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背景噪声和地震面波反演东北地区岩石圈速度结构

李皎皎  
【摘要】:中国东北地区地处西伯利亚块体与中朝块体之间,东临西太平洋边缘海,区域内构造格局错综复杂,主要地质构造单元如松辽盆地、大兴安岭和张广才岭等均呈近北东向展布并被交错复杂的断裂系统所分割,著名的郯庐断裂带北段贯穿全区。本区经历多期构造作用,岩石圈减薄已得到地球化学和地震面波层析成像结果的证实。鉴于东北地区地质构造的复杂性和构造运动的特殊性,研究其岩石圈地震波速度结构,对于揭示该区区域构造特征及深部动力学机制等都具有重要意义。 面波层析成像是通过反演面波频散曲线得到群速度分布,不同周期的群速度反映不同深度范围内的速度结构,周期越大,反映的深度越深;而且,与体波成像相比,面波成像具有更高的垂向分辨率。因此,该方法被广泛应用于地壳上地幔速度结构的研究。由于面波的固有衰减和散射,用地震面波成像的方法难以得到浅层的速度结构,而近年来发展的背景噪声成像方法摆脱了依赖有源地震的限制,能够提取短周期面波频散曲线,得到高分辨率的浅层结构。而从背景噪声中又难以提取可靠的长周期面波频散资料,因此仅用背景噪声成像很难得到深层的结构信息。本研究应用东北地区的黑龙江、吉林、辽宁和内蒙古四省区域地震台网119个宽频带台站记录的波形资料,结合背景噪声成像和传统的单台地震面波成像方法获得了研究区从浅至深直至约100km的群速度分布,充分发挥了两种方法的优势。 由于两种方法在提取瑞利面波群速度频散曲线时所用资料和数据处理方法不尽相同,本研究先分别利用背景噪声和地震面波提取频散曲线,再由这些频散曲线反演面波群速度分布。其中,利用背景噪声测量频散曲线时,选取的数据为区域台网记录的2009年1月至2010年12月连续波形资料的垂向分量;数据处理分三步进行:(1)对单台数据进行预处理得到背景噪声;(2)计算并叠加台站对间背景噪声的互相关函数;(3)采用多重滤波方法测量频散曲线并对其进行人工筛选和质量控制。地震面波成像应用区域地震台网记录的2007年8月至2011年7月的波形资料,从302个震级大于5.5级、震中距60°以内、震源深度小于50km的地震事件中精心筛选出瑞利面波发育良好、频散特征明显的116个地震事件用于本次研究;对面波资料进行数据预处理后,采用多重滤波法测量出瑞利面波群速度频散曲线。 经过上述数据处理,本研究分别应用背景噪声及地震面波提取的5-30s和25-70s瑞利面波群速度频散曲线,采用层析成像方法反演获取东北地区8-70s瑞利面波群速度分布,进而得到研究区从浅到深直至约100km的岩石圈速度结构。对于反演结果的可靠性,采用检测板分辨率分析方法进行检测。结果显示,背景噪声部分分辨率较高,能达到1°×1°;地震面波部分由于射线分布相对稀疏,大部分地区的反演结果能在2°×2°网格划分下得到较好恢复。对比两种方法在周期为25s和30s时的群速度图像说明其结果较为一致。 反演结果表明东北地区岩石圈速度结构存在明显的横向不均匀性。周期为8s至15s的短周期群速度分布与地表构造特征有较好的对应关系;盆岭边界的大型断裂如依兰-伊通断裂对上地壳速度结构的影响明显,松辽盆地表现出较厚的低速沉积盆地特征。周期为20s至30s的群速度高低速分布与短周期相比出现了反转变化,表明以大兴安岭重力梯度带为界,西部地区莫霍面深度大于东部地区。周期为50s至70s的长周期群速度图表现为随着周期的增加东部低速区西移,而西部表现为高速稳定的特征,这可能反映了研究区受太平洋板块俯冲影响,大兴安岭以东地区软流圈热物质上涌的特征。


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