邢康 賈漯昭

河南省地震局，鄭州 450016

0 引言

河南及鄰區(qū)(31°～37°N，110°～117°E)位于我國中部略偏東，西部有秦嶺東延的豫西山地，包括崤山、熊耳山、伏牛山、外方山，西南有南襄盆地，北部有太行山，南部有桐柏山、大別山，中部和東部為平原，大地構(gòu)造跨華北板塊和揚(yáng)子板塊，地層發(fā)育齊全，巖漿活動頻繁，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，為內(nèi)外生成礦作用提供了有利條件，是研究華北、華南乃至中國地殼演化的重要地區(qū)(林德超等，1998)。近年來，隨著數(shù)字地震臺站的增加，已經(jīng)取得了很多關(guān)于中國東部地區(qū)噪聲層析成像的成果。例如，葉慶東等(2014)基于噪聲層析成像研究了大別-蘇魯及其鄰近地區(qū)勒夫波群速度結(jié)構(gòu)，吳萍萍等(2015)研究了大別-蘇魯及其鄰區(qū)的瑞雷波群速度結(jié)構(gòu)，宮猛等(2017)研究了華北東部殼幔三維S波速度結(jié)構(gòu)等。盡管上述研究部分覆蓋本文研究區(qū)域，但研究尺度相對較大，且結(jié)果討論關(guān)注區(qū)域不同，并未針對河南地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)及地質(zhì)意義進(jìn)行詳細(xì)探討，因此研究該區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)，對探討其速度分布及可能的地質(zhì)意義具有一定價(jià)值。

噪聲層析成像作為一種新的成像技術(shù)，具有不依賴地震事件、分辨率高等特點(diǎn)。利用該方法可以在地震活動性較弱但地震臺站分布較好的地區(qū)開展高精度的成像研究。由于噪聲層析成像的優(yōu)越性，近些年該方法在中國大陸及鄰區(qū)(易桂喜等，2008；Sun et al，2010)、東北地區(qū)(Zheng et al，2011；余大新等，2014)、華北地區(qū)(唐有彩等，2011；房立華等，2013)、華南地區(qū)(Zhou et al，2012；高佳佳等，2017)、天山及周邊地區(qū)(郭志等，2010)和青藏高原地區(qū)(范文淵等，2015；楊志高等，2018)等均得到廣泛應(yīng)用。本文利用河南及周邊6個(gè)省份39個(gè)寬頻帶和甚寬頻帶地震臺站記錄的垂直分量地震背景噪聲數(shù)據(jù)，提取各臺站間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)，進(jìn)而將研究區(qū)域劃分成1°×1°的網(wǎng)格，利用噪聲層析成像方法獲得了研究區(qū)8～25s的瑞利波群速度分布圖像。

1 數(shù)據(jù)來源

收集了河南地震臺網(wǎng)及周邊河北、山西、陜西、湖北、安徽、山東臺網(wǎng)共計(jì)39個(gè)固定地震臺站(圖1)記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)。地震計(jì)主要類型為BBVS- 60、BBVS-120、CMG-3ESPC和CTS-1，其中多數(shù)臺站為寬頻帶(50Hz～60s)地震儀，少數(shù)臺站為甚寬頻帶(50Hz～120s)地震儀。從圖1 可以看出，除河南東部地區(qū)臺站分布相對稀疏外，整體分布基本均勻。由于本文提取瑞利波格林函數(shù)，因此僅用到瑞利波能量較強(qiáng)的垂直分量的連續(xù)波形記錄，時(shí)間選取范圍為2014年1月～2015年12月。

圖 1 研究區(qū)地貌及臺站分布紅色三角形代表地震臺站；綠色虛線代表太行山-武陵山重力梯度帶；灰色細(xì)線代表斷層線；黑色粗線代表省界線

2 數(shù)據(jù)處理方法

目前，噪聲層析成像方法已較為成熟，其數(shù)據(jù)處理流程由5部分組成：①單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理；②兩兩臺站長時(shí)間波形記錄互相關(guān)計(jì)算與疊加；③頻散曲線測量；④質(zhì)量控制；⑤噪聲層析成像。

2.1 單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理

單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理主要參考Bensen等(2007)提出的方法，包括重采樣(1Hz)、去儀器響應(yīng)、去均值、去趨勢、帶通濾波(4～60s)、時(shí)間域歸一化和頻譜白噪化。其中，時(shí)間域歸一化在單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理中尤為重要，本文采用滑動絕對平均法進(jìn)行處理，可以有效降低地震信號、儀器異常信號和臺站附近非平穩(wěn)噪聲源的影響。圖2(c)、(d)分別給出了商南(SHNA)和淮北(HBE)2個(gè)單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理后的波形，對比圖2(a)、(b)可以看出，地震信號及異常信號得到有效去除，得到了較為“純凈”的噪聲信號。

圖 2 SHNA-HBE臺站對互相關(guān)函數(shù)獲取示意圖(a)SHNA臺站2015年1月18日原始波形數(shù)據(jù)；(b)HBE臺站2015年1月18日原始波形數(shù)據(jù)；(c)SHNA單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理后的波形；(d)HBE單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理后的波形；(e)1天波形數(shù)據(jù)互相關(guān)結(jié)果，紅色波形表示“信號”部分，藍(lán)色表示“噪聲”部分；(f)～(i)不同時(shí)長互相關(guān)波形疊加結(jié)果；(j)2年時(shí)長互相關(guān)波形疊加后再經(jīng)正、負(fù)分支反序疊加結(jié)果

2.2 互相關(guān)計(jì)算與疊加

單臺數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對研究區(qū)內(nèi)所有臺站每日的連續(xù)波形數(shù)據(jù)在相同時(shí)間段內(nèi)做兩兩互相關(guān)計(jì)算，再將2年互相關(guān)波形進(jìn)行疊加，以獲取臺站對的最終互相關(guān)函數(shù)，即經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)。圖2(e)～(i)給出了不同時(shí)長互相關(guān)波形疊加結(jié)果，從圖中可以看出，隨著疊加時(shí)長的增加，互相關(guān)函數(shù)的信噪比隨之增加，面波信號也隨之凸顯。對任意2個(gè)臺站背景噪聲數(shù)據(jù)做互相關(guān)運(yùn)算，均會得到正、負(fù)2個(gè)分支，而這2個(gè)分支往往呈現(xiàn)非對稱性。研究表明，臺站附近噪聲源的非均勻分布，是引起互相關(guān)波形正、負(fù)分支非對稱性的主要原因(Stehly et al，2006；李昱等，2010；王瓊等，2014)。為降低噪聲源非均勻分布的影響，本文做了正、負(fù)分支反序疊加處理。前人研究表明，互相關(guān)波形正、負(fù)分支反序疊加，能有效提高互相關(guān)函數(shù)的信噪比(Lin et al，2008；Zheng et al，2008)，對比圖2(i)、(j)可以發(fā)現(xiàn)，正、負(fù)分支反序疊加后的信噪比由16.7提高到19.0。圖3 給出了部分臺站對互相關(guān)波形2年疊加后再經(jīng)正、負(fù)分支反序疊加的結(jié)果，從圖中可以看出，互相關(guān)波形呈對稱分布，且面波信號明顯，從而為進(jìn)一步提取群速度頻散提供了可靠的數(shù)據(jù)保障。

圖 3 部分臺站對垂直分量的互相關(guān)結(jié)果

2.3 群速度頻散曲線測量及質(zhì)量控制

圖 4 JZ-MCH臺站對的群速度頻散曲線提取示意圖(a)不同周期下經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)的信噪比，紅色星號表示SNR≥5；(b)上方黑色波形表示經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)，下方表示加時(shí)間窗處理后的波形，紅色波形表示面波信號，藍(lán)色波形表示噪聲信號；(c)群速度頻散圖，紅色圓點(diǎn)為滿足信噪比和臺間距條件所提取的群速度頻散點(diǎn)

采用多重濾波技術(shù)對瑞利波群速度的頻散曲線進(jìn)行提取，在提取過程中借助了姚華建等(2004)基于圖像分析方法編制的軟件，該軟件實(shí)現(xiàn)了群速度頻散曲線的全自動快速批提取。圖4 給出了焦作(JZ)和麻城(MCH)臺站對的群速度頻散曲線提取示意圖。為確保群速度頻散曲線提取的可靠性，本文基于經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)信噪比和臺間距條件對頻散測量進(jìn)行質(zhì)量控制。不同周期下的信噪比(SNR)定義為該周期下面波信號窗口振幅最大值與噪聲信號窗口振幅平均值之比(圖4(a))。面波信號(圖4(b)中紅色波形)窗口通過預(yù)設(shè)瑞利波群速度范圍(本文取2～5km/s)來截取，噪聲信號(圖4(b)中藍(lán)色波形)窗口取面波信號窗口后150s。研究表明，SNR≥5便可獲得可靠的頻散測量結(jié)果(郭瑛霞等，2017；張麗娜等，2018)，因此本文剔除了信噪比小于5的頻散點(diǎn)。此外，為滿足遠(yuǎn)場近似條件，只保留了臺間距大于等于3倍波長的頻散數(shù)據(jù)。

盡管本文研究使用了39個(gè)地震臺站數(shù)據(jù)，理論上可以提取741條群速度頻散曲線，但為了確保反演結(jié)果的可靠性，通過對頻散數(shù)據(jù)提取進(jìn)行SNR≥5和臺間距大于等于3倍波長的質(zhì)量控制，最終獲得了498條群速度頻散曲線，用于瑞利波群速度反演。圖5 給出了不同周期反演所用射線路徑統(tǒng)計(jì)和各周期群速度平均值，圖中射線路徑最少周期(8s)也在330條以上，從而確保了反演結(jié)果的可靠性。圖6 給出了4個(gè)典型周期(8s、14s、20s、25s)射線路徑分布情況，圖中除研究區(qū)邊緣射線密度較低外，整體覆蓋良好。

圖 5 不同周期反演所用的射線路徑統(tǒng)計(jì)(a)和各周期群速度平均值(b)

2.4 瑞利波群速度層析成像

采用基于連續(xù)模型的最小二乘反演方法(Tarantola et al，1982；Montagner，1986)進(jìn)行瑞利波群速度層析成像。目標(biāo)函數(shù)Φ(s)參考Yao等(2006)給出的公式

(1)

其中，t和tobs分別為預(yù)測群速度走時(shí)和觀測群速度走時(shí)，s和sp分別為預(yù)測群速度慢度和先驗(yàn)群速度慢度，CD和CM分別為數(shù)據(jù)和模型協(xié)方差矩陣。模型空間的協(xié)方差為

(2)

式中，σs表示先驗(yàn)慢度的不確定性，σc表示先驗(yàn)群速度的不確定性，L表示模型參數(shù)的空間相關(guān)長度。經(jīng)過大量試算及數(shù)據(jù)殘差分析，本文最終確定各周期瑞利波群速度反演的計(jì)算參數(shù)為：σc取各周期群速度平均值的6%，c0取各個(gè)周期群速度平均值，L=max(50km，c0T/2)。在群速度層析成像中，采用1°×1°的網(wǎng)格對研究區(qū)劃分，最終得到了8～25s的瑞利波群速度分布圖像。

3 分辨率檢測

采用檢測板測試法對群速度層析成像結(jié)果的空間分辨能力進(jìn)行檢測。其原理是通過給定不同周期瑞利波群速度理論模型，按實(shí)際射線分布計(jì)算理論走時(shí)，并對理論走時(shí)加上一定的隨機(jī)誤差，得到合成數(shù)據(jù)，再使用與實(shí)際數(shù)據(jù)反演相同的方法和控制參數(shù)進(jìn)行反演，最終分析反演結(jié)果能否恢復(fù)理論速度模型。

根據(jù)檢測板測試原理，對研究區(qū)進(jìn)行了1°×1°的網(wǎng)格劃分，并在不同周期瑞利波群速度平均值基礎(chǔ)上添加±12%的擾動量作為輸入模型，按實(shí)際射線路徑計(jì)算理論走時(shí)并加上1%的隨機(jī)誤差構(gòu)成合成數(shù)據(jù)，最后反演合成數(shù)據(jù)獲得不同周期的檢測板測試結(jié)果。圖7 給出了輸入模型(在相對色標(biāo)(Δv/v，單位：%，其中v表示速度)下，不同周期輸入模型擾動樣式和幅度相同)和8s、14s、20s、25s的檢測板測試結(jié)果。結(jié)果表明，射線覆蓋直接影響反演結(jié)果的分辨率，除射線分布稀疏區(qū)域的擾動樣式和幅度恢復(fù)相對較差外，其它大部分地區(qū)的分辨率均能達(dá)到1°×1°，擾動樣式和幅度均可基本恢復(fù)，因此本文采用1°×1°進(jìn)行網(wǎng)格劃分是合理的，其成像結(jié)果比較可靠。

圖 7 輸入模型和不同周期檢測板測試結(jié)果

圖 8 不同周期的瑞利波群速度分布

4 結(jié)果和討論

根據(jù)上述群速度層析成像方法，最終獲得了河南及鄰區(qū)8～25s的瑞利波群速度分布圖像。前人研究表明，某一周期的群速度對 1/3 波長深度的剪切波速度結(jié)構(gòu)最為敏感(Lin et al，2007；Yang et al，2007)，不同周期的群速度分布分別表征了不同深度范圍內(nèi)的構(gòu)造差異(房立華等，2009；高東輝等，2011)。根據(jù)各周期群速度分布特征，本文選取了4個(gè)典型周期的群速度分布圖像(圖8)進(jìn)行討論。

周期為8s的群速度分布圖像(圖8(a))主要反映地殼淺層速度結(jié)構(gòu)特征。該周期低速異常分布于華北平原；高速異常分布于太行山、崤山、熊耳山、伏牛山、外方山、桐柏山和大別山。山區(qū)與平原高、低速分布界限明顯，其分布特征與山脈和平原構(gòu)造有一定相關(guān)性。低速異常主要由平原沉積層引起，高速異常主要由造山帶結(jié)晶基底引起。值得注意的是，有沉積層覆蓋的南襄盆地并未觀測到明顯低速異常，這可能與研究區(qū)邊緣射線覆蓋較低、分辨率不高有關(guān)。

周期為14s、20s的群速度分布圖像(圖8(b)、(c))對中上地殼結(jié)構(gòu)較為敏感。14s、20s周期的群速度分布與8s周期在山區(qū)地區(qū)有相似特征，太行山、崤山、熊耳山、伏牛山、外方山、桐柏山和大別山等仍表現(xiàn)為高速異常，說明山區(qū)地區(qū)中上地殼與地殼淺部結(jié)構(gòu)有一定的相關(guān)性和繼承性。華北平原地區(qū)表現(xiàn)為低速異常，且低速異常范圍從14s開始有所減小，到20s進(jìn)一步減小并呈現(xiàn)高、低速異常交錯(cuò)分布的特征，這一現(xiàn)象在葉慶東等(2014)研究結(jié)果中也有所體現(xiàn)。

周期為25s的群速度分布圖像(圖8(d))反映了下地殼速度結(jié)構(gòu)變化。該周期群速度分布受莫霍面起伏影響較大。大致以太行-武陵重力梯度帶為界，西部表現(xiàn)為低速異常，東部至研究區(qū)中部以高速異常為主，體現(xiàn)了地殼東薄西厚的結(jié)構(gòu)特征。華北平原地區(qū)地殼厚度為31～35km，是減薄大陸地殼(徐紀(jì)人等，2003；徐紀(jì)人等，2004)，施程成等(2014)的噪聲層析成像結(jié)果顯示華北平原moho面深度較中西部地區(qū)淺，因此在地殼相對較薄的華北平原地區(qū)，該周期卻表現(xiàn)為大范圍低速異常，這可能體現(xiàn)了減薄大陸地殼的結(jié)構(gòu)特征，與吳萍萍等(2015)的研究結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本文利用河南及鄰區(qū)39個(gè)寬頻帶和甚寬頻帶地震臺站2年(2014年1月～2015年12月)的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，通過近年來新發(fā)展的噪聲層析成像方法獲得了河南及鄰區(qū)8～25s的瑞利波群速度分布圖像，反演結(jié)果揭示了河南及鄰區(qū)地殼結(jié)構(gòu)的橫向不均勻性。地殼淺層的高、低速分布與沉積層厚度、結(jié)晶基底埋深等區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，平原地區(qū)表現(xiàn)為低速異常，山區(qū)表現(xiàn)為高速異常。山區(qū)地區(qū)在中上地殼表現(xiàn)出的高速異常與地殼淺層相似，說明中上地殼與地殼淺層結(jié)構(gòu)有一定相關(guān)性和繼承性。華北平原地區(qū)在中上地殼存在低速異常隨周期增加而減小的現(xiàn)象。華北平原地區(qū)在下地殼表現(xiàn)出的低速異常，可能與大陸地殼減薄有關(guān)。大致以太行-武陵重力梯度帶為界，下地殼表現(xiàn)出的西部低速、東部至研究區(qū)中部高速異常差異，體現(xiàn)了地殼東薄西厚的結(jié)構(gòu)特征。

本文獲得的河南及鄰區(qū)地殼群速度分布，為進(jìn)一步獲得該地區(qū)地殼剪切波速度結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。隨著2018年河南省地震局各市、縣臺及鄰省共享臺站的接入，臺網(wǎng)密度實(shí)現(xiàn)了大幅提高，這將為進(jìn)一步開展河南及鄰區(qū)更高精度的地殼結(jié)構(gòu)研究提供充足的數(shù)據(jù)保障，而高精度的地殼結(jié)構(gòu)信息，將對研究河南及鄰區(qū)區(qū)域構(gòu)造活動及探討地震分布和成因等具有一定意義。

致謝：本文使用了梁春濤博士提供的背景噪聲數(shù)據(jù)處理程序以及姚華建博士提供的頻散提取及面波反演程序，河南省地震局為本文提供了連續(xù)波形數(shù)據(jù)，在此一并表示感謝。