郭 飚

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

非均勻各向異性介質(zhì)的地震P波走時(shí)層析成像研究

郭 飚

(中國地震局地質(zhì)研究所,北京 100029)

大陸動(dòng)力學(xué)已經(jīng)成為當(dāng)今固體地球物理各領(lǐng)域研究的主導(dǎo)方向。大陸動(dòng)力學(xué)涉及問題非常廣泛,但核心問題是大陸形變及其動(dòng)力學(xué)。地震各向異性是地球動(dòng)力學(xué)過程的指示器,根據(jù)地震各向異性的研究結(jié)果,可以推斷上地幔物質(zhì)的流動(dòng)或變形,有助于了解地球內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)和地球的演化過程。

地震層析成像是研究地球地殼上地幔結(jié)構(gòu)的主要地球物理方法。地震觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步、數(shù)據(jù)的積累以及計(jì)算技術(shù)的發(fā)展使得利用體波走時(shí)數(shù)據(jù)反演各向異性參數(shù)成為可能。利用地震走時(shí)層析成像方法同時(shí)研究介質(zhì)的非均勻性和各向異性,對(duì)于認(rèn)識(shí)地球的結(jié)構(gòu)及動(dòng)力學(xué)過程都具有非常重要的意義。

本文系統(tǒng)地討論了弱各向異性條件下P波速度擾動(dòng)的近似表達(dá)式,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了地震各向異性P波走時(shí)層析成像算法。利用多個(gè)不同理論模型對(duì)本文提出的方法進(jìn)行了數(shù)值檢驗(yàn),系統(tǒng)地討論了該方法的應(yīng)用條件,并將本文提出的理論和方法成功地應(yīng)用在中國境內(nèi)天山地區(qū)和川西龍門山地區(qū),獲得了上述地區(qū)地殼上地幔的P波速度結(jié)構(gòu)和P波各向異性參數(shù)。

本論文的研究成果主要包括以下4個(gè)部分:

1 理論構(gòu)建

在Backus[1]的彈性張量調(diào)和展開理論基礎(chǔ)上,導(dǎo)出了弱各向異性介質(zhì)中的P波相速度擾動(dòng)調(diào)和展開的的各階系數(shù),校正了Sm ith&Dah len[2]和Bokelm ann[3]文獻(xiàn)中的錯(cuò)誤。根據(jù)P波速度擾動(dòng)的調(diào)和展開公式,導(dǎo)出了在不同觀測(cè)系統(tǒng)和不同各向異性介質(zhì)情況下的簡(jiǎn)化公式。根據(jù)Bond旋轉(zhuǎn)矩陣證明了繞坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)彈性矩陣元素變化規(guī)律,證明了在正交對(duì)稱系垂直對(duì)稱軸情況下,僅需4個(gè)參數(shù)即可模擬方位各向異性,而在任意各向異性情況下,僅需6個(gè)參數(shù)即可描述三維各向異性。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于弱各向異性近似條件下彈性張量的調(diào)和展開理論和地震走時(shí)層析成像方法,構(gòu)建了地震各向異性P波走時(shí)層析成像算法。該算法利用均勻的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和三次B樣條插值函數(shù)描述各向同性速度場(chǎng);利用各向異性塊描述各向異性速度擾動(dòng)場(chǎng)。這種模型參數(shù)化方法的優(yōu)點(diǎn)在于:(1)模型光滑,在反演時(shí)不需要加入光滑項(xiàng);(2)各向同性和各向異性的分辨率可以分別考慮,以減少介質(zhì)的非均勻性與各向異性間的耦合。另外,總結(jié)對(duì)比了地震波走時(shí)計(jì)算的各種方法,構(gòu)建了各向同性介質(zhì)中快速行進(jìn)波前擴(kuò)展程序,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了適合弱各向異性介質(zhì)的各向異性快速行進(jìn)算法,利用互易性定理減少了相應(yīng)的走時(shí)計(jì)算的計(jì)算量。在該算法中,首先計(jì)算以臺(tái)站位置為假想震源的走時(shí)場(chǎng),再計(jì)算臺(tái)站與近震震源或遠(yuǎn)震射線與模型邊界的交點(diǎn)間的射線路徑。這種走時(shí)計(jì)算方式特別適用于多源多臺(tái)站的觀測(cè)方式,可有效地減少正演計(jì)算量。反演方法采用Taran to la&Valetta[4]和Taranto la[5]的非線性反演方法,對(duì)于非均勻和各向異性參數(shù)可以分別設(shè)置不同的阻尼因子。

3 數(shù)值檢驗(yàn)

本文給出的多個(gè)理論模型測(cè)試結(jié)果表明:(1)本文給出的各向同性和弱各向異性條件下的快速行進(jìn)算法的計(jì)算精度可以滿足地震走時(shí)層析成像的要求(誤差小于震相的檢測(cè)誤差);(2)各向異性的強(qiáng)度與非均勻結(jié)構(gòu)是耦合的,而各向異性方向與非均勻結(jié)構(gòu)是可以解耦的;(3)在數(shù)據(jù)分布較好的情況下,P波走時(shí)方法可以分辨多層各向異性;(4)對(duì)于遠(yuǎn)震,只要數(shù)據(jù)的方位覆蓋大于180°即可較好地反演各向異性參數(shù);(5)三維各向異性的確定需要大于50°的震中距覆蓋。

4 實(shí)際數(shù)據(jù)解釋

(1)利用橫跨中國境內(nèi)天山的庫車—奎屯寬頻帶流動(dòng)地震臺(tái)陣和區(qū)域地震臺(tái)網(wǎng)記錄的近震和遠(yuǎn)震P波走時(shí)數(shù)據(jù)和Zhao等[6,7]地震層析成像方法,重建了沿該地震臺(tái)陣剖面400 km深度范圍內(nèi)地殼上地幔的各向同性P波速度結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,利用弱各向異性介質(zhì)條件下的P波速度擾動(dòng)公式和線性反演方法,進(jìn)一步解釋了剩余殘差,獲得了該地震剖面上的P波快波方向。我們的結(jié)果表明:

(a)沿新疆庫車—奎屯剖面,天山地殼具有明顯的橫向分塊結(jié)構(gòu),且南、北天山地殼顯示了較為強(qiáng)烈的橫向變形特征,表明塔里木地塊對(duì)天山地殼具有強(qiáng)烈的側(cè)向擠壓作用。在塔里木和準(zhǔn)噶爾地塊上地幔頂部有厚度約60～90 km的高速異常體,塔里木—南天山下方的高速異常體產(chǎn)生了較為明顯的彎曲變形,而準(zhǔn)噶爾—北天山下方的高速異常體向南一直俯沖到中天山南側(cè)邊界下方300 km的深度。兩者形成了不對(duì)稱對(duì)沖構(gòu)造。在塔里木和準(zhǔn)噶爾地塊下方150～400 km深度存在上地幔低速體。其中,塔里木地塊一側(cè)的上地幔低速體上涌到南天山地塊的下方。在塔里木—南天山200～300 km深度范圍的上地幔存在高速異常體,它可能是地幔熱物質(zhì)向上遷移過程融斷的塔里木巖石圈拆離體。

(b)塔里木地塊的俯沖可能涉及整個(gè)巖石圈深度,但其前緣僅限于南天山的北緣;青藏高原隆升的遠(yuǎn)程效應(yīng)可能驅(qū)動(dòng)了塔里木巖石圈向北俯沖,同時(shí)還造成天山造山帶南側(cè)上地幔物質(zhì)的涌入。天山造山帶上地幔廣泛存在的低速異常有助于上地幔的變形。上地幔物質(zhì)的強(qiáng)烈非均勻性應(yīng)有助于推動(dòng)天山造山帶上地幔范圍小尺度地幔對(duì)流的形成。根據(jù)研究區(qū)地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)特征可以推斷,新近紀(jì)以來,天山快速隆升的主要力源來自青藏高原快速隆升的遠(yuǎn)程效應(yīng),相對(duì)軟弱的上地幔為加速天山造山帶的變形和隆升創(chuàng)造了必要條件。

(c)塔里木盆地和南天山的P波快波方向?yàn)榻媳毕?這與塔里木地塊對(duì)天山南北向擠壓變形作用是一致的。進(jìn)入中天山褶皺帶和北天山,P波快波方向逐漸偏轉(zhuǎn)為北西向,北天山山前褶皺帶和準(zhǔn)噶爾盆地前緣的P波快波方向?yàn)榻鼥|西向,總體上,該區(qū)P波快波軸方向平行于天山造山帶的走向,垂直于板塊相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向。塔里木盆地和南天山的殼幔為連續(xù)一致變形,而中天山、北天山和準(zhǔn)噶爾上地幔的各向異性方向可能受到地幔小尺度對(duì)流和構(gòu)造方向的影響,殼幔的形變發(fā)生解耦。這表明,由于兩側(cè)盆地的擠壓,天山山體處于擠壓狀態(tài),而上地幔物質(zhì)的運(yùn)移沿著山體平行的方向,兩者之間構(gòu)成了立交模型。根據(jù)研究區(qū)地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)特征和各向異性方向推斷,上地幔物質(zhì)的流動(dòng)變形在天山造山帶的變形和隆升過程中起著重要作用。

(2)利用在龍門山及鄰區(qū)布設(shè)的川西地震臺(tái)陣記錄到的遠(yuǎn)震P波走時(shí)數(shù)據(jù)和本文提出的各向異性層析成像方法,同時(shí)反演了該區(qū)地殼上地幔遠(yuǎn)震P波各向同性速度結(jié)構(gòu)和P波快波方向。我們的結(jié)果表明:

(a)研究區(qū)地殼上地幔P波速度結(jié)構(gòu)具有較為明顯的分區(qū)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(cè)250 km向北逐漸減薄至100 km,推測(cè)這個(gè)高速異常體可能代表四川盆地的巖石圈。相對(duì)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(guān)。四川盆地與松潘—甘孜地塊和川滇地塊間的動(dòng)力學(xué)機(jī)制完全不同,川滇地塊和四川盆地僅是垂直接觸關(guān)系,而在四川盆地北部靠近龍門山一側(cè),發(fā)現(xiàn)四川盆地前緣自東向西減薄的現(xiàn)象,推測(cè)松潘—甘孜的上地幔物質(zhì)侵蝕了四川盆地下方的巖石圈。鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶都為超殼的深大斷裂,鮮水河斷裂帶在深部結(jié)構(gòu)上顯示為較寬的低速特征。

(b)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(gòu)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(zhì)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(fā)生在龍門山北段的高速介質(zhì)區(qū)域內(nèi)。這種深部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)汶川大地震孕育和余震序列發(fā)育過程具有明顯的控制作用。根據(jù)本文給出的松潘—甘孜地殼上地幔速度結(jié)構(gòu),我們可以進(jìn)一步推斷,松潘—甘孜地塊的抬升應(yīng)與地幔物質(zhì)上涌有關(guān),在堅(jiān)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(qiáng)度較低,在長期的緩慢變形過程中,易于在龍門山北段的堅(jiān)硬的上地殼內(nèi)形成巨大的應(yīng)力積累,而汶川處于龍門山北段的最南端,應(yīng)力容易在此集中,并成為汶川大地震破裂的起始點(diǎn)。

(c)P波各向異性研究表明川滇地塊的上地幔流動(dòng)方向與GPS的觀測(cè)結(jié)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(dòng)方向?yàn)楸睎|向,而GPS的觀測(cè)結(jié)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(jié)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(gòu)造方向,與SKS的結(jié)果相互垂直。四川盆地內(nèi)部南北兩部分具有不同的殼幔變形特征,這與速度結(jié)構(gòu)給出的結(jié)論相一致。

(d)本文的研究結(jié)果并不支持四川盆地向松潘—甘孜地塊的俯沖的動(dòng)力學(xué)模型。與其結(jié)果相反,上地幔的物質(zhì)流動(dòng)在該區(qū)的演化變形過程中起主導(dǎo)作用,在上地幔深度上,松潘—甘孜地塊的上地幔物質(zhì)可能侵入四川盆地下方。

地震各向異性;地震層析成像;彈性張量的調(diào)和展開;地震臺(tái)陣;天山造山帶;龍門山斷裂帶;汶川地震

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P315;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.014

(作者電子信箱,郭 飚:Guobiao74@ho tmail.com)