸置疑的,其俯沖深度在100km以下。相對(duì)連云港臺(tái),萊陽臺(tái)位于俯沖塊體的前沿,因此其板片深度明顯淺于連云港臺(tái),而且整個(gè)高速塊體速度分布比較均勻。而連云港地區(qū)是俯沖板塊斷離的地區(qū),俯沖下去的介質(zhì)在此拆沉進(jìn)入熱地幔。據(jù)此兩個(gè)臺(tái)站來看,無論是俯沖邊緣還是較遠(yuǎn)的斷離區(qū),斷離殘留板片在地幔中其底界面深度均未超過300km,而頂界面均在200km以上。如果斷離板片的上部折返地表,或者在地幔上涌過程中殘留板片上行,其溫壓條件都難以達(dá)到300km以下深度的,對(duì)于目前一些關(guān)于研究區(qū)域內(nèi)的礦物可能來自300～400km深度的報(bào)道,我們的速度反演結(jié)果為這些礦物的形成機(jī)制提供了一定的制約條件。至于深處700km以下的殘片,可能是拆沉的揚(yáng)子俯沖板片,更可能是其他古老板片的殘余,其介質(zhì)成分等還有待更多資料的佐證。3城區(qū)域地震的分布1668年郯城與莒縣之間發(fā)生了一次M8.5地震,反映了郯廬斷裂帶巨大的活動(dòng)能量。本次我們沿郯廬斷裂帶共得到了沂水、莒縣、莒南、郯城和新沂5個(gè)臺(tái)的資料,其中郯城和莒南臺(tái)地下存在兩個(gè)明顯的低速層,分別位于上地殼底部和下地殼內(nèi);沂水只在上地殼、新沂只下地殼出現(xiàn)低速層;而莒縣整個(gè)中地殼雖然很穩(wěn)定,但處在相對(duì)低速中。下地殼物質(zhì)速度降低一般與地?；顒?dòng)有關(guān),說明研究區(qū)內(nèi)郯廬斷裂的南段地幔介質(zhì)的活躍程度明顯高于北段,這與該段正好位于揚(yáng)子板塊向北俯沖,拆離、超高壓物質(zhì)回返的活動(dòng)特性是一致的。沿郯廬斷裂帶分布的現(xiàn)代中小地震成很好的線性(圖5(a)),與斷裂的走向一致為NNE向。郯城臺(tái)以南地震相對(duì)比北段少,發(fā)震深度分散在5～25km;郯城臺(tái)以北地震相對(duì)較為密集,深度也集中在15～25km的范圍內(nèi);再向北到35.6度以北地區(qū)地震數(shù)目減少,深度也要淺得多,基本上都在20km以內(nèi)。中小地震的頻繁發(fā)生說明郯城周圍仍是應(yīng)力積累的場(chǎng)所,由于整個(gè)斷裂帶在多次活動(dòng)中導(dǎo)致介質(zhì)的破碎程度較高,所以比較難以積累更大的能量。僅就易震層位而言,郯城地區(qū)的地震大多位于上下兩個(gè)低速層所夾持的高速層內(nèi),而北段地震基本位于莒縣臺(tái)脆性的上中地殼內(nèi)。該區(qū)域地殼厚度都在35km左右,所以地震分布相對(duì)是比較深的,反映郯廬斷裂切割深度較大,深部介質(zhì)活動(dòng)比較活躍。蘇魯?shù)貐^(qū)另一條地震分布帶是位于渤海邊緣的煙臺(tái)—長(zhǎng)島區(qū)域,長(zhǎng)島附近地震尤其集中。地震深度分布剖面顯示(圖5(b)),長(zhǎng)島地區(qū)地震相對(duì)較淺,集中在5～15km范圍內(nèi);而東部地區(qū)地震相對(duì)較深,可達(dá)25km左右。對(duì)照其速度結(jié)構(gòu),長(zhǎng)島臺(tái)速度分布相對(duì)較均勻,只在22km深度出現(xiàn)1個(gè)低速層,也就是