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      天山及其鄰區(qū)地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu)的接收函數(shù)與面波頻散聯(lián)合反演

      2014-12-19 09:45:20劉文學(xué)劉貴忠欣張慧民徐恒壘王紅春
      地震學(xué)報(bào) 2014年1期
      關(guān)鍵詞:面波天山臺(tái)站

      劉文學(xué) 劉貴忠 周 剛 李 欣張慧民 徐恒壘 王紅春

      1)中國(guó)西安710049西安交通大學(xué)

      2)中國(guó)西安710024西北核技術(shù)研究所

      引言

      通過(guò)地震學(xué)方法建立大陸造山帶地區(qū)的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu),對(duì)理解和推斷造山帶的形成和演化,造山帶地殼縮短與增厚機(jī)制,以及板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)等都具有積極意義.天山造山帶作為世界陸內(nèi)最大的造山帶之一,是利用地震觀測(cè)進(jìn)行地殼上地幔結(jié)構(gòu)研究,進(jìn)而建立造山帶動(dòng)力學(xué)模型的理想場(chǎng)所.20世紀(jì)80年代以來(lái),中外學(xué)者利用地震學(xué)觀測(cè)數(shù)據(jù),廣泛深入地研究了天山及其鄰區(qū)地殼上地幔結(jié)構(gòu)模型.例如:基于天山和周?chē)貐^(qū)流動(dòng)和固定地震臺(tái)站數(shù)據(jù),利用地震波走時(shí)層析成像研究中國(guó)境內(nèi)天山地殼上地幔的速度結(jié)構(gòu)(郭飚等,2006)及天山帕米爾接合帶的地殼速度結(jié)構(gòu)(胥頤等,2006);利用面波頻散研究天山和青藏高原不同路徑上的S波速度結(jié)構(gòu)(Romanowicz,1982;Cotton,Avouac,1994;Mahdi,Pavlis,1998;Ketter et al,2006);利用接收函數(shù)研究天山不同部分及盆山接合部的地殼上地幔結(jié)構(gòu)(Kosarev et al,1993;Vinnik et al,2004;李順成等,2005;米寧等,2005;李海鷗等,2006;李昱等,2007);利用深地震反射和折射方法建立橫過(guò)天山不同部位的速度結(jié)構(gòu)模型(高銳等,2001,2002;賀日政等,2001)等.通過(guò)這些研究提出了多種天山造山帶的動(dòng)力學(xué)模型.

      建立天山和周邊地區(qū)地殼上地幔結(jié)構(gòu),除了可以加深對(duì)造山帶動(dòng)力學(xué)模型和造山機(jī)制的理解外,還可以為地震觀測(cè)技術(shù)在全面禁止核試驗(yàn)條約核查方面的應(yīng)用提供服務(wù).這些應(yīng)用服務(wù)主要體現(xiàn)在提高地震事件的定位精度,提高事件識(shí)別判據(jù)的可移植性和甄別解釋異常事件特性等方面.尤其是該地區(qū)分布著前蘇聯(lián)位于哈薩克斯坦境內(nèi)的核試驗(yàn)場(chǎng)和中國(guó)的羅布泊核試驗(yàn)場(chǎng),因此針對(duì)區(qū)域地殼上地幔模型深入研究該區(qū)域地震波的傳播特性具有特別的現(xiàn)實(shí)意義.每年一次的代表全面禁止核試驗(yàn)地震核查發(fā)展趨勢(shì)的地震研究評(píng)論系列文集中包含了關(guān)于該地區(qū)地殼上地幔研究的最新動(dòng)向和研究成果(Herrmann et al,2001;Ammon et al,2004;Martin et al,2010).

      地震接收函數(shù)和面波頻散是兩種比較成熟的建立地球內(nèi)部地殼上地幔結(jié)構(gòu)的反演方法,應(yīng)用十分廣泛(陳九輝,劉啟元,2000;吳慶舉等,2003;劉啟元等,2010),但二者各有優(yōu)劣之處.例如:接收函數(shù)對(duì)地球內(nèi)部速度對(duì)比明顯的間斷面比較敏感,而對(duì)絕對(duì)速度不敏感,并且存在速度與間斷面埋深之間的非唯一性;而面波頻散反映的是傳播路徑上的平均速度,對(duì)絕對(duì)速度敏感,但對(duì)速度的對(duì)比不敏感.因此,采用接收函數(shù)和面波頻散聯(lián)合反演可以取長(zhǎng)補(bǔ)短,減小反演結(jié)果的非唯一性.在全面禁止核試驗(yàn)條約的背景下,國(guó)外對(duì)包括天山及其周邊地區(qū)在內(nèi)的中亞地區(qū)地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行了充分的研究,而我國(guó)在這方面的研究還比較薄弱.隨著國(guó)際和國(guó)內(nèi)地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展,觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量得到提高,為我們建立天山和周邊地區(qū)較精細(xì)的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)模型提供了條件.本文采用地震接收函數(shù)與面波頻散數(shù)據(jù)聯(lián)合反演,建立天山及其周邊地區(qū)地殼上地幔三維速度結(jié)構(gòu)模型,為研究陸內(nèi)造山帶巖石圈演化機(jī)制和推進(jìn)我國(guó)禁核試地震核查技術(shù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

      1 數(shù)據(jù)和方法

      1.1 接收函數(shù)

      研究區(qū)域的地震臺(tái)站主要分布于天山及其周邊地區(qū),且分屬于不同的區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng),分別是新疆?dāng)?shù)字地震臺(tái)網(wǎng)、吉爾吉斯斯坦境內(nèi)的KN臺(tái)網(wǎng)、哈薩克斯坦境內(nèi)的KZ臺(tái)網(wǎng)和CHENGIS臺(tái)網(wǎng)(圖1),其中CHENGIS臺(tái)網(wǎng)為運(yùn)行了18個(gè)月的PASSCAL項(xiàng)目流動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng).我們采用新疆?dāng)?shù)字地震臺(tái)網(wǎng)2008年2月—2009年4月的地震波形、KN和KZ臺(tái)網(wǎng)1999—2004年的地震波形和CHENGIS臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行期間的波形來(lái)計(jì)算接收函數(shù).對(duì)上述臺(tái)網(wǎng)中的每一個(gè)臺(tái)站,均采用寬頻帶波形數(shù)據(jù),并且挑選其中震級(jí)mb≥5.5、三分向記錄完整、P波信噪比好、震中距為30°—90°的遠(yuǎn)震事件波形.然后對(duì)每個(gè)臺(tái)站的三分向記錄進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn),使得水平分向由南北和東西向旋轉(zhuǎn)為徑向和切向.旋轉(zhuǎn)后P波波形利用時(shí)域迭代去卷積算法(Ligorria,Ammon,1999)進(jìn)行接收函數(shù)計(jì)算,高斯濾波因子分別取0.5,1.0和2.5.計(jì)算結(jié)果中只保留對(duì)徑向P波波形擬合度大于80%的接收函數(shù),最后再對(duì)這些接收函數(shù)進(jìn)行目視檢查,剔出其中計(jì)算效果較差的.這樣處理后共得到730多個(gè)事件,其分布如圖2所示.為了提高接收函數(shù)的信噪比,對(duì)每個(gè)臺(tái)站的接收函數(shù)按震中距每10°一個(gè)間隔進(jìn)行算術(shù)疊加,得到一系列平均接收函數(shù)作為聯(lián)合反演中接收函數(shù)的輸入.

      圖1 研究區(qū)域內(nèi)地形、主要地質(zhì)構(gòu)造單元和地震臺(tái)站分布AA′,BB′,CC′為速度剖面;O1,O2,O3分別為其中點(diǎn)Fig.1 The topography,tectonic block and faults in the study areaAA′,BB′,CC′are three velocity profiles;the points O1,O2,and O3 are corresponding midpoints of the profiles

      1.2 面波頻散數(shù)據(jù)

      為了通過(guò)面波頻散數(shù)據(jù)建立地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型,研究人員構(gòu)造了全球面波頻散圖像,并根據(jù)這些圖像進(jìn)行地球深部結(jié)構(gòu)研究.Ritzwoller和Levshin(1998)根據(jù)包括天山及其周邊地區(qū)在內(nèi)的歐亞大陸上分布的83個(gè)地震臺(tái)站在1988—1995年記錄到的600多個(gè)地震事件,采用多重濾波方法(Dziewonski et al,1969,1972)提取了9 000條傳播路徑上的面波頻散數(shù)據(jù);通過(guò)層析成像(Barmin et al,2001)建立了歐亞大陸1°×1°的基階瑞利波和勒夫波群速度圖像,其中包括周期為15—200s的基階瑞利波群速度圖像和20—175s的基階勒夫波群速度圖像,其平均不確定度為0.03—0.04km/s.根據(jù)面波群速度和相速度理論應(yīng)該給出相同的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)模型,但實(shí)際結(jié)果表明群速度能夠得到比相速度更高分辨率的模型(Knopoff,1972;Knopoff,Chang,1977).由于瑞利波和接收函數(shù)均對(duì)垂向極化的S波速度敏感,并且接收函數(shù)與瑞利波聯(lián)合反演的不確定度小于接收函數(shù)與勒夫波聯(lián)合反演的不確定度(Gok et al,2006),因此本文在聯(lián)合反演時(shí)僅采用基階瑞利波群速度數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)引自Ritzwoller和Levshin(1998)的層析成像圖像,即用最近鄰域法得到對(duì)應(yīng)于每個(gè)地震臺(tái)站點(diǎn)不同周期的群速度數(shù)值,然后與疊加得到的該臺(tái)站的接收函數(shù)進(jìn)行臺(tái)站下速度結(jié)構(gòu)模型的聯(lián)合反演.圖3給出了周期T為25,100和175s時(shí)歐亞大陸的面波頻散圖像(Ritzwoller,Levshin,1998).

      1.3 反演方法和過(guò)程

      Ozalaybey等(1997)首次提出用接收函數(shù)與面波頻散聯(lián)合反演地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu).此后該方法便被應(yīng)用于建立不同地區(qū)的地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)模型且取得了較好的結(jié)果(Julia et al,2000;Herrmann et al,2001;Chang,Baag,2005).本文采用迭代最小二乘線性反演方法(Herrmann,Ammon,2002)聯(lián)合反演天山及其鄰區(qū)臺(tái)站的接收函數(shù)和基階瑞利面波群速度,建立該地區(qū)的地殼上地幔S波速度結(jié)構(gòu)模型.聯(lián)合反演迭代過(guò)程中,模型每層的波速比vP/vS固定,密度由每次迭代后的P波速度計(jì)算得到.為了得到數(shù)據(jù)匹配情況下最簡(jiǎn)單的模型(Constable et al,1987),反演過(guò)程中對(duì)每個(gè)邊界的速度變化進(jìn)行一階差分約束(Ammon et al,1990).如圖4所示,所有臺(tái)站的初始模型均為水平層狀模型,分為85層,深度至580km.從50km到底部的模型參數(shù)取AK135-F大陸模型的數(shù)據(jù)值;上部50km包括4個(gè)1km和23個(gè)2km的分層,參數(shù)取AK135-F模型在50km處的數(shù)值;聯(lián)合反演時(shí)所有臺(tái)站接收函數(shù)和面波頻散的影響因子均取0.25.

      反演過(guò)程分兩次進(jìn)行.首先每個(gè)臺(tái)站疊加得到的所有接收函數(shù)都參與第一次反演,迭代30次以后,只保留數(shù)據(jù)擬合度大于80%的接收函數(shù);然后再進(jìn)行第二次反演,同樣迭代30次后完成整個(gè)反演過(guò)程.兩次反演過(guò)程中均采用相同的初始模型.第二次聯(lián)合反演后得到的天山及其周邊區(qū)域88個(gè)臺(tái)站下的地殼上地幔一維S波速度結(jié)構(gòu)模型如圖5所示.在此基礎(chǔ)上,對(duì)每個(gè)深度處的所有模型按照線性各向同性變差克里金方法(Isaacs,Srivastava,1989)進(jìn)行空間插值,以獲得該研究區(qū)域的三維S波速度模型.

      2 反演結(jié)果與討論

      圖6給出了天山及其鄰區(qū)三維S波速度模型的深度切片;圖7—9分別給出了沿剖面AA′,BB′,CC′的S波速度結(jié)構(gòu),沿這些剖面的地形起伏分別顯示在每個(gè)圖形的頂部,3條剖面的分布如圖6a所示,圖中O1,O2和O3分別對(duì)應(yīng)3條剖面的中點(diǎn)位置(0km).

      圖6 不同深度S波速度切片F(xiàn)ig.6 S-wave velocity images from joint inversion tomography for several depth slices

      如圖6a所示,5km深度切片位于上地殼上部,該深度由于盆地內(nèi)有較厚的低速沉積層,因而塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地和吐魯番盆地內(nèi)均表現(xiàn)為相對(duì)低速結(jié)構(gòu),而盆地周?chē)絽^(qū)和哈薩克地臺(tái)則呈現(xiàn)出較高的地震波速度.在塔里木盆地西北緣和北緣分別有較高和較低的地震波速度,它們分別對(duì)應(yīng)著巴楚隆起和庫(kù)車(chē)凹陷.塔里木盆地西南的低速與庫(kù)車(chē)凹陷的低速相當(dāng),表明該地區(qū)存在與庫(kù)車(chē)凹陷相當(dāng)?shù)某练e層厚度.這些結(jié)果與胥頤等(2000)的P波層析成像及馮梅和安美建(2007)的面波層析成像結(jié)果一致.

      從圖6b可看出,20km深度大約是中上地殼的分界面,此處S波速度結(jié)構(gòu)的總體特征表現(xiàn)為盆地大部分地區(qū)為相對(duì)高速,而周?chē)絽^(qū)則大部分表現(xiàn)為相對(duì)低速.這與Roecker等(1993)的體波層析成像結(jié)果相近.由圖6b還可以看到,塔里木盆地北部庫(kù)車(chē)凹陷一帶的S波速度與巴楚隆起、哈薩克地臺(tái)地區(qū)的S波速度相當(dāng);準(zhǔn)噶爾盆地與吐魯番盆地之間區(qū)域表現(xiàn)出明顯的高速特征,但塔里木盆地南部和西部區(qū)域仍表現(xiàn)為相對(duì)低速.20km深處S波速度的這些變化特征與中上地殼分界面的起伏變化相對(duì)應(yīng).在盆地周?chē)絽^(qū)和塔里木盆地南部、西南部表現(xiàn)為低速,這說(shuō)明這些地區(qū)仍然處于上地殼之內(nèi),S波速度主要表現(xiàn)為上地殼相對(duì)低速的特點(diǎn).而其它地區(qū)的相對(duì)高速則說(shuō)明這些地區(qū)已經(jīng)進(jìn)入到中地殼內(nèi).例如,庫(kù)車(chē)凹陷一帶較高的S波速度特征與Zhao等(2008)根據(jù)人工爆破剖面得到的該地區(qū)中上地殼分界面上隆的特點(diǎn)相吻合.

      天山及其鄰近地區(qū)中下地殼的分界面大約位于40km深度(圖6c).該深度上S波速度的特征主要表現(xiàn)為:塔中隆起是相對(duì)明顯的低速區(qū)域,天山東部、塔里木西部、準(zhǔn)噶爾西緣是相對(duì)的低速區(qū)域;而天山西部和哈薩克地臺(tái)為相對(duì)明顯的高速區(qū)域,準(zhǔn)噶爾盆地和吐魯番盆地則為相對(duì)的高速區(qū)域.李秋生等(2001)根據(jù)橫跨西昆侖—塔里木—天山的爆炸地震探測(cè)剖面得到的地殼上地幔P波速度結(jié)構(gòu)顯示在40km深度左右,從塔里木盆地北緣—奎屯有一個(gè)明顯的低速層.本文結(jié)果在該區(qū)域表現(xiàn)出同樣的低速特性.

      天山及其鄰區(qū)的莫霍面深度大部分約為50km.整個(gè)天山地區(qū)在此深度的S波速度表現(xiàn)為相對(duì)的低速特性,而塔里木盆地西部、準(zhǔn)噶爾盆地西南與吐魯番盆地之間及哈薩克地臺(tái)的大部分地區(qū)則呈現(xiàn)相對(duì)高的S波速度結(jié)構(gòu).這些高、低速的分布區(qū)域與胥頤等(2000)的層析成像結(jié)果類(lèi)似,分別反映了這些區(qū)域地殼厚度的變化特征.此外,在85°E左右存在著一個(gè)北北東走向橫穿研究區(qū)的低速帶,胥頤等(2000)的結(jié)果中并無(wú)此特征,而趙俊猛等(2003)通過(guò)分析不同的人工地震剖面資料后,注意到東、西天山的地殼上地幔結(jié)構(gòu)有明顯的差異,這些差異是天山東、西部具有不同構(gòu)造活動(dòng)的表現(xiàn),而此處的低速帶可能是東、西天山構(gòu)造活動(dòng)的一個(gè)分界.從沿天山走向的速度剖面(圖8,9)中也可以看出東、西天山構(gòu)造上的差異.由這一深度的S波速度分布結(jié)合橫向剖面速度分布顯示出不同構(gòu)造分區(qū)地殼厚度的差異,即塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、吐魯番盆地等地殼厚度較薄,而周?chē)絽^(qū)的地殼厚度較厚,體現(xiàn)出盆地地殼向周?chē)絽^(qū)俯沖的特性.

      天山和周?chē)貐^(qū)的巖石圈厚度在天山下的變化范圍為90—120km,在塔里木盆地其厚度達(dá)到160km(Kumar et al,2005),因此80和110km深度處于天山和鄰區(qū)的上地幔巖石圈內(nèi).從圖6e和6f可以看出,80和110km深度處S波速度的變化范圍大致相當(dāng),但在80km深度上,部分天山地區(qū)存在高速異常體,這些高速異常體在圖7,8和9所示的3條橫向剖面上也能夠明顯地看到.比較80km與110km深度處S波速度還可以看到,在西天山、準(zhǔn)噶爾盆地東部和哈薩克地臺(tái)地區(qū),80km深度的波速略高于110km深度的波速;而在塔里木盆地、天山東部、準(zhǔn)噶爾盆地南部和吐魯番盆地等地,80km深度處的波速則明顯低于110km深度處的波速,其中西天山110km深度處的低速區(qū)與Vinnik等(2004)由P波和S波接收函數(shù)聯(lián)合反演得到的結(jié)果一致.

      3 結(jié)論

      天山及其鄰近地區(qū)的構(gòu)造復(fù)雜多變,既有像天山這樣古生代形成、新生代重新活躍的造山帶,又有像塔里木盆地這樣古老而穩(wěn)定的克拉通.在對(duì)歐亞大陸碰撞響應(yīng)的過(guò)程中,不同構(gòu)造塊體之間相互作用,造成塊體內(nèi)部或者塊體接觸帶之間巖石圈尺度的形變,本文得到的天山及其鄰近地區(qū)地殼上地幔三維S波速度結(jié)構(gòu)在一定程度上是這些構(gòu)造活動(dòng)或者構(gòu)造活動(dòng)效果的反映.

      1)天山及其鄰近區(qū)域地殼結(jié)構(gòu)分為上、中、下3層,從圖7,8和9中可以看到它們的分界面大致分別位于20,40和50km深度,相應(yīng)的S波速度切片顯示這些界面的起伏與地表地質(zhì)、構(gòu)造地塊特性之間存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,這與分布于天山及其周?chē)煌恢玫娜斯さ卣鹌拭娴奶綔y(cè)結(jié)果相吻合(賀日政等,2001;高銳等,2002;王有學(xué)等,2004;楊主恩等,2005;李海鷗等,2006).另外,盆地與山區(qū)不同的地殼厚度還顯示出盆-山結(jié)合部的構(gòu)造關(guān)系,即盆地地殼向周?chē)絽^(qū)俯沖,這可能是該地區(qū)地震多發(fā)的原因之一.

      2)橫向速度剖面和垂向速度切片均顯示出天山及其鄰近區(qū)域地殼上地幔結(jié)構(gòu)明顯的非均勻性.造山帶和盆地隆起區(qū)的上地殼表現(xiàn)為相對(duì)的高速區(qū),而沉積盆地和山前坳陷區(qū)則表現(xiàn)為相對(duì)的低速區(qū).在天山南北緣地區(qū)的中地殼存在低速層,可能與該區(qū)較強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)或者上地幔熱物質(zhì)的上涌侵入有關(guān).東、西天山下地殼存在一個(gè)近南北向的低速帶,說(shuō)明天山東、西部在構(gòu)造和變形上存在較明顯的差異,GPS測(cè)量結(jié)果所顯示的天山東、西部地殼縮短量和縮短速率的明顯不同(Abdrakhmatov et al,1996;楊少敏等,2008)也說(shuō)明了這種差異的存在.另一方面西天山地區(qū)上地幔的高速蓋層向東延伸到巖石圈的更深處(圖8,圖9),同樣也說(shuō)明天山東、西構(gòu)造活動(dòng)或者形變上的不同.這可能是由于天山東部更遠(yuǎn)離歐亞大陸碰撞帶,構(gòu)造活動(dòng)或者形變較弱的結(jié)果.

      新疆地震局提供了新疆地震臺(tái)網(wǎng)部分臺(tái)站的數(shù)據(jù),本文數(shù)據(jù)預(yù)處理采用SAC軟件完成,接收函數(shù)計(jì)算采用CPS軟件包中時(shí)域迭代算法程序,所有圖件采用GMT(Wessel,Smith,1991)完成.在此一并表示衷心的感謝!

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