川西龍門山及鄰區地殼上地幔各向異性地震P波走時層析成像研究

郭 飚 劉啟元 陳九輝 李順成 李 昱 王 峻 齊少華

（中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室，北京 100029）

川西龍門山及鄰區地殼上地幔各向異性地震P波走時層析成像研究

Anisotropic seismic P－wave travel－time tomography in Longmenshan area，west Sichuan，China

郭 飚 劉啟元 陳九輝 李順成 李 昱 王 峻 齊少華

（中國地震局地質研究所地震動力學國家重點實驗室，北京 100029）

經典的地震層析成像假定介質為各向同性，通過走時反演確定地球介質的非均勻結構，得到的僅是近似地球模型。如果各向異性較強時，應用基于各向同性假設的層析成像算法，可能導致錯誤的結果。非均勻與各向異性效應是耦合的，如果僅考慮非均勻效應則各向異性結構可能映射到非均勻結構中造成非均勻速度結構的誤差，反之亦然。因此，高分辨率的走時層析成像必須同時考慮非均勻和各向異性兩種效應。同時反演非均勻和各向異性結構（即各向異性層析成像），不僅可以獲得可靠的各向同性速度結構，同時可以確定各向異性結構。相對于S波偏振分析，體波走時方法基于不同的數據集，能提供獨立的地震各向異性觀測證據。利用地震走時層析成像方法同時研究介質的非均勻性和各向異性，對于認識地球的結構及動力學過程都具有非常重要的意義。

本文基于弱各向異性近似條件下彈性張量的調和展開理論和地震走時層析成像方法，構建了地震各向異性P波走時層析成像算法。該算法利用均勻的網格節點和三次B樣條插值函數描述各向同性速度場；利用各向異性塊描述各向異性速度擾動場。構建了適合弱各向異性介質的各向異性快速行進算法，并進一步利用互易性定理減少了正演計算量。反演方法采用Tarantola（1982，1987）的非線性反演方法，對于非均勻和各向異性參數可以分別設置不同的阻尼因子。

利用在龍門山及鄰區布設的川西地震臺陣記錄到的遠震P波走時數據和本文提出的各向異性層析成像方法，同時反演了該區地殼上地幔遠震P波各向同性速度結構和P波快波方向。我們的結果表明：

（1）研究區地殼上地幔P波速度結構具有較為明顯的分區特征，松潘－甘孜地塊和川滇地塊速度較低，龍門山斷裂帶及四川盆地西部速度較高。四川盆地西部地殼上地幔的高速異常厚度從南側250km向北逐漸減薄至100km，推測這個高速異常體可能代表四川盆地的巖石圈。相對于四川盆地，松潘－甘孜地塊的地殼上地幔較為軟弱，但不存在四川盆地向松潘－甘孜地塊的俯沖。松潘－甘孜地塊的抬升可能與地幔上涌有關。四川盆地與松潘－甘孜地塊和川滇地塊間的動力學機制完全不同，川滇地塊和四川盆地僅是垂直接觸關系，而在四川盆地北部靠近龍門山一側，發現四川盆地前緣有自東向西減薄的現象，推測松潘－甘孜的上地幔物質侵蝕了四川盆地下方的巖石圈。

（2）龍門山斷裂帶與四川盆地的地殼均顯示為高速特征，四川盆地與松潘－甘孜地塊之間的構造邊界可能是汶川－茂縣斷裂。以汶川為界，龍門山斷裂帶被從松潘－甘孜地塊侵入的低速物質分為兩段，南北兩段均顯示為高速特征。汶川大地震及余震序列均發生在龍門山北段的高速介質區域內。根據本文給出的松潘－甘孜地殼上地幔速度結構，我們可以進一步推斷，松潘－甘孜地塊的抬升應與地幔物質上涌有關，在堅硬的四川盆地的阻擋作用下，青藏高原向東擠壓和地幔上涌的雙重作用造成松潘－甘孜地塊隆升，并造成了龍門山斷裂帶的逆沖推覆。龍門山南北兩段間的地殼強度較低，在長期的緩慢變形過程中，易于在龍門山北段的堅硬的上地殼內形成巨大的應力積累，而汶川處于龍門山北段的最南端，應力容易在此集中，并成為汶川大地震破裂的起始點。

（3）P波各向異性研究表明川滇地塊的上地幔流動方向與GPS的觀測結果相吻合，反映了川滇地塊地殼和上地幔的形變一致，屬于殼幔耦合型。松潘－甘孜地塊的上地幔流動方向為北東向，而GPS的觀測結果為近東西向，說明松潘－甘孜地塊殼幔的形變不一致，屬于殼幔解耦型。四川盆地北部的P波快波方向與SKS的結果較為一致，而四川盆地南部的P波快波方向平行于主要構造方向，與SKS的結果相互垂直。四川盆地內部南北兩部分具有不同的殼幔變形特征，這與速度結構給出的結論相一致。

P315.63；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.06.016