賴曉玲 孫 譯

(中國(guó)地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

1 引言

利用地震層析成像獲得地殼三維速度結(jié)構(gòu)是廣泛采用的方法。但是，多數(shù)是用于大區(qū)域的三維結(jié)構(gòu)研究。所用的數(shù)據(jù)，一般是固定地震臺(tái)網(wǎng)的到時(shí)資料，反演模型網(wǎng)格點(diǎn)距大多為幾十千米。

為了研究某些震源區(qū)的細(xì)結(jié)構(gòu)，可以在震源區(qū)周圍布設(shè)幾千米點(diǎn)距的密集臨時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)，記錄近場(chǎng)微震資料。近場(chǎng)資料的特點(diǎn)是震源與接收臺(tái)站之間的路徑較短，接收到的地震波直接反映震源區(qū)介質(zhì)的信息，并且臺(tái)站之間距離較小且分布較均勻，使得模型網(wǎng)格點(diǎn)距可為幾千米。因此，可以得到精細(xì)的震源區(qū)成像結(jié)果［1，2］。

1976年唐山7.8級(jí)大地震以來(lái)，在唐山地區(qū)開(kāi)展了大量地質(zhì)調(diào)查、地震活動(dòng)性、地震構(gòu)造等相關(guān)研究工作［3－8］。但是，對(duì)唐山震源區(qū)仍缺少精細(xì)的三維地殼速度圖像。

2006年8—10月，中國(guó)地震局地球物理勘探中心在唐山至灤縣地區(qū)布設(shè)了由30 個(gè)臺(tái)站組成的密集臨時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)，得到了大量的微震記錄。我們利用地震定位和震源參數(shù)圖像方法得到了一些初步的結(jié)果［9，10］。

2010年3月，在唐山至灤縣地區(qū)發(fā)生了ML3.8和ML4.8 兩次地震，并且2011年該區(qū)也有幾次3級(jí)以上的地震。為了對(duì)該區(qū)域地震構(gòu)造進(jìn)行研究，本文利用地震成像方法對(duì)臨時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)資料做進(jìn)一步處理，得到唐山震源區(qū)的三維地殼速度結(jié)構(gòu)。

2 資料處理和結(jié)果分析

研究地點(diǎn)為唐山至灤縣地震區(qū)。反演模型的深度取決于震源深度?？紤]到大部分地震的震源深度在25 km 以上，因而將三維反演模型的垂向尺度定為20 km。速度模型網(wǎng)格間距為4 km ×4 km ×5 km。整個(gè)三維模型約為東西長(zhǎng)77 km、南北寬55 km、垂向厚20 km 的長(zhǎng)方體。

正問(wèn)題利用“似彎曲法”三維快速射線追蹤，反演方程采用變阻尼最小二乘求解。

圖1 為唐山-灤縣地震區(qū)三維速度成像所用的30 個(gè)臨時(shí)臺(tái)站分布，圖2 為速度成像所用的地震事件分布，可以看出震級(jí)較大的地震沿唐山、古冶北東方向呈帶狀分布。圖3 為反演的射線分布，可以看出射線密集地分布在唐山、灤縣、野雞坨、豐潤(rùn)圍限的區(qū)域。

圖1 臨時(shí)地震臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of temporary seismostations

從唐山微震觀測(cè)挑選出391 個(gè)震相清晰的地震事件，多數(shù)地震事件都被十幾個(gè)以上地震臺(tái)記錄到。共有5 000 多個(gè)P 波到時(shí)用于三維速度成像。

圖2 三維速度成像所用的地震分布Fig.2 Epicenter distribution used for the 3D velocity tomography

反演的初始模型為一維速度模型(表1)，利用三維速度成像方法得到了唐山震源區(qū)三維速度結(jié)構(gòu)。圖4 給出了15 km 以上深度的P 波速度圖像。從圖4 中可以看出，地殼1 ～7 km 的深度上，速度圖像反映了以北東方向的唐山-古冶斷層為界，其北西側(cè)為高速區(qū)，東南側(cè)為低速區(qū)。另外，在1 ～3 km 的深度上，速度圖像在灤縣附近以北北西向的低速帶與北北西向的灤縣-樂(lè)亭斷裂相對(duì)應(yīng)。在9 ～13 km的深度上。以低速為主要特征。15 km 的深度，在研究區(qū)中部有一條近東西向展布的低速帶，另外，在唐山-古冶有一條串珠狀的高速帶。

圖3 三維速度成像的射線分布Fig.3 Rays distribution used for the 3D velocity tomography

表1 三維反演的初始速度模型Tab.1 Initial velocity model used for the 3D inversion

圖5是以唐山7.8級(jí)地震震中(118°11'E，39°38'N)為交點(diǎn)的東西和南北正交剖面，它反映了唐山震源區(qū)地殼垂向20 千米的速度變化。圖5(a)沿東西方向剖面可以看出，從地表到13 千米深度，地震發(fā)生在地殼高速和低速的陡變部位，并且，速度陡變帶的邊界是近乎直立的，與區(qū)域臺(tái)網(wǎng)小震精定位得到的唐山斷裂傾向近乎直立的結(jié)論一致［8］。圖5(b)沿南北方向剖面可以看出，從地表到5 千米深度有一高速層，在其下方深度為8 ～14 千米的中地殼有一低速層。因此，唐山7.8級(jí)震源區(qū)無(wú)論是深度方向還是水平方向都存在地殼速度的陡變帶。

圖4 研究區(qū)三維速度圖像(單位:km/s)Fig.4 3-D velocity imaging in the studied area(unit:km/s)

3 結(jié)論和討論

對(duì)照速度成像結(jié)果可以看出:上地殼(1 ～7 km深度)以北東向的唐山斷裂帶為界，北西側(cè)為高速區(qū)，而東南側(cè)為低速區(qū)，唐山斷裂帶為速度差異帶;在淺部(1 ～3 km 的深度)，灤縣附近的北北西向低速帶與北北西向的灤縣-樂(lè)亭斷裂在位置上相對(duì)應(yīng);中地殼(9 ～13 km 深度)，研究區(qū)以近東西方向展布的低速帶為主要特征，位置和方向與近東西向的豐臺(tái)-野雞坨斷裂有對(duì)應(yīng)關(guān)系。反映了該斷裂已延伸到中下地殼并且斷裂的規(guī)模較大。

在15 km 深度，沿北東向的唐山斷裂帶有串珠狀高低速的線性特征，反映了北東向的唐山斷裂帶是研究區(qū)的主要構(gòu)造帶。并且震源較深的地震和震級(jí)較大的地震都沿唐山、古冶一帶的北東方向分布，表明該斷裂帶仍然是活動(dòng)性較強(qiáng)的構(gòu)造。

唐山震中區(qū)沿東西剖面顯示，從地表到地殼內(nèi)13 千米深度，存在沿垂直方向的高速和低速陡變帶。唐山7.8級(jí)地震的震源深度約為13 km，由此推測(cè)，深度方向的速度陡變帶是與大地震的垂直錯(cuò)動(dòng)有關(guān)的速度差異帶。沿南北剖面，從地表到5 km深度有一高速層，在其下方8 ～14 km 深度有一低速層。唐山地震深淺構(gòu)造關(guān)系研究認(rèn)為，中地殼的多層性和低速性造成水平滑脫是構(gòu)成地殼差異變形和誘發(fā)地震的一個(gè)重要因素［5］。震中區(qū)沿南北剖面，上、中地殼速度異常體層狀差異明顯，并且三維成像的中地殼總體以低速帶為主要特征。因此，中地殼低速層和速度陡變帶是唐山地震構(gòu)造的重要特征。

圖5 唐山地震震中區(qū)垂向速度變化圖像(單位:km/s)Fig.5 Vertical velocity imaging across the epicenter area in Tangshan earthqhake(unit:km/s)

唐山三維速度成像另一個(gè)特征是，上地殼的速度結(jié)構(gòu)比較零碎，反映了淺部具有較為復(fù)雜的局部斷裂，中地殼速度結(jié)構(gòu)塊體比較大，反映了中部地殼構(gòu)造比淺部構(gòu)造更整體，斷裂較為集中。煤礦地質(zhì)構(gòu)造分析顯示［11］，唐山開(kāi)灤礦區(qū)附近的淺部有多條局部斷裂，主要走向?yàn)楸睎|，與上地殼1 ～3 km 深度的圖像反映的特征較為一致。

鉆孔剖面探測(cè)和探槽開(kāi)挖揭示的唐山震中區(qū)活動(dòng)斷裂構(gòu)造［7］，在震中附近的牛馬庫(kù)、孫家樓等地點(diǎn)晚第四紀(jì)地層斷錯(cuò)、垂直位移明顯，與震中下方的高速和低速陡變帶位置對(duì)應(yīng)。三維速度圖像補(bǔ)充了發(fā)震斷裂在地殼深部的斷錯(cuò)和延伸形態(tài)。

1 賴曉玲，張先康，李松林.伽師近場(chǎng)地震資料處理——三維速度成像［J］.中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2003，20(1):50－55.(Lai Xialing，Zhang Xiankang and Li Songlin.Data processing of near field earthquake records in Jiashi earthquake region— 3-D velocity tomograthy［J］.Journal of the Graduate School of the Chinese Academy of Sciences，2003，20(1):50－55)

2 賴曉玲，等.張北地震區(qū)三維構(gòu)造特征［J］.地學(xué)前緣，2002，9(4):383－388.(Lai Xiaoling，et al.3-D structural feature in Zhangbei earthquake region［J］.Earth Science Frontiers，2002，9(4):383－388)

3 張四昌，刁桂苓.唐山地震序列的構(gòu)造過(guò)程［J］.中國(guó)地震，1992，8(2):73－80.(Zhang Sichang and Diao Guiling.The tectonic process of the Tangshan earthquake sequence［J］.Earthquake Research in China，1992，8(2):73－80)

4 李建華，等.1976年唐山地震發(fā)震斷裂的活動(dòng)性研究［J］.地震地質(zhì)，1998，20(1):27－33.(Li Jianhua，et al.A study on activity of the seismogenic fault for the Tangshan earthquake of 1976［J］.Seismology and Geology，1998，20(1):27－33)

5 尤惠川，等.唐山地震深淺構(gòu)造關(guān)系研究［J］.地震地質(zhì)，2002，24(2):571－582.(You Huichuan，et al.Study on the relationship between shallow and deep structures in the 1976 Tangshan earthquake area［J］.Seismology and Geology，2002，24(2):571－582)

6 邱澤華，馬 瑾，劉國(guó)璽.新發(fā)現(xiàn)的唐山地震大斷層［J］.地震地質(zhì)，2005，27(4):669－677.(Qiu Zehua，Ma Jin and Liu Guoxi.Late discovery of the great fault of the Tangshan earthquake［J］.Seismology and Geology，2005，27(4):669－677)

7 郭慧，江娃利，謝新生.鉆孔與探槽揭示1976年河北唐山Ms 7.8地震發(fā)震構(gòu)造晚第四紀(jì)強(qiáng)震活動(dòng)［J］.中國(guó)科學(xué)(地球科學(xué))，2011，41(7):1 009－1 028.(Guo Hui，Jiang Wali and Xie Xinsheng.Late-Quaternary strong earthquakes on the seismogenic fault of 1976 Ms7.8 Tangshan earthquake，Hebei，as revealed by drilling and trenching［J］.Sci China Earth Sci.，2011，doi:10.1007/s11430－011－4218－x.

8 萬(wàn)永革，等.利用小震分布和區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)確定大震斷層面參數(shù)方法及其在唐山地震序列中的應(yīng)用［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2008，51(3):793－804.(Wan Yongge，et a1.An algorithm of fault parameter determination using distribution of small earthquakes and parameters of regional stress field and its application to Tangshan earthquake sequence［J］.Chinese J Geophys.，2008，51(3):793－804)

9 賴曉玲，等.2006年唐山震源區(qū)臨時(shí)地震臺(tái)網(wǎng)微震觀測(cè)初步結(jié)果［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2008，(1):7－10.(Lai Xiaoling，et al.Preliminary results of microearthquake observation by temporary seismostation networks in Tangshan region in 2006［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2008，(1):7－10)

10 賴曉玲，等.唐山地震區(qū)震源參數(shù)圖像分析［J］.大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)，2009，(6):32－34.(Lai Xiaoling，et al.Pattern analyses of hypocentral parameters in Tangshan earthquake region［J］.Journal of Geodesy and Geodynamics，2009，(6):32－34)

11 陳尚斌，等.開(kāi)灤唐山礦逆沖推覆構(gòu)造及其控煤作用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2011，39(2):7－12.(Chen Shangbin，et al.Nappe structure characteristics and coal-controlling action of Tangshan mine in Kailuan［J］.Coal Geology ＆ Exploration，2011，39(2):7－12)