青藏高原中部瑞雷波相速度和方位各向異性研究

譚 萍

(防災(zāi)科技學(xué)院 河北省地震動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 三河 065201)

0 引言

印度板塊和歐亞板塊的陸陸碰撞造就了世界上最大的高原——青藏高原，歷來(lái)被視為研究大陸動(dòng)力學(xué)的天然實(shí)驗(yàn)室[1-2]。青藏高原隆升的動(dòng)力來(lái)源是板塊碰撞產(chǎn)生的擠壓應(yīng)力，在這樣一個(gè)強(qiáng)烈南北向擠壓的環(huán)境下，高原內(nèi)部卻發(fā)育了東西向伸展的構(gòu)造，比如高原中部發(fā)育的Ⅴ型共軛走滑斷層，前人認(rèn)為其調(diào)節(jié)了高原同時(shí)期的南北向縮短和東西向伸展[3-4]。共軛走滑斷層分布于班公湖-怒江縫合帶兩側(cè)，北側(cè)的北東走向斷層表現(xiàn)為左旋性質(zhì)，南側(cè)的北西走向斷層表現(xiàn)為右旋性質(zhì)。對(duì)共軛走滑斷層的形成機(jī)制進(jìn)行研究，可為認(rèn)識(shí)高原的變形特征和隆升過(guò)程提供重要約束。作為淺表觀察到的伸展構(gòu)造，研究共軛走滑斷層的形成機(jī)制，最直接的證據(jù)來(lái)源于其下方精細(xì)的殼幔結(jié)構(gòu)，特別是地殼，作為連接淺表與深部的紐帶，其速度結(jié)構(gòu)對(duì)共軛走滑斷層的成因有極強(qiáng)的約束作用。此外，各向異性廣泛存在于地殼和地幔中[5-6]，上地殼中的各向異性一般認(rèn)為是應(yīng)力引起的充滿流體的裂縫定向排列導(dǎo)致的[7-8]，而下地殼和地幔中的各向異性一般歸因于應(yīng)變導(dǎo)致的礦物晶格優(yōu)先取向[9-10]。通過(guò)觀測(cè)地震各向異性可以為共軛走滑斷層深部地殼變形提供更多地震學(xué)證據(jù)。

背景噪聲層析成像方法通過(guò)對(duì)兩個(gè)臺(tái)站記錄的長(zhǎng)時(shí)間噪聲信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，能夠得到短-中周期高信噪比的面波信號(hào)，相對(duì)于基于地震事件的傳統(tǒng)面波方法，該方法不受地震事件分布不均勻、地震參數(shù)誤差以及短周期面波信號(hào)存在強(qiáng)衰減和散射的影響，是目前重建地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)的主流方法之一[11]。本文發(fā)揮背景噪聲面波層析成像方法的優(yōu)勢(shì)，利用高原中部流動(dòng)地震臺(tái)站和研究區(qū)內(nèi)固定地震臺(tái)站數(shù)據(jù)，反演獲得高原中部相速度和方位各向異性分布，為探討青藏高原中部地殼變形以及淺表構(gòu)造與深部過(guò)程之間的聯(lián)系等科學(xué)問(wèn)題提供可靠線索。

1 數(shù)據(jù)與方法

2013—2017年，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室殼幔結(jié)構(gòu)探測(cè)學(xué)科組在青藏高原中部，跨班公湖-怒江縫合帶布設(shè)了二維寬頻帶地震臺(tái)陣SANDWICH[12]，為青藏高原中部的深部結(jié)構(gòu)探測(cè)工作奠定了基礎(chǔ)。臺(tái)陣布設(shè)所使用的三分量地震計(jì)類(lèi)型為 Guralp CMG-3ESP，頻帶范圍為60/30s～50Hz，采集器有 RefTek72A和RefTek 130兩種，平均臺(tái)間距約為40km。本文收集了SANDWICH臺(tái)陣中53個(gè)臺(tái)站2013年11月到2015年11月記錄的連續(xù)波形數(shù)據(jù)以及與SANDWICH臺(tái)陣具有相同數(shù)據(jù)記錄時(shí)間的研究區(qū)內(nèi)30個(gè)固定臺(tái)站的連續(xù)波形數(shù)據(jù)[13](圖 1)。

本文利用連續(xù)波形記錄的垂向分量進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，進(jìn)而提取Rayleigh面波頻散信息。在此之前，需要對(duì)單臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理[14]，包括去除儀器響應(yīng)，去均值，去傾斜，將數(shù)據(jù)重采樣到 5Hz，帶通濾波，將連續(xù)波形截取成以天為單位的數(shù)據(jù)，利用滑動(dòng)絕對(duì)平均法進(jìn)行時(shí)間域歸一化以及頻譜白化處理。經(jīng)過(guò)上述預(yù)處理之后，對(duì)臺(tái)站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算和疊加，并計(jì)算臺(tái)站間的經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)。為了降低噪聲源分布不均勻性帶來(lái)的影響并提高信噪比，本文利用背景噪聲互相關(guān)函數(shù)正負(fù)分支的反序平均來(lái)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)格林函數(shù)。

利用Rayleigh波相速度頻散曲線，通過(guò)反演可以得到研究區(qū)各個(gè)周期相速度分布圖像，也可以同時(shí)反演不同周期方位各向異性的空間分布。對(duì)于反演區(qū)中的任一點(diǎn)M，其Rayleigh波相速度可以表示為[18]：

c(T，M，θ)=c0(T)(1+a0(T，M)+

a1(T，M)cos2θ+a2(T，M)sin2θ

(1)

式中，T為周期；θ為方位角；c0(T)為參考相速度；a0為各向同性相速度擾動(dòng)；a1和a2為方位各向異性參數(shù)。方位各向異性的強(qiáng)度Ac和快波方向Θ可以表示為：

(2)

(3)

本文設(shè)定網(wǎng)格大小為0.2°×0.2°，采用一種基于連續(xù)模型的廣義反演方法得到不同周期的Rayleigh波相速度分布和方位各向異性參數(shù)[19-22]。反演模型m(a0，a1，a2)可以通過(guò)最小化目標(biāo)函數(shù)Φ(m)來(lái)獲得：

(4)

式中，m為反演模型；mp為先驗(yàn)?zāi)Ｐ?；t為利用模型m計(jì)算的預(yù)測(cè)走時(shí)向量；tobs為觀測(cè)走時(shí)向量；CD為數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣，代表數(shù)據(jù)不確定性，與相速度頻散測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)誤差σd相關(guān)。CM為先驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥f(xié)方差矩陣，協(xié)方差函數(shù)可以表示為：

(5)

為了檢測(cè)反演方法的可靠性和反演結(jié)果的分辨率，本文進(jìn)行了檢測(cè)板測(cè)試[23]。輸入模型中相速度的平均值取為4.0km/s，速度擾動(dòng)設(shè)為±7%，異常尺度為0.4°×0.4°和0.8°×0.8°。對(duì)于方位各向異性，定義各向異性強(qiáng)度為4%，方向?yàn)椤?5%，異常尺度為0.8°×0.8°和1.6°×1.6°。在真實(shí)射線覆蓋基礎(chǔ)上，本文計(jì)算了大圓路徑上的相速度頻散，同時(shí)加入1%的高斯隨機(jī)噪聲，利用與真實(shí)數(shù)據(jù)同樣的方法進(jìn)行純路徑頻散反演。圖 3和圖 4分別為10s、20s、30s、40s時(shí)的相速度和方位各向異性的檢測(cè)板測(cè)試結(jié)果，可以看出周期為10s、20s、30s時(shí)，研究區(qū)內(nèi)的相速度分辨率可達(dá)到0.4°，方位各向異性的分辨率可達(dá)到0.8°，而40s時(shí)相速度分辨率為0.8°，方位各向異性的分辨率為1.6°。

2 結(jié)果

由于不同周期的相速度對(duì)不同深度范圍內(nèi)S波速度結(jié)構(gòu)的敏感程度存在差異，本文計(jì)算了面波相速度對(duì)S波速度的偏微分作為不同周期相速度的敏感核函數(shù)[24](圖 5)?？梢钥吹?，短周期面波相速度的敏感深度比較窄，分辨率較高，而中長(zhǎng)周期面波的敏感深度比較寬，分辨率較低。

圖 5 不同周期的瑞雷波相速度對(duì)S波速度的靈敏度Fig.5 Sensitivity of Rayleigh wave phase velocity to S-wave velocity at different periods

圖 6展示了研究區(qū)瑞雷波相速度及方位各向異性分布。結(jié)合敏感核函數(shù)，短周期時(shí)(10s)，瑞雷波相速度主要對(duì)地殼淺層S波速度敏感，由于沉積層速度低于結(jié)晶巖石的速度，因此淺層相速度可以用來(lái)分析沉積層厚度、結(jié)晶基底埋深等構(gòu)造特征?？梢钥吹降退佼惓Ｖ饕植加诎喙?怒江縫合帶以南，位于色林錯(cuò)和當(dāng)惹雍錯(cuò)及附近區(qū)域，表示該區(qū)域沉積層較厚。相對(duì)的高速主要分布于中間和研究區(qū)南部的高海拔地區(qū)。在中周期(20s、 30s)，相速度主要對(duì)中地殼速度敏感，可以看到低速異常廣泛分布于共軛走滑斷層區(qū)，且速度分布特征與上地殼(周期為10s)有相似之處。在長(zhǎng)周期(40s)，相速度主要對(duì)高原下地殼速度敏感，速度分布特征與中上地殼有很大差異，研究區(qū)內(nèi)速度特征表現(xiàn)為西高東低。

對(duì)于方位各向異性，周期為10s的圖像反映了上地殼的各向異性變化特征，研究區(qū)內(nèi)快剪切波方向與斷裂帶走向一致性較好，但同時(shí)受到區(qū)域內(nèi)沉積層厚度的影響。20s周期的結(jié)果反映了中地殼各向異性分布情況，低速異常區(qū)域各向異性快波方向近E-W方向，南部高速區(qū)域快波方向大致為NW-SE方向，但班公湖-怒江縫合帶以北各向異性仍然受到區(qū)域斷裂和地形構(gòu)造的影響，部分區(qū)域快波方向沿?cái)嗔褞ё呦蚍植?。隨著周期的增加，各向異性強(qiáng)度變大，且快波方向有較大變化。在30s時(shí)，低速異常區(qū)近E-W向的快波方向變?yōu)镹W向或NE向。40s周期反映了下地殼的各向異性分布情況，各向異性強(qiáng)度增大且方向近N-S向。

3 討論

青藏高原中部上地殼和中地殼的速度分布特征具有較好的一致性，可能反映了上地殼和中地殼動(dòng)力學(xué)機(jī)制上的耦合。下地殼的相速度和方位各向異性特征與中上地殼存在明顯差異，說(shuō)明該地區(qū)可能存在與中上地殼解耦的下地殼。研究區(qū)中地殼(20～40km)存在明顯的低速異常區(qū)域，且主要分布于共軛走滑斷層區(qū)，指示淺表觀察到的地質(zhì)構(gòu)造與深部地殼速度結(jié)構(gòu)存在垂向連續(xù)性，表明東西向伸展構(gòu)造的形成可能與深部動(dòng)力學(xué)過(guò)程有密切的聯(lián)系。前人研究發(fā)現(xiàn)高原中部中下地殼Vp/Vs值相對(duì)較高[25-26]，且發(fā)震層深度淺于30km[27-28]，以及存在低Lg Q異常[29]等，上述結(jié)果均反映青藏高原中部存在塑性的中下地殼，可能產(chǎn)生了部分熔融。此外，中地殼低速異常區(qū)域各向異性快波方向近E-W方向，而部分熔融和熔體的定向排列會(huì)顯著影響各向異性的特征，表明中地殼可能產(chǎn)生部分熔融，并有可能存在局部東向流動(dòng)，進(jìn)而造成礦物成分近E-W的定向排列。成對(duì)的廣義剪切變形模型認(rèn)為南北向擠壓和軟流圈向東流動(dòng)的基底拖曳力共同產(chǎn)生了沿班公湖-怒江縫合帶分布的成對(duì)的廣義剪切變形，導(dǎo)致了共軛走滑斷層的形成[4]。然而，遠(yuǎn)震層析成像結(jié)果顯示沿INDEPTH-Ⅲ剖面的班公湖-怒江縫合帶下方上地幔呈現(xiàn)高速異常[30]，反映其下方軟流圈可能不存在塑性流動(dòng)。因此，本文認(rèn)為產(chǎn)生共軛走滑斷層的基底拖曳力可能并非軟流圈的東向流動(dòng)，而更可能與高原中部軟弱層的局部物質(zhì)東流有關(guān)。

4 結(jié)論

本文基于青藏高原中部SANDWICH流動(dòng)臺(tái)陣及研究區(qū)內(nèi)固定地震臺(tái)站記錄的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用背景噪聲面波層析成像方法，獲得高原中部相速度和方位各向異性分布。青藏高原中部中地殼發(fā)育低速層，并廣泛分布于共軛走滑斷層區(qū)，且方位各向異性也受到低速層的影響。結(jié)合其他證據(jù)，本文認(rèn)為共軛走滑斷層的形成可能與中地殼軟弱層有關(guān)。此外，下地殼速度和方位各向異性分布特征與中上地殼存在明顯不同，反映了該地區(qū)下地殼與中上地殼是解耦的。

致謝感謝中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所巖石圈演化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室殼幔結(jié)構(gòu)探測(cè)學(xué)科組提供的SANDWICH連續(xù)波形數(shù)據(jù)以及中國(guó)地震局地球物理研究所國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供的固定臺(tái)站數(shù)據(jù)。本文大部分圖件利用GMT程序包[31]繪制。