纵波速度模型约束的首都圈地壳横波速度结构成像

第９卷第２期２０１２年３月ＣＨＩＮＥＳＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＧＥＯＰＨＹＳＩＣＳＶｏｌ．９，Ｎｏ．２Ｍａｒ．，２０１２文章编号：１６７２—７９４０（２０１２）０２—０１７５—０９ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７９４０．２０１２．０２．０１０纵波速度模型约束的首都圈地壳横波速度结构成像张　智１，李良杰１，张艳瑾１，熊　彬１，赵国敏２（１．桂林理工大学地球科学学院，广西桂林５４１００４；２．天津市地震局，天津２１０００３）基金项目：国家自然科学基金（编号：４０８０４０１７和４０９７４０７７及４１１６４００４）；国家科技专项项目（编号：ＳｉｎｏＰｒｏｂｅ－０２－０２－０２）联合资助。

作者简介：张　智（１９７５－），男，湖南衡阳人，主要从事地震波层析成像技术研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｚｈｉ＠ｇｌｉｔｅ．ｅｄｕ．ｃｎ摘　要：通过搜集首都圈地震台网记录到的６３４个地震事件的近三万条地震射线，并从中挑选出２７４条信噪比高、发育良好的面波频散曲线，并将已有的纵波速度转换为横波速度，作为横波速度反演的初始模型，利用最小二乘反演方法进行面波频散层析成像，得到了研究区地壳Ｓ波速度结构和地壳的厚度分布以及一些初步结论：地壳可分为地表、基底、上地壳、中地壳、下地壳五层，中地壳整体横波速度表现为弱梯度，局部出现负速度梯度，下地壳横波速度均呈现不同程度的异常，证实了中地壳低速层的存在；研究区内速度存在明显横向不均匀性，这是复杂的地质构造特征在地球物理场中的响应；各构造单元表现明显不同的速度结构变化，中地壳层位速度变化范围较小；同一构造单元在不同深度的层位上速度变化明显，出现高低速异常交替现象，特别是在张渤断裂带上地壳层位以上，高速和低速异常块体交替明显；地壳平均厚度２９～４０ｋｍ，并且从东南向西北逐渐变厚加深，其中张北地区地壳最厚达４０ｋｍ，华北裂陷盆地地壳厚度为２９～３２ｋｍ，华北裂陷盆地中部的深浅交叉的异常块体内的冀中坳陷构造最薄。

关键词：首都圈；面波反演；Ｓ波速度结构中图分类号：Ｐ６３１．４文献标识码：Ａ收稿日期：２０１２－０１－１０Ｃｒｕｓｔａｌ　Ｓ－Ｗａｖｅ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ　Ｃｏｎｓｔｒａｉｎｅｄ　ｂｙＰ－Ｗａｖｅ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｍｏｄｅｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃａｐｉｔａｌ　ＲｅｇｉｏｎＺｈａｎｇ　Ｚｈｉ　１，Ｌｉ　Ｌｉａｎｇｊｉｅ１，Ｚｈａｎｇ　Ｙａｎｊｉｎ１，Ｘｉｏｎｇ　Ｂｉｎ１，Ｚｈａｏ　Ｇｕｏｍｉｎ２（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅａｒｔｈ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｇｕｉｌｉｎ　Ｇｕａｎｇｘｉ　５４１００４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ　Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｏｒ　ｏｆ　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｍｕｎｉｃｉｐａｌｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ２１０００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅ　ｐｉｃｋｅｄ　ｕｐ　２７４ｗｅｌｌ－ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｓｉｇｎａｌ　ｔｏ　ｎｏｉｓｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｓｕｒｆａｃｅｗａｖｅ　ｒａｙ－ｐａｔｈｓ　ｒｅｃｏｒｄｅｄ　ｂｙ　３８ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔａｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃａｐｉｔａｌ　Ｓｅｉｓｍｉｃ　ｓｔａｔｉｏｎ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　ａｎｄｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｃｒｕｓｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃａｐｉｔａｌ　ｒｅｇｉｏｎ　ｂｙ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｗａｖｅ　ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｏｒｉｇｉ－ｎａｌ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ　ｆｒｏｍ　Ｐ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｎ　ｗｅ　ｏｂｔａｉｎ，ａｎａｌｙｚｅ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｐｒｅｔｔｈｅ　ｄｅｐｔｈ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｓｏｍｅ　ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｒｅｓｕｌｔｓ：ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ　ａｒｅａ　ｃｒｕｓｔ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｆｉｖｅ　ｌａｙｅｒｓ：ｓｕｒｆａｃｅ，ｂａｓｅｍｅｎｔ，ｕｐｐｅｒ　ｃｒｕｓｔ，ｍｉｄ－ｃｒｕｓｔａｎｄ　ｌｏｗｅｒ　ｃｒｕｓｔ．Ｔｈｅ　ｍｉｄ－ｃｒｕｓｔ　Ｓ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｈｏｗｓ　ｌｏｗ　ｇｒａｄｉｅｎｔ，ｅｖｅｎ　ｎｅｇａｔｉｖｅ　ｖｅ－ｌｏｃｉｔｙ　ｇｒａｄｉｅｎｔ　ｐａｒｔｌｙ，ａｎｄ　Ｓ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｈｏｗｓ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｇｒｅｅ　ａｎｏｍａｌｙ　ｉｎ　ｌｏｗｅｒ　ｃｒｕｓｔ．Ｓｏ　ｔｈｉｓ 工程地球物理学报（Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｇｅｏｐｈｙｓｉｃｓ） 第９卷　ｆｕｒｔｈｅｒ　ｐｒｏｖｅｄ　ｔｈｅ　ｔｒｕｔｈ　ｏｆ　ｍｉｄ－ｃｒｕｓｔ　ｅｘｉｓｔ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，Ｓ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｐｒｏｆｉｌｅ　ｓｈｏｗｓ　ｏｂｖｉ－ｏｕｓ　ｌａｔｅｒａｌ　ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃａｐｉｔａｌ　ｒｅｇｉｏｎ，ｆｏｒ　ｔｈｉｓ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｇｅｏ－ｌｏｇｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｇｅｏｐｈｙｓｉｃａｌ　ｆｉｅｌｄ；Ｅｖｅｒｙ　ｔｅｃｔｏｎｉｃ　ｕｎｉｔ　ｓｈｏｗｓ　ｏｂｖｉｏｕｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｌｅｓｓ　ｉｎ　ｍｉｄ－ｃｒｕｓｔ　ｌａｙｅｒ；ｔｈｅ　ｓａｍｅｔｅｃｔｏｎｉｃ　ｕｎｉｔ　ｈａｓ　ｃｌｅａｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｃｈａｎｇｅｓ　ｉｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｐｔｈ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄ　ｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｌｔｅｒｎａｔｅ　ａｂｎｏｒｍａｌｌｙ，ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ，ａｂｏｖｅ　ｔｈｅ　ｃｒｕｓｔ　ｌａｙｅｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆａｕｌｔ　ｚｏｎｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　Ｚｈａｎｇｊｉａｋｏｕ－ｂｏｈａｉ　ｓｅａ　ｒｉｆｔ　ｂｒｏｋｅｎ　ｂｅｌｔ，ｈｉｇｈｅｒ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｂｎｏｒ－ｍａｌ　ｂｌｏｃｋ　ａｌｔｅｒｎａｔｅ　ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．ｔｈｉｒｄｌｙ，ｔｈｅ　ｃｒｕｓｔ　ａｖｅｒａｇｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｃａｐｉｔａｌ　ｒｅｇｉｏｎ　ｉｓｆｒｏｍ　２９ｔｏ　４０ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｔｈｅ　ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｍｏｒｅｔｈｉｃｋｅｒ　ａｎｄ　ｄｅｅｐｅｒ　ｆｒｏｍ　ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　ｔｏ　ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ，ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｔｈｉｃｋ　ａｒｅａ　ｉｓ　Ｚｈａｎｇｂｅｉ　ａｒｅａ　ａ－ｒｏｕｎｄ　Ｚｈａｎｇｊｉａｋｏｕ，ｉｎ　ｔｈｅ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ｒｉｆｔ　ｄｅｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｂａｓｉｎ，ｔｈｅ　ｃｒｕｓｔ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ　ｉｓ　ｆｒｏｍ　２９ｔｏ　３２ｋｉｌｏｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｔｈｉｎ　ｐｌａｃｅ　ｉｓ　ｌｏｃａｔｅｄ　ｉｎ　Ｎｏｒｔｈ　Ｃｈｉｎａ　ｂａｓｉｎ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｃｈｉｎｅｓｅ　ｃａｐｉｔａｌ　ｒｅｇｉｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅ－ｗａｖｅ　ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ；Ｓ　ｗａｖｅ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１　引　言首都圈（３８°Ｎ－４１°Ｎ，１１４°Ｅ－１２０°Ｅ）位于我国华北北部，处于近东西向的燕山构造带和ＮＮＥ－ＮＥ向的太行山构造带与华北平原带交接部位，它是我国最古老的陆台（中朝地台）的重要组成部分，也是地震灾害多发区，历史上曾发生多次７级以上破坏性地震［１，２］。

其中，震级最大的是１６７９年三河－平谷８级地震，１９７６年唐山７．８级地震则是现今我国在世界上影响非常大的一次地震。

多年来，人们曾采用不同方法研究了首都圈及其邻区的地壳上地幔结构，并且随着观测条件的改善，其空间分辨率逐步提高，对首都圈地区深部构造背景及区内大地震成因的认识也在不断深入。

虽然大量的研究结果［３～１８］表明首都圈地区地震活动及大地震的成因与地壳上地幔速度结构密切有关，但已有结果的空间分辨率尚不足以了解大震区三维地壳结构的细节。

例如，地震走时成像研究的结果，由于不可避免的平滑效应，难以给出不同构造块体的确切边界。

不同作者给出的研究结果一直存在难以解释的差异。

人工地震探测则基本上限于二维剖面观测，由此推断的三维地壳结构有待进一步证实。

自２０世纪９０年代以来，人们先后利用纵波速度、密度或者纵横波速度比（泊松比）进行地壳上地幔岩性结构的推测，可以说综合利用地球物理资料、地质构造、地球化学等相关信息重建地壳岩石组成模型已成为国内外地球科学界关注的热点问题［１９～２１］。

现有研究表明，地壳内纵横波速度综合利用，即纵横波速度比，以及拉梅阻抗等弹性阻抗比对岩石组分分辨更为敏感，其分辨能力较之单独利用纵波或横波信息更为强烈。

从地壳岩性结构模型向地壳岩石结构模型构建的转变要求我们从地震资料中提取出纵波和横波速度模型。

近十余年来，国内外地震学家在地壳横波速度结构重建方面开展了大量有价值的科学探索，如西班牙［２２，２３］等通过对人工源和天然源地震资料分析表明，人工源和天然源地震资料中均广泛发育了瑞雷面波和勒夫面波信息，这些面波信息可以用来重建地壳横波速度结构。

本文拟结合人工源和天然源面波资料，将已有的纵波速度转换为横波速度，作为横波速度反演的初始模型，约束面波成像结果与Ｐ波解释速度结构不协调、地壳纵横波速度比空间分布产生不合理异常现象，为地壳岩石结构重建，壳内构造及其动力学意义研究提供关键的横波信息。

２　研究区地质概况首都圈南至容城、霸县，北抵赤城、万全，东达宝坻、蓟县，西到天镇、阳原。

从三叠纪以来，经历了陆内造山运动、太平洋板块相对于欧亚板块向西和向北运动以及侏罗纪与白垩纪初的伸展构造体系发展这三期规模较大的构造运动，从而铸就了现今的地质结构。

主要由西南部呈北东走向的太行山隆起、北面为近东西走向的燕山隆起、两隆起之间并与两隆起近垂直相交的西北走向的张家口———渤海断陷带及华北裂陷盆地４个地质构造单元组合而成，各构造单元内断裂纵横分布错综６７１　第２期 张　智等：纵波速度模型约束的首都圈地壳横波速度结构成像复杂。

在这些大的构造单元内又出现了冀中拗陷、沧县隆起和黄骅拗陷以及更次一级的大兴凸起、容县凸起构造单元（图１）［６，２４］。

其中太行山隆起、燕山隆起的地震活动相对较弱，破坏性地震主要发生在张家口———渤海断陷带及华北裂陷盆地。