基于改進(jìn)的多分量頻率-貝塞爾變換法研究郯廬斷裂帶濰坊段上地殼徑向各向異性結(jié)構(gòu)

周桂理, 羅松*, 姚華建,2

1 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院, 合肥 230026

2 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站, 安徽蒙城 230026

0 引言

郯廬斷裂帶是一條縱貫中國(guó)東部大陸邊緣的巨型斷裂帶,北起黑龍江,南至長(zhǎng)江,在中國(guó)境內(nèi)綿延 2400 km.自早中生代形成以來(lái),郯廬斷裂帶歷經(jīng)多期次擠壓、走滑和拉張等構(gòu)造活動(dòng)(朱光等,2018),對(duì)中國(guó)東部地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、巖漿活動(dòng)、地震活動(dòng)和礦產(chǎn)資源分布產(chǎn)生了重要影響(豐成君等,2017).根據(jù)郯廬斷裂帶地震活動(dòng)和構(gòu)造特征一般又可劃分為北、中、南三段.本文研究區(qū)域在郯廬斷裂帶濰坊段,屬于斷裂帶的中段,位于山東北部,又稱沂沭斷裂帶.該區(qū)域東臨膠東地塊,西臨魯西隆起,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,隆起和凹陷交錯(cuò)相連,主要包含汞丹山凸起、濰坊凹陷、濰縣凸起和濰北凹陷等地質(zhì)構(gòu)造單元.內(nèi)部發(fā)育有4條主干斷裂,自東向西依次為昌邑—大店斷裂(F1)、安丘—莒縣斷裂(F2)、沂水—湯頭斷裂(F3)和鄌郚—葛溝斷裂(F4),呈現(xiàn)“兩塹夾一壘”的構(gòu)造形態(tài)(圖1a).第四紀(jì)以來(lái),郯廬斷裂帶進(jìn)入了新的構(gòu)造活動(dòng)期,尤其在山東南部的活動(dòng)性更為強(qiáng)烈,歷史上發(fā)生過(guò)多次地震,包括1668年8.5級(jí)郯城大地震和公元前70年7.0級(jí)安丘地震(王華林, 1990; 馬玉香和鐘普裕, 2009).這些構(gòu)造活動(dòng)對(duì)巖石圈、地殼尤其是上地殼介質(zhì)結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了復(fù)雜的改造作用.但是,相比于郯廬斷裂帶其他區(qū)域,濰坊段歷史上記載的地震較少,屬于地震空區(qū),未來(lái)發(fā)生大地震的可能性尚不明確.因此,探究現(xiàn)今濰坊段淺地殼深部變形結(jié)構(gòu)特征可以對(duì)認(rèn)識(shí)郯廬斷裂帶的構(gòu)造活動(dòng)起到一定的約束作用,為該地區(qū)的地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供重要參考模型.

迄今為止,眾多學(xué)者對(duì)郯廬斷裂帶開(kāi)展了大量的速度結(jié)構(gòu)研究,如體波走時(shí)層析成像(黃耘等, 2011; 熊振等, 2016; Lei et al., 2020; Bem et al., 2022),面波層析成像(徐果明等, 2000; Huang et al.,2003; 易桂喜等, 2008), 背景噪聲成像(孟亞峰等, 2019; Gu et al., 2019; Li et al., 2020; Luo and Yao, 2021),以及接收函數(shù)反演(Chen et al., 2006; Li et al., 2021)等.但是這些研究的研究區(qū)域通常尺度較大,不能較好地反映郯廬斷裂帶濰坊段小區(qū)域的精細(xì)結(jié)構(gòu)特征.近年來(lái),也有學(xué)者專門對(duì)郯廬斷裂帶濰坊段進(jìn)行了研究.Ma等(2020)利用背景噪聲兩步法層析成像得到了濰坊段淺層8 km內(nèi)的三維SV波速度結(jié)構(gòu),揭示了該區(qū)域有強(qiáng)烈的橫向不均勻性; Tian等(2020)利用遠(yuǎn)震P波走時(shí)建立了濰坊段30 km深度內(nèi)的三維P波速度模型; 靳佳琪等(2023)使用面波直接成像法建立了濰坊段上地殼7.5 km內(nèi)的三維高分辨率各向同性和方位各向異性SV波速度結(jié)構(gòu).但是對(duì)于該地區(qū)的上地殼徑向各向異性結(jié)構(gòu)特征,目前仍然鮮有報(bào)道.

圖1 研究區(qū)域主要地質(zhì)構(gòu)造單元分布以及臺(tái)站分布(a) 研究區(qū)主要構(gòu)造單元分布圖. 黑色實(shí)線代表主要斷裂(鄧啟東等, 2002)： SWJ fault,上五井?dāng)嗔? LJZ fault,李家莊斷裂; JZ fault,景芝斷裂; TW-GG fault,鄌郚—葛溝斷裂; YS-TT fault,沂水—湯頭斷裂; AQ-JX fault,安丘—莒縣斷裂; CY-DD fault,昌邑—大店斷裂; 黑色虛線為主要構(gòu)造邊界： WB depression,濰北凹陷; WX uplift,濰縣凸起; WF depression,濰坊凹陷; GDS uplift,汞丹山凸起. 藍(lán)色圓點(diǎn)代表主要城市： CY,昌邑; WF,濰坊; CL,昌樂(lè); LQ,臨朐; AQ,安丘. (b) 研究區(qū)臺(tái)站分布及劃分區(qū)域圖. 黑色三角形代表臺(tái)站,紅色三角形指示圖5中的0533臺(tái)站,藍(lán)色實(shí)線劃分的A、B、C、D四個(gè)區(qū)域?yàn)橹饕芯繀^(qū),紅色虛線劃分的區(qū)域E為討論部分所用區(qū)域.

地震波速度各向異性是研究構(gòu)造活動(dòng)、介質(zhì)變形等動(dòng)力學(xué)過(guò)程的重要手段,主要分為方位各向異性和徑向各向異性兩種類型.方位各向異性主要描述了地震波沿不同方位傳播速度不同,徑向各向異性則是表現(xiàn)了不同偏振方向的橫波在速度上的差異.將介質(zhì)簡(jiǎn)化為只有5個(gè)獨(dú)立彈性常數(shù)的橫向各向同性介質(zhì)(Transversely isotropic medium,TI),根據(jù)對(duì)稱軸的方向,又分為垂直橫向各向同性介質(zhì)(Vertical transversely isotropic medium,VTI)和水平橫向各向同性介質(zhì)(Horizontal transversely isotropic medium,HTI).當(dāng)?shù)卣鸩ㄑ刂椒较騻鞑r(shí),在VTI介質(zhì)中,垂直方向偏振的橫波將以速度VSV傳播,水平方向偏振的橫波將以速度VSH傳播,此時(shí)有徑向各向異性,無(wú)方位各向異性; 在HTI介質(zhì)中,偏振方向相同的橫波沿不同方位角的傳播速度不同,此時(shí)既有方位各向異性也有徑向各向異性(彭艷菊等, 2007; Xie et al., 2013).但在大部分實(shí)際情況中,地球介質(zhì)的對(duì)稱軸既不垂直也不水平,而是傾斜的,稱為傾斜橫向各向同性介質(zhì)(Titled transversely isotropic medium,TTI).TTI介質(zhì)更加復(fù)雜,同時(shí)表現(xiàn)出徑向各向異性和方位各向異性特征.根據(jù)Xie等(2015)的研究,傳統(tǒng)方法測(cè)量到的TTI介質(zhì)的各向異性強(qiáng)度往往比真實(shí)介質(zhì)的各向異性強(qiáng)度小,需要聯(lián)合兩種各向異性反演才能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果.但是由于資料不足以同時(shí)考慮兩種各向異性,我們?cè)诒狙芯恐袃H考慮徑向各向異性.

利用Rayleigh波和Love波的頻散曲線分別反演SV波和SH波的速度結(jié)構(gòu),進(jìn)而得到徑向各向異性是一種常用的方法(Shapiro et al., 2004; Huang et al., 2010; Moschetti et al., 2010).趙凱鋒(2018)使用有限頻背景噪聲層析成像和遠(yuǎn)震面波雙平面波層析成像技術(shù),反演得到了東秦嶺—大別—蘇魯造山帶巖石圈橫波速度結(jié)構(gòu)及地殼徑向各向異性結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)蘇魯造山帶上地殼整體為正的徑向各向異性,推測(cè)可能是由正滑型構(gòu)造帶中的塑性變形亞帶引起.Ai等(2020)利用Rayleigh波和Love波頻散曲線聯(lián)合反演的方法,構(gòu)建了華北克拉通三維地殼徑向各向異性模型,他們發(fā)現(xiàn)渤海灣盆地中下地殼呈現(xiàn)正徑向各向異性,推測(cè)是中生代晚期至新生代地殼伸展變形導(dǎo)致.上述研究雖然包含了我們的研究區(qū),但是由于研究尺度較大,臺(tái)站分布稀疏,對(duì)淺層結(jié)構(gòu)的分辨率相對(duì)較低.因此,需要更加密集的臺(tái)陣來(lái)探究郯廬斷裂帶濰坊段上地殼徑向各向異性結(jié)構(gòu).

然而,由于淺地殼介質(zhì)的復(fù)雜性以及短周期噪聲源的不均一性等因素,短周期噪聲面波的雙臺(tái)頻散數(shù)據(jù)通常提取難度大且質(zhì)量相對(duì)較低.一種比較有效的緩解這一影響的方法是采用子陣列劃分方法(Luo et al., 2016; 孫楠等, 2021),雖然降低了空間分辨率,但是提取得到的子陣列平均頻散通常較為穩(wěn)定可靠,且可能提取到高階面波數(shù)據(jù),更好地約束變形結(jié)構(gòu).鑒于此,我們從劃分子陣列的角度出發(fā),基于近期新提出的改進(jìn)的多分量頻率-貝塞爾變換方法(Modified multicomponent frequency-Bessel (J) transform method,MMFJ)(Luo et al., 2022a),利用郯廬斷裂帶濰坊段短周期密集臺(tái)陣的背景噪聲數(shù)據(jù),分別提取子陣列Rayleigh波和Love波基階及高階頻散曲線,再反演橫波速度結(jié)構(gòu)并計(jì)算徑向各向異性.相比于傳統(tǒng)的頻率-貝塞爾變換方法(Frequency-Bessel (J) method,FJ)(Wang et al., 2019; Hu et al., 2020),MMFJ方法通過(guò)消除頻散譜中的“交叉”假頻,可以從多分量互相關(guān)函數(shù)中同時(shí)提取Rayleigh波和Love波的相對(duì)高質(zhì)量頻散數(shù)據(jù).此外,雖然通過(guò)聯(lián)合反演Rayleigh波基階和高階頻散曲線能夠獲得更穩(wěn)定的地下橫波速度結(jié)構(gòu)已被證實(shí)(Xia et al., 2003; 羅銀河等, 2008),但是通過(guò)聯(lián)合反演Rayleigh波和Love波的基階和高階頻散數(shù)據(jù)確定徑向各向異性結(jié)構(gòu)仍然鮮有報(bào)道,這可能與傳統(tǒng)方法(例如相移法(Park et al., 1998))中同時(shí)提取Rayleigh波和Love波基階和高階頻散數(shù)據(jù)存在一定困難有關(guān).

本文中,我們將首先介紹MMFJ方法及反演參數(shù),再結(jié)合數(shù)值例子介紹聯(lián)合反演方法的分析過(guò)程.然后將該方法應(yīng)用于濰坊密集臺(tái)陣數(shù)據(jù)上,最后得到郯廬斷裂帶濰坊段四個(gè)區(qū)域的徑向各向異性結(jié)構(gòu).結(jié)合該地區(qū)的構(gòu)造背景,我們進(jìn)一步探討了區(qū)域內(nèi)的變形結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)郯廬斷裂帶構(gòu)造演化的指示意義.

1 方法

1.1 改進(jìn)的多分量頻率-貝塞爾變換(MMFJ)法

MMFJ方法是Luo等(2022a)在FJ方法(Wang et al., 2019; Hu et al., 2020)和MFJ(Modified frequency-Bessel (J) transform method)方法(Xi et al., 2021)的基礎(chǔ)上新開(kāi)發(fā)出來(lái)的一種從九分量互相關(guān)函數(shù)中提取Rayleigh波和Love波頻譜能量,并計(jì)算去除空間假頻的方法,其主要的表達(dá)式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,

(5)

(6)

(7)

1.2 反演算法

本研究中,我們使用的反演方法是BFGS擬牛頓法(Byrd et al., 1995),主要利用DisbaTomo程序包(Pan et al., 2019)來(lái)反演橫波速度結(jié)構(gòu).根據(jù)前人的研究(Xia et al., 1999; Xia et al., 2003; Pan et al., 2019),Rayleigh波相速度對(duì)SV波速度最為敏感,對(duì)P波速度和密度的敏感性相對(duì)較小.Love波相速度對(duì)SH波速度最敏感,與密度也有關(guān)系.因此,為了減少反演中的變量,在反演過(guò)程中,我們僅反演SV波和SH波速度,P波速度和密度由經(jīng)驗(yàn)關(guān)系求得(Brocher, 2005)：

(8)

(9)

對(duì)于多階頻散曲線,反演的目標(biāo)函數(shù)如下：

(10)

2 數(shù)值模擬

2.1 MMFJ方法在合成數(shù)據(jù)上的應(yīng)用

我們首先用一個(gè)數(shù)值例子來(lái)展示MMFJ方法和采取式(7)的應(yīng)用效果.我們使用一個(gè)真實(shí)的一維各向同性的六層速度模型作為理論模型(表1; Wang et al., 2019),利用CPS330程序包(Herrmann, 2013)正演三分量連續(xù)波形數(shù)據(jù),時(shí)間長(zhǎng)度設(shè)為600 s,采樣間隔為0.01 s.設(shè)置1000個(gè)隨機(jī)震源,震源分布在圓環(huán)狀空間內(nèi),圓環(huán)的最小半徑為0.5 km,最大半徑為1.5 km.50個(gè)等間距線性臺(tái)站位于圓環(huán)中央,臺(tái)站間距為0.0042 km(圖2).參考Bensen等(2007)和Zhang等(2018)提出的噪聲數(shù)據(jù)處理流程,我們首先對(duì)單臺(tái)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括去均值,去趨勢(shì),頻率譜白化和時(shí)間域滑動(dòng)時(shí)窗正則化.計(jì)算臺(tái)站對(duì)互相關(guān)函數(shù)時(shí),我們采取先計(jì)算E,N,Z坐標(biāo)下的互相關(guān)函數(shù),再乘以旋轉(zhuǎn)張量旋轉(zhuǎn)到R,T,Z坐標(biāo)的策略(Lin et al., 2008; Hu et al., 2020), 最終得到R,T,Z坐標(biāo)下的九分量互相關(guān)函數(shù).然后我們分別用FJ方法和MMFJ方法計(jì)算Rayleigh波和Love波的頻散譜,對(duì)比說(shuō)明MMFJ方法消除頻散譜“交叉”假頻的效果.結(jié)果如圖3所示,可以看到,FJ方法得到的頻散譜(圖3a,3c)上存在明顯的“交叉”假頻,在MMFJ方法得到的頻散譜(圖3b,3d)上被有效地消除了,使得頻散譜上的頻散能量更加清晰,驗(yàn)證了MMFJ方法和采取式(7)計(jì)算頻散譜的有效性.

表1 六層速度模型參數(shù)表Table 1 Parameters of the six-layer model

圖2 數(shù)值實(shí)驗(yàn)中的噪聲源與臺(tái)站分布(a) 數(shù)值例子中的噪聲源與臺(tái)站分布圖.圖中藍(lán)色的點(diǎn)代表噪聲源,黑色三角形代表臺(tái)站; (b) 50個(gè)臺(tái)站的具體分布圖.

圖3 數(shù)值例子得到的FJ頻散譜(a) 多分量FJ法得到的Rayleigh波“求和”譜IRsum; (b) MMFJ方法得到的Rayleigh波“求和”譜 多分量FJ法得到的Love波頻散譜IL0; (d) MMFJ方法得到的Love頻散譜 圖中紅色點(diǎn)線代表理論頻散曲線,白色點(diǎn)線代表拾取的頻散曲線.

2.2 聯(lián)合反演基階和高階面波頻散確定徑向各向異性

我們將兩種反演模型進(jìn)行對(duì)比： 只用基階頻散曲線反演和聯(lián)合基階和一階高階頻散曲線反演,反演結(jié)果如圖4所示.從圖4a—h的結(jié)果對(duì)比中可以看出,聯(lián)合反演基階和一階高階Rayleigh波和Love波頻散數(shù)據(jù)相較于單獨(dú)反演基階頻散數(shù)據(jù),能夠有效降低反演模型的多解性.圖4i展示了反演得到的徑向各向異性結(jié)構(gòu).由于我們使用的理論模型是各向同性模型,所以每一層各向異性的值理論上應(yīng)為0.可以看到,雖然我們僅聯(lián)合了一階高階頻散曲線反演,但相比于只用基階頻散曲線反演,聯(lián)合反演的結(jié)果對(duì)二至六層的徑向各向異性結(jié)構(gòu)有更好地約束,說(shuō)明聯(lián)合高階頻散曲線反演可以提升徑向各向異性結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

圖4 只用基階頻散反演結(jié)果和聯(lián)合基階與高階頻散反演結(jié)果對(duì)比(a)—(d)是只用基階頻散曲線反演的結(jié)果以及對(duì)應(yīng)的頻散曲線的擬合情況,其中(a)、(b)為Rayleigh波頻散及反演模型,(c)、(d)為L(zhǎng)ove波頻散及反演模型; (e)—(h)為聯(lián)合反演基階和高階頻散的結(jié)果,其中(e)、(f)為Rayleigh波頻散及反演模型,(g)、(h)為L(zhǎng)ove波頻散及反演模型. 頻散擬合圖中,藍(lán)色的點(diǎn)代表反演使用的頻散數(shù)據(jù),灰色的線代表反演模型正演得到的頻散. 模型圖中,灰色虛線代表初始模型選取范圍,灰色實(shí)線代表反演得到的速度模型,紅色實(shí)線是這些速度模型的加權(quán)平均,藍(lán)色實(shí)線代表真實(shí)的速度模型; (i)為徑向各向異性結(jié)果. 其中黑色實(shí)線為只用基階頻散曲線反演得到的徑向各向異性結(jié)構(gòu),用RA′表示; 紅色實(shí)線為聯(lián)合反演得到的徑向各向異性結(jié)構(gòu),用RA表示. 灰色實(shí)線為理論徑向各向異性結(jié)構(gòu).

圖5 0553臺(tái)站與其他臺(tái)站九分量互相關(guān)函數(shù)示例圖. 其中互相關(guān)函數(shù)的頻帶為0.5～10 s

圖6 MMFJ法應(yīng)用到濰坊臺(tái)陣數(shù)據(jù)得到的區(qū)域A—D對(duì)應(yīng)的頻散譜(a)、(c)、(e)、(g)表示A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的Rayleigh波“求和”譜表示A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的Love波頻散譜 紅色點(diǎn)線是根據(jù)靳佳琪等(2023)得到的區(qū)域SV波平均速度模型正演的理論頻散曲線,白色點(diǎn)線代表拾取的頻散曲線.

3 郯廬斷裂帶濰坊段密集臺(tái)陣數(shù)據(jù)及應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)處理

我們?cè)賹MFJ方法和聯(lián)合反演方法應(yīng)用至濰坊臺(tái)陣實(shí)際數(shù)據(jù).我們使用的數(shù)據(jù)是中國(guó)地震局物探中心在濰坊附近布設(shè)的302個(gè)短周期臺(tái)站的背景噪聲數(shù)據(jù).采集地震數(shù)據(jù)的儀器是自然周期為5 s的三分量EPS地震儀,采樣頻率為200 Hz.采集時(shí)間段為2017年8月1日至10月31日,共計(jì)3個(gè)月.臺(tái)陣走向與斷裂帶走向基本平行,東西方向排列20個(gè)臺(tái)站,南北方向排列15個(gè)臺(tái)站,臺(tái)間距約5 km.臺(tái)站分布如圖1b所示.

我們首先對(duì)單臺(tái)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,先將數(shù)據(jù)重采樣到10 Hz,其余步驟與2.1節(jié)預(yù)處理流程相同,再計(jì)算九分量互相關(guān)函數(shù).如圖5所示,為臺(tái)陣中的0533臺(tái)站與其他臺(tái)站的九分量互相關(guān)函數(shù)示例,可以看到,ZZ、ZR、RZ、RR、TT互相關(guān)分量中都出現(xiàn)了明顯的面波信號(hào).RT、TR、TZ、ZT互相關(guān)分量中出現(xiàn)較弱的面波信號(hào),這可能與儀器布設(shè)指北存在偏差以及地下非均勻介質(zhì)導(dǎo)致的復(fù)雜波場(chǎng)有關(guān).

我們進(jìn)一步應(yīng)用MMFJ方法至濰坊臺(tái)陣多分量互相關(guān)數(shù)據(jù)上.結(jié)合濰坊密集臺(tái)陣的展布和主要地質(zhì)單元的分布特性,我們將研究區(qū)分成了若干子陣列.利用MMFJ方法分別獲得每個(gè)子區(qū)域的Rayleigh波和Love波頻散譜.根據(jù)頻散譜的實(shí)際質(zhì)量,我們最終選擇了濰坊段東側(cè)和南側(cè)A、B、C、D四個(gè)子區(qū)域(圖1b中藍(lán)色框線所示)計(jì)算頻散譜并反演橫波速度結(jié)構(gòu).如圖6所示,是這四個(gè)區(qū)域的Rayleigh波和Love波頻散譜.四個(gè)區(qū)域的Love波頻散譜上都可以看到明顯的基階及一階高階信號(hào)(圖6b,6d,6f和6h),其中區(qū)域A的Love波頻散還出現(xiàn)了二階高階信號(hào)(圖6b).但是四個(gè)區(qū)域的Rayleigh波高階頻散能量都沒(méi)有Love波明顯,只出現(xiàn)了微弱的一階高階信號(hào).除此之外,我們還可以看到圖6的頻散圖像中,均出現(xiàn)了“放射狀”假頻,根據(jù)Cheng等(2023)的研究,我們認(rèn)為這種能量較強(qiáng)且與真實(shí)頻散相交的“放射狀”假頻主要是空間采樣率不足導(dǎo)致,由于本研究使用的MMFJ方法消除的是“交叉”假頻,我們?cè)诒狙芯恐袥](méi)有涉及對(duì)“放射狀”假頻的消除.

3.2 郯廬斷裂帶濰坊段上地殼徑向各向異性結(jié)構(gòu)

基于2.2節(jié)的聯(lián)合反演方法,我們應(yīng)用至濰坊臺(tái)陣的四個(gè)子陣列的頻散數(shù)據(jù)上.由于部分區(qū)域頻散譜受到“放射狀”假頻或者其他信號(hào)的影響,高階頻散曲線的能量相對(duì)粗糙(比如圖6b,6d), 為了保證拾取到的頻散曲線盡量可靠,我們采用手動(dòng)拾取的方式拾取Rayleigh波和Love波的頻散曲線.手動(dòng)拾取可以從主觀上舍棄一些波動(dòng)較大、或者受“放射狀”假頻影響的能量,同時(shí)我們?cè)谑叭〉倪^(guò)程中也盡量保證拾取的點(diǎn)之間的頻率間隔不會(huì)相差太大.然后我們以靳佳琪等(2023)所得的濰坊段上地殼SV波速度模型進(jìn)行平均作為參考模型,分層結(jié)構(gòu)與靳佳琪等(2023)的模型保持一致,即 0～1.2 km深度每0.2 km一層,1.2～1.5 km深度每0.3 km一層,1.5～3 km深度每0.5 km一層,3～6 km深度每1 km一層,6～7.5 km深度每1.5 km一層.為了控制深部速度結(jié)構(gòu)對(duì)反演的影響,我們將Luo等(2022b)所得的的郯廬斷裂帶中南段0～300 km 深度的SV波速度模型進(jìn)行一維平均和近似,拼接至靳佳琪等(2023)的模型上,以此拼接模型作為我們初始模型.模型中的P波速度和密度由經(jīng)驗(yàn)公式基于SV波速度算出(式(8)和式(9)).我們根據(jù)參考模型隨機(jī)生成了40個(gè)初始模型,模型的波動(dòng)范圍為±0.4 km·s-1,然后分別反演A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的SV波和SH波速度結(jié)構(gòu),再將這40個(gè)反演模型結(jié)果加權(quán)平均作為最終速度模型.圖7為A、B、C、D四個(gè)區(qū)域Rayleigh波和Love波反演情況.可以看到,A、B兩個(gè)區(qū)域相鄰,速度結(jié)構(gòu)也相近,淺層2 km以上的SV波速度和SH波速度相較于C、D區(qū)域偏低.C、D兩個(gè)區(qū)域雖然相鄰,但是區(qū)域C淺層2 km以上的SV波和SH波速度相對(duì)于區(qū)域D均明顯偏低.這可能是因?yàn)閰^(qū)域C和區(qū)域D所在的地質(zhì)單元不同,區(qū)域C主要經(jīng)過(guò)膠萊盆地,淺層以沉積層為主,區(qū)域D主要位于膠北隆起內(nèi),淺層以元古宙地層和中生代巖體為主(張鵬等, 2010; 李洪奎等, 2017; 張尚坤等, 2021),所以導(dǎo)致了區(qū)域D淺層橫波速度較區(qū)域C偏高.

然后我們?cè)倮盟膫€(gè)區(qū)域的SV波和SH波速度模型,分別計(jì)算徑向異性結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖8所示.可以看到,區(qū)域A的徑向各向異性結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,淺層0～2 km為負(fù),2～6 km經(jīng)歷了由正到負(fù)的轉(zhuǎn)折,6 km以下又為正值.這可能是由于區(qū)域A垂直于郯廬斷裂帶構(gòu)造方向,不僅包含魯西隆起、汞丹山凸起等構(gòu)造單元,還橫跨郯廬斷裂帶四條主斷裂、李家莊斷裂和景芝斷裂,高速和低速區(qū)交錯(cuò)相連,區(qū)域平均結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,所以徑向各向異性出現(xiàn)了兩次轉(zhuǎn)折.區(qū)域B徑向各向異性在0～4 km為負(fù),4～7.5 km為正,徑向各向異性的強(qiáng)度與區(qū)域A類似.區(qū)域C淺層徑向各向異性值較小,且200 m以淺為正值,然后逐漸反向增大轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值,直到3 km之后又轉(zhuǎn)為正值.區(qū)域D淺層0～1 km徑向各向異性為負(fù),且隨著深度的增大逐漸減小,到2 km處轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小的正值,然后轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)值,直到5 km處又轉(zhuǎn)為正值.我們認(rèn)為,雖然區(qū)域C和區(qū)域D相鄰,但可能是由于兩個(gè)區(qū)域跨過(guò)的地質(zhì)單元不同,導(dǎo)致淺層的徑向各向異性差別較大.區(qū)域C主要位于膠萊盆地內(nèi),淺層以松軟沉積為主,導(dǎo)致速度偏小、徑向各向異性值最淺層為正.區(qū)域D淺層1 km以上速度和徑向各向異性值均相對(duì)偏大,可能是由于區(qū)域D主要位于膠北隆起內(nèi),淺層以元古宙地層和中生代巖體為主(張鵬等, 2010; 李洪奎等, 2017; 張尚坤等, 2021),更容易產(chǎn)生垂直裂隙,導(dǎo)致徑向各向異性為負(fù).雖然四個(gè)區(qū)域的徑向各向異性局部結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,但是我們發(fā)現(xiàn),從整體的趨勢(shì)來(lái)看,四個(gè)區(qū)域均在約2 km以上,徑向各向異性為負(fù)(VSHVSV),具有一個(gè)徑向各向異性“淺負(fù)深正”的特征.

4 討論

我們利用郯廬斷裂帶濰坊段的密集臺(tái)陣數(shù)據(jù),基于近期提出的MMFJ方法,提取到了四個(gè)子陣列區(qū)域的Rayleigh波和Love波基階和高階頻散數(shù)據(jù),并且通過(guò)聯(lián)合反演Rayleigh波和Love波基階和高階頻散數(shù)據(jù),得到了四個(gè)子區(qū)域內(nèi)的淺地殼徑向各向異性結(jié)構(gòu),為區(qū)域介質(zhì)變形結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程提供了一定的約束.本研究所采用的MMFJ方法是在傳統(tǒng)FJ方法的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步計(jì)算了多分量頻散譜,還消除了頻散譜上的“交叉”假頻,一定程度上提升了頻散提取的準(zhǔn)確性.但是在應(yīng)用這種陣列頻散提取方法的過(guò)程中,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)子陣列位于松軟沉積層或者子陣列展布范圍過(guò)小時(shí)都會(huì)影響到頻散譜的質(zhì)量.因此,在接下來(lái)的討論中,我們將從沉積層對(duì)面波頻散譜的影響、臺(tái)陣展布對(duì)面波頻散譜的影響以及郯廬斷裂帶上地殼變形結(jié)構(gòu)等三個(gè)方面展開(kāi).

4.1 沉積層對(duì)FJ頻散譜的影響

前面的章節(jié)中我們主要用濰坊臺(tái)陣的南側(cè)和東側(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,沒(méi)有涉及到臺(tái)陣西北側(cè)區(qū)域.這主要是因?yàn)樵谖鞅眰?cè)區(qū)域(圖1b紅色虛線框所示區(qū)域E)采用MMFJ方法所提取出的頻散譜能量相對(duì)較弱.如圖9a—b所示,分別對(duì)應(yīng)從區(qū)域E提取的Rayleigh波和Love波頻散譜.從圖中可以看到,頻散譜的基階頻散能量有效頻帶較窄(0.1～0.3 Hz),且一階高階的能量也相對(duì)分散,不利于頻散曲線的提取與反演.根據(jù)前人反演的速度模型(Ma et al., 2020; 靳佳琪等, 2023),我們推測(cè)導(dǎo)致區(qū)域E頻散譜質(zhì)量相對(duì)較弱和發(fā)散的原因可能有以下兩方面： 第一,區(qū)域E淺層主要以第四紀(jì)松軟的沉積層為主(張鵬等, 2010; 李洪奎等, 2017; 張尚坤等, 2021),且低速層可以持續(xù)到5 km附近.松軟的低速層使信號(hào)高頻能量衰減更快,導(dǎo)致頻散譜中幾乎沒(méi)有高頻面波信號(hào)出現(xiàn).第二,區(qū)域E位于橫向速度變化劇烈的區(qū)域,凹陷構(gòu)造與凸起構(gòu)造交錯(cuò),這種強(qiáng)烈的速度差異也可能導(dǎo)致臺(tái)陣頻散譜面波能量變?nèi)跚野l(fā)散(吳高雄, 2020; 孫楠, 2021).

4.2 臺(tái)陣展布對(duì)FJ頻散能量的影響

我們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn),不同的臺(tái)陣展布對(duì)所提取到的頻散數(shù)據(jù)質(zhì)量也存在一定的影響.Wang等(2019)、Cheng等(2023)的研究中也指出,頻散譜的分辨率與所選區(qū)域的臺(tái)陣展布有關(guān),展布越大,分辨率越高,同時(shí)臺(tái)陣展布還限制了頻散譜上能夠分辨的最低和最高頻率.我們利用濰坊段實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了一個(gè)測(cè)試.如圖10a所示,我們?cè)跀嗔褞|支東側(cè)選取了四個(gè)逐漸擴(kuò)大的區(qū)域,分別用黑、黃、紅、藍(lán)四種顏色表示.根據(jù)靳佳琪等(2023)反演的速度模型,我們可以知道這四個(gè)區(qū)域速度結(jié)構(gòu)基本一致,理論上頻散曲線也不會(huì)有太大差別.我們用MMFJ方法分別提取這四個(gè)區(qū)域的Rayleigh波和Love波頻散,并手動(dòng)拾取基階頻散曲線進(jìn)行對(duì)比,如圖10b和10c所示.可以看到,黑框和黃框區(qū)域由于臺(tái)陣展布過(guò)小,Rayleigh波和Love波頻散曲線在低頻區(qū)域(灰色陰影所示)出現(xiàn)了異常偏高以及不穩(wěn)定的現(xiàn)象,這將對(duì)反演速度結(jié)構(gòu)造成較大誤差.隨著選取區(qū)域逐漸擴(kuò)大,紅框和藍(lán)框區(qū)域?qū)?yīng)的頻散曲線在低頻段才逐漸趨于穩(wěn)定.因此,為了保證反演結(jié)果的可靠性,我們沒(méi)有采取傳統(tǒng)的移動(dòng)小陣列的方式獲取更精細(xì)的三維結(jié)構(gòu).

圖8 A、B、C、D四個(gè)區(qū)域的徑向各向異性結(jié)果,用RA表示

圖9 MMFJ法應(yīng)用到區(qū)域E對(duì)應(yīng)的頻散譜(a) 區(qū)域E對(duì)應(yīng)的Rayleigh波“求和”譜 區(qū)域E對(duì)應(yīng)的Love波頻散譜 紅色點(diǎn)線是根據(jù)靳佳琪等(2023)得到的區(qū)域SV波平均速度模型正演的理論頻散曲線.

圖10 臺(tái)陣展布對(duì)FJ頻散數(shù)據(jù)影響測(cè)試結(jié)果(a) 逐漸擴(kuò)大的四個(gè)區(qū)域,分別用黑、黃、紅、藍(lán)色框線表示; (b) 四個(gè)區(qū)域Rayleigh波基階頻散曲線,頻散曲線顏色同區(qū)域框線顏色; (c) 四個(gè)區(qū)域Love波基階頻散曲線,頻散曲線顏色同區(qū)域框線顏色. 對(duì)應(yīng)顏色的虛線是根據(jù)靳佳琪等(2023)得到的區(qū)域SV波平均速度模型正演的理論頻散曲線.

4.3 郯廬斷裂帶濰坊段上地殼變形結(jié)構(gòu)

地震各向異性是地球介質(zhì)的一個(gè)重要特征,指示了區(qū)域的演化與構(gòu)造過(guò)程.相比于上地幔各向異性,地殼中的各向異性的成因往往比較復(fù)雜： 對(duì)于上地殼徑向各向異性,一般認(rèn)為是由于微裂隙的定向排列導(dǎo)致,而微裂隙的排列方向主要與巖層的變形節(jié)理以及應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)(Crampin and Chastin, 2003); 對(duì)于中下地殼各向異性,通常認(rèn)為來(lái)源于巖石礦物中的晶格優(yōu)選方位(lattice-preferred orientation, LPO)(Mainprice, 2007).

從本文的反演結(jié)果上來(lái)看,A、B、C、D四個(gè)區(qū)域整體都有一個(gè)相同的趨勢(shì),即約2 km以上徑向各向異性為負(fù),5 km以下徑向各向異性為正,具有“淺負(fù)深正”的特征.靳佳琪等(2023)的結(jié)果也顯示出該區(qū)域4 km附近的速度結(jié)構(gòu)和方位各向異性特征均有明顯的變化.因此,我們推測(cè)該區(qū)域3～4 km附近可能是一個(gè)構(gòu)造分界面,指示了不同時(shí)期的構(gòu)造變形狀態(tài).我們用一個(gè)卡通圖(圖11)來(lái)說(shuō)明該區(qū)域的主要變形機(jī)制.0～2 km,該區(qū)域主要呈現(xiàn)負(fù)的徑向各向異性特征,根據(jù)前人在沂沭斷裂帶附近的地震剖面與地質(zhì)調(diào)查結(jié)果(嚴(yán)樂(lè)佳等, 2014; 徐盛林等, 2016; 張尚坤等, 2021),該區(qū)域四條主干斷裂F1,F2,F3,F4均為傾角較大且局部近直立的中生代斷裂,在這些主斷裂的控制下,沿著主斷裂發(fā)育有一系列次生斷裂,這些斷裂一部分與主斷裂同屬于中生代伸展斷裂系,受到郯廬斷裂帶早期走滑、拉張的作用,斷裂面近直立并平行于主斷裂; 另一部分是在新生代構(gòu)造過(guò)程中,以中生代斷裂為基礎(chǔ),沿著這些深大斷裂發(fā)生伸展變形,形成現(xiàn)今的淺部正斷裂系.這些斷裂的構(gòu)造面在淺部多數(shù)傾角較陡(張尚坤等, 2021),具有大量的垂直分量(Xie et al., 2013),可能就是導(dǎo)致研究區(qū)淺層呈現(xiàn)負(fù)徑向各向異性的原因.研究區(qū)5 km以下主要呈現(xiàn)正徑向各向異性,我們認(rèn)為可能是由于早白堊世以來(lái)太平洋板塊向西高角度俯沖后撤,郯廬斷裂帶表現(xiàn)為伸展活動(dòng)(Zhu et al., 2010),在這種伸展沉積環(huán)境下形成的水平結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)出正徑向各向異性的特征.而2～5 km之間,四個(gè)區(qū)域徑向各向異性結(jié)構(gòu)各有不同,總體處于由負(fù)到正的轉(zhuǎn)折狀態(tài).我們推測(cè)可能不僅受控于2 km以淺的近垂直斷裂系,也受到5 km以深的水平沉積結(jié)構(gòu)的影響,導(dǎo)致徑向各向異性結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜.

圖11 郯廬斷裂帶濰坊段可能的變形機(jī)制卡通圖

5 結(jié)論

本研究利用郯廬斷裂帶濰坊段密集臺(tái)陣數(shù)據(jù),基于改進(jìn)的多分量頻率-貝塞爾變換(MMFJ)法,提取得到了郯廬斷裂帶濰坊段四個(gè)子陣列Rayleigh波和Love波基階及高階頻散曲線,并且聯(lián)合反演得到了郯廬斷裂帶濰坊段四個(gè)區(qū)域內(nèi)的徑向各向異性結(jié)構(gòu).數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用聯(lián)合反演Rayleigh和Love波的基階和高階模式頻散能夠有效降低徑向各向異性結(jié)構(gòu)的多解性.郯廬斷裂帶濰坊段的實(shí)例結(jié)果表明,四個(gè)區(qū)域內(nèi)的徑向各向異性結(jié)構(gòu)揭示濰坊段徑向異性整體呈現(xiàn)“淺負(fù)深正”的特征,即郯廬斷裂帶濰坊段東側(cè)和南側(cè)在約2 km深度以淺,徑向各向異性為負(fù),這種變形特征可能主要受控于濰坊段的垂向斷裂體系; 在5 km以深,徑向各向異性為正,這可能與白堊世以來(lái)郯廬斷裂帶的伸展活動(dòng)有關(guān).2～5 km之間,四個(gè)區(qū)域徑向各向異性結(jié)構(gòu)各不相同,總體處于由負(fù)到正的轉(zhuǎn)折狀態(tài).我們推測(cè)可能不僅受控于2 km以淺的近垂直斷裂系,也受到5 km以深的水平沉積結(jié)構(gòu)的影響.我們的研究也發(fā)現(xiàn),采用子陣列提取頻散的方式可能受到沉積層結(jié)構(gòu)以及陣列展布的影響,這也為今后類似研究提供參考.

致謝感謝中國(guó)地震局地球物理勘探中心為本研究提供了臺(tái)陣波形數(shù)據(jù),感謝兩位審稿人和編委對(duì)論文提出的寶貴修改意見(jiàn).