人工地震測深揭示云南中部地區(qū)不同構造單元地殼結構特征*

鄧曉果，王夫運，馬策軍，楊卓欣

(中國地震局地球物理勘探中心，河南 鄭州 450003)

0 引言

云南地區(qū)位于青藏高原東南緣，是特提斯—喜馬拉雅構造域東南段構造線明顯轉折的部位，也是我國主要地震活動構造帶——南北地震帶的南段，是我國大陸強震頻度最高的地區(qū)之一。在印度板塊與歐亞板塊碰撞的構造背景下，由于青藏高原北面受西伯利亞地臺阻擋，物質東流又受高強度塊體四川盆地的阻擋，低強度的三江(云南)地區(qū)成為青藏高原東南向流轉向近南向的通道(熊熊，裴順平，2001；張中杰等，2005；崔仲雄，裴順平，2009)。由于自晚元古代以來古大洋向其北部和東部地臺的長期擠壓和俯沖，特別是45 Ma以來印度板塊與歐亞板塊的碰撞，使得云南及其鄰區(qū)產(chǎn)生了強烈的地殼變形，而上新世以來的高原大幅隆升對其邊緣又產(chǎn)生了完全不同的影響(黃汲清，陳炳蔚，1987；陳炳蔚等，1987；從柏林，吳根耀，1993；鄧起東等，1994；Yin，Harrison，2000；張培震等，2003)。2008年以來，瑞麗、姚安、盈江、彝良、巧家先后發(fā)生4.9級以上地震，2014年先后發(fā)生了魯?shù)?.5級地震和景谷6.6級地震，2021年發(fā)生了漾濞6.4級地震，顯示位于青藏高原東南緣的云南地區(qū)進入了地震活躍期。

為探明云南地區(qū)地震、火山等活動的深部構造背景，20世紀80年代以來，以中國地震局為代表的一些單位先后實施了滇深82工程、滇深86工程、騰深99工程等野外人工地震測深工作，獲得了較豐富的人工地震測深資料。許多研究者依據(jù)地震測深資料的傳統(tǒng)解釋方法，先后對這些資料作出了解釋(胡鴻翔等，1986；胡鴻翔，馮永革，1998；闞榮舉，林中洋，1986；林中洋等，1993；白志明，王椿鏞，2003，2004；張中杰等，2005)，揭示出云南地區(qū)地殼結構的一些重要特征。然而，這些歷史剖面多數(shù)集中在滇西和滇西北地區(qū)，云南中部地區(qū)存在較大的觀測空白。2011年，在中國地震局喜馬拉計劃專項的資助下，中國地震局地球物理勘探中心沿24°N線一帶橫穿云南中部完成了一條人工地震測深剖面，獲得了良好的觀測記錄，為深入研究云南中部地殼結構提供了良好的觀測基礎。本文利用該地震測深剖面獲得的P波地震記錄截面，使用一維走時分析方法，構建了云南中部地區(qū)不同地質單元的地殼速度結構模型，為深入理解該地區(qū)深部結構與強震關系提供了基礎模型。

1 區(qū)域地質構造背景與剖面位置

1.1 地質構造背景

自晚元古代以來，由于古大洋向其北部和東部地臺的長期擠壓和俯沖以及各時期主應力方向的不斷變化，云南地區(qū)形成極其復雜的構造格局，區(qū)域內眾多大斷裂縱橫交錯。云南及其鄰區(qū)又可分為西藏—云南褶皺系、印支褶皺系、中部的松潘—甘孜褶皺系、北部的揚子地臺以及東部的華南褶皺區(qū)5個構造單元。云南及其鄰區(qū)處在這5個不同塊體俯沖、碰撞、縫合、迭覆及地殼強烈增生的接合部位，因此該區(qū)域巖石圈結構橫向變化十分顯著，晚古生代以來的構造變動異常強烈。特別是燕山—喜山期構造活動，促使4個塊體聚斂、迭置與縫合。云南地區(qū)強震發(fā)生帶常受控于規(guī)模較大的斷裂帶，主要斷裂有：龍陵斷裂、元謀斷裂、普渡河斷裂、南定河斷裂、瀾滄江斷裂、無量山斷裂、哀牢山斷裂、紅河斷裂、楚雄—通海斷裂、小江斷裂及彌勒—師宗斷裂等。本文主要研究云南中部地區(qū)，該區(qū)域穿過6個構造單元：波密—騰沖褶皺系(早加里東褶皺帶)、左貢—耿馬褶皺系(華里西褶皺帶)、三江褶皺系(印支褶皺帶)、松潘—甘孜褶皺系(印支褶皺帶)、揚子地臺和華南褶皺系(印支褶皺帶)，如圖1所示。

F1：南定河斷裂；F2：瀾滄江斷裂；F3：無量山斷裂；F4：紅河斷裂；F5：楚雄—建水斷裂；F6：小江斷裂；F7：彌勒—師宗斷裂；A：波密—騰沖褶皺系；B：左貢—耿馬褶皺系；C：三江褶皺系；E：揚子地臺；F：華南褶皺系

長期以來，云南地區(qū)的地震活動具有頻度高、強度大的特點，中小地震幾乎遍及各地，是中國大陸內部地震活動最強的地區(qū)之一。尤其是近30年以來，相繼發(fā)生了一系列強震，如1970年通海7.8級地震、1974年昭通7.1級地震、1988年瀾滄7.6級—耿馬7.2級地震、1996年麗江7.0級地震。

云南地區(qū)強震主要分布在以下區(qū)域：劍川—麗江地震帶、紅河地震帶、小江地震帶、騰沖—龍陵地震帶、普洱一思茅地震帶以及瀾滄—耿馬地震帶。大多數(shù)地震都是沿著第三紀以來一直活動的斷裂帶分布，這些地震帶顯示出區(qū)域地震活動性所涉及的不規(guī)則塊體輪廓。自1970年以來研究區(qū)≥4.0地震活動的分布情況見圖1。由圖可見，菱形塊體邊界和內部一些地區(qū)發(fā)生的強震數(shù)量占整個川滇地區(qū)強震的大部分，而塊體外圍的地震活動水平相對較低。

1.2 剖面位置

鎮(zhèn)康—瀘西人工測深地震探測剖面(圖1中地震測深剖面，以下簡稱為鎮(zhèn)康—滬西剖面)，穿過了南定河、紅河、小江、楚雄—建水、彌勒—師宗等主要斷裂構造帶。該剖面位于云南省的中南部地區(qū)，涉及臨滄、普洱、玉溪、紅河、文山5個州(市)、10余個縣的部分區(qū)域。剖面西起中緬邊界的鎮(zhèn)康附近(98°42′00″N，23°52′10″E；剖面樁號100 km)，經(jīng)永德、臨滄、鎮(zhèn)沅、新平、通海等地，終止于丘北縣東北45 km左右(104°34′40″N，24°20′38E″；剖面樁號700 km)，探測剖面的走向基本呈東西向展布，全長600 km，如圖1所示。沿鎮(zhèn)康—瀘西剖面自西向東橫跨4個地質構造單元：左貢—耿馬褶皺系、三江褶皺系、揚子地臺及華南褶皺系。同時該測線有多條深大斷裂帶穿過：南定河斷裂、瀾滄江斷裂、無量山斷裂、紅河斷裂、楚雄—建水斷裂、小江斷裂帶及彌勒—師宗斷裂等。

為了獲得該地區(qū)地殼深部速度結構，2011年底研究人員沿鎮(zhèn)康—瀘西剖面共設計了11個炮點，進行了11次噸級爆破激發(fā)觀測。這11個炮點的位置分別在116.598 km(SP1)、212.518 km(SP2)、305.063 km(SP3)、332.103 km(SP4)、354.244 km(SP5)、423.997 km(SP6)、463.056 km(SP7)、498.35 km(SP8)、582.429 km(SP9)、643.345 km(SP10)及675.23 km(SP11)樁號處，構成了滿足寬角反射/折射探測、高分辨折射探測技術要求的地震探測系統(tǒng)(圖1)。根據(jù)區(qū)域構造特點，在不同的區(qū)段采取密疏不同的接收觀測，平均觀測點距2 km，沉積盆地和斷裂帶附近加密觀測到1 km左右。

2 震相分析與特征

按照震相對比原則，對本剖面獲得的11次爆破激發(fā)地震記錄資料的P波震相進行識別對比，采用6.00 km/s的折合速度并選擇適當?shù)念l率范圍進行濾波，根據(jù)不同屬性的地震波組綜合考慮其動力學與運動學的不同特征以及綜合其它因素進行震相(波組)的識別、對比。此次地震資料識別對比的主要P波震相有：Pg、P、P、P、Pm和Pn等，該剖面獲取的典型地震記錄截面如圖2所示(圖中橫坐標為炮點到檢波器之間的“距離”或“炮檢距”；縱坐標(-60)為地震波記錄折合走時，其中為地震波走時，為炮檢距，/6.0為折合速度為6.0 km/s的折合零時，即圖中的零線位置)。對上述11次爆破激發(fā)地震記錄識別對比出的6組震相分別定名為：基底折射波(首波)Pg、殼內反射波P、殼內反射波P、殼內反射波P、Moho面反射波Pm以及穿透到上地幔頂部的折射波Pn。其中Pg、Pm波組為該研究區(qū)內的優(yōu)勢波組，可以連續(xù)對比追蹤，并且震相明顯、穩(wěn)定、可靠、連續(xù)性較好；而地殼內部中間層的反射波組P、P、P震相在大部分區(qū)段表現(xiàn)出連續(xù)性和振幅較強的特征，但在部分區(qū)段卻表現(xiàn)出能量較弱或是連續(xù)性差的特點。

圖2 鎮(zhèn)康—瀘西剖面SP2炮(a)、SP4炮(b)、SP5炮(c)和SP9炮(d)記錄截面圖

Pg波震相是來自基底頂部的折射波組(首波)。一般而言，Pg波顯示為清晰的強震相，該波作為初至波，震相清晰可靠，并且可連續(xù)對比追蹤，通?？勺粉欀辆嗯邳c90～120 km處，部分炮的觀測記錄在距炮點140 km以內仍可辨認。由于沿剖面不同地質構造單元基底埋藏深度的不同，在各炮記錄截面上的折合走時顯示出了較大的差異。Pg波在各炮記錄截面上的折合時間最小為0.2 s，最大達2.0 s。該波的視速度在不同區(qū)段，由于基底界面傾斜方向的不同其視速度亦有巨大的變化，當基底界面起伏變化特征不明顯時，其視速度一般為6.00 km/s。沿剖面Pg波到時的超前與滯后、視速度的變化在一定程度上反映了沿剖面基底的起伏變化、構造特征和介質性質的差異。Pn波是來自上地幔頂部的折射波震相，該波主要體現(xiàn)該區(qū)域上地幔頂部介質速度及速度梯度結構特征。沿剖面在大部分炮點記錄截面上都識別對比出了Pn波組。由于Moho面的起伏變化，使得該組該進入初至區(qū)的距離遠近不一，Pn波一般在距炮點170.0 km進入初至區(qū)，可以連續(xù)追蹤對比至350.0 km，該波組的視速度約為8.00 km/s。該波組在各炮記錄截面表現(xiàn)的振幅強弱不一，表明上地幔頂部沿測線速度結構的不均勻特征以及研究區(qū)殼幔過渡帶復雜的結構特征。

3 資料處理與計算

本文采用一維垂向非均勻介質中走時擬合方法(朱介壽等，1988)，對所獲得的各炮地震走時記錄進行正演擬合，利用試錯法反復修改地殼結構模型，實現(xiàn)實測資料與理論模型的最佳擬合，得到沿剖面的一維地殼分層速度結構模型，并綜合分析各炮點獲得的一維速度結構，分析沿剖面不同塊體間的速度結構變化。

對于水平分層設計的一維殼幔速度結構模型，不同震相在其內部傳播的到時，可以利用以下方法進行處理計算。即假定波的傳播速度在水平方向上的變化比垂直方向上的變化要小得多，則可認為速度是深度的函數(shù)()，且速度隨深度呈線性變化，具體算法如下：

=+=(1+)

(1)

這時，可得到速度隨深度線性變化的射線方程：

(2)

(3)

利用這種方法可以得到地殼一維速度結構模型的理論走時，將其與實測地震記錄走時(共2 915個實測數(shù)據(jù)，其中Pg波走時666個、P1波走時435個、P波走時400個、P波走時374個、Pm波走時643個、Pn波走時397個，見表1)進行對比擬合，當理論計算走時與觀測走時擬合較好時，即認為輸入的地殼一維速度模型為該區(qū)域一維平均速度模型。利用上述方法的一維計算程序對，沿剖面各炮建立的初始模型與實測資料進行正演擬合，采用試錯法反復修改地殼速度結構模型，實現(xiàn)了理論走時曲線與實測資料的最佳擬合(圖3)，最終得到了鎮(zhèn)康—瀘西剖面的一維地殼速度結構模型(圖4)。沿剖面橫向變化較小的走時資料的擬合誤差相對較小，誤差范圍為0～100 ms；橫向變化較大的走時資料的擬合誤差基本上都大于100 ms，甚至更大。

圖3 鎮(zhèn)康—瀘西剖面部分炮左、右支一維走時擬合圖及其對應的速度結構圖

表1 鎮(zhèn)康—瀘西剖面各炮點不同震相實測數(shù)據(jù)

由圖4可見研究區(qū)地殼具有很好的分層特征，基底以下地殼結構大致分為4層：C、C、C及Moho面。在深度0.0～5.0 km的上地殼是一個速度隨深度加深而增大的梯度層，其速度自上而下一般為3.50～5.50 km/s，呈正速度梯度變化，速度梯度隨深度增加逐漸減弱。殼內界面C和C的深度分別為11.0～17.0 km和17.0～26.0 km，這2個界面的整體變化趨勢比較相似。C和C界面自西向東在SP2和SP3之間有明顯下凹的趨勢，而后在SP5到SP7之間上隆，其中C界面較C界面上隆特征更加明顯，在SP8附近界面又快速加深，到了測線的東端(SP9附近)，這2個界面又呈現(xiàn)逐漸變淺的變化特征。C界面和前2個界面相比，界面連續(xù)性稍差，但殼幔分界面Moho面的連續(xù)性很好，殼內界面C和Moho面的深度分別為：26.0～34.0 km和34.0～46.0 km。C界面和Moho面的形態(tài)比較近似，整體上呈現(xiàn)自西向東逐漸加深，在SP3到SP4之間和SP6到SP7之間存在明顯變化的特征。

圖4 鎮(zhèn)康—瀘西剖面速度—深度圖

4 討論

鎮(zhèn)康—瀘西剖面跨越了云南中部地區(qū)多個地質構造單元及多條重要活動斷裂帶，小江斷裂帶與紅河斷裂帶是該區(qū)十分重要的活動斷裂帶，且斷裂帶兩側速度及地殼厚度均發(fā)生明顯變化(虎雄林等，2006；錢曉東，秦嘉政，2008；吳建平等，2013；王夫運等，2014)。吳建平等(2013)獲取的小江斷裂周邊地區(qū)三維P波速度結構中，24°N的Moho面深度范圍為35～40 km，測線附近Moho面埋深約為38 km。

王夫運等(2014)獲得的該區(qū)域的Moho面深度以紅河斷裂為界產(chǎn)生了較大的變化，紅河斷裂以西地殼厚度約34 km，以東地殼厚度約44 km。多項研究成果認為紅河斷裂可能已經(jīng)穿透Moho面(張超等，2001；張秉良等，2008a，b)，但均無明顯的地球物理學證據(jù)來支持。而從該剖面得到的人工地震測深結果可以發(fā)現(xiàn)，在SP9到SP10之間的600 km樁號附近，出現(xiàn)明顯的中上地殼變薄和Moho面加厚，顯示了強烈的切穿地殼的斷裂特點，因此本文結果支持這一觀點的成立。

鎮(zhèn)康—瀘西剖面速度—深度圖(圖4)顯示：C界面在新平附近和剖面東端下方明顯上隆，埋深10.0～12.0 km；小江斷裂附近下方C界面明顯下坳，最大埋深為17.0 km。在測線西端地殼厚度約37.0 km，當進入三江褶皺系無量山斷裂以東Moho面明顯增厚，形成山根結構特征，地殼厚度約43.0 km，與白志明和王椿鏞(2004)研究成果有較好的對應，這些特征充分說明不同塊體之間介質屬性的差異性以及研究區(qū)超殼斷裂存在的證據(jù)。以紅河斷裂為界以西為三江褶皺系，以東為揚子地臺，沿測線跨越紅河斷裂后地殼厚度加厚，到了測線東端的華南塊體，Moho面厚約45.0 km，與該區(qū)其他研究結果存在較好對應(李永華等，2009)。

5 結論

本文通過鎮(zhèn)康—瀘西人工地震測深剖面11炮的地震走時記錄，擬合獲得了一維地殼速度結構模型，主要得出以下結論：

(1)鎮(zhèn)康—瀘西人工地震測深剖面橫跨了4個不同的地質構造單元，自西向東分別為左貢—耿馬褶皺系，三江褶皺系，揚子地臺及華南塊體。從該剖面的一維速度結構結果上可以看出，速度結構和界面形態(tài)沿測線有明顯的分塊特征。

(2)沿測線各界面形態(tài)自西向東起伏變化明顯，地殼厚度自西向東呈現(xiàn)出逐漸增厚的特征，中下地殼的厚度變化基本與Moho面一致。

(3)沿剖面上地殼厚度變化比較明顯，三江褶皺系以東的揚子地臺和華南褶皺系上地殼逐漸減薄，揚子地臺內部玉溪至彌勒一帶上地殼增厚。