鄂爾多斯塊體北緣Pg、Sg波層析成像研究

王祿軍 張 帆 郝美仙 王 鑫 尹戰(zhàn)軍

1 內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特市哲里木路80號，010010

鄂爾多斯塊體北緣主要分布于內(nèi)蒙古中西部地區(qū)，在陰山隆起和鄂爾多斯隆起之間，東西走向，內(nèi)部為穩(wěn)定的塊體，沒有發(fā)生過6級以上的地震，但其周邊存在不同構(gòu)造帶，應(yīng)力分布不均勻[1]。鑒于鄂爾多斯塊體及其周緣特殊的地質(zhì)構(gòu)造條件，許多學(xué)者對該區(qū)域地下介質(zhì)和動力學(xué)環(huán)境進行研究[2-8]。

本文使用雙差層析成像方法對鄂爾多斯塊體北緣(39.5°～42.5°N，105°～115°E，圖1)進行研究，并對該地區(qū)2010～2020年391個地震進行重定位，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和動力學(xué)環(huán)境，探究地震活動以及地殼速度結(jié)構(gòu)的變化。

F1：狼山山前斷裂；F2：鄂爾多斯北緣斷裂；F3：大青山山前斷裂；F4：和林格爾斷裂；F5：蠻汗山山前斷裂；F6：岱海-黃旗海盆地南緣斷裂；F7：口泉斷裂；F8：陽高盆地北緣斷裂圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造Fig.1 Geology structure in study area

1 數(shù)據(jù)、方法與反演參數(shù)

1.1 數(shù)據(jù)

從中國地震臺網(wǎng)中心編目服務(wù)器獲取研究區(qū)2010～2020年MS≥2.0的391個地震數(shù)據(jù)，得到Pg波數(shù)據(jù)4 340條、Sg波數(shù)據(jù)3 530條。研究區(qū)域內(nèi)有24個臺站，為保證反演的可靠性，對震相篩選約定如下：走時殘差在±6 s且至少被6個臺站記錄，震源深度小于35 km，剔除走時異常的數(shù)值。根據(jù)確定的震中距臨界值篩選初至波與實際數(shù)，最后獲得3 010條Pg波、3 410條Sg波數(shù)據(jù)。篩選后的走時-震中線性關(guān)系見圖2。

圖2 初至Pg、Sg波時距曲線Fig.2 Time distance curve of first break Pg-wave and Sg-wave

1.2 雙差層析成像

雙差層析成像是在雙差定位基礎(chǔ)上對地震進行精定位，其原理是將同一個臺站接收到的路徑相似的2個地震的理論到時與實際到時作差，然后利用到時差數(shù)據(jù)反演地震三維速度結(jié)構(gòu)。

1.3 反演參數(shù)

將光滑因子權(quán)重設(shè)定為100，阻尼因子權(quán)重設(shè)定為200[2]。為了展現(xiàn)不同的速度結(jié)構(gòu)特征，對研究數(shù)據(jù)進行反復(fù)實驗，最終將研究區(qū)域分為3個剖面，水平方向間隔1°和0.3°，深度方向間隔5 km。

2 反演結(jié)果

2.1 棋盤格恢復(fù)測試結(jié)果分析

為驗證實驗的分辨能力，采用棋盤格恢復(fù)測試對反演結(jié)果進行測試。首先給初始一維速度模型按照相鄰網(wǎng)格點加±5%的異常，獲得三維速度模型，然后利用加了異常的模型正演數(shù)據(jù)，最后用正演的數(shù)據(jù)進行反演。圖3、4給出Pg、Sg波在5～15 km深度的測試結(jié)果剖面圖。如圖所示，39.5°～41.5°N、 106°～114°E范圍由于射線分布較好，15 km以內(nèi)的各深度層基本能恢復(fù)正、負(fù)速度的相對變化；其他區(qū)域受臺站分布少、地震分布稀疏的影響，相對變化恢復(fù)測試效果并不理想。

圖3 Pg波速度異常分辨率測試結(jié)果Fig.3 The results of velocity anomaly resolution for Pg-wave

2.2 反演結(jié)果分析

對鄂爾多斯塊體北緣進行層析成像研究，經(jīng)過10次迭代，391個地震重定位結(jié)果見圖5。由圖可知，地震分布大致與該區(qū)的主要斷裂帶走向一致，且重定位后地震分布更加集中，多數(shù)地震分布于研究區(qū)域東部，其他地震則沿著鄂爾多斯北緣斷裂和狼山山前斷裂方向分布。為了對地震深度進行更深入的研究，給出深度在經(jīng)度和緯度方向的剖面圖(圖6、7)?？梢钥闯?，地震發(fā)震深度不再集中，大部分均勻分布在0～20 km之間。

圖5 重定位前后的地震分布對比Fig.5 Comparison of seismics before and after relocation

圖6 深度在經(jīng)度方向的剖面圖Fig.6 Depth profile in the direction of longitude

圖7 深度在緯度方向剖面圖Fig.7 Depth profile in the direction of latitude

2.3 層析成像結(jié)果分析

層析成像結(jié)果見圖8。整體來看，沿著大青山山前斷裂和鄂爾多斯北緣斷裂，研究區(qū)表現(xiàn)為連續(xù)的高速區(qū)；蠻汗山山前斷裂、岱海-黃旗海盆地南緣斷裂、研究區(qū)東部表現(xiàn)為低速區(qū)。具體而言，5 km深度Pg和Sg波的速度結(jié)構(gòu)在蠻汗山山前斷裂、和林格爾斷裂和岱海-黃旗海盆地南緣斷裂處存在高、低速交界，因此這些區(qū)域的地震發(fā)生頻率較高；10 km深度Pg和Sg波高速區(qū)與5 km基本重合，沿著鄂爾多斯北緣斷裂和狼山山前斷裂延伸；15 km深度鄂爾多斯塊體北緣西部表現(xiàn)為一個連續(xù)的高速體，這與韓曉明等[2]的研究一致；25～30 km深度地震較少，但同樣發(fā)生在高、低速的交界區(qū)。地震最密集地區(qū)為岱海-黃旗海盆地斷裂和蠻汗山山前斷裂的高、低速交界區(qū)，反映了該區(qū)域地殼介質(zhì)脆弱。

圖8 不同深度的Pg和Sg波速分布Fig.8 Pg- and Sg-wave velocity distribution at different depths

3 結(jié) 語

1) 鄂爾多斯塊體北緣的Pg、Sg波的三維速度結(jié)構(gòu)與該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)一致。鄂爾多斯塊體北緣區(qū)域內(nèi)存在大量的高速異常體，表明該區(qū)域內(nèi)部未被大量破壞，河套斷陷帶、陰山-燕山造山帶低速異常可能與青藏高原東北部擠壓有關(guān)。

2) 鄂爾多斯塊體北緣Pg、Sg波存在明顯的橫向不均勻性，從東到西表現(xiàn)為高、低速相間分布，陰山-燕山斷陷帶、河套斷陷帶下方存在著向鄂爾多斯塊體內(nèi)部延伸的低速異常帶，可能受到太平洋板塊的俯沖作用。

3) 以往報告顯示地震深度多集中在10 km左右，而重定位后地震深度在0～20 km之間均勻分布，這與馬夢丹[8]的研究一致。

4) 研究區(qū)2010～2020年大部分地震沿斷裂方向分布，與李多等[9]的研究一致。

5) 本文主要使用Pg和Sg波到時，沒有用到Pn和Sn波數(shù)據(jù)，所以在定位精度和質(zhì)量上有所不足。由于本文部分?jǐn)?shù)據(jù)來自觀測報告，沒有通過互相關(guān)計算走時差，也會對精度產(chǎn)生一定影響。此外，受到地震臺站數(shù)量和地震射線密度的影響，可能導(dǎo)致有些區(qū)域的恢復(fù)和反演效果不是很好，下一步研究中將會盡量避免此類問題。

致謝：感謝內(nèi)蒙古地震臺各位同事、張海江老師、高磊博士的幫助！