楊建文 金明培 葉 泵 茶文劍 黑賀堂

1 中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)大理中心,云南省大理市濱海大道,671000

滇西北三江并流地區(qū)位于青藏高原東南緣、喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)東側(cè),是印度板塊與歐亞板塊碰撞的側(cè)向地帶,同時(shí)也是青藏高原物質(zhì)向東南逃逸的重要區(qū)域[1]。由于受大陸板塊側(cè)向碰撞的影響,第四紀(jì)以來,該區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,地形地貌復(fù)雜,深大斷裂體系發(fā)育[1-2],是地學(xué)研究的熱點(diǎn)區(qū)域之一。諸多學(xué)者從不同角度對(duì)滇西北三江并流地區(qū)開展研究,主要包括構(gòu)造物理模擬[3]、變形分析[4]、同位素?zé)崮甏鷮W(xué)[5]、古地磁[6]等,為該區(qū)巖漿作用、變質(zhì)變形作用及構(gòu)造演化等方面作出了貢獻(xiàn)[7]。在深部構(gòu)造方面,由于受觀測(cè)臺(tái)站覆蓋密度的限制(該區(qū)地震臺(tái)站數(shù)量較少,臺(tái)間距較大),相關(guān)研究較少。中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣(ChinArray)探測(cè)項(xiàng)目Ⅰ期實(shí)施以來,獲取了近2.5 a的連續(xù)波形記錄,為該區(qū)深部結(jié)構(gòu)研究提供了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

S波速度是研究地球內(nèi)部物理、殼幔動(dòng)力學(xué)及地質(zhì)演化過程的重要參數(shù)[8]?；谶h(yuǎn)震P波接收函數(shù)進(jìn)行反演是獲取S波速度的有效方法之一。另外,中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)地殼剪切波速模型[9]的構(gòu)建及發(fā)布,為川滇地區(qū)速度結(jié)構(gòu)成像提供了很好的模型基礎(chǔ)。鑒于此,本文根據(jù)滇西北三江并流地區(qū)36個(gè)臺(tái)站記錄的遠(yuǎn)震接收函數(shù)反演S波速度,對(duì)該區(qū)的地殼深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè),以研究其巖石圈結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制。該工作的開展對(duì)于理解滇西北三江并流地區(qū)的孕震背景和青藏高原東南向擴(kuò)展機(jī)制具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于滇西北三江并流地區(qū)(26°～29.1°N,98.5°～100°E)36個(gè)寬頻帶地震臺(tái)站(圖1),其中ChinArray探測(cè)項(xiàng)目Ⅰ期臺(tái)站32個(gè),云南區(qū)域臺(tái)網(wǎng)固定臺(tái)站4個(gè),獲得2011-09-02～2014-01-16震中距介于30°～90°、震級(jí)M≥5.8的238個(gè)遠(yuǎn)震事件的三分量波形資料。地震目錄由IRIS網(wǎng)站提供,其中5.8≤M<6.0地震101個(gè),6.0≤M<7.0地震123個(gè),7.0≤M<8.0地震13個(gè),M≥8.0地震1個(gè)。從遠(yuǎn)震空間分布來看(圖1左下角小圖),這些地震事件具有較好的方位和震中距覆蓋,可為獲得穩(wěn)定、可靠的研究結(jié)果提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保障。

圖1 研究區(qū)概況

對(duì)各臺(tái)站記錄的波形資料進(jìn)行處理,提取徑向P波接收函數(shù),具體計(jì)算過程為[10]:1)截取P波到達(dá)之前10 s至P波到達(dá)之后100 s的時(shí)間信號(hào);2)將三分量記錄ENZ旋轉(zhuǎn)到ZRT坐標(biāo)系下;3)在時(shí)間域里完成R分量對(duì)Z分量的反褶積;4)使用帶寬參數(shù)為1.0的高斯濾波器提取P波接收函數(shù)。為保證反演結(jié)果的可靠性,共挑選出Moho面轉(zhuǎn)換相、多次相較可靠的徑向P波接收函數(shù)832個(gè)(平均每個(gè)臺(tái)站23個(gè)左右)用于反演S波速度結(jié)構(gòu)。

1.2 初始速度模型

傳統(tǒng)的接收函數(shù)反演主要是基于研究區(qū)或更大區(qū)域的前人研究結(jié)果[11]構(gòu)建簡(jiǎn)單的初始模型來完成的。姚華建教授課題組構(gòu)建并發(fā)布的中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)地殼剪切波速模型為本文的S波速度反演提供了較好的模型基礎(chǔ)。另外,考慮到研究區(qū)較為顯著的地形差異和地下結(jié)構(gòu)橫向不均勻性的影響,將其劃分為3個(gè)區(qū)域(圖1),基于中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)地殼剪切波速模型提取3個(gè)區(qū)域的平均S波速度作為各自的初始模型(圖2,0～70 km深度范圍內(nèi),層厚為2 km的S波速度結(jié)果),以完成各區(qū)內(nèi)相關(guān)臺(tái)站的S波速度結(jié)構(gòu)反演。

圖2 3個(gè)區(qū)域的S波速度初始模型

1.3 S波速度反演

采用時(shí)間域線性反演方法[11]和bootstrap重采樣技術(shù)[12]反演各臺(tái)站下方的S波速度,以分別位于3個(gè)區(qū)域的51060、53016和53025臺(tái)為例闡述實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程。通過前期接收函數(shù)的提取和挑選,分別獲得Moho面轉(zhuǎn)換相、多次相較可靠的徑向P波接收函數(shù)34、30和30個(gè),然后基于各區(qū)域的初始模型,采用時(shí)間域線性反演方法對(duì)各臺(tái)站的接收函數(shù)進(jìn)行逐個(gè)反演,分別獲得34、30和30個(gè)速度模型。由圖3可知,在計(jì)算過程中,同一臺(tái)站來自不同方位和震中距的接收函數(shù)雖然采用了相同的初始模型進(jìn)行反演,但反演結(jié)果仍存在一定的差異,這體現(xiàn)了解的非唯一性[10]。因此,采用bootstrap技術(shù)(采樣次數(shù)為1 000)分別對(duì)獲得的34、30和30個(gè)速度模型進(jìn)行重采樣,其目的是充分考慮來自不同方位和震中距的接收函數(shù)對(duì)反演結(jié)果的實(shí)際貢獻(xiàn),并對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評(píng)估,以獲取最優(yōu)解(圖3)。

圖3 S波速度反演結(jié)果

2 結(jié)果與討論

采用上述數(shù)據(jù)處理方法,分別基于各臺(tái)站對(duì)應(yīng)區(qū)域的初始模型對(duì)研究區(qū)36個(gè)臺(tái)站進(jìn)行處理,獲取各臺(tái)站下方0～70 km深度范圍內(nèi)的S波速度結(jié)果。對(duì)結(jié)果進(jìn)行插值,以獲取不同水平和垂直剖面上的S波速度分布,圖4為4 km、10 km、18 km、30 km、36 km和44 km深度處的S波速度分布。

圖4 不同深度上的S波速度水平剖面

由圖4可知,研究區(qū)不同深度處的S波速度呈現(xiàn)出明顯的橫向非均勻性。在4 km深度處(圖4(a)),研究區(qū)總體以27.5°N為界,南北兩側(cè)的S波速度存在明顯的差異。27.5°N以北,除金沙江-紅河斷裂帶附近的51052-53006臺(tái)和51060-53002臺(tái)局部區(qū)域?yàn)橄鄬?duì)高速外(S波速度在3.3～3.5 km/s之間),其他區(qū)域呈相對(duì)低速分布(S波速度在2.5～3.2 km/s之間);27.5°N以南,S波速度橫向變化較大,瀾滄江斷裂帶附近53015-53023臺(tái)區(qū)域和金沙江-紅河斷裂帶南端的EYA臺(tái)附近局部區(qū)域呈相對(duì)低速(S波速度在2.7～3.2 km/s之間),怒江斷裂帶以西和金沙江-紅河斷裂帶附近的53016-53049-53022臺(tái)區(qū)域呈相對(duì)高速(S波速度在3.3～3.7 km/s之間)。10 km深度處(圖4(b)),研究區(qū)以瀾滄江斷裂帶為界,東西兩側(cè)S波速度呈現(xiàn)明顯的差異性,瀾滄江斷裂帶以西,除53019-53014臺(tái)和53028-53027臺(tái)附近局部區(qū)域外,其他區(qū)域呈相對(duì)低速分布(S波速度在2.9～3.5 km/s之間);瀾滄江斷裂帶以東,除XCE-51046-53007-53008臺(tái)一帶為相對(duì)低速外,其他區(qū)域呈相對(duì)高速分布(S波速度在3.6～4.1 km/s之間)。18 km深度處(圖4(c)),瀾滄江斷裂帶以西區(qū)域S波速度分布較10 km深度處總體變化不大,呈相對(duì)低速(S波速度在3.2～3.5 km/s之間),斷裂帶以東區(qū)域總體以27.5°N為界,呈北低南高的分布特征,27.5°N以北S波速度在3.0～3.5 km/s之間,以南S波速度在3.6～4.1 km/s之間。在30 km和36 km深度處(圖4(d)和4(e)),除局部區(qū)域外,研究區(qū)整體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,表現(xiàn)為NE和SW區(qū)域以相對(duì)低速為主(S波速度在3.3～3.7 km/s之間),NW和SE區(qū)域以相對(duì)高速為主(S波速度在3.8～4.1 km/s之間)。44 km深度處(圖4(f)),瀾滄江斷裂帶和27.5°N的邊界作用仍然比較明顯,NE和SW區(qū)域仍然以相對(duì)低速為主(S波速度在3.5～3.9 km/s之間),NW和SE區(qū)域S波速度在4.0～4.1 km/s之間,呈相對(duì)高速。

為了更好地展示研究區(qū)不同深度處的S波速度變化情況,圖5和6分別給出不同方向的S波速度垂直剖面結(jié)果,最大深度達(dá)70 km,剖面位置見圖1,其中A-A′～C-C′剖面從北至南呈近NE-SW向展布,D-D′～F-F′剖面走向近NW-SE,從西至東分別展布于怒江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶及金沙江-紅河斷裂帶附近。

圖5 近NE-SW向的S波速度垂直剖面

由近NE-SW向展布的A-A′～C-C′剖面可知(圖5),研究區(qū)殼內(nèi)S波速度從北向南存在較大差異,3個(gè)剖面都展示出從地表向下延伸但厚度不均勻的上地殼低速分布特征。A-A′剖面(圖5(a))低速層(VS≤3.5 km/s)整體較為均勻,厚度約25 km;B-B′剖面(圖5(b))金沙江-紅河斷裂帶兩側(cè)存在較大差異,斷裂帶以西區(qū)域厚度約8 km,以東最大厚度達(dá)25 km;C-C′剖面(圖5(c))低速層厚度在5～10 km之間,且由SW向NE逐漸減薄。值得注意的是,在A-A′剖面上,金沙江-紅河斷裂帶西側(cè)51052臺(tái)下方5～25 km深度處存在一明顯的高速體(VS≥3.7 km/s),這與圖4(a)～4(c)顯示的不同深度51052臺(tái)處局部區(qū)域呈相對(duì)高速相對(duì)應(yīng)。

由近NW-SE向展布的D-D′～F-F′剖面可知(圖6),從地表向下延伸的低速分布大致以27.5°N為界,南北兩側(cè)存在較大差異。27.5°N以北,D-D′和E-E′剖面(圖6(a)和6(b))低速層整體分布較為均勻,厚度分別為25 km和20 km,E-E′剖面(圖6(b))53004臺(tái)下方10～18 km深度范圍內(nèi)呈相對(duì)高速;F-F′剖面(圖6(c))低速分布較為復(fù)雜,53016-53006臺(tái)間較為均勻,厚度約25 km,51052臺(tái)下方5～25 km深度處呈相對(duì)高速,51046臺(tái)下方殼內(nèi)低速層較為發(fā)育,從地表延伸至45 km深處。27.5°N以南,除D-D′剖面(圖6(a))53021-53020臺(tái)下方低速層從地表一直延伸至約35 km外,其他低速層厚度在4～10 km之間(圖6(a)、6(b)和圖6(c)),另外F-F′剖面(圖6(c))53029-53016臺(tái)下方4～15 km深度范圍內(nèi)存在連續(xù)且厚度相對(duì)均勻的高速體。值得注意的是,D-D′和F-F′剖面(圖6(a)和6(c))分別展示了下地殼25～45 km深度范圍內(nèi)存在局部分布的低速層,且與上地殼低速體相連,其中D-D′剖面位于27.5°N以南,厚度約10 km,F-F′剖面位于27.5°N以北,最大厚度達(dá)20 km。這與圖4(d)～4(f)展示的研究區(qū)總體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,NE和SW區(qū)域呈相對(duì)低速分布為主相對(duì)應(yīng)。另外,由圖6(a)可知,D-D′剖面下地殼低速層下方的上地幔也表現(xiàn)出低速異常,因此下地殼局部區(qū)域的低速層可能與上地幔發(fā)生變形導(dǎo)致熱物質(zhì)向地殼侵入或滲透有關(guān)。

圖6 近NW-SE向的S波速度垂直剖面

地殼厚度是研究地殼演化背景的重要參數(shù),其空間分布和絕對(duì)值大小與巖石圈演化相關(guān)[10]。Wang等[13]基于ChinArray Ⅰ期、川西臺(tái)陣和川滇地區(qū)固定臺(tái)網(wǎng)等的波形資料,采用H-k掃描法獲取了中國(guó)地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)高精度的Moho界面模型。圖7 為基于Wang等[13]的結(jié)果繪制的研究區(qū)地殼厚度分布,由圖可知,研究區(qū)地殼厚度整體以27.5°N為界,呈北深南淺的變化特征,地殼厚度從研究區(qū)南部的42 km增加到北部的66 km。怒江斷裂帶北端53017臺(tái)附近存在Moho面隆起,地殼厚度為48 km。值得注意的是,瀾滄江斷裂帶附近地殼厚度變化劇烈,為地殼厚度變化的突變帶,這與圖4揭示的瀾滄江斷裂帶兩側(cè)殼內(nèi)S波速度差異明顯相對(duì)應(yīng),表明瀾滄江斷裂帶在滇西北三江并流地區(qū)的構(gòu)造演化過程中起到明顯的控制作用。

圖7 研究區(qū)地殼厚度分布

3 結(jié) 語(yǔ)

1)滇西北三江并流地區(qū)的地殼S波速度結(jié)構(gòu)整體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。在上地殼,S波速度在0～25 km深度范圍內(nèi)存在由地表向殼內(nèi)延伸的低速層,但不同區(qū)域低速層厚度存在較大差異。27.5°N以北低速層較為發(fā)育,厚度在20～25 km之間;27.5°N以南,瀾滄江斷裂帶東西兩側(cè)低速層厚度差異明顯,斷裂帶以西在10～25 km之間,斷裂帶以東保持在4 km左右。

2)在下地殼,S波速度在橫向上表現(xiàn)出以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界的NE與SW區(qū)域以相對(duì)低速為主,NW和SE區(qū)域以相對(duì)高速為主的分布特征;在垂向上,怒江斷裂帶中南部和金沙江-紅河斷裂帶北端附近局部區(qū)域25～45 km深度范圍內(nèi)存在低速體,與上地殼低速體相連。

3)研究區(qū)地殼厚度整體以27.5°N為界,呈北深南淺的變化特征,地殼厚度從研究區(qū)南部的42 km增加到北部的66 km,怒江斷裂帶北端局部區(qū)域存在莫霍面隆起。另外,瀾滄江斷裂帶為地殼厚度和S波速度變化的重要分界面,對(duì)滇西北三江并流地區(qū)的構(gòu)造演化過程起控制作用。

4)P波接收函數(shù)波形對(duì)界面深度變化敏感,而且具有較高的縱、橫向分辨率,由此反演S波速度是探測(cè)地殼深部結(jié)構(gòu)的有效方法。本文對(duì)滇西北三江并流地區(qū)的地殼S波速度進(jìn)行了厘定,研究結(jié)果有助于加深對(duì)區(qū)域巖石圈結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)機(jī)制的了解。

致謝：本文使用的遠(yuǎn)震三分量波形數(shù)據(jù)來源于中國(guó)地震科學(xué)臺(tái)陣(ChinArray)探測(cè)項(xiàng)目Ⅰ期和云南區(qū)域臺(tái)網(wǎng),接收函數(shù)反演和bootstrap重采樣技術(shù)計(jì)算程序由云南大學(xué)胡家富教授課題組提供,文中圖件采用GMT6.2軟件繪制,在此一并表示感謝。