滇西北三江并流地區地殼S波速度結構

楊建文 金明培 葉 泵 茶文劍 黑賀堂

1 中國地震科學實驗場大理中心,云南省大理市濱海大道,671000

滇西北三江并流地區位于青藏高原東南緣、喜馬拉雅東構造結東側,是印度板塊與歐亞板塊碰撞的側向地帶,同時也是青藏高原物質向東南逃逸的重要區域[1]。由于受大陸板塊側向碰撞的影響,第四紀以來,該區構造活動強烈,地形地貌復雜,深大斷裂體系發育[1-2],是地學研究的熱點區域之一。諸多學者從不同角度對滇西北三江并流地區開展研究,主要包括構造物理模擬[3]、變形分析[4]、同位素熱年代學[5]、古地磁[6]等,為該區巖漿作用、變質變形作用及構造演化等方面作出了貢獻[7]。在深部構造方面,由于受觀測臺站覆蓋密度的限制(該區地震臺站數量較少,臺間距較大),相關研究較少。中國地震科學臺陣(ChinArray)探測項目Ⅰ期實施以來,獲取了近2.5 a的連續波形記錄,為該區深部結構研究提供了較好的數據基礎。

S波速度是研究地球內部物理、殼幔動力學及地質演化過程的重要參數[8]。基于遠震P波接收函數進行反演是獲取S波速度的有效方法之一。另外,中國地震科學實驗場地區地殼剪切波速模型[9]的構建及發布,為川滇地區速度結構成像提供了很好的模型基礎。鑒于此,本文根據滇西北三江并流地區36個臺站記錄的遠震接收函數反演S波速度,對該區的地殼深部結構進行探測,以研究其巖石圈結構及作用機制。該工作的開展對于理解滇西北三江并流地區的孕震背景和青藏高原東南向擴展機制具有重要意義。

1 數據和方法

1.1 數據來源

本文數據來源于滇西北三江并流地區(26°～29.1°N,98.5°～100°E)36個寬頻帶地震臺站(圖1),其中ChinArray探測項目Ⅰ期臺站32個,云南區域臺網固定臺站4個,獲得2011-09-02～2014-01-16震中距介于30°～90°、震級M≥5.8的238個遠震事件的三分量波形資料。地震目錄由IRIS網站提供,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,可為獲得穩定、可靠的研究結果提供高質量的數據保障。

圖1 研究區概況

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

1.2 初始速度模型

傳統的接收函數反演主要是基于研究區或更大區域的前人研究結果[11]構建簡單的初始模型來完成的。姚華建教授課題組構建并發布的中國地震科學實驗場地區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。另外,考慮到研究區較為顯著的地形差異和地下結構橫向不均勻性的影響,將其劃分為3個區域(圖1),基于中國地震科學實驗場地區地殼剪切波速模型提取3個區域的平均S波速度作為各自的初始模型(圖2,0～70 km深度范圍內,層厚為2 km的S波速度結果),以完成各區內相關臺站的S波速度結構反演。

圖2 3個區域的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[12]反演各臺站下方的S波速度,以分別位于3個區域的51060、53016和53025臺為例闡述實際數據處理過程。通過前期接收函數的提取和挑選,分別獲得Moho面轉換相、多次相較可靠的徑向P波接收函數34、30和30個,然后基于各區域的初始模型,采用時間域線性反演方法對各臺站的接收函數進行逐個反演,分別獲得34、30和30個速度模型。由圖3可知,在計算過程中,同一臺站來自不同方位和震中距的接收函數雖然采用了相同的初始模型進行反演,但反演結果仍存在一定的差異,這體現了解的非唯一性[10]。因此,采用bootstrap技術(采樣次數為1 000)分別對獲得的34、30和30個速度模型進行重采樣,其目的是充分考慮來自不同方位和震中距的接收函數對反演結果的實際貢獻,并對結果進行統計和評估,以獲取最優解(圖3)。

圖3 S波速度反演結果

2 結果與討論

采用上述數據處理方法,分別基于各臺站對應區域的初始模型對研究區36個臺站進行處理,獲取各臺站下方0～70 km深度范圍內的S波速度結果。對結果進行插值,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,研究區不同深度處的S波速度呈現出明顯的橫向非均勻性。在4 km深度處(圖4(a)),研究區總體以27.5°N為界,南北兩側的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臺局部區域為相對高速外(S波速度在3.3～3.5 km/s之間),其他區域呈相對低速分布(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臺區域和金沙江-紅河斷裂帶南端的EYA臺附近局部區域呈相對低速(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)),研究區以瀾滄江斷裂帶為界,東西兩側S波速度呈現明顯的差異性,瀾滄江斷裂帶以西,除53019-53014臺和53028-53027臺附近局部區域外,其他區域呈相對低速分布(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)),除局部區域外,研究區整體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,表現為NE和SW區域以相對低速為主(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波速度垂直剖面結果,最大深度達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),研究區殼內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-紅河斷裂帶兩側存在較大差異,斷裂帶以西區域厚度約8 km,以東最大厚度達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臺處局部區域呈相對高速相對應。

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深度范圍內呈相對高速;F-F′剖面(圖6(c))低速分布較為復雜,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臺下方殼內低速層較為發育,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深度范圍內存在連續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20 km。這與圖4(d)～4(f)展示的研究區總體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,NE和SW區域呈相對低速分布為主相對應。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出低速異常,因此下地殼局部區域的低速層可能與上地幔發生變形導致熱物質向地殼侵入或滲透有關。

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,其空間分布和絕對值大小與巖石圈演化相關[10]。Wang等[13]基于ChinArray Ⅰ期、川西臺陣和川滇地區固定臺網等的波形資料,采用H-k掃描法獲取了中國地震科學實驗場高精度的Moho界面模型。圖7 為基于Wang等[13]的結果繪制的研究區地殼厚度分布,由圖可知,研究區地殼厚度整體以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殼內S波速度差異明顯相對應,表明瀾滄江斷裂帶在滇西北三江并流地區的構造演化過程中起到明顯的控制作用。

圖7 研究區地殼厚度分布

3 結 語

1)滇西北三江并流地區的地殼S波速度結構整體以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界,表現出明顯的區域差異。在上地殼,S波速度在0～25 km深度范圍內存在由地表向殼內延伸的低速層,但不同區域低速層厚度存在較大差異。27.5°N以北低速層較為發育,厚度在20～25 km之間;27.5°N以南,瀾滄江斷裂帶東西兩側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出以瀾滄江斷裂帶和27.5°N為界的NE與SW區域以相對低速為主,NW和SE區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域25～45 km深度范圍內存在低速體,與上地殼低速體相連。

3)研究區地殼厚度整體以27.5°N為界,呈北深南淺的變化特征,地殼厚度從研究區南部的42 km增加到北部的66 km,怒江斷裂帶北端局部區域存在莫霍面隆起。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的構造演化過程起控制作用。

4)P波接收函數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構的有效方法。本文對滇西北三江并流地區的地殼S波速度進行了厘定,研究結果有助于加深對區域巖石圈結構和動力學機制的了解。

致謝：本文使用的遠震三分量波形數據來源于中國地震科學臺陣(ChinArray)探測項目Ⅰ期和云南區域臺網,接收函數反演和bootstrap重采樣技術計算程序由云南大學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。