郭 飚

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

非均勻各向異性介質(zhì)的地震P波走時層析成像研究

郭 飚

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

大陸動力學已經(jīng)成為當今固體地球物理各領域研究的主導方向。大陸動力學涉及問題非常廣泛,但核心問題是大陸形變及其動力學。地震各向異性是地球動力學過程的指示器,根據(jù)地震各向異性的研究結果,可以推斷上地幔物質(zhì)的流動或變形,有助于了解地球內(nèi)部的應力狀態(tài)和地球的演化過程。

地震層析成像是研究地球地殼上地幔結構的主要地球物理方法。地震觀測技術的進步、數(shù)據(jù)的積累以及計算技術的發(fā)展使得利用體波走時數(shù)據(jù)反演各向異性參數(shù)成為可能。利用地震走時層析成像方法同時研究介質(zhì)的非均勻性和各向異性,對于認識地球的結構及動力學過程都具有非常重要的意義。

本文系統(tǒng)地討論了弱各向異性條件下P波速度擾動的近似表達式,并在此基礎上構建了地震各向異性P波走時層析成像算法。利用多個不同理論模型對本文提出的方法進行了數(shù)值檢驗,系統(tǒng)地討論了該方法的應用條件,并將本文提出的理論和方法成功地應用在中國境內(nèi)天山地區(qū)和川西龍門山地區(qū),獲得了上述地區(qū)地殼上地幔的P波速度結構和P波各向異性參數(shù)。

本論文的研究成果主要包括以下4個部分:

1 理論構建

在Backus[1]的彈性張量調(diào)和展開理論基礎上,導出了弱各向異性介質(zhì)中的P波相速度擾動調(diào)和展開的的各階系數(shù),校正了Sm ith&Dah len[2]和Bokelm ann[3]文獻中的錯誤。根據(jù)P波速度擾動的調(diào)和展開公式,導出了在不同觀測系統(tǒng)和不同各向異性介質(zhì)情況下的簡化公式。根據(jù)Bond旋轉矩陣證明了繞坐標軸旋轉時彈性矩陣元素變化規(guī)律,證明了在正交對稱系垂直對稱軸情況下,僅需4個參數(shù)即可模擬方位各向異性,而在任意各向異性情況下,僅需6個參數(shù)即可描述三維各向異性。

2 技術實現(xiàn)

基于弱各向異性近似條件下彈性張量的調(diào)和展開理論和地震走時層析成像方法,構建了地震各向異性P波走時層析成像算法。該算法利用均勻的網(wǎng)格節(jié)點和三次B樣條插值函數(shù)描述各向同性速度場;利用各向異性塊描述各向異性速度擾動場。這種模型參數(shù)化方法的優(yōu)點在于:(1)模型光滑,在反演時不需要加入光滑項;(2)各向同性和各向異性的分辨率可以分別考慮,以減少介質(zhì)的非均勻性與各向異性間的耦合。另外,總結對比了地震波走時計算的各種方法,構建了各向同性介質(zhì)中快速行進波前擴展程序,并在此基礎上構建了適合弱各向異性介質(zhì)的各向異性快速行進算法,利用互易性定理減少了相應的走時計算的計算量。在該算法中,首先計算以臺站位置為假想震源的走時場,再計算臺站與近震震源或遠震射線與模型邊界的交點間的射線路徑。這種走時計算方式特別適用于多源多臺站的觀測方式,可有效地減少正演計算量。反演方法采用Taran to la&Valetta[4]和Taranto la[5]的非線性反演方法,對于非均勻和各向異性參數(shù)可以分別設置不同的阻尼因子。

3 數(shù)值檢驗

本文給出的多個理論模型測試結果表明:(1)本文給出的各向同性和弱各向異性條件下的快速行進算法的計算精度可以滿足地震走時層析成像的要求(誤差小于震相的檢測誤差);(2)各向異性的強度與非均勻結構是耦合的,而各向異性方向與非均勻結構是可以解耦的;(3)在數(shù)據(jù)分布較好的情況下,P波走時方法可以分辨多層各向異性;(4)對于遠震,只要數(shù)據(jù)的方位覆蓋大于180°即可較好地反演各向異性參數(shù);(5)三維各向異性的確定需要大于50°的震中距覆蓋。

4 實際數(shù)據(jù)解釋

(1)利用橫跨中國境內(nèi)天山的庫車—奎屯寬頻帶流動地震臺陣和區(qū)域地震臺網(wǎng)記錄的近震和遠震P波走時數(shù)據(jù)和Zhao等[6,7]地震層析成像方法,重建了沿該地震臺陣剖面400 km深度范圍內(nèi)地殼上地幔的各向同性P波速度結構。在此基礎上,利用弱各向異性介質(zhì)條件下的P波速度擾動公式和線性反演方法,進一步解釋了剩余殘差,獲得了該地震剖面上的P波快波方向。我們的結果表明:

(a)沿新疆庫車—奎屯剖面,天山地殼具有明顯的橫向分塊結構,且南、北天山地殼顯示了較為強烈的橫向變形特征,表明塔里木地塊對天山地殼具有強烈的側向擠壓作用。在塔里木和準噶爾地塊上地幔頂部有厚度約60～90 km的高速異常體,塔里木—南天山下方的高速異常體產(chǎn)生了較為明顯的彎曲變形,而準噶爾—北天山下方的高速異常體向南一直俯沖到中天山南側邊界下方300 km的深度。兩者形成了不對稱對沖構造。在塔里木和準噶爾地塊下方150～400 km深度存在上地幔低速體。其中,塔里木地塊一側的上地幔低速體上涌到南天山地塊的下方。在塔里木—南天山200～300 km深度范圍的上地幔存在高速異常體,它可能是地幔熱物質(zhì)向上遷移過程融斷的塔里木巖石圈拆離體。

(b)塔里木地塊的俯沖可能涉及整個巖石圈深度,但其前緣僅限于南天山的北緣;青藏高原隆升的遠程效應可能驅動了塔里木巖石圈向北俯沖,同時還造成天山造山帶南側上地幔物質(zhì)的涌入。天山造山帶上地幔廣泛存在的低速異常有助于上地幔的變形。上地幔物質(zhì)的強烈非均勻性應有助于推動天山造山帶上地幔范圍小尺度地幔對流的形成。根據(jù)研究區(qū)地殼上地幔速度結構特征可以推斷,新近紀以來,天山快速隆升的主要力源來自青藏高原快速隆升的遠程效應,相對軟弱的上地幔為加速天山造山帶的變形和隆升創(chuàng)造了必要條件。

(c)塔里木盆地和南天山的P波快波方向為近南北向,這與塔里木地塊對天山南北向擠壓變形作用是一致的。進入中天山褶皺帶和北天山,P波快波方向逐漸偏轉為北西向,北天山山前褶皺帶和準噶爾盆地前緣的P波快波方向為近東西向,總體上,該區(qū)P波快波軸方向平行于天山造山帶的走向,垂直于板塊相對運動方向。塔里木盆地和南天山的殼幔為連續(xù)一致變形,而中天山、北天山和準噶爾上地幔的各向異性方向可能受到地幔小尺度對流和構造方向的影響,殼幔的形變發(fā)生解耦。這表明,由于兩側盆地的擠壓,天山山體處于擠壓狀態(tài),而上地幔物質(zhì)的運移沿著山體平行的方向,兩者之間構成了立交模型。根據(jù)研究區(qū)地殼上地幔速度結構特征和各向異性方向推斷,上地幔物質(zhì)的流動變形在天山造山帶的變形和隆升過程中起著重要作用。

(2)利用在龍門山及鄰區(qū)布設的川西地震臺陣記錄到的遠震P波走時數(shù)據(jù)和本文提出的各向異性層析成像方法,同時反演了該區(qū)地殼上地幔遠震P波各向同性速度結構和P波快波方向。我們的結果表明:

(a)研究區(qū)地殼上地幔P波速度結構具有較為明顯的分區(qū)特征,松潘—甘孜地塊和川滇地塊速度較低,龍門山斷裂帶及四川盆地西部速度較高。四川盆地西部地殼上地幔的高速異常厚度從南側250 km向北逐漸減薄至100 km,推測這個高速異常體可能代表四川盆地的巖石圈。相對于四川盆地,松潘—甘孜地塊的地殼上地幔較為軟弱,但不存在四川盆地向松潘—甘孜地塊的俯沖。松潘—甘孜地塊的抬升可能與地幔上涌有關。四川盆地與松潘—甘孜地塊和川滇地塊間的動力學機制完全不同,川滇地塊和四川盆地僅是垂直接觸關系,而在四川盆地北部靠近龍門山一側,發(fā)現(xiàn)四川盆地前緣自東向西減薄的現(xiàn)象,推測松潘—甘孜的上地幔物質(zhì)侵蝕了四川盆地下方的巖石圈。鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶都為超殼的深大斷裂,鮮水河斷裂帶在深部結構上顯示為較寬的低速特征。

(b)龍門山斷裂帶與四川盆地的地殼均顯示為高速特征,四川盆地與松潘—甘孜地塊之間的構造邊界可能是汶川—茂縣斷裂。以汶川為界,龍門山斷裂帶被從松潘—甘孜地塊侵入的低速物質(zhì)分為兩段,南北兩段均顯示為高速特征。汶川大地震及余震序列均發(fā)生在龍門山北段的高速介質(zhì)區(qū)域內(nèi)。這種深部結構特點對汶川大地震孕育和余震序列發(fā)育過程具有明顯的控制作用。根據(jù)本文給出的松潘—甘孜地殼上地幔速度結構,我們可以進一步推斷,松潘—甘孜地塊的抬升應與地幔物質(zhì)上涌有關,在堅硬的四川盆地的阻擋作用下,青藏高原向東擠壓和地幔上涌的雙重作用造成松潘—甘孜地塊隆升,并造成了龍門山斷裂帶的逆沖推覆。龍門山南北兩段間的地殼強度較低,在長期的緩慢變形過程中,易于在龍門山北段的堅硬的上地殼內(nèi)形成巨大的應力積累,而汶川處于龍門山北段的最南端,應力容易在此集中,并成為汶川大地震破裂的起始點。

(c)P波各向異性研究表明川滇地塊的上地幔流動方向與GPS的觀測結果相吻合,反映了川滇地塊地殼和上地幔的形變一致,屬于殼幔耦合型。松潘—甘孜地塊的上地幔流動方向為北東向,而GPS的觀測結果為近東西向,說明松潘甘孜地塊殼幔的形變不一致,屬于殼幔解耦型。四川盆地北部的P波快波方向與SKS的結果較為一致,而四川盆地南部的P波快波方向平行于主要構造方向,與SKS的結果相互垂直。四川盆地內(nèi)部南北兩部分具有不同的殼幔變形特征,這與速度結構給出的結論相一致。

(d)本文的研究結果并不支持四川盆地向松潘—甘孜地塊的俯沖的動力學模型。與其結果相反,上地幔的物質(zhì)流動在該區(qū)的演化變形過程中起主導作用,在上地幔深度上,松潘—甘孜地塊的上地幔物質(zhì)可能侵入四川盆地下方。

地震各向異性;地震層析成像;彈性張量的調(diào)和展開;地震臺陣;天山造山帶;龍門山斷裂帶;汶川地震

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P315;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.014

(作者電子信箱,郭 飚:Guobiao74@ho tmail.com)