滇西北地區(qū)地殼厚度與泊松比分布及其意義*

張?zhí)炖^，金明培，劉自鳳，程宇豪

(云南省地震局，云南 昆明 650224)

0 引言

云南位于青藏高原東南緣，地處南北地震帶南端(闞榮舉，林中洋，1986)，是歐亞板塊和印度板塊之間碰撞擠壓后的陸內(nèi)調(diào)節(jié)構(gòu)造區(qū)；由不同地質(zhì)歷史時期的次級板塊拼接而成，在特提斯構(gòu)造發(fā)育時期起著重要的作用，因而是研究地球動力學，特別是強震孕育、發(fā)生和發(fā)展的天然理想場所。中強以上地震易發(fā)多發(fā)的滇西北地區(qū)則位于川滇菱形塊體的西部邊緣構(gòu)造區(qū)，是印支塊體、揚子準地臺和松潘—甘孜褶皺帶的交匯部位(姜朝松等，2000)。滇西北地區(qū)展布有NW走向的維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂，NE走向的龍蟠—喬后斷裂、洱源—鶴慶斷裂以及SN走向的程?！e川斷裂等，斷裂縱橫交錯，地震活動頻繁。2013年3月3日洱源MS5.5地震后，滇西北地區(qū)相繼發(fā)生了2013年4月17日洱源MS5.0、2016年5月18日云龍MS5.0和2017年3月27日漾濞MS5.1等地震。因此，2017年下半年起，馬瑾院士團隊將滇西北地區(qū)選為斷層亞失穩(wěn)野外實驗研究區(qū)，并將紅河斷裂北段和維西—喬后—巍山斷裂作為地震亞失穩(wěn)應力狀態(tài)研究的主斷層，在該地區(qū)原有臺站的基礎(chǔ)上密集布設(shè)了30個短周期地震臺站，試圖尋找應力加速釋放和斷層加速協(xié)同化的地震活動性證據(jù)，以期將實驗室中能夠成功預測的斷層失穩(wěn)部位和失穩(wěn)時刻(馬瑾，2016；宋春燕，2017)在野外實驗推廣。因此，對該野外觀測區(qū)動力、結(jié)構(gòu)和介質(zhì)環(huán)境的精細觀測研究顯得尤為重要和迫切，而遠震接收函數(shù)方法提供了一個很好的解決途徑。

Langston(1979)提出了震源等效假定，開始從長周期遠震體波中提取接收函數(shù)，Owens等(1984)將這一技術(shù)擴展到了寬頻帶地震記錄中。之后，接收函數(shù)技術(shù)經(jīng)歷了波形擬合反演(Ammonetal，1990)、時域迭代反褶積分離P和S波(Ammon，1991；Ligorria，Ammon，1999)、偏移疊加成像方法(Yuanetal，1997)、時間—深度轉(zhuǎn)換(Dueker，Sheehan，1997)以及H-k掃描疊加方法(Zhu，Kanamori，2000)等的發(fā)展，并已成為探究地下結(jié)構(gòu)情況的一種天然地震學方法，被廣泛地實踐于地殼、上地幔速度間斷面的探索中。利用遠震接收函數(shù)，胡家富等(2003)、鄧嘉美等(2014)、Wang等(2017)、陳佳等(2018)以及Zhang和Gao(2019)先后計算了云南地區(qū)的地殼厚度和泊松比，李永華等(2009)、胥頤等(2013)分別獲取了云南地區(qū)的S波速度和P波速度空間分布特征。但他們所使用數(shù)據(jù)的臺間距依然較大，對細節(jié)反映的清晰度尚存差距，且專門針對滇西北地區(qū)，尤其是維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂北段的地殼厚度和泊松比的研究精細度不夠，所以本文利用亞失穩(wěn)項目加密觀測后的43個臺站所記錄的遠震三分量波形，計算各臺站下方的體波接收函數(shù)，獲取滇西北地區(qū)的地殼厚度和介質(zhì)泊松比，再次研究滇西北地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)特征及其構(gòu)造指示意義。

圖1 研究區(qū)主要斷裂和地震臺站分布Fig.1 Distribution of main faults and seismic stations in the study area

1 資料選取

如圖1所示，本文選取的研究區(qū)域為滇西北地區(qū)(25°～27°N、99°～101°E)，該區(qū)共分布有44個臺站，由云南區(qū)域測震臺網(wǎng)(9個子臺)、下關(guān)小孔徑測震臺網(wǎng)(5個子臺)和亞失穩(wěn)實驗區(qū)臺陣(30個子臺)組成。本文截取了2018年4月5日—12月30日，M≥5.5、震中距在30°～90°的80個具有清晰P波初動和高信噪比的遠震波形事件。震中分布如圖2所示，由于資料收集的時限不到1年，研究區(qū)北部和西南方向地震記錄偏少。

圖2 遠震分布情況Fig.2 Distribution of teleseismic events

2 計算方法

接收函數(shù)波形中包含了臺站下方的地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，是對接收器附近地球結(jié)構(gòu)的一種相對響應，描述了地震波在臺站下方的介質(zhì)中傳播時，直達P波、界面Ps轉(zhuǎn)換波以及多次反射波之間的分布關(guān)系(圖3)。首先對遠震三分量的原始波形做去 傾斜、去均值和去儀器響應處理，再將EW、NS分量旋轉(zhuǎn)到大圓弧方向，獲得地震波徑向、切向分量，在時間域用徑向分量對垂直分量作迭代反褶積，得到P波接收函數(shù)。接收函數(shù)消除了傳播路徑、震源時間函數(shù)和儀器響應的影響，利用分離出的Ps轉(zhuǎn)換波和多次反射波可以探索地殼和上地幔結(jié)構(gòu)。

圖3 近水平均勻介質(zhì)中P波傳播路徑(a)及相應的接收函數(shù)(b)Fig.3 P-wave propagation path in horizontal homo- geneous media(a)and receiver function(b)

如圖3a所示，當莫霍面是最深的反射界面時，地殼厚度H與直達P波和轉(zhuǎn)換波Ps到時差的關(guān)系為：

(1)

式中：vP和vS是縱波和橫波速度；p為射線參數(shù)；H是地殼厚度。

同理，H與轉(zhuǎn)換波Ps和多次反射波PpPs之間到時差的關(guān)系為：

(2)

用式(1)除以式(2)，方程兩邊再平方可以得到波速比：

(3)

根據(jù)彈性力學的原理，可由波速比計算泊松比σ：

(4)

雖然式(3)的右邊含有vP，但由于地殼中的平均vP在6.00～6.75 km/s，若給出精確到時差，vP取最小和最大值時，得到的波速比只相差0.05，引起的最大泊松比偏差為0.02，地殼厚度偏差僅為2 km。所以本文挑選出Ps轉(zhuǎn)換波和多次反射波震相清晰且相關(guān)性較好的接收函數(shù)，采用人工拾取震相方法計算臺站下方的地殼厚度、波速比和泊松比。

3 結(jié)果分析

本文采用多個接收函數(shù)集束相關(guān)識別轉(zhuǎn)換波和多次反射波位置，圖4是岔河臺接收函數(shù)集束分析，轉(zhuǎn)換波Ps和多次反射波PpPs分別出現(xiàn)在5.8 s和18 s附近。表1給出了所計算的結(jié)果和標準偏差，由于黃坪臺(YSW11)背景噪聲大，遠震記錄較少，沒有得到該臺站的計算結(jié)果。絕大多數(shù)臺站的地殼厚度H的標準偏差控制在2.0 km以內(nèi)，泊松比σ的標準偏差小于0.02，誤差較小。由于各個臺站的背景噪聲水平不一樣，雖然總共有80個遠震事件，但每個臺站的地震個數(shù)有很大差異，除個別臺站接收函數(shù)數(shù)量不多外，絕大多數(shù)臺站的接收函數(shù)都在20個以上，具有統(tǒng)計意義。

(a)按序號排列 (b)按震中距排列 (c)按反方位角排列

從表1可知，研究區(qū)地殼厚度的變化范圍是33.3～54.9 km，莫霍面深度最淺為南澗臺，最深為永勝臺；泊松比的變化范圍是0.209～0.328，最大值在云龍臺，永勝臺最小。與前人的結(jié)果相比，計算得到的下關(guān)小孔徑測震臺網(wǎng)彩鳳臺的地殼厚度為47.4 km，泊松比為0.225，與鄧嘉美等(2016)的計算值47.9 km和0.228基本一致。云南區(qū)域測震臺網(wǎng)的洱源、鶴慶、麗江、云龍和保山臺的地殼厚度和泊松比與胡家富等(2003)、李永華等(2009)、鄧嘉美等(2014)和Wang等(2017)的結(jié)果都比較接近。團山、永勝臺的地殼厚度和泊松比與鄧嘉美等(2014)、Wang等(2017)的接近，但泊松比小于胡家富等(2003)的計算值。

3.1 地殼厚度分布特征

圖5a為研究區(qū)地殼厚度分布情況。如圖所示，地殼厚度整體上以26°N為分界，呈北深南淺的變化趨勢，存在3個莫霍面隆起區(qū)域，分別在云龍(YUL)，蝴蝶泉(HDQ)—陽和(YSW09)以及巖曲(YSW24)—羊窩棚(YSW19)—哨橫(YSW28)地區(qū)，蘭坪—永平斷裂與維西—喬后—巍山斷裂之間形成一個向東南的舌狀突出，在26°N附近呈現(xiàn)兩隆兩凹狀的莫霍面結(jié)構(gòu)。程海—賓川斷裂兩側(cè)的地殼厚度較深，維西—喬后—巍山斷裂北段、紅河斷裂北段和順濞河斷裂兩側(cè)地殼厚度變化劇烈，形成了明顯的分界帶。

3.2 泊松比分布特征

從實驗研究可知，泊松比與巖石的類型相關(guān)(Christensen，1996)，是描述介質(zhì)彈性性能的物理量。對于普通的巖石，泊松比對巖石的成分非常敏感：硅含量高使泊松比降低，鐵鎂質(zhì)含量高使泊松比升高。因此，相比于P波或者S波速度，泊松比更能描述地殼的組成成分。地殼組成大體分為低泊松比(σ＞0.26)、中泊松比(0.26≤σ≤0.28)和高泊松比(σ＞0.28)(Wangetal，2017)，低泊松比對應于更多的長英質(zhì)成分，高泊松比對應于更多的鐵鎂質(zhì)成分，非常高的泊松比(σ＞0.3)可能表示地下存在部分熔融物質(zhì)。

圖5b為研究區(qū)泊松比空間分布圖，圖中紅色圓圈是1500—2018年發(fā)生的MS≥5.0級歷史地震。研究區(qū)泊松比存在明顯的不均勻分布特性，大體上以研究區(qū)的NE向?qū)蔷€為分界線，其西北地區(qū)泊松比高，其東南地區(qū)泊松比相對偏低。存在3塊顯著的低泊松比(σ＞0.26)區(qū)域，在程?！e川斷裂北段的永勝(YOS)—教場壩(YSW23)—大河(YSW22)地區(qū)，南段的彩鳳(CFT)—神龍寺(YSW21)地區(qū)以及順濞河斷裂東側(cè)的勝利(YSW15)—高明(YSW20)—團結(jié)(YSW26)地區(qū)；對角線以南有2個高泊松比(σ＞0.28)區(qū)域，分別在紅河斷裂北段與維西—喬后—巍山斷裂之間的蝴蝶泉(HDQ)—陽和(YSW09)地區(qū)以及這2條斷裂南端的南澗(NAJ)地區(qū)。

3.3 增補前人研究結(jié)果后的地殼厚度和泊松比

亞失穩(wěn)觀測臺站雖然密集，但主要集中分布在蘭坪—永平斷裂、維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂附近，研究區(qū)邊緣臺站稀疏。為了得到更加精細的地殼厚度和泊松比分布，引入了Wang等(2017)的25個喜馬拉雅臺站(記錄2011年5月—2013年12月遠震事件)和2個IRIS DMC臨時臺站(記錄2003—2004年遠震事件)，每個臺站的地震個數(shù)在8～428，還引入了金明培開放基金中15個賓川主動源臺站(記錄2011年9月—2014年1月的238個遠震事件)的計算結(jié)果。結(jié)合多項研究的結(jié)果，可以增加臺站覆蓋率，增長數(shù)據(jù)時間段，能更合理、客觀地顯示研究區(qū)的地殼厚度和泊松比分布。

如圖6a所示，增補前人研究結(jié)果后的地殼厚度整體上與圖5a一致，仍呈北深南淺的變化趨勢和3個明顯的莫霍面隆起區(qū)域，胡家富等(2003)、鄧嘉美等(2014)也都認為云龍的地殼結(jié)構(gòu)呈隆起狀。增補前人研究結(jié)果后，26°N附近蘭坪—永平斷裂與維西—喬后—巍山斷裂之間的舌狀突出變寬、且更加向南突出，維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂的分界作用更加明顯。這2條斷裂帶所在地區(qū)的地殼厚度較兩側(cè)的淺，兩側(cè)的地殼厚度變化劇烈，超殼斷裂的特征更為清晰，特別是紅河斷裂以東地區(qū)地殼厚度逐漸加深，其西側(cè)地殼厚度淺，與鄧嘉美等(2014)和Zhang和Gao(2019)的結(jié)果一致。闞榮舉和林中洋(1986)將紅河斷裂東北劃分為揚子準地臺，西南為三江地槽褶皺系，所以本文的結(jié)果與地質(zhì)構(gòu)造邊界劃分較為一致。

圖5 本文得到的地殼厚度(a)和泊松比(b)分布情況(斷裂同圖1)Fig.5 Distribution of crustal thickness(a)and Poisson’s ratio(b)in this study(faults are the same as Fig.1)

圖6 增補前人研究結(jié)果后地殼厚度(a)和泊松比(b)分布情況(斷裂同圖1)Fig.6 Distribution of crustal thickness(a)and Poisson’s ratio(b) after adding stations(faults are the same as Fig.1)

由圖6b可見，增補前人結(jié)果后泊松比的分布邊界更加細致清晰，整體上沿矩形研究區(qū)2條對角線分隔呈四象限分布，北區(qū)和南區(qū)的泊松比較高，西區(qū)和東區(qū)的泊松比較低。與圖5b對比可見，低泊松比(σ＞0.26)區(qū)域的范圍在東西兩側(cè)均有增加，在洱源—鶴慶斷裂的東南地區(qū)，程?！e川斷裂除了北端和南端外，橫跨大范圍的低泊松比地區(qū)，順濞河斷裂東側(cè)的低泊松比區(qū)域向西南延伸到蘭坪—永平斷裂南段和瀾滄江斷裂帶，表明這些地區(qū)下方的地殼物質(zhì)主要是比較硬的長英質(zhì)成分。維西—喬后—巍山斷裂、龍蟠—喬后斷裂、劍川—文化斷裂、洱源—鶴慶斷裂和紅河斷裂帶上，以及順濞河斷裂西側(cè)的云龍都是高泊松比(σ＞0.28)地區(qū)，表明這些地區(qū)下方的地殼物質(zhì)組成富含鐵鎂質(zhì)成分。尤其是云龍臺泊松比達到了0.328，維西—喬后—巍山斷裂中段以及紅河斷裂的北段、蒼山山前斷裂帶上的蝴蝶泉(HDQ)—陽和(YSW09)，斷裂南端的南澗(NAJ)—紅土坡(53151)泊松比都超過了0.3，說明這些地區(qū)地殼物質(zhì)不只含有較高的鐵鎂質(zhì)成分，可能殼內(nèi)還存在部分熔融物質(zhì)(鄧嘉美等，2014)。層析成像的結(jié)果也顯示：紅河斷裂北段的洱源至彌渡，呈現(xiàn)中地殼低速異常(楊婷等，2014)，且Wang等(2017)也認為紅河斷裂帶附近的高泊松比與下地殼底部物質(zhì)部分熔融有關(guān)。從歷史地震分布來看，5級以上的地震多發(fā)生在泊松比高梯度帶上。

3.4 討論

亞失穩(wěn)觀測臺站個數(shù)多，密度大，主要分布在本文重點關(guān)注的維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂北段附近，所以借助亞失穩(wěn)項目的密集臺站觀測資料對滇西北地區(qū)進行研究，可以得到比前人的研究更精細的結(jié)果。

結(jié)合地殼厚度和泊松比分布情況，順濞河、維西—喬后—巍山以及紅河斷裂兩側(cè)的地殼厚度和泊松比都變化劇烈，推斷它們有可能是切穿莫霍面的超殼斷裂，Xu等(2005)、Lei等(2009)、Zhang和Gao(2019)也都認為紅河斷裂帶穿透了地殼進入上地幔。印度和歐亞板塊之間持續(xù)的碰撞和消減作用，使云南地區(qū)的殼幔結(jié)構(gòu)受到喜馬拉雅運動的強烈影響，碰撞擠壓后陸內(nèi)物質(zhì)應力調(diào)整、地殼運動和深部物質(zhì)運移，云南地區(qū)成為青藏高原物質(zhì)受擠壓向東南流出的通道(胡家富等，2003)。從圖6b中高泊松比分布形態(tài)可推斷下地殼物質(zhì)向東南運移到洱源—鶴慶斷裂一帶時，受到比較硬的揚子準地臺的阻擋，但并沒有突破紅河斷裂帶，體現(xiàn)在紅河斷裂的蝴蝶泉段、南澗段和西側(cè)的云龍地區(qū)均為莫霍面隆起區(qū)且高泊松比分布相對獨立，沒有與北部的高值區(qū)連片分布。因而推測云龍、蝴蝶泉—陽和以及南澗—紅土坡這3個非常高的泊松比(σ＞0.3)區(qū)域，可能是由上地幔物質(zhì)上涌并沿著超殼斷裂底侵致使下地殼物質(zhì)部分熔融引起的，與胥頤等(2013)推測紅河斷裂帶附近的低速異常與殼幔邊界的熱對流活動相關(guān)的認識較一致。

王興臣等(2015)研究發(fā)現(xiàn)昭通魯?shù)镸S6.5級地震發(fā)生在地殼厚度和泊松比變化劇烈地區(qū)，地殼物質(zhì)組成差異明顯，殼內(nèi)應變積累，為地震提供了孕震環(huán)境，與本文MS≥5.0地震多發(fā)生在泊松比高梯度帶上的認識較一致。馬瑾院士團隊將紅河斷裂北段和維西—喬后—巍山斷裂作為地震亞失穩(wěn)應力狀態(tài)研究的主斷層，結(jié)合圖6，維西—喬后—巍山斷裂北段的通甸(53024)—建基村(YSW13)，其與龍蟠—喬后斷裂交匯的豐樂(YSW25)—禾頭(YSW27)，以及喬后—巍山斷裂中段的脈地(YSW18)—紫陽村(YSW10)—瓦窯(YSW06)—太邑(YSW02)—岔河(CHT)地區(qū)，地殼厚度和泊松比都變化劇烈，殼內(nèi)物質(zhì)組成存在明顯差異，并且是歷史地震空段區(qū)，推測認為這3個地區(qū)具備發(fā)生中強以上地震的孕震環(huán)境條件，有可能是潛在的震源區(qū)，作為斷層失穩(wěn)部位的研究區(qū)較為合適，具體哪一段更有可能，需要結(jié)合小震活動的協(xié)同化發(fā)展作進一步判定。

4 結(jié)論

本文通過人工拾取接收函數(shù)震相的方法獲取了滇西北地區(qū)43個臺站下方的泊松比和地殼厚度值，結(jié)合該區(qū)內(nèi)之前的25個喜馬拉雅臺站、2個IRIS DMC臨時臺站和15個賓川主動源臺站的計算結(jié)果，得到了研究區(qū)更為精細的地殼物質(zhì)組成和莫霍面分布特征，得到以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)地殼厚度范圍為33.3～54.9 km，整體呈北深南淺的趨勢，存在3個莫霍面隆起中心，分別在云龍、蝴蝶泉—陽和、巖曲—羊窩棚—哨橫；在26°N附近，有一個向南的舌狀突出，呈現(xiàn)兩隆兩凹狀的莫霍面結(jié)構(gòu)；順濞河斷裂、維西—喬后—巍山斷裂和紅河斷裂兩側(cè)地殼厚度變化劇烈，有可能是超殼斷裂。

(2)研究區(qū)泊松比從0.209增加到0.328，橫向分布不均勻，整體呈四象限分布，北區(qū)和南區(qū)的泊松比偏高(σ＞0.28)，推測地殼物質(zhì)組成富含鐵鎂質(zhì)成分，西區(qū)和東區(qū)的泊松比值低(σ＞0.26)，地殼物質(zhì)組成可能富集長英質(zhì)成分。云龍、蝴蝶泉—陽和以及南澗—紅土坡地區(qū)的泊松比非常高(σ＞0.3)，可能是由上地幔物質(zhì)發(fā)生底侵致使下地殼物質(zhì)部分熔融引起。

(3)下地殼物質(zhì)向東南運移到洱源—鶴慶斷裂一帶時，受揚子準地臺的阻擋，沒有突破紅河斷裂帶。維西—喬后—巍山斷裂北段的通甸—建基村一帶，其與龍蟠—喬后斷裂交匯的豐樂—禾頭一帶，以及斷裂中段的脈地—紫陽村—瓦窯—太邑—岔河地帶，有可能是斷層的失穩(wěn)候選部位，具備發(fā)生中強以上地震的孕震環(huán)境，需要結(jié)合地震活動性的協(xié)同化進程予以重點關(guān)注。

本文中使用的斷層數(shù)據(jù)由云南省地震工程院提供，特此感謝！