高業(yè)欣，燕 云，朱葉琳，李秀麗，雷 晨

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

東北地區(qū)是指黑龍江省、吉林省、遼寧省和內(nèi)蒙古自治區(qū)東部地區(qū)。東北地區(qū)在構(gòu)造上位于西伯利亞與中朝塊體復(fù)雜的構(gòu)造演化帶內(nèi)，處于興蒙復(fù)合造山帶的東部，東臨西北太平洋邊緣海，在晚古生代和中生代曾經(jīng)活動(dòng)比較劇烈[1]。是環(huán)太平洋構(gòu)造域和古亞洲洋構(gòu)造域構(gòu)造疊加作用最明顯的地區(qū)[2]。經(jīng)過多期構(gòu)造作用，使得該區(qū)地質(zhì)情況非常復(fù)雜，斷裂交錯(cuò)分布，主要地質(zhì)構(gòu)造單元呈北東向、北東東向展布，主要山脈有大興安嶺、小興安嶺、張廣才嶺、長白山、燕山、太行山、佳木斯臺隆、興蒙地槽等褶皺帶，主要盆地有松遼盆地、三江盆地、海拉爾盆地以及下遼河盆。主要火山：長白山火山、五大連池火山。區(qū)域內(nèi)分布一條大興安嶺—太行山重力梯度帶。有6條主要的斷裂：鴨綠江—春陽斷裂、伊通—依蘭斷裂、敦化—密山斷裂、嫩江—八里汗斷裂、農(nóng)安—哈爾濱斷裂、得爾布干—額爾古納斷裂[3]。東北做為全球鮮有的深震孕育區(qū)，以及火山活動(dòng)劇烈地區(qū)，地貌交錯(cuò)、構(gòu)造情況較為復(fù)雜備受地學(xué)家關(guān)注，能夠獲取該區(qū)的速度結(jié)構(gòu)，對于研究深層地震孕育機(jī)制、板塊運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)等都有重要的意義[2]。

接收函數(shù)對速度界面轉(zhuǎn)換深度敏感，雖然可以通過接收函數(shù)反演得到研究區(qū)轉(zhuǎn)換界面和速度變化信息，但接收函數(shù)對每層模型的絕對速度不敏感。面波對一定范圍內(nèi)介質(zhì)平均速度敏感，對S波轉(zhuǎn)換界面深度約束較弱。由此可見，接收函數(shù)和面波分別從橫向與縱向兩個(gè)方向全面說明了速度結(jié)構(gòu)的特性，故聯(lián)合兩種方法，應(yīng)用于地球殼幔結(jié)構(gòu)研究，意義深遠(yuǎn)。

聯(lián)合反演的顯著優(yōu)勢，就是綜合考慮兩方面結(jié)果相互影響，在某種程度上降低了非線性反演結(jié)果非唯一性問題。本文利用中國東北地區(qū)固定測震臺站[4]的寬頻帶數(shù)字化地震計(jì)觀測資料，采用最大熵反褶積法獲得了研究區(qū)（115°E～135°E，38°N～54°N） 臺站下方接收函數(shù)，通過HK掃描法得到地殼厚度及波速比信息及東北地區(qū)莫霍面分布[3]，使用雙臺法共提取8～160s周期范圍內(nèi)Rayleigh面波相速度頻散曲線，通過Tarantola概率反演方法得到了研究區(qū)2°×2°分辨率的相速度分布圖[6]，利用接收函數(shù)獲取的地殼厚度結(jié)果作為反演約束條件，采用Tarantola非線性反演方法，反演得到7～140km深度范圍的三維橫波速度結(jié)構(gòu)，并結(jié)合已有資料對其包含的地球動(dòng)力學(xué)含義進(jìn)行了探討。

1 資料

受研究區(qū)域國界及海岸線的限制，我們選取的地震臺站都位于研究區(qū)域內(nèi)以及西部鄰省。我們選取了黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙東部共111個(gè)測震臺站（臺站位置分布如圖1所示）的寬頻帶數(shù)字化地震計(jì)觀測資料，所有觀測資料均來自于中國CDSN波形數(shù)據(jù)中心。從臺站分布圖可見，研究區(qū)域整體臺站分布并不是很均勻，臺站分布高密度的地方主要集中在南部，西部和北部分布相對稀疏，中部臺站較少，周邊無臺站分布，考慮臺站分布情況，本文把分析重點(diǎn)放在研究區(qū)中部進(jìn)行探討。

查閱相關(guān)資料及用2012年數(shù)據(jù)進(jìn)行初算，發(fā)現(xiàn)中等規(guī)模的淺源地震得到的結(jié)果比較好，能夠得到清晰的接收函數(shù)和面波頻散，最后向國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心選取上述臺站自2012年1月1日至2015年10月1日，震中距在2000～18000km范圍內(nèi)，震級在6.0以上，共542地震事件。

圖1 東北地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造單元及臺站位置分布圖Fig.1 Stations location in Northeast China

2 反演方法與參數(shù)選擇

2.1 反演方法

聯(lián)合反演的正問題就是如下方程的求解，

其中W為觀測數(shù)據(jù)，F(xiàn)［］表示對模型的非線性運(yùn)算，它把模型空間矢量映射成數(shù)據(jù)空間矢量，x是待求解的模型。將非線性方程做線性化、迭代處理，并以

來求解。其中δxn=x-xn是模型校正量，δw=w-F［x］是數(shù)據(jù)殘差。為了求解上述方程，則必須求得反演算子 （▽F|xn）-g，使得

采用差分阻尼最小二乘法，并使下列函數(shù)得到極小值，來求取反演算子

其中，D·δxn是相鄰層間的S波速擾動(dòng)的一階差矢量，θ2是分辨與穩(wěn)定性之間的折衷系數(shù)，矩陣D為

在聯(lián)合反演中，考慮到接收函數(shù)與頻散的觀測值個(gè)數(shù)、物理量對結(jié)果的影響，Julia et al.定義了聯(lián)合反演預(yù)測誤差。

其中，p為兩套數(shù)據(jù)的相對影響系數(shù)，取值范圍為0～1。yi為頻散殘差，Zij為接收函數(shù)偏微分矩陣，Yij為頻散偏微分矩陣，Ny和Nz分別為兩套數(shù)據(jù)的觀測點(diǎn)數(shù)，Zi為接收函數(shù)殘差，σyi2，σzi2是相應(yīng)的協(xié)方差。對于同一初始模型而言，一般情況下，由數(shù)據(jù)y和z所得到的模型 x（y）和 x（z）雖然接近，但不一定相等。為了均等兩套數(shù)據(jù)對聯(lián)合反演預(yù)測誤差的貢獻(xiàn)，引入權(quán)重系統(tǒng)方程：

來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合反演預(yù)測誤差最小，這里，

2.2 反演程序與參數(shù)

使用CPS軟件包中的joint96程序?qū)|北地區(qū)地殼上地幔橫波速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演。選取全球地殼模型crust1.0和全球一維模型ak135組合作為初始模型，反演中采用的初始模型是層狀的各向同性的一維模型，共32層，其中地殼5層，每層厚度7km，地幔27層，每層厚度10km。以0.25°作為網(wǎng)格反演間距，在研究區(qū)內(nèi)利用面波研究得到的頻散取插值后，得到臺站附近網(wǎng)格點(diǎn)上的頻散文件。在joint96程序中設(shè)置接收函數(shù)時(shí)窗-2～20s，sigr最小值0.00020，sigv最小值0.05，擬合誤差的權(quán)系數(shù)p取0.3，權(quán)重參數(shù) 1層 0.3，2層 0.4，3、4、5層0.5，6～9層由0.6依次遞增到0.9，10～32層取1.0，設(shè)置衰減系數(shù)10。

利用上述方法我們反演得到7km、14km、21km、 35k m、 40km、 50km、 60km、 70km、80km、90km、100km、110km、120km、140km共14個(gè)深度切片。切片如圖2所示。

3 結(jié)果分析及討論

由圖1對比不同深度橫波速度分布，除21km深橫波速度結(jié)構(gòu)水平方向變化較為平均，其他深度水平切片的橫向不均勻都非常明顯，體現(xiàn)了該研究區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造。在縱向切片上，波速的高低框架具有相似的面貌，在7～21km、21～35km、40～80km、80～140km 四個(gè)階段內(nèi)呈現(xiàn)相對穩(wěn)定性和連續(xù)性，這與研究區(qū)地殼地幔地質(zhì)體分布相對固定的特點(diǎn)相吻合，同樣也驗(yàn)證了該方法所反演的橫波速度結(jié)構(gòu)具有合理性。

從橫波速度絕對值來看，總體呈現(xiàn)趨勢增加，分層穩(wěn)定的特點(diǎn)。一方面隨深度增加，速度絕對值從7km深的3.2km/s逐漸增大至140km深的4.4km/s，體現(xiàn)較好的增長趨勢。另一方面，在一定范圍的分層內(nèi)（地殼和地幔），橫波速度表現(xiàn)為層內(nèi)較為穩(wěn)定的特點(diǎn)，在35km深度切片圖可以明顯看出殼幔分界，在研究區(qū)重力梯度帶以西呈現(xiàn)低速特性，以東呈現(xiàn)高速特性。結(jié)合以西及35km以上深度切片，得到橫波速度大致分布在3.2～3.9km/s之間，結(jié)合以東及35km以下深度切片，得到橫波速度大致分布在4.1～4.5km/s，由此說明35km是地殼和地幔過渡地帶，而且其介質(zhì)組成存在明顯的差異，其介質(zhì)差異體現(xiàn)在橫波速度絕對值的變化上。

從橫波速度相對變化量來看，呈現(xiàn)層內(nèi)變化較小，過渡帶變化較大的特點(diǎn)。在7～21km地殼范圍內(nèi)，橫波速度變化范圍在0.5～0.6km/s，速度相對變化較小，說明地殼巖石介質(zhì)以剛性為主的力學(xué)特性，并且相對高低速分布與地質(zhì)單元構(gòu)造有較好的鏡像關(guān)系。在50～120km深度范圍內(nèi)橫波速度變化范圍在0.5～0.7km/s，說明該深度范圍內(nèi)介質(zhì)分布較為一致，其相對高低速分布在水平尺度上形態(tài)相似，在垂直尺度上有較好的連續(xù)性。在21～35km、140km深度范圍內(nèi)橫波速度變化范圍分別在0.9km/s、1.1km/s，速度變化范圍較大，很好地說明在殼幔過渡帶，及地幔底部介質(zhì)分布差異較大，可能在強(qiáng)度或賦存狀態(tài)上具有更大的變化范圍。

7km、14km深度切片反映的是上地殼橫波速度分布特征，該深度橫波速度橫向變化量稍大（0.6km/s），橫波速度分布與地表地貌有較好的對應(yīng)關(guān)系，其中相對高速對應(yīng)研究區(qū)褶皺帶，在小興安嶺南端、張廣才嶺附近達(dá)到最高，相對低速對應(yīng)研究區(qū)的盆地和平原，說明山區(qū)與平原不同的巖石組成。

21km深度切片反映的是中地殼橫波速度分布特征，由圖1可知，該深度橫波速度橫向變化量相對較?。?.4km/s），說明中地殼介質(zhì)較為單一、連續(xù)。

35km深度切片反映的是下地殼及殼幔過渡帶的橫波速度分布特征，該深度范圍研究區(qū)橫波速度橫向差異較大（0.9km/s），說明介質(zhì)特性的變化。以大興安嶺—太行山重力梯度帶為界，東西橫波速度結(jié)構(gòu)差異明顯，梯度帶以東為大面積高速區(qū)域（＞4.1km/s），梯度帶以西為大面積低速區(qū)域（＜3.9km/s），表明其受地殼厚度的影響較大。對應(yīng)接收函數(shù)結(jié)果可以看出，該深度切片存在松遼盆地東南緣存在低速異常區(qū)，對應(yīng)黑龍江的HHL（紅海林火山臺）、LIH（柳河火山臺）、MDJ（牡丹江臺），三個(gè)臺站地殼厚度分別為36.8km、35.2km、35km明顯比周邊位置厚，故出現(xiàn)低速異常，該異常區(qū)橫波速度還存在一個(gè)高速異常區(qū)，對應(yīng)內(nèi)蒙的BAQ（寶昌臺）該臺地殼厚度為29km，薄于周邊位置，故呈現(xiàn)高速異常。人工地震研究表明，重力梯度帶西側(cè)地殼厚度比東側(cè)厚，變化量約為3～5km，松遼盆地四周MOHO面深度變化明顯，其西部、北部地殼表現(xiàn)為凹陷特征，東北及東南突出[5]。傅維洲等對滿洲里—綏芬河地學(xué)間斷面研究結(jié)果表明：松遼盆地內(nèi)地殼厚度從西向東逐漸減小，變化范圍約為31～36km。關(guān)于重力梯度帶兩側(cè)橫波速度的差異原因[6]，徐義剛指出可能和重力梯度帶兩側(cè)的巖石成分、地殼厚度以及溫度有關(guān)[7]。

40km深度切片反映的是研究區(qū)殼幔過渡帶、上地幔頂部的橫波速度分布情況，該深度范圍速度的水平變化量較大（0.9km/s），說明還沒有完全進(jìn)入上地幔。該深度上研究區(qū)大部分進(jìn)入上地幔，兩個(gè)低速異常區(qū)分別對應(yīng)大興安嶺東側(cè)和海拉爾盆地下方，對應(yīng)臺站為內(nèi)蒙XIQ（西旗臺）、ARS（阿爾山）、HLH（霍林郭勒臺），臺站下方地殼厚度分別為34.6km、37.8km、38.3km，地殼厚度較大，處于地殼邊緣。

50～120km深度切片反映的是研究區(qū)上地幔頂部的橫波速度分布情況，該深度范圍橫向波速變化量較?。?.7km/s），已經(jīng)完全進(jìn)入上地幔。

在50～90km深度切片上，松遼盆地下方存在明顯的高速區(qū)域。而100km深度切片上，高速區(qū)域消失。前人在東北開展的相關(guān)研究中也得到了松遼盆地下方高速異常的結(jié)論。潘佳鐵[2]利用背景噪聲層析成像法，結(jié)合研究區(qū)深度切片和縱剖面圖指出：松遼盆地高速異常區(qū)域最深可達(dá)到100km。Li等[9]面波成像的研究表明，松遼盆地下方的高速異常至100km深度上仍然存在[8]。Zheng等[10]的研究結(jié)果表明松遼盆地下方高速異常出現(xiàn)在60km深度切片，80km深度切片該高速異常消失，分析其研究所用數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在該研究中用到的頻散周期最長為40s，而40s的頻散曲線對80km及以下深度的橫波速度的敏感性較弱，結(jié)果在深度上并不可靠。

長白山下方存在非常明顯的低速異常，從50km深度到140km深度范圍內(nèi)，由長白山東北端向西南端移動(dòng)，區(qū)域面積成擴(kuò)大趨勢。同時(shí)與潘佳鐵等[2]、雷建設(shè)等[7]體波成像研究結(jié)果相符。趙大鵬等研究表明：長白山地塊下低速異常在400km仍然存在，并推測是太平洋板塊的深俯沖作用結(jié)果。

在50～100km深度范圍內(nèi)還出現(xiàn)了一些小的高速區(qū)域：興蒙地槽、小興安嶺南緣、長白山北緣、長白山近內(nèi)蒙東部地區(qū)、海拉爾盆地南端，以及部分低速區(qū)域：大興安嶺北端、松遼盆地東南緣、小興安嶺南緣、三江盆地，這些小范圍的高低速異常區(qū)域在100km深度上基本消失，其原因有待進(jìn)一步考證，但這些區(qū)域在深度上都表現(xiàn)出較好的縱向連續(xù)性。

在一系列深度切片中，在佳木斯臺隆與烏蘇里地槽褶皺帶之間存在高速異常，一直持續(xù)到140km深切片，由于該區(qū)域未在面波頻散曲線的覆蓋范圍內(nèi)，這里不予討論。

4 結(jié)論

本文利用接收函數(shù)獲得的地殼厚度及泊松比信息，和8～160s瑞利面波頻散資料，聯(lián)合反演了東北地區(qū)S波速度結(jié)構(gòu)，獲得了較好的結(jié)果，結(jié)果表明：

（1） 研究區(qū)不同深度的橫波速度結(jié)構(gòu)具有明顯的橫向不均勻性和縱向連續(xù)性，橫波速度值與深度呈線性關(guān)系，同時(shí)表現(xiàn)出分層穩(wěn)定的特征；

（2） 中、上地殼的速度結(jié)構(gòu)與地表地貌具有較好的對應(yīng)關(guān)系；

（3） 中、下地殼S波速度結(jié)構(gòu)以重力梯度帶為界，東西差異明顯，以西表現(xiàn)為大面積低速，以東表現(xiàn)為大面積高速；

（4） 在殼幔過渡帶以及下地幔，橫波速度變化量較大，體現(xiàn)了介質(zhì)的轉(zhuǎn)變特性；

（5） 在地幔深度，松遼盆地下方呈現(xiàn)出顯著的高速異常，在100km深度上異常消失。長白山下方存在明顯的低速異常，直到本研究的最深界面140km深度，該異常依舊存在。

致謝：感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)姚華健和吳忠慶老師提供的頻散曲線提取和反演程序，以及給予的精心指導(dǎo)和幫助。感謝中國地震局地球物理研究所“國家數(shù)字測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心”為本研究提供了固定臺站地震波形數(shù)據(jù)。