滇西北三江并流地區(qū)地殼S波速度結(jié)構(gòu)

楊建文 金明培 葉 泵 茶文劍 黑賀堂

1 中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場大理中心,云南省大理市濱海大道,671000

滇西北三江并流地區(qū)位于青藏高原東南緣、喜馬拉雅東構(gòu)造結(jié)東側(cè),是印度板塊與歐亞板塊碰撞的側(cè)向地帶,同時也是青藏高原物質(zhì)向東南逃逸的重要區(qū)域[1]。由于受大陸板塊側(cè)向碰撞的影響,第四紀(jì)以來,該區(qū)構(gòu)造活動強(qiáng)烈,地形地貌復(fù)雜,深大斷裂體系發(fā)育[1-2],是地學(xué)研究的熱點(diǎn)區(qū)域之一。諸多學(xué)者從不同角度對滇西北三江并流地區(qū)開展研究,主要包括構(gòu)造物理模擬[3]、變形分析[4]、同位素?zé)崮甏鷮W(xué)[5]、古地磁[6]等,為該區(qū)巖漿作用、變質(zhì)變形作用及構(gòu)造演化等方面作出了貢獻(xiàn)[7]。在深部構(gòu)造方面,由于受觀測臺站覆蓋密度的限制(該區(qū)地震臺站數(shù)量較少,臺間距較大),相關(guān)研究較少。中國地震科學(xué)臺陣(ChinArray)探測項(xiàng)目Ⅰ期實(shí)施以來,獲取了近2.5 a的連續(xù)波形記錄,為該區(qū)深部結(jié)構(gòu)研究提供了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

S波速度是研究地球內(nèi)部物理、殼幔動力學(xué)及地質(zhì)演化過程的重要參數(shù)[8]?；谶h(yuǎn)震P波接收函數(shù)進(jìn)行反演是獲取S波速度的有效方法之一。另外,中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場地區(qū)地殼剪切波速模型[9]的構(gòu)建及發(fā)布,為川滇地區(qū)速度結(jié)構(gòu)成像提供了很好的模型基礎(chǔ)。鑒于此,本文根據(jù)滇西北三江并流地區(qū)36個臺站記錄的遠(yuǎn)震接收函數(shù)反演S波速度,對該區(qū)的地殼深部結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測,以研究其巖石圈結(jié)構(gòu)及作用機(jī)制。該工作的開展對于理解滇西北三江并流地區(qū)的孕震背景和青藏高原東南向擴(kuò)展機(jī)制具有重要意義。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來源于滇西北三江并流地區(qū)(26°～29.1°N,98.5°～100°E)36個寬頻帶地震臺站(圖1),其中ChinArray探測項(xiàng)目Ⅰ期臺站32個,云南區(qū)域臺網(wǎng)固定臺站4個,獲得2011-09-02～2014-01-16震中距介于30°～90°、震級M≥5.8的238個遠(yuǎn)震事件的三分量波形資料。地震目錄由IRIS網(wǎng)站提供,其中5.8≤M<6.0地震101個,6.0≤M<7.0地震123個,7.0≤M<8.0地震13個,M≥8.0地震1個。從遠(yuǎn)震空間分布來看(圖1左下角小圖),這些地震事件具有較好的方位和震中距覆蓋,可為獲得穩(wěn)定、可靠的研究結(jié)果提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)保障。

圖1 研究區(qū)概況

對各臺站記錄的波形資料進(jìn)行處理,提取徑向P波接收函數(shù),具體計(jì)算過程為[10]:1)截取P波到達(dá)之前10 s至P波到達(dá)之后100 s的時間信號;2)將三分量記錄ENZ旋轉(zhuǎn)到ZRT坐標(biāo)系下;3)在時間域里完成R分量對Z分量的反褶積;4)使用帶寬參數(shù)為1.0的高斯濾波器提取P波接收函數(shù)。為保證反演結(jié)果的可靠性,共挑選出Moho面轉(zhuǎn)換相、多次相較可靠的徑向P波接收函數(shù)832個(平均每個臺站23個左右)用于反演S波速度結(jié)構(gòu)。

1.2 初始速度模型

傳統(tǒng)的接收函數(shù)反演主要是基于研究區(qū)或更大區(qū)域的前人研究結(jié)果[11]構(gòu)建簡單的初始模型來完成的。姚華建教授課題組構(gòu)建并發(fā)布的中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場地區(qū)地殼剪切波速模型為本文的S波速度反演提供了較好的模型基礎(chǔ)。另外,考慮到研究區(qū)較為顯著的地形差異和地下結(jié)構(gòu)橫向不均勻性的影響,將其劃分為3個區(qū)域(圖1),基于中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場地區(qū)地殼剪切波速模型提取3個區(qū)域的平均S波速度作為各自的初始模型(圖2,0～70 km深度范圍內(nèi),層厚為2 km的S波速度結(jié)果),以完成各區(qū)內(nèi)相關(guān)臺站的S波速度結(jié)構(gòu)反演。

圖2 3個區(qū)域的S波速度初始模型

1.3 S波速度反演

采用時間域線性反演方法[11]和bootstrap重采樣技術(shù)[12]反演各臺站下方的S波速度,以分別位于3個區(qū)域的51060、53016和53025臺為例闡述實(shí)際數(shù)據(jù)處理過程。通過前期接收函數(shù)的提取和挑選,分別獲得Moho面轉(zhuǎn)換相、多次相較可靠的徑向P波接收函數(shù)34、30和30個,然后基于各區(qū)域的初始模型,采用時間域線性反演方法對各臺站的接收函數(shù)進(jìn)行逐個反演,分別獲得34、30和30個速度模型。由圖3可知,在計(jì)算過程中,同一臺站來自不同方位和震中距的接收函數(shù)雖然采用了相同的初始模型進(jìn)行反演,但反演結(jié)果仍存在一定的差異,這體現(xiàn)了解的非唯一性[10]。因此,采用bootstrap技術(shù)(采樣次數(shù)為1 000)分別對獲得的34、30和30個速度模型進(jìn)行重采樣,其目的是充分考慮來自不同方位和震中距的接收函數(shù)對反演結(jié)果的實(shí)際貢獻(xiàn),并對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和評估,以獲取最優(yōu)解(圖3)。

圖3 S波速度反演結(jié)果

2 結(jié)果與討論

采用上述數(shù)據(jù)處理方法,分別基于各臺站對應(yīng)區(qū)域的初始模型對研究區(qū)36個臺站進(jìn)行處理,獲取各臺站下方0～70 km深度范圍內(nèi)的S波速度結(jié)果。對結(jié)果進(jìn)行插值,以獲取不同水平和垂直剖面上的S波速度分布,圖4為4 km、10 km、18 km、30 km、36 km和44 km深度處的S波速度分布。

圖4 不同深度上的S波速度水平剖面

由圖4可知,研究區(qū)不同深度處的S波速度呈現(xiàn)出明顯的橫向非均勻性。在4 km深度處(圖4(a)),研究區(qū)總體以27.5°N為界,南北兩側(cè)的S波速度存在明顯的差異。27.5°N以北,除金沙江-紅河斷裂帶附近的51052-53006臺和51060-53002臺局部區(qū)域?yàn)橄鄬Ω咚偻?S波速度在3.3～3.5 km/s之間),其他區(qū)域呈相對低速分布(S波速度在2.5～3.2 km/s之間);27.5°N以南,S波速度橫向變化較大,瀾滄江斷裂帶附近53015-53023臺區(qū)域和金沙江-紅河斷裂帶南端的EYA臺附近局部區(qū)域呈相對低速(S波速度在2.7～3.2 km/s之間),怒江斷裂帶以西和金沙江-紅河斷裂帶附近的53016-53049-53022臺區(qū)域呈相對高速(S波速度在3.3～3.7 km/s之間)。10 km深度處(圖4(b)),研究區(qū)以瀾滄江斷裂帶為界,東西兩側(cè)S波速度呈現(xiàn)明顯的差異性,瀾滄江斷裂帶以西,除53019-53014臺和53028-53027臺附近局部區(qū)域外,其他區(qū)域呈相對低速分布(S波速度在2.9～3.5 km/s之間);瀾滄江斷裂帶以東,除XCE-51046-53007-53008臺一帶為相對低速外,其他區(qū)域呈相對高速分布(S波速度在3.6～4.1 km/s之間)。18 km深度處(圖4(c)),瀾滄江斷裂帶以西區(qū)域S波速度分布較10 km深度處總體變化不大,呈相對低速(S波速度在3.2～3.5 km/s之間),斷裂帶以東區(qū)域總體以27.5°N為界,呈北低南高的分布特征,27.5°N以北S波速度在3.0～3.5 km/s之間,以南S波速度在3.6～4.1 km/s之間。在30 km和36 km深度處(圖4(d)和4(e)),除局部區(qū)域外,研究區(qū)整體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,表現(xiàn)為NE和SW區(qū)域以相對低速為主(S波速度在3.3～3.7 km/s之間),NW和SE區(qū)域以相對高速為主(S波速度在3.8～4.1 km/s之間)。44 km深度處(圖4(f)),瀾滄江斷裂帶和27.5°N的邊界作用仍然比較明顯,NE和SW區(qū)域仍然以相對低速為主(S波速度在3.5～3.9 km/s之間),NW和SE區(qū)域S波速度在4.0～4.1 km/s之間,呈相對高速。

為了更好地展示研究區(qū)不同深度處的S波速度變化情況,圖5和6分別給出不同方向的S波速度垂直剖面結(jié)果,最大深度達(dá)70 km,剖面位置見圖1,其中A-A′～C-C′剖面從北至南呈近NE-SW向展布,D-D′～F-F′剖面走向近NW-SE,從西至東分別展布于怒江斷裂帶、瀾滄江斷裂帶及金沙江-紅河斷裂帶附近。

圖5 近NE-SW向的S波速度垂直剖面

由近NE-SW向展布的A-A′～C-C′剖面可知(圖5),研究區(qū)殼內(nèi)S波速度從北向南存在較大差異,3個剖面都展示出從地表向下延伸但厚度不均勻的上地殼低速分布特征。A-A′剖面(圖5(a))低速層(VS≤3.5 km/s)整體較為均勻,厚度約25 km;B-B′剖面(圖5(b))金沙江-紅河斷裂帶兩側(cè)存在較大差異,斷裂帶以西區(qū)域厚度約8 km,以東最大厚度達(dá)25 km;C-C′剖面(圖5(c))低速層厚度在5～10 km之間,且由SW向NE逐漸減薄。值得注意的是,在A-A′剖面上,金沙江-紅河斷裂帶西側(cè)51052臺下方5～25 km深度處存在一明顯的高速體(VS≥3.7 km/s),這與圖4(a)～4(c)顯示的不同深度51052臺處局部區(qū)域呈相對高速相對應(yīng)。

由近NW-SE向展布的D-D′～F-F′剖面可知(圖6),從地表向下延伸的低速分布大致以27.5°N為界,南北兩側(cè)存在較大差異。27.5°N以北,D-D′和E-E′剖面(圖6(a)和6(b))低速層整體分布較為均勻,厚度分別為25 km和20 km,E-E′剖面(圖6(b))53004臺下方10～18 km深度范圍內(nèi)呈相對高速;F-F′剖面(圖6(c))低速分布較為復(fù)雜,53016-53006臺間較為均勻,厚度約25 km,51052臺下方5～25 km深度處呈相對高速,51046臺下方殼內(nèi)低速層較為發(fā)育,從地表延伸至45 km深處。27.5°N以南,除D-D′剖面(圖6(a))53021-53020臺下方低速層從地表一直延伸至約35 km外,其他低速層厚度在4～10 km之間(圖6(a)、6(b)和圖6(c)),另外F-F′剖面(圖6(c))53029-53016臺下方4～15 km深度范圍內(nèi)存在連續(xù)且厚度相對均勻的高速體。值得注意的是,D-D′和F-F′剖面(圖6(a)和6(c))分別展示了下地殼25～45 km深度范圍內(nèi)存在局部分布的低速層,且與上地殼低速體相連,其中D-D′剖面位于27.5°N以南,厚度約10 km,F-F′剖面位于27.5°N以北,最大厚度達(dá)20 km。這與圖4(d)～4(f)展示的研究區(qū)總體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,NE和SW區(qū)域呈相對低速分布為主相對應(yīng)。另外,由圖6(a)可知,D-D′剖面下地殼低速層下方的上地幔也表現(xiàn)出低速異常,因此下地殼局部區(qū)域的低速層可能與上地幔發(fā)生變形導(dǎo)致熱物質(zhì)向地殼侵入或滲透有關(guān)。

圖6 近NW-SE向的S波速度垂直剖面

地殼厚度是研究地殼演化背景的重要參數(shù),其空間分布和絕對值大小與巖石圈演化相關(guān)[10]。Wang等[13]基于ChinArray Ⅰ期、川西臺陣和川滇地區(qū)固定臺網(wǎng)等的波形資料,采用H-k掃描法獲取了中國地震科學(xué)實(shí)驗(yàn)場高精度的Moho界面模型。圖7 為基于Wang等[13]的結(jié)果繪制的研究區(qū)地殼厚度分布,由圖可知,研究區(qū)地殼厚度整體以27.5°N為界,呈北深南淺的變化特征,地殼厚度從研究區(qū)南部的42 km增加到北部的66 km。怒江斷裂帶北端53017臺附近存在Moho面隆起,地殼厚度為48 km。值得注意的是,瀾滄江斷裂帶附近地殼厚度變化劇烈,為地殼厚度變化的突變帶,這與圖4揭示的瀾滄江斷裂帶兩側(cè)殼內(nèi)S波速度差異明顯相對應(yīng),表明瀾滄江斷裂帶在滇西北三江并流地區(qū)的構(gòu)造演化過程中起到明顯的控制作用。

圖7 研究區(qū)地殼厚度分布

3 結(jié) 語

1)滇西北三江并流地區(qū)的地殼S波速度結(jié)構(gòu)整體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,表現(xiàn)出明顯的區(qū)域差異。在上地殼,S波速度在0～25 km深度范圍內(nèi)存在由地表向殼內(nèi)延伸的低速層,但不同區(qū)域低速層厚度存在較大差異。27.5°N以北低速層較為發(fā)育,厚度在20～25 km之間;27.5°N以南,瀾滄江斷裂帶東西兩側(cè)低速層厚度差異明顯,斷裂帶以西在10～25 km之間,斷裂帶以東保持在4 km左右。

2)在下地殼,S波速度在橫向上表現(xiàn)出以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界的NE與SW區(qū)域以相對低速為主,NW和SE區(qū)域以相對高速為主的分布特征;在垂向上,怒江斷裂帶中南部和金沙江-紅河斷裂帶北端附近局部區(qū)域25～45 km深度范圍內(nèi)存在低速體,與上地殼低速體相連。

3)研究區(qū)地殼厚度整體以27.5°N為界,呈北深南淺的變化特征,地殼厚度從研究區(qū)南部的42 km增加到北部的66 km,怒江斷裂帶北端局部區(qū)域存在莫霍面隆起。另外,瀾滄江斷裂帶為地殼厚度和S波速度變化的重要分界面,對滇西北三江并流地區(qū)的構(gòu)造演化過程起控制作用。

4)P波接收函數(shù)波形對界面深度變化敏感,而且具有較高的縱、橫向分辨率,由此反演S波速度是探測地殼深部結(jié)構(gòu)的有效方法。本文對滇西北三江并流地區(qū)的地殼S波速度進(jìn)行了厘定,研究結(jié)果有助于加深對區(qū)域巖石圈結(jié)構(gòu)和動力學(xué)機(jī)制的了解。

致謝：本文使用的遠(yuǎn)震三分量波形數(shù)據(jù)來源于中國地震科學(xué)臺陣(ChinArray)探測項(xiàng)目Ⅰ期和云南區(qū)域臺網(wǎng),接收函數(shù)反演和bootstrap重采樣技術(shù)計(jì)算程序由云南大學(xué)胡家富教授課題組提供,文中圖件采用GMT6.2軟件繪制,在此一并表示感謝。