中国大陆勒夫面波噪声层析成像

中国大陆勒夫面波噪声层析成像

中国大陆位于欧亚大陆东南端,是印度板块和太平洋板块的交汇区域,也是全球构造活动强烈和大陆浅源地震频发的区域。大陆尺度的层析成像工作给出的地下速度结构对大陆构造与动力学有重要的意义,也为地震观测工作提供模型支持。

相比传统的地震层析成像方法,噪声层析成像利用噪声互相关提取台站对的经验格林函数以及面波频散数据,不受地震的空间分布限制,提高了层析成像的分辨率。已有的噪声层析成像主要针对瑞利面波,关于勒夫面波的背景噪声层析成像相对少。

背景噪声互相关提取的勒夫面波需要同时处理两个水平分量的波形数据,且噪声互相关提取的勒夫面波信噪比相对低,因此数据处理量大大增加。勒夫波比起瑞利波的优势在于它对浅层剪切波速度结构更敏感,能更好的约束浅层的速度结构,为近场地震观测提供速度模型支持。

已发表的关于噪声勒夫波层析成像的成果都是针对局部的研究区域,缺乏大陆尺度高分辨率v_SH（横向偏振剪切波速）结构。这些研究成果由不同的作者发表,所用的处理流程和参数存在一定差异,难以形成统一和全面的中国大陆尺度的速度结构。

新一代的数字地震台网包括一千多个固定地震台站,自2008年正式运行以来,连续产出了10年的波形数据。这些固定地震台站的观测条件好,产出的地震波形记录连续且稳定,为噪声勒夫波层析成像提供数据基础。

我们收集了其中878个宽频带地震台站的三分量波形数据,数据的记录的时间为2013²017年。长达5年的数据保证了噪声提取勒夫波经验格林

函数的可靠性。

提取勒夫波信号需要处理水平向波形数据,将南北向和东西向的连续波形数据旋转到切向,再计算切向分量的互相关得到勒夫波经验格林函数。利用卷积的线性运算性质,先计算水平分量的互相关,再通过台站对方位角和反方位角旋转到切向和径向,提高了运算效率。

这需要同时对南北向和东西向的数据应用相同的数据预处理参数,预处理包括滤波,去平均,扣除仪器相应,时间域归一化和谱白化。5年的波形数据互相关得到台站对路径勒夫波经验格林函数。

使用信噪比,台站路径大于3倍波长和数据一致性原则开展质量控制。使用时频分析工具从经验格林函数中提取勒夫波群速度,使用相位匹配滤波器提高频散提取的可靠性。

基于噪声层析成像提取的8⁵0s周期群速度频散数据,首次给出中国大陆高分辨率勒夫波群速度结构,覆盖了之前研究没有覆盖到的华南和新疆地区。检测板实验显示,东部地区的分辨率可达1°,东北部分辨率可达1°

²°,西部的分辨率为2°³°。

群速度结构与主要构造单元和地壳厚度有很好的相关性,验证了群速度结构的正确性。在8⁵0s周期群速度结构的基础上,利用线性反演方法给出中国大陆三维v_SH结构。

“自助法”（bootstrap）估计的误差显示东部区域v_SH误差不大于0.03km/s,西部绝大部分地区v_SH误差不超过0.06km/s。该结构上可以观察到松辽盆地,渤海湾盆地和四川盆地沉积层的横向变化,验证了勒夫波对浅层速度更敏感的认识。

该结构填补了新疆和华南的v_SH结构空区,便于不同构造块体

速度结构的对比。它还可以为地震观测提供模型支持,尤其是应用在近场数据反演震源参数和地震定位的工作。

v_SH结构和已有的v_SV（纵向偏振剪切波速）结构

的差异可提供地下径向各向异性信息。中国大陆的径向各向异性主要特征如下:（1）径向各向异性结构显示主要盆地下方存在强的正径向各向异性,这意味着盆地下方拉张的应力环境,符合盆地下方拉张构造为主的认识。

（2）径向各向异性结构展示了青藏高原的两种不同生长模型。青藏高原东北缘表现出弱的和负的径向各向异性,对应地壳横向缩短和垂向增厚的生长机制。

青藏高原南部和东南缘表现出正的径向各向异性,对应地壳横向扩张和垂向缩短的机制。（3）华北上地幔顶部表现为弱的或者负的径向各向异性,而华南上地幔顶部表现出正的径向各向异性,这个差异预示着它们处在不同的构造环境。