The Preliminary Analysis of Airguns Seismic Data in the MS6.2 Taiwan Strait Earthquake Region
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摘要: 对2019年在台湾海峡6.2级地震震区布设的N01、NE02测线地震测深剖面的Pg波走时进行层析成像反演，获得测线下方地壳上部二维速度结构。对N01测线单道反射地震测深剖面进行多次波衰减等处理，并与Pg波成像结果进行对比。研究结果表明，采用走时层析成像方法与单道反射地震测深剖面获得沿探测剖面沉积层上地壳基底形态特征等具有较好的对应关系。由于测线穿越多个地质构造单元和多条断裂带，走时层析成像和单道反射地震测深剖面结果综合显示研究区结晶基底面起伏较大，沉积层速度和厚度变化较剧烈，受台湾海峡西部新生代构造活动影响，显示了相应的断裂或不同地质构造单元在上部地壳内的结构特征。Abstract: The Pg wave travel time of N01 and NE02 deep seismic sounding profiles laid in the MS6.2 Taiwan Strait earthquake region in 2019 was inverted by tomography, and the two-dimensional velocity structure of the upper crust below the survey lines was obtained. The N01 single seismic section was processed by multiple attenuation, and compared with the Pg wave imaging results, there is a good correspondence between the morphological characteristics of the basement. As the survey lines pass through multiple geological tectonic units and multiple fault zones, the results of tomography and single seismic section show that the crystalline basement surface in the study area fluctuates greatly, and the velocity and thickness of the sedimentary layer changes violently. Affected by cenozoic tectonic activities in the western Taiwan Strait, it shows the structural characteristics of the corresponding faults or different geological tectonic units in the upper crust.
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Key words:
- Taiwan strait /
- Deep seismic exploration /
- Basement structure /
- Seismic profile
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引言
2018年11月26日7时57分，台湾海峡南部（23.28°N，118.60°E）发生MS6.2级地震，震源深度20 km。至2019年1月9日，共发生ML4.0级以上余震10次，最大余震震级为ML4.9级。此次MS6.2级地震虽距闽台两岸的距离>100 km，但福建大部分地区普遍有震感，其中东南沿海地区震感强烈。此次地震所在的台湾海峡南部位于东南沿海地震带北段，处于台湾造山带前缘，受马尼拉海沟影响，地质构造较复杂，震区周边历史强震较活跃。据1900年以来的资料统计，震中周边100 km范围内历史上发生13次5级地震，1次6级地震，1次7级地震。自有地震台网记录以来，1994年7.3级地震为该海域最大历史地震，与此次地震仅相距约32 km。已有资料表明，除台湾岛东部海域外，福建—粤东近海海域、渤海海域和江苏近海海域是我国近海海域地震最活跃的区域（丁祥焕，1999；邓起东等，2001），而台湾海峡及其邻近地区是我国大陆东部中强地震多发区，此次地震的发生具有一定区域代表性，发震位置处于北东向东山隆起东缘构造和北西向巴士海峡断裂构造带交界处，具有特殊性。
由于此次地震发生的位置较特殊，福建省地震局结合往年在台湾海峡开展的地震探测经验（闫培等，2015；姚道平等，2016；张艺峰等，2017；王笋等，2018），于2019年在震区海域布设了2条深地震探测测线，其中N01为1条近南北向测线，穿过此次地震主震位置，长210.5 km；NE02为1条北东向测线，方位角50°，不仅经过此次地震震区，且衔接往年原有测线，长约225 km。N01、NE02测线各布设了30台OBS，气枪震源由6支Bolt1500LL型枪组成总容量为0.1966 m3的枪阵，沉放深度10 m，工作压力145 kg/cm2。同时，采集了N01测线单道反射地震测深剖面，震源采用Bolt型枪组成总容量为0.0423 m3的枪阵，沉放深度5 m。
本文利用N01、NE02测线OBS记录到的Pg波资料，采用走时层析成像方法获得沿探测剖面沉积层上地壳基底的速度结构、基底形态和埋深，与单道反射地震测深剖面获得的基底形态和结构具有较好的对应关系，同时初步研究了震区浅部断裂特征，以期为海底工程建设、防震减灾提供科学依据。
1. 研究区地质构造概况
台湾海峡位于东海陆架范围，呈南北-东西走向，全长约375 km，南宽北窄。海底地形十分复杂，具有丘、洼地形相间分布的特征，等深线平面分布迂回曲折（戚筱俊，1999；蔡锋等，2013）。台湾海峡是欧亚板块与太平洋菲律宾海板块碰撞产生的台湾岛与大陆间的前陆盆地，其地质发展过程与海峡两岸及东海、南海的发展均有密切关系，其构造格局、地层展布和地形轮廓均与两岸一致，多以北东向为主（郭令智等，1983，1998；王本善，1995；杨肖琪等，1996）。该地区断裂构造较发育，主要以北东向和北西向断裂为主（图1），各断裂系控制着台湾海峡地体的地貌特征，在海峡海底表现为一系列的断陷盆地和高地（俞何兴等，1996；俞何兴，2006）。其中，北东向断裂规模较大，断裂多发育在沉积盆地或沉积坳陷边缘，对沉积盆地或坳陷表现出明显的控制作用，海域中滨海断裂带沿福建海岸线伸展，绵延数百千米，是华南陆区正常型陆壳与海区减薄型陆壳的分界地壳断裂。北西向断裂规模相对较小，多数断裂横切沉积盆地或沉积坳陷，表现出对沉积盆地或坳陷的破坏作用（李赶先，1994；陈园田等，1996；詹文欢等，2004；黄昭等，2006）。
2. 数据与方法
2.1 数据来源
N01测线投放30台OBS，成功回收28台；NE02测线投放30台OBS，成功回收27台。根据对OBS记录信号质量的分析，最终分别选取N01测线探测剖面上的17个OBS观测点拾取到的3 364个Pg气枪激发数据和NE02测线探测剖面上的20个OBS观测点拾取到的3 979个Pg气枪激发数据进行Pg波速度二维层析成像，选取数据的OBS位置如图2所示。在这2条测线中，Pg波均可连续追踪，该波的时距曲线在追踪观测系统中的平行性较好（图3）。
N01测线单道反射地震探测测线与深地震探测测线位置重合，现场采集时受海域情况影响，布设了长约170 km的测线，地震采集系统使用DELPH 4通道的地震模拟采集单元和SIG16.24.35信号接收单元，频率为10～1 000 Hz，可有效识别岩石圈以上的地质界面。
2.2 数据处理方法
2.2.1 Pg波走时层析成像方法
本文地震层析成像正演为快速步进算法，反演为正交分解最小二乘法。其中，快速步进算法由Sethian（1996）提出，早期用于静态Hamilton方程的求解，后被应用于波前重构计算初至旅行时（Sethian等，1999）、反射旅行时、多次反射和透射旅行时（Rawlinson等，2004a，2004b）。该算法是无条件稳定的，可用于计算复杂的地质模型。当模型速度有大梯度跳跃时，快速步进算法有较准确的解，是目前速度最快的计算初至旅行时的方法之一（单联瑜等，2007）。实际计算过程中，算法根据上风格式程函方程获取格点的旅行时，其中差分格式的阶数和网格尺寸是影响旅行时计算精度的主要因素。
正交分解最小二乘法（Paige等，1982；Zelt等，1998）使用迭代方法计算大型线性方程组，可得到方程的最小二乘解，其利用矩阵的稀疏性简化计算，并采用尺度较大的常速度块参数化法，使反演能够迅速收敛，可使旅行时残差的均方误差最小（王建等，2014），且算法占用内存较小、速度适中、收敛快且结果稳定。
初始一维速度模型如图4所示，其参考了2016—2018年福建及台湾海峡地壳深部结构陆海联测年度报告的Pg波走时反演结果。结合N01、NE02测线穿过地质构造特征，反演的初始模型底界设为10 km，将模型划分为900 m×100 m的网格，速度约束为1 600～6 200 m/s。
2.2.2 单道反射地震数据处理方法
海上作业过程受多种因素干扰，使地震资料中存在较严重的噪声，虽主频较高，但信噪比较低，以至于原始剖面无法识别有效地层，需对资料进行有效处理，才能获得高质量地震剖面。主要通过预处理、二维滤波、多次波衰减等方法（图5）提高数据信噪比，有效衰减多次波，增强分辨率。
3. 结果与分析
3.1 Pg波速度界面和基底埋深
层析反演得到速度结构（图6、7），在反演过程中未考虑界面的存在，但可根据速度结构变化对是否存在界面进行准确判断。由图6、7可知，2条剖面中P波速度横向变化较明显，速度为2.0～6.0 km/s（测线两端和底部因缺少数据资料导致射线数匮乏，反演结果属于不可靠的区域）。对于速度为5.7 km/s以上的区域，其速度随深度增加递增较快，且较均匀，说明速度等值线5.7 km/s以上的区域无明显的界面存在。当速度为5.7～6.0 km/s时，速度随深度增加递增趋势明显变缓。根据关于速度界面的讨论及相关文献（熊绍柏等，2002），华南浅变质花岗岩系地震P波速度为5.90～6.07 km/s，深变质岩速度为6.14～6.30 km/s，海相中-古生界速度为5.59～5.80 km/s，陆相中-新生界速度为4.92～5.00 km/s。这些资料为划分基底、覆盖层及覆盖层内部进一步细分提供了重要依据。因此，结合实际速度等值线资料，可知速度约5.7 km/s所对应的深度应为结晶基底深度。
图 6 N01测线剖面基底二维速度结构Figure 6. The basement two-dimensional velocity structure of N01 profile
图 7 NE02测线剖面基底二维速度结构Figure 7. The basement two-dimensional velocity structure of NE02 profile图6显示N01测线基底深度起伏范围大，埋深3.4～8.6 km，由北向南穿越了2018年台湾海峡MS6.2级地震主震震中区域及厦澎断陷、澎湖断隆带（图1）。厦澎断陷、澎湖断隆带内部变化明显，沉积层由厚变薄，基底深度北低南高，由北侧的6.4 km逐渐抬升至南侧的4.8 km。图7显示NE02测线基底深度为3.9～6.0 km，由南向北穿越了东山断隆和厦澎断陷，沿剖面地质构造有一定变化，在东山断隆和厦澎断陷内基底深度西高东低，由东山断隆北侧最浅的3.9 km逐渐下降到厦澎断陷南侧最深的6.0 km。
N01、NE02测线剖面相交，交点位置分别在N01测线剖面桩号45 km和NE02测线剖面桩号100 km处，其下方的基底深度约4.5 km。交点位于厦澎断陷内，靠近东山断隆和厦澎断陷交界位置，两侧附近的基底二维速度结构变化明显。
3.2 反射地震时间剖面
N01测线剖面经过理后，总体效果较好，信噪比较高，波组特征清晰，多次波得到了较好的压制（图8），兼顾了信噪比与分辨率的关系。反射地震剖面和Pg波层析结果比较结果表明，基底层界面形态一致性较好。主要基底反射波组出现在0.5～1.75 s，反射波除在剖面桩号为50～80 km的位置（此处位于厦澎断陷西部边界及厦澎断陷、东山断隆、澎湖断隆带交界处）能量较弱外，其他部位反射波能量强。反射界面整体连续性较好，界面形态与波组特征明显。地质层位及浅部沉积现象较清晰，断层反射在桩号90、100、145 km附近明显。
3.3 对断层构造的讨论
根据Pg波层析成像速度横向变化剧烈的位置及变化形态，结合地震反射剖面主要界面的形态特征，对断层位置和性质进行判断。N01测线剖面基底速度扰动如图9所示，由图9可知，在桩号20～70、90、150 km附近均存在速度结构强烈的变化带，结合研究区地质构造，应与剖面经过的金门海外断裂、北西向断裂带（将滨海断裂带切分为东山海外段、金门海外段）、裂谷隆起带边界有关。桩号20～70 km附近存在的速度结构强烈变化带，验证了金门海外断裂分阶的特征，即由多组断裂组成。此次地震断裂在该剖面上存在较明显的低速区，断层深度上切割沉积底部、结晶基底。
NE02测线剖面基底速度扰动如图10所示，由图10可知，因NE02测线剖面经过东山海外断裂、2条北西向断裂带（由南向北将滨海断裂带切分为东山海外段、金门海外段、泉州海外段），所以测线桩号60、85、150 km附近均存在速度结构较强烈的变化带。另外，不同构造单元之间的接触带两侧速度具有明显变化，反映了台湾海峡多次复杂的地质构造运动，特别是菲律宾海板块向西北方向的俯冲、碰撞挤压，使该地区产生不同构造单元之间的差异运动，形成了控制隆起与凹陷沉积的构造特征，且受断裂带控制的影响，基底结构起伏变化较大。
4. 结论
利用人工地震测深的Pg波资料，采用走时层析成像方法反演了经过台湾海峡MS6.2级地震震区N01、NE02测线下方的地壳上部二维速度结构。通过预处理、二维滤波、多次波衰减等方法对N01测线单道反射地震测深剖面进行处理，获得了基底层反射界面的形态和特征。层析成像和单道反射地震测深剖面结果表明：
（1）N01测线单道剖面和Pg波成像在基底形态特征上具有较好的对应关系。
（2）N01测线剖面由北向南穿越厦澎断陷、澎湖断隆带，地质构造变化明显，沿剖面基底北低南高（模型可靠部分）；NE02测线剖面由南向北穿越东山断隆和厦澎断陷，地质构造变化较明显，沿剖面基底西高东低（模型可靠部分），说明了研究区受台湾海峡西部新生代构造活动影响，结晶基底面起伏较大，沉积层速度和厚度变化较剧烈，显示了相应的断裂或不同地质构造单元在上部地壳内的结构特征。
（3）MS6.2级地震断裂在N01测线剖面上存在较明显的低速区，而在NE02测线上未见明显低速区。断层深度上切割沉积底部、结晶基底。
（4）N01测线剖面穿越了2018年台湾海峡MS6.2级地震主震震中区域、多组地质构造单元及多条断裂带。由于Pg波层析成像深度在10 km以内，且单道反射地震仅探测到沉积基底，无法对MS6.2级地震区深部构造与地震之间的关系进行分析。下一步需对这2条测线剖面折射、反射波组走时进行正反演数据处理，以便得到剖面下方基底、壳内界面和Moho界面的形态及速度分布，建立地壳和上地幔顶部的二维P波速度结构，进而对发震构造进行分析。
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图 6 N01测线剖面基底二维速度结构
Figure 6. The basement two-dimensional velocity structure of N01 profile
图 7 NE02测线剖面基底二维速度结构
Figure 7. The basement two-dimensional velocity structure of NE02 profile
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