基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳S波速度结构_陈玉鑫.pdf

第 卷第期 年月地震工程学报 ，收稿日期：基金项目：新疆维吾尔自治区重点研发项目（）；国家自然科学基金项目（）；新疆维吾尔自治区自然科学基金（，）；新疆呼图壁人工主动震源实验创新团队（）；国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”专题项目（）第一作者简介：陈玉鑫（），男，助理工程师，主要从事噪声成像研究。：。通信作者：唐明帅（），女，正高级工程师，主要从事地震分析和地震学研究。：。陈玉鑫，唐明帅，李艳永，等 基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳波速度结构 地震工程学报，（）：，（）：基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳波速度结构陈玉鑫，唐明帅，李艳永，魏芸芸，曹昌军（甘肃省地震局，甘肃 兰州 ；新疆帕米尔陆内俯冲国家野外科学观测研究站，新疆 乌鲁木齐 ；新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 ）摘要：天山造山带是新生代以来复活隆升的陆内造山带，强烈的地震活动性使得理解和认识天山造山带深部结构及盆山耦合关系尤为重要。文章中使用天山造山带及邻区（，）个台站 年的背景噪声资料，结合背景噪声互相关方法获得了 瑞利波相速度频散曲线，利用基于射线追踪的面波直接反演法对天山中段地壳三维波速度结构及盆山耦合关系进行研究。结果显示：地壳浅层波速度分布与构造单元中沉积层厚度相关，塔里木盆地北缘、准噶尔盆地南缘表现为低速，天山造山带表现为高速；到了中下地壳，天山造山带下方存在被高速异常包裹的低速体；莫霍面附近，天山造山带表现出相对低速；准噶尔盆地南缘和天山造山带的地壳厚度分别在 、之间，沿南北向，天山造山带莫霍面呈现较为宽缓的形态；在 之间，塔里木盆地和准噶尔盆地向天山下方双向俯冲，之间，准噶尔盆地向天山南向俯冲，由西向东，不同盆山耦合关系揭示了新生代以来天山中段不同区域构造运动差异，为进一步探讨造山动力过程提供参考。关键词：天山造山带；背景噪声；面波直接反演法；地壳速度结构；盆山耦合中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：，（.，；.，；.，）：，（，），；，；，：；引言天山造山带是中亚地区典型的纬向造山带，横跨乌兹别克斯坦、吉尔吉斯斯坦和哈萨克斯坦三国，一直延伸至中国境内的新疆地区。伊犁盆地、巴音布鲁克盆地、焉耆盆地和吐哈盆地等山间盆地及一系列海拔超过 的高峰组成了中国境内的天山造山带。天山地区的构造演化经历了超大陆裂解、洋盆开合以及板块碰撞增生等一系列复杂过程。现今的天山 造山 带是 受 晚新生 代 以 来印度欧亚板块碰撞远程效应影响，复活隆升的陆内造山带，强烈的板内构造作用和地震活动性使其成为众多学者研究关注的热点。利用深地震测深、深地震反射以及宽频地震观测等地学断面资料 或整合区域内地球物理观测资料，结合地震走时成像 、背景噪声成像 、远震接收函数 、观测及数值模拟 、构造应力场分析 等方法探究天山造山带及邻区地壳变形、深部结构、盆山耦合关系，是探究天山新生代隆升机制的重要方法。基于这些研究，学者们提出了塔里木盆地顺时针旋转、帕米尔高原向北推挤、层间插入与俯冲消减、岩石圈碰撞拆沉挤压、上地幔对流、型俯冲 等众多模型，目前达成共识，印度欧亚板块碰撞远程效应的影响是天山新生代隆升的根本原因，但受制于自然条件、观测成本、台站分布及资料数量等客观因素影响，对于隆升的直接原因仍存在争议，特别是缺乏天山地区高分辨率地壳速度结构图像，制约了对天山造山带盆山耦合关系及深部动力学过程的进一步分析。背景噪声成像是噪声互相关方法在地震学领域的重要应用，它通过对地震仪记录的噪声信号进行互相关计算，获得反映台站间地下介质信息的格林函数，进而提取面波频散进行速度结构反演。该方法不受天然地震分布范围影响，没有布设深地震测深、反射剖面所面临的费用昂贵、破坏地层、污染环境等问题，在足够的台站和合理的布设下，就可得到地下介质深部信息，因而广泛应用于地表浅层至第 卷 第期陈玉鑫，等：基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳波速度结构上地幔深度，小尺度区域到全球尺度研究当中。郭志等 利用中亚地区 个台站噪声数据对西南天山相速度分布和波速度结构进行反演，认为塔里木盆地和哈萨克地台的双向俯冲以及地幔热物质上涌共同为天山造山带活化提供了动力。唐小勇等 利用新疆地区 个台站记录数据对全疆 相速度分布进行研究，发现盆山构造与相速度异常有很好的对应性。刘文学等 基于中亚地区 个台站计算的接收函数和瑞利波群速度图像对天山造山带及邻区地壳上地幔波速度模型进行反演，分析了东、西天山不同速度分布特征。孔祥艳等 结合背景噪声成像和马尔科夫链蒙特卡洛方法（）对中国境内天山下方 波速度结构及盆山接触关系进行分析，认为天山中部（）主要为双向俯冲，而东西部只存在较弱的单向俯冲。等 使用布设在天山及邻区 个台站记录的噪声数据进行全波形反演，对西天山、中天山以及东天山不同盆山耦合关系进行了研究。近年来，随着新疆台网的进一步建设，相较以往，天山中段固定台站分布密度有了很大提升，有利于提高地壳速度结构反演分辨率，为深入了解盆山耦合机制及造山动力学、进行地震精定位等研究提供基础支撑。基于射线追踪的面波直接反演方法，考虑面波非大圆路径传播，追踪路径更接近真实情况，对 获 取 天 山 中 段 精 细 速 度 结 构 具 有 显 著 优势。本研究利用天山中段 个台站噪声数据，基于背景噪声互相关方法提取瑞利波相速度频散，利用面波直接反演法获得了天山中段三维地壳波速度结构，对天山中段不同块体地壳速度分布特征及差异、盆山耦合关系进行了分析，为深入理解天山造山动力学和孕震环境提供参考。数据和方法本研究收集了天山造山带及邻区（，）包括新疆台网（含克拉玛依地方台网）、哈萨克斯坦台网以及中国地震局地球物理研究所布设的流动观测台阵总计 个台站的记录（图，黄色框内为本文研究区）。其中，流动观测台站和 个固定台站（新疆地震台网）观测时间分别为 年月 年月和 年月 年 月，其余台站均为 年月 年 月。数据观测时间越长，记录的噪声源分布越均匀，提取出的信号信噪比越高。本研究选用不同时段的噪声数据计算互相关，保证每个台站对至少有一年数据记录的同时，同一时期参与计算的台站对数目尽可能多，保证成像结果的可靠性。图台站分布图 实际数据处理流程参照 等 提出的方法，首先对单台数据进行预处理，将所有数据转换为 格式，切割合并为一天长度，选取垂直分量数据重采样到 ，去均值、去趋势、去除仪器响应后，滤波到、六个频带，利用滑动绝对平均法进行时域归一化压制非噪声信号，通过频谱白化拓宽背景噪声的信号频带。其次，利用预处理后同时期任意台站对数据进行互相关计算并将每日的互相关函数叠加得到最终的互相关结果（图）。随着叠加时间的增长，互相关函数信噪比增高，面波信号增强。受噪声源分布不均的影响，互相关函数的正、负分支信号往往不对称，实际处理中需要将正、负分支信号反序叠加求取平均，形成对称分量以提高互相关函数在各个周期上的信噪比。图部分台站垂直分量互相关结果 地震工程学报 年互相关函数在时间域的导数即为台站间的经验格林函数，受求导的影响，互相关函数与经验格林函数之间存在的相移。本研究采用基于图像分析技术的面波频散曲线提取方法，通过 变换将互相关函数转换为经验格林函数，提取瑞利波相速度频散。为减小提取过程中频散曲线多分支现象干扰，利用 等 计算的中国地区 波速度模型和 模型 计算了天山中段混合路径频散作为参考频散。同时，对频散曲线进行严格质量控制：（）提取台站间距大于倍波长，信噪比大于的相速度频散曲线（信噪比定义为信号窗包络振幅最大值与噪声窗包络振幅均值之比，信号速度窗范围为，噪声窗为信号窗后 ）；（）剔除部分过短、抖动、斜率过大以及存在离群点（速度值过大或过小）的数据；（）利用聚类分析 剔除路径近似但频散数值差异较大的数据。经过质量控制，共得到周期 内 条频散曲线（图，黑线）。在大部分周期内射线数目较多（图中红线为不同周期频散数目），天山中段（图黄色框内）射线覆盖较好（图）。利用经验关系 和区域内平均相速度频散曲线（图，黄线，数值见左侧纵轴）计算的对应敏感核（图）显示，不同周期的相速度频散对不同深度的波速度结构敏感性不同，的频散对地下 内速度结构的敏感性较好。图瑞利波相速度频散曲线 本研究利用 等 提出的基于射线追踪的面波直接反演法研究天山中段地壳速度结构，初始模型和权重因子的选取对于反演结果的可靠性至关重要。考虑到造山带和盆地物质组成及性质方面的差异，构建了研究区三维 波速度初始模型（图）。横向上经纬度间隔为 ，垂向上共分 层，深度采用 等 的模型，之后结合 和 等 的模型构建新模型，并利用阶高斯滤波进行平滑。权重因子是衡量模型正则化项与数据残差项的关键反演参数，选取过小，反演结果会过度拟合数据引入测量误差，选取过大，反演结果会过度平滑和依赖初始模型。通常采用曲线确定最佳权重因子，曲线拐点对应的权重为最佳权重，经测试选取为 作为权重因子 图（）。图相速度敏感核 反演过程中共进行了 次迭代 图（），右上角为走时残差分布，随着迭代次数的增加，反演后残差标准差逐渐减小，从走时残差分布来看，反演后残差分布相对集中，呈现正态分布，表明反演数据得到较好地收敛，次迭代后反演结果趋于稳定，波速度结构较为可靠。为检验成像结果分辨率，采用与初始模型一致的格网划分，设置速度异常体大小为 ，噪声水平为和，进行棋盘测试。图为 和 深度棋盘测试结果，现有射线分布下，的速度异常体能够得到较好恢复，且噪声水平越小越容易恢复，随着不同周期频散数目减少，恢复结果变差；在北天山及准噶尔盆地南缘附近由于较高的射线密度，的速度异常体也能够得到较好恢复，但在塔里木盆地北缘等射线密度较低的地方，恢复效果非常有限，到了 深度，棋盘测试恢复效果已变差。总的来说，以上大小的速度异常反演结果是较为可信的，北天山和准噶尔盆地南缘分辨率可达。反演结果及讨论图 为反演得到的不同深度 波速度结构。深度，速度分布与盆山构造单元中沉积分布相第 卷 第期陈玉鑫，等：基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳波速度结构关。准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘、吐哈盆地、伊犁盆地以及焉耆盆地等都表现出明显的低速特征，天山造山带总体呈现出较高的速度分布，且内部高于南北缘。研究表明，南北天山山前为巨厚的沉积坳陷带，准噶尔盆地南缘、吐哈盆地分别存在 和 左右的沉积层，天山造山带基底埋深，中天山地表广泛出露古生代变质岩层，。速度分布与这些沉积分布特征相一致，高速分布对应沉积较薄的造山带，低速分布则与盆地中巨厚的松散沉积物有关。图不同周期射线分布 与 深度比较，深度准噶尔盆地南缘、吐哈盆地速度出现明显提升，天山造山带速度更加均一，天山南缘存在部分低速体，与 等、等 的结果比较一致。深度对应中下地壳，天山南北缘表现为低速，其内部存在被高速体包裹的低速异常，集中在 。这些低速异常可能是俯冲下插到天山中下地壳的塔里木盆地、准噶尔盆地中上地壳成分，其所含的一些岩类在相对较高的温压条件下发生岩石弱化而强度降低，形成地壳中具有低波速、低电阻特性的软弱带 。相较于天山造山带，准噶尔盆地南缘速度偏高。博格达峰吐哈盆地一带形成了一条高速带，与值偏高的中地壳局部抬升区一致，该高速带自 深度一直延伸到 深地震工程学报 年图反演初始模型 图权重因子选取与反演残差分布 度，高速块体表现刚性，在南北向应力挤压下容易断错，引起博格达峰与北天山“错断”。深度，盆山构造表现出明显的高低速分界，天山中东部地区表现为相对低速，而艾比湖断陷盆地、准噶尔盆地南缘显现出相对高速。深度被认为是区域平均莫霍面，接收函数结果 表明塔里木盆地北缘、准噶尔盆地南缘、天山造山带平均地壳厚度分别为 、。准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘大部分区域在此深度已进入上地幔，显现出高速，天山表现为相对低速，大部分区域仍位于下地壳。不同于天山中东部，伊犁盆地附近速度分布明显偏高，暗示该处 面深度较浅，与 等 的结果一致。在 之间，准噶尔盆地南缘、天山造山带存在第 卷 第期陈玉鑫，等：基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳波速度结构低速异常 带，一 直 延 伸 到 ，相 较 于 刘 文 学等 在 之间发现的穿过准噶尔盆地