摘要： 我國滇西北地區(qū)（25°～27°N，99°～101°E）是川滇菱形地塊西邊界所在區(qū)域，由于構造運動活躍，是我國地震災害比較嚴重的地區(qū)，非常有必要深入研究其孕震結(jié)構。文章利用該地區(qū)69個短周期流動臺站2020年記錄的連續(xù)波形，通過背景噪聲互相關計算和時頻分析方法，提取所有臺站對Rayleigh面波相速度頻散曲線，采用基于射線追蹤的面波頻散直接反演方法，得到研究區(qū)地下三維S波速度結(jié)構。研究結(jié)果表明，研究區(qū)域上地殼速度結(jié)構存在明顯差異，特別是大型斷裂帶的分段特征明顯。如維西—喬后斷裂帶淺層5 km內(nèi)整體表現(xiàn)為西北部高速，東南部低速;程海斷裂帶北段高南段低，在賓川盆地存在厚度約5 km的低速異常，說明賓川盆地存在較厚的沉積層。地殼淺層波速和地形起伏有較好的對應關系，在盆地區(qū)域整體表現(xiàn)為低速，高山區(qū)域為高速。2021年漾濞MS6.4地震發(fā)生在S波高低速過渡區(qū)域，研究區(qū)中下地殼內(nèi)存在不同程度的低速區(qū)，可能為地震的發(fā)生提供了孕震環(huán)境。

關鍵詞： 滇西北地區(qū); 背景噪聲; 面波直接反演方法; 地殼S波速度結(jié)構; 孕震環(huán)境

中圖分類號： P315.2""""" 文獻標志碼：A"" 文章編號： 1000-0844（2025）02-0458-10

DOI：10.20000/j.1000-0844.20231121004

Three-dimensional S-wave velocity structure of the crust in Northwest

Yunnan using the surface wave direct inversion method

CHA Wenjian^1，2， WANG Weijun3， ZHANG Yuanyuan4， HEI Hetang^1，2

（1. Dali Center， China Seismic Experimental Site， Yunnan Earthquake Agency， Dali 671000， Yunnan， China;

2. Northwestern Yunnan Crustal Tectonics Observatory of CEA， Dali 671000， Yunnan， China;

3. Institute of Earthquake Forecasting， CEA， Beijing 100036， China;

4. Kaiyuan Earthquake Agency， Honghe 661600， Yunnan， China）

Abstract：

The northwestern region of Yunnan Province （25°—27°N， 99°—101°E） lies along the western boundary of the Sichuan—Yunnan rhomboid block， a zone marked by active tectonic movements. This region is among the most seismically hazardous in China， requiring a comprehensive understanding of its seismogenic structures. In 2020， we analyzed continuous waveforms from 69 short-period stations in the area. We extracted Rayleigh surface-wave phase-velocity dispersion curves using cross-correlation of ambient noise and time-frequency analysis. We derived the Dl S-wave velocity structure beneath the study area using the direct inversion method of surface-wave dispersion based on ray tracing. The results reveal significant variations in the crustal velocity structure， particularly in segmented features along major fault zones. For example， at a depth of 5 km beneath the Weixi—Qiaohou fault zone， high velocities are observed in the northwestern section， whereas low velocities dominate the southeastern section. Similarly， the Chenghai fault zone exhibits high velocities in its northern segment and low velocities in the southern segment. In the Binchuan Basin， a low-velocity anomaly of approximately 5 km suggests the presence of a substantial sedimentary layer. Shallow crustal wave velocity correlates closely with terrain relief， with low velocities observed in basin areas and high velocities in mountainous regions. The 2021 Yangbi M6.4 earthquake occurred in a transition zone between high and low S-wave velocities. In addition， low-velocity zones of varying extents are identified in the middle and lower crust， potentially providing a seismogenic environment for the earthquake.

Keywords：

Northwest Yunnan; ambient noise; direct inversion method of surface wave; crustal S-wave velocity structure; seismogenic environment

0 引言

滇西北地區(qū)位于川滇菱形塊體的西部邊緣構造區(qū)，是印支塊體、揚子準地臺和松潘—甘孜褶皺帶的交匯部位。該地區(qū)構造運動強烈、地質(zhì)結(jié)構復雜，正斷和左旋走滑斷裂構成Z型張扭性復合變形帶;NW走向的維西—喬后—巍山斷裂、紅河斷裂以及NS走向的程海斷裂等深大斷裂區(qū)內(nèi)縱橫交錯?；钴S的構造和斷層活動使得滇西北地震多發(fā)^［1］，成為研究地球動力學和強震過程的天然試驗場。

自21世紀初以來，研究人員在滇西北開展了一系列的地震學研究，如人工地震剖面^［2-4］、主動源探測^［5-6］、背景噪聲層析成像^［7-9］、接收函數(shù)反演成像^［10-11］、各向異性層析成像^［12-14］等，為認識滇西北地區(qū)的地殼深部結(jié)構、斷層構造特征、地震孕震環(huán)境等提供了重要的資料。由于臺站密度相對稀疏，存在成像分辨率不足的問題。但隨著地震觀測技術的進步和發(fā)展，便攜流動觀測設備的大量應用改善了地震波場的空間采樣。利用背景噪聲的三維層析成像，不依賴地震的發(fā)生和分布，可以進一步增加結(jié)構探測的介質(zhì)采樣路徑，更好地約束地下結(jié)構成像可靠性，提高空間分辨率。近年來，隨著主動源、亞失穩(wěn)探測項目的實施，滇西北地區(qū)的地震觀測臺站密度顯著增加，為滇西北地下結(jié)構的研究提供了更好的數(shù)據(jù)基礎。

2021年5月21日滇西北發(fā)生了漾濞MS6.4地震，發(fā)生在之前未知的斷裂帶上，進一步說明我們對該地區(qū)的地下結(jié)構研究存在不足。本文利用滇西北地區(qū)亞失穩(wěn)臺陣和主動源臺陣共69個地震臺站，在2020全年的連續(xù)波形數(shù)據(jù)，使用背景噪聲互相關方法和基于射線追蹤的面波走時直接成像方法，反演該區(qū)域的地殼0～40 km的三維S波速度模型，分析討論該地區(qū)的地殼結(jié)構特征，解剖漾濞MS6.4地震震中區(qū)的孕震環(huán)境，更深層次地了解滇西北地區(qū)地殼的構造意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文采用滇西北地區(qū)（25°～27°N，99°～101°E）69個臺站（圖1，主動源臺站39個，亞失穩(wěn)臺站30個）2020年1—12月垂直分量的連續(xù)波形數(shù)據(jù)。這些臺站儀器相似，使用2 s～100 Hz或30 s～100 Hz頻帶的Guralp CMG-40T地震計，數(shù)采為Reftek 130，采樣率為100 Hz;數(shù)據(jù)傳輸均采用無線4G物聯(lián)網(wǎng)傳輸和CF卡備份，保證了數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。

1.2 背景噪聲互相關

首先將原始單日連續(xù)波形的垂直分量數(shù)據(jù)降采樣至5 Hz，進行去儀器響應、去均值、去趨勢處理，分頻段實行帶通濾波、頻譜白化和時間域歸一化等預處理;再讓每一組臺站對在不同頻段計算互相關;然后把臺站對所有的單日數(shù)據(jù)進行疊加獲取相應的互相關函數(shù)。圖2是1～20 s周期線性疊加的互相關函數(shù)結(jié)果，紅色虛線為面波信號窗，可以看出Rayleigh波Z-Z分量在1～20 s頻帶范圍內(nèi)非常清晰，面波信號的到時隨著臺站距離增大而滯后。

1.3 Rayleigh波相速度頻散曲線提取及質(zhì)量控制

在二維空間中，對互相關函數(shù)作希爾伯特變換可近似得到格林函數(shù)^［15］，利用圖像分析技術^［16］從經(jīng)驗格林函數(shù)中提取Rayleigh波基階相速度頻散曲線。為了控制頻散曲線的質(zhì)量，采用如下步驟：（1）選取信噪比大于5、臺間距大于2倍波長^［17］的頻散曲線;（2）去除頻散曲線周期連續(xù)跨度不足1 s，且相鄰周期存在明顯跳變的數(shù)據(jù);（3）計算每個周期的平均值與標準差，對超過一倍標準差且在相似路徑上差異過大的頻散曲線進行再次檢查篩選。經(jīng)過以上篩選，并考慮到周期大于20 s的頻散曲線數(shù)量較少，最終提取了1 534條周期在1～20 s的基階Rayleigh波相速度頻散曲線［圖3（a）］用于后續(xù)的反演計算。

2 S波速度反演

2.1 反演方法

本文使用基于射線追蹤的面波走時直接成像方法^［18］，采用頻率相關的射線追蹤和基于小波的稀疏約束層析成像反演，將頻散數(shù)據(jù)直接反演得到S波速度。觀測到的走時數(shù)據(jù)（d）和反演速度模型（m）滿足：

d=Gm （1）

式中：G表示靈敏度矩陣。

為了反演的穩(wěn)定，式（1）方程需要正則化處理，反演的目標函數(shù)變?yōu)椋?/p>

Ф（m）=‖d-Gm‖22+λ‖Lm‖22 （2）

式中：λ是平衡數(shù)據(jù)擬合和模型正則化的加權參數(shù);L為模型的平滑算子。因此m的求解變?yōu)椋?/p>

m=（GTG+λLTL）^-1GTd （3）

小波域多尺度成像的主要思想為在射線分布密集區(qū)域，模型參數(shù)在小波域中的近似小波系數(shù)以及細節(jié)小波系數(shù)均能被約束到，因此可得到高分辨率的結(jié)果。相反，在射線分布稀疏區(qū)域，只有近似小波系數(shù)能被約束到，細節(jié)小波系數(shù)會因為使用的稀疏約束變成0，所以其大尺度特征仍會被保留下來^［19-20］，即求解方程：

min［‖d-Gm‖2+λ‖Lm‖2］ （4）

傳統(tǒng)的兩步法反演是從互相關函數(shù)中求解所有雙臺路徑一維相速度頻散，然后求出二維相速度分布，最后反演得到三維的橫波速度結(jié)構。相比于傳統(tǒng)的兩步法反演，此方法省去了求解二維相速度或群速度的中間過程，直接由頻散數(shù)據(jù)反演得到S波速度結(jié)構;并且該方法未使用大圓路徑，而是采用頻率相關的射線追蹤法，可更好地模擬非均勻介質(zhì)中的射線路徑彎曲效應，對橫向變化較大的區(qū)域改善良好。在走時計算中，采用快速行進法^［21］計算各周期的面波相位傳播時間和射線路徑。同時，該方法使用了基于小波變換的稀疏矩陣反演，相比于空間域，小波域中的面波病態(tài)敏感核矩陣會得到較好的改善。

2.2 初始模型及反演參數(shù)設置

Rayleigh波基階的相速度對λ/3波長深度的橫波結(jié)構最為敏感，地基土的動態(tài)泊松比一般在0.25～0.45之間，對應的波速比是1.7～3.3倍。根據(jù)經(jīng)驗公式^［22-23］，Rayleigh波相速度是橫波速度的0.92～0.95倍^［24］，本文取0.92倍。根據(jù)遠場近似條件，帶入相速度和周期求得波長，再用λ/3除以0.92來近似得到一維橫波速度結(jié)構［圖3（b）］。模型網(wǎng)格設置為水平方向0.3°× 0.3°，深度方向以2 km為間隔共劃分20層，反演迭代的次數(shù)設置為10次;使用基于小波的稀疏約束方法對該地區(qū)的三維橫波速度結(jié)構進行反演，經(jīng)過多次嘗試，選取模型平滑權重因子為4，最終反演得到0～40 km深度的S波速度分布圖像。

2.3 射線路徑覆蓋和棋盤測試

圖4展示了最終的三維橫波速度模型反演使用四個周期（2 s、5 s、10 s、12 s）的Rayleigh波相速度射線路徑分布情況。從圖中可以看出，研究區(qū)域的平均臺間距大概為10 km，隨著周期增大，射線覆蓋密度仍然較密，保證了每個周期內(nèi)都能獲得足夠多的頻散曲線，從而保證了反演結(jié)果的可靠性。后續(xù)的棋盤測試結(jié)果也為該射線路徑分布的合理性給出了定性解釋。

為了驗證反演在不同深度上的空間分辨率，我們進行了棋盤測試。給初始模型加入±1%的速度擾動，其他參數(shù)保持一致，然后以同樣的方法進行反演，觀察反演結(jié)果能否恢復出給定的理論速度模型。圖5分別為5、15、25、35 km深度的初始模型棋盤測試結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，不同深度都有棋盤狀的異常體，最大異常體大小為0.35°×0.25°，但總體能得到較好的恢復。另外根據(jù)前人的研究表明，短周期相速度和群速度異?？梢赃_到20%～30%^［25-27］，這說明射線路徑分布直接影響反演分辨率，只要保證合理分布，即使遇到淺層變化較大的地區(qū)也能夠得到可靠的結(jié)果。為了進一步驗證結(jié)果的可靠性，我們對實際數(shù)據(jù)反演結(jié)果作了誤差分析，經(jīng)過迭代非線性反演，走時殘差的標準差從1.11 s降至0.86 s，最終模型的殘差平均值接近于0（圖6），且殘差分布呈正態(tài)分布特征。綜合來看，真實數(shù)據(jù)反演結(jié)果比較可靠。

3 結(jié)果與討論

研究區(qū)水平和垂向的S波速度剖面如圖7、8所示。在5 km深度處［圖7（a）］，研究區(qū)整體呈現(xiàn)低速，西北部劍川一帶S波為高速，該區(qū)域斷裂帶兩側(cè)物性差異明顯，可能是因為青藏高原地殼物質(zhì)向東南運移過程中受到斷裂帶的阻擋，而且這種分布特征一直延續(xù)到10 km。程海斷裂北段高低速分界明顯，說明斷裂帶兩側(cè)存在物性差異。深度10 km［圖7（b）］以及劍川—老君山以北淺層10 km內(nèi)呈現(xiàn)高速異常，這一帶屬于黎明后碰撞構造巖漿巖亞帶，主要發(fā)育古近紀正長巖、花崗斑巖、石英二長斑巖，巖性較硬^［28］。程海斷裂帶賓川盆地以西和紅河斷裂帶所圍的中間塊體存在明顯的高速，程海斷裂帶北段也出現(xiàn)高速，在15 km［圖7（c）］處呈現(xiàn)高速異常，在20 km［圖7（d）］左右高速特征減弱，這一帶主要分布有二疊紀峨眉山玄武巖^［28］，介質(zhì)較硬。0～30 km深度，金沙江—紅河斷裂和程海斷裂所圍區(qū)域，分別在賓川盆地西北、鶴慶一帶、洱源—洱海盆地存在三處明顯的低速區(qū)，馬永等^［29］也認為在這些區(qū)域存在低速異常;劉偉等^［9］認為該低速區(qū)可能是青藏高原下方地殼物質(zhì)向南運移的結(jié)果。鶴慶一帶5～15 km呈現(xiàn)明顯低速異常，推測為物質(zhì)運移過程受金沙江—紅河斷裂帶的阻擋，在該地區(qū)形成了較厚的沉積物;地質(zhì)調(diào)查結(jié)果也揭示了鶴慶周邊主要分布三疊紀北衙組泥質(zhì)灰?guī)r^［30］，并且鶴慶—劍川地區(qū)碳酸鹽巖巖溶極為發(fā)育^［31］ ;孫潔等^［32］通過大地電磁測深表明鶴慶一帶地殼上部為高阻特征，這些地質(zhì)特征為該區(qū)域低速異常提供了可靠的證據(jù)。紅河斷裂帶和維西—巍山斷裂帶所圍的中間塊體呈現(xiàn)低速，這一區(qū)域主要分布質(zhì)地較軟的泥巖、砂巖等^［30］。楊峰^［8］研究認為金沙江—紅河斷裂帶北段斷裂帶下方存在低速異常，并認為該斷裂帶對川滇菱形塊體西南邊界的剪切控制作用已經(jīng)弱化，與本研究結(jié)果比較一致。

為了更好地了解研究區(qū)精細結(jié)構，探討漾濞地震的孕震環(huán)境，我們沿震源區(qū)與斷裂帶走向大致平行并跨斷層設置了AA′～DD′四條剖面（圖1）。AA′剖面顯示，漾濞MS6.4地震發(fā)生在高低速過渡區(qū)，且偏向高速體一側(cè)，震源區(qū)下方中上地殼存在低速帶;低速層是脆性的上地殼和延性的下地殼之間的解耦帶，地震易發(fā)生在低速層上方，這可能為此次地震的發(fā)生提供了孕震環(huán)境。另外2013年洱源MS5.5和2017年云龍MS5.0地震也發(fā)生在S波高低速過渡的區(qū)域，未來可能要重點關注該條斷裂帶區(qū)域的地震活動性。從近WE向的BB′剖面可以看到，0～5 km存在一塊低速區(qū)，維西—喬后斷裂帶（F1）和程海斷裂帶（F3）下方出現(xiàn)了低速異常，推測斷層破碎帶多為細碎沉積物，速度偏低。CC′剖面淺層0～5 km與地形起伏有很好的對應，其中洱海盆地下方出現(xiàn)了低速區(qū)，這可能與盆地的沉積有關;中下地殼出現(xiàn)了S波高速的隆起，接收函數(shù)結(jié)果表明^［33］，在大理南部出現(xiàn)了莫霍面的隆起，可能是由于地幔底辟，地幔熱物質(zhì)上隆，而莫霍面埋深變淺，與此有良好的對應關系。DD′剖面貫穿程海斷裂帶，大致沿NS方向，賓川盆地下方地殼淺層存在約5 km厚的低速層，而且中上地殼S波速度也相對偏低。白志明等^［34］研究表明，賓川沉積厚度為4～5 km，推測與賓川盆地的沉積及其深部熱作用有關。從AA′～DD′剖面可以觀察到，研究區(qū)中下地殼存在不同程度的低速區(qū)。翁雪飛等^［35］研究表明，青藏高原東南緣中下地殼范圍內(nèi)普遍觀測到地震波低速區(qū)，而這些高低速的過渡區(qū)容易發(fā)生地震，推測是青藏高原下方地殼物質(zhì)向東南運移過程中存在物質(zhì)交換，在區(qū)域構造應力作用下觸發(fā)地震。

4 結(jié)論

本文基于滇西北69個短周期流動臺站記錄到的2020年的連續(xù)波形資料，通過背景噪聲互相關計算提取所有臺站對的互相關函數(shù)，用時頻分析方法獲取Rayleigh面波相速度頻散曲線，采用基于射線追蹤的面波頻散直接反演方法得到了觀測臺站下方0～40 km深度范圍內(nèi)的S波速度結(jié)構。研究結(jié)果顯示：

（1） 研究區(qū)域地殼速度結(jié)構存在明顯的差異，斷裂帶的分段特征明顯。反演結(jié)果展示的淺層S波速度與地形起伏比較一致，高低速異常與區(qū)域地質(zhì)構造密切相關。維西—喬后斷裂帶淺層5 km內(nèi)整體表現(xiàn)為西北部高速，東南部低速。位于金沙江斷裂和龍蟠—喬后斷裂帶附近的劍川—老君山呈現(xiàn)高速異常，與該區(qū)域介質(zhì)較硬有關;而鶴慶一帶整體表現(xiàn)為低速異常，推測與青藏高原物質(zhì)向東南運移過程中受到川滇菱形塊體東邊緣的剪切控制有關，并且區(qū)域介質(zhì)偏軟。0～30 km深度，程海斷裂帶南段相較于北段為低速，與金沙江—紅河斷裂所圍區(qū)域存在低速區(qū)，可能是青藏高原下方地殼物質(zhì)向東南運移的結(jié)果。

（2） 從AA′～DD′剖面可以得出，地表淺層0～5 km深度，盆地區(qū)域呈現(xiàn)相對低速分布，賓川盆地淺層出現(xiàn)低速異常，存在約5 km厚的沉積層;山地區(qū)域為高速，整體與地形起伏有良好的對應。漾濞、云龍、洱源地震均發(fā)生在S波速度高低速過渡區(qū)域，另外研究區(qū)中下地殼內(nèi)存在不同程度的低速區(qū)，可能為地震的發(fā)生提供了孕震環(huán)境。

總體來看，本研究的數(shù)據(jù)質(zhì)量和反演結(jié)果是可靠的。所選研究區(qū)域近幾年地震活動頻繁，未來依托中國地震科學實驗場項目等密集寬頻帶觀測臺陣，可結(jié)合面波、體波等聯(lián)合反演方法獲取研究區(qū)更深、更精細的地殼結(jié)構數(shù)據(jù)，為評估地震危險區(qū)提供參考資料。

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（本文編輯：賈源源）