黎 源,雷建設
中國地震局地殼應力研究所(地殼動力學重點實驗室),北京 100085
本文的研究區(qū)域為(20°N—40°N,91°E—109°E),處于青藏高原東緣(圖1).該區(qū)域構造較為復雜,不僅分布有穩(wěn)定的阿拉善塊體、柴達木盆地和四川盆地,而且還存在大量活動斷裂如昆侖山斷裂帶、龍門山斷裂、鮮水河斷裂和紅河斷裂帶.在這些斷裂帶上,分布有大量歷史強震如2008年汶川8.0級地震、2010年玉樹7.2級地震,尤其是在研究區(qū)西南地區(qū)還存在騰沖火山及以西存在緬甸弧俯沖帶(圖1).這些特殊的地質構造現象,一直吸引著無數地質學與地球物理學家開展多學科綜合研究,且取得了富有成效的研究成果,如人工地震測深[1-3]、三維地震層析成像[4-6]、上地幔各向異性[7-10]、地殼上地幔速度間斷面[11-13]以及利用GPS觀測資料研究區(qū)域形變特征[14-16].
近年來,很多研究者利用Pn波對整個中國大陸上地幔頂部做過大量研究工作[17-19],其中也包含了本研究的青藏高原東緣.針對青藏高原東緣,最近利用Pn波資料也開展了大量上地幔頂部的波速橫向不均勻性和各向異性研究[20-25],取得了一些有意義的研究結果.這些結果盡管存在很多類似之處,但是無論是研究范圍、所用資料還是研究結果均存在著一定差異.就所用資料而言,黃金莉等[21]主要使用1997年之前中國地震年報和云南、四川地震觀測報告;崔仲雄和裴順平[23]除了使用與黃金莉等[21]相類似資料外,還增加了INDEPTH和ISC(國際地震中心)1964-2006年間觀測報告;胥頤等[24]主要利用2000—2008年間四川省地震臺網觀測報告資料.然而,目前很少有研究者使用2008年以來中國區(qū)域數字化地震臺網觀測報告中的Pn波資料開展類似工作,可是該時間段內中國地震區(qū)域臺網迅猛發(fā)展,在青藏高原東緣積累了大量高質量觀測資料,而且2010—2011年期間在國家自然科學基金資助下,中國地震局地殼應力研究所在云南紅河斷裂兩側和騰沖火山區(qū)加密了21個流動地震觀測[26],彌補了云南省固定地震臺站的稀疏性.因此,2008年以來區(qū)域臺網觀測報告中的高質量到時資料,結合我所流動地震臺站觀測資料,為我們獲取青藏高原東緣Pn波上地幔頂部高質量成像結果提供了可能性.
圖1 研究區(qū)的區(qū)域地質構造及歷史強震震中分布圓圈代表研究區(qū)域內自1962年以來發(fā)生的6.0級以上地震的震中位置,其大小代表震級大小,白色圓圈代表地震震源深度淺于50km,灰色圓圈代表震源深度深于50km;紅色五角星分別代表2008年汶川8.0級地震(WC Eq.)和2010年玉樹7.1級地震(YS Eq.);ALSB,阿拉善塊體;QTB,羌塘塊體;CDDB,川滇菱形塊體;EHS,青藏高原東構造結;QDB,柴達木盆地;SCB,四川盆地;KQFZ,昆侖山—祁連山褶皺帶;QLFZ,秦嶺褶皺帶;SGB,松潘—甘孜塊體;XSR,鮮水河斷裂帶;LRB,龍日壩斷裂帶;LMS,龍門山斷裂帶;AZR,安寧河—則木河斷裂帶;XJF,小江斷裂帶;RRF,紅河斷裂帶.Fig.1 Distribution of regional tectonic settings and hypocenters of historic earthquakes in the study region Circles denote hypocenters of earthquakes(M>6.0)since 1962.White and gray circles denote focal depths of earthquakes above and below 50km,respectively.Red stars denote the 2008Wenchuan(M8.0)and 2010Yushu(M7.1)earthquakes.ALSB,the Alashan block;QTB,the Qiangtang block;CDDB,Chuan-Dian diamond block;EHS,the eastern Himalayan Syntaxis;QDB,the Qaidam basin;SCB,the Sichuan basin;KQFZ,the Kunlun-Qilian fold zone;QLFZ,the Qinling fold zone;SGB,the Songpan-Garzêblock;XSR,the Xianshui-River fault;LRB,the Longriba fault;LMS,the Longmenshan fault;AZR,the Anninghe-Zemuhe-River fault;XJF,the Xiaojiang fault;RRF,the Red-River fault.
本研究所用資料的Pn波到時資料主要有以下幾個來源:(1)中國地震局地殼應力研究所2010年4月至2011年7月在云南省布設的21個流動地震臺站記錄到的波形資料[26],由這些波形資料我們提取了研究區(qū)內Pn波2.0級以上968個地震記錄到的4721條Pn波到時資料;(2)為了提高緬甸弧和騰沖火山地區(qū)的射線覆蓋及方位角分布質量,本研究還挑選了2007—2011年間發(fā)生在緬甸境內3.6級以上549個地震事件,分別在由中國地震局地球物理研究所數據備份中心提供的云南、四川、貴州、廣西、重慶等191個固定臺站組成的區(qū)域臺網記錄到的波形資料[27]中提取到8087條Pn波到時資料;(3)云南、四川地區(qū)1985-2005年間地震臺網觀測報告以及云南、貴州、廣西、四川、重慶、西藏、青海、甘肅、寧夏、陜西等省市2008—2011年間中國地震臺網觀測報告中的6152個地震事件被256個固定臺站記錄到的40294個Pn波到時資料.
圖2 資料走時曲線及殘差分布情況(a)相對8.0km/s的平均視速度得到的初始走時殘差分布;(b)經挑選后的資料繪制的走時曲線;(c)反演前相對于初始模型的走時殘差分布;(d)反演后走時殘差分布.Fig.2 Distribution of observed travel time curves and residuals(a)Initial travel time residuals relative to average apparent velocity of 8.0km/s;(b)Travel time curves of chosen data versus epicentral distance in km;(c)Travel time residuals based on the initial model before the inversion;(d)The same as(c)but for those after the inversion.
本研究主要用以下標準來挑選Pn波到時資料:(1)震中距在1.8°~15°之間;(2)震源深度小于40.0km;(3)每個地震事件至少被5個臺站所記錄,每個臺站至少記錄到了5次地震事件;(4)走時殘差在±4.0s以內.該殘差主要是根據以下模型獲得:地殼平均速度為6.3km/s,經過對時距曲線的線性擬合得到平均地殼厚度為44.6km,上地幔平均速度為8.0km/s(圖2).經過挑選后,我們獲得了6701次地震事件被325個地震臺站記錄到的53102條Pn波到時資料(圖3a).由圖3a可以看出,在32°N以南,臺站主要分布97°E以東地區(qū),特別是我所流動地震臺站彌補了云南南部地震臺站的稀疏性;而在32°N以北,密集臺站主要集中在100°E以東地區(qū).地震主要以條帶狀分布,在龍門山斷裂帶附近最多.另外,本研究還增加了云南以外印—緬俯沖帶中的地殼地震.從整個研究區(qū)來看,射線覆蓋也不均勻,沿龍門山斷裂帶及往南的安寧河—則木河斷裂附近至瀾滄江斷裂有較多射線覆蓋,而96°E以西相對稀疏些(圖3b).
本文使用Hearn在1996年對美國西部Pn波速度成像的方法[28].經大量檢測板分辨率實驗,認為將青藏高原東緣上地幔頂部劃分為1°×1°網格是較為理想的模型參數化,每個網格內速度均勻.第i個臺站所記錄到第j個事件的Pn波走時殘差(觀測走時與理論走時之差)tij=ai+bj+∑dijk(sk+Akcos2φ+Bksin2φ),式中ai是第i個臺站的靜延遲,bj是第j次地震的靜延遲,dijk是第j次地震事件到第i個臺站時穿過網格k的射線長度,sk是第k個網格的慢度擾動,Ak和Bk是第k個網格內的速度各向異性系數,φ是地震事件相對于臺站的反方位角.波速各向異性大小為快波方向為1/2arctan(Bk/Ak)+90°.在求解過程中,為了降低到時資料隨機誤差和射線分布不均勻帶來的反演結果的不穩(wěn)定性,本研究使用帶阻尼的最小二乘迭代算法求解走時 方 程 中ai、bj、sk、Ak和Bk五 個未知量.有關該方法的細節(jié),請參閱文獻[28].為了選擇合理的阻尼因子,我們將不同阻尼因子獲得的模型速度/各向異性擾動方差與走時殘差均方根繪制成L形曲線,當L形曲線的曲率值最大時,便是所選取的阻尼因子[29-30].經過一系列試驗,我們最終選取速度不均勻性阻尼因子為100,而各向異性阻尼因子為75.反演后走時殘差的標準差由反演前的2.21s降低到了1.02s.圖2c和d為反演前后走時殘差的分布對比,可以看到反演后資料的殘差出現了明顯的收斂.
圖3 本研究所用地震臺站(三角)、地震震中(白色圓圈)和Pn波射線路徑(蘭線)(a)及射線覆蓋密度(b)分布圖紅色三角代表中國地震局地殼應力研究所2010—2011年在云南紅河斷裂及騰沖火山地區(qū)布設的流動地震臺站,黑色三角為固定地震臺站;(b)中顏色越深代表該地區(qū)射線覆蓋密度越高,其他符號與圖1相同.Fig.3 (a)Seismic stations(triangles),epicentral distance(white circles)and Pn ray paths(blue lines)Red triangles denote portable seismic stations deployed around the Red-River fault and Tengchong volcanic areas by our institute in 2010—2011,while black triangles denote permanent seismic stations;(b)Density of ray path coverage.The blacker,the denser.Other symbols are the same as those as shown in Fig.1.
圖4 Pn波速度橫向變化及各向異性結果Pn波平均速度為8.0km/s,紅色表示低速,藍色代表高速.黑色細線代表Pn波各向異性結果,其中長度代表各向異性強弱,走向代表各向異性快波方向;粗線代表SKS分裂結果,其長度為快慢波時間延遲大小,而走向代表快波方向,其中紅色線條代表 Wang等(2008)[8]結果;黃色線條代表 Li等(2011)[10]結果.灰色箭頭代表GPS測量的地表速度場(Gan等,2007)[16].其他符號意義與圖1中相同.Fig.4 Lateral heterogeneities and anisotropic results of Pn-wave The average Pn velocity is 8.0km/s.Red and blue colors denote low-velocity and high-velocity anomalies.Thinner black lines denote Pn anisotropic results,the length and striking of which denote the anisotropic strength and fast direction of Pn propagation.Thicker lines denote SKS splitting results,the length and striking of which denote the delays magnitude and fast direction.Red and yellow lines denote the results from Wang et al.(2008)[8]and Li et al.(2011)[10],respectively.Gray arrows denote the observed GPS velocity field(Gan et al.,2007)[16].Other symbols are the same as those in Fig.1.
圖4 顯示了本研究反演得到的青藏高原東緣上地幔頂部Pn波速度結構.由圖4可以看出,研究區(qū)上地幔頂部存在明顯橫向不均勻性,與地表地質構造單元存在相關性.古老穩(wěn)定的柴達木盆地、阿拉善塊體和四川盆地均表現為明顯高波異常,在拉薩地塊存在近NS向高波速異常,其上地幔頂部速度值均在8.2km/s以上.昆侖山—祁連山褶皺系至西秦嶺造山帶、川滇菱形塊體北部和四川盆地以南的上地幔頂部均出現相對弱的高波速異常.在龍日壩斷裂帶至龍門山斷裂帶之間的松潘—甘孜地塊下方,經安寧河—則木河斷裂帶至小江斷裂帶以西的川滇菱形塊體南部,為一條近南北向明顯低波速異常條帶,其速度值可低達7.7km/s左右.在東構造結的三江地區(qū)和緬甸弧俯沖帶等呈現為明顯低波速異常,在四川盆地東南地區(qū)也出現200~300km大范圍低速異常.圖4中圓圈代表自1962年以來研究區(qū)內6.0級以上地震的震中分布,其中白色圓圈代表地殼地震(震源深度在40km深度以上),而灰色圓圈則代表地幔地震(震源深度在50km以下的俯沖帶內).可以看出,地殼地震有些發(fā)生在高波速異常邊緣,如昆侖山—祁連山褶皺系和柴達木盆地邊緣,而有些地震發(fā)生在高低波速異常過渡帶,如川滇菱形塊體邊緣,這些結果表明殼源地震的發(fā)生可能與上地幔頂部介質結構的橫向不均勻性密切相關,能量容易在塊體邊緣而非塊體內部積累形成地震.另外,地幔中地震(灰色圓圈)的發(fā)生,與印度板塊俯沖密切相關[31],而震源區(qū)上方低波速異常可能反映了俯沖板塊脫水造成熱物質上涌[5].
上地幔介質各向異性,目前普遍認為是由地幔物質形變導致橄欖巖中晶格的優(yōu)勢取向所引起,反映了最近一次構造運動產生的變形痕跡.造成地幔物質形變可能有多種成因,但最為直接的原因是板塊運動[7].因此,獲取可靠的上地幔各向異性結果對于了解研究區(qū)板塊運動過程具有重要意義.獲取上地幔各向異性有多種資料和方法,如SKS分裂方法[8,32]、面波成像方法[33]和 Pn波成像技術,在本研究中我們使用Pn波技術獲得了上地幔頂部各向異性結果(圖4).結果顯示,Pn波各向異性強弱分布與不均勻性存在明顯相關性.在高波速異常區(qū)(如四川盆地、阿拉善地塊和柴達木盆地),各向異性強度相對弱些,表明這些地區(qū)不易發(fā)生變形;而在低波速異常區(qū)或高速異常邊緣地區(qū),如松潘—甘孜地塊往南經安寧河—則木河斷裂帶至川滇菱形塊體南部、四川盆地東南和印-緬俯沖帶地區(qū),各向異性相對較強,表明這些地區(qū)變形強度大.
本研究結果還揭示出各向異性快波方向與構造存在著相關性.在柴達木經昆侖—祁連山褶皺帶至西秦嶺造山帶,Pn波各向異性快波方向基本由NWW至NEE再到NW向變化;在羌唐塊體內部,94°E以西各向異性快波方向基本為NEE向,往東至98°E范圍內快波方向轉變?yōu)镹NW向,至100°E盡管川滇菱形塊體北部為近EW向,但其東西兩側快波方向近NNW向;在塊體南部則呈現為近NS向,直至24°N位置.在龍門山斷裂東西兩側,各向異性快波方向發(fā)生了明顯變化,由以西松潘—甘孜地塊下方的NE向快速度轉變?yōu)槠湟詵|四川盆地下方的近EW向.在四川盆地南、北及東側,均存在著與該盆地邊緣相切的快波方向.在印-緬俯沖帶地區(qū),Pn波快波方向為與逆沖斷層走向相平行,這種現象也出現在歐州大陸地區(qū)[34].在拉薩地塊內部,Pn波快波方向也存在著由西向東順時針變化趨勢.這些結果不僅得到大尺度Pn波各向異性成像結果[18-19]的支持,而且還與區(qū)域尺度各向異性結果[21,23,25]相近.各向異性快波方向在青藏高 原東構造結的這些變化,可能與印度板塊北向俯沖密切相關.
為證實我們獲得結果的可靠性,本研究通過改變模型網格大小和速度異常幅度開展了大量檢測板分辨率實驗.由于篇幅的原因,本文僅展示網格大小為1°×1°、速度不均勻性異常幅度為±0.4km/s、各向異性異常幅度為±0.4km/s的實驗結果.在這些實驗中,我們采用完全相同的地震、臺站分布和射線數完全相同的資料集,通過增加均值為零、標準差為0.15s的隨機誤差,使用與實際資料相同的反演方法,我們獲得了輸出模型.通過與輸入模型對比,我們可以直觀地判斷哪里分辨率好,哪里分辨率弱.由圖5我們發(fā)現,無論是不均勻性分辨率實驗(圖5a),還是各向異性分辨率實驗(圖5b),除射線數分布較少的西北角與94°E以西地區(qū)外,其他地區(qū)均達到了1°×1°的空間分辨率.
利用觀測資料開展橫向不均勻性和各向異性研究過程中,我們還獲得了臺站延遲和地震延遲的空間分布.經計算,臺站延時在±2.5s內、事件延遲在3.0~ -5.0s內變化.由于臺站延遲主要反映了臺站下方的地殼速度和厚度的變化,對于本研究采用的6.3km/s地殼P波平均速度來說,1.0s的臺站延遲相當于地殼厚度變化10.2km;對于50km的地殼厚度,1.0s的臺站延遲相當于0.5km/s的地殼速度變化.由于青藏高原東緣地區(qū)地殼平均速度介于6.1~6.6km/s之間[2,35],相對于6.3km/s的變化量在0.3km/s以內,因此超過0.6s的臺站延遲主要反映了臺站下方地殼厚度的變化.圖6a為臺站延時空間分布示意圖,除個別臺站的延遲存在異常外,整個研究區(qū)臺站延遲分布基本與莫霍面深度分布相一致,基本反映出青藏高原東緣由東向西、由南向北逐漸增厚的地殼變化趨勢.圖6b為地震事件延遲空間分布示意圖,可以看出盡管事件延遲同樣能反映地殼北厚南薄的趨勢,但變化的規(guī)律性相對弱些,主要由于地震震源深度存在不確性的原因.
阿拉善塊體、柴達木盆地和四川盆地下方Pn波呈現為明顯高波速異常(圖4),這一結果不僅與前人使用Pn波資料得到的研究結果[21,23-25]相一致,而且得到三維成像結果[4,6]在同深度上結果的支持,說明這些塊體和盆地上地幔較穩(wěn)定.另外,本研究結果揭示出的高波速異常更為明顯,且與各盆地和塊體地表形態(tài)更吻合(圖4),可能由于我們使用了更多高質量到時資料的原因.青藏高原拉薩地塊中存在近NS向明顯高波速異常條帶(圖4),不僅得到整個中國大陸Pn波成像結果[17-19]的支持,而且還與區(qū)域Pn成像結果[21-22]相一致,可能暗示了低角度北向俯沖的印度巖石圈地幔.龍日壩斷裂帶以東的松潘-甘孜地塊、經安寧河—則木河斷裂帶至川滇菱形塊體南部,成像為明顯的近NS向低波速異常條帶(圖4),與前人研究結果[21,23,25]盡管存在著明顯細節(jié)差別,但在總體模式上還較為相似,說明這一條帶下方存在著上地幔熱物質上涌,這也得到前人三維體波成像結果[4,6]的支持.
在柴達木盆地至昆侖—祁連山褶皺帶附近的6.0級以上地震(包括2010年青海玉樹7.1級)多發(fā)生在高波速異常邊緣,而沿著松潘—甘孜地塊往南至川滇菱形塊體南部6.0級以上強震(如2008年汶川8.0級地震)多發(fā)生在高低波速異常過渡帶(圖4),可能表明能量容易在塊體邊界積累形成地震,這種邊界可能延伸至上地幔頂部[36].緬甸弧俯沖帶地區(qū)的地震屬于俯沖板塊內的地震,這些地震似乎位于低波速異常內部(圖4),但實事上這兩者存在深度上差異:本研究的低波速處于50km深度左右,而地震處于50~100km深度范圍內.因此,該區(qū)地震的發(fā)生可能是由印度板塊活動(俯沖)作用形成[31],而上地幔頂部存在明顯低波速異常則與板塊俯沖脫水密切相關[5].
由昆侖山—祁連山褶皺帶至西秦嶺造山帶,Pn波上地幔頂部各向異性快波方向主要為NWW、NEE和 NNW 向,與前人研究結果[18,19,37]相近,且與地表變形GPS觀測結果[14-16]和SKS分裂獲得的上地??觳ǚ较騕10]相吻合(圖4),不僅說明地表至巖石圈物質變形存在耦合作用,而且體現了青藏高原物質東向逃逸所引起的巖石圈物質流動遇到了堅硬的鄂爾多斯地塊和四川盆地的阻擋作用[38].龍門山斷裂帶東西兩側Pn波上地幔頂部各向異性快波方向存在較大差別,在其西側的松潘-甘孜地塊下方為NE向,而在其東側四川盆地下方為近EW向(圖4),盡管與胥頤等[24]認為在斷裂帶兩側無明顯變化的結果存在差異,但得到了黃金莉等[21]、Pei等[19]、崔忠雄和裴順平[23]和李飛等[25]研究結果的強烈支持,表明青藏高原物質向東南方向流動過程中遇到四川盆地阻擋后,在阻擋的前沿地區(qū)松潘—甘孜區(qū)域產生了物質分岔流動,一支向SW向流動,另一支向NE向流動[38].然而,地表觀測到的GPS形變[14-16]和SKS分裂獲得的上地幔巖石圈各向異性快波方向[8,9]在橫跨龍門山東西兩側時不存在變化,與我們觀測到的上地幔頂部各向異性快波方向模式存在很大差異,可能表明物質分岔流動僅存在上地幔頂部一定深度范圍,而不是整個巖石圈,也沒延伸至上地殼,說明該區(qū)域內的上地殼與巖石圈在上地幔頂部存在一定程度的解耦作用.在四川盆地以南、安寧河—則木河斷裂帶以東,本研究結果Pn波快波方向(圖4)與SKS分裂獲得的快波方向[8-9]和地表GPS觀測[14-16]相一致,可能暗示出在這些地區(qū)地殼與巖石圈地幔存在耦合作用.川滇菱形塊體北部上地幔頂部存在近EW向各向異性,而在其兩側及南部塊體均呈現為近NS向(圖4),可能表明青藏高原物質沿川滇菱形塊北部兩側向南流動[38].這種快波方向與地表GPS觀測[14-16]一致性一直延伸至24°N或更南,但與SKS分裂[8-9]一致性僅延伸至26°N(圖4),說明26°N以北地殼與地幔巖石圈均存在耦合現象,但在26°N以南地殼與巖石圈地??赡馨l(fā)生解耦現象,且發(fā)生在上地幔頂部以下深度范圍內.
本文利用中國地震局地殼應力研究所2010—2011年期間在云南地區(qū)的流動地震觀測和近年來高密度數字化區(qū)域地震臺站記錄的高質量Pn波到時資料,獲得了一個新的青藏高原東緣上地幔頂部Pn波速度及各向異性結構.Pn波速度在7.7~8.2km/s范圍內變化,其橫向變化與地表地質構造存在明顯的相關性.四川盆地、柴達木盆地、阿拉善塊體等構造活動較弱的古老盆地、穩(wěn)定地臺呈現為顯著的高速異常;青藏高原東部明顯NS向高波速異性,可能代表了低角度俯沖的印度巖石圈地幔.在構造活動較強的地區(qū),Pn波速度較低,如三江褶皺系和緬甸弧俯沖帶地區(qū).緬甸弧俯沖帶地區(qū)的低速異常,可能由于印度板塊俯沖脫水致軟流圈熱物質上涌形成.我們的速度成像結果還揭示出殼源強震與速度高低異常分布具有一定的關聯(lián)性,地震多發(fā)生在Pn波速高的異常邊緣或者高低波速異常過渡帶,不僅說明能量容易在構造單元邊界而非構造單元的內部積累,而且說明地殼強震可能與地幔中物質不均勻性分布存在某種關聯(lián).
青藏高原東緣Pn波速度各向異性強弱分布與速度異常分布相關聯(lián).整體上,低速異常區(qū)或者高低速異常過渡帶,其速度各向異性較為強烈,而在穩(wěn)定地塊和盆地下方各向異性相對弱些.Pn波快波方向在龍門山斷裂兩側發(fā)生明顯變化,由其西側松潘—甘孜地塊下方的NE向轉變?yōu)闁|側四川盆地下方的近EW向,說明青藏高原物質流動遇到四川盆地后分別向NE和SW向流動.在緬甸弧地區(qū),各向異性的快波方向與印度板塊俯沖方向相垂直,呈近NS向,揭示出印度板塊深俯沖所導致的跨弧壓縮和沿弧方向的延展作用.青藏高原東構造結Pn波各向異性快波方向基本呈順時針旋轉趨勢,可能與印度板塊北向俯沖作用密切相關.
致 謝 Thomas M.Hearn提供了Pn成像程序,中國地震局地球物理研究所“國家數字測震臺網數據備份中心”為本研究提供地震波形數據,張廣偉參加了野外流動地震觀測工作,孫長青博士在各向異性結果討論中提出了寶貴意見,中國地震局地球物理勘探中心和云南省地震局對野外流動地震觀測給予了大力支持和幫助,在此一并表示衷心謝意.
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