大地测量与地球动力学

武鄂黄黄都市圈背景噪声层析成像研究

吴腾飞 ¹^,² , 张双喜 ²^,* , 韦瑜 ³

大地测量与地球动力学 | 地球动力学 2026,46(3): 321-326

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大地测量与地球动力学 |地球动力学 2026 , 46 (3) : 321 -326

武鄂黄黄都市圈背景噪声层析成像研究

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吴腾飞, 博士, 副教授, 主要从事地震学及防灾减灾研究, E-mail: wutengfei@whu.edu.cn

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吴腾飞, 博士, 副教授, 主要从事地震学及防灾减灾研究, E-mail: wutengfei@whu.edu.cn

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吴腾飞¹^,², 张双喜²^,*, 韦瑜³

作者信息

1 湖北理工学院土木建筑工程学院, 黄石, 435003

2 武汉大学测绘学院, 武汉, 430079

3 中国华电集团有限公司, 北京, 100031

通讯作者:

张双喜, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事地球物理学研究, E-mail: shxzhang@sgg.whu.edu.cn

作者简介:

吴腾飞, 博士, 副教授, 主要从事地震学及防灾减灾研究, E-mail: wutengfei@whu.edu.cn

Ambient Noise Tomography in Wuhan-Ezhou-Huanggang-Huangshi Metropolitan Area

Tengfei WU¹^,², Shuangxi ZHANG²^,*, Yu WEI³

Affiliations

1 School of Civil Engineering and Architecture, Hubei Polytechnic University, Huangshi 435003, China

2 School of Geodesy and Geomatics, Wuhan University, Wuhan 430079, China

3 China Huadian Co Ltd, Beijing 100031, China

出版时间: 2026-03-15 doi: 10.14075/j.jgg.2025.04.109

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摘要

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基于武鄂黄黄都市圈及邻域48个台站的连续地震噪声数据，采用背景噪声层析成像方法获取研究区下方5~40 s的Rayleigh波相速度结构。结果表明，中上地壳的相速度结构与区域构造单元密切相关，江汉盆地东缘和大别山南缘均为低速异常，大别造山带呈高速异常。中下地壳的相速度结构受莫霍面起伏影响，乌龙泉断裂附近贯穿地壳的低速异常可能为深部物质上涌通道，大别造山带保留了与其变质岩基底相关的高速异常。下地壳至上地幔顶部广泛分布低速异常，推测可能与岩石圈拆沉或幔源物质上涌有关。长江流域两侧的低速异常与中下游成矿带的形成密切相关，反映了深部动力学过程与浅部成矿作用的时空耦合关系。该成果较以往成像结果具有更高的分辨率，可为揭示区域构造演化、成矿作用的深部动力学机制等提供更可靠的依据。

关键词

背景噪声 / 层析成像 / 相速度 / 地壳结构 / 武鄂黄黄都市圈

Abstract

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Based on the continuous seismic ambient noise data from 48 stations in Wuhan-Ezhou-Huanggang-Huangshi (WEHH) metropolitan area and adjacent regions, we use ambient noise tomography method to obtain Rayleigh-wave phase velocity structure at periods of 5 s to 40 s. The results show that phase velocity structure of the upper to middle crust is closely correlated with regional tectonic units. The low-velocity anomalies are observed along the eastern margin of Jianghan basin and the southern margin of Dabie mountain, whereas the Dabie orogen is marked by high-velocity anomalies. In the middle to lower crust, the Moho topography influences the phase velocity structure, with a crust-penetrating low-velocity anomaly near the Wulongquan fault, suggesting a potential pathway for deep material upwelling. The Dabie orogen retains high-velocity anomalies associated with its metamorphic basement. At greater depths, from the lower crust to the uppermost mantle, widespread low-velocity anomalies are observed, which may be attributed to lithospheric delamination or mantle-derived material upwelling. The low-velocity anomalies on both sides of Yangtze river are closely linked to the formation of middle-lower Yangtze metallogenic belt, reflecting a spatiotemporal coupling between deep geodynamic processes and shallow mineralization. This study has higher resolution than previous imaging results, which can provide more reliable insights for revealing the deep geodynamic mechanisms of regional tectonic evolution and mineralization.

Key words

ambient noise / tomography / phase velocity / crust structure / WEHH metropolitan area

引用本文

吴腾飞, 张双喜, 韦瑜. 武鄂黄黄都市圈背景噪声层析成像研究. 大地测量与地球动力学, 2026 , 46 (3) : 321 -326 . DOI: 10.14075/j.jgg.2025.04.109

Tengfei WU, Shuangxi ZHANG, Yu WEI. Ambient Noise Tomography in Wuhan-Ezhou-Huanggang-Huangshi Metropolitan Area[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2026 , 46 (3) : 321 -326 . DOI: 10.14075/j.jgg.2025.04.109

正文

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武鄂黄黄都市圈地处长江中游城市群核心区域，以武汉市为中心，涵盖鄂州、黄冈和黄石3市，该都市圈是推动长江经济带绿色发展、支撑中部地区崛起的战略支点。在地质构造方面，研究区横跨扬子板块和大别造山带两大构造单元，西邻江汉盆地东缘，发育有多组深大断裂，形成中下扬子板块与大别造山带碰撞-缝合的复杂构造格局(图 1)。因此，系统研究武鄂黄黄都市圈精细速度结构，对揭示该区域深部地质构造特征以及理解中下扬子-大别造山带的构造演化过程具有重要的科学意义。

部分学者利用面波层析成像^[1]、体波层析成像^[2]以及背景噪声层析成像^[3-4]等多种地震波成像方法对大别造山带及邻域地壳结构进行深入分析，并取得大量研究成果。但这些方法仍存在明显局限性：面波层析成像受震源分布不均影响显著，且受路径效应和台站密度制约，难以有效提高中上地壳结构的分辨率；体波走时层析成像虽在大尺度深部结构成像方面具有优势，但其浅层分辨率低、垂向分辨率不足以及路径覆盖不均，难以精细解析地壳结构。相比之下，背景噪声层析成像技术不受震源分布影响，可以获得丰富的高频频散数据，能显著提高地壳结构的分辨率。Wei等^[3]利用90个台站获得东秦岭-大别造山带背景噪声S波层析成像结果。丁文秀等^[5]利用背景噪声数据反演秦岭-大别造山带及邻域8~35 s的相速度分布。但这些研究区构造单元复杂、研究尺度较大且台站分布相对稀疏，导致分辨率较低，现有的模型无法精确地揭示武鄂黄黄都市圈精细的地质结构特征。

本文采用背景噪声层析成像方法，利用武鄂黄黄都市圈及邻域14个固定台站和34个流动台站组成的密集观测网络，获取研究区高分辨率Rayleigh波相速度图像。通过系统分析相速度图像揭示的地质构造特征及深部结构信息，探讨其区域地球动力学意义，为揭示区域构造演化过程提供关键地球物理约束。

1 数据与频散分析

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1.1 地震数据及预处理

本文频散曲线是基于2016—2018年14个固定台站的连续波形记录和34个流动台站的数据，其中流动台站的频散曲线数据来自文献[6-7]。固定台站数据处理采用Bensen等^[8]提出的处理流程，包括单台数据预处理、互相关计算和叠加、频散曲线测量与质量控制、相速度层析成像等。首先，将每天的原始数据进行拼接，对缺失部分进行补零，保证数据的完整性。然后，将数据重采样至1 Hz，并依次进行去仪器响应、去均值、去趋势、去零漂和带通滤波等预处理。随后，采用滑动绝对平均法进行时间域归一化处理，以压制地震事件等瞬态异常振幅，增强背景噪声的稳定性。最后，通过谱白化处理消除噪声频谱中的能量衰减，从而拓宽背景噪声的有效频带。完成单台数据处理后，计算研究区任意台站对的背景噪声互相关函数并叠加。为消除互相关函数正负分支因噪声源分布不均导致的振幅不对称，对正负分支的互相关波形进行反序叠加处理，并取其平均值作为经验格林函数^[9]。

1.2 频散测量及质量控制

采用频率域方法进行相速度频散曲线测量^{[3, 10]}，该方法可将台站间距要求降至1倍波长^[11]，因此能够获取更宽频带范围和更高精度的频散曲线。结合固定台站和流动台站数据，最终共获得623条周期为5~40 s的频散曲线。为剔除异常的频散数据并确保层析成像结果的可靠性，制定以下数据筛选准则：1)台站间距必须大于1.5倍波长；2)剔除信噪比小于10的互相关函数提取的频散数据；3)剔除走时残差过大的相速度测量值。经上述控制后，各周期统计的有效频散曲线总数如图 2所示。图 3(a)、3(b)和3(c)为3个代表性周期(8 s、18 s和38 s)的射线路径分布，显示研究区内射线覆盖密集且较为均匀。

2 相速度层析成像

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分辨率测试可评估反演结果的空间分辨能力，并优化反演参数设置，从而提高反演结果的可靠性^[12]。基于图 3(a)、3(b)和3(c)中射线密度和方位分布，以0.3°×0.3°划分网格，采用平均面积的平均尺寸方法^[13]估算研究区的横向分辨率。图 3(d)、3(e)和3(f)为3个代表性周期8 s、18 s和38 s的横向分辨率估计结果。可以看出，相速度反演的横向分辨率约为20~30 km，大部分区域分辨率可达20 km，短周期局部和长周期的边缘区域约为30 km。从分辨率估计结果来看，流动台站数据的加入可显著提高射线覆盖密度，从而大幅提升层析反演的横向分辨率。

本文采用Yanovskaya等^[14]提出的射线理论层析成像方法反演研究区Rayleigh波相速度分布，将研究区划分为0.3°×0.3°网格，并基于频散曲线的走时信息对各周期进行Rayleigh波相速度层析反演。图 4为研究区Rayleigh波相速度对S波速度的深度敏感核曲线。图 5为反演的不同周期Rayleigh波相速度分布图，各子图右上角为对应周期相速度反演的走时残差统计结果。可以看出，所有周期的走时残差均呈正态分布且集中在0值附近，反映出理论走时预测结果与实际观测结果高度一致，从而证实了研究区Rayleigh相速度反演结果的可靠性。

3 结果分析与讨论

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从图 5可以看出，不同周期的相速度变化反映出该区域地壳上地幔顶部的速度结构存在显著的横向非均质性，现将反演的相速度分布图像分3个周期区间进行讨论。

短周期(T=5 s和10 s)的相速度分布主要反映的是研究区中上地壳(5~12 km，图 4)的S波速度变化。从图 5(a)和5(b)可以看出，相速度变化介于3.1~3.4 km/s，变化幅度为0.3 km/s，空间上显示出明显的横向非均质性。以块体边界为界，研究区南、北两侧岩性存在明显差异。周期5 s的相速度变化反映的是上地壳速度结构，与区域地质构造单元存在强相关性。区域高低速异常与结晶基底埋深、沉积层厚度等地质构造特征密切相关^[5]。其中，武汉市显示为低速异常，其属于江汉盆地东延部分，与覆盖较厚的新生代沉积有关。黄冈市南部为大别山南缘与长江冲积平原的过渡区域(图 1(a))，显示为低速异常。高速异常主要分布在大别造山带，与前人噪声层析成像结果^[15]基本吻合。周期10 s的相速度显示，武汉市和黄冈市南端的低速异常区逐渐减小，而大别造山带的高速异常区进一步扩大，并延伸至黄石市。

周期15 s和20 s的相速度分布主要反映的是中下地壳(15~30 km)的S波速度变化。由图 5(c)和5(d)可知，相速度变化介于3.25~3.65 km/s，变化幅度为0.4 km/s，空间上显示出强异质性，可能受区域地壳厚度变化影响(图 6)。周期15 s和20 s的相速度分布结果大致相似，武汉市南部乌龙泉断裂附近存在贯穿整个地壳的低速异常区，表明该断裂可能作为幔源物质上涌通道并引发热液循环，导致区域地壳岩性发生改变。黄冈市南端由短周期的低速异常逐渐转变为高速异常。大别造山带也显示为连续高速异常，推测可能由多期构造-岩浆事件，尤其是超高压变质作用形成的麻粒岩、榴辉岩和花岗质片麻岩等高密度变质岩基底所致。特别是20 s周期，其相速度分布特征与地壳厚度^[16]几乎吻合。鄂州东部与黄冈市交界区域存在明显的高速异常(＞3.6 km/s)，对应地壳减薄区域，可能与中生代岩浆底侵形成的镁铁质堆晶层^[17]和叠加伸展背景下的莫霍面抬升有关。此外，英山县东部的局部低速异常区与该区地壳厚度最厚处存在空间对应关系，这种关系可能由板块碰撞引发的地壳叠覆增厚、深部幔源物质上涌导致扰动，使下地壳发生部分熔融所致。

周期30 s和40 s的相速度分布反映的是下地壳至上地幔顶部(35~60 km)的S波速度变化。从图 5(e)和5(f)可以看出，相速度变化介于3.6~4.3 km/s，变化幅度为0.7 km/s，反映该深度区间存在强异质性，可能与壳幔过渡带的复杂性有关^[3]。周期30 s和40 s的相速度分布特征高度一致，表现为大范围的低速异常。这些低速异常形成的原因可能有2个：一是扬子板块多期次俯冲(印支期、燕山期)导致板片残片滞留于上地幔过渡带，其脱水反应释放富水流体，诱发上覆地幔局部熔融^[18]；二是中生代碰撞以后，大别造山带加厚的岩石圈根部因重力失稳下沉，诱发幔源热物质上涌(≤3.8 km/s)，形成区域性低速异常^{[3, 17]}。英山县的低速异常进一步扩大，向西延伸至罗田-麻城一带，可能与岩石圈拆沉驱动地幔熔融侧向流动有关。此外，武汉东南部、黄石北部和黄冈南部均显示为低速异常，且这些低速异常均位于长江流域两侧。因此, 认为长江中下游成矿带(如鄂东南成矿区)的形成可能与深部低速异常直接相关，地壳低速异常可能代表岩浆残留，为区域矿床提供了热液和成矿物质；而板块间碰撞-缝合及岩石圈拆沉引发地幔热物质上涌，加热地壳并促使壳源岩浆分异，区域成矿作用主要发生在拆沉峰期后的伸展阶段。该过程体现了深部动力学(拆沉、熔融)与浅部成矿的时空耦合关系。

4 结语

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本文基于武鄂黄黄都市圈及邻域48个台站的背景噪声数据，采用Rayleigh波相速度层析成像方法，得到该区5~40 s相速度分布图像，揭示了研究区不同深度的地质构造特征及显著的横向非均质性。得到以下结论：

1) 在中上地壳(5 s和10 s)，武汉市和黄冈市南部显示为低速异常，可能与江汉盆地沉积厚度和大别山南缘构造过渡特征密切相关；而大别造山带表现为高速异常，可能与基底的变质岩特性有关。

2) 在中下地壳(15 s和20 s)，乌龙泉断裂附近的低速异常贯穿整个地壳，表明该断裂可能为幔源物质上涌通道，导致区域地壳岩性发生改变。黄冈市南端由低速异常转变为高速异常，大别造山带连续的高速异常可能与多期构造-岩浆事件形成的高密度变质岩基底有关。

3) 在下地壳至上地幔顶部(30 s和40 s)，英山县及以西至罗田-麻城一带表现为低速异常，可能与岩石圈拆沉驱动地幔熔融侧向流动有关。长江流域两侧的低速异常(武汉东南部、黄石北部和黄冈南部)，可能为扬子板块多期俯冲和岩石圈拆沉导致的幔源物质上涌的深部响应。值得注意的是，这些低速异常与长江中下游成矿带的形成存在密切的空间对应关系，反映了深部动力学过程(如碰撞、拆沉和熔融)与浅部成矿作用的时空耦合关系。这一认识为揭示深部动力学过程与浅部成矿作用的联系提供了新的约束。

基金

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国家自然科学基金(42074176)
国家自然科学基金(42374061)
湖北省自然科学基金(2025AFD013)

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2026年第46卷第3期

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文章信息

doi: 10.14075/j.jgg.2025.04.109

接收时间：2025-04-04
首发时间：2026-10-29
出版时间：2026-03-15

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出版历史

收稿日期：2025-04-04

基金

国家自然科学基金(42074176)

国家自然科学基金(42374061)

湖北省自然科学基金(2025AFD013)

作者信息

1 湖北理工学院土木建筑工程学院, 黄石, 435003

2 武汉大学测绘学院, 武汉, 430079

3 中国华电集团有限公司, 北京, 100031

通讯作者:

张双喜, 博士, 教授, 博士生导师, 主要从事地球物理学研究, E-mail: shxzhang@sgg.whu.edu.cn

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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