曹凤娟, 郭晓燕, 李梦莹, 贾丽华, 王松阳

(辽宁省地震局, 辽宁 沈阳 110034)

0 引言

地震活动与区域构造和地壳活动状况密切相关,地震波速或波速比可以反映其断层或地壳的活动情况。张洪艳等[1]在研究吉林地区波速比分布特征与地震活动的关系时发现,在波速比高值区和高、低值过渡区为地震易发地带;张学民等[2]研究华北地区的波速比时发现在强震区的波速比总体上高于弱震区;李永莉等[3]研究也发现云南地区波速比空间分布具有区域性、非均匀的特征;刘琼林等[4]研究华北克拉通中西部地区地壳厚度与波速比中也发现,由于中西部地下介质的岩性和密度不同,导致山区和盆地的地壳厚度和平均波速比也有所不同。

辽宁省属于华北断块区,其中郯庐地震带纵贯辽宁南北。根据地层、岩石、构造及地球物理特点,辽宁可分为3个次级断块,即辽东断块隆起,辽西断块隆起和下辽河断块拗陷。辽东断隆是一个古老的隆起带,前震旦系变质岩系在区内有着广泛的分布;辽西断块隆起古老变质岩系和古生代地层出露很少,而中生代火山岩却广泛分布,下辽河断陷为中、新生代断陷盆地,经历了先断陷后拗陷2个构造阶段[5]。总体上看,辽宁地区属于华北克拉通构造的一部分,由于该区域受到华北克拉通活化的影响,内部新构造运动很活跃,存在着多条活动断裂,如大洋河—康家岭断裂和金州断裂,因此辽宁地区(特别是辽东断块隆起区)历史上发生过多次5级以上地震。

监测地下介质性质的时空变化一直是地震预测预报研究的重要思路和具有潜力的研究方向。通过地震波速提取和监控地下深部介质物性的变化信息,对于中强震的物理参数预测和地点判定无疑是重要的。以往对波速比的研究多以对某一固定区域进行时间变化分析,寻找震前异常。本文则是利用辽宁数字地震台网34个台站的观测报告,采用和达法计算2001年以来辽宁地区的波速比,探讨波速比的区域分布特征,同时结合地质构造环境,进一步探讨辽宁地区地震活动与波速比和地下介质的关系。

1 资料与方法

辽宁数字地震台网于1999年6月开始观测,目前已从原有的16个增加到34个(图1),仪器都升级为宽频带地震仪,台网监测能力大幅度提高,可以控制全省大部分地区1.0级以上地震,边缘及邻近海域可监测到1.5级以上地震。本文利用辽宁地震台网2001年以来的震相观测报告,用单台和达法计算了辽宁地区的波速比。

图1 辽宁测震台网台站位置和2001年以来1级以上地震分布Fig.1 Location of stations in Liaoning seismological network and distribution of earthquakes with ML≥1.0 since 2001

根据 4个以上数字地震台记录到的清晰直达波Pg、Sg震相的到时TP、TS,用最小二乘法计算波速比γ和相关系数R:

(1)

(2)

式中:TPi为P波走时;Δti=TSi-TPi,其中TSi为S波走时,i=1,2,3,…,n,n为每次地震到时数据的个数;相关系数R主要用来度量纵波到时与纵横波到时差之间的线性关系。

通常要求直达波到时差Δti不超过23 s,最好12 s以内,相关系数R大于0.95,最好0.98以上,拟合误差小于0.05,台站个数大于4。经过严格的数据筛选,最终满足计算精度参与计算的地震事件(大于1.0级)有17 934个。

2 结果分析

2.1 波速比空间变化特征

表1为辽宁地区测震台网波速比计算结果。由表1可知,辽宁测震台网34个台站中16台(九五数字化台站)的波速比数据起止时间为2001年,34个台站的波速比均值范围1.666 1～1.726 3,误差范围为0.013 0～0.039 2,相关系数除高升(GSH)、西丰(XFN)、首山(SHS)和锦州(JZH)外,均大于0.99。总体来看,波速比、误差和相关系数的均值分别为1.697 8、0.027 8和0.994 6,都较好地满足了计算精度。图中绿色区域代表波速比低于均值,红色区域代表波速比高于均值。

由波速比的物理意义可知,表1中34个测震台站的平均波速比代表了震源至台站周围介质的平均波速比,不同的区域地质构造特征其波速比也应有所不同。为此,根据辽宁地区新构造运动分区结果[6],辽宁境内主要有三个主要新构造运动分区,即燕辽上升隆起区Ⅱ、松辽—下辽河—辽东湾沉降区Ⅲ、辽东—张广才岭上升隆起区Ⅳ。在此将辽宁测震台站也分成三个区来讨论辽宁地区波速比的空间分布特征,即辽西隆起、下辽河盆地和辽东隆起(表1、图2)。由表1和图2可见,下辽河盆地的波速比平均值(1.690 5)低于整个辽宁地区波速比的均值(1.697 8),而辽西隆起的波速比(1.701 2)和辽东隆起区的波速比(1.703 3)却明显高于下辽河盆地的波速比(1.690 5)和辽宁地区的均值(1.697 8),空间分布呈明显的横向不均匀性。该结果虽然与贾丽华等[5,7]利用远震P波接收函数H-Kappa叠加方法获得的各台站下方的波速比在数值上平均偏小0.067,但是整体空间分布特征基本相符。

从图2中可以看出,波速比在辽西隆起区整体偏高(大于1.70),低值主要集中在北票—朝阳断裂附近,尤其CHY台附近,波速比只有1.666 1(表1)。而下辽河盆地地区的波速比值整体偏低,大部分小于1.69,只有GAX台的波速比大于1.71,低值集中在FSH和LHT台附近,该区位于密山—敦化和依兰伊通断裂交汇处。辽东隆起区的波速比空间分布较不均匀,低值主要集中在南部大洋河断裂附近,即DDO台和XYN台(1.67)台附近。而北部的波速比整体偏高,尤其QYU台附近,波速比值达到1.73(表1)。从北到南,辽东隆起区波速比值变化范围达到0.06。在40°～42°N之间,辽宁地区的波速比分布与研究区内断裂带及地质构造地貌形态表现出良好的相关性,即由东到西呈现明显的横向不均匀性,空间分布表现为相对的高-低-高,与该区域的新构造分区对应较好:即辽东隆起—下辽河盆地—辽西隆起。此外波速比的空间分布与该区域的地形地貌吻合的也较好,即山区隆起(波速比高)-盆地坳陷(波速比低)-山区隆起(波速比高)(图1)。辽宁及邻区背景噪声面波群速度结构研究结果显示[8]:辽宁地区地壳及上地幔存在明显的横向不均匀性。短周期群速度分布与研究区内断裂带及地质构造地貌形态表现出良好的相关性,其中8～15 s周期内群速度分布特征与盆地坳陷、山区隆起对应性较好,呈“两垒高,一堑低”的群速度分布特点,基本与地质构造相吻合。本文的研究结果与之相类似。

表1 辽宁地震台网各台波速比计算结果

2.2 波速比与易震区

地震易震区的划分主要从地震地质和地质构造的角度,结合地震学方法综合分析[9]。辽宁省(119°～126°E,39°～43°N)位于郯庐断裂的北段,是东北地区地震活动最强烈的省份,自公元419年朝阳5级地震发生至今,共记录到MS≥5.0地震30次。辽宁地区地震的空间分布比较不均匀,省内中强地震明显受到郯庐断裂带、金州断裂、大洋河断裂、北票—朝阳断裂等的控制,即地震活动与构造的相关性较明显[10]。由辽宁地区的历史地震分布和波速比变化空间分布图3可见,历史上发生过5级以上地震(表2)的区域大都位于波速比低值区域及其附近。1975年2月4日海城7.3和1999年11月29日岫岩5.4级地震就发生在在XYN台至YKO台的低值区,2013年1月23日灯塔5.1级和1765年沈阳5级地震发生在LYN台和SNY台低值区,1698年义县5.0级地震发生CHY台低值区。波速比的高低可以反映区域介质的脆韧性变化,在海城—岫岩,朝阳—北票附近的低值与卢造勋等[11]通过内蒙古东乌珠穆沁旗—辽宁东沟地学断面的研究结果相符(即发现在海城地震区一带,存在壳内低速高导、低密度、高热流等一系列重大地球物理异常,在空间上与震源区存在相当好的一致关系),海城地震(包括前震、余震)震源一般均位于该区低速-高导层上方的脆性地壳内,从下部传递应力角度来看,无疑对地震的孕育和发生提供了力源条件[12]。此外,辽宁地区地壳上地幔速度地震层析成像结果也发现,海城—营口地区、朝阳—义县地区存在明显的壳内速度低速区[13]。这与王亮等[14]利用层析成像获得的结果相符,即海城地区地震主要发生在波速比较低的区域,但也有北西段的部分地震发生在高低波速比交界地区。

Ⅰ:大兴安岭上升隆起区; Ⅱ: 燕辽上升隆起区; Ⅲ: 松辽—下辽河—渤海沉降区; Ⅳ: 辽东—张广才岭上升隆起区; Ⅴ: 朝鲜北部上升降起区; Ⅵ: 北黄海沉降区图2 辽宁地区测震台站及新构造分区(据万波)和主要活动断裂Fig.2 Seismological stations,Neotectonic division (according to Wanbo) and main active faults in Liaoning area

Ⅰ:大兴安岭上升隆起区; Ⅱ: 燕辽上升隆起区; Ⅲ: 松辽—下辽河—渤海沉降区; Ⅳ: 辽东—张广才岭上升隆起区; Ⅴ: 朝鲜北部上升降起区; Ⅵ: 北黄海沉降区图3 辽宁地区测震台站和历史地震空间分布及新构造分区(据万波)Fig.3 Spatial distribution of seismological stations and historical earthquakes in Liaoning area and Neotectonic division (according to Wanbo)

表2 辽宁地区(119°～126°E,39°～43°N)5级以上地震Table 2 The MS≥5.0 earquakes in Liaoning area(119°-126°E,39°-43°N)

有些历史地震(1900年前)则位于波速比高值与低值梯度转换地带,如鸭绿江口(DDO和GUS台之间)、辽南(DLI和WFD台之间),以及辽西和辽北等地的地震,且这些地震的震级大都超过6级。总体来看,波速比低值区或者高低梯度转化带附近为5级以上地震的易发区,尤其集中分布于松辽—下辽河—渤海沉降区和辽东—张广才岭上升隆起区的过渡地带(图3中Ⅲ区与Ⅴ区分界线附近),即郯庐断裂沈阳—渤海段。这可能与地质构造环境即地质构造所形成的断裂带两侧的介质特性差异有关,由于两侧构造单元的不同物理性质,更易孕育地震[11]。海城地震区位于地壳与上地幔介质横向最不均匀的地段,其西侧的下辽河地区和东侧的辽东地区,地壳特征有显著差异:西侧具新生代裂谷特征,有巨厚的新生代沉积及深大断裂,且有从深断裂上溢的镁铁质岩,地壳厚度较薄;而其东侧不具备这些特征[11]。因此导致在过渡区即海城地震区易于出现明显的新构造运动,构成新构造差异运动较强烈的地段。

3 结论与讨论

本文采用单台和达法计算了辽宁测震台网34个台站的平均波速比,重点分析了辽宁地区波速比的空间分布特征。结果显示,辽宁地区的波速比空间分布呈横向不均匀性:下辽河盆地的波速比平均值低于整个辽宁地区波速比的均值,而辽西隆起和辽东隆起区的波速比却明显高于下辽河盆地的波速比和辽宁地区的均值。研究也发现,辽宁地区5级以上地震多发生在波速比低值区或高低值过渡区。

波速比是反映地壳介质性质的参数,其不确定因素主要由介质的横向不均匀性和计算方法的局限性造成的。非介质原因造成的波速比不确定因素中,首先考虑震源深度的影响,据Nicholson[15]的研究发现,波速比随震源深度的增加而减小,但蔡静观[16]的研究认为当1.50

波速比是地震学中最重要的运动学参数之一,它与地震波传播路径上介质的物理性状密切相关,反映了岩石受应力作用以及其他物理条件改变的影响[18]。岩石物理和实验研究表明,波速比与岩石的岩性之间存在密切关系,岩石微观结构如裂隙、孔隙的形状、密度以及岩石含水的饱和程度等都对波速比起着重要影响[19-25]。卢造勋等[11]对内蒙古东乌珠穆沁旗—辽宁东沟地学断面的研究中发现:辽东台隆位于辽东古陆的主体部位,为长期处于隆起状态的克拉通地块,太古字、下元古界的麻粒岩、角闪岩、绿片岩相岩广泛出露地表,沉积盖层不发育,壳内发育I,S型花岗岩,下辽河中、新生代裂谷是在两个古陆拼接成的克拉通基底上,于中、新生拉张裂开形成的断陷盆地,地震纵波速度值较低(3.0 km/s),存在速度逆转层和低密度层。密度变化最显著的地段分布在辽河平原与辽东半岛的过渡地带,在此中层地壳上部存在明显的低密度层[12]。该层由于塑性较大,易于传递应力,在受到区域构造应力场的作用后,在其附近,特别是邻近低速层之上的脆性地壳,更易于应力集中,岩石更易于破裂,从而形成地震易于孕育和发生的层位[11]。由此可见,由于辽东隆起区的岩石密度(花岗岩)大于下辽河盆地区(存在低密度层),导致下辽河盆地区域的波速比值相对较低,进而导致辽宁境内5级以上地震集中分布于松辽—下辽河—渤海沉降区和辽东—张广才岭上升隆起区的过渡地带。