沈旭章

中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

1 引 言

2013年4月20日8∶02分發(fā)生在四川雅安市蘆山縣的Ms7.0級(jí)地震是2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震之后發(fā)生在四川盆地周邊的最大一次地震，該次地震造成了重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失.震后不同研究者迅速利用區(qū)域和全球臺(tái)網(wǎng)資料，確定了該次地震震源機(jī)制解［1－4］.結(jié)果顯示該次地震為高角度逆沖型地震，地表無大規(guī)模出露，震災(zāi)主要集中于斷層上盤的蘆山縣和寶安縣.蘆山和汶川兩次大地震同屬于龍門山斷裂帶，該區(qū)域是青藏高原東緣邊界，是青藏高原到四川盆地的一個(gè)過渡帶，海拔從4000～5000m過渡到了約500m，為世界上坡度最陡的高原邊界.通常認(rèn)為，這種海拔急劇變化的過渡帶區(qū)域本身就說明垂直龍門山方向上水平構(gòu)造應(yīng)力分量很大.可是GPS觀測(cè)顯示龍門山地區(qū)的地殼形變較小，青藏高原東緣及龍門山地區(qū)與四川盆地之間的縮短率僅為2～3mm／a，與青藏高原南緣喜馬拉雅山縮短率20mm／a相比，前者僅為后者1／10［5］.根據(jù)該區(qū)域巨大地貌垂直高差而幾乎沒有逆沖擠壓變形 的觀測(cè) 事實(shí)，Royden等［6］、Clark和Royden［7］認(rèn)為由于四川盆地高強(qiáng)度巖石圈的阻擋，使得下地殼物質(zhì)在龍門山之下堆積，形成巨厚地殼和高海拔的地貌.此外，高原等結(jié)合剪切波分裂結(jié)果的分析［8－9］，揭示了龍門山斷裂帶區(qū)域的地殼主壓應(yīng)力方向及其與斷裂之間的關(guān)聯(lián)，并依據(jù)蘆山地震余震的定位結(jié)果，推斷蘆山地震的破裂與汶川地震的破裂沒有貫通，在蘆山與汶川之間形成了一個(gè)“破裂空段”.以上地表觀測(cè)到的復(fù)雜地形地貌成因及根據(jù)剪切波資料得到的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的分布等，都需要從地球深部結(jié)構(gòu)去探究其成因.

近年來，不同方法的地震波研究均揭示出龍門山斷裂帶以西地區(qū)存在與中下地殼流［10－17］密切相關(guān)的低波速異常.5.12汶川地震后，張忠杰等橫跨龍門山經(jīng)汶川主震震源，布設(shè)了一條長約380km的寬頻帶地震剖面，該剖面所得P波接收函數(shù)成像結(jié)果顯示［18］，以汶川地震所處位置的龍門山斷裂為界，兩邊的地殼厚度、波速比發(fā)生了劇烈變化.在汶川地震震源區(qū)下方地殼存在著明顯的錯(cuò)斷和變形，兩側(cè)波速比也發(fā)生了明顯變化.S波接收函數(shù)顯示，在橫跨龍門山斷裂時(shí)，巖石圈底界面（LAB）也出現(xiàn)了較大起伏，揭示出巖石圈存在明顯變形.

4.20蘆山地震和5.12汶川地震同處一個(gè)斷裂帶，對(duì)兩次巨大地震震源區(qū)下方地殼和巖石圈變形特征的對(duì)比研究，對(duì)于理解龍門山斷裂帶及鄰區(qū)中強(qiáng)地震孕育的深部地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制和地震危險(xiǎn)性的評(píng)估都具有重要的科學(xué)意義.近年來，隨著中國測(cè)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的不斷加密，四川省地震臺(tái)網(wǎng)的所屬臺(tái)站，較好地覆蓋了四川盆地及川西地區(qū)，這些資料為該區(qū)域深部結(jié)構(gòu)的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).近年來已有研究者利用這些資料，對(duì)青藏高原東部、四川盆地及周邊的地殼、上地幔和巖石圈特征進(jìn)行了研究［13－28］.在前人工作基礎(chǔ)上，本文發(fā)展了一種自動(dòng)計(jì)算、挑選P波和S波接收函數(shù)技術(shù)，利用2009年至2011年四川地震臺(tái)網(wǎng)的遠(yuǎn)震資料，同時(shí)計(jì)算遠(yuǎn)震P波和S波接收函數(shù)，且以P波接收函數(shù)的Moho面分布形態(tài)作為檢驗(yàn)S波接收函數(shù)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通過P和S波接收函數(shù)同時(shí)成像的方式，重點(diǎn)利用S波接收函數(shù)成像結(jié)果對(duì)汶川地震和蘆山地震震源區(qū)下方的地殼和巖石圈變形特征進(jìn)行對(duì)比性研究，以期探索龍門山斷裂帶強(qiáng)震區(qū)地殼和巖石圈的變形特征.

2 資料和方法

四川省地震臺(tái)網(wǎng)自2008年完成數(shù)字化改造之后，正常工作的固定寬頻帶地震臺(tái)站一共有60個(gè)，臺(tái)站分布如圖1所示.在本文中，首先收集了2008年1月至2011年4月每個(gè)臺(tái)站MS5.4級(jí)以上、震中距在30°～90°的所有遠(yuǎn)震波形.其中地震目錄參考美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）的全球地震目錄.

遠(yuǎn)震接收函數(shù)方法通過反褶積消除震源的影響進(jìn)而分離出臺(tái)站下方地殼、上地幔間斷面對(duì)應(yīng)的PS波轉(zhuǎn)換震相或者S－P波轉(zhuǎn)換震相及其多次波，前者為P波接收函數(shù)，后者為S波接收函數(shù).P波接收函數(shù)中淺部間斷面的多次波對(duì)深部間斷面的確定有較大影響，特別是LAB所在的深度，是淺部多次波最為集中的一個(gè)深度段，因此在確定LAB時(shí)，P波接收函數(shù)方法具有局限性.和P的接收函數(shù)類似，遠(yuǎn)震S波在臺(tái)站下方遇到間斷面時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波和多次波，但是S波接收函數(shù)的多次波在S震相之后，而其轉(zhuǎn)換波在S震相之前，特別是在巖石層和軟流層這一深度的分辨能力上比P波接收函數(shù)具有天然的優(yōu)越性.因此目前的研究中，P波主要用于Moho和上地幔間斷面（主要是410km和660 km間斷面）的研究，且取得了豐碩的成果.而S接收函數(shù)主要用于Moho和LAB的研究.此外，S波接收函數(shù)上由Moho引起的Smp震相幅度比P波接收函數(shù)上Pms的幅度要大［29］，而且由于S波在臺(tái)站下方入射角的范圍比P波的大（如圖1所示），因此在臺(tái)站密度較稀疏的時(shí)候，S波接收函數(shù)成像的連續(xù)性更好，更能突出如Moho等地球內(nèi)部間斷面的變化趨勢(shì).

在本文P波接收函數(shù)的計(jì)算中，首先選擇震中距30°～90°、震級(jí)大于5.5且Z分量上P波初動(dòng)清晰的波形，并截取P波初動(dòng)前20s和之后150s的資料.根據(jù)理論計(jì)算的后方位角，將觀測(cè)波形的東西和南北兩個(gè)水平分量旋轉(zhuǎn)到徑向（R）和切向（T），將R、T和Z向的波形和Z向波形采用時(shí)間域的Winnar濾波技術(shù)分別進(jìn)行反褶積，分離出R、T和Z向的響應(yīng)，記做R1、T1和Z1.一般情況下，此時(shí)反褶積R1和T1就是常用的接收函數(shù).但由于實(shí)際的遠(yuǎn)震P波在臺(tái)站下方遇到間斷面時(shí)并不是垂直入射的，因此R1向的Ps轉(zhuǎn)換震相的幅度并不是最大的，只有沿著Sv波震動(dòng)方向的Ps轉(zhuǎn)換震相才是最大的.為了盡可能明顯地分離出Ps轉(zhuǎn)換震相，將P波初動(dòng)附近2s內(nèi)R1和Z1向的數(shù)據(jù)記錄做偏振分析，根據(jù)P波能量最大時(shí)的角度，確定P波在地表的入射角（φ）.根據(jù)該角度和后方位角，將原始的ZN－E三分量地震波旋轉(zhuǎn)到L（P）－Q（SV）－T（SH）坐標(biāo)系.參考IASP91模型可以計(jì)算P波理論的入射角φ0，為了避免由于儀器本身帶來的錯(cuò)誤，當(dāng)φ和φ0的差值超過10°時(shí)，認(rèn)為數(shù)據(jù)本身有問題而舍棄.旋轉(zhuǎn)后Q向時(shí)間序列和L向時(shí)間序列做反褶積（L為反褶積的分母），就得到P波觀測(cè)接收函數(shù).之后再利用0.1～1Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波，以消除噪聲干擾，突出穩(wěn)定信號(hào).如圖2a所示，為LTA臺(tái)站利用上述方法所計(jì)算的所有P波接收函數(shù)按照Pds轉(zhuǎn)換震相校正到6.5s／°的慢度［30］的疊加結(jié)果.該區(qū)域60個(gè)臺(tái)站，利用上述方法一共得到了13719條P波觀測(cè)接收函數(shù).圖1中的紫色圓點(diǎn)標(biāo)示了Pms震相（假設(shè)Moho深度為50km）透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置.

對(duì)于S波接收函數(shù)，選擇的震中距為60°～85°、震級(jí)為MS5.6級(jí)以上且S波震相清晰的波形，截取S波前200s和之后30s的資料.采用和計(jì)算P波接收函數(shù)類似步驟，將Z－N－E三分量地震波旋轉(zhuǎn)到L－Q－T坐標(biāo)系.旋轉(zhuǎn)后L向時(shí)間序列和Q向時(shí)間序列做反褶積，就得到S波觀測(cè)接收函數(shù)，之后對(duì)該信號(hào)利用0.1～3Hz的帶通濾波器進(jìn)行濾波.但在確定S波入射角時(shí)，和P波接收函數(shù)計(jì)算有所不同，將S波附近2s內(nèi)的信號(hào)做偏振分析，根據(jù)S波能量最小時(shí)的角度確定S波入射角.圖2b為LTA臺(tái)站利用上述方法所計(jì)算的所有S波接收函數(shù)按照Pds轉(zhuǎn)換震相校正到6.5s／m慢度［30］的疊加結(jié)果.

以上計(jì)算P波和S波接收函數(shù)的過程都可以通過程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，整個(gè)過程中再無人為干涉，保證了結(jié)果的客觀性和可重復(fù)性.LTA臺(tái)P波和S波接收函數(shù)結(jié)果都顯示在7.5s附近，存在一個(gè)明顯的正信號(hào)，該信號(hào)為Moho界面的Ps（Sp）轉(zhuǎn)換波.P和S波接收函數(shù)所確定的Moho界面深度的一致性說明了方法的合理性和結(jié)果的可靠性.利用上述方法一共得到了所有臺(tái)站11903條S波觀測(cè)接收函數(shù).圖1中的黑點(diǎn)標(biāo)示了SMp震相（假設(shè)Moho深度為50km）透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置.結(jié)果顯示SMp震相透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置對(duì)研究區(qū)有更好的覆蓋，而PMs震相透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)的位置則集中在臺(tái)站附近.

3 結(jié) 果

為了直觀顯示汶川5.12和蘆山4.20地震震源區(qū)地殼和LAB的變形特征，參考IASP91模型，分別對(duì)P和S接收函數(shù)進(jìn)行偏移成像.在偏移成像中，對(duì)于某一深度，沿著水平方向，以2km的步長移動(dòng)窗口，每移動(dòng)一次，以窗口中心點(diǎn)為圓心，菲涅尓帶的一半為半徑（如45km的Moho，其菲涅尓帶半徑約為15km），將處于該范圍內(nèi)的所有透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接收函數(shù)幅度進(jìn)行疊加，以此作為成像值.當(dāng)該點(diǎn)所確定的范圍內(nèi)透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)少于5個(gè)時(shí)，認(rèn)為所得的結(jié)果不可靠.該過程一方面盡量保留了該點(diǎn)最明顯的特征，又能根據(jù)周圍結(jié)果將成像圖形進(jìn)行平滑，因此，可以有效得到地殼和上地幔中間斷面的信息.根據(jù)臺(tái)站分布，沿如圖1中所示不同緯度的5個(gè)剖面分別進(jìn)行P和S波接收函數(shù)成像（如圖3—7所示），其中BB′和CC′剖面分別穿過了汶川地震和蘆山地震的主震震中位置.由于S波接收函數(shù)中SMp震相對(duì)應(yīng)的透射轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)整個(gè)研究區(qū)的覆蓋較好，所以S波接收函數(shù)成像結(jié)果也較P波接收函數(shù)成像結(jié)果更為連續(xù).因此主要根據(jù)S波接收函數(shù)成像結(jié)果對(duì)地殼和巖石圈變形特征進(jìn)行分析，而P波接收函數(shù)結(jié)果中Moho的展布趨勢(shì)則主要作為判定S接收函數(shù)結(jié)果可靠性的主要參考.

根據(jù)圖3—7中S接收函數(shù)成像結(jié)果，勾勒出了沿著每個(gè)剖面的Moho面（圖3—7中綠線）和地殼自西向東逐漸減薄，在東經(jīng)102°附近，Moho面出現(xiàn)了較強(qiáng)變形，在東經(jīng)100°以西，LAB不清晰，100°以東，LAB展示出較為復(fù)雜的雙層疊置結(jié)果.

圖7 EE′剖面S波（上）和P波（下）接收函數(shù)偏移成像結(jié)果.說明同圖3Fig.7 The migration image of S（up）and P（down）receiver functions along EE′profile

4 討論和結(jié)論

本文利用固定臺(tái)站P和S波接收函數(shù)，對(duì)發(fā)生過汶川和蘆山強(qiáng)震的龍門山斷裂帶進(jìn)行了地殼和巖石圈結(jié)構(gòu)的成像.重點(diǎn)利用S接收函數(shù)結(jié)果對(duì)研究區(qū)地殼及巖石圈變形特征進(jìn)行了分析.從方法上講，本文在計(jì)算P和S接收函數(shù)過程中，制定了一套定量化的準(zhǔn)則，盡量減小在目前接收函數(shù)計(jì)算特別是S接收函數(shù)計(jì)算中存在的人為挑選帶來的主觀因素，保證結(jié)果的客觀性和可重復(fù)性.由于P波接收函數(shù)結(jié)果較穩(wěn)定且可靠，利用P波接收函數(shù)結(jié)果對(duì)S波接收函數(shù)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，保證了結(jié)果的穩(wěn)定性和可信性.

本文結(jié)果顯示，從青藏高原向四川盆地過渡的龍門山斷裂帶，地殼厚度發(fā)生了較為劇烈的陡變，特別是在汶川和蘆山地震的震源區(qū)及以南區(qū)域（DD′和EE′剖面對(duì)應(yīng)區(qū)域），Moho面呈現(xiàn)出較為明顯的下凹變形，且出現(xiàn)了錯(cuò)斷的痕跡，LAB也呈現(xiàn)出下凹的趨勢(shì).在青藏高原隆升和擴(kuò)張過程中，受到堅(jiān)硬的四川盆地的阻擋，形成了地形、Moho面和LAB強(qiáng)烈變形的一個(gè)過渡區(qū)，這種自地表至巖石圈的強(qiáng)烈變形可能意味著該區(qū)域應(yīng)力和應(yīng)變的高積累量.柳暢等［31］根據(jù)有限元數(shù)值模擬結(jié)果推測(cè)印度板塊對(duì)歐亞板塊的推擠造成青藏高原的物質(zhì)東流，高原中、下地殼物質(zhì)在龍門山斷裂帶處遭到相對(duì)堅(jiān)硬的四川盆地的阻擋之后，部分中、下地殼物質(zhì)在龍門山斷裂帶下堆積產(chǎn)生應(yīng)力集中；Moho面在龍門山斷裂帶發(fā)生西北深、東南淺的突變.Wang等［10］、Pan和Niu［19］、Zhang等［18，20］利用固定臺(tái)站或者流動(dòng)臺(tái)陣遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)，對(duì)青藏高原東部及四川盆地的地殼厚度和波速比進(jìn)行了研究，結(jié)果表明龍門山以西的青藏高原呈現(xiàn)高波速比、而四川盆地呈現(xiàn)較低的波速比.據(jù)此推斷，四川盆地為堅(jiān)硬的冷地殼，而青藏高原為介質(zhì)性質(zhì)較弱的熱地殼.

根據(jù)以上分析，本文得到如下主要結(jié)論

（1）青藏高原東緣向四川盆地的過渡區(qū)，地殼存在明顯變形，主要特征表現(xiàn)為龍門山斷裂帶下方地殼的錯(cuò)斷和褶皺變形；

（2）除了中、下地殼物質(zhì)在龍門山斷裂帶下堆積外，巖石圈中的物質(zhì)由于四川盆地的阻擋，可能也出現(xiàn)了和地殼相關(guān)的堆積和變形；

（3）以上地殼及巖石圈變形所代表的高應(yīng)力的積累可能是汶川和蘆山地震重要的深部地球動(dòng)力學(xué)背景；

（4）本文結(jié)果中5個(gè)剖面的西段，LAB都不清晰.根據(jù)前人及本文結(jié)果推測(cè)受到四川盆地阻擋，青藏高原東部上地幔中的熱物質(zhì)上涌，導(dǎo)致LAB的模糊.致 謝 在接收函數(shù)計(jì)算和成像方面，德國地學(xué)研究中心（GFZ）的袁曉暉博士、Marcelo Bianchi博士和Prakash Kumar博士給予了無私幫助；兩位審稿人給出了中肯的意見；本文所用數(shù)據(jù)由甘肅地震臺(tái)網(wǎng)中心和中國地震局地球物理研究所數(shù)據(jù)備份中心［32］提供，所有圖件均有GMT軟件包［33］在此表示感謝！

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