川西龍門山及鄰區(qū)地殼上地幔各向異性地震P波走時層析成像研究

郭 飚 劉啟元 陳九輝 李順成 李 昱 王 峻 齊少華

（中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

川西龍門山及鄰區(qū)地殼上地幔各向異性地震P波走時層析成像研究

Anisotropic seismic P－wave travel－time tomography in Longmenshan area，west Sichuan，China

郭 飚 劉啟元 陳九輝 李順成 李 昱 王 峻 齊少華

（中國地震局地質(zhì)研究所地震動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

經(jīng)典的地震層析成像假定介質(zhì)為各向同性，通過走時反演確定地球介質(zhì)的非均勻結(jié)構(gòu)，得到的僅是近似地球模型。如果各向異性較強(qiáng)時，應(yīng)用基于各向同性假設(shè)的層析成像算法，可能導(dǎo)致錯誤的結(jié)果。非均勻與各向異性效應(yīng)是耦合的，如果僅考慮非均勻效應(yīng)則各向異性結(jié)構(gòu)可能映射到非均勻結(jié)構(gòu)中造成非均勻速度結(jié)構(gòu)的誤差，反之亦然。因此，高分辨率的走時層析成像必須同時考慮非均勻和各向異性兩種效應(yīng)。同時反演非均勻和各向異性結(jié)構(gòu)（即各向異性層析成像），不僅可以獲得可靠的各向同性速度結(jié)構(gòu)，同時可以確定各向異性結(jié)構(gòu)。相對于S波偏振分析，體波走時方法基于不同的數(shù)據(jù)集，能提供獨(dú)立的地震各向異性觀測證據(jù)。利用地震走時層析成像方法同時研究介質(zhì)的非均勻性和各向異性，對于認(rèn)識地球的結(jié)構(gòu)及動力學(xué)過程都具有非常重要的意義。

本文基于弱各向異性近似條件下彈性張量的調(diào)和展開理論和地震走時層析成像方法，構(gòu)建了地震各向異性P波走時層析成像算法。該算法利用均勻的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和三次B樣條插值函數(shù)描述各向同性速度場；利用各向異性塊描述各向異性速度擾動場。構(gòu)建了適合弱各向異性介質(zhì)的各向異性快速行進(jìn)算法，并進(jìn)一步利用互易性定理減少了正演計算量。反演方法采用Tarantola（1982，1987）的非線性反演方法，對于非均勻和各向異性參數(shù)可以分別設(shè)置不同的阻尼因子。

利用在龍門山及鄰區(qū)布設(shè)的川西地震臺陣記錄到的遠(yuǎn)震P波走時數(shù)據(jù)和本文提出的各向異性層析成像方法，同時反演了該區(qū)地殼上地幔遠(yuǎn)震P波各向同性速度結(jié)構(gòu)和P波快波方向。我們的結(jié)果表明：

（1）研究區(qū)地殼上地幔P波速度結(jié)構(gòu)具有較為明顯的分區(qū)特征，松潘－甘孜地塊和川滇地塊速度較低，龍門山斷裂帶及四川盆地西部速度較高。四川盆地西部地殼上地幔的高速異常厚度從南側(cè)250km向北逐漸減薄至100km，推測這個高速異常體可能代表四川盆地的巖石圈。相對于四川盆地，松潘－甘孜地塊的地殼上地幔較為軟弱，但不存在四川盆地向松潘－甘孜地塊的俯沖。松潘－甘孜地塊的抬升可能與地幔上涌有關(guān)。四川盆地與松潘－甘孜地塊和川滇地塊間的動力學(xué)機(jī)制完全不同，川滇地塊和四川盆地僅是垂直接觸關(guān)系，而在四川盆地北部靠近龍門山一側(cè)，發(fā)現(xiàn)四川盆地前緣有自東向西減薄的現(xiàn)象，推測松潘－甘孜的上地幔物質(zhì)侵蝕了四川盆地下方的巖石圈。

（2）龍門山斷裂帶與四川盆地的地殼均顯示為高速特征，四川盆地與松潘－甘孜地塊之間的構(gòu)造邊界可能是汶川－茂縣斷裂。以汶川為界，龍門山斷裂帶被從松潘－甘孜地塊侵入的低速物質(zhì)分為兩段，南北兩段均顯示為高速特征。汶川大地震及余震序列均發(fā)生在龍門山北段的高速介質(zhì)區(qū)域內(nèi)。根據(jù)本文給出的松潘－甘孜地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)，我們可以進(jìn)一步推斷，松潘－甘孜地塊的抬升應(yīng)與地幔物質(zhì)上涌有關(guān)，在堅硬的四川盆地的阻擋作用下，青藏高原向東擠壓和地幔上涌的雙重作用造成松潘－甘孜地塊隆升，并造成了龍門山斷裂帶的逆沖推覆。龍門山南北兩段間的地殼強(qiáng)度較低，在長期的緩慢變形過程中，易于在龍門山北段的堅硬的上地殼內(nèi)形成巨大的應(yīng)力積累，而汶川處于龍門山北段的最南端，應(yīng)力容易在此集中，并成為汶川大地震破裂的起始點(diǎn)。

（3）P波各向異性研究表明川滇地塊的上地幔流動方向與GPS的觀測結(jié)果相吻合，反映了川滇地塊地殼和上地幔的形變一致，屬于殼幔耦合型。松潘－甘孜地塊的上地幔流動方向?yàn)楸睎|向，而GPS的觀測結(jié)果為近東西向，說明松潘－甘孜地塊殼幔的形變不一致，屬于殼幔解耦型。四川盆地北部的P波快波方向與SKS的結(jié)果較為一致，而四川盆地南部的P波快波方向平行于主要構(gòu)造方向，與SKS的結(jié)果相互垂直。四川盆地內(nèi)部南北兩部分具有不同的殼幔變形特征，這與速度結(jié)構(gòu)給出的結(jié)論相一致。

P315.63；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.06.016