騰沖地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)的有限差分成像

曹令敏，胥 頤，吳時國

1中國科學(xué)院海洋研究所，海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗室，青島 266071

2中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100029

1 引 言

騰沖火山區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊擠壓碰撞帶東南緣（圖1）［1］，為活躍的板內(nèi)火山群，最后一次火山噴發(fā)于1609年［2－3］.騰沖以北的馬鞍山、打鷹山、黑空山等為年輕的全新世火山［4］，地表出露的火山巖多為高鉀的鈣堿性玄武巖和安山巖，其成因為地幔熔融引發(fā)的巖漿活動［5］.而對于騰沖火山的成因目前仍存在爭議，一些學(xué)者認(rèn)為與滇緬泰微板塊向下至400km 深 度 的 板 塊 俯 沖 有 關(guān)［2，3，6］；還 有 學(xué)者認(rèn)為是印度板塊俯沖至150km［7－8］或200km［9］深度所致.

圖1 研究區(qū)主要構(gòu)造分布圖Fig.1 Distribution of main structures and regional background of the study area

研究區(qū)分布有一系列NE－NNE軸向斷陷盆地和NS走向正斷層［4］.區(qū)內(nèi)頻發(fā)的地震也引起了地學(xué)界專家的關(guān)注.騰沖以南的龍陵地區(qū)于1976年5月29日先后發(fā)生了M7.3和M7.4大地震；2011年3月10日盈江5.8級地震以及廣泛分布的溫泉預(yù)示著該區(qū)存在較強(qiáng)的地?zé)峄顒?，以及未來再次發(fā)生火山活動的可能［9］.因此，加強(qiáng)該區(qū)深部復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造認(rèn)識與研究對地震及火山預(yù)測具有重要的指導(dǎo)意義和參考價值.

地質(zhì)與地球物理資料分析表明，騰沖地區(qū)具有高熱流、低電阻率、低Q 值和低波速等特征［9－11］，Lei等給出的層析成像結(jié)果清晰顯示騰沖火山區(qū)下方的低速異?？裳由熘恋叵?00km深度［2］.黃金莉等對川滇地區(qū)速度結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果顯示，該區(qū)Pn波速度與現(xiàn)代構(gòu)造活動及地?zé)峄顒哟嬖谳^明顯的關(guān)聯(lián)［12］.姜朝松等分析了騰沖火山區(qū)的小震震源機(jī)制特征，發(fā)現(xiàn)地震活動主要集中在馬鞍山和熱海一帶，認(rèn)為地震活動與火山活動密切相關(guān)［13］.Lei等認(rèn)為2003年7月21日和10月16日兩次云南省大姚地震（M6.1和 M6.2）、2011年1—3月三次盈江地震（M＞4.0）與俯沖的印度板塊脫水產(chǎn)生的高溫流體上升有關(guān)［2－3］.以上研究雖針對騰沖火山區(qū)的速度結(jié)構(gòu)及研究區(qū)周圍地震成因給出一定的解釋，但針對騰沖火山區(qū)地殼精細(xì)速度結(jié)構(gòu)未能給出更好的結(jié)果.楊曉濤等利用層析成像方法反演了騰沖及鄰近地區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)，水平方向的分辨尺度達(dá)到了0.2°×0.2°［14］.

2002年12月，在國家自然科學(xué)基金重大項目的資助下，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在滇西地區(qū)開展了為期一年的流動臺陣觀測，獲得了豐富的地震資料.本文結(jié)合該流動臺網(wǎng)和固定臺站記錄的地震數(shù)據(jù)，利用有限差分層析成像方法反演騰沖地區(qū)P波速度結(jié)構(gòu)，對火山區(qū)下方的巖漿活動與龍陵七級地震震源區(qū)地殼深部的巖漿侵入的同源問題給出了新的認(rèn)識.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)

研究區(qū)位于東經(jīng)97.5°E—100°E、北緯24°N—26°N之間，由于層析成像計算中采用直角坐標(biāo)系，以（97.5°E，24°N）為坐標(biāo)原點(diǎn)，將數(shù)據(jù)投影至直角坐標(biāo)系中，坐標(biāo)范圍為東西向0～253.5km，南北向0～222.1km.研究區(qū)涵蓋了騰沖地區(qū)的主要火山和龍陵七級地震的震源區(qū)，主要斷裂包括怒江斷裂、騰沖斷裂、大盈江斷裂和龍陵斷裂.

流動臺網(wǎng)由24個臨時臺站組成（圖2），每個臺站配備由RefTek數(shù)據(jù)采集器（72A或130）和三分量地震計（Guralp CMG－3ESP）組成的寬頻帶地震儀.自2002年12月開始為期一年多的連續(xù)地震記錄，采樣率為50sps，采用GPS時間服務(wù)系統(tǒng).

震相走時拾取時，首先根據(jù)地方震目錄從流動臺網(wǎng)的臺站記錄中挑選出地震波形，并拾取P波初至到時.挑選地震事件和拾取到時遵循以下原則：（1）地震震中位于研究區(qū)內(nèi)；（2）震級一般需大于M2.0，但對于震相清晰且記錄臺站較多的地震事件可酌情處理；（3）地震波形具有較高的信噪比，確保初至震相清晰可辨；（4）取震源深度在25km之內(nèi)的地震事件，且每個地震能夠被多個臺站接收.據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，流動臺站地震記錄中一共挑選出106個地震事件，合計P波初至1587個，到時的拾取精度在0.02s左右.

為了彌補(bǔ)流動臺陣記錄時間短、到時數(shù)據(jù)較少的不足，另外收集了研究區(qū)內(nèi)7個固定臺站1990—2009年的地震資料，震源參數(shù)和P波到時均取自云南省地震觀測報告.共挑選出2.5級以上的地震事件1494個，P波初至4471個，每個地震事件具備4個以上的臺站記錄到時.

圖2 研究中使用的臺站及地震震中分布圖Fig.2 Distribution of stations and earthquakes used in this study

其次將固定臺站與流動臺站的地震資料整合，合并了流動臺網(wǎng)和固定臺站記錄中相同的地震事件，重新修訂了地震的震源參數(shù).并根據(jù)Liang等提出的方法對地震分布進(jìn)行均勻化處理［15］，以減少由于數(shù)據(jù)分布不均對反演結(jié)果的影響.處理后得到分布相對均勻的地震事件582個，合計2829個P波初至到時.圖2為研究中使用的地震及臺站的分布情況.

2.2 方法

走時計算采用了有限差分層析成像方法，由Vidale 1988年首先提出并推廣［16－17］；隨后 Hole將該方法改進(jìn)，使其適用于速度變化劇烈的介質(zhì)結(jié)構(gòu)［18－20］.反演采用阻尼最小二乘算法 LSQR［21］，其優(yōu)勢是求解大型稀疏矩陣方程組計算速度快，易于得到可靠的結(jié)果，適于在迭代過程中對不適定問題進(jìn)行數(shù)值分析.此外，在求解過稱中引入了阻尼因子和平滑因子，保證解的穩(wěn)定性，避免由于數(shù)據(jù)分布不均引起反演結(jié)果中出現(xiàn)不合理的局部異常.與射線追蹤方法相比，反演結(jié)果由于經(jīng)過了平滑處理，反演大網(wǎng)格之間居中的深度切片更能反映出反演得到的速度擾動幅值.

研究中給出的模型空間范圍略大于研究區(qū)內(nèi)地震和臺站的分布范圍，考慮到地震和臺站分布東西向范圍0～253.5km，南北向0～222.1km，臺站最大高程為2km，震源深度不超過25km，因此模型空間的范圍劃定為（－30，－30，－4）－（280，250，40）.以1km×1km×1km正方體為最小單元對三維地殼速度模型進(jìn)行剖分，利用有限差分方法計算理論走時.反演則根據(jù)射線分布情況對模型空間重新劃分，地殼淺部射線分布較為密集，反演網(wǎng)格相對較??；地殼深部地震事件較少，射線相對稀疏，反演網(wǎng)格設(shè)置較大.最終設(shè)定的反演網(wǎng)格水平方向上20×20個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)視為一個反演網(wǎng)格單元，網(wǎng)格深度界面分別為2km、8km、14km、20km、26km和33km，共計16×14×7個反演網(wǎng)格單元.每個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上相對初始速度模型的擾動量作為未知參數(shù)，通過反演計算求取.

初始速度模型的建立參考了騰沖地區(qū)深地震測深［9，22－23］及地震層析成像的結(jié)果［10，14，24］（圖3）.圖3中實(shí)線代表一維初始速度模型，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)的殘差分布對模型進(jìn)行了調(diào)整，虛線代表調(diào)整后的一維速度模型.初次迭代在調(diào)整后的速度模型上進(jìn)行，利用輸出的三維速度模型重新計算走時并進(jìn)行反演，經(jīng)過三次迭代后，當(dāng)均方誤差降低到設(shè)定要求后停止計算.

圖3 初始速度模型Fig.3 Starting velocity model

2.3 分辨率測試

本文采用棋盤格測試方法對模型分辨率進(jìn)行評價，具體步驟如下：

1）在初始速度模型基礎(chǔ)上將相鄰網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的速度擾動值設(shè)置成大小相等、正負(fù)相間的棋盤格模式，速度擾動的幅度為5%.由于采用有限差分層析成像算法，檢測板交錯速度擾動分界與反演采用的網(wǎng)格大小相同，16×14×7個大網(wǎng)格內(nèi)節(jié)點(diǎn)的速度擾動值大小相等、正負(fù)相間，每個大網(wǎng)格內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)賦給相同的擾動值，即深度界面取2km、8km、14km、20km、26km和33km，水平方向上每20×20個節(jié)點(diǎn)的速度值相同；

2）在棋盤格速度模型中，根據(jù)實(shí)際的震源和臺站分布計算理論走時和射線路徑，并將計算結(jié)果作為觀測走時；

3）在已給定的一維初始速度模型中進(jìn)行反演，將反演獲得的速度擾動與棋盤格理論模型進(jìn)行對比.深度界面2km、8km、14km、20km、26km 和33km之間的大網(wǎng)格內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的速度擾動結(jié)果不需要進(jìn)行平滑，因此檢測板反演結(jié)果中各深度界面之間的不同深度切片上的速度擾動情況相同.圖4給出了1km、5km、11km、17km、23km和30km（各分界面之間的任一深度）深度上檢測板反演結(jié)果，因33～40km之間的恢復(fù)情況較差，圖中未給出其結(jié)果.

圖4為水平方向P波速度模型恢復(fù)圖像.圖中可以看出，根據(jù)現(xiàn)有的震源和臺站分布，在研究區(qū)0～33km深度范圍內(nèi)，射線相對集中的區(qū)域均有較好的分辨，尤其是以騰沖火山區(qū)為中心的臺站覆蓋區(qū)域.與以往的研究相比，本文除了采用騰沖地區(qū)固定臺站的地震數(shù)據(jù)之外，還補(bǔ)充了20余個流動觀測臺站為期一年的地震數(shù)據(jù)，相對合理的臺站分布使得模型空間內(nèi)的射線分布得以改善，提高了反演結(jié)果的分辨率.

圖4 檢測板速度模型恢復(fù)圖像Fig.4 Recovered checkerboard velocity models

3 層析成像結(jié)果

3.1 水平切片

圖5為水平方向的層析成像切片，反映了0～33km之間6個不同深度的速度橫向變化.

1km深度上，研究區(qū)中央的低速異常主要分布在騰沖—盈江、團(tuán)田—潞西、保山以東和施甸東南地區(qū)；高速異常分布在騰沖以東至施甸一帶，固東以北也有幅值不大的高速異常分布.

5km深度上，騰沖—盈江、潞西以南、道街—保山一帶為高速；固東—團(tuán)田以低速為主.

11km深度上，新城—勐養(yǎng)—潞西、團(tuán)田—施甸、永德以北及保山以北等地為低速異常；大盈江斷裂以北及騰沖斷裂以西為高速特征，永平—施甸一帶為高速異常.兩次龍陵地震的震源位于低速與高速的過渡邊界.

17～30km深度上，大盈江斷裂以北及騰沖斷裂以西的高速異常范圍逐漸縮小，隨著深度的增加表現(xiàn)為低速.施甸東南方的低速也隨著深度的增加而減小，30km深度上表現(xiàn)為大范圍的高速特征.騰沖火山區(qū)下方出現(xiàn)明顯的低速結(jié)構(gòu)，團(tuán)田—施甸下方低速一直延伸至深部.

3.2 縱向速度剖面

圖6為三條垂直速度擾動剖面，其中a剖面經(jīng)過龍陵七級地震的震源區(qū)，b剖面與c剖面分別沿緯向與經(jīng)向穿過騰沖火山區(qū).

在a剖面中，騰沖地塊和保山地塊上地殼速度偏高，龍陵斷裂與怒江斷裂之間以低速為主，低速帶自西向東延伸至深部，斷裂兩側(cè)速度接近初始模型速度值或偏高，兩次七級地震均位于低速異常體邊界上.施甸盆地下方速度偏低，深度可達(dá)7～8km，異常體向東偏移后與龍陵地震下方的低速異常相連.盈江盆地下方也有類似的低速特征，深度可達(dá)10km左右，盆地下方的中下地殼速度明顯偏高.騰沖地塊與保山地塊的速度較周圍地區(qū)的速度偏高.

b和c剖面為兩條以騰沖火山區(qū)為交界的東西向和南北向的垂直剖面.成像結(jié)果顯示，火山區(qū)下方至5km深度有幅值較小的低速異常；5～15km速度略為偏高，深度低速異常一直延伸到地殼深部.從b剖面中可以看出，5～15km深度火山下方東側(cè)有明顯的低速異常；保山盆地8km沉積特征十分明顯，8km以上為低速層，8km深度以下速度偏高，西側(cè)4～8km深度之間有一高速體，其下的低速區(qū)延伸至地殼深部.c剖面中清晰可見火山區(qū)中下地殼低速向深部延伸.北側(cè)固東下方大約5～15km深度之間存在一個高速區(qū).在盈江斷裂和龍陵斷裂之間，地殼淺部至14km左右速度偏低，14km深度以下速度明顯高于騰沖火山區(qū)一側(cè).

4 分析與討論

騰沖地區(qū)自新生代以來發(fā)生高溫變質(zhì)、巖漿入侵和火山活動，現(xiàn)今地震活動仍十分頻繁.騰沖火山區(qū)的深部結(jié)構(gòu)和巖漿活動一直受到地球科學(xué)家的廣泛關(guān)注，龍陵七級地震的構(gòu)造成因也是地學(xué)界研究的熱門問題之一.根據(jù)本文反演的地殼速度結(jié)構(gòu)，以下主要針對騰沖火山區(qū)的巖漿活動、龍陵七級地震的構(gòu)造成因等問題進(jìn)行分析與討論.

4.1 騰沖火山區(qū)的巖漿活動

一般認(rèn)為，火山區(qū)下方的低速異常多為尚未固結(jié)的巖漿囊或部分熔融物質(zhì)，高速體則為已冷卻固結(jié)的巖漿侵入體或早期火山作用中難揮發(fā)的高密度殘留物質(zhì)［25－26］，如夏威夷火山［27］、新西蘭 Taranaki火山［28］、厄瓜多爾 Tungurahua火山［29］、美國黃石火山［30］、法國 Mont Dore火山［31］以及美 國Jemez火山［32］等等.

本文的研究結(jié)果表明，騰沖火山區(qū)地殼淺部的低速層僅從地表至5km深度，厚度較小，推斷為第三紀(jì)和第四紀(jì)盆地沉積和火山堆積所致，這一認(rèn)識與 以 往 的 地 震 層 析 成 像 結(jié) 果 較 為 一 致［9－10，21－22，24］.5～15km深度上的速度相對偏高，該高速體在其它的層析成像研究中均有反映：在秦嘉政等的結(jié)果中，高速體范圍在9～15km［23］；王椿鏞等的結(jié)果表明上地殼和上地幔呈低速異常，下地殼為正常速度或偏高［21］；楊曉濤等的結(jié)果中，火山下方5～10km速度偏高［24］，推測該高速體是向上侵入后冷卻凝固的巖漿侵入體或早期火山作用中難揮發(fā)的高密度殘留體.

目前已有很多證據(jù)證實(shí)騰沖火山下方存在巖漿囊.闞榮舉和趙晉明根據(jù)騰沖的近代火山活動、各種物理屬性值以及巖漿沖擊型震源機(jī)制，認(rèn)為火山區(qū)下方存在巖漿囊［1］；王椿鏞等、白志明等、樓海等、楊曉濤等及Lei等的地震層析成像研究結(jié)果證實(shí)了該區(qū)殼幔深部存在巖漿囊或巖漿上涌通道［2，9－10，21－22，24］.騰沖地區(qū)的高鉀鈣堿性玄武巖來源于地幔物質(zhì)［33］，也說明這條低速異常帶是地幔巖漿源區(qū)物質(zhì)上升的通道.本文成像結(jié)果中火山正下方5～15km雖為高速的高密度殘留體，但從圖6（b—c）剖面中清晰可見火山區(qū)下方中下地殼低速向深部延伸，推測這些低速異常很可能代表處于熔融或半熔融狀態(tài)的巖漿體.圖5f中騰沖斷裂與怒江斷裂南段之間的低速異常也非常明顯，并且與騰沖火山區(qū)下方的低速體相連，推斷火山區(qū)下方的上地殼低速異常很可能與龍陵地區(qū)地殼深部的低速異常擁有相同的巖漿源.Lei等認(rèn)為騰沖火山與裂谷作用相關(guān)，是由印度板塊俯沖脫水及地幔楔角落流所引起的［2］，更好地支持了本文中低速體沿斷裂的分布形態(tài).

4.2 龍陵7級地震的深部構(gòu)造成因

1976年5月29日，云南省龍陵地區(qū)相繼發(fā)生了兩次七級地震.根據(jù)國家地震臺網(wǎng)公布的震中位置（24.5°N，99°E）和（24.6°N，98.7°E），兩次地震震中分別臨近怒江斷裂和龍陵斷裂，斷裂均以走滑破裂為主，斷面傾角較陡［34］.陳學(xué)波等認(rèn)為地震震源深度在12km左右［35］，中國地震臺網(wǎng)和云南地震臺網(wǎng)公布的震源深度均為20km，哈佛大學(xué)利用震源機(jī)制確定震源深度為15km.

圖6a中的速度擾動結(jié)果顯示，震源區(qū)下方速度等值線嚴(yán)重扭曲，高速體與低速體的邊界附近具有孕震的特殊構(gòu)造條件，反映出震源區(qū)復(fù)雜的深部結(jié)構(gòu).剖面中怒江斷裂和龍陵斷裂之間的地殼平均速度偏低，該處在寒武紀(jì)基底上有大量不同時期的巖漿侵入巖出露，表明歷史上曾發(fā)生過多期熱構(gòu)造事件［24，34］.怒江斷裂東側(cè)為保山地塊的西部邊緣，其基底為寒武紀(jì)古老地層；龍陵斷裂西側(cè)為騰沖地塊的東部邊緣，分布有高黎貢深變質(zhì)花崗巖，兩個區(qū)域均與圖中的高速結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，具有較大的應(yīng)變強(qiáng)度.由此可見，殼內(nèi)速度結(jié)構(gòu)的變化反映巖石應(yīng)變強(qiáng)度的不均一性，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力積累的不均一性，構(gòu)成強(qiáng)震孕育發(fā)生的構(gòu)造環(huán)境，這一認(rèn)識與楊曉濤等［24］的成像結(jié)果分析較為一致.此外，與白志明等［22］層析成像結(jié)果相比，在震源深度上略有差異，但總體認(rèn)識基本一致，提出高速塊體和低速塊體的邊界附近應(yīng)力積累和能量聚集不均是強(qiáng)震孕育發(fā)生的重要構(gòu)造條件.

此外，龍陵斷裂與騰沖斷裂在震源區(qū)附近交匯，怒江斷裂與龍陵斷裂之間的低速異常有向下延伸至下地殼和上地幔的趨勢.由于該區(qū)域受到多條深斷裂的控制，裂隙發(fā)育、流體侵入，推斷震源區(qū)下方的低速體很可能與騰沖火山區(qū)下方的低速異常來自同一巖漿源區(qū).

5 結(jié) 論

利用滇西南地區(qū)流動臺陣與固定臺站的地震觀測數(shù)據(jù)，采用有限差分層析成像方法反演了騰沖地區(qū)的地殼P波速度結(jié)構(gòu)，分析了騰沖火山區(qū)的巖漿活動和龍陵七級地震的構(gòu)造成因.

騰沖火山區(qū)地殼平均速度偏低，隨著深度的增加，速度變化較大.地殼淺層低速主要與盆地沉積、火山堆積、流體裂隙和熱泉活動等有關(guān)；5～15km深度之間速度偏高，估計為早期火山通道內(nèi)冷卻固結(jié)的巖漿侵入體或難以揮發(fā)的高密度殘留體，也可能是殘留在上地殼巖漿通道內(nèi)的超鐵鎂質(zhì)堆積巖；深部的低速體代表了尚處于熔融或半熔融狀態(tài)的巖漿體，是現(xiàn)今殼內(nèi)巖漿活動的主要區(qū)域.此外，騰沖火山區(qū)與龍陵震源區(qū)地殼深部的巖漿活動很可能來自同一源區(qū)，沿著騰沖斷裂與盈江斷裂、龍陵斷裂與怒江斷裂的交匯部位向上侵入.

龍陵七級地震發(fā)生在斷裂交匯部位，在地殼深部處于高速塊體與低速塊體的接觸邊界.判斷兩斷裂為深部斷裂，深部伴有巖漿侵入并受龍陵斷裂和怒江斷裂的控制.由于巖漿作用導(dǎo)致殼內(nèi)介質(zhì)流變強(qiáng)度降低，而斷裂帶兩側(cè)塊體地殼介質(zhì)應(yīng)變強(qiáng)度較大，為應(yīng)力積累的主要載體.推斷火山活動終止后中下地殼和上地幔的能量得不到釋放，在上述構(gòu)造部位應(yīng)力大量聚集.介質(zhì)強(qiáng)度橫向差異較大、應(yīng)力積累分布不均以及深部巖漿活動可能是龍陵地區(qū)發(fā)生強(qiáng)震的主要原因.

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