冀南地區(qū)速度結(jié)構(gòu)層析成像分析

[摘要] """克拉通的破壞是地球物理學(xué)家重點(diǎn)研究的對(duì)象之一。經(jīng)由中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)查詢(xún)得知，近年來(lái)冀南地區(qū)中小地震相較以往頻繁發(fā)生，為了探查冀南地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的原因，本文基于中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)記錄到的P波到時(shí)資料，對(duì)研究區(qū)的地震進(jìn)行精定位，并利用P波的震相數(shù)據(jù)對(duì)地殼速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙差層析成像：發(fā)現(xiàn)精定位后的震源主要分布在地殼5～15 km深度，主要集中在斷層附近；在速度結(jié)構(gòu)方面，地震走時(shí)殘差均方根的總體均值由0.81 s下降至0.36 s，地震更容易發(fā)生在高速區(qū)的邊緣過(guò)渡帶上；在邯鄲和邢臺(tái)等地區(qū)的殼幔結(jié)合處存在低速異常區(qū)，莫霍面和上地幔可能受到巖漿等熱流物質(zhì)上涌，侵入地殼，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致巖石圈的減薄破壞，致使地殼結(jié)構(gòu)趨于不穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而對(duì)淺層地震的孕育創(chuàng)造了有利條件。

[關(guān)鍵詞] 雙差層析成像; 巖石圈破壞; 三維速度結(jié)構(gòu); 冀南地區(qū)

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-055

基金項(xiàng)目："河北省地震科技星火計(jì)劃（DZ2023120700006；DZ2024111400001；DZ2024112100001）資助。

0 "引言

自中新生代以來(lái)冀南地區(qū)的巖漿活動(dòng)十分強(qiáng)烈，由于華北平原克拉通的破壞，這些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致1966年的邢臺(tái)和1976年的唐山發(fā)生過(guò)破壞性大地震^[1]。而近些年冀南地區(qū)中小地震活動(dòng)頻繁，這是否與巖石圈的破壞有關(guān)呢？冀南地區(qū)處于太行山隆起和華北平原地區(qū)交匯處，邢臺(tái)地區(qū)從西向東，由高到低，高度差異較大，地質(zhì)地貌類(lèi)型復(fù)雜，有平原、山地和丘陵等，歷史上也發(fā)生過(guò)多次地震，如寧晉7.2級(jí)地震、隆堯6.8級(jí)地震等。邯鄲地區(qū)有多條地震斷裂帶，其中大名—磁縣斷裂帶和邯鄲斷裂帶，歷史上曾發(fā)生過(guò)多次破壞性地震，造成重大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。在邯鄲武安地區(qū)研究坦嶺雜巖體時(shí)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)拆沉作用，這是華北克拉通巖石圈減薄的淺部響應(yīng)^[2]，而1966年的邢臺(tái)大地震，又是克拉通穩(wěn)定性破壞的一個(gè)標(biāo)志。故本文的研究區(qū)處于克拉通破壞的位置，研究該地區(qū)最新的地殼結(jié)構(gòu)，有助于我們了解近幾年地震活動(dòng)頻繁的原因和地殼內(nèi)部巖漿的活動(dòng)和演化。

該地區(qū)具備測(cè)震臺(tái)網(wǎng)分布密度大，監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)的有利條件，可以對(duì)其進(jìn)行雙差反演成像研究。相比于傳統(tǒng)的層析成像方法，雙差反演成像方法可以同時(shí)反演震源位置和震源區(qū)三維速度結(jié)構(gòu)，模型分辨率比傳統(tǒng)的層析成像方法更高，由此得到的精細(xì)地殼結(jié)構(gòu)和精確的震源位置能夠增加對(duì)震源區(qū)發(fā)震構(gòu)造、地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)及地球內(nèi)部構(gòu)造的認(rèn)識(shí)。

利用地震波形的到時(shí)震相，除了可以探測(cè)地殼深部構(gòu)造還可以進(jìn)行震源參數(shù)的測(cè)定。鮮水河斷裂是我國(guó)西部著名的強(qiáng)震活動(dòng)帶，通過(guò)寬頻帶記錄的波形資料測(cè)定四川瀘定M6.8地震的破裂主要受鮮水河斷裂所控制^[3]；通過(guò)計(jì)算盈江區(qū)域多個(gè)震源機(jī)制解，發(fā)現(xiàn)昔馬—盤(pán)龍山斷裂到大盈江斷裂之間的區(qū)域可能存在應(yīng)力場(chǎng)閉鎖^[4]；利用臺(tái)網(wǎng)波形記錄，通過(guò)波形擬合GCAP和HASH兩種方法計(jì)算震源機(jī)制解并結(jié)合地質(zhì)資料，推測(cè)2020年6月9日中衛(wèi)M_L3.4 地震的主要錯(cuò)動(dòng)方式為左旋走滑，且斷層面為 NEE 向節(jié)面的可能性較大^[5]。自從利用地震波走時(shí)資料進(jìn)行三維層析成像以來(lái)，眾多學(xué)者對(duì)該方法不斷進(jìn)行補(bǔ)充和完善，發(fā)展了幾十年，已經(jīng)趨于成熟。在探測(cè)深部結(jié)構(gòu)反演中，雙差層析成像利用體波對(duì)地殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演，相對(duì)于其他方法，理論更加成熟，可靠性更高，被廣泛的應(yīng)用于地殼結(jié)構(gòu)研究中；利用固定臺(tái)站收集體波震相數(shù)據(jù)并反演得到了華北地區(qū)的地殼三維速度結(jié)構(gòu)和震源參數(shù)，并發(fā)現(xiàn)唐山地區(qū)存在連續(xù)的低速異常，可能為上地幔的熱流物質(zhì)上涌，到達(dá)下地殼后停止上升所導(dǎo)致^[6-9]；通過(guò)分析地殼波速比的方法得出張渤帶巖石圈減薄，是因?yàn)闅めＡ黧w物質(zhì)的入侵影響地殼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而引發(fā)地震^[10]。

1 "地質(zhì)概況

圖1為冀南地區(qū)斷層構(gòu)造和臺(tái)站分布圖。研究區(qū)處在太行山隆起和華北平原交匯處，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，活動(dòng)斷裂帶較多：新河斷裂位于邢衡隆起部位，為束鹿盆地東側(cè)的主控邊界斷裂，是束鹿凹陷與新河凸起的分界；隆堯斷裂為隆堯凸起和邢臺(tái)低凸起間的邊界斷裂，它橫切太行山山前斷裂；還有一個(gè)地震集中區(qū)域就是邯鄲—邢臺(tái)斷裂帶，該斷裂分布于太行山東南緣，是太行山隆起區(qū)與華北平原的一個(gè)分界線。圖2為地震射線覆蓋區(qū)域和重定位后的地震位置。A、B、C是3條剖面，用以研究該地區(qū)深部的速度結(jié)構(gòu)。

2 "數(shù)據(jù)處理

本文采用的是2008—2023年的冀南地區(qū)的震相報(bào)告數(shù)據(jù)，使用雙差層析成像法對(duì)該地區(qū)的P波地震進(jìn)行重新定位，并結(jié)合波形互相關(guān)雙差走時(shí)計(jì)算軟件進(jìn)行分析，相對(duì)前人的地殼速度結(jié)構(gòu)，更加精細(xì)。波形互相關(guān)分析共分為3個(gè)步驟：①利用hypodd建立地震事件對(duì)；②在此基礎(chǔ)上建立波形數(shù)據(jù)庫(kù)；③選好信噪比、波形互相關(guān)系數(shù)等參數(shù)，最后生成互相關(guān)文件，與觀測(cè)報(bào)告的地震事件對(duì)相匹配、共同反演、提高精度，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造分析斷層分布和熱流物質(zhì)上涌導(dǎo)致地殼減薄之間的關(guān)系。

冀南地區(qū)西側(cè)為太行山隆起，東側(cè)為華北平原，研究區(qū)域內(nèi)還存在多個(gè)活動(dòng)斷裂帶，這些復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造都會(huì)導(dǎo)致地殼速度不均勻，圖3為本文的P波速度模型^[8，11]。本研究使用了119個(gè)固定觀測(cè)臺(tái)站，657次地震，處理了P波走時(shí)108542個(gè)，S波走時(shí)113398個(gè)，為保證反演資料的可靠性，我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了嚴(yán)格篩選，選取了M_L≥1.0且至少被8個(gè)測(cè)震臺(tái)所觀測(cè)到的地震事件，根據(jù)時(shí)距曲線剔除了離散較大的地震事件。對(duì)保留的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選：地震到臺(tái)站的距離不大于400 km，事件對(duì)之間的距離最大是20 km，最小為0.1 km，每個(gè)地震對(duì)所需要的震相數(shù)據(jù)8～50之間，事件的鄰居數(shù)不大于20，確保了資料的可靠性（圖4）。雙差層析成像是一個(gè)三維的網(wǎng)格化模型，因?yàn)槲覀儗⒀芯繀^(qū)域按水平方向0.5° × 0.5°劃分，垂直方向5 km劃分，與檢測(cè)板的網(wǎng)格劃分相一致。

對(duì)于阻尼最小二乘問(wèn)題，雙差層析成像方法采用LSQR算法，以總走時(shí)殘差2范數(shù)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行迭代求解^[12]，光滑因子和阻尼因子的數(shù)值對(duì)反演結(jié)果的穩(wěn)定性有較大影響，需要對(duì)不同的參數(shù)組合進(jìn)行調(diào)試分析，利用L曲線法，經(jīng)過(guò)多次對(duì)比分析后選定光滑因子是20，阻尼因子是500（圖5）。

圖6和圖7分別為反演前和反演后的地震事件走時(shí)殘差均方根和走時(shí)殘差分布圖：反演前P波總體的走時(shí)殘差均方根的均值為0.81 s，走時(shí)殘差的均值為?0.14 s；反演后P波的總體走時(shí)殘差均方根的均值為0.36 s，走時(shí)殘差的均值為?0.01 s。通過(guò)多次迭代后得到反演的最終模型，P波走時(shí)殘差均方根和走時(shí)殘差均明顯減小，表明最終的反演模型的走時(shí)數(shù)據(jù)的擬合比初始的好，精度更高，更可靠。圖8為重定位前后的深度分布圖，在重定位前，地震深度主要分布在5～20 km，重定位后，地震主要集中在5～15 km，淺層地震增多。

3 "速度結(jié)構(gòu)分析

3.1 "檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果

采用棋盤(pán)測(cè)試方法，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)添加±5%高低速的擾動(dòng)，檢測(cè)結(jié)果如果呈現(xiàn)正負(fù)相互更替的速度變化，證明其分辨率較高，反演結(jié)果對(duì)理論棋盤(pán)模型的恢復(fù)程度好。圖9為棋盤(pán)的恢復(fù)結(jié)果，研究區(qū)內(nèi)總體恢復(fù)良好，反演結(jié)果具備一定的可靠性。

3.2 "反演結(jié)果分析

圖10為不同深度的P波速度結(jié)構(gòu)層析成像，重定位后的地震離斷層更加緊密，地震位置偏向于高速區(qū)的邊緣地帶。

在5 km深度，新河斷裂將邢臺(tái)分為2個(gè)區(qū)域，新河斷裂以西地區(qū)處于高速區(qū)，以東處于低速區(qū)。在新河斷裂帶附近偏高速區(qū)，地震主要集中在由衡水?dāng)嗔选x縣斷裂、新河斷裂和隆堯斷裂4條斷裂帶所組成的封閉區(qū)域內(nèi)。此外，隆堯、任縣、南和、新河一帶地震較多。

在10 km深度，地震主要集中在隆堯斷裂。在隆堯斷裂西北地區(qū)的臨城、柏鄉(xiāng)、內(nèi)丘和東南地區(qū)的巨鹿、平鄉(xiāng)、廣宗、雞澤是2個(gè)高速異常區(qū)，東北地區(qū)的寧晉和西南地區(qū)邢臺(tái)、任縣、南和、沙河是2個(gè)低速異常區(qū)，其形成一個(gè)應(yīng)力場(chǎng)，地震主要集中在應(yīng)力場(chǎng)內(nèi)。

在15 km深度，地震主要集中在新河斷裂帶和隆堯斷裂帶的交匯處，隆堯、柏鄉(xiāng)和巨鹿位于高速區(qū)邊緣過(guò)渡帶上，地震較多。在邯鄲地區(qū)，磁縣同樣處在高速區(qū)邊緣過(guò)渡帶上，地震較為集中，附近斷層是磁縣—大明斷裂帶。

在20 km深度，地震主要集中在2處，一處集中在新河斷裂帶，并沿著新河斷裂帶向西南方向延伸，附近的主要城市是新河、隆堯、巨鹿，另外一處是太行山山前斷裂帶和永年斷裂帶，斷裂帶附近的主要城市是內(nèi)丘、任縣、邢臺(tái)、南和、沙河、永年、邯鄲，這些主要城市都位于高速異常區(qū)邊緣的過(guò)渡帶上。

在25 km深度，磁縣—成安，臨城—內(nèi)丘—邢臺(tái)、館陶都處在高速區(qū)邊緣的速度變化帶上。臨城—內(nèi)丘—邢臺(tái)主要位于太行山山前斷裂帶元氏斷裂、隆堯斷裂和邯鄲斷裂的交匯處，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，近幾年地震頻發(fā)；磁縣—成安處在永年活動(dòng)斷裂帶上；館陶位于廣宗斷裂帶上。

在30 km深度，地震同樣在高速異常區(qū)邊緣過(guò)渡帶上發(fā)生，在這個(gè)深度，地震發(fā)生率有所降低。

在35 km深度，地震發(fā)生次數(shù)進(jìn)一步降低，太行山山前斷裂帶的主要城市依舊處于高速區(qū)的邊緣過(guò)渡帶上，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)。

在40 km深度，地震發(fā)生的頻率很低，邯鄲斷裂帶、永年斷裂帶和大明—磁縣斷裂帶附近的城市處于高速異常區(qū)，如邯鄲、磁縣、永年、沙河等具有一定的危險(xiǎn)性。

綜上，可以看出地震容易在高速異常區(qū)的邊緣過(guò)渡帶上發(fā)生，因?yàn)樵谒俣茸兓瘞系牡刭|(zhì)介質(zhì)不均勻，應(yīng)力集中在高速區(qū)域，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度，就會(huì)引起周?chē)鷶鄬拥腻e(cuò)動(dòng)，高速區(qū)的介質(zhì)就會(huì)向低速區(qū)移動(dòng)，從而引發(fā)地震。

圖11 為A、B和C的P波速度剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)，重定位后的地震主要集中在高速異常區(qū)的邊緣速度變化帶上。在隆堯和新河地區(qū)各有一條深部的斷裂，且都位于高速異常區(qū)的邊緣過(guò)渡帶。剖面A橫跨地區(qū)較多，地質(zhì)結(jié)構(gòu)也較為復(fù)雜，但也可以看出區(qū)域內(nèi)存在多條深部斷裂，且大部分是在高速異常區(qū)的邊緣過(guò)渡帶上。地下介質(zhì)不均勻，層狀的速度結(jié)構(gòu)被破壞，高低速相互交接，從剖面A可以看出在邢臺(tái)地區(qū)和邯鄲地區(qū)的深度35～40 km處存在低速區(qū)，可能是因?yàn)榈叵聨r漿等熱流物質(zhì)上涌，融化上層介質(zhì)，沉積巖被破壞導(dǎo)致速度結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，致使地表結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，故小震較多。

4 "結(jié)論與討論

本文對(duì)冀南地區(qū)2008—2023年間的地震事件進(jìn)行重定位，并利用雙差層析成像的方法反演。

（1）地震重定位后的走時(shí)殘差均方根的均值由0.81 s降低到0.36 s，走時(shí)殘差的均值由?0.14 s下降到?0.01 s，定位前地震深度主要集中在5～20 km，定位后主要分布在5～15 km。

（2）重定位后地震呈條帶狀分布在斷層附近，在速度結(jié)構(gòu)上，地震更容易集中在高低速變化的過(guò)渡帶上。在變化帶上，地質(zhì)介質(zhì)較為復(fù)雜，高速區(qū)應(yīng)力較為集中，一旦超過(guò)應(yīng)力承受的極限，周?chē)橘|(zhì)就會(huì)向低速區(qū)移動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)周?chē)鷶鄬拥腻e(cuò)動(dòng)，發(fā)生地震。

（3）冀南地區(qū)地殼淺層地震頻發(fā)與深度構(gòu)造有關(guān)。冀南地區(qū)近幾年中小震不斷，與殼幔介質(zhì)的不均勻性、克拉通破壞導(dǎo)致巖石圈減薄有關(guān)。邯鄲和邢臺(tái)地區(qū)的在殼幔結(jié)合處存在一處較大的低速異常區(qū)，可能是熱流物質(zhì)上涌，高溫巖漿不斷向上侵蝕，導(dǎo)致中上地殼結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，這與其他學(xué)者的研究結(jié)果相同^[2，13-14]，殼內(nèi)應(yīng)力的分布不均勻，導(dǎo)致部分地區(qū)應(yīng)力高，部分地區(qū)應(yīng)力低，為中小地震的孕育和發(fā)生創(chuàng)造了條件。

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Velocity structure tomography analysis in southern Hebei Province

Wang Shi^{1， 2}， Zhou Yi^{1， 2， *}， Wang Sisi^{1， 2}， Liu Xiaolei^{1， 2}

1. Hebei Hongshan National Observatory on Thick Sediments and Seismic Hazards， Hebei Xingtai 054000， China

2. Hebei Earthquake Agency， Hebei Shijiazhuang 050021， China

[Abstract] """"The destruction of cratons is one of the key research objects of geophysicists. According to China Earthquake Networks Center， small and medium-sized earthquakes have occurred more frequently in southern Hebei in recent years than before. In order to explore the reasons for the instability of the crustal structure in southern Hebei， in this paper the earthquakes are precisely located based on the P-wave arrival time data recorded by China Earthquake Networks Center， and the double difference tomography of the crustal velocity structure is performed by using the P-wave seismic phase data. It is found that the sources after fine location are mainly distributed in the crust depth of 5～15 km， mainly near the faults. In terms of velocity structure， the mean RMS value of seismic travel time residuals decreases from 0.81 s to 0.36 s， and the earthquakes are more likely to occur in the transition zone at the edge of the high-speed region. There is a low-speed anomaly zone at the junction of the crust and mantle in Handan and Xingtai. The Moho surface and upper mantle may be upwelling by hot flow materials such as magma， intruding into the crust and undergoing chemical reactions， leading to the thinning and damage of the lithosphere， resulting in an unstable crustal structure and creating favorable conditions for shallow earthquakes.

[Keywords] double-difference tomography; lithosphere destruction; three-dimensional velocity structure; southern Hebei