張建獅 王夫運(yùn) 劉寶峰 王帥軍 趙金仁張成科 李怡青 劉巧霞 劉 蘭

(中國地震局地球物理勘探中心，鄭州 450002)

0 引言

2010年4月14日，在青海省玉樹縣發(fā)生了里氏7.1級大地震，震源深度為14km，這是繼2008年5月12日四川省汶川縣發(fā)生里氏8.0級特大地震之后，在中西部地區(qū)發(fā)生的又一次災(zāi)難性地震，兩次地震連續(xù)發(fā)生在青藏高原的東北緣巴顏喀拉地塊的邊界。巴顏喀拉塊體及其周邊是一個地質(zhì)構(gòu)造非常復(fù)雜的區(qū)域(馬杏垣主編，1989;張先康等，1998;李松林等，2001;嘉世旭等，2008)，在其周邊主控邊界斷裂構(gòu)造帶的鮮水河斷裂、甘孜-玉樹斷裂、龍門山推覆構(gòu)造帶、岷江斷裂帶、東昆侖斷裂帶發(fā)生過多次≥7級破壞性地震，表明破壞性地震的不斷發(fā)生與巴顏喀拉地塊的向東滑移密切相關(guān)(Hole，1992)。因此，對玉樹地震區(qū)進(jìn)行全面的研究是一項具有重要科學(xué)意義的工作。前人利用多種方法和技術(shù)對玉樹地震發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行了綜合研究(陳九輝等，2005;許志琴等，2006)，分析了相關(guān)邊界帶不同段落地震構(gòu)造特征、大地震復(fù)發(fā)間隔、現(xiàn)有地震空區(qū)的發(fā)震危險性等，為判斷中國大陸強(qiáng)震發(fā)展趨勢提供了重要依據(jù)。通過合理有效的探測方法獲取孕震深度的地殼結(jié)構(gòu)信息并對其進(jìn)行綜合研究，解析和認(rèn)識震源區(qū)的物理環(huán)境與發(fā)震過程。青藏高原內(nèi)部強(qiáng)烈地震的頻繁發(fā)生必然與該地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)和地球動力學(xué)過程有關(guān)(賴曉玲等，2004;高銳等，2011)。該地區(qū)的強(qiáng)烈地震都位于深大斷裂帶附近，玉樹地震震中位于甘孜-玉樹斷裂帶上(Podvin et al.，1991;Comte et al.，2000;張培震等，2006)。因此，研究該地區(qū)的斷裂位置及地殼結(jié)構(gòu)特征有著極為重要的意義，為更好地了解該地區(qū)地震發(fā)生的背景及其結(jié)構(gòu)特征，物探中心在地震發(fā)生的玉樹地區(qū)迅速開展了人工地震勘探研究。積極響應(yīng)中國地震局多學(xué)科、多方法研究玉樹地震區(qū)的發(fā)震構(gòu)造和介質(zhì)特征的總體部署，中國地震局地球物理勘探中心采用對介質(zhì)速度和結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較有效的高分辨人工地震寬角反射/折射探測技術(shù)來探明巴顏喀拉塊體邊界地震帶地震孕育發(fā)生的深部環(huán)境，用來自地殼不同深度的地震波信息研究該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)特征，為研究該地區(qū)的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)構(gòu)造背景提供了重要的參考信息。

1 剖面位置及地質(zhì)構(gòu)造背景

1.1 剖面位置

寬角反射/折射探測剖面位于青海省境內(nèi)海拔4000m以上的高原山區(qū)，剖面南端進(jìn)入與西藏交界地區(qū)，總體呈 NE方向展布。剖面南起西藏的類烏齊縣北(96°19'2.85″E，31°40'59.81″N;剖面樁號136.0km)，向北經(jīng)囊謙、玉樹(穿過結(jié)古鎮(zhèn)震中區(qū))、稱多、當(dāng)達(dá)、瑪多等地，終止于溫泉西北20km 附近(99°33'45″E，35°32'35″N;剖面樁號 680.0km)，全長540km左右(圖1)。沿剖面實(shí)施了6次藥量為3000～5500kg的爆破激發(fā)，觀測點(diǎn)距1.5～2.8km，投入PDS-1、2型三分量數(shù)字地震儀290臺，構(gòu)成具有多重的追蹤與互換的觀測系統(tǒng)，野外觀測中采取了有效的質(zhì)量控制措施，獲得了反映玉樹震區(qū)、主控斷裂構(gòu)造帶以及不同地質(zhì)構(gòu)造單元的地殼淺深地震記錄信息。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造背景

研究區(qū)位于青藏高原的東北緣，地質(zhì)構(gòu)造背景極其復(fù)雜。該區(qū)是兩大板塊碰撞作用由近SN方向向E和NE向轉(zhuǎn)換的重要場所，物質(zhì)東流的匯聚之處，地殼變形強(qiáng)烈，在其接觸區(qū)域造成一系列規(guī)模宏大、以逆沖、走滑為主的斷裂帶。研究區(qū)斷裂走向多為NWW向，由北向南分布著庫賽湖-瑪曲斷裂、瑪曲-甘德斷裂、昆侖山口-達(dá)日斷裂、五道梁-曲麻萊斷裂、西金烏蘭湖-歇武斷裂、烏蘭拉湖-玉樹-甘孜斷裂帶、烏蘭拉湖-囊謙斷裂帶，其中昆侖山口-達(dá)日斷裂位于青藏高原北部3列弧形左旋走滑斷裂系的第2列，全長1000余km，西起新疆與青海交界的鯨魚湖以西，向東經(jīng)庫賽湖、西大灘、東大灘、秀溝、阿拉克湖、托索湖及瑪沁等地，至甘肅省瑪曲以東。據(jù)最近十幾年中外學(xué)者的多次考察(聞學(xué)澤等，1985)，斷裂帶各段全新世平均左旋走滑速率為7～15mm/a，中部各段走滑速率較高，向兩端逐漸衰減;烏蘭拉湖-玉樹-甘孜斷裂帶位于西金烏蘭湖-玉樹斷裂帶的南端，廣義的鮮水河斷裂向NW延伸的部分，是青藏高原川滇菱形塊體向東擠出的北部邊界，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，其北段由主干斷裂及一系列羽狀斷裂斜截復(fù)合，且以左旋走滑為主(徐錫偉等，2002)。研究區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造背景和多組斷裂的縱橫交錯使得該區(qū)發(fā)生過多次≥7級破壞性地震，特別是近十多年來發(fā)生了1997年瑪尼地震(M7.5)、2001年昆侖山口西地震(M8.1)、2008年汶川地震(M8.0)和2010年的玉樹地震。玉樹7.1級地震是發(fā)生于巴顏喀拉塊體南邊界帶甘孜-玉樹斷裂構(gòu)造上的大地震，是繼瑪尼7.5級、昆侖山口西8.1級地震和汶川8.0級地震以來，發(fā)生在巴顏喀拉地塊邊界活動斷裂帶上的第4次7級以上破壞性地震。

2 研究方法

圖1 剖面位置與地質(zhì)構(gòu)造圖Fig.1 Location of the seismic sounding profile and geological map.

沿測線6次爆破觀測所得波形記錄數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)集成、記錄裝配、2-12Hz濾波，形成了信噪比較高的地震記錄界面。綜合考慮運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)特征，識別出P波主要震相分別為:Pg、P2、P3、P4、Pm 和 Pn波。

(1)Pg波震相。該波是來自基底頂部的折射波(首波)，一般可追蹤至炮點(diǎn)距離為90～120km，部分炮的觀測記錄在距炮點(diǎn)150km以遠(yuǎn)仍可辨認(rèn)。Pg波在各炮記錄截面上的折合時間最小為0.6s，最大1.8s。作為初至波，震相清晰可靠，可連續(xù)對比追蹤，視速度為5.66～5.93km/s，其到時超前或滯后、視速度變化在一定程度上可反映沿剖面基底的起伏和介質(zhì)性質(zhì)變化。

(2)P2波震相。該震相為來自深24.0～29.0km C2界面的反射波，是在基底折射波Pg之后識別對比出的一組較為明顯的反射波，其追蹤區(qū)間一般在70～200km(炮檢距)之間，該波組較為連續(xù)，振幅變化較大，平均速度一般為5.63～5.84km/s。

(3)P3波震相。P3波是來自深度為34.5～41.0km殼內(nèi)反射波，其特征與P2波震相基本類似，在大部分地段顯示出較強(qiáng)的振幅，一般在距炮點(diǎn)70～90km以遠(yuǎn)可以對比識別，最遠(yuǎn)可追蹤對比距炮點(diǎn)210km左右，該波的平均速度一般為5.83～5.92km/s。

(4)P4波震相。P4波是來自深度為50.0～55.5km殼內(nèi)反射波，在記錄截面上出現(xiàn)在續(xù)至區(qū)，但表現(xiàn)出一定的能量，波組連續(xù)性較好，一般在距炮點(diǎn)100km以遠(yuǎn)可以對比識別，該波的平均速度一般為6.11～6.20km/s，但是在400.0～670.0km樁號之間沒有可識別的P4震相出現(xiàn)。

(5)Pm波震相。Pm波是來自莫霍界面的反射波震相，是本剖面記錄界面上的優(yōu)勢波組，振幅能量較強(qiáng)，大部分炮的記錄截面上能連續(xù)追蹤對比，在距炮點(diǎn)150km以遠(yuǎn)的部分炮點(diǎn)該波組以明顯的強(qiáng)振幅出現(xiàn)，可連續(xù)追蹤對比200km左右，其平均速度為6.15～6.45km/s。

(6)Pn波震相。來自上地幔頂部的折射震相Pn主要體現(xiàn)該區(qū)域介質(zhì)速度及速度梯度結(jié)構(gòu)。沿剖面在SP272、SP341、SP498及SP621炮點(diǎn)記錄截面上顯示出較弱的Pn波組，可在距炮點(diǎn)300～450km之間追逐對比，該波的視速度為8.05km/s左右，在其他兩炮記錄震相微弱難以可靠追蹤，表明本研究區(qū)域上地幔頂部為較弱的梯度層。

根據(jù)上述震相的拾取建立的走時數(shù)據(jù)，利用波組的不同屬性分別按照不同的方法進(jìn)行了走時計算，在對反射波、折射波走時資料由“T2-X2方法”、“PLUCH反演方法”以及其他有關(guān)計算方法求取了地殼深部各層的平均速度、平均深度、單點(diǎn)反射深度和視速度等，從而建立了該剖面的一維地殼結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)得到的一維模型，利用seis83正演程序處理包建立二維初始模型，進(jìn)行二維射線追蹤正演擬合及理論地震圖的計算(圖2.1～2.3)，獲得剖面的最終速度結(jié)構(gòu)和構(gòu)造模型(趙金仁等，2005)。

3 結(jié)果

根據(jù)一維、二維正演擬合，利用試錯法反復(fù)修改地殼結(jié)構(gòu)模型，在對本剖面的資料進(jìn)行處理計算的過程中常常需要調(diào)整初始模型所給定界面的深度和速度，以便使理論走時與實(shí)測走時之間達(dá)到可以接受的較小差異，最終獲得二維地殼速度結(jié)構(gòu)模型(圖3)。

該模型垂向上由C2、C3、C4和M界面(分別由P2、P3、P4和Pm反射波組所確定)將地殼劃分為4個層系，可分別歸并為上地殼、中下地殼。

上地殼是指自地表向下至C2界面之間的地殼構(gòu)造層位，它是由基底折射波Pg和殼內(nèi)反射波P2波組信息所反映的上地殼結(jié)構(gòu)，因此，又可將上地殼細(xì)分為2層結(jié)構(gòu)進(jìn)行敘述。

第1層:該層是由基底折射波Pg所確定。該界面的形態(tài)是與其他方法共同確定，沿剖面基底界面起伏明顯，深度基本上在3.8～7.5km之間變化，分別在310.0km、440.0km和520.0km樁號附近基底界面明顯呈現(xiàn)隆起形態(tài)，埋深為3.8～5km。在190.0～250.0km、370.0～400.0km和556.0～580.0km樁號下方基底界面埋深較深，為6～7.5km。

基底界面之上的速度結(jié)構(gòu)基本上是由一個強(qiáng)速度梯度層所組成，由近地表的3.63～5.02km/s變化到基底之上的5.85～5.98km/s，從速度結(jié)構(gòu)圖可以看出基底界面橫向起伏比較明顯。

圖2.1 sp176、sp341記錄截面(a)、理論地震圖(b)、走時擬合(c)與射線追蹤圖(d)Fig.2.1 Record sections(a)，synthetic seismograms(b)，travel time fitting(c)，and ray tracing(d)for shot sp176 and sp341.

圖2.2 sp388、sp498記錄截面(a)、理論地震圖(b)、走時擬合(c)與射線追蹤圖(d)Fig.2.2 Record sections(a)，synthetic seismograms(b)，travel time fitting(c)，and ray tracing(d)for shot sp388 and sp498.

圖2.3 sp272、sp621記錄截面(a)、理論地震圖(b)、走時擬合(c)與射線追蹤圖(d)Fig.2.3 Record sections(a)，synthetic seismograms(b)，travel time fitting(c)，and ray tracing(d)for shot sp272 and sp621.

第2層:由基底頂面向下至C2界面之間的層位，二維地殼結(jié)構(gòu)所給出的C2界面的形態(tài)起伏較為明顯，其深度變化范圍為23～28.5km，在200.0～250.0km樁號和370.0～420.0km樁號C2界面上隆，埋深分別約為23km和24km;在310.0km樁號和520.0km樁號C2界面下凹，其埋深分別為26km和28.5km左右。該層的地震波速度為5.52～5.98km/s，總體上看在剖面中段的360.0～435.0km樁號附近其速度較高為5.9km/s，南北段速度一般在5.6～5.8km/s之間變化，在玉樹附近該層存在明顯的負(fù)梯度層，速度由頂面5.9km/s至底部變化為5.54km/s。C2界面的速度跳躍為5.54～5.83km/s至6.26～6.29km/s，跳躍差為0.44～0.75km/s。

中地殼。它由殼內(nèi)反射波P2和P3所確定。C3界面與C2界面沿剖面起伏變化形態(tài)基本一致，C3界面埋深變化為35～42km。從速度結(jié)構(gòu)上看，該層為一弱的負(fù)速度梯度層，由上部速度為6.29～6.26km/s至底部變化為6.11～6.18km/s。C3界面速度由6.11～6.18km/s跳躍至6.46～6.58km/s，跳躍差為0.28～0.47km/s。該層厚度為13km左右。

下地殼。它由殼內(nèi)反射波P4和莫霍界面反射波Pm所確定。在剖面的南段400.0km樁號以南顯示出雙層結(jié)構(gòu)，在400.0km樁號以北顯示出單層結(jié)構(gòu):在剖面南段(400.0km樁號以南)第1層為C3界面和C4界面之間部分，該層的厚度為14～20km，在130.0～420.0km樁號為負(fù)弱的速度梯度層，在400.0km樁號以北顯示為單層結(jié)構(gòu)，為正速度梯度層。速度由C3界面下側(cè)的6.46～6.56km/s變化為莫霍界面上側(cè)的7.08～7.13km/s。C4界面的速度跳躍差為0.32km/s左右。C4界面起伏形態(tài)基本與C3界面一致;在400.0km樁號以南，第2層是C4界面和莫霍界面之間地層，該層厚度為13～16km，上部為7km左右厚度的正弱速度梯度帶，梯度為0.014km·s-1/km;靠近莫霍界面存在厚度為5km左右的正的較強(qiáng)速度梯度帶，梯度為0.035～0.052km·s-1/km。莫霍界面的形態(tài)與C4界面在130.0～400.0km樁號基本相似，但起伏變化較為明顯。沿剖面400.0km樁號附近下方莫霍界面埋深約為65km，由其向北莫霍界面逐漸變淺至590.0km樁號附近的63km左右，向南莫霍界面急劇下降，至300.0km樁號附近界面埋深達(dá)72km左右，再向南該界面變淺，至220.0km樁號囊謙附近為68km。該層的層速度由C4界面下部的6.60～6.66km/s增大至莫霍界面上側(cè)的7.02～7.08km/s。

圖3顯示的上地幔頂面速度為7.75～7.86km/s，在剖面南段該速度約為7.86km/s，其北段速度為7.76～7.86km/s，該層在90km深的速度為8.03～8.06km/s。

圖3 玉樹地震測深剖面二維速度結(jié)構(gòu)與構(gòu)造圖Fig.3 2-D crustal velocity structure of the Yushu earthquake area revealed by the deep seismic sounding profile.

4 結(jié)論與討論

人工地震寬角反射/折射剖面及其他研究結(jié)果(Michel et al.，1980;李秋生等，2003;陳九輝等，2005;李永華等，2006;賴院根等，2006;滕吉文等，2008)揭示出玉樹震區(qū)及其鄰近地區(qū)的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)及玉樹地震的深部構(gòu)造背景。這些結(jié)果為深入認(rèn)識該區(qū)的發(fā)震構(gòu)造環(huán)境等提供了重要的基礎(chǔ)資料。

(1)研究區(qū)結(jié)晶基底界面起伏較大，在囊謙、玉樹下方較厚達(dá)8km左右，在400.0km樁號往大樁號方向基底結(jié)構(gòu)逐漸減薄為2.5km?；捉缑娴陌枷荨⒙∑鹋c不同的地質(zhì)構(gòu)造單元具有較好的對應(yīng)關(guān)系，基底界面在局部地段所表現(xiàn)出的急劇變化可視為斷裂構(gòu)造存在的一種標(biāo)志，C2、C3和C4界面起伏變化最大的在玉樹附近及其下方，中上地殼介質(zhì)在橫向上存在著強(qiáng)烈的不均勻性，在180.0～420.0km樁號之間C4界面之上存在多處高低速相間的塊體，在420.0km樁號附近以北未發(fā)現(xiàn)C4界面，而且記錄界面圖上P4震相在420.0km樁號以后顯得模糊無法連續(xù)對比識別出來。特別是在玉樹下方的速度不均勻(徐錫偉等，2001)，研究表明，低速與高速塊體的邊界附近，介質(zhì)往往極不穩(wěn)定，為地震易發(fā)的構(gòu)造部位。在290.0km樁號下方及其兩側(cè)上地殼結(jié)晶基底有明顯的起伏，中下地殼界面和速度結(jié)構(gòu)在C4界面之上斷裂的兩側(cè)有明顯的速度變化，這可能是烏蘭拉湖-玉樹-甘孜斷裂存在的深部證據(jù);在460.0km樁號下方及其兩側(cè)上地殼C2界面之上結(jié)晶基底和速度結(jié)構(gòu)都存在著明顯的差異，變化位置剛好與地質(zhì)構(gòu)造圖上的昆侖山口-達(dá)日斷裂位置相吻合。

(2)剖面具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)，各層位顯示出各自的特征，有研究表明，在青藏高原東北緣的中下地殼位置有不同程度的低速塊體存在(陳九輝等，2005;李永華等，2006)，本剖面正演結(jié)果顯示在中地殼速度結(jié)構(gòu)變化不大，但是在樁號360.0～570.0km樁號之間有一低速塊體存在，穿過該低速塊體在420.0km樁號附近一直到莫霍界面之上速度結(jié)構(gòu)變化異常明顯，該位置剛好與昆侖山斷裂相對應(yīng)，速度結(jié)構(gòu)異常的變化是否為該斷裂的向下延伸?下地殼為C3界面與莫霍界面之間的層位，厚度變化由南向北逐漸變薄，速度變化由西南向東北逐漸加大?？傊?，地殼厚度變化幅度較大，特別是莫霍界面表現(xiàn)較為明顯，沿剖面420.0km樁號清水河附近下方莫霍界面埋深約為65km，由其向北莫霍界面逐漸變淺至花石峽附近的63km左右，向南莫霍界面急劇下降，至300.0km樁號玉樹附近界面埋深達(dá)72km左右，再向南該界面變淺，至220.0km樁號囊謙附近為68km。在200.0～400.0km樁號之間莫霍界面起伏變化比較大，在玉樹附近下方莫霍界面有一明顯的下凹結(jié)構(gòu)特征。

(3)玉樹7.1級地震發(fā)生于巴顏喀拉塊體南邊界帶甘孜-玉樹斷裂構(gòu)造上，破壞性地震的不斷發(fā)生與印度洋板塊的向N及NE的長期擠壓造成巴顏喀拉塊體的向東滑移扭轉(zhuǎn)密切相關(guān)(Michel et al.，1980;騰吉文等，2008)。深地震測深結(jié)果顯示(李松林等，2001;張先康等，2003)，在玉樹附近下方速度等值線和殼內(nèi)界面起伏變化大，上地殼中下部速度發(fā)生逆轉(zhuǎn)，這些特征及二維結(jié)構(gòu)解釋結(jié)果表明，甘孜-玉樹斷裂有向下方至M界面延伸的趨勢。玉樹7.1級地震震源深度為14km，剛好位于上地殼高速向低速過渡區(qū)和速度等值線及殼內(nèi)界面明顯起伏變化段的上方，玉樹地震的孕育發(fā)生可能與這種地殼結(jié)構(gòu)構(gòu)造相關(guān)(高銳等，2006;王椿鏞等，2007)。

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