滇西地區(qū)地殼速度結(jié)構及其構造意義

楊 婷 吳建平 房立華 王長在

(中國地震局地球物理研究所，北京 100081)

0 引言

滇西地區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊碰撞或俯沖的邊界地帶，地處青藏高原東南部，是全球古特提斯造山帶發(fā)育最好、保存最完整的大陸碰撞和新特提斯洋斜向俯沖的典型地區(qū)，也是現(xiàn)今大陸新生代斜向匯聚縮短最強烈的地段(胥頤等，2012)。受印度板塊NE向側(cè)向擠壓碰撞的影響，研究區(qū)的斷裂帶主要呈近SN向或NE、NW區(qū)塊體間重要的構造分界線。岡瓦納陸塊與揚子地塊被金沙江－紅河斷裂帶分離，而瀾滄江斷裂、南汀河斷裂和怒江斷裂又將金沙江－紅河斷裂帶以西區(qū)域劃分為蘭坪－思茅地塊、臨滄地塊、保山地塊和騰沖地塊(圖1a)。作為青藏高原物質(zhì)受擠壓向SE流出的通道(曾融生等，1992)，對該區(qū)深部介質(zhì)結(jié)構的研究，有助于深入認識該區(qū)在高原物質(zhì)逃逸過程中的重要作用。

滇西地區(qū)的瑞麗－西昌地震帶、瀾滄－耿馬地震帶和思茅－普洱地震帶是中國地震多發(fā)地帶。1970年以來，滇西地區(qū)共發(fā)生了6次7級以上的地震，包括1976年龍陵MS7.3和MS7.4地震、1988年瀾滄MS7.6地震、1988年耿馬MS7.2地震、1995年孟連MS7.3地震以及1996年麗江MS7.0地震。近年來，盈江、騰沖、寧蒗和洱源等地接連發(fā)生MS5.0以上地震，嚴重危及當?shù)厝嗣竦纳拓敭a(chǎn)安全。地震研究人員對滇西地區(qū)速度結(jié)構開展了大量的研究工作，包括人工地震測深(胡鴻翔等，1986;林中洋等，1993;Wang et al.，2004;張中杰等，2005;Zhang et al.，2009)、接收函數(shù)反演(吳建平等，2001;徐鳴潔等，2005;李永華等，2009)、接收函數(shù)和面波聯(lián)合反演(胡家富等，2005;Li et al.，2008)，以及層析成像研究(Huang et al.，2002;Wang et al.，2003;Lei et al.，2009)，獲得了大量有意義的研究結(jié)果，如紅河斷裂帶東西兩側(cè)殼幔結(jié)構存在明顯的差異、滇西地區(qū)殼內(nèi)低速層分布廣泛等。但由于滇西地區(qū)位于中國西南邊境，地震臺站分布相對稀疏，臺間距較大且分布不均勻，難以揭示研究區(qū)的精細結(jié)構特征。

圖1 滇西地區(qū)地質(zhì)構造及臺站分布圖(a);震中位置分布圖，紅色圓圈表示地震(b)Fig.1 Geological tectonic settings and the distribution of stations in the western Yunnan region(a)，and epicentral distribution of the local events(b).Red circles denote the location of the earthquakes(b).

由中國地震局地球物理研究所承擔的喜馬拉雅臺陣一期項目在滇西地區(qū)布設的密集流動臺站(圖1a)，自2011年8月開始實時傳輸波形數(shù)據(jù)，豐富的地震波形數(shù)據(jù)資料為該區(qū)精細速度結(jié)構的研究創(chuàng)造了有利條件。

1 數(shù)據(jù)資料與方法

本研究收集了2011年8月至2012年8月流動臺站記錄的ML1.5以上地震的波形數(shù)據(jù)資料，應用吳建平研究員開發(fā)的基于川滇地區(qū)三維走時表的地震分析軟件處理了1593個地震事件，得到了44651組P波和S波震相數(shù)據(jù)。震中分布如圖1b所示，時距曲線如圖2a所示。震源深度主要分布在上地殼(圖2b)。

圖2 流動臺站P波和S波走時曲線(a);震源深度分布柱狀圖(b)Fig.2 Travel time curves of P-and S-wave of the temporary stations(a)，and histogram of the focal depth(b).

利用趙大鵬教授提出的走時層析成像方法，對滇西地區(qū)的速度結(jié)構進行研究，具體方法參考Zhao等(1992，1994)。地殼一維速度結(jié)構根據(jù)人工地震測深結(jié)果以及反演結(jié)果進行調(diào)整(圖3)。研究區(qū)內(nèi)莫霍界面的深度由南向北逐漸加深。張智等(2006)利用初至波和殼內(nèi)反射波走時層析成像獲得了云南思茅－中甸地震剖面的P波速度結(jié)構，發(fā)現(xiàn)沿測線從北至南地殼厚度從50km減薄至35km，地殼厚度的減薄主要體現(xiàn)在下地殼，北段下地殼厚度約30km，而南段約15km。林中洋等(1993)認為滇西地區(qū)地殼平均速度變化劇烈，南低北高，Conrad面深度從南端的21km加深至北端的24km，莫霍面的深度從南端的38km加深至北端的58km。本研究莫霍界面的深度(圖4)參考了遠震接收函數(shù)(Wang et al.，2014)和人工地震測深剖面的結(jié)果(闞榮舉等，1986;林中洋等，1993)。

在進行層析成像結(jié)果討論之前，需要對研究區(qū)下方的射線覆蓋交叉能力以及結(jié)果的分辨能力進行分析。采用檢測板方法(Humphreys et al.，1988)進行分辨率測試，通過多次檢測板試驗，最終確定將研究區(qū)以水平間距0.5°，垂向以1km、10km、20km、40km和70km進行網(wǎng)格剖分，分辨率測試結(jié)果如圖5所示。近震層析成像中，中、下地殼，尤其是下地殼的成像結(jié)果的確比上地殼的成像結(jié)果差，但采用P波初至波的數(shù)據(jù)資料進行反演，考慮到地殼內(nèi)部速度以正梯度結(jié)構為主，射線可經(jīng)過中、下地殼，從而對地殼深部的速度結(jié)構進行約束。另一方面，反演中利用了大量的Pn波數(shù)據(jù)資料，可進一步增加射線在中、下地殼深度的交叉密度，從而提高對中、下地殼的分辨力。通過檢測板試驗結(jié)果，可以看出在滇西地區(qū)中心區(qū)域20km和40km深度的分辨率基本能達到要求。經(jīng)過3次迭代反演后，走時殘差降至0.34s。

2 層析成像結(jié)果

圖3 一維速度模型圖Fig.3 1－D velocity model.

圖4 莫霍界面的深度分布圖Fig.4 Depth of the Moho discontinuity.

圖5 檢測板試驗結(jié)果Fig.5 Results of the checkerboard resolution test.

圖6為反演獲得的研究區(qū)的速度結(jié)構結(jié)果。上地殼(1～10km)速度結(jié)構反映了沉積蓋層的厚度分布特征，沉積蓋層厚度的差異導致速度結(jié)構明顯的橫向不均勻性。在1km深度，高速異常主要分布在花崗巖和玄武巖出露的地方(騰沖地塊、保山地塊、臨滄地塊和攀枝花附近區(qū)域)，以及麗江－小金河斷裂以東、程海斷裂以西的地區(qū)。騰沖地塊和保山地塊分界的瑞麗－龍陵斷裂，保山地塊和臨滄地塊分界的南汀河斷裂為低速區(qū)。此外，低速異常還分布在楚雄盆地、麗江盆地、中甸盆地、寧蒗－鹽源附近區(qū)域，以及蘭坪、思茅紅色沉積盆地。在10km深度，騰沖地塊和臨滄地塊表現(xiàn)為低速區(qū)，蘭坪盆地和楚雄盆地仍表現(xiàn)為低速異常。由麗江－小金河斷裂、程江斷裂和金沙江－紅河斷裂圍限的滇西北裂陷區(qū)為低速區(qū)。以往關于滇西地區(qū)電性結(jié)構、速度結(jié)構的研究(孫潔等，1989;Huang et al.，2002;Wang et al.，2003)發(fā)現(xiàn)，滇西地區(qū)殼內(nèi)普遍存在低阻、低速區(qū)。何正勤等(2004)研究發(fā)現(xiàn)云南地區(qū)第四紀沉積厚度為2～4km，思茅－景谷盆地、麗江－鹽源陸源坳陷和川滇菱形塊體南部的楚雄盆地地殼淺表層S波速度較低。而保山地塊、攀枝花—西昌附近區(qū)域以及彌渡以南的紅河斷裂帶以西區(qū)域在10km深度表現(xiàn)為高速區(qū)。

圖6 1～40km深度速度結(jié)構平面圖Fig.6 Velocity structures of the depths of 1～40km.

中地殼(20km)速度結(jié)構與淺層速度結(jié)構相比發(fā)生了顯著的變化，騰沖、保山和臨滄地塊下方呈現(xiàn)高速異常。臨滄地塊和騰沖火山區(qū)在10km深度表現(xiàn)為低速異常，但20km深度上臨滄、騰沖地塊均呈現(xiàn)明顯的高速異常。以無量山斷裂為界的東西兩側(cè)，速度結(jié)構差異較大。西思茅盆地表現(xiàn)為高低速相間的速度結(jié)構，而東思茅盆地大致呈低速異常。滇西北裂陷區(qū)在該深度為高速區(qū)，與其東側(cè)攀枝花附近的高速區(qū)相連。彌渡以南的紅河斷裂帶附近區(qū)域在中地殼表現(xiàn)為大范圍的高速異常，西至瀾滄江斷裂、東抵楚雄斷裂。

下地殼(40km)速度結(jié)構與“凌亂”的中上地殼速度結(jié)構不同，逐漸表現(xiàn)出分塊的特征。金沙江斷裂以西的騰沖地塊和保山地塊大致表現(xiàn)為低速異常，以東表現(xiàn)為高速異常，表明金沙江斷裂可能是切穿整個地殼的深大斷裂。臨滄地塊呈低速異常，瀾滄江斷裂南段與無量山斷裂之間表現(xiàn)為高速異常，思茅－普洱以南區(qū)域則表現(xiàn)為低速異常。彌渡以南的紅河斷裂帶附近區(qū)域仍存在高速異常。攀枝花以西、金沙江－紅河斷裂以東大致呈高速異常，而攀枝花附近區(qū)域則為低速區(qū)。

3 討論

3.1 金沙江－紅河斷裂帶的速度結(jié)構

金沙江－紅河斷裂帶位于印支地塊和揚子地塊之間，是區(qū)內(nèi)一條重要的古縫合帶，古近紀—新近紀曾發(fā)生較大規(guī)模的左行走滑活動，現(xiàn)今新構造運動表現(xiàn)為右行走滑特征，是青藏高原物質(zhì)SE向擠出過程中重要的陸內(nèi)變形帶。作為塊體間重要的構造邊界帶，紅河斷裂帶北段的洱源至彌渡一帶地震活動性較強，而紅河斷裂帶中段的彌渡至紅河一帶地震活動性較弱。自1498年具有較全地震記載以來，紅河斷裂帶北段MS5.0以上地震共發(fā)生了27次，而中段僅發(fā)生過1次，位于石屏附近距紅河斷裂10km左右(張建國，2009)。與之平行展布的位于其東側(cè)的楚雄－建水斷裂和曲江斷裂歷史上曾多次發(fā)生MS7.0以上大震。本研究反演結(jié)果表明(圖6)，紅河斷裂帶中段殼內(nèi)速度結(jié)構大致表現(xiàn)為大范圍的高速異常，可能表明該區(qū)段具有較穩(wěn)定的地殼結(jié)構。分別繪制了沿紅河斷裂北段(25.5°N)和中段(24.5°N)的速度結(jié)構剖面(圖7)，分析表明，紅河斷裂北段中上地殼為明顯的低速異常，而中段的中下地殼呈明顯的高速異常特征，其東側(cè)的楚雄－建水斷裂在中地殼表現(xiàn)為明顯的低速異常。由此推測，中地殼深度的低速異?？赡苁钦T發(fā)地震的重要因素，而紅河斷裂帶中段中下地殼內(nèi)的高速塊體可能表明其具有穩(wěn)定的地殼結(jié)構特征。紅河斷裂帶中段地震活動性較弱，可能表明該區(qū)段現(xiàn)階段處于閉鎖狀態(tài)。然而，作為一條重要的塊體邊界斷裂帶，若區(qū)域內(nèi)能量無法釋放，隨著應力進一步的積累，一旦應力積累達到臨界點，很可能觸發(fā)大地震。因此，彌渡以南的紅河斷裂帶中段應是未來重點監(jiān)測的地段之一。

3.2 金沙江－紅河斷裂帶兩側(cè)的速度結(jié)構

金沙江－紅河斷裂帶是晉寧期元古大洋向東俯沖消亡，古板塊碰撞結(jié)合形成的一條縫合帶。作為重要的古老構造分界帶，長期以來控制著其兩側(cè)塊體的地質(zhì)構造特征。

圖7 沿紅河斷裂北段(25.5°N)和中段(24.5°N)速度結(jié)構剖面圖Fig.7 Vertical velocity profiles of the northern segment(25.5°N)and middle segment(24.5°N)along the Honghe Fault.

3.2.1 金沙江－紅河斷裂帶以北的速度結(jié)構

攀枝花附近的高速異常從地表可一直延伸至中地殼，并在中下地殼深度與滇西北地區(qū)的高速異常連在一起，形成大范圍的高速塊體。而滇西北地區(qū)上地殼深度則表現(xiàn)為明顯的低速區(qū)，也是地震頻發(fā)地帶。吳建平等(2013)對小江斷裂帶周邊地區(qū)的速度結(jié)構研究結(jié)果表明，攀枝花附近區(qū)域在地殼深度范圍內(nèi)均表現(xiàn)為高速異常，認為高速異?？赡苁峭砉派蒯Ｖ顒訉е麓罅炕院统葬Ｔ次镔|(zhì)侵入地殼引起的。本研究結(jié)果表明(圖6)，攀枝花附近的高速異常不只局限在攀枝花附近，這一高速異常塊體在中下地殼深度與其西側(cè)的滇西北高速塊體相連，共同形成了阻擋青藏高原物質(zhì)向SE逃逸的屏障。

青藏高原地殼物質(zhì)向SE擠出，對位于青藏高原東南隅的滇西地區(qū)的地質(zhì)地貌特征、速度結(jié)構產(chǎn)生了較大的影響。橫跨麗江－小金河斷裂的A—A'剖面(剖面線位置如圖1b所示)的速度結(jié)構表明(圖8)，麗江－小金河斷裂中上地殼存在低速異常體，高低速異常交界地帶成為地震主要發(fā)生的區(qū)域。麗江－小金河斷裂以北的低速異常體，可能反映了青藏高原SE向擠出物質(zhì);而麗江－小金河斷裂以南的從地表一直延伸至下地殼的高速異常塊體對向SE方向逃逸的高原物質(zhì)產(chǎn)生了強烈的阻擋作用。以麗江－小金河斷裂為界，川滇活動塊體被麗江－小金河斷裂劃分為北部的川西北次級塊體和南部的滇中次級塊體。地質(zhì)研究表明，斷裂以北平均海拔高度超過3500m，南部平均海拔高度向南陡降至2000m左右。麗江－小金河斷裂南北兩側(cè)不僅海拔高度存在劇烈變化，斷裂兩側(cè)差異運動也很明顯，西北次級塊體向SE的水平滑移速率值較滇中次級塊體高2mm/a，晚第四紀以來的平均差異升降運動(逆)速率達1.0～1.3mm/a(何宏林等，1993;徐錫偉等，2003)。我們認為麗江－小金河斷裂以北的高速異常體增強了地殼介質(zhì)的力學強度，在滇西北和滇中地區(qū)形成殼內(nèi)堅硬塊體，青藏高原物質(zhì)向南擠出時受到了阻擋，從而導致北部地形的快速隆升。

圖8 沿A—A'剖面的速度結(jié)構Fig.8 Vertical velocity profile along A-A'.

3.2.2 金沙江－紅河斷裂帶以南的速度結(jié)構

位于金沙江－紅河斷裂以南的騰沖地塊和保山地塊在40km深度上呈現(xiàn)明顯的低速異常，與其北側(cè)的高速塊體形成明顯對比。區(qū)域?qū)游龀上窈腿驅(qū)游龀上竦难芯拷Y(jié)果表明(Huang et al.，2006;Lei et al.，2008;Li et al.，2008)，騰沖附近區(qū)域下方的地幔低速異?？裳由熘?00km深度。該區(qū)地處印度板塊和歐亞板塊俯沖碰撞的交界地帶，印度板塊東向的俯沖可能導致地幔熱物質(zhì)的上涌，從而引起下地殼、地幔深度大規(guī)模的低速異常。大地熱流測量結(jié)果(胡圣標等，2001)也揭示了騰沖附近區(qū)域是中國大陸熱流值最高的地區(qū)，平均熱流值為100mW/m2，最高可達140mW/m2。由此推測，該區(qū)下地殼大范圍的低速異常很可能與深部熱作用有關。李飛等(2011)利用Pn波層析成像方法獲得的速度結(jié)果顯示，騰沖附近區(qū)域下方的Pn波速度值偏低。一般認為Pn波速度橫向變化與物質(zhì)成分、壓強、水和揮發(fā)物含量等的變化有關，但主要受溫度影響較大。以往的研究結(jié)果表明，新構造活動強烈、有火山活動、大地熱流值高的地區(qū)的Pn速度偏低。騰沖附近區(qū)域的莫霍界面的深度為40km左右，這一深度上的低速異常恰是該區(qū)強烈的火山活動和高熱流的反映。

圖9中沿25°N剖面由西向東依次經(jīng)過騰沖火山區(qū)、怒江斷裂、瀾滄江斷裂。騰沖火山下方的速度結(jié)構呈現(xiàn)高、低速交替成層分布的特點，上地殼淺部為高速異常，深部為低速異常，中地殼表現(xiàn)為高速異常，而下地殼又呈現(xiàn)低速異常。該區(qū)域地震主要發(fā)生在上地殼范圍內(nèi)。騰沖火山區(qū)下方的低速異常通常與固結(jié)的巖漿囊或部分熔融物質(zhì)有關，而高速異常則是已經(jīng)冷卻固結(jié)的巖漿侵入體或早期火山作用中難以揮發(fā)的高密度殘留物質(zhì)(Lees，2007)。騰沖—保山附近區(qū)域20km深度的中地殼表現(xiàn)為高速異常。人工地震測深結(jié)果也表明(Wang et al.，2004)，騰沖火山區(qū)上地殼為低速區(qū)，而在中下地殼卻存在高速區(qū)。對全球火山的研究同樣發(fā)現(xiàn)，火山區(qū)下方或附近區(qū)域的地殼內(nèi)有不同規(guī)模的高速異常體，如冰島的亨吉德火山(Toomey et al.，1989)、夏威夷的基拉韋厄火山(Rowan et al.，1993)和意大利埃特納火山(Patanè et al.，2003)?；鹕綎|側(cè)的怒江斷裂下方的地震分布形態(tài)表現(xiàn)為直立特征，與走滑斷裂下方地震分布一致。

圖9 沿25°N速度結(jié)構剖面圖Fig.9 Vertical velocity profile along 25°N.

4 結(jié)論

滇西地區(qū)是青藏高原物質(zhì)受擠壓向SE流出的通道，金沙江－紅河斷裂帶作為研究區(qū)塊體間重要的古老構造邊界帶，長期以來控制著斷裂兩側(cè)塊體內(nèi)部的地質(zhì)構造特征。本研究利用密集流動臺站記錄的地震波形數(shù)據(jù)資料，重點分析了滇西地區(qū)金沙江－紅河斷裂帶及其兩側(cè)速度結(jié)構和構造意義，主要研究結(jié)果如下:

(1)紅河斷裂帶中段的彌渡至紅河一帶具有高速的地殼結(jié)構，與其東側(cè)的楚雄－建水斷裂及紅河斷裂帶北段的洱源至彌渡一帶呈現(xiàn)的中地殼低速異常存在明顯差異。歷史地震數(shù)據(jù)表明紅河斷裂帶中段的地震活動性較弱。紅河斷裂帶中段的高速地殼結(jié)構以及較弱的地震活動性，表明該區(qū)現(xiàn)階段可能處于閉鎖狀態(tài)，然而作為塊體間重要的構造邊界帶，應是未來重點監(jiān)測地段之一。

(2)位于金沙江－紅河斷裂以北的攀枝花附近的高速異常從地表可一直延伸至中地殼，并在中下地殼深度與滇西北地區(qū)的高速異常連在一起，形成大范圍的高速塊體。推測這一高速異常體對青藏高原物質(zhì)向南逃逸起到一定的阻擋作用，可能是導致川滇活動塊體北部次級塊體快速抬升的重要因素。

(3)位于金沙江－紅河斷裂以南的騰沖、保山地塊在下地殼表現(xiàn)為明顯的低速異常。該區(qū)地處印度板塊向歐亞板塊東向碰撞俯沖的交界帶，結(jié)合區(qū)域?qū)游龀上窈腿驅(qū)游龀上竦难芯拷Y(jié)果揭示了騰沖附近區(qū)域地幔低速異?？裳由熘?00km深度，考慮到該區(qū)是中國大陸熱流值最高的區(qū)域，推測該低速異常與印度板塊東向俯沖引起的地幔熱物質(zhì)上涌有關。

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