廣東及其鄰域噪聲面波層析成像

沈玉松 康 英

1）中國合肥230026中國科學技術大學地球與空間科學學院

2）中國廣州510070廣東省地震局

引言

廣東及其鄰域（18°—28°N，106°—120°E）位于我國東南沿海，地處歐亞大陸東南緣，上新世末—更新世以來，由于印度洋板塊、菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞、推擠和臺灣海峽的近期擴張，導致該區(qū)出現(xiàn)較強烈的新構造活動（魏柏林，2001）.特別是沿著沿海的濱海斷裂帶，粵西與廣西沿海交界的北部灣地區(qū)、珠江口外海地區(qū)、粵東與閩西交界的地區(qū)，都是重要的中強地震活躍區(qū)（陳恩民，黃詠茵，1984；姚伯初等，1994）.因此深入研究該區(qū)域的地殼速度結構的分布特點，一方面有助于了解該地區(qū)地殼結構中蘊含的巖石圈物質流動的地球物理證據(jù)，揭示該區(qū)斷裂活動規(guī)律，探討大陸構造物理及造山運動特征；另一方面對該區(qū)域內(nèi)地震監(jiān)測預報、工程地震、地震應急等方面的研究具有理論意義和實際應用價值.

利用相鄰地震臺站記錄的背景噪聲互相關提取短周期面波的格林函數(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.數(shù)值試驗和理論推導都已證明（Lobkis，Weaver，2001；Derode et al，2001，2003；Weaver，2005；Campillo，2006；Gouédard et al，2008），在均勻散射場中，任意兩點間的格林函數(shù)可以由該兩點連續(xù)記錄的位移的互相關函數(shù)中提取出來.Sabra等（2005a）根據(jù)同一平面上均勻分布的點源噪聲源在半無限三維空間中的傳播理論，證明了這樣提取的信號與兩個臺站間的格林函數(shù)只存在幅度上的差異.

Shapiro等（2005）通過對美國加州地區(qū)USArray臺陣的62個地震臺站記錄到的一個月的地震背景噪聲進行互相關，得到了僅與臺站間格林函數(shù)有幅度差異的互相關函數(shù)，并據(jù)此提取出了短周期的面波頻散曲線；然后通過面波層析成像方法，進一步得到了該地區(qū)周期為7.5s和15s的瑞雷波群速度分布圖像.相比于傳統(tǒng)的基于地震面波的層析成像方法，這種新的地震成像方法由于不受震源分布、震源位置誤差，以及短周期面波衰減的影響而特別適合于少震地區(qū)的區(qū)域面波層析成像研究.尤其是該方法可以獲得較短周期（如5s）的頻散曲線，因此可以對上地殼有較好的分辨率.近年來該方法在美國、歐洲、澳大利亞東南部、南非、中國等國內(nèi)外多個區(qū)域得到廣泛應用（Yao et al，2006；Brenguier et al，2007；Lin et al，2007；Yang et al，2007；Zheng et al，2008，2011；Zhou et al，2012）.本文利用廣東省“十五”數(shù)字地震臺網(wǎng)及周邊省份的部分臺站記錄的垂直分量地震背景噪聲數(shù)據(jù)，通過互相關方法提取相鄰地震臺站短周期面波的經(jīng)驗格林函數(shù)，進而采用澳大利亞國立大學Rawlinson（2008）提出的地震面波快速匹配層析成像（fast marching surface tomography package，簡寫為FMST）方法，得到了周期為5—28s的瑞雷波群速度分布圖像.

1 數(shù)據(jù)和處理方法

本文所用數(shù)據(jù)為2009年8月—2010年5月記錄時間長度為10個月的連續(xù)波形的垂直分量.所用廣東及其鄰域數(shù)據(jù)的臺站數(shù)目為：廣東52、福建10、臺灣7、香港7、海南5、廣西11、湖南4、江西8，共104個臺站.其中14個為短周期臺站，其余的為60s或120s的寬頻帶臺站，還有一個臺站（GZH）為360s的甚寬頻帶臺站.臺站分布如圖1所示.

圖1 用于噪聲互相關提取的臺站分布圖細黑線為省界，粗黑線為斷層分布（鄧起東，2007），白色粗虛線為從CHZ臺到SCD臺的大圓路徑Fig.1 Distribution of seismic stations used for ambient noise correlationThin dark lines denote provincial boundaries，thick dark lines denote faults（Deng，2007），the thick white dashed line from the station CHZ to SCD indicates the selected great circle path for Fig.2

房立華（2009）、Bensen等（2007）和Rawlinson（2008）對利用地震噪聲提取頻散曲線和面波層析成像的方法和技術等進行了詳細的介紹，因此下面僅對本研究中的數(shù)據(jù)處理流程和方法進行簡要的描述.

首先，通過地震背景噪聲互相關方法得到臺站間的經(jīng)驗格林函數(shù).為了減少臺站儀器差異、地震信號、臺站附近干擾源等因素對噪聲互相關的影響，減少互相關的計算時間，需要對連續(xù)背景噪聲數(shù)據(jù)進行去儀器響應、濾波、重采樣以及時域歸一化等數(shù)據(jù)預處理.目前主要使用的時域歸一化方法有“one-bit”（Larose et al，2004）方法、剪切閾值法（Sabra et al，2005b，c）、地震事件自動檢測和移除法、滑動絕對平均歸一化（running absolute mean normalization）方法和水準量迭代歸一化（iterative water-level normalization）方法（Bensen et al，2007）.Bensen等（2007）對上述幾種時域歸一化方法進行了對比研究.根據(jù)其研究結果，我們選擇了滑動絕對平均歸一化方法對本文的連續(xù)波形數(shù)據(jù)進行時域歸一化預處理.該方法通過選取一個固定長度的歸一化滑動時間窗，計算出該時間窗內(nèi)連續(xù)波形的絕對值的均值，以該均值的倒數(shù)為歸一化權重，對位于滑動窗中心處的連續(xù)波形值進行加權.數(shù)據(jù)預處理后，我們按“日”對10個月的數(shù)據(jù)進行互相關計算和疊加.為了減小噪聲源分布不均的影響和進一步提高信噪比，通過對疊加后的互相關曲線的因果支和非因果支進行反向疊加，最終得到臺站間的經(jīng)驗格林函數(shù).然后，當?shù)玫降呐_站間經(jīng)驗格林函數(shù)的信噪比足夠高時，通過采用時頻分析方法（Levshin et al，1992）即可測量得到臺站間的瑞雷波群速度頻散曲線.我們利用Rawlinson（2008）提出的FMST方法，對臺站間測量得到的群速度頻散進行反演，最終得到研究區(qū)域的瑞雷波群速度圖.該層析成像方法通過對波動方程進行差分計算，利用最小走時原理快速計算出臺站間的射線在二維球面上的理論走時，并利用觀測走時與理論走時之差值，采用子空間反演方法，得到反演模型節(jié)點上的速度校正值.

2 結果

根據(jù)前面所述方法，從10個月的連續(xù)背景噪聲互相關曲線中，對大部分臺間距大于120km的臺站對，我們都能獲得清楚的瑞雷波信號.圖2是典型的背景噪聲經(jīng)驗格林函數(shù)、噪聲源來源方位以及瑞雷波群速度頻散曲線的測量圖.互相關曲線圖（圖2a，b）顯示，在不同震中距和不同頻帶下，互相關曲線的峰值都非常明顯，這表明在整個研究區(qū)域內(nèi)，經(jīng)驗格林函數(shù)都能夠清晰地獲取到.圖2b中，互相關曲線對稱峰值的幅值差異表明背景噪聲源強度分布的非均勻性.為了進一步研究噪聲源的方位及來源，首先對互相關曲線按噪聲源頻段分布進行帶通濾波，然后對濾波后的互相關曲線進行歸一化，最后根據(jù)每對臺站的方位角及其歸一化后的因果支和非因果支的最大值，得到圖2c給出的4個頻段的噪聲來源方位分布圖.從圖2c中可以看出，5—10s周期段的高頻噪聲來源的方向性非常明顯，主要來源于東南方向（方位大致為45°—120°），散布范圍大致與研究區(qū)域的海岸線平行，因此推測噪聲的來源主要是由于淺海的水陸相互作用引起的.這一結果與Stehly等（2006）利用南加州地震臺陣獲得的觀測結果類似.特別是在臺灣海峽方位，噪聲的不均勻性特別明顯，可能是海峽間水陸作用更為劇烈所致.隨著頻段的周期變大，噪聲來源的方向性相對減小.其中10—15s周期段的噪聲來源的方位主要變?yōu)闁|南（太平洋）、西南（印度洋）和北偏西（大西洋）.其中東南方向的噪聲源較強，其方位與中國臺灣島和菲律賓之間的巴士海峽的方位一致，說明島嶼與島鏈對遠洋噪聲具有一定的阻擋作用.

圖2 瑞雷波經(jīng)驗格林函數(shù)、噪聲強度方位分布及噪聲互相關頻散曲線測量圖（a）MEZ臺與其它臺站之間的噪聲互相關曲線；（b）CHZ－－SCD臺站對之間的經(jīng)驗格林函數(shù)在不同周期段的帶通濾波；（c）不同周期段的噪聲源方位分布；（d）CHZ－－SCD臺站對之間的瑞雷波群速度頻散曲線的測量.白色實線表示實測群速度值，黑色虛線表示基于華南地殼速度結構模型（鄭圻森等，2003）的理論群速度值Fig.2 Example of Rayleigh wave empirical Green’s function，orientation distribution of noise intensity and dispersion measurements obtained from ambient seismic noise correlations（a）Ambient noise correlations between the station MEZ and other stations；（b）Empirical Green’s function filtered in different frequency bands for the CHZ－－SCD path；（c）Orientation distribution of noise intensities in different frequency bands；（d）Rayleigh wave group velocity dispersion curve for the CHZ－－SCD path.The white solid line represents the measured value，the black dashed curve is the theoretical value from the South China crustal velocity model（Zheng et al，2003）

從圖2b同一臺站對的不同周期段的經(jīng)驗格林函數(shù)圖中，可以直觀地看到頻散現(xiàn)象.根據(jù)臺站對間的經(jīng)驗格林函數(shù)，從瑞雷波信噪比大于12的臺站對間測量得到了該臺站對間的基階瑞雷波群速度頻散曲線（圖2d）.從圖2d可以看出，在短周期（10s以內(nèi)）部分，實測的群速度值低于理論群速度值；在長周期部分，實測的群速度值比理論值要偏大.短周期部分群速度值偏低可能是由于沿海地區(qū)地表存在一定厚度的沉積層引起的，而長周期部分的群速度值偏高則是由于沿海地區(qū)的地殼厚度相對于華南地區(qū)的平均地殼厚度要?。ㄠ嵺呱龋?003；沈玉松等，2013）引起的.

從所有信噪比大于12的經(jīng)驗格林函數(shù)中，我們測量得到的頻散曲線的周期范圍為5—40s（圖3a）.從圖3a可以看出，具有較好測量路徑數(shù)的周期范圍為5—28s.在該周期范圍內(nèi)的每個周期點上，測量路徑數(shù)都大于600，測量路徑基本上覆蓋了整個廣東及其周邊地區(qū)（圖3b）.特別是在粵東地區(qū)，由于臺站分布更為均勻和密集，射線的覆蓋率比其它地區(qū)更高.

圖3 不同周期測量得到的頻散路徑數(shù)分布（a）和0.25°×0.25°網(wǎng)格條件下周期為10s時的頻散路徑密度分布（b）.在周期為5—28s范圍內(nèi)，頻散路徑的密度分布在空間上類似Fig.3 （a）Distribution of the number of dispersion paths for different periods；（b）Ray density map for the period of 10s，the ray density is the number of rays passing through a 0.25degree by 0.25degree cell.In the period range of 5—28sthe ray coverage is similar in space

圖4 1°×1°分辨率的檢測板（a）和華南地殼速度結構模型及其群速度隨深度敏感核（b）Fig.4 （a）The checkboard for 1°×1°resolution；（b）The sensitive kernel of group velocity with depth based on the South China crustal velocity model（left panel）

圖5 周期為5，8，15s和28s的檢測板層析成像結果Fig.5 The tomography results of checkboard test at periods of 5，8，15and 28s

為了檢驗各周期的射線路徑分布的反演分辨率，我們對反演區(qū)域進行了1°×1°分辨率的檢測板實驗.圖4a為反演區(qū)域內(nèi)1°×1°分辨率的檢測板，檢測板的速度擾動幅度為±0.4km／s.圖4b為不同周期的群速度對地下速度結構的敏感深度圖，隨著頻散周期的增加，研究區(qū)域的群速度分布受地表淺層地質構造的影響逐漸減小.圖5給出了周期為5，8，15，28s的檢測板實驗層析成像反演結果.從圖5可以看出，在北東—南西方向的廣東及其周邊區(qū)域內(nèi)，檢測板中速度擾動的幅度和形狀都能較好地反演出來，而在反演區(qū)域的西北部和東南部，由于射線路徑的缺失，檢測板中的速度擾動基本不能反演.因此本文中只討論北東—南西方向的廣東及其鄰域的層析成像結果.根據(jù)不同周期的測量路徑數(shù)和射線覆蓋密度，我們反演得到了廣東及其周邊地區(qū)周期為5—28s的瑞雷波群速度分布圖（圖6）.從圖6中5s的短周期群速度圖可以看出，該地區(qū)的群速度呈高低交替變化狀態(tài)，對應地形相對較高的山脈地區(qū)的群速度相對較大，而在山脈與山脈之間的過渡區(qū)域群速度相對較小.這與研究區(qū)域中沉積層、巖漿巖、變質巖交替出現(xiàn)的復雜地表地質構造（魏柏林，2001）現(xiàn)象比較一致.在粵北的南雄、梅州以及粵東沿海的南澳一帶，5s的群速度分布圖上存在一些低速區(qū)，這可能與該地區(qū)的地質構造中存在著一些較新的沉積層有關.從圖6中周期為5s和8s的群速度分布圖的變化可以看出，隨著頻散周期的增加，群速度總體上增大，群速度圖的橫向變化逐漸減小.說明廣東及其鄰域的地殼淺層地質構造比較復雜，隨著深度的增大，地殼結構的橫向變化逐漸顯示出均一化的趨勢.但從反演得到的周期為15s的群速度圖上可以看出，相對于5s和8s的群速度圖，該周期的群速度總體上變小了，結合圖4b中周期為15s對應的敏感深度，可以推測在廣東及其鄰域的地殼中存在一個低速層.

圖6 周期為5，8，15s和28s的瑞雷波群速度層析成像圖圖中黑色小點表示該地區(qū)1970年以來M≥1.0的地震分布Fig.6 Rayleigh wave group velocities at periods of 5，8，15and 28swhere the small black dot indicates historical earthquakes with M≥1.0in the region since 1970

另外，從圖6周期為5s和8s的群速度分布圖上的地震（小黑點）分布情況來看，地震主要分布在群速度的高低速過渡區(qū).而根據(jù)田有等（2007）的研究表明，高速區(qū)域一般是脆性的巖殼層，比較容易集中應力，而低速區(qū)域則可能代表了破碎程度高、富含流體或溫度較高的區(qū)域.低速體易于傳遞能量，但難以積累能量；而高速體則容易積累引發(fā)地震的應變能.高低速異常體的過渡帶既是應力集中的地方，又是介質相對比較脆弱的地方，這樣的環(huán)境具備了積累大量應變能的介質條件，容易發(fā)生破裂，釋放應力，因而容易引發(fā)地震.所以，周期為5s和8s的群速度分布圖上的地震分布特征也在一定程度上表明了地殼結構的不均勻性，而且地殼的不均勻性也主要表現(xiàn)在淺層的上地殼，這與該地區(qū)的一些地震精定位研究所得到的地震深度相一致（康英等，2007；葉秀薇等，2009）.

廣東及其鄰域的地殼厚度總體上比較平坦，平均厚度在29km左右，由西北向東南地殼厚度逐漸變薄，總體厚度變化在6km左右（尹周勛等，1999；鄭圻森等，2003；Zhang，Wang，2007；黃暉等，2010；沈玉松等，2013），所以周期為28s群速度分布圖像中的低速群速度異常區(qū)不太可能是由于地殼厚度的變化引起的.根據(jù)熊紹柏等（1991）的研究顯示，廣東及周邊福建地區(qū)具有廣泛的溫泉和地熱分布，這些地熱可能是地幔的熱源通過一些斷裂通道向地殼內(nèi)運移形成的，這可能是引起周期為28s群速度分布圖像中出現(xiàn)低速異常的可能原因.

3 討論與結論

廣東及其鄰域毗鄰南海北部陸緣，來自海洋的背景噪聲極其豐富，是研究噪聲特性并利用噪聲進行結構研究的極佳場所.通過對廣東及其鄰域內(nèi)數(shù)字地震臺的10個月連續(xù)波形記錄的互相關，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域內(nèi)的噪聲來源具有較強的非均勻性，尤其是短周期噪聲（5—10s）的非均勻性特別明顯，主要來自東南沿海方向，基本與東南沿海的海岸線分布相一致，這說明該周期段的噪聲可能是由于近海的水陸相互作用引起的；而長周期（15—20s，20—30s）的噪聲特性表明其與近海環(huán)境之間無很強的相關性，可能主要來自于遠洋背景噪聲的作用，且獲取的噪聲來源方位上也基本與三大洋所在方位一致.另外長周期噪聲來源的強度顯示，島嶼與島鏈對遠洋噪聲可能具有一定的阻擋作用.這些噪聲周期來源的差異性也反映了噪聲在傳播過程中的衰減特性，即短周期噪聲主要來源于短距離傳播源，而長周期噪聲則經(jīng)歷了較長的傳播路徑.從我們獲得的研究區(qū)內(nèi)的瑞雷波經(jīng)驗格林函數(shù)，進一步發(fā)現(xiàn)了研究區(qū)的噪聲面波主要集中在周期為5—40s的群速度頻散曲線.通過最終的分析對比，最終使用了周期為5—28s的面波群速度進行層析成像反演，這主要是由于該周期段的面波不僅來源豐富，而且可靠性很好.從噪聲面波層析成像的結果來看，短周期的群速度圖像的橫向交替變化明顯，隨著周期增大，群速度圖的橫向變化逐漸減小.這可能反映了研究區(qū)域地殼淺部沉積巖、巖漿巖、變質巖交替出現(xiàn)的復雜的地質構造現(xiàn)象.但整個地殼的S波速度結構橫向相對比較均勻，而15s負頻散群速度圖像的出現(xiàn)，表明廣東及其鄰域的地殼中可能普遍存在一個低速層.另外短周期的群速度分布與研究區(qū)域內(nèi)的歷史地震分布具有較大的關聯(lián)性，而較長周期（28s）的群速度分布可能揭示了研究區(qū)域內(nèi)廣泛分布的溫泉和地熱的成因.

當然，由于在粵北及其周邊的湖南、江西以及南海海域地區(qū)臺站稀少，導致層析成像結果在粵北和沿海邊界區(qū)域的分辨率不夠高.隨著區(qū)域永久地震臺站（特別是海島臺站）的增加，我們將在下一步的研究中增加新的臺站數(shù)據(jù)資料，提高頻散曲線的提取頻率，以便進一步提高對地殼淺層構造的分辨率.

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