張?zhí)炖^,金明培,劉自鳳,程宇豪
(云南省地震局,云南 昆明 650224)
云南位于青藏高原東南緣,地處南北地震帶南端(闞榮舉,林中洋,1986),是歐亞板塊和印度板塊之間碰撞擠壓后的陸內(nèi)調(diào)節(jié)構(gòu)造區(qū);由不同地質(zhì)歷史時(shí)期的次級(jí)板塊拼接而成,在特提斯構(gòu)造發(fā)育時(shí)期起著重要的作用,因而是研究地球動(dòng)力學(xué),特別是強(qiáng)震孕育、發(fā)生和發(fā)展的天然理想場(chǎng)所。中強(qiáng)以上地震易發(fā)多發(fā)的滇西北地區(qū)則位于川滇菱形塊體的西部邊緣構(gòu)造區(qū),是印支塊體、揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和松潘—甘孜褶皺帶的交匯部位(姜朝松等,2000)。滇西北地區(qū)展布有NW走向的維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂,NE走向的龍?bào)础獑毯髷嗔选⒍础Q慶斷裂以及SN走向的程?!e川斷裂等,斷裂縱橫交錯(cuò),地震活動(dòng)頻繁。2013年3月3日洱源MS5.5地震后,滇西北地區(qū)相繼發(fā)生了2013年4月17日洱源MS5.0、2016年5月18日云龍MS5.0和2017年3月27日漾濞MS5.1等地震。因此,2017年下半年起,馬瑾院士團(tuán)隊(duì)將滇西北地區(qū)選為斷層亞失穩(wěn)野外實(shí)驗(yàn)研究區(qū),并將紅河斷裂北段和維西—喬后—巍山斷裂作為地震亞失穩(wěn)應(yīng)力狀態(tài)研究的主斷層,在該地區(qū)原有臺(tái)站的基礎(chǔ)上密集布設(shè)了30個(gè)短周期地震臺(tái)站,試圖尋找應(yīng)力加速釋放和斷層加速協(xié)同化的地震活動(dòng)性證據(jù),以期將實(shí)驗(yàn)室中能夠成功預(yù)測(cè)的斷層失穩(wěn)部位和失穩(wěn)時(shí)刻(馬瑾,2016;宋春燕,2017)在野外實(shí)驗(yàn)推廣。因此,對(duì)該野外觀測(cè)區(qū)動(dòng)力、結(jié)構(gòu)和介質(zhì)環(huán)境的精細(xì)觀測(cè)研究顯得尤為重要和迫切,而遠(yuǎn)震接收函數(shù)方法提供了一個(gè)很好的解決途徑。
Langston(1979)提出了震源等效假定,開始從長(zhǎng)周期遠(yuǎn)震體波中提取接收函數(shù),Owens等(1984)將這一技術(shù)擴(kuò)展到了寬頻帶地震記錄中。之后,接收函數(shù)技術(shù)經(jīng)歷了波形擬合反演(Ammonetal,1990)、時(shí)域迭代反褶積分離P和S波(Ammon,1991;Ligorria,Ammon,1999)、偏移疊加成像方法(Yuanetal,1997)、時(shí)間—深度轉(zhuǎn)換(Dueker,Sheehan,1997)以及H-k掃描疊加方法(Zhu,Kanamori,2000)等的發(fā)展,并已成為探究地下結(jié)構(gòu)情況的一種天然地震學(xué)方法,被廣泛地實(shí)踐于地殼、上地幔速度間斷面的探索中。利用遠(yuǎn)震接收函數(shù),胡家富等(2003)、鄧嘉美等(2014)、Wang等(2017)、陳佳等(2018)以及Zhang和Gao(2019)先后計(jì)算了云南地區(qū)的地殼厚度和泊松比,李永華等(2009)、胥頤等(2013)分別獲取了云南地區(qū)的S波速度和P波速度空間分布特征。但他們所使用數(shù)據(jù)的臺(tái)間距依然較大,對(duì)細(xì)節(jié)反映的清晰度尚存差距,且專門針對(duì)滇西北地區(qū),尤其是維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂北段的地殼厚度和泊松比的研究精細(xì)度不夠,所以本文利用亞失穩(wěn)項(xiàng)目加密觀測(cè)后的43個(gè)臺(tái)站所記錄的遠(yuǎn)震三分量波形,計(jì)算各臺(tái)站下方的體波接收函數(shù),獲取滇西北地區(qū)的地殼厚度和介質(zhì)泊松比,再次研究滇西北地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)特征及其構(gòu)造指示意義。
圖1 研究區(qū)主要斷裂和地震臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of main faults and seismic stations in the study area
如圖1所示,本文選取的研究區(qū)域?yàn)榈嵛鞅钡貐^(qū)(25°~27°N、99°~101°E),該區(qū)共分布有44個(gè)臺(tái)站,由云南區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)(9個(gè)子臺(tái))、下關(guān)小孔徑測(cè)震臺(tái)網(wǎng)(5個(gè)子臺(tái))和亞失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)區(qū)臺(tái)陣(30個(gè)子臺(tái))組成。本文截取了2018年4月5日—12月30日,M≥5.5、震中距在30°~90°的80個(gè)具有清晰P波初動(dòng)和高信噪比的遠(yuǎn)震波形事件。震中分布如圖2所示,由于資料收集的時(shí)限不到1年,研究區(qū)北部和西南方向地震記錄偏少。
圖2 遠(yuǎn)震分布情況Fig.2 Distribution of teleseismic events
接收函數(shù)波形中包含了臺(tái)站下方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息,是對(duì)接收器附近地球結(jié)構(gòu)的一種相對(duì)響應(yīng),描述了地震波在臺(tái)站下方的介質(zhì)中傳播時(shí),直達(dá)P波、界面Ps轉(zhuǎn)換波以及多次反射波之間的分布關(guān)系(圖3)。首先對(duì)遠(yuǎn)震三分量的原始波形做去 傾斜、去均值和去儀器響應(yīng)處理,再將EW、NS分量旋轉(zhuǎn)到大圓弧方向,獲得地震波徑向、切向分量,在時(shí)間域用徑向分量對(duì)垂直分量作迭代反褶積,得到P波接收函數(shù)。接收函數(shù)消除了傳播路徑、震源時(shí)間函數(shù)和儀器響應(yīng)的影響,利用分離出的Ps轉(zhuǎn)換波和多次反射波可以探索地殼和上地幔結(jié)構(gòu)。
圖3 近水平均勻介質(zhì)中P波傳播路徑(a)及相應(yīng)的接收函數(shù)(b)Fig.3 P-wave propagation path in horizontal homo- geneous media(a)and receiver function(b)
如圖3a所示,當(dāng)莫霍面是最深的反射界面時(shí),地殼厚度H與直達(dá)P波和轉(zhuǎn)換波Ps到時(shí)差的關(guān)系為:
(1)
式中:vP和vS是縱波和橫波速度;p為射線參數(shù);H是地殼厚度。
同理,H與轉(zhuǎn)換波Ps和多次反射波PpPs之間到時(shí)差的關(guān)系為:
(2)
用式(1)除以式(2),方程兩邊再平方可以得到波速比:
(3)
根據(jù)彈性力學(xué)的原理,可由波速比計(jì)算泊松比σ:
(4)
雖然式(3)的右邊含有vP,但由于地殼中的平均vP在6.00~6.75 km/s,若給出精確到時(shí)差,vP取最小和最大值時(shí),得到的波速比只相差0.05,引起的最大泊松比偏差為0.02,地殼厚度偏差僅為2 km。所以本文挑選出Ps轉(zhuǎn)換波和多次反射波震相清晰且相關(guān)性較好的接收函數(shù),采用人工拾取震相方法計(jì)算臺(tái)站下方的地殼厚度、波速比和泊松比。
本文采用多個(gè)接收函數(shù)集束相關(guān)識(shí)別轉(zhuǎn)換波和多次反射波位置,圖4是岔河臺(tái)接收函數(shù)集束分析,轉(zhuǎn)換波Ps和多次反射波PpPs分別出現(xiàn)在5.8 s和18 s附近。表1給出了所計(jì)算的結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)偏差,由于黃坪臺(tái)(YSW11)背景噪聲大,遠(yuǎn)震記錄較少,沒有得到該臺(tái)站的計(jì)算結(jié)果。絕大多數(shù)臺(tái)站的地殼厚度H的標(biāo)準(zhǔn)偏差控制在2.0 km以內(nèi),泊松比σ的標(biāo)準(zhǔn)偏差小于0.02,誤差較小。由于各個(gè)臺(tái)站的背景噪聲水平不一樣,雖然總共有80個(gè)遠(yuǎn)震事件,但每個(gè)臺(tái)站的地震個(gè)數(shù)有很大差異,除個(gè)別臺(tái)站接收函數(shù)數(shù)量不多外,絕大多數(shù)臺(tái)站的接收函數(shù)都在20個(gè)以上,具有統(tǒng)計(jì)意義。
(a)按序號(hào)排列 (b)按震中距排列 (c)按反方位角排列
從表1可知,研究區(qū)地殼厚度的變化范圍是33.3~54.9 km,莫霍面深度最淺為南澗臺(tái),最深為永勝臺(tái);泊松比的變化范圍是0.209~0.328,最大值在云龍臺(tái),永勝臺(tái)最小。與前人的結(jié)果相比,計(jì)算得到的下關(guān)小孔徑測(cè)震臺(tái)網(wǎng)彩鳳臺(tái)的地殼厚度為47.4 km,泊松比為0.225,與鄧嘉美等(2016)的計(jì)算值47.9 km和0.228基本一致。云南區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的洱源、鶴慶、麗江、云龍和保山臺(tái)的地殼厚度和泊松比與胡家富等(2003)、李永華等(2009)、鄧嘉美等(2014)和Wang等(2017)的結(jié)果都比較接近。團(tuán)山、永勝臺(tái)的地殼厚度和泊松比與鄧嘉美等(2014)、Wang等(2017)的接近,但泊松比小于胡家富等(2003)的計(jì)算值。
圖5a為研究區(qū)地殼厚度分布情況。如圖所示,地殼厚度整體上以26°N為分界,呈北深南淺的變化趨勢(shì),存在3個(gè)莫霍面隆起區(qū)域,分別在云龍(YUL),蝴蝶泉(HDQ)—陽(yáng)和(YSW09)以及巖曲(YSW24)—羊窩棚(YSW19)—哨橫(YSW28)地區(qū),蘭坪—永平斷裂與維西—喬后—巍山斷裂之間形成一個(gè)向東南的舌狀突出,在26°N附近呈現(xiàn)兩隆兩凹狀的莫霍面結(jié)構(gòu)。程海—賓川斷裂兩側(cè)的地殼厚度較深,維西—喬后—巍山斷裂北段、紅河斷裂北段和順濞河斷裂兩側(cè)地殼厚度變化劇烈,形成了明顯的分界帶。
從實(shí)驗(yàn)研究可知,泊松比與巖石的類型相關(guān)(Christensen,1996),是描述介質(zhì)彈性性能的物理量。對(duì)于普通的巖石,泊松比對(duì)巖石的成分非常敏感:硅含量高使泊松比降低,鐵鎂質(zhì)含量高使泊松比升高。因此,相比于P波或者S波速度,泊松比更能描述地殼的組成成分。地殼組成大體分為低泊松比(σ>0.26)、中泊松比(0.26≤σ≤0.28)和高泊松比(σ>0.28)(Wangetal,2017),低泊松比對(duì)應(yīng)于更多的長(zhǎng)英質(zhì)成分,高泊松比對(duì)應(yīng)于更多的鐵鎂質(zhì)成分,非常高的泊松比(σ>0.3)可能表示地下存在部分熔融物質(zhì)。
圖5b為研究區(qū)泊松比空間分布圖,圖中紅色圓圈是1500—2018年發(fā)生的MS≥5.0級(jí)歷史地震。研究區(qū)泊松比存在明顯的不均勻分布特性,大體上以研究區(qū)的NE向?qū)蔷€為分界線,其西北地區(qū)泊松比高,其東南地區(qū)泊松比相對(duì)偏低。存在3塊顯著的低泊松比(σ>0.26)區(qū)域,在程?!e川斷裂北段的永勝(YOS)—教場(chǎng)壩(YSW23)—大河(YSW22)地區(qū),南段的彩鳳(CFT)—神龍寺(YSW21)地區(qū)以及順濞河斷裂東側(cè)的勝利(YSW15)—高明(YSW20)—團(tuán)結(jié)(YSW26)地區(qū);對(duì)角線以南有2個(gè)高泊松比(σ>0.28)區(qū)域,分別在紅河斷裂北段與維西—喬后—巍山斷裂之間的蝴蝶泉(HDQ)—陽(yáng)和(YSW09)地區(qū)以及這2條斷裂南端的南澗(NAJ)地區(qū)。
亞失穩(wěn)觀測(cè)臺(tái)站雖然密集,但主要集中分布在蘭坪—永平斷裂、維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂附近,研究區(qū)邊緣臺(tái)站稀疏。為了得到更加精細(xì)的地殼厚度和泊松比分布,引入了Wang等(2017)的25個(gè)喜馬拉雅臺(tái)站(記錄2011年5月—2013年12月遠(yuǎn)震事件)和2個(gè)IRIS DMC臨時(shí)臺(tái)站(記錄2003—2004年遠(yuǎn)震事件),每個(gè)臺(tái)站的地震個(gè)數(shù)在8~428,還引入了金明培開放基金中15個(gè)賓川主動(dòng)源臺(tái)站(記錄2011年9月—2014年1月的238個(gè)遠(yuǎn)震事件)的計(jì)算結(jié)果。結(jié)合多項(xiàng)研究的結(jié)果,可以增加臺(tái)站覆蓋率,增長(zhǎng)數(shù)據(jù)時(shí)間段,能更合理、客觀地顯示研究區(qū)的地殼厚度和泊松比分布。
如圖6a所示,增補(bǔ)前人研究結(jié)果后的地殼厚度整體上與圖5a一致,仍呈北深南淺的變化趨勢(shì)和3個(gè)明顯的莫霍面隆起區(qū)域,胡家富等(2003)、鄧嘉美等(2014)也都認(rèn)為云龍的地殼結(jié)構(gòu)呈隆起狀。增補(bǔ)前人研究結(jié)果后,26°N附近蘭坪—永平斷裂與維西—喬后—巍山斷裂之間的舌狀突出變寬、且更加向南突出,維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂的分界作用更加明顯。這2條斷裂帶所在地區(qū)的地殼厚度較兩側(cè)的淺,兩側(cè)的地殼厚度變化劇烈,超殼斷裂的特征更為清晰,特別是紅河斷裂以東地區(qū)地殼厚度逐漸加深,其西側(cè)地殼厚度淺,與鄧嘉美等(2014)和Zhang和Gao(2019)的結(jié)果一致。闞榮舉和林中洋(1986)將紅河斷裂東北劃分為揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái),西南為三江地槽褶皺系,所以本文的結(jié)果與地質(zhì)構(gòu)造邊界劃分較為一致。
圖5 本文得到的地殼厚度(a)和泊松比(b)分布情況(斷裂同圖1)Fig.5 Distribution of crustal thickness(a)and Poisson’s ratio(b)in this study(faults are the same as Fig.1)
圖6 增補(bǔ)前人研究結(jié)果后地殼厚度(a)和泊松比(b)分布情況(斷裂同圖1)Fig.6 Distribution of crustal thickness(a)and Poisson’s ratio(b) after adding stations(faults are the same as Fig.1)
由圖6b可見,增補(bǔ)前人結(jié)果后泊松比的分布邊界更加細(xì)致清晰,整體上沿矩形研究區(qū)2條對(duì)角線分隔呈四象限分布,北區(qū)和南區(qū)的泊松比較高,西區(qū)和東區(qū)的泊松比較低。與圖5b對(duì)比可見,低泊松比(σ>0.26)區(qū)域的范圍在東西兩側(cè)均有增加,在洱源—鶴慶斷裂的東南地區(qū),程海—賓川斷裂除了北端和南端外,橫跨大范圍的低泊松比地區(qū),順濞河斷裂東側(cè)的低泊松比區(qū)域向西南延伸到蘭坪—永平斷裂南段和瀾滄江斷裂帶,表明這些地區(qū)下方的地殼物質(zhì)主要是比較硬的長(zhǎng)英質(zhì)成分。維西—喬后—巍山斷裂、龍?bào)础獑毯髷嗔选Υā幕瘮嗔?、洱源—鶴慶斷裂和紅河斷裂帶上,以及順濞河斷裂西側(cè)的云龍都是高泊松比(σ>0.28)地區(qū),表明這些地區(qū)下方的地殼物質(zhì)組成富含鐵鎂質(zhì)成分。尤其是云龍臺(tái)泊松比達(dá)到了0.328,維西—喬后—巍山斷裂中段以及紅河斷裂的北段、蒼山山前斷裂帶上的蝴蝶泉(HDQ)—陽(yáng)和(YSW09),斷裂南端的南澗(NAJ)—紅土坡(53151)泊松比都超過了0.3,說(shuō)明這些地區(qū)地殼物質(zhì)不只含有較高的鐵鎂質(zhì)成分,可能殼內(nèi)還存在部分熔融物質(zhì)(鄧嘉美等,2014)。層析成像的結(jié)果也顯示:紅河斷裂北段的洱源至彌渡,呈現(xiàn)中地殼低速異常(楊婷等,2014),且Wang等(2017)也認(rèn)為紅河斷裂帶附近的高泊松比與下地殼底部物質(zhì)部分熔融有關(guān)。從歷史地震分布來(lái)看,5級(jí)以上的地震多發(fā)生在泊松比高梯度帶上。
亞失穩(wěn)觀測(cè)臺(tái)站個(gè)數(shù)多,密度大,主要分布在本文重點(diǎn)關(guān)注的維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂北段附近,所以借助亞失穩(wěn)項(xiàng)目的密集臺(tái)站觀測(cè)資料對(duì)滇西北地區(qū)進(jìn)行研究,可以得到比前人的研究更精細(xì)的結(jié)果。
結(jié)合地殼厚度和泊松比分布情況,順濞河、維西—喬后—巍山以及紅河斷裂兩側(cè)的地殼厚度和泊松比都變化劇烈,推斷它們有可能是切穿莫霍面的超殼斷裂,Xu等(2005)、Lei等(2009)、Zhang和Gao(2019)也都認(rèn)為紅河斷裂帶穿透了地殼進(jìn)入上地幔。印度和歐亞板塊之間持續(xù)的碰撞和消減作用,使云南地區(qū)的殼幔結(jié)構(gòu)受到喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響,碰撞擠壓后陸內(nèi)物質(zhì)應(yīng)力調(diào)整、地殼運(yùn)動(dòng)和深部物質(zhì)運(yùn)移,云南地區(qū)成為青藏高原物質(zhì)受擠壓向東南流出的通道(胡家富等,2003)。從圖6b中高泊松比分布形態(tài)可推斷下地殼物質(zhì)向東南運(yùn)移到洱源—鶴慶斷裂一帶時(shí),受到比較硬的揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的阻擋,但并沒有突破紅河斷裂帶,體現(xiàn)在紅河斷裂的蝴蝶泉段、南澗段和西側(cè)的云龍地區(qū)均為莫霍面隆起區(qū)且高泊松比分布相對(duì)獨(dú)立,沒有與北部的高值區(qū)連片分布。因而推測(cè)云龍、蝴蝶泉—陽(yáng)和以及南澗—紅土坡這3個(gè)非常高的泊松比(σ>0.3)區(qū)域,可能是由上地幔物質(zhì)上涌并沿著超殼斷裂底侵致使下地殼物質(zhì)部分熔融引起的,與胥頤等(2013)推測(cè)紅河斷裂帶附近的低速異常與殼幔邊界的熱對(duì)流活動(dòng)相關(guān)的認(rèn)識(shí)較一致。
王興臣等(2015)研究發(fā)現(xiàn)昭通魯?shù)镸S6.5級(jí)地震發(fā)生在地殼厚度和泊松比變化劇烈地區(qū),地殼物質(zhì)組成差異明顯,殼內(nèi)應(yīng)變積累,為地震提供了孕震環(huán)境,與本文MS≥5.0地震多發(fā)生在泊松比高梯度帶上的認(rèn)識(shí)較一致。馬瑾院士團(tuán)隊(duì)將紅河斷裂北段和維西—喬后—巍山斷裂作為地震亞失穩(wěn)應(yīng)力狀態(tài)研究的主斷層,結(jié)合圖6,維西—喬后—巍山斷裂北段的通甸(53024)—建基村(YSW13),其與龍?bào)础獑毯髷嗔呀粎R的豐樂(YSW25)—禾頭(YSW27),以及喬后—巍山斷裂中段的脈地(YSW18)—紫陽(yáng)村(YSW10)—瓦窯(YSW06)—太邑(YSW02)—岔河(CHT)地區(qū),地殼厚度和泊松比都變化劇烈,殼內(nèi)物質(zhì)組成存在明顯差異,并且是歷史地震空段區(qū),推測(cè)認(rèn)為這3個(gè)地區(qū)具備發(fā)生中強(qiáng)以上地震的孕震環(huán)境條件,有可能是潛在的震源區(qū),作為斷層失穩(wěn)部位的研究區(qū)較為合適,具體哪一段更有可能,需要結(jié)合小震活動(dòng)的協(xié)同化發(fā)展作進(jìn)一步判定。
本文通過人工拾取接收函數(shù)震相的方法獲取了滇西北地區(qū)43個(gè)臺(tái)站下方的泊松比和地殼厚度值,結(jié)合該區(qū)內(nèi)之前的25個(gè)喜馬拉雅臺(tái)站、2個(gè)IRIS DMC臨時(shí)臺(tái)站和15個(gè)賓川主動(dòng)源臺(tái)站的計(jì)算結(jié)果,得到了研究區(qū)更為精細(xì)的地殼物質(zhì)組成和莫霍面分布特征,得到以下結(jié)論:
(1)研究區(qū)地殼厚度范圍為33.3~54.9 km,整體呈北深南淺的趨勢(shì),存在3個(gè)莫霍面隆起中心,分別在云龍、蝴蝶泉—陽(yáng)和、巖曲—羊窩棚—哨橫;在26°N附近,有一個(gè)向南的舌狀突出,呈現(xiàn)兩隆兩凹狀的莫霍面結(jié)構(gòu);順濞河斷裂、維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂兩側(cè)地殼厚度變化劇烈,有可能是超殼斷裂。
(2)研究區(qū)泊松比從0.209增加到0.328,橫向分布不均勻,整體呈四象限分布,北區(qū)和南區(qū)的泊松比偏高(σ>0.28),推測(cè)地殼物質(zhì)組成富含鐵鎂質(zhì)成分,西區(qū)和東區(qū)的泊松比值低(σ>0.26),地殼物質(zhì)組成可能富集長(zhǎng)英質(zhì)成分。云龍、蝴蝶泉—陽(yáng)和以及南澗—紅土坡地區(qū)的泊松比非常高(σ>0.3),可能是由上地幔物質(zhì)發(fā)生底侵致使下地殼物質(zhì)部分熔融引起。
(3)下地殼物質(zhì)向東南運(yùn)移到洱源—鶴慶斷裂一帶時(shí),受揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)的阻擋,沒有突破紅河斷裂帶。維西—喬后—巍山斷裂北段的通甸—建基村一帶,其與龍?bào)础獑毯髷嗔呀粎R的豐樂—禾頭一帶,以及斷裂中段的脈地—紫陽(yáng)村—瓦窯—太邑—岔河地帶,有可能是斷層的失穩(wěn)候選部位,具備發(fā)生中強(qiáng)以上地震的孕震環(huán)境,需要結(jié)合地震活動(dòng)性的協(xié)同化進(jìn)程予以重點(diǎn)關(guān)注。
本文中使用的斷層數(shù)據(jù)由云南省地震工程院提供,特此感謝!