基于三重震相的青藏东缘地幔岩石圈波速结构研究

    通讯作者: 吴庆举, wuqj@cea-igp.ac.cn
  • 1. 中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所
  • 2. 中国北京 100081 中国地震局地球物理研究所地震观测与地球物理成像重点实验室

摘要: 本文利用中国测震台网记录的中国青海和缅甸弧的两个浅源地震的三重震相资料,在以CRUST2.0改进AK135模型所构建的参考模型C2AK基础上,通过试错法对观测和理论三重震相波形拟合,获得了青藏高原东部三个交叉剖面的莫霍面至180 km深度范围内波速及波速比的最佳拟合模型。最佳拟合模型表明:松潘-甘孜块体(AB剖面)下方P波速度比C2AK模型高5%,而川滇地块处(C剖面)则上地幔顶部要比参考模型低5%,并随深度逐渐增加,直至120 km处与C2AK模型值相同;松潘-甘孜地块下方的S波速度较C2AK模型要高3%。这样的区域性速度结构差异表明,相对于松潘-甘孜地块而言,川滇地区存在着更明显的挤出效应。

English Abstract

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    前言
    • 构造意义上讲,岩石圈是刚性的地层覆于相对柔性的软流圈之上(如Artemieva,2011Beghein et al,2014 )。确定岩石圈结构的相关参数对于理解区域构造演化过程,特别是大陆地区的构造演化过程,具有非常重要的意义。青藏高原被称为“地球第三极”,一般认为,其形成于50个百万年前的印度-欧亚板块的陆陆碰撞(如Royden et al,2008 )。至今印度板块仍然以5 cm/a的速度向北运动,推挤着欧亚大陆,其北北东向推挤和高原隆升引起的重力势能作用引起了青藏高原物质的东向挤出(Royden et al,1997 Zhang et al,2010 )。青藏高原东缘挤出物质遇到稳定华南块体阻挡后,转向南东方向继而向南运动,形成了区域岩石圈变形增厚和复杂的区域活动断层系(王阎昭等,2008)(图1)。有效地确定本区域岩石圈物性构成及其厚度对于理解青藏高原隆升过程及区域地震活动性具有非常重要的意义。

      因其重要的构造意义和抗震减灾方面的重要价值,青藏高原东缘地壳和上地幔的结构受到广泛关注,利用勘探地震学、天然地震的接收函数和层析成像方法等开展的地壳和地幔结构研究取得了非常多的成果(Li et al,2008 Shen et al,2015 Wu et al,2017 Xu et al,2018 )。勘探地震学可以很好地确定地壳结构(如王椿镛等,2003),而基于天然地震资料的层析成像和接收函数方法一般均需要比较可靠的参考模型才能得以更好地反演壳幔三维结构(王椿镛等,2008郭飚等,2009Xu et al,2018 )。

      密集台网/台阵资料的三重震相的回折时-距曲线特征和波形拟合方法可以敏感地反映地球内部弱速度结构的存在,因而广泛应用于地球内部波速跃变层和局部速度异常体的探测(如Oreshin et al,1998 Song et al,2004 Chen,Tseng,2007Shearer,2009Chu et al,2012 Takeuchi et al,2014 )。给定较好浅部模型的情况下,基于密集台网/台阵波形资料可以很好地确认上地幔以及地幔转换区结构(Chu et al,2012 Li et al,2017 眭怡等,2018Wang et al,2018 )。

      图  1  研究区域构造、所用地震及台站分布图

      Figure 1.  Tectonic settings and distribution of stations and events used

      随着中国数字地震台网高质量宽频带三分量地震资料通过国家测震台网数据备份中心提供共享服务(郑秀芬等,2008),极大地便利了中国大陆及周边地区的地球深部地震波速结构研究工作的开展。本文拟利用中国青海和缅甸各一次地震的宽频带波形资料,分析青藏高原东缘下方的岩石圈波速结构,以期为这一地区的地球深部结构研究提供更多基础数据。

      序号 发震日期 年-月-日 时:分:秒 北纬/° 东经/° MW 走向/° 倾向/° 滑动角/° 震源深度/km
      Ev1 2009-08-31 10:15:34.10 37.59 95.86 5.8 277/ 33 90 12 km
      Ev2 2012-11-11 10:54:42.30 22.60 96.05 5.9 91/ 75 14 12 km
      注:震源参数来自于国际地震学中心(ISC)目录,震源机制来自于全球矩张量(GCMT)目录。

      表 1  本文使用两次地震的震源参数

      Table 1.  Focal parameters of two events used in this study

    1.   数据收集与分析方法

      1.1.   数据收集

    • 本文选用中国数字地震台网记录的两个地震机制相对简单的波形数据,其中一个位于中国青海,另一个位于缅甸弧。地震相关参数来自国际地震中心的报告(ISC:http://www.isc.ac.uk),详见表1。震源机制来自于gCMT (http://www.globalcmt.org/)(Dziewonski et al,1981 Ekströmet al,2012 )。震中位置和本文所用中国数字地震台网(China Digital Seismograph Network,简写为CDSN,)宽频带三分量台站分布如图1所示。

      在数据预处理中,本文对所有波形数据均进行去仪器响应、去平均和去倾斜等,并去除了受不规则干扰的地震记录。根据滤波效果对比测试,进一步对波形资料进行0.01—0.3 Hz的带通滤波处理以压制噪声干扰。基于坐标旋转处理,我们获得了地震事件Ev1清晰的P波三重震相和相对清晰的S波三重震相;而Ev2则只提取了清晰的P波三重震相。

      考虑到三重震相主要反映的是特定深度范围内的波速变化,结合观测地震台站分布情况和波形拟合中正演计算量需求,因而在实际分析中,通常将三维结构用多个一维模型来近似(Li et al,2017 )。本文中,我们根据有效波形记录所对应的台站分布,将研究区域按照一定的方位分布进行剖分,并根据不同剖面上的三重震相清晰程度进行对比,最终获得两次地震在方位角5°范围内三重震相清晰的3个剖面ABC (如图1)。其中,地震事件Ev1有两个剖面(AB)的P波和S波三重震相,而Ev2仅有一个剖面(C)的P波三重震相。Ev1的剖面与Ev2剖面呈正交,有助于结果对比。

    • 1.2.   分析方法

    • 三重震相分析一般包括理论和观测三重震相的折合走时曲线与/或波形拟合。波形和走时曲线的拟合实际上对应着不同频率信号假设(Li et al,2017 )。波形拟合可以选择不同的频段来分析,而这取决于波形记录的有效频率成份。这也是宽频带波形资料可以更有效地提供三重震相以约束地球内部结构的原因。走时曲线拟合则是基于极高频小幅度近似下的程函方程来进行射线追踪的走时计算。波形模拟计算量比较大,而走时计算要求则比较低。为了更可靠地约束地球深部结构,一般综合运用两种信息来进行拟合分析。

      在实际数据分析中,首先利用将AK135模型(Kennett et al,1995 )地壳部分用CRUST2.0模型(Bassin et al,2000 )替换,从而获得初始的参考速度结构模型C2AK;然后,利用动态射线追踪方法Raydyntrace (Tian et al,2007 )获取基于参考模型的理论时距曲线,将其与三重震相观测时距曲线进行对比;通过试错法不断改进速度结构模型以提高观测和理论走时值拟合度,获得相对最佳拟合模型;最后基于反射率法(Wang,1999)进行波形模拟,分析观测和理论三重震相的波形拟合程度,通过试错迭代,不断改进速度结构模型,最终获取最佳波形拟合模型。具体方法细节详见眭怡等(2018)

      图2给出了地震Ev1的A剖面三重震相波形拟合的测试结果,可以明显地看出本剖面的三重震相可以很好地约束地壳以下的地幔岩石圈结构。

      图  2  地震Ev1的剖面A的S波理论和观测三重震相拟合测试

      Figure 2.  Match-testing of observed and synthetic seismic triplications for different velocity models of profile A for the earthquake event Ev1

    2.   结果
    • 基于观测和理论三重震相的走时和波形拟合,经过不断地试错,本文获取了两个地震事件3个剖面的地震波速与速度比的最佳拟合模型。

    • 2.1.   剖面A的波速结构模型

    • 剖面A的观测三重震相来自于地震事件Ev1(图3)。从整体看,由于未受尾波的影响,P波三重震相本身要比S波三重震相清晰。从最佳拟合效果来看,前者也要优于后者。基于观测与模拟三重震相拟合对比(图3ab),我们得到了最佳拟合波速模型(图3c)。

      P波速度最佳拟合模型MAP(图3c蓝线)显示,从莫霍面到120 km的深度范围内P波速度为8.5 km/s,相对于参考模型C2AK表现为高速,高5%;而S波速度最佳拟合模型MAS(图3c红线)显示,从莫霍面到180 km深度范围内S波速度相对于参考模型C2AK值要高3%。另外,整体上看,本剖面莫霍到180 km的vP/vS值(图3d红线)较参考模型C2AK的比值要高。

      图  3  A剖面的波形拟合结果

      Figure 3.  Fitting the synthetic and observed seismic triplication and the related velocity models of profile A for the earthquake event Ev1

    • 2.2.   剖面B的波速结构模型

    • 图4给出了地震Ev1的剖面B的观测三重震相。所得的P波速度最佳拟合模型MBP(图4c蓝线)显示,从莫霍面到120 km深度范围内P波速度为8.5 km/s,相对于参考模型C2AK的值为大5%;S波速度最佳拟合模型MAS(图4c红线)显示,从莫霍面到180 km深度范围内S波速度相对于参考模型C2AK的值高出2%。整体上看,从莫霍面到180 km的vP/vS值(图4d红线)较参考模型C2AK的比值要高。

      图  4  B剖面波形拟合结果

      Figure 4.  Fitting the synthetic and observed seismic triplication and the related velocity model of the profile B for Ev1

    • 2.3.   剖面C波速结构模型

    • 剖面C的观测P波三重震相来自于Ev2(图5)。该剖面由于S三重震相不清晰,所以只获得了P波速度结构。最适P波速度模型MCP(图5b蓝线)显示,浅部从莫霍面起相对于C2AK模型值低5%,并逐渐缓增,至165 km深度及以下速度值与C2AK模型值相同。图5a显示,震中距12°—15°之间的震相到时比最适模型的要偏早,这应该与局部异常体的存在有关。

      图  5  C剖面波形拟合结果

      Figure 5.  Fitting the synthetic and observed seismic triplication and the related velocity model of the profile C for the earthquake event Ev2

    • 2.4.   各剖面vPvSvP/vS结构对比

    • 图1所示,本研究区域的A剖面和B剖面相邻,而C剖面则接近于垂直前两个剖面。由图6a可以看出,AB剖面的P波速度最佳拟合结构(图6a中蓝线所示)是一样的,而C剖面的P波速度最佳拟合结构(图6a中绿线)则与AB剖面的结构有差别。从图6b的S波最佳拟合结构来看,AB剖面S波结构整体一致,但是存在着相对于参考模型C2AK的速度异常值上存在差异:A剖面的S波速度异常值为3%,而B剖面的异常值略小,为2%。结合图6cvP/vS比值,这样的差异就更明晰一些。

      图  6  各剖面VP,Vs,VP/Vs对比

      Figure 6.  Comparison of the best-fitting structures of vp,vs,vp/vs for three profiles

    3.   讨论与结论
    • 本文获得了青藏东缘垂直交叉的3个剖面的P波和S波速度结构及部分比值结构。虽然剖面只有3个,但相应的最佳拟合结构仍显示出明显区域性差异,反应出川滇地区和松潘-甘孜块体岩石圈地幔深度范围内的物质运移情况。

      西北南东向的AB剖面在莫霍面以下的P波速度要比参考模型C2AK的P波速度值大5%左右,而C剖面的P波速度则在莫霍面到120 km深度之间略小于C2AK。AB剖面位于松潘-甘孜地块,青藏东缘偏东,受上地幔低速流体的影响比较小,整体表现为相对高速度异常;而C剖面位于川滇块体,此处因上地幔低速物质的南流效应,而表现为相对低速,尤其是莫霍面之下的相对浅部相对AK135要低达5%。

      由于C剖面缺乏S波三重震相,只能看到AB剖面的S波速度结构。两者差异不明显:A剖面上地幔岩石圈的S波速度较参考模型C2AK的相应值高3%,而B剖面则高2%,但是整体还是比C2AK是要高的。

      整体看,AB剖面在莫霍面至180 km深度之间P波速度和S波速度均要高于C2AK,但是P速度增加更大,其在P波和S波速度比值MAR和MBA模型上也有体现。这意味着,AB剖面处于上地幔低速物质影响的边缘,所受影响不大。

      综合3个剖面的最佳拟合结构来看,AB剖面受上地幔低速物质的影响比较小,而C剖面受上地幔低速物质的影响比较大。这样的结构差异,在地震层析成像结果上也有体现(如郭飚等,2009)。

      本文利用试错法进行观测和理论三重震相波形拟合对比,获得了两个浅源地震三个剖面的莫霍面至180 km深度范围内最佳拟合波速模型及相应的波速比模型。据此,我们发现松潘-甘孜块体(AB剖面)下方P波速度较参考模型C2AK高5%,而川滇块体处(C剖面)的P波速度在莫霍面处低于该模型5%,且该速度随深度逐渐增加,至120 km处与C2AK模型值相同;另外,松潘-甘孜块体下方的S波速度较之C2AK模型要高3%。我们认为,这样的速度结构差异与川滇地区明显的挤出效应一致。

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(6)  表(1) 参考文献 (41) 相关文章 (20)