滇西南地区地壳S波速度结构反演及强震孕震环境分析.pdf

书书书第 卷第 期（）年 月中 国 地 震 杨建文，金明培，叶泵 滇西南地区地壳 波速度结构反演及强震孕震环境分析 中国地震，（）：滇西南地区地壳 波速度结构反演及强震孕震环境分析杨建文，）金明培，）叶泵，）茶文剑，）张天继）云南省地震局，昆明 ）云南大理滇西北地壳构造活动野外科学观测研究站，云南大理 摘要基于滇西南地区 个宽频带地震台站记录的远震三分量波形数据，提取径向 波接收函数，以“中国地震科学实验场地区地壳剪切波速模型”为初始模型，进行精细化结构反演（垂向精度达 级），并采用 重采样技术进行统计和评估，获取了各台站下方的 波速度结构，结合地壳厚度、泊松比分布，对滇西南地区的地壳深部结构及强震孕震环境进行研究。结果表明：研究区地壳 波速度分布在横向和垂向上均存在明显的非均匀特性。在中上地壳 深度范围内存在明显且连续的低速层，平均厚度约 ，最大厚度达 。在中下地壳 深度范围内局部区域存在明显的低速层（厚度约 ），主要分布在普文断裂北端至阿墨江断裂中部区域（附近），另外，在红河断裂附近和澜沧江断裂北部的局部区域也有分布；从孕震环境来看，景谷 和 、墨江 地震均发生在中上地壳低速层内，老挝 地震发生在高、低速度的过渡区域。滇西南地区新生破裂带较为发育，地震波速的减小可能与地壳断裂或微裂隙中有流体的存在有关，研究区 向新生破裂带的存在以及流体的长期作用，为带内高应变的突然释放提供了条件。另外，个地震均发生在泊松比变化的高梯度带上，且地震发生处地壳厚度变化均较大。地壳厚度、泊松比变化剧烈的地区，地壳物质组成差异明显，壳内应变易于积累，有利于强震的诱发。关键词：滇西南波速度中下地壳低速层泊松比高梯度带孕震环境 文章编号 （）中图分类号 文献标识码 收稿日期 修定日期 项目类别云南省地震局科技人员传帮带培养项目（）、云南省地震局地震科技专项基金（）和中国地震局地震科技星火计划项目（）共同资助 作者简介 杨建文，男，年生，工程师，主要从事接收函数、背景噪声层析成像等研究。：金明培，男，年生，通讯作者，正高级工程师，主要从事地震监测预报、接收函数、震源模型等研究。：引言滇西南地区（，）地处三江构造带（史鹏亮等，），受特提斯形成演化、印度欧亚陆陆碰撞及高原隆升等过程的影响，该区地质演化过程较为复杂，以发育逆断层和逆冲推覆构造为特色（屈念念等，），区内展布有澜沧江、普洱、阿墨江等深大断裂。该区构造运动强烈，大震频发（年以来，相继发生了 年 月 日景谷 中国地震 卷 、月 日景谷 、年 月 日墨江 、年 月 日江城附近的老挝 等地震），是地球科学研究的热点区域之一。波速度结构能够反映地球深部物质成分及属性的变化，是研究地球内部物理、孕震环境、壳幔动力学及地质演化过程的重要参数（徐佩芬等，）。等（）采用接收函数和瑞利波联合反演的结果显示，在青藏高原东南缘 深度处，沿小江断裂展布的低速带向南延伸穿过红河断裂进入了印支块体，一直持续到云南南部。但李聪等（）基于小生境遗传算法波形反演获得的 波速度模型结果指出，滇西南地区中下地壳大范围的低速层并不存在，这与 等（）的结果不符。等（）基于背景噪声的成像结果也显示，青藏高原东南缘的壳内低速层分布十分复杂，中下地壳物质不会发生大规模的运动，而被断裂和构造边界限制在一定的区域内。在孕震环境研究方面，已有的研究大多认为，地震很少发生在低速层内，因为低速层具有较低的介质强度，通常形变以蠕滑为主，难以累积较强的应力应变以产生较大的地震，地震多发生在高、低速的过渡带（，）。但苏有锦等（）关于川滇地区强地震活动与深部介质构造环境关系的研究表明，鲜水河安宁河小江地震构造带和金沙江红河地震构造带上的强震主要发生在上地壳的高速区或高、低速过渡带内；而腾冲澜沧强震带为上地壳低速区。韦伟等（）基于地壳和上地幔三维 波速度结构与强震分布的研究也显示，青藏高原东南缘的绝大多数地震发生在 深度处，且多发生在正、负异常的过渡带上，并且有略偏向高速一侧的趋势，但是在滇西南块体内上地壳强震多发生在低速区。因此，对滇西南地区的地壳 波速度分布特征及强震孕震环境的研究仍然存在较大的争议，对此开展进一步的研究，有助于加深对滇西南地区构造变形及动力学机制的理解。基于台站记录的远震体波波形数据提取 波接收函数并进行反演是获取地壳 波速度结构的有效方法。接收函数 波速度反演过程对初始模型具有较强的依赖性，选择合适的初始模型是反演的关键。“中国地震科学实验场地区地壳剪切波速模型”（，）的构建及发布，为川滇地区接收函数成像提供了较好的模型基础。此外，中国地震科学台阵（）探测项目期的实施及运行，为云南地区地壳深部结构的研究提供了数据资料。鉴于此，本文利用滇西南地区 个宽频带地震台站记录的远震三分量波形数据，在坐标旋转和时间域迭代反褶积（，）等处理的基础上，提取径向 接收函数，以“中国地震科学实验场地区地壳剪切波速模型”为初始模型，进行精细化结构反演，并采用 重采样技术（，）对反演结果进行统计和评估，获取地壳上地幔 波速度结构。此外，结合地壳厚度、泊松比分布，对滇西南地区的地壳深部结构进行探测，在此基础上，结合已有震例，对强震孕震环境进行探讨。该工作的开展对于滇西南地区地壳结构研究及地震危险性评估具有一定意义。数据和方法 数据本研究使用的数据来源于中国地震科学台阵（）探测项目 期 个台站和云南区域台网 个台站（共 个台站，研究区地质构造背景及台站分布等见图 ）记录的 年 月日 年 月 日期间震中距介于 、震级 的 个（图 ）远震事件（其 期杨建文等：滇西南地区地壳 波速度结构反演及强震孕震环境分析中，地震 个，地震 个，地震 个，地震 个）的三分量波形资料。通过对 个台站记录的三分量原始波形作去倾斜、去均值和去仪器响应处理，并将两个水平分量旋转到径向和切向分量上，再用垂直分量对径向分量在时间域作迭代反褶积（，）以提取径向 波接收函数。在反褶积过程中，采用系数为 的高斯滤波器进行低通滤波，以避免各向异性介质中多次反射、转换波和随机噪声以及其他不稳定因素的影响（陈佳等，；，）。通过计算共获得震相清晰的径向 波接收函数 个，从中挑选出莫霍面转换相和多次相较为可靠的高信噪比接收函数 个（平均每个台 个左右），用于反演台站下方的地壳上地幔 波速度结构。注：木戛谦迈断裂；：澜沧江断裂；：普文断裂；：石岩脚断裂；：普洱断裂；：老师寨断裂；：整董断裂；：磨黑断裂；：把边江断裂；：坡脚断裂；：阿墨江断裂；：红河断裂。图 研究区地质构造图（）与研究区台站、强震、断层、垂直剖面分布及格网划分结果（）图 远震事件分布 中国地震 卷 初始速度模型选取和 波速度反演通常情况下，接收函数 波速度反演有两种方法：基于一个初始速度模型拟合所有接收函数（，）；先将各台站所有接收函数分别叠加再进行反演（，）。由于接收函数的 转换波及其他多次波与震中距直接相关，不考虑震中距直接叠加获得的平均值可能无法真实反映台站下方介质的速度结构（郑晨等，），因此，本研究采用第一种方法进行反演。对于接收函数 波速度反演，初始速度模型的选取是关键。由于印度板块的俯冲推挤作用导致云南地区地下结构横向不均匀性非常显著，因此，有必要选取适合于各台站的区域速度模型来进行反演。“中国地震科学实验场地区地壳剪切波速模型”（，）给出了川滇地区 格网精度、深度范围内的 波速度结果，我们以此为数据基础，将研究区按 划分为 个格网（图 （），将每个格网 个角点的 波速度进行平均，分别提取了 个格网 深度范围内（层厚为 ）的 波速度结果（图 ），并以此作为各格网内台站的初始速度模型来进行后续的反演。图 研究区 个格网的初始速度模型（据 等（）以位于 号格网的中国地震科学台阵期 台（图 （）为例，来说明本文 波速度反演的具体过程。通过前期的坐标转换和时间域迭代反褶积等处理后获得震相清晰的径向 波接收函数 个，从中挑选出莫霍面转换相和多次相较为可靠的高信噪比接收函数 个（图 （）进行 波速度反演。以 号格网的初始速度模型（图 ）为基础对接收函数进行逐个反演，得到 个速度模型（图 （）。由于各台站记录的来自不同方位和震中距的接收函数会存在一定差异，计算过程中虽然采用了相同的初始模型进行反演，但反演结果仍然较为离散（图 （），这体现了反演结果的非唯一性（李建有等，）。为充分考虑来自不同方位和震中距的接收函数对反演结果的实际贡献，采用 技术对 个速度模型进行 次重采样，对反演结果进行统计和评估，以获取最优解（图 （）。重采 期杨建文等：滇西南地区地壳 波速度结构反演及强震孕震环境分析样过程为：先读取这 个最初的样本数，对每一层上的速度值进行有放回的抽样，抽样数目与样本数目一致，可重复抽取，每完成一次抽样就返回这次抽样的数学期望值。重复进行 次抽样就返回 个期望值，每一层都有 个速度值，即得到 个新的速度模型，此时的样本容量就增加到 个，再计算这 个样本的期望值就可得到此次统计的结果（张天继，）。注：（）个接收函数（黑色 灰色填充）和合成结果（红色实线）的拟合情况；（）个接收函数的 波反演结果（黑色细实线）与初始速度模型（绿色粗实线）的对比；（）技术 次重采样获得的最优解（红色粗实线）和 的置信区间（蓝色细实线）以及与初始速度模型（绿色粗实线）的对比。图 台 波速度反演的波形拟合与解的不确定性评估 地壳厚度及泊松比计算通过反褶积获得的径向 波接收函数包括直达 波、转换 波、多次 波 和 等震相，这些震相的到时与地壳厚度是相关联的（潘纪顺等，），因此，可利用各种震相的到时来计算台站下方的地壳厚度。中国地震 卷基于前面计算得到的 个径向 波接收函数，采用 扫描法（，）获取各台站下方的地壳厚度 和波速比 ，计算过程中 波的平均速度模型取 ，、和 的权重分别为 、和 ，和 的搜索范围分别设置为 和 。在此基础上，根据波速比 与泊松比 的对应关系（）计算各台站下方的泊松比。结果分析 三维 波速度结构与上述 台的反演过程相类似，基于前面挑选出的 个径向 波接收函数，分别采用各台站所对应格网的初始速度模型（图 ）进行反演，获取了 个台下方 深度范围内的 波速度结构，并对速度结果进行插值，以更直观地展示研究区不同深度的 波速度分布形态。此外，将 个强震放在与震中最接近的深度，以便于讨论地壳 波速度与强震震中的对应关系。图 分别给出了 、和 深度处的 波速度分布。在 深度处（图 （），澜沧江断裂（）和阿墨江断裂（）间除局部区域外，波呈相对低速分布（波速度在 之 间），且 横 向 变 化 较 为剧 烈，普 洱 断裂（）西侧 的 台一带低速异常最为明显。深度处（图 （），波低速分布较 处更为广泛，除局部小区域外，研究区整体呈相对低速分布（波速度在 之间）。深 度 处（图 （），波 低 速 异 常 局 部 分 布 于 澜 沧 江 断 裂（）北 端 的 台一带和红河断裂（）附近（波速度在 之间）。深度处（图 （），研究区已进入中下地壳，在这一深度剖面上，最明显的特征是在普文断裂（）北端的 台至阿墨江断裂（）中部的 台附近区域（附近）及在红河断裂（）附近存在明显且独立的低速分布（波速度在 之间）。和 深度处（图 （）和 （），大致以 为界，研究区 波速度整体呈北低南高的分布特征，且在 之间 波速度横向变化较为明显。为了更好地展示研究区不同深度的 波速度变化情况，图 给出了 个方向的垂直剖面，最大深度达 ，剖面位置见 图 ，其中，剖面呈近 向展布，剖面呈近 向展布。由图 可知，研究区壳内 波速度最明显的特征是中上地壳 深度范围低速层（）较为发育，平均厚度约 ，最大厚度达 。在中下地壳 深度范围内局部区域存在厚度约 的低速层（）。沿近 向展布的 剖面（图 （），中上地壳的 波低速层分布存在一定的差异，总体呈 向较厚、向相对较薄的分布特征。澜沧江断裂（）和 台附近的低速层厚度约 ，台 向的厚度约 ，台下方的厚度约 ，其他区域厚度约 。在 台下方 附近存在一高速体（）。在中下地壳，普洱断裂（）附近的 和 台下方 深度处和澜沧江断裂（）附近的 台下方 深度处存在相互独立的低速层（）。沿近 向展布的 剖面（图 （），中上地壳木戛谦迈断裂（）和澜沧江断裂（）附近的 台下方 深度范围内 期杨建文等：滇西南地区地壳 波速度结构反演及强震孕震环境分析注：图例和断裂说明见图 。图 研究区不同深度上的 波速度水平剖面 中国地震 卷注：黑色实线为莫霍面，图例和断裂说明见图 。图 近 向和 向的 波速度垂直剖面存在一高速体（），另外，除 台和 台下方 处局部区域外，其他区域低速分布（）较为连续，低速层厚度约 。在中下地壳，台磨黑断裂（）下方以及 台下方 深度处存在相互独立的低速层（）。地壳厚度与泊松比分布地壳厚度和泊松比是研究地壳演化背景的两个重要参数，其空间分布和绝对值大小与岩石圈演化相关（李建有等，）。图 给出了研究区的地壳厚度和泊松比的分布结果。如图 （）所示，研究区地壳厚度整体以 为分界，呈北深南浅的变化趋势，地壳厚度从研究区南部的 增至北部的 。间形成地壳厚度变化的梯度带（变化量最大达 ）。台附近为莫霍面隆起区，地壳厚度为 。泊松比对地壳的组成比较敏感（，），是反映地壳物质组成和成分的关键参数。地壳泊松比与岩石成分存在如下的对应关系：低值（）长英质酸性岩；中值（）中性岩；高值（）铁镁质基性岩；超高值（）超基性岩（，）。此外，低泊松比对应于更多的长英质成分，高泊松比对应于更多的铁镁质成分，非常高的泊松比（）可能表示地下存在部分熔融物质（，；张天继等，）。由图 （）可知，研究区的地壳泊松比在 之间，平均泊松比为 ，低于全球平均水平 （，），表明研究区地壳物质主要以 长英 质酸 性 岩（泊松 比 ）为主。从横向分布来看，研究区的泊松比存在明显的不均匀分布特征，在南部的 一带，以及北部的 、台附近局部地区为 期杨建文等：滇西南地区地壳 波速度结构反演及强震孕震环境分析注：图例和断裂说明见图 。图 研究区地壳厚度和泊松比分布明显的低泊松比（泊松比 ）区域。此外，澜沧江断裂（）中部的 台附近及北端的 台附近为中泊松比区域，最大泊松比为 ，表明这些区域岩石成分以中性岩为主。讨论结合图 的水平剖面和图 的垂直剖面可知，在研究区中上地壳 深度范围内存在明显且连续的低速层（），平均厚度约 ，最大厚度达 。在中下地壳 深度范围内局部区域存在厚度约 的低速层（），主要分布于研究区中部的普文断裂北端至阿墨江断裂中部区域（附近），此外，在红河断裂附近和澜沧江断裂北部的局部区域也有分布。该结果与李聪等（）基于小生境遗传算法波形反演的结果指出的滇西南地区中下地壳存在厚度约 的低速层，但大范围的低速层并不存在的观点相符，也与胡家富等（）利用接收函数反演显示的红河断裂西侧约 深度处的下地壳存在约 厚的低速层相呼应。结合图 和图 ，从地壳 波速度分布与强震震中的对应关系来看，年景谷 和 地震、年墨江 地震均发生在中上地壳低速层内（景谷 地震发生在 波低速层变化的高梯度带上），年老挝 地震发生在高、低速度的过渡区域。从统计规律来看，本文研究的 个强震中，有 个发生在了中上地壳低速层内，占比为 ，该结果与苏有锦等（）、韦伟等（）关于滇西南块体内上地壳强震多发生在低速区的结果相一致。滇西南地区新生破裂带较为发育，地震波速的减小可能与地壳断裂或微裂隙中有流体的存在有关（苏有锦等，；，、）。新生地震破裂区由于微裂隙比 中国地震 卷较发育，有流体注入，使波速减小，表现为上地壳低速区（苏有锦等，）。研究区 向新生破裂带的存在以及流体的长期作用，为带内高应变的突然释放提供了条件，同时也显示了其与先存断裂活动不同的地壳波速结构特征（苏有锦等，；韦伟等，）。地壳泊松比是描述岩石成分、地壳内部物质组成及物性状态差异的重要参数（李海艳等，），泊松比大于 可能代表了地壳内部部分熔融物质的存在（，），从中下地壳低速层（图 、图 ）与泊松比（图 （）分布的对应关系来看，低速层分布区域所对应的泊松比普遍偏低，地壳物质以长英质成分为主，铁镁质成分含量偏低，中下地壳缺少部分熔融物质的存在，其地球物理结果上的差异和不一致说明中下地壳低速层的变形演化机制及物理特性较为复杂。另外，由图 可以看出研究区内不仅在地壳中存在低波速异常，而且地幔中也存在低波速异常。这种低波速异常可能与印度板块东向俯冲至地幔转换带，并形成“大地幔楔”结构的动力学过程相关（雷建设等，；，），具体原因有待于基于密集台阵的多方法、多属性的同步探测和综合约束加以更进一步的解释。从泊松比分布与强震震中的对应关系来看（图 （），年景谷 和 地震、年墨江 地震、年老挝 地震均发生在泊松比变化的高梯度带上，这与地震多发生在泊松比变化的高梯度带上的认识相一致（王兴臣等，；张天继等，），此外，地震发生处地壳厚度变化均较大。地壳厚度、泊松比变化剧烈地区，地壳物质组成差异明显，壳内应变易于积累，有利于强震的诱发。结论本文基于滇西南地区 个宽频带地震台站记录的 年 月 日 年 月 日的（近 年）远震三分量波形数据，提取径向 接收函数，以“中国地震科学实验场地区地壳剪切波速模型”为初始模型，进行精细化结构反演（垂向精 度 达 级），并采 用 重采样技术进行统计和评估，获取了各台站下方的 波速度结构，结合地壳厚度、泊松比分布，对滇西南地区的地壳深部结构及强震孕震环境进行研究，形成以下认识：（）反演过程中，首先基于“中国地震科学实验场地区地壳剪切波速模型”分别提取了 个格网的初始速度模型，并利用相关台站所在格网的初始模型进行其后续的反演，这比随意设定的模型更接近真实解，在一定程度上提高了反演结果的可靠性和收敛性。（）研究区地壳 波速度分布较为复杂，在横向和垂向上均存在明显的非均匀特性。在中上地壳 深度范围内存在明显且连续的低速层，平均厚度约 ，最大厚度达 。在中下地壳 深度范围局部区域存在厚度约 的低速层，主要分布在普文断裂北端至阿墨江断裂中部区域（附近），此外，在红河断裂附近和澜沧江断裂北部的局部区域也有分布。（）从地壳 波速度分布与强震震中的对应关系来看，景谷 和 、墨江 地震均发生在中上地壳低速层内（景谷 地震发生在 波低速层变化的高梯度带上），老挝 地震发生在高低速度的过渡区域。滇西南地区新生破裂带较为发育，地震波速的减小可能与地壳断裂或微裂隙中有流体的存在有关，研究区 向新生破裂带的存在以及流体的长期作用，为带内高应变的突然释放提供了条件。（）研究区平均泊松比为 ，低于全球平均水平 ，表明研究区地壳物质主要以长 期杨建文等：滇西南地区地壳 波速度结构反演及强震孕震环境分析英质酸性岩为主。从横向分布来看，研究区的泊松比存在明显的不均匀分布特征。从地壳泊松比分布与强震震中的对应关系来看，个强震均发生在泊松比变化的高梯度带上，另外，地震发生处地壳厚度变化均较大。地壳厚度、泊松比变化剧烈地区，地壳物质组成差异明显，壳内应变易于积累，有利于强震的诱发。致谢：本文研究所使用的远震三分量波形数据来源于中国地震科学台阵（）探测项目期和云南区域台网，“中国地震科学实验场地区地壳剪切波速模型”由中国科学技术大学姚华建教授课题组发布，断层数据由云南省地震工程院提供，接收函数反演和 重采样技术计算程序由云南大学胡家富教授课题组提供，文中图件采用 软件绘制，审稿专家提出了宝贵的修改意见，在此表示衷心感谢。参考文献陈佳，高琼，王军，等 利用接收函数研究程海断裂带莫霍面深度和地壳内 波速度结构特征 地震，（）：胡家富，苏有锦，朱雄关，等 云南的地壳 波速度与泊松比结构及其意义 中国科学：（辑），（）：雷建设，赵大鹏，徐锡伟，等 龙门山断裂带深部结构与 年汶川地震发震机理 科学通报，（）：李聪，雷建设 滇西南地区地壳速度结构的区域波形反演 科学通报，（）：李海艳，蔡辉腾，金星，等 利用远震 波接收函数研究中国福建地区地壳厚度和泊松比 地球物理学报，（）：李建有，石宝文，徐晓雅，等 利用远震接收函数探测四川盆地及周边地区的地壳结构 地球物理学报，（）：潘纪顺，李朋辉，段永红，等 华北克拉通中西部地区的地壳结构研究 地震地质，（）：屈念念，李家斌，朱大友 滇西南断裂性质及其与成矿带的关系 地质科技情报，（）：史鹏亮，杨天南，梁明娟，等 三江构造带新生代变形构造的时 空变化：研究综述及新数据 岩石学报，（）：苏有锦，秦嘉政 川滇地区强地震活动与区域新构造运动的关系 中国地震，（）：王兴臣，丁志峰，武岩，等 鲁甸 地震震源区地壳结构及孕震环境研究 地球物理学报，（）：韦伟，孙若昧，石耀霖 青藏高原东南缘地震层析成像及汶川地震成因探讨 中国科学：地球科学，（）：徐佩芬，李世豪，凌盨群，等 利用 法估算地壳 波速度结构 地球物理学报，（）：张天继 腾冲及周边地区地震活动性与地壳结构特征 硕士学位论文 昆明：云南大学，张天继，金明培，刘自凤，等 滇西北地区地壳厚度与泊松比分布及其意义 地震研究，（）：郑晨，丁志峰，宋晓东 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