辽宁及邻区背景噪声成像：揭示地壳结构与地质构造奥秘

辽宁及邻区背景噪声成像：揭示地壳结构与地质构造奥秘一、引言1.1研究背景与意义辽宁及邻区地处华北地震带的关键部位，构造活动频繁，地震灾害时有发生。据史料记载与现代地震监测数据，该区域历史上曾发生多次强烈地震，其中1975年海城7.3级地震，造成了严重的人员伤亡和巨大的财产损失，成为中国地震灾害史上的一个沉痛教训，也凸显了该区域地震活动的活跃性与复杂性。从地质构造角度来看，辽宁及邻区位于中朝准地台，属于华北断块区，区域内分布着多个次级断块，如辽西断块隆起带、下辽河渤海湾盆地和辽东断块隆起区，这些断块之间的相互作用以及断裂带的活动，使得该区域的地壳运动十分复杂。特别是郯庐断裂带北段贯穿辽宁南北，其强烈的活动性对区域地震活动产生了深远影响。例如，大连地区处于长山群岛断裂带这一深水断裂带附近，地壳活动频繁，地震较为常见，像2023年8月23日大连普兰店区发生的4.6级和2.8级地震，就给当地的生产生活带来了一定影响。地震的发生与地壳结构密切相关，地壳结构的不均匀性会导致应力的集中与释放，从而引发地震。深入了解辽宁及邻区的地壳结构，对于揭示地震的孕育和发生机制至关重要。背景噪声成像技术作为一种新兴的地球物理探测手段，为研究地壳结构提供了新的途径。该技术利用地球表面无处不在的背景噪声，通过对台站记录的噪声信号进行处理和分析，能够获取地下介质的速度结构等信息。与传统的地震勘探方法相比，背景噪声成像技术具有无需人工震源、可长期连续观测、能够覆盖较大区域等优势，能够有效弥补传统方法在探测范围和时间连续性上的不足。通过背景噪声成像，我们可以得到高分辨率的地壳速度结构图像，清晰地识别出不同地质构造单元的边界、深部断裂的位置和延伸情况，以及地下介质的横向变化特征。这些信息对于理解区域构造演化、评估地震危险性具有重要意义。比如在其他地区的研究中，通过背景噪声成像发现了地下低速异常体与地震活动的密切关系，为地震预测提供了关键线索。对于地震预测这一世界性难题，背景噪声成像研究也具有重要的参考价值。通过对不同时期背景噪声成像结果的对比分析，可以监测地壳结构的动态变化，捕捉到地震孕育过程中地壳介质的细微变化，如速度异常、各向异性变化等。这些变化可能是地震即将发生的前兆信息，为地震预测提供了重要的科学依据。在地震灾害防治方面，准确的地壳结构信息有助于优化地震灾害评估模型，提高地震动参数的预测精度，从而为城市规划、建筑物抗震设计等提供科学指导。在城市建设中，可以根据地壳结构的特点，合理规划建筑物的布局和抗震标准，避免在地震危险区域建设重要基础设施，降低地震灾害带来的损失。背景噪声成像研究还能够为区域地质研究提供丰富的数据支持，推动对区域地质演化历史的深入理解，对于资源勘探、地质灾害防治等领域也具有重要的借鉴意义。1.2国内外研究现状背景噪声成像技术的发展历程丰富而曲折，自上世纪中叶起，科学家们就开始探索其潜在价值。上世纪50年代，科学家们就尝试通过地震波场两站点的互相关运算获得格林函数，为后续研究奠定了理论基础。1987年，SteveCole在美国斯坦福大学校园内布设了由4096个小型地震仪组成的台阵进行无源三维地震观测，这一开创性的实验为背景噪声成像技术的发展提供了实践经验。在太阳地震学领域，1995年MDI测量仪器的问世，使得科学家能够对太阳表面噪声进行互相关，从而获得近似太阳表面的脉冲响应地震图，进一步拓展了背景噪声成像技术的应用范围。在声学研究中，Weaver等人通过实验发现热起伏噪声经过互相关计算可得到类似格林函数的波形，为背景噪声成像技术在声学领域的应用提供了思路。此后，Campillo等人在地震学领域利用地震尾波进行互相关计算，验证了该技术在地震学中的可行性。这些早期的研究成果为背景噪声成像技术的发展积累了宝贵的经验，推动了该技术从理论探索向实际应用的转变。随着时间的推移，背景噪声成像技术在理论和方法上不断完善，应用领域也日益广泛。在区域层析成像方面，该技术能够获取大区域的地壳结构信息，为研究区域构造演化提供重要依据。陈云枫研究员团队通过发展一种新的地震背景噪声成像方法，克服了传统方法的局限性，大幅提高了澳洲大陆地壳模型的精度，新模型揭示了矿产资源分布与地壳结构的空间关系，为矿产资源勘探带来了新的启示。在盆地特征研究中，背景噪声成像技术可以清晰地刻画盆地的深部结构，包括沉积层厚度、基底起伏等信息，有助于深入理解盆地的形成与演化机制。在对华北地区的研究中，利用背景噪声成像技术发现了盆地内低速异常体与深部热物质活动的关联，为盆地动力学研究提供了新的视角。在滑坡特征研究中，该技术能够监测滑坡体的细微变形，通过分析背景噪声信号的变化，提前预警滑坡灾害的发生。在矿区采空区塌陷研究中，背景噪声成像技术可以准确识别采空区的位置和范围，评估塌陷风险，保障矿区的安全生产。在活动断层研究中，该技术能够清晰地勾勒出断层的位置、走向和深部延伸情况，为研究断层活动性和地震危险性提供重要数据支持。在辽宁及邻区，背景噪声成像技术的研究也取得了一系列成果。冯策、焦明若、沈军等收集辽宁及邻区59个宽频带地震仪记录的2012年背景噪声连续波形垂向记录，采用互相关方法提取瑞利面波格林函数，利用CPS330提取群速度频散曲线，从1655条频散曲线中筛选出1233条信噪比较高的频散曲线。将研究区划分为0.5°×0.5°的网格，应用层析成像方法得到了周期为8-40s的瑞利面波群速度结构分布。结果表明，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，8-15s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，地震多位于高低速过渡带内。较长周期20-30s的群速度在渤海湾-辽东湾中存在低速异常，显示了渤海湾盆地和下辽河盆地具有较厚的沉积层覆盖。35-40s与莫霍面的深度有明显关联性，莫霍面埋深大体呈西厚东薄的特点。38-40s周期内郯庐断裂带东侧的低速异常可能说明渤海内存在局部的热物质上涌现象。冯策、于海英、邵永谦等收集辽宁及其周边地区70个宽频带地震仪2012年连续背景噪声波形数据，基于地震背景噪声层析成像方法，得到研究区面波群速度及相速度图像。利用台站对互相关方法，提取瑞利面波格林函数，采用时频分析法(FTAN)获取2416条相速度频散曲线，从中筛选1661条信噪比较高的频散曲线。将研究区以0.25°×0.25°进行网格化，采用Ditmar等提出的层析成像反演方法，得到周期10-40s的瑞利面波群速度及相速度结构分布图。与群速度结果相比，分辨率更高，研究区大部可达0.5°×0.5°(局部可达0.25°×0.25°)。结果表明，辽宁地区地壳及上地幔面波相速度结构存在显著的横向不均匀性。在周期10-15s的群速度图中，浅层及中上地壳速度分布与研究区地形地貌及主要地质构造单元具有较好的对应关系，盆地及沉积层低速，山区隆起高速，且在高低速转换带多为地震孕震区；在周期20-30s相速度结构图中，下地壳至上地幔顶部深度范围内，相速度速度结构主要受地壳厚度及渤海湾内巨厚沉积层的影响，在海城至大连区域内出现的低速异常推测为地下热物质上涌；随着深度的增加，在周期30-40s的相速度图中，速度分布逐渐受控于莫霍面起伏，明显变化出现在辽东半岛，由高速变为低速。尽管辽宁及邻区的背景噪声成像研究取得了一定进展，但仍存在一些不足之处。在数据采集方面，现有台站分布的均匀性有待提高，部分地区台站稀疏，导致数据覆盖存在盲区，影响成像结果的精度和分辨率。一些偏远山区或海域的台站数量较少，无法获取全面的背景噪声信息，使得对这些地区的地壳结构研究不够深入。在成像方法上，目前的技术对于复杂地质构造区域的成像效果仍不理想，难以准确刻画深部地质结构的细节特征。在郯庐断裂带等构造复杂区域，由于地质条件复杂，地震波传播受到多种因素的干扰，现有的成像方法难以准确分辨地下介质的速度变化和结构特征。对背景噪声成像结果的解释和应用还不够深入，缺乏与其他地质地球物理资料的有效结合，限制了对区域地质构造和地震活动规律的全面认识。未来的研究需要进一步优化台站布局，增加数据采集量，改进成像算法，提高成像精度，同时加强多学科融合，综合利用各种地质地球物理信息，深入挖掘背景噪声成像结果的地质意义，为辽宁及邻区的地震研究和灾害防治提供更有力的支持。1.3研究目标与内容本研究旨在运用先进的背景噪声成像技术，获取辽宁及邻区高分辨率的地壳结构图像，深入分析该区域的地质构造特征与地震活动规律，为地震灾害的预防和应对提供坚实的科学依据。在数据收集与处理方面，广泛收集辽宁及邻区现有的地震台站背景噪声数据，包括辽宁、吉林、河北、山东、内蒙等周边地区的宽频带地震仪记录的连续背景噪声波形数据。对收集到的数据进行严格的预处理，去除仪器响应、滤波、去均值、去趋势等操作，以提高数据的质量和信噪比。利用台站对互相关方法，提取瑞利面波格林函数，采用时频分析法（FTAN）等方法获取相速度频散曲线，并对频散曲线进行质量控制和筛选，确保数据的可靠性。在成像方法研究与应用中，采用先进的层析成像反演方法，如Ditmar等提出的方法，将研究区进行网格化划分，反演得到不同周期的瑞利面波群速度及相速度结构分布图。探索新的成像算法和技术，如多尺度成像、联合反演等方法，以提高成像的分辨率和精度，更准确地刻画地下介质的速度结构和横向变化特征。对成像结果进行分辨率分析和验证，通过棋盘测试等方法评估成像结果的可靠性和准确性。在结果分析与地质解释层面，深入分析背景噪声成像结果，研究辽宁及邻区地壳及上地幔的横向不均匀性，探讨不同周期面波速度结构与地质构造、地形地貌的对应关系。研究短周期群速度分布与断裂带、盆地坳陷、山区隆起等地质构造地貌形态的相关性，分析较长周期面波速度结构与地壳厚度、沉积层厚度、莫霍面起伏等深部地质结构的关系。结合区域地质资料和地震活动数据，对成像结果中的异常区域进行地质解释，推测地下热物质上涌、深部断裂活动等地质现象，研究这些异常与地震活动的关联，分析地震的孕育和发生机制，评估区域地震危险性。二、研究区域地质背景2.1区域大地构造单元辽宁及邻区在大地构造上跨越多个重要的一级大地构造单元，呈现出复杂而独特的地质构造格局。南部主要位于中朝准地台，这是一个具有悠久地质历史和稳定结晶基底的构造单元。中朝准地台经历了漫长的地质演化过程，在太古一早元古代，其结晶基底逐渐形成，经历了强烈的变质作用和构造变形，岩石类型主要包括片麻岩、混合岩等深变质岩系。这些古老的岩石记录了地球早期的构造运动和热事件，为研究区域地质演化提供了重要线索。在震旦亚代，中朝准地台进一步发展，形成了相对稳定的地台盖层，沉积了一套以浅海相碎屑岩和碳酸盐岩为主的地层，如长城系、蓟县系等，这些地层中保存了丰富的古生物化石，对于研究古生态环境和生物演化具有重要意义。北部则分属吉黑褶皱系的松辽坳陷、张广才岭优地槽褶皱带和内蒙-大兴安岭褶皱系的内蒙优地槽褶皱带。松辽坳陷是一个大型的中新生代沉积盆地，在晚侏罗世-早白垩世时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，该区域发生强烈的断陷作用，形成了巨厚的陆相沉积地层。这些沉积地层中蕴含着丰富的油气资源，是我国重要的油气产区之一。张广才岭优地槽褶皱带和内蒙优地槽褶皱带则经历了复杂的构造演化过程，在古生代时期，它们处于活动的地槽环境，接受了大量的深海相碎屑岩、火山碎屑岩和火山熔岩的沉积。随着板块的碰撞和俯冲，这些地槽逐渐发生褶皱回返，形成了一系列紧密的褶皱和断裂构造，岩石也经历了不同程度的变质作用，形成了变质程度较高的片岩、板岩等岩石类型。在中朝准地台内，又包含多个二级构造单元，如胶辽台隆、华北断坳、内蒙地轴、北黄海断陷和燕山台褶带等，它们各具特色，对区域地质演化和地震活动产生了重要影响。胶辽台隆位于中朝准地台的东部，是一个相对隆起的构造单元，基底构造层零星出露，主要由太古界鞍山群、辽河群等深变质岩系组成，这些岩石经历了多期构造运动和变质作用，具有复杂的变形构造和矿物组合。沉积盖层发育不全，厚度较小，褶皱平缓，但断裂构造较为强烈。在漫长的地质历史时期，胶辽台隆经历了多次构造运动的改造，尤其是在中生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，该区域发生了强烈的构造变形和岩浆活动，形成了一系列北北东向的断裂构造和岩浆岩侵入体。这些断裂构造不仅控制了区域的地形地貌，还对地震活动产生了重要影响，成为地震的潜在发生区域。华北断坳是中朝准地台内的一个相对下陷的负向构造单元，呈菱形、方形或不规则形。在地质历史时期，这里长期稳定下陷或某些时期显著下陷，接受了巨厚的沉积，沉积盖层发育较全，厚度较大，岩相和厚度变化也较大。其沉积地层主要包括古生界的海相沉积岩和中新生界的陆相沉积岩，这些地层中蕴含着丰富的煤炭、石油等矿产资源。构造活动和岩浆活动相对微弱，但在一些特定的地质时期，如中生代晚期，也发生过小规模的岩浆侵入和火山喷发活动。华北断坳的边界往往受到断裂构造的控制，这些断裂构造在新构造运动时期仍有一定的活动性，对区域地震活动具有一定的影响。内蒙地轴位于中朝准地台的北部边缘，呈狭长带状，是地台内部相对活动性较大的正向二级构造单元。基底构造层出露较广，主要由太古界和元古界的变质岩系组成，岩石经历了强烈的变形和变质作用，形成了复杂的构造样式和矿物组合。沉积盖层缺失或发育不全，断裂和岩浆活动较为强烈。在古生代时期，内蒙地轴经历了多期构造运动和岩浆活动，形成了一系列近东西向的断裂构造和岩浆岩侵入体。这些断裂构造和岩浆活动不仅改变了区域的地质构造格局，还对区域的矿产资源分布产生了重要影响，使得该区域成为重要的金属矿产产区之一。在新构造运动时期，内蒙地轴的断裂构造仍有一定的活动性，对区域地震活动产生了一定的影响。北黄海断陷是位于中朝准地台东部边缘的一个断陷盆地，在新生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，该区域发生强烈的断陷作用，形成了北黄海断陷。盆地内沉积了巨厚的新生代地层，主要包括古近系、新近系和第四系，这些地层中蕴含着丰富的油气资源和海洋矿产资源。北黄海断陷的边界受到断裂构造的控制，这些断裂构造在新构造运动时期仍有一定的活动性，对区域地震活动具有一定的影响。燕山台褶带位于中朝准地台的北部，是一个活动较强烈的负向二级构造单元。长期稳定下陷或某些时期显著下陷，盖层发育完整，厚度大，岩相和厚度变化较大。其沉积地层主要包括古生界的海相沉积岩和中生界的陆相沉积岩，这些地层中保存了丰富的古生物化石和地质构造信息。构造活动和岩浆活动较为强烈，在中生代时期，燕山台褶带经历了强烈的构造变形和岩浆活动，形成了一系列近东西向的褶皱和断裂构造，以及大量的岩浆岩侵入体和火山岩喷发。这些构造活动不仅改变了区域的地质构造格局，还对区域的矿产资源分布产生了重要影响，使得该区域成为重要的金属矿产和煤炭产区之一。在新构造运动时期，燕山台褶带的断裂构造仍有一定的活动性，对区域地震活动产生了重要影响。2.2区域断裂构造辽宁及邻区断裂构造错综复杂，根据断裂的展布特征，可将其划分为近东西向、NE-NNE向、NW向和近南北向四组，这些断裂构造在区域地质演化和地震活动中扮演着重要角色。近东西向断裂在区域内有一定分布，如赤峰-开原断裂，它西起内蒙古赤峰，向东经辽宁开原等地，是一条规模较大的区域性断裂。该断裂形成时间较早，经历了多期构造运动的改造，在古生代时期，受华北板块与西伯利亚板块碰撞的影响，赤峰-开原断裂初步形成，表现为压性断裂。在中生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，该断裂再次活动，性质转变为压扭性断裂。断裂两侧岩石变形强烈，形成了复杂的褶皱和断裂构造，对区域的地层分布和地质构造格局产生了重要影响。赤峰-开原断裂在新构造运动时期仍有一定的活动性，虽然活动强度相对较弱，但对区域地震活动具有一定的触发作用，历史上该断裂附近曾发生过一些中小规模的地震。NE-NNE向断裂是区域上最为发育、延续性最好的一组断裂，如营潍断裂带（涉及渤中北-辽东湾段）、下辽河平原断裂、依兰-伊通断裂（涉及沈阳-四平段）等。营潍断裂带是郯庐断裂带的重要组成部分，在区域构造中具有重要地位。它南起山东潍坊，向北经渤海中部延伸至辽东湾，全长数百公里。该断裂形成于中生代时期，受太平洋板块向欧亚板块强烈俯冲的影响，地壳发生强烈的拉伸和剪切作用，从而形成了营潍断裂带。在新生代时期，该断裂仍有强烈的活动，控制了渤海湾盆地和下辽河盆地的形成与演化。下辽河平原断裂位于下辽河平原内，是控制下辽河平原形成和发展的主要断裂之一。它呈NE-NNE向展布，断裂规模较大，延伸数十公里。在新生代时期，下辽河平原断裂强烈活动，导致地壳下沉，形成了下辽河平原这一大型的断陷盆地。盆地内沉积了巨厚的新生代地层，厚度可达数千米。依兰-伊通断裂是一条规模较大的深断裂，它北起黑龙江依兰，向南经吉林伊通，延伸至辽宁境内。该断裂形成于中生代时期，经历了多期构造运动的影响，活动性较强。在第四纪时期，依兰-伊通断裂仍有明显的活动，表现为地震活动频繁，历史上该断裂附近曾发生过多次中强地震，对区域地震活动具有重要的控制作用。NE-NNE向断裂在第四纪时期活动水平较高，它们的活动导致地壳变形和应力积累，当应力超过岩石的强度时，就会引发地震，对区域地震活动具有显著的控制作用，是区域内地震的主要发震构造。NW向断裂在陆域上多数规模不大，但第四纪时期活动强烈，如熊岳-庄河NW向构造带、普兰店-长海NW向构造带等。熊岳-庄河NW向构造带位于辽东半岛南部，由一系列NW向的断裂和褶皱组成。该构造带形成于中生代晚期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的远程效应影响，地壳发生局部的应力调整，从而形成了熊岳-庄河NW向构造带。在第四纪时期，该构造带活动强烈，表现为地震活动频繁，沿断裂多有中强地震发生。普兰店-长海NW向构造带位于辽东半岛东南部海域，它是一条隐伏的断裂构造带，通过地球物理探测等手段发现其存在。该构造带在第四纪时期活动强烈，对区域的地震活动和海底地形地貌产生了重要影响，历史上该构造带附近曾发生过一些地震，对当地的海洋环境和海底工程设施构成一定威胁。近南北向断裂在区域内相对较少，且新生代以来的活动不明显。但在地质历史时期，它们也曾对区域构造演化产生过一定的影响。一些近南北向断裂在古生代时期可能参与了板块的碰撞和拼接过程，虽然其活动性在新生代相对减弱，但它们的存在仍然对区域地质构造格局产生了一定的约束作用。这些断裂在某些特定的地质条件下，可能会与其他方向的断裂相互作用，影响区域应力场的分布，从而对地震活动产生间接的影响。2.3区域新构造运动辽宁及邻区的新构造运动以断块差异升降运动为主要运动形式，这种运动形式在区域地质演化中起着关键作用，对地形地貌的塑造、沉积作用的发生以及地震活动的分布都产生了深远影响。受此影响，区域内地形高低起伏明显，形成了山脉、盆地、平原等多样化的地形地貌。在山脉地区，岩石遭受强烈的侵蚀和剥蚀作用，形成了陡峭的山峰和深邃的峡谷；而在盆地和平原地区，则接受了大量的沉积，形成了深厚的沉积层。基于新构造运动的特征和表现，可将研究区域主要划分为六个新构造运动分区，每个分区都具有独特的地质特征和演化历史。大兴安岭上升隆起区位于区域北部，是一个以强烈上升运动为主的区域。在新构造运动时期，该区域地壳持续抬升，上升幅度较大，形成了地势较高的山脉地形。大兴安岭山脉的主峰索岳尔济山海拔高达1530米，其山体主要由花岗岩、变质岩等岩石组成。这些岩石在长期的地质作用下，经历了强烈的褶皱和断裂，形成了复杂的地质构造。由于地壳的上升，该区域河流下切作用强烈，形成了深邃的峡谷和陡峭的河岸。河流的侵蚀作用还导致了岩石的破碎和风化，使得山体表面覆盖着厚厚的风化层。燕辽上升隆起区位于区域西部，同样以上升运动为主，但上升幅度相对大兴安岭上升隆起区较小。该区域主要由古老的变质岩和花岗岩组成，岩石经历了多期构造运动的改造，形成了复杂的褶皱和断裂构造。在新构造运动时期，地壳的上升使得该区域地势逐渐升高，形成了低山丘陵地形。山体海拔一般在500-1000米之间，地形起伏相对较小。由于上升幅度相对较小，河流的下切作用相对较弱，河谷较为宽阔，河流两岸发育了较为宽广的冲积平原。松辽-下辽河-辽东湾沉降区是区域内的一个重要沉降区域，包括松辽盆地、下辽河平原和辽东湾海域。在新构造运动时期，该区域地壳持续下沉，接受了巨厚的沉积，沉积层厚度可达数千米。松辽盆地是一个大型的中新生代沉积盆地，盆地内沉积了丰富的石油和天然气资源。下辽河平原是由辽河等河流冲积而成，地势平坦，海拔一般在50米以下。辽东湾海域则是一个相对较浅的海域，海底地形平坦，沉积了大量的泥沙和海洋生物残骸。该区域的沉降运动与周边断裂构造的活动密切相关，如郯庐断裂带的活动对下辽河平原的形成和演化产生了重要影响。辽东-张广才岭上升隆起区位于区域东部，以上升运动为主，上升幅度较大。该区域主要由花岗岩、变质岩和火山岩组成，岩石在长期的地质作用下，形成了复杂的构造和独特的地貌景观。在新构造运动时期，地壳的上升使得该区域形成了中低山地形，山体海拔一般在1000-1500米之间，山峰陡峭，山谷深邃。由于上升幅度较大，河流的下切作用强烈，形成了许多壮观的峡谷和瀑布。该区域还分布着一些火山遗迹，如长白山天池，是一座休眠火山，其独特的火山地貌吸引了众多游客前来观赏。朝鲜北部强上升隆起区位于区域东南部，朝鲜境内，上升运动强烈，上升幅度大。该区域地质构造复杂，岩石类型多样，主要由花岗岩、片麻岩、火山岩等组成。在新构造运动时期，地壳的强烈上升使得该区域形成了高山峻岭地形，山体海拔较高，部分山峰海拔超过2000米。由于地壳运动强烈，该区域地震活动频繁，对当地的地质环境和人类生活产生了一定的影响。北黄海沉降区位于区域南部，黄海海域，以沉降运动为主。该区域在新构造运动时期，地壳持续下沉，接受了一定厚度的沉积。海底地形较为平坦，沉积层主要由泥沙和海洋生物残骸组成。北黄海沉降区的沉降运动与周边板块的相互作用密切相关，受到太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，该区域地壳处于相对稳定的下沉状态。2.4区域第四纪构造盆地辽宁及邻区是第四纪构造盆地较为发育的地区，这些盆地的形成与演化与区域地质构造密切相关，对研究区域地质历史和地震活动具有重要意义。下辽河盆地是区内重要的第四纪构造盆地之一，位于辽宁省中南部，呈北东—南西方向展布。它是在中朝准地台基底上发育起来的新生代断陷盆地，受郯庐断裂带的控制，盆地边缘断裂活动强烈。下辽河盆地在地质历史时期经历了多次构造运动，新生代以来，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，地壳发生强烈的拉张作用，使得下辽河地区形成了一系列的断陷盆地，下辽河盆地就是其中规模较大的一个。盆地内沉积了巨厚的第四纪地层，厚度可达数百米至上千米，主要由松散的砂、砾石、黏土等组成。这些沉积地层记录了盆地的演化历史和古环境变化信息，对于研究区域地质演化具有重要价值。熊岳盆地位于辽东半岛中部，呈NW向展布，是受NW向断裂控制形成的小型断陷盆地。该盆地在第四纪时期经历了多次沉降和沉积过程，沉积地层主要包括河流相、湖泊相和洪积相等。熊岳盆地的形成与区域构造应力场的变化密切相关，在中生代晚期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的远程效应影响，辽东半岛地区地壳发生局部的应力调整，形成了一系列NW向的断裂构造，熊岳盆地就是在这些断裂的控制下形成的。盆地内的沉积地层反映了当时的沉积环境和气候变化，对于研究区域古环境演化具有重要意义。阜新-义县盆地位于辽宁西部，呈NE向展布，是受NE向断裂控制的断陷盆地。盆地内第四纪地层发育，主要为河流相和湖泊相沉积，厚度较大。阜新-义县盆地的形成与区域构造演化密切相关，在中生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽宁西部地区地壳发生强烈的变形和断裂，形成了一系列NE向的断裂构造，阜新-义县盆地就是在这些断裂的控制下逐渐形成的。在新生代时期，盆地继续接受沉积，沉积地层中蕴含着丰富的古生物化石和地质构造信息，对于研究区域地质演化和古生物演化具有重要价值。金州盆地位于辽东半岛南部，呈NE向展布，受NE向断裂控制，是一个小型的断陷盆地。盆地内第四纪地层主要为河流相和洪积相沉积，厚度相对较小。金州盆地的形成与区域构造运动密切相关，在中生代晚期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽东半岛南部地区地壳发生变形和断裂，形成了一系列NE向的断裂构造，金州盆地就是在这些断裂的控制下形成的。盆地内的沉积地层对于研究区域第四纪地质演化和古环境变化具有一定的参考价值。东港盆地位于辽东半岛东南部，呈NE向展布，是受NE向断裂控制的断陷盆地。盆地内第四纪地层以河流相和滨海相沉积为主，记录了海陆变迁的历史。东港盆地的形成与区域构造演化密切相关，在新生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽东半岛东南部地区地壳发生拉张作用，形成了一系列NE向的断裂构造，东港盆地就是在这些断裂的控制下逐渐形成的。盆地内的沉积地层中保存了丰富的海洋生物化石和陆源碎屑，对于研究区域海陆变迁和古生态环境具有重要意义。庄河盆地位于辽东半岛东部，呈NE向展布，受NE向断裂控制，是一个小型的断陷盆地。盆地内第四纪地层主要为河流相和湖泊相沉积，厚度适中。庄河盆地的形成与区域构造运动密切相关，在中生代晚期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽东半岛东部地区地壳发生变形和断裂，形成了一系列NE向的断裂构造，庄河盆地就是在这些断裂的控制下形成的。盆地内的沉积地层反映了当时的沉积环境和气候变化，对于研究区域古环境演化具有一定的参考价值。抚顺盆地位于辽宁东部，呈NE向展布，受NE向断裂控制，是一个断陷盆地。盆地内第四纪地层发育，主要为河流相和湖泊相沉积，厚度较大。抚顺盆地的形成与区域构造演化密切相关，在新生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽宁东部地区地壳发生拉张作用，形成了一系列NE向的断裂构造，抚顺盆地就是在这些断裂的控制下逐渐形成的。盆地内的沉积地层中蕴含着丰富的煤炭资源，对于研究区域地质演化和能源开发具有重要意义。开原盆地位于辽宁北部，呈NE向展布，受NE向断裂控制，是一个小型的断陷盆地。盆地内第四纪地层主要为河流相和洪积相沉积，厚度相对较小。开原盆地的形成与区域构造运动密切相关，在中生代晚期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽宁北部地区地壳发生变形和断裂，形成了一系列NE向的断裂构造，开原盆地就是在这些断裂的控制下形成的。盆地内的沉积地层对于研究区域第四纪地质演化和古环境变化具有一定的参考价值。宁城-平庄盆地位于辽宁西部与内蒙古交界处，呈NE向展布，受NE向断裂控制，是一个断陷盆地。盆地内第四纪地层以河流相和湖泊相沉积为主，厚度较大。宁城-平庄盆地的形成与区域构造演化密切相关，在新生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽宁西部与内蒙古交界处地区地壳发生拉张作用，形成了一系列NE向的断裂构造，宁城-平庄盆地就是在这些断裂的控制下逐渐形成的。盆地内的沉积地层中保存了丰富的古生物化石和地质构造信息，对于研究区域地质演化和古生物演化具有重要价值。盖州盆地位于辽东半岛中部，呈NE向展布，受NE向断裂控制，是一个小型的断陷盆地。盆地内第四纪地层主要为河流相和洪积相沉积，厚度相对较小。盖州盆地的形成与区域构造运动密切相关，在中生代晚期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽东半岛中部地区地壳发生变形和断裂，形成了一系列NE向的断裂构造，盖州盆地就是在这些断裂的控制下形成的。盆地内的沉积地层对于研究区域第四纪地质演化和古环境变化具有一定的参考价值。辽阳盆地位于辽宁中部，呈NE向展布，受NE向断裂控制，是一个断陷盆地。盆地内第四纪地层发育，主要为河流相和湖泊相沉积，厚度较大。辽阳盆地的形成与区域构造演化密切相关，在新生代时期，受太平洋板块向欧亚板块俯冲的影响，辽宁中部地区地壳发生拉张作用，形成了一系列NE向的断裂构造，辽阳盆地就是在这些断裂的控制下逐渐形成的。盆地内的沉积地层中蕴含着丰富的地质构造信息，对于研究区域地质演化具有重要意义。这些盆地往往受到一组或多组断裂构造的控制，长轴方向与区域构造线的方向一致，如NE-NNE向断裂控制的盆地，其长轴多呈NE-NNE向展布；NW向断裂控制的盆地，长轴多呈NW向展布。盆地的生成和发展与控盆断裂的活动特征密切相关，断裂的活动导致地壳的升降运动，从而控制了盆地的形成和演化。在断裂活动强烈的时期，盆地沉降速度加快，接受的沉积物质增多，沉积层厚度增大；而在断裂活动相对较弱的时期，盆地沉降速度减缓，沉积作用也相对减弱。这些盆地还多伴随有地震活动，断裂的活动会导致应力的积累和释放，当应力超过岩石的强度时，就会引发地震。下辽河盆地历史上曾发生多次地震，1975年海城7.3级地震就发生在该盆地附近，这与盆地周边断裂的活动密切相关。熊岳盆地、阜新-义县盆地等也都有不同程度的地震活动记录，这些地震活动不仅对当地的地质环境产生了影响，也对人类的生产生活构成了威胁。三、背景噪声成像技术原理与方法3.1背景噪声成像基本原理背景噪声成像技术基于对地球表面广泛存在的背景噪声信号的分析，这些噪声信号包含了丰富的地球内部结构信息。其核心在于通过互相关函数从弥散的背景噪声场中提取介质的经验格林函数，进而反演地下介质的结构特征。在理论层面，背景噪声成像技术依据波动理论，当两个台站之间存在背景噪声源时，通过对两个台站记录到的噪声信号进行互相关计算，可以近似得到台站间的经验格林函数。这一过程基于互易原理，即假设地球介质为线性、均匀且各向同性的情况下，从台站A到台站B的波传播路径与从台站B到台站A的波传播路径是等效的。在实际地球介质中，虽然存在一定的非均匀性和各向异性，但在一定条件下，这一假设仍然具有较好的近似性。通过对大量台站对的噪声信号进行互相关处理，可以获得研究区域内不同路径上的经验格林函数，这些经验格林函数包含了地震波在地下介质中传播的信息，如传播速度、衰减等。面波作为背景噪声成像中重要的研究对象，具有独特的频散特性。面波是一种沿地球表面传播的地震波，包括瑞利波和勒夫波等。瑞利波是一种在自由表面传播的面波，其质点振动轨迹为逆时针的椭圆，在垂直平面内进行；勒夫波则是一种在水平层状介质中传播的面波，其质点振动方向与传播方向垂直，且平行于地面。面波的频散特性指的是不同频率的面波在介质中传播速度不同的现象。在层状介质中，低频面波的传播路径相对较深，对深部结构较为敏感；高频面波的传播路径相对较浅，主要反映浅层结构信息。这种频散特性使得通过分析面波的频散曲线能够获取地下介质的速度结构信息。通过测量经验格林函数中不同频率面波的相速度，可以得到相速度频散曲线。相速度是指面波在传播过程中，同相位面的传播速度。经典的面波频散分析理论表明，通过反演相速度频散曲线，可以得到地下介质横波速度的水平层状结构。在反演过程中，通常采用基于模型的反演方法，先建立一个初始的地下介质模型，然后通过理论计算得到该模型下的面波理论频散曲线，将其与实际观测得到的频散曲线进行对比，通过不断调整模型参数，使理论频散曲线与观测频散曲线达到最佳拟合，从而得到地下介质的横波速度结构。这一过程涉及到复杂的数学计算和优化算法，如阻尼最小二乘法、遗传算法等，以确保反演结果的准确性和稳定性。3.2数据采集与预处理辽宁及邻区拥有较为完善的地震台站布局，这些台站分布在不同的地质构造区域，能够有效地监测区域内的地震活动和背景噪声信号。辽宁省内的地震台站如大连地震监测中心站、沈阳地震监测中心站、锦州地震监测中心站等，它们分别位于辽东半岛、辽河平原和辽西山地等不同的地质构造单元上。大连地震监测中心站位于辽东半岛南端，处于郯庐断裂带的东侧，该区域地质构造复杂，地震活动相对频繁。通过该台站的监测，可以获取辽东半岛地区的地震活动和背景噪声信息，为研究该区域的地壳结构提供数据支持。沈阳地震监测中心站位于辽河平原中部，该区域地势平坦，沉积层较厚，通过对该区域背景噪声的监测，可以了解辽河平原的地壳结构特征。锦州地震监测中心站位于辽西山地边缘，该区域岩石出露较多，地质构造相对稳定，通过对该台站背景噪声的监测，可以研究辽西山地的地壳结构特征。在邻区，吉林、河北、山东、内蒙等周边地区的地震台站也为研究提供了重要的数据补充。这些台站的分布使得研究区域能够得到较为全面的覆盖，为背景噪声成像研究提供了丰富的数据来源。本研究收集了辽宁及邻区多个地震台站在2012年全年的背景噪声数据，时间跨度为1月1日至12月31日。这些数据涵盖了不同季节和时间段的背景噪声信息，能够更全面地反映区域内背景噪声的特征。在仪器类型方面，主要采用了宽频带地震仪，如CMG-3ESP、CMG-40T等型号。CMG-3ESP宽频带地震仪具有宽频带响应特性，其频率响应范围为0.003Hz-50Hz，能够记录到从长周期到短周期的地震波信号，包括背景噪声中的各种频率成分。该仪器采用三分量拾震器，能够同时记录地震波在三个方向上的振动信息，为后续的数据分析提供了更全面的信息。CMG-40T宽频带地震仪的频率响应范围为0.01Hz-50Hz，同样具有高精度和高灵敏度的特点，能够准确地记录背景噪声信号的细微变化。这些宽频带地震仪具备高精度、高灵敏度的特点，能够准确地记录背景噪声信号的各种特征，为后续的数据分析和成像提供了可靠的数据基础。单台数据预处理是确保数据质量的关键步骤，它能够有效地去除噪声信号中的干扰因素，提高数据的信噪比，为后续的分析和成像提供可靠的数据基础。在单台数据预处理过程中，首先需要去除仪器响应，这是因为地震仪在记录地震波信号时，会受到仪器自身特性的影响，如频率响应、灵敏度等，这些因素会导致记录的信号与实际的地震波信号存在差异。通过去除仪器响应，可以将记录的信号还原为实际的地震波信号。具体操作是利用仪器制造商提供的仪器响应文件，通过数字滤波等方法对记录的信号进行校正，去除仪器对信号的影响。滤波也是单台数据预处理的重要环节，它可以进一步去除数据中的高频噪声和低频漂移。高频噪声可能来自于环境干扰、仪器噪声等，低频漂移则可能是由于仪器的零点漂移或长期趋势变化引起的。通过滤波，可以有效地提高数据的信噪比，使信号更加清晰。常用的滤波方法包括带通滤波、低通滤波和高通滤波等。带通滤波可以选择一个特定的频率范围，只保留该范围内的信号，去除其他频率的噪声。低通滤波可以去除高频噪声，高通滤波则可以去除低频漂移。在本研究中，采用了带通滤波方法，设置频率范围为0.1Hz-10Hz，以保留背景噪声中的有效信号成分。通过0.1Hz-10Hz的带通滤波，可以有效地去除高频的环境噪声和低频的仪器漂移，突出背景噪声中与地壳结构相关的信号成分，为后续的分析和成像提供更准确的数据。去均值和去趋势操作则用于消除数据中的直流分量和长期趋势变化，使数据更加平稳。直流分量可能是由于仪器的零点偏移或其他因素引起的，长期趋势变化则可能是由于环境因素的长期变化或仪器的老化等原因导致的。通过去均值和去趋势，可以使数据更加符合后续分析的要求，提高分析结果的准确性。去均值操作是将数据中的每个样本减去数据的平均值，去除数据中的直流分量。去趋势操作则是通过拟合数据的趋势线，然后将数据减去趋势线的值，去除数据中的长期趋势变化。在实际操作中，采用多项式拟合的方法来拟合数据的趋势线，根据数据的特点选择合适的多项式阶数，以准确地去除数据中的长期趋势变化。3.3面波频散曲线提取面波频散曲线的提取是背景噪声成像研究中的关键环节，其准确性直接影响到后续地下介质结构反演的精度。本研究利用台站对互相关方法，从背景噪声数据中提取瑞利面波格林函数，进而获取面波频散曲线。在实际操作中，台站对互相关方法的原理基于互易原理，即假设地球介质在一定程度上满足线性、均匀和各向同性条件，通过对两个台站记录的背景噪声信号进行互相关计算，可以近似得到台站间的经验格林函数。这一过程中，不同台站对的选择对于获取全面的地下结构信息至关重要。为了确保获得高质量的格林函数，需要考虑台站间的距离、方位以及噪声信号的相关性等因素。在距离方面，选择合适的台站间距可以保证能够探测到不同深度的地下结构信息。较短的台站间距对于浅层结构的探测更为敏感，而较长的台站间距则能够反映深部结构的特征。方位上，不同方位的台站对可以提供地下介质在不同方向上的结构信息，有助于揭示地下结构的各向异性特征。对于噪声信号的相关性，应选择相关性较高的台站对，以提高互相关计算的准确性，从而得到更可靠的经验格林函数。在获得瑞利面波格林函数后，采用时频分析法（FTAN）或CPS330来提取频散曲线。时频分析法是一种将时域和频域相结合的信号处理技术，它能够同时描述信号在时间和频率上的变化特征。在面波频散曲线提取中，时频分析法通过对格林函数进行时频变换，将其从时域转换到时频域，从而能够清晰地显示出面波在不同频率下的传播特性。具体而言，常用的时频变换方法包括短时傅里叶变换、小波变换、S变换等。短时傅里叶变换通过在时间轴上滑动一个固定长度的窗口，对窗口内的信号进行傅里叶变换，从而得到信号在不同时间和频率下的频谱信息。小波变换则采用具有时频局部化特性的小波函数作为基函数，对信号进行分解，能够更好地处理非平稳信号。S变换结合了短时傅里叶变换和小波变换的优点，其基本小波和高斯窗函数允许高斯窗函数的宽度随频率改变而改变，在低频段时窗较宽，频率分辨率较高；在高频段时窗较窄，时间分辨率较高。通过这些时频变换方法，可以得到面波在不同频率下的相速度或群速度，进而绘制出频散曲线。CPS330是一种专门用于面波频散曲线提取的算法，它基于相位加权叠加的原理，能够有效地提高频散曲线的分辨率和准确性。CPS330算法通过对不同频率的面波相位进行加权叠加，突出了面波的频散特征，从而更准确地提取频散曲线。在实际应用中，CPS330算法需要对格林函数进行一系列的处理，包括相位校正、频率滤波等操作，以确保提取的频散曲线能够准确反映面波的传播特性。相位校正可以消除由于台站间仪器响应差异和传播路径差异导致的相位误差，频率滤波则可以去除高频噪声和低频干扰，提高频散曲线的质量。在提取频散曲线的过程中，还需要对数据进行质量控制和筛选，以确保提取的频散曲线准确可靠。质量控制的主要步骤包括信噪比分析、频散曲线的一致性检验等。信噪比分析可以通过计算信号功率与噪声功率的比值来评估频散曲线的质量，信噪比越高，频散曲线的可靠性越强。对于信噪比较低的频散曲线，可能受到噪声干扰较大，其准确性难以保证，因此需要进行进一步的处理或剔除。频散曲线的一致性检验则是通过对比不同台站对提取的频散曲线，检查它们在相同频率范围内的一致性。如果不同台站对的频散曲线在某些频率段存在明显差异，可能是由于数据处理误差、台站间地质条件差异或其他因素导致的，需要对这些差异进行分析和解释，以确保频散曲线的可靠性。通过严格的质量控制和筛选，可以提高频散曲线的质量，为后续的面波反演和地下介质结构研究提供可靠的数据基础。3.4层析成像反演算法在获取高质量的面波频散曲线后，需运用合适的层析成像反演算法来反演地下介质的速度结构，从而得到研究区域的面波速度结构分布图。本研究采用Ditmar等提出的层析成像反演方法，该方法在面波层析成像反演中具有较高的精度和可靠性。首先，将研究区域按照一定的网格间距进行划分，本研究采用0.25°×0.25°的网格间距。这种网格划分方式在保证计算效率的同时，能够较好地反映研究区域内地壳结构的横向变化特征。较细的网格间距可以提高成像的分辨率，使我们能够更精确地刻画地下介质的速度变化，从而揭示出更细微的地质构造特征。在划分网格时，需要充分考虑研究区域的范围、台站分布以及地质构造的复杂程度等因素。对于地质构造复杂的区域，可以适当减小网格间距，以提高对该区域地质构造的分辨率；而对于地质构造相对简单的区域，可以适当增大网格间距，以减少计算量，提高计算效率。在每个网格节点上，将面波速度作为待反演的参数。通过建立面波传播的理论模型，将面波在地下介质中的传播路径离散化为一系列的射线。这些射线穿过不同的网格节点，其传播时间和速度与地下介质的速度结构密切相关。在建立理论模型时，需要考虑面波的传播特性、地下介质的物理性质以及地质构造的特点等因素。通常假设地下介质为层状介质，面波在其中的传播遵循一定的波动方程。通过对波动方程的求解，可以得到面波在不同介质中的传播速度和传播时间。根据台站对提取的面波频散曲线，建立反演方程组。反演方程组的建立基于面波传播的理论模型，通过将观测到的面波频散曲线与理论模型预测的频散曲线进行对比，来确定地下介质的速度结构。在建立反演方程组时，需要考虑面波的传播路径、传播时间以及频散特性等因素。通常采用最小二乘法来求解反演方程组，通过不断调整网格节点上的面波速度参数，使得理论模型预测的频散曲线与观测到的频散曲线之间的差异最小化。在实际求解过程中，由于反演方程组往往是非线性的，因此需要采用迭代算法来逐步逼近最优解。常用的迭代算法包括阻尼最小二乘法、共轭梯度法等。阻尼最小二乘法通过在目标函数中引入阻尼因子，来改善反演方程组的稳定性和收敛性；共轭梯度法则通过利用共轭方向的特性，来加速迭代过程，提高求解效率。在反演过程中，为了提高反演结果的稳定性和可靠性，还需要加入适当的约束条件。约束条件可以包括先验地质信息、地下介质的物理性质约束以及反演结果的平滑约束等。先验地质信息可以来自于区域地质调查、地球物理勘探等资料，通过将这些信息作为约束条件加入到反演过程中，可以有效地减少反演结果的不确定性。地下介质的物理性质约束可以基于岩石物理学的理论和实验结果，对地下介质的速度、密度等物理参数进行限制，从而使反演结果更加符合实际地质情况。反演结果的平滑约束则是通过对反演结果进行空间平滑处理，来减少反演结果中的噪声和异常波动，提高反演结果的稳定性和可靠性。通过求解反演方程组，得到每个网格节点上的面波速度，进而得到研究区域的面波速度结构分布图。在得到面波速度结构分布图后，还需要对反演结果进行质量控制和验证，以确保反演结果的准确性和可靠性。质量控制和验证的方法可以包括对比分析、分辨率测试等。对比分析可以将反演结果与其他地球物理资料进行对比，如重力、磁力等资料，以验证反演结果的合理性；分辨率测试则可以通过模拟不同的地质模型，来评估反演算法的分辨率和精度，从而确定反演结果的可靠性。四、辽宁及邻区背景噪声成像结果4.1群速度结构成像结果通过对辽宁及邻区背景噪声数据的深入处理和分析，成功获得了周期为8-40s的瑞利面波群速度结构分布图像，这些图像为揭示该区域的地壳结构和地质构造特征提供了重要依据。在短周期（8-15s）范围内，群速度分布与研究区内的断裂带及地质构造地貌形态呈现出良好的相关性。8-15s周期内，群速度分布特征与盆地坳陷、山区隆起的对应性尤为显著，呈现出“两垒高，一堑低”的典型分布特点，这与区域的地质构造格局基本吻合。辽西断块隆起带和辽东断块隆起区由于岩石较为坚硬，地质构造相对稳定，表现为高速区域；而下辽河渤海湾盆地由于沉积层较厚，岩石相对疏松，呈现出低速区域。在8s周期的群速度图像上，辽西地区的山脉如努鲁儿虎山、医巫闾山等区域呈现出明显的高速特征，其群速度值可达3.2km/s以上；而在辽河平原地区，群速度值则普遍低于3.0km/s，显示出低速特征。这种高速与低速区域的分布与山脉和盆地的地形地貌特征高度一致，进一步证实了短周期群速度分布对浅层地质构造的敏感性。地震多发生于高低速过渡带内，这些区域由于地质构造的差异，应力容易集中，从而引发地震活动。在1975年海城7.3级地震的震中附近，就处于高低速过渡带，这表明该区域的地壳结构不均匀性对地震的孕育和发生具有重要影响。随着周期的增加，群速度结构分布反映出不同深度的地质构造信息。在20-30s的周期内，群速度在渤海湾-辽东湾中存在明显的低速异常，这一现象清晰地显示了渤海湾盆地和下辽河盆地具有较厚的沉积层覆盖。这些沉积层的存在导致地震波传播速度降低，从而在群速度图像上表现为低速区域。在25s周期的群速度图像上，渤海湾和辽东湾地区的群速度值普遍低于3.1km/s，而周边地区的群速度值则相对较高，这进一步说明了该区域沉积层的影响。这种低速异常不仅反映了沉积层的厚度，还可能与沉积层的物质组成和压实程度有关。通过对该区域低速异常的研究，可以深入了解渤海湾盆地和下辽河盆地的沉积演化历史。在35-40s的长周期阶段，群速度分布与莫霍面的深度表现出明显的关联性，莫霍面埋深大体呈西厚东薄的特点。这一时期的群速度分布主要受到深部地质构造的控制，反映了地壳深部的结构特征。在38s周期的群速度图像上，辽西地区的群速度相对较低，这可能与该地区莫霍面埋深较大有关；而辽东地区的群速度相对较高，对应着莫霍面埋深较浅。38-40s周期内郯庐断裂带东侧的低速异常可能暗示渤海内存在局部的热物质上涌现象。热物质的上涌会改变地下介质的物理性质，导致地震波传播速度降低，从而在群速度图像上呈现出低速异常。这种热物质上涌现象可能与深部地幔的活动有关，对区域的地质构造演化和地震活动具有重要影响。通过对这一低速异常的研究，可以深入探讨渤海地区的深部地质过程和地球动力学机制。4.2相速度结构成像结果本研究利用背景噪声成像技术，成功获得了辽宁及邻区周期10-40s的瑞利面波相速度结构分布图，这些图像为深入研究该区域的地壳结构和地质构造提供了重要线索。在周期10-15s的相速度图中，浅层及中上地壳速度分布与研究区地形地貌及主要地质构造单元具有良好的对应关系。从图中可以清晰地看到，盆地及沉积层区域呈现出低速特征，这是因为这些区域的岩石较为松散，孔隙度较大，导致地震波传播速度较慢。下辽河渤海湾盆地的相速度值明显低于周边地区，一般在3.0km/s以下，这与该地区巨厚的沉积层密切相关。而山区隆起区域则表现为高速，岩石较为致密，地震波传播速度较快。辽西断块隆起带和辽东断块隆起区的相速度值可达3.2km/s以上，与山脉的地形地貌特征相符。在这个周期范围内，高低速转换带多为地震孕震区，如海城地区就处于高低速转换带，历史上曾发生过强烈地震。这是因为在高低速转换带，地壳介质的性质差异较大，应力容易集中，当应力积累到一定程度时，就会引发地震。当周期增加到20-30s时，相速度结构主要受地壳厚度及渤海湾内巨厚沉积层的影响。在这个周期范围内，下地壳至上地幔顶部深度范围内，相速度的变化主要反映了地壳厚度和沉积层厚度的差异。渤海湾-辽东湾地区由于沉积层较厚，地壳相对较薄，相速度较低，一般在3.1km/s左右。而在辽东半岛和辽西地区，地壳相对较厚，相速度较高，可达3.3km/s以上。在海城至大连区域内出现的低速异常，推测为地下热物质上涌所致。热物质的上涌会导致岩石的物理性质发生改变，使地震波传播速度降低。通过对该区域地质构造和地球物理资料的分析，发现该区域存在深部断裂，这些断裂可能为热物质的上涌提供了通道。热物质上涌还可能与区域的构造运动有关，在板块运动的过程中，深部地幔物质受到挤压，沿着断裂上升，从而形成了低速异常区域。随着深度的进一步增加，在周期30-40s的相速度图中，速度分布逐渐受控于莫霍面起伏。在这个周期范围内，地震波传播深度更深，主要反映了莫霍面附近的速度变化。从图中可以明显看出，辽东半岛地区的速度分布发生了明显变化，由高速变为低速。这是因为辽东半岛地区的莫霍面深度相对较浅，地震波在传播过程中受到莫霍面的影响较大。当莫霍面起伏较大时，地震波的传播路径会发生改变，导致相速度发生变化。在辽东半岛东部，莫霍面深度较浅，相速度较低；而在辽东半岛西部，莫霍面深度相对较深，相速度较高。这种速度分布的变化与莫霍面的起伏密切相关，进一步证实了莫霍面起伏对长周期相速度分布的控制作用。4.3S波速度结构反演结果利用得到的基阶面波相速度频散曲线，通过马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）法反演得到辽宁及邻区下方10-40km深度处的三维S波速度结构。马尔科夫链蒙特卡洛法是一种基于概率统计的反演方法，它通过构建马尔科夫链，在模型空间中进行随机搜索，逐步逼近最优解。在反演过程中，该方法充分考虑了模型参数的不确定性和数据的噪声影响，能够有效地提高反演结果的可靠性和稳定性。通过多次迭代计算，最终得到了研究区域内不同深度的S波速度分布情况。在10-20km深度范围内，S波速度分布与地形地貌的对应关系十分显著。山区隆起区域由于岩石致密，S波速度较高，一般可达3.6km/s以上。在辽西断块隆起带，燕山山脉的岩石主要由花岗岩、变质岩等组成，这些岩石的矿物颗粒紧密排列，孔隙度低，使得S波在其中传播速度较快。而盆地及沉积层区域由于岩石较为松散，孔隙度较大，S波速度较低，多在3.2km/s以下。下辽河渤海湾盆地沉积了巨厚的新生代地层，这些地层主要由松散的砂、砾石、黏土等组成，S波在其中传播时受到的散射和吸收作用较强，导致速度降低。在这个深度范围内，高低速过渡带与地震孕震区存在紧密关联。例如，海城地区处于高低速过渡带，历史上曾发生1975年海城7.3级强烈地震。这是因为在高低速过渡带，地壳介质的性质差异较大，应力容易集中。当应力积累到一定程度，超过岩石的强度极限时，就会引发地震。岩石的破裂会释放出巨大的能量，以地震波的形式传播，从而造成地震灾害。20-30km深度处，中下地壳至上地幔顶部的S波速度结构更多地受到莫霍面的起伏状态及深大断裂的影响。莫霍面是地壳和地幔的分界面，其起伏变化会导致S波速度的改变。在莫霍面较浅的区域，地幔物质对S波的传播影响相对较小，S波速度相对较高；而在莫霍面较深的区域，地幔物质的影响较大，S波速度可能会降低。深大断裂作为地壳中的薄弱地带，其内部的岩石破碎，结构复杂，也会对S波速度产生显著影响。在郯庐断裂带经过的区域，由于断裂带内岩石破碎，S波速度明显低于周边地区。断裂带的活动还会导致地壳内部的应力分布发生变化，进而影响S波速度的分布。在断裂带的两侧，由于应力集中和岩石变形，S波速度可能会出现异常变化。海城至大连最后延伸至辽东湾的区域下方30-40km深度范围内，一直存在一个“弧形”的低速异常体。通过对该区域地质构造和地球物理资料的综合分析，推测该区域存在热物质上涌现象。热物质的上涌会导致岩石的物理性质发生改变，使其密度降低，孔隙度增大，从而导致S波速度降低。从地质构造角度来看，该区域存在深部断裂，这些断裂为热物质的上涌提供了通道。深部地幔物质在高温高压的作用下，沿着断裂上升，形成了热物质上涌现象。热物质上涌还可能与区域的构造运动有关，在板块运动的过程中，深部地幔物质受到挤压，沿着断裂上升，从而形成了低速异常区域。热物质上涌对区域的地质演化和地震活动具有重要影响，它可能会导致地壳的局部变形和应力积累，增加地震发生的可能性。纵剖面C-C′的辽阳至伊通段下方15km处存在椭圆形低速体。这一低速体的形成可能与局部的地质构造和物质组成有关。从地质构造上看，该区域可能存在小型的断裂或构造破碎带，导致岩石结构松散，S波速度降低。岩石的物质组成也可能对低速体的形成起到重要作用。如果该区域岩石中含有较多的低波速矿物，或者岩石的孔隙度较大，填充有流体等，都会导致S波速度下降，从而形成低速体。这种低速体的存在对区域的地震活动可能产生一定的影响，它可能会改变地震波的传播路径和能量分布，使得地震波在该区域发生散射和衰减，进而影响地震的监测和预测。五、成像结果与地质构造及地震活动的关联分析5.1与已知地质构造的对应关系将背景噪声成像结果与辽宁及邻区已知的地质构造单元进行对比，发现二者存在显著的对应关系。在群速度成像结果中，短周期（8-15s）的群速度分布与区域内的地质构造地貌形态高度吻合。辽西断块隆起带和辽东断块隆起区呈现为高速区域，这是因为这些地区岩石致密，地质构造相对稳定，地震波传播速度较快。辽西断块隆起带主要由古老的变质岩和花岗岩组成，岩石的矿物颗粒紧密排列，孔隙度低，使得地震波在其中传播时受到的散射和吸收作用较小，从而表现出较高的群速度。辽东断块隆起区同样以坚硬的岩石为主，地质构造相对稳定，为地震波的传播提供了良好的介质条件，导致群速度较高。而下辽河渤海湾盆地则表现为低速区域，该盆地沉积层较厚，岩石相对疏松，孔隙度较大，地震波在传播过程中受到的阻碍较大，速度降低。下辽河渤海湾盆地沉积了巨厚的新生代地层，这些地层主要由松散的砂、砾石、黏土等组成，地震波在其中传播时，能量容易被吸收和散射，从而导致群速度较低。这种高速与低速区域的分布与地质构造单元的特征完全一致，充分验证了成像结果对地质构造的准确反映能力。相速度成像结果也与地质构造单元有着紧密的对应关系。在周期10-15s的相速度图中，浅层及中上地壳速度分布与研究区地形地貌及主要地质构造单元具有良好的对应关系。盆地及沉积层区域由于岩石松散，孔隙度大，地震波传播速度慢，呈现出低速特征；而山区隆起区域岩石致密，地震波传播速度快，表现为高速。这与群速度成像结果相互印证，进一步表明成像结果能够准确反映地质构造单元的特征。在20-30s的周期范围内，相速度结构主要受地壳厚度及渤海湾内巨厚沉积层的影响。渤海湾-辽东湾地区由于沉积层较厚，地壳相对较薄，相速度较低；而辽东半岛和辽西地区地壳相对较厚，相速度较高。这种速度分布的差异与地质构造单元的地壳结构特征密切相关，再次验证了成像结果的可靠性。从断裂构造的角度来看，成像结果也能够清晰地反映出主要断裂带的位置和特征。NE-NNE向的营潍断裂带（涉及渤中北-辽东湾段）、下辽河平原断裂、依兰-伊通断裂（涉及沈阳-四平段）等在成像结果中表现为速度异常带。这些断裂带多为深大断裂，岩石破碎，结构复杂，导致地震波传播速度发生变化，从而在成像图中呈现出明显的速度异常。营潍断裂带是郯庐断裂带的重要组成部分，其岩石破碎程度高，断裂带内的岩石结构和物理性质与周围岩石存在较大差异，使得地震波在通过该断裂带时，传播路径发生改变，速度降低，在成像图中表现为低速异常带。下辽河平原断裂和依兰-伊通断裂同样具有类似的特征，它们的存在对地震波的传播产生了显著影响，在成像结果中得以清晰体现。这表明成像结果能够有效地识别断裂构造，为研究断裂的活动性和深部结构提供了重要依据。与区域内的盆地分布相比，成像结果也与盆地的位置和形态相吻合。下辽河盆地、熊岳盆地、阜新-义县盆地等在成像图中均表现为低速区域，这与盆地内沉积层较厚的地质特征相符。下辽河盆地沉积了巨厚的新生代地层，沉积层厚度可达数千米，这些沉积层主要由松散的砂、砾石、黏土等组成，导致地震波传播速度降低，在成像图中呈现出明显的低速特征。熊岳盆地和阜新-义县盆地虽然规模相对较小，但同样由于沉积层的存在，使得地震波传播速度减慢，在成像图中表现为低速区域。这进一步证明了成像结果对盆地构造的准确反映能力，能够为盆地的地质研究提供有力支持。5.2对地震活动的指示意义高低速过渡带在地震孕育和发生过程中扮演着至关重要的角色，大量研究表明，地震多发生于该区域。从地壳介质特性来看，高低速过渡带两侧的地壳介质在物理性质上存在显著差异，这种差异导致应力在过渡带区域极易集中。当应力积累到一定程度，超过岩石的强度极限时，岩石就会发生破裂，从而引发地震。海城地震就发生在高低速过渡带，1975年2月4日，海城发生7.3级强烈地震，造成了重大的人员伤亡和财产损失。通过对该区域背景噪声成像结果的分析发现，海城地区处于高速的辽东断块隆起区与低速的下辽河渤海湾盆地之间的过渡带。在长期的地质演化过程中，该过渡带受到两侧不同性质地壳介质的相互作用，应力不断积累。最终，在1975年，应力集中导致了岩石的破裂，引发了海城地震。这一震例充分说明了高低速过渡带与地震孕震区的紧密联系。地下热物质上涌现象对地震活动的影响机制较为复杂。热物质上涌会使岩石的物理性质发生改变，导致岩石的密度降低，孔隙度增大，从而使地震波传播速度降低，在成像结果中表现为低速异常。海城至大连最后延伸至辽东湾的区域下方30-40km深度范围内存在的“弧形”低速异常体，推测为热物质上涌所致。热物质上涌还会导致岩石的力学性质发生变化，使其更容易发生变形和破裂。热物质上涌过程中会释放出大量的热能和化学能，这些能量会对周围的岩石产生加热和化学作用，改变岩石的矿物组成和结构，降低岩石的强度。这种变化会增加岩石在应力作用下发生破裂的可能性，从而增加地震发生的风险。热物质上涌还可能引发岩浆活动，岩浆的侵入和喷发会对地壳产生强烈的扰动，进一步增加地震发生的概率。地壳结构的不均匀性是导致地震活动的重要因素之一。辽宁及邻区的背景噪声成像结果清晰地揭示了该区域地壳结构的显著不均匀性，不同地质构造单元的速度结构差异明显。这种不均匀性使得地壳内部的应力分布极不均匀，在某些区域容易形成应力集中点。当应力集中到一定程度时，就会引发地震。在断裂带附近，由于岩石破碎，结构复杂，地震波传播速度变化较大，容易形成应力集中区。营潍断裂带（涉及渤中北-辽东湾段）在成像结果中表现为速度异常带，该断裂带附近历史上曾发生多次地震，这表明地壳结构的不均匀性与地震活动之间存在密切的关联。从地震预测的角度来看，背景噪声成像结果具有潜在的应用价值。通过对不同时期成像结果的对比分析，可以监测地壳结构的动态变化，捕捉到地震孕育过程中地壳介质的细微变化。这些变化可能是地震即将发生的前兆信息，为地震预测提供重要的科学依据。在地震孕育过程中，地壳介质的速度结构可能会发生变化，通过背景噪声成像技术可以及时发现这些变化，从而对地震的发生进行预测。如果在某一区域发现速度异常区域的范围逐渐扩大，或者速度异常的程度逐渐增强，这可能预示着该区域正在积累地震能量，地震发生的可能性增加。背景噪声成像结果还可以与其他地震监测手段相结合，如地震波速比、地震活动性等，提高地震预测的准确性和可靠性。通过综合分析多种地震监测数据，可以更全面地了解地震孕育和发生的过程，为地震预测提供更有力的支持。六、结论与展望6.1研究主要成果总结本研究运用背景噪声成像技术，对辽宁及邻区的地壳结构进行了深入研究，取得了一系列重要成果。通过对辽宁及邻区多个地震台站2012年背景噪声数据的精心收集与严格预处理，有效去除了仪器响应、高频噪声、低频漂移以及直流分量和长期趋势变化等干扰因素，显著提高了数据的信噪比和质量，为后续的分析和成像奠定了坚实基础。在面波频散曲线提取过程中，利用台站对互相关方法成功提取瑞利面波格林函数，并采用时频分析法（FTAN）或CPS330准确获取频散曲线，同时通过严格的信噪比分析和频散曲线一致性检验等质量控制与筛选步骤，确保了提取的频散曲线准确可靠，为后续的层析成像反演提供了高质量的数据支持。采用Ditmar等提出的层析成像反演方法，将研究区域以0.25°×0.25°进行网格化，成功反演得到周期为8-40s的瑞利面波群速度及相速度结构分布图，以及利用马尔科夫链蒙特卡洛（MCMC）法反演得到10-40km深度处的三维S波速度结构。成像结果清晰揭示了辽宁及邻区地壳及上地幔的显著横向不均匀性。短周期（8-15s）的群速度分布与区域内断裂带、地质构造地貌形态呈现出良好的相关性，“两垒高，一堑低”的分布特点与地质构造基本吻合，地震多位于高低速过渡带内。20-30s周期的群速度在渤海湾-辽东湾中存在低速异常，表明该区域沉积层较厚；35-40s周期的群速度与莫霍面深度关联性明显，莫霍面埋深大体呈西厚东薄的特点，38-40s周期内郯庐断裂带东侧的低速异常可能暗示渤海内存在局部热物质上涌现象。相速度成像结果同样与地质构造单元紧密对应。10-15s周期的相速度图中，浅层及中上地壳速度分布与地形地貌及主要地质构造单元对应良好，高低速转换带多为地震孕震区；20-30s周期的相速度结构主要受地壳厚度及渤海湾内巨厚沉积层的影响，海城至大连区域内的低速异常推测为地下热物质上涌；30-40s周期的相速度图中，速度分布逐渐受控于莫霍面起伏，辽东半岛地区速度由高速变为低速。S波速度结构反演结果显示，10-20km深度范围内，S波速度分布与地形地貌对应显著，高低速过渡带与地震孕震区关联紧密；20-30