非均匀各向异性介质的地震P波走时层析成像研究

郭 飚

(中国地震局地质研究所,北京 100029)

非均匀各向异性介质的地震P波走时层析成像研究

郭 飚

(中国地震局地质研究所,北京 100029)

大陆动力学已经成为当今固体地球物理各领域研究的主导方向。大陆动力学涉及问题非常广泛,但核心问题是大陆形变及其动力学。地震各向异性是地球动力学过程的指示器,根据地震各向异性的研究结果,可以推断上地幔物质的流动或变形,有助于了解地球内部的应力状态和地球的演化过程。

地震层析成像是研究地球地壳上地幔结构的主要地球物理方法。地震观测技术的进步、数据的积累以及计算技术的发展使得利用体波走时数据反演各向异性参数成为可能。利用地震走时层析成像方法同时研究介质的非均匀性和各向异性,对于认识地球的结构及动力学过程都具有非常重要的意义。

本文系统地讨论了弱各向异性条件下P波速度扰动的近似表达式,并在此基础上构建了地震各向异性P波走时层析成像算法。利用多个不同理论模型对本文提出的方法进行了数值检验,系统地讨论了该方法的应用条件,并将本文提出的理论和方法成功地应用在中国境内天山地区和川西龙门山地区,获得了上述地区地壳上地幔的P波速度结构和P波各向异性参数。

本论文的研究成果主要包括以下4个部分:

1 理论构建

在Backus[1]的弹性张量调和展开理论基础上,导出了弱各向异性介质中的P波相速度扰动调和展开的的各阶系数,校正了Sm ith&Dah len[2]和Bokelm ann[3]文献中的错误。根据P波速度扰动的调和展开公式,导出了在不同观测系统和不同各向异性介质情况下的简化公式。根据Bond旋转矩阵证明了绕坐标轴旋转时弹性矩阵元素变化规律,证明了在正交对称系垂直对称轴情况下,仅需4个参数即可模拟方位各向异性,而在任意各向异性情况下,仅需6个参数即可描述三维各向异性。

2 技术实现

基于弱各向异性近似条件下弹性张量的调和展开理论和地震走时层析成像方法,构建了地震各向异性P波走时层析成像算法。该算法利用均匀的网格节点和三次B样条插值函数描述各向同性速度场;利用各向异性块描述各向异性速度扰动场。这种模型参数化方法的优点在于:(1)模型光滑,在反演时不需要加入光滑项;(2)各向同性和各向异性的分辨率可以分别考虑,以减少介质的非均匀性与各向异性间的耦合。另外,总结对比了地震波走时计算的各种方法,构建了各向同性介质中快速行进波前扩展程序,并在此基础上构建了适合弱各向异性介质的各向异性快速行进算法,利用互易性定理减少了相应的走时计算的计算量。在该算法中,首先计算以台站位置为假想震源的走时场,再计算台站与近震震源或远震射线与模型边界的交点间的射线路径。这种走时计算方式特别适用于多源多台站的观测方式,可有效地减少正演计算量。反演方法采用Taran to la&Valetta[4]和Taranto la[5]的非线性反演方法,对于非均匀和各向异性参数可以分别设置不同的阻尼因子。

3 数值检验

本文给出的多个理论模型测试结果表明:(1)本文给出的各向同性和弱各向异性条件下的快速行进算法的计算精度可以满足地震走时层析成像的要求(误差小于震相的检测误差);(2)各向异性的强度与非均匀结构是耦合的,而各向异性方向与非均匀结构是可以解耦的;(3)在数据分布较好的情况下,P波走时方法可以分辨多层各向异性;(4)对于远震,只要数据的方位覆盖大于180°即可较好地反演各向异性参数;(5)三维各向异性的确定需要大于50°的震中距覆盖。

4 实际数据解释

(1)利用横跨中国境内天山的库车—奎屯宽频带流动地震台阵和区域地震台网记录的近震和远震P波走时数据和Zhao等[6,7]地震层析成像方法,重建了沿该地震台阵剖面400 km深度范围内地壳上地幔的各向同性P波速度结构。在此基础上,利用弱各向异性介质条件下的P波速度扰动公式和线性反演方法,进一步解释了剩余残差,获得了该地震剖面上的P波快波方向。我们的结果表明:

(a)沿新疆库车—奎屯剖面,天山地壳具有明显的横向分块结构,且南、北天山地壳显示了较为强烈的横向变形特征,表明塔里木地块对天山地壳具有强烈的侧向挤压作用。在塔里木和准噶尔地块上地幔顶部有厚度约60～90 km的高速异常体,塔里木—南天山下方的高速异常体产生了较为明显的弯曲变形,而准噶尔—北天山下方的高速异常体向南一直俯冲到中天山南侧边界下方300 km的深度。两者形成了不对称对冲构造。在塔里木和准噶尔地块下方150～400 km深度存在上地幔低速体。其中,塔里木地块一侧的上地幔低速体上涌到南天山地块的下方。在塔里木—南天山200～300 km深度范围的上地幔存在高速异常体,它可能是地幔热物质向上迁移过程融断的塔里木岩石圈拆离体。

(b)塔里木地块的俯冲可能涉及整个岩石圈深度,但其前缘仅限于南天山的北缘;青藏高原隆升的远程效应可能驱动了塔里木岩石圈向北俯冲,同时还造成天山造山带南侧上地幔物质的涌入。天山造山带上地幔广泛存在的低速异常有助于上地幔的变形。上地幔物质的强烈非均匀性应有助于推动天山造山带上地幔范围小尺度地幔对流的形成。根据研究区地壳上地幔速度结构特征可以推断,新近纪以来,天山快速隆升的主要力源来自青藏高原快速隆升的远程效应,相对软弱的上地幔为加速天山造山带的变形和隆升创造了必要条件。

(c)塔里木盆地和南天山的P波快波方向为近南北向,这与塔里木地块对天山南北向挤压变形作用是一致的。进入中天山褶皱带和北天山,P波快波方向逐渐偏转为北西向,北天山山前褶皱带和准噶尔盆地前缘的P波快波方向为近东西向,总体上,该区P波快波轴方向平行于天山造山带的走向,垂直于板块相对运动方向。塔里木盆地和南天山的壳幔为连续一致变形,而中天山、北天山和准噶尔上地幔的各向异性方向可能受到地幔小尺度对流和构造方向的影响,壳幔的形变发生解耦。这表明,由于两侧盆地的挤压,天山山体处于挤压状态,而上地幔物质的运移沿着山体平行的方向,两者之间构成了立交模型。根据研究区地壳上地幔速度结构特征和各向异性方向推断,上地幔物质的流动变形在天山造山带的变形和隆升过程中起着重要作用。

(2)利用在龙门山及邻区布设的川西地震台阵记录到的远震P波走时数据和本文提出的各向异性层析成像方法,同时反演了该区地壳上地幔远震P波各向同性速度结构和P波快波方向。我们的结果表明:

(a)研究区地壳上地幔P波速度结构具有较为明显的分区特征,松潘—甘孜地块和川滇地块速度较低,龙门山断裂带及四川盆地西部速度较高。四川盆地西部地壳上地幔的高速异常厚度从南侧250 km向北逐渐减薄至100 km,推测这个高速异常体可能代表四川盆地的岩石圈。相对于四川盆地,松潘—甘孜地块的地壳上地幔较为软弱,但不存在四川盆地向松潘—甘孜地块的俯冲。松潘—甘孜地块的抬升可能与地幔上涌有关。四川盆地与松潘—甘孜地块和川滇地块间的动力学机制完全不同,川滇地块和四川盆地仅是垂直接触关系,而在四川盆地北部靠近龙门山一侧,发现四川盆地前缘自东向西减薄的现象,推测松潘—甘孜的上地幔物质侵蚀了四川盆地下方的岩石圈。鲜水河断裂带和龙门山断裂带都为超壳的深大断裂,鲜水河断裂带在深部结构上显示为较宽的低速特征。

(b)龙门山断裂带与四川盆地的地壳均显示为高速特征,四川盆地与松潘—甘孜地块之间的构造边界可能是汶川—茂县断裂。以汶川为界,龙门山断裂带被从松潘—甘孜地块侵入的低速物质分为两段,南北两段均显示为高速特征。汶川大地震及余震序列均发生在龙门山北段的高速介质区域内。这种深部结构特点对汶川大地震孕育和余震序列发育过程具有明显的控制作用。根据本文给出的松潘—甘孜地壳上地幔速度结构,我们可以进一步推断,松潘—甘孜地块的抬升应与地幔物质上涌有关,在坚硬的四川盆地的阻挡作用下,青藏高原向东挤压和地幔上涌的双重作用造成松潘—甘孜地块隆升,并造成了龙门山断裂带的逆冲推覆。龙门山南北两段间的地壳强度较低,在长期的缓慢变形过程中,易于在龙门山北段的坚硬的上地壳内形成巨大的应力积累,而汶川处于龙门山北段的最南端,应力容易在此集中,并成为汶川大地震破裂的起始点。

(c)P波各向异性研究表明川滇地块的上地幔流动方向与GPS的观测结果相吻合,反映了川滇地块地壳和上地幔的形变一致,属于壳幔耦合型。松潘—甘孜地块的上地幔流动方向为北东向,而GPS的观测结果为近东西向,说明松潘甘孜地块壳幔的形变不一致,属于壳幔解耦型。四川盆地北部的P波快波方向与SKS的结果较为一致,而四川盆地南部的P波快波方向平行于主要构造方向,与SKS的结果相互垂直。四川盆地内部南北两部分具有不同的壳幔变形特征,这与速度结构给出的结论相一致。

(d)本文的研究结果并不支持四川盆地向松潘—甘孜地块的俯冲的动力学模型。与其结果相反,上地幔的物质流动在该区的演化变形过程中起主导作用,在上地幔深度上,松潘—甘孜地块的上地幔物质可能侵入四川盆地下方。

地震各向异性;地震层析成像;弹性张量的调和展开;地震台阵;天山造山带;龙门山断裂带;汶川地震

[1] Backus G E.A geometrical picture of anisotropic elastic tensors.Rev.Geophys.Space Phys.,1970,8:633-671

[2] Sm ithM L,Dahlen FA.The azimuthal dependence of Love and Rayleigh wave propagation in a slightly anisotrop icmedium.J.Geophys.Res.,1973,78(17):3321-3333

[3] Bokelmenn G H.Convection-drivenmotion of the North American craton:Evidence from P-wave anisotropy.Geophys.J.Int.,2002,148:278-287

[4] Taranto la A,Valette B.Generalized nonlinear inverse p rob lem s so lved using the least squares criterion.Rev.Geophys.Space Phys.,1982,20:219-232

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P315;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.014

(作者电子信箱,郭 飚:Guobiao74@ho tmail.com)