玉树震区及邻近地区壳幔速度结构特征

张建狮 王夫运 刘宝峰 王帅军 赵金仁张成科 李怡青 刘巧霞 刘 兰

(中国地震局地球物理勘探中心，郑州 450002)

0 引言

2010年4月14日，在青海省玉树县发生了里氏7.1级大地震，震源深度为14km，这是继2008年5月12日四川省汶川县发生里氏8.0级特大地震之后，在中西部地区发生的又一次灾难性地震，两次地震连续发生在青藏高原的东北缘巴颜喀拉地块的边界。巴颜喀拉块体及其周边是一个地质构造非常复杂的区域(马杏垣主编，1989;张先康等，1998;李松林等，2001;嘉世旭等，2008)，在其周边主控边界断裂构造带的鲜水河断裂、甘孜-玉树断裂、龙门山推覆构造带、岷江断裂带、东昆仑断裂带发生过多次≥7级破坏性地震，表明破坏性地震的不断发生与巴颜喀拉地块的向东滑移密切相关(Hole，1992)。因此，对玉树地震区进行全面的研究是一项具有重要科学意义的工作。前人利用多种方法和技术对玉树地震发震构造进行了综合研究(陈九辉等，2005;许志琴等，2006)，分析了相关边界带不同段落地震构造特征、大地震复发间隔、现有地震空区的发震危险性等，为判断中国大陆强震发展趋势提供了重要依据。通过合理有效的探测方法获取孕震深度的地壳结构信息并对其进行综合研究，解析和认识震源区的物理环境与发震过程。青藏高原内部强烈地震的频繁发生必然与该地区的地壳结构和地球动力学过程有关(赖晓玲等，2004;高锐等，2011)。该地区的强烈地震都位于深大断裂带附近，玉树地震震中位于甘孜-玉树断裂带上(Podvin et al.，1991;Comte et al.，2000;张培震等，2006)。因此，研究该地区的断裂位置及地壳结构特征有着极为重要的意义，为更好地了解该地区地震发生的背景及其结构特征，物探中心在地震发生的玉树地区迅速开展了人工地震勘探研究。积极响应中国地震局多学科、多方法研究玉树地震区的发震构造和介质特征的总体部署，中国地震局地球物理勘探中心采用对介质速度和结构构造比较有效的高分辨人工地震宽角反射/折射探测技术来探明巴颜喀拉块体边界地震带地震孕育发生的深部环境，用来自地壳不同深度的地震波信息研究该地区地壳结构特征，为研究该地区的运动学与动力学构造背景提供了重要的参考信息。

1 剖面位置及地质构造背景

1.1 剖面位置

宽角反射/折射探测剖面位于青海省境内海拔4000m以上的高原山区，剖面南端进入与西藏交界地区，总体呈 NE方向展布。剖面南起西藏的类乌齐县北(96°19'2.85″E，31°40'59.81″N;剖面桩号136.0km)，向北经囊谦、玉树(穿过结古镇震中区)、称多、当达、玛多等地，终止于温泉西北20km 附近(99°33'45″E，35°32'35″N;剖面桩号 680.0km)，全长540km左右(图1)。沿剖面实施了6次药量为3000～5500kg的爆破激发，观测点距1.5～2.8km，投入PDS-1、2型三分量数字地震仪290台，构成具有多重的追踪与互换的观测系统，野外观测中采取了有效的质量控制措施，获得了反映玉树震区、主控断裂构造带以及不同地质构造单元的地壳浅深地震记录信息。

1.2 地质构造背景

研究区位于青藏高原的东北缘，地质构造背景极其复杂。该区是两大板块碰撞作用由近SN方向向E和NE向转换的重要场所，物质东流的汇聚之处，地壳变形强烈，在其接触区域造成一系列规模宏大、以逆冲、走滑为主的断裂带。研究区断裂走向多为NWW向，由北向南分布着库赛湖-玛曲断裂、玛曲-甘德断裂、昆仑山口-达日断裂、五道梁-曲麻莱断裂、西金乌兰湖-歇武断裂、乌兰拉湖-玉树-甘孜断裂带、乌兰拉湖-囊谦断裂带，其中昆仑山口-达日断裂位于青藏高原北部3列弧形左旋走滑断裂系的第2列，全长1000余km，西起新疆与青海交界的鲸鱼湖以西，向东经库赛湖、西大滩、东大滩、秀沟、阿拉克湖、托索湖及玛沁等地，至甘肃省玛曲以东。据最近十几年中外学者的多次考察(闻学泽等，1985)，断裂带各段全新世平均左旋走滑速率为7～15mm/a，中部各段走滑速率较高，向两端逐渐衰减;乌兰拉湖-玉树-甘孜断裂带位于西金乌兰湖-玉树断裂带的南端，广义的鲜水河断裂向NW延伸的部分，是青藏高原川滇菱形块体向东挤出的北部边界，结构较为复杂，其北段由主干断裂及一系列羽状断裂斜截复合，且以左旋走滑为主(徐锡伟等，2002)。研究区复杂的地质构造背景和多组断裂的纵横交错使得该区发生过多次≥7级破坏性地震，特别是近十多年来发生了1997年玛尼地震(M7.5)、2001年昆仑山口西地震(M8.1)、2008年汶川地震(M8.0)和2010年的玉树地震。玉树7.1级地震是发生于巴颜喀拉块体南边界带甘孜-玉树断裂构造上的大地震，是继玛尼7.5级、昆仑山口西8.1级地震和汶川8.0级地震以来，发生在巴颜喀拉地块边界活动断裂带上的第4次7级以上破坏性地震。

2 研究方法

图1 剖面位置与地质构造图Fig.1 Location of the seismic sounding profile and geological map.

沿测线6次爆破观测所得波形记录数据，经数据集成、记录装配、2-12Hz滤波，形成了信噪比较高的地震记录界面。综合考虑运动学与动力学特征，识别出P波主要震相分别为:Pg、P2、P3、P4、Pm 和 Pn波。

(1)Pg波震相。该波是来自基底顶部的折射波(首波)，一般可追踪至炮点距离为90～120km，部分炮的观测记录在距炮点150km以远仍可辨认。Pg波在各炮记录截面上的折合时间最小为0.6s，最大1.8s。作为初至波，震相清晰可靠，可连续对比追踪，视速度为5.66～5.93km/s，其到时超前或滞后、视速度变化在一定程度上可反映沿剖面基底的起伏和介质性质变化。

(2)P2波震相。该震相为来自深24.0～29.0km C2界面的反射波，是在基底折射波Pg之后识别对比出的一组较为明显的反射波，其追踪区间一般在70～200km(炮检距)之间，该波组较为连续，振幅变化较大，平均速度一般为5.63～5.84km/s。

(3)P3波震相。P3波是来自深度为34.5～41.0km壳内反射波，其特征与P2波震相基本类似，在大部分地段显示出较强的振幅，一般在距炮点70～90km以远可以对比识别，最远可追踪对比距炮点210km左右，该波的平均速度一般为5.83～5.92km/s。

(4)P4波震相。P4波是来自深度为50.0～55.5km壳内反射波，在记录截面上出现在续至区，但表现出一定的能量，波组连续性较好，一般在距炮点100km以远可以对比识别，该波的平均速度一般为6.11～6.20km/s，但是在400.0～670.0km桩号之间没有可识别的P4震相出现。

(5)Pm波震相。Pm波是来自莫霍界面的反射波震相，是本剖面记录界面上的优势波组，振幅能量较强，大部分炮的记录截面上能连续追踪对比，在距炮点150km以远的部分炮点该波组以明显的强振幅出现，可连续追踪对比200km左右，其平均速度为6.15～6.45km/s。

(6)Pn波震相。来自上地幔顶部的折射震相Pn主要体现该区域介质速度及速度梯度结构。沿剖面在SP272、SP341、SP498及SP621炮点记录截面上显示出较弱的Pn波组，可在距炮点300～450km之间追逐对比，该波的视速度为8.05km/s左右，在其他两炮记录震相微弱难以可靠追踪，表明本研究区域上地幔顶部为较弱的梯度层。

根据上述震相的拾取建立的走时数据，利用波组的不同属性分别按照不同的方法进行了走时计算，在对反射波、折射波走时资料由“T2-X2方法”、“PLUCH反演方法”以及其他有关计算方法求取了地壳深部各层的平均速度、平均深度、单点反射深度和视速度等，从而建立了该剖面的一维地壳结构模型。根据得到的一维模型，利用seis83正演程序处理包建立二维初始模型，进行二维射线追踪正演拟合及理论地震图的计算(图2.1～2.3)，获得剖面的最终速度结构和构造模型(赵金仁等，2005)。

3 结果

根据一维、二维正演拟合，利用试错法反复修改地壳结构模型，在对本剖面的资料进行处理计算的过程中常常需要调整初始模型所给定界面的深度和速度，以便使理论走时与实测走时之间达到可以接受的较小差异，最终获得二维地壳速度结构模型(图3)。

该模型垂向上由C2、C3、C4和M界面(分别由P2、P3、P4和Pm反射波组所确定)将地壳划分为4个层系，可分别归并为上地壳、中下地壳。

上地壳是指自地表向下至C2界面之间的地壳构造层位，它是由基底折射波Pg和壳内反射波P2波组信息所反映的上地壳结构，因此，又可将上地壳细分为2层结构进行叙述。

第1层:该层是由基底折射波Pg所确定。该界面的形态是与其他方法共同确定，沿剖面基底界面起伏明显，深度基本上在3.8～7.5km之间变化，分别在310.0km、440.0km和520.0km桩号附近基底界面明显呈现隆起形态，埋深为3.8～5km。在190.0～250.0km、370.0～400.0km和556.0～580.0km桩号下方基底界面埋深较深，为6～7.5km。

基底界面之上的速度结构基本上是由一个强速度梯度层所组成，由近地表的3.63～5.02km/s变化到基底之上的5.85～5.98km/s，从速度结构图可以看出基底界面横向起伏比较明显。

图2.1 sp176、sp341记录截面(a)、理论地震图(b)、走时拟合(c)与射线追踪图(d)Fig.2.1 Record sections(a)，synthetic seismograms(b)，travel time fitting(c)，and ray tracing(d)for shot sp176 and sp341.

图2.2 sp388、sp498记录截面(a)、理论地震图(b)、走时拟合(c)与射线追踪图(d)Fig.2.2 Record sections(a)，synthetic seismograms(b)，travel time fitting(c)，and ray tracing(d)for shot sp388 and sp498.

图2.3 sp272、sp621记录截面(a)、理论地震图(b)、走时拟合(c)与射线追踪图(d)Fig.2.3 Record sections(a)，synthetic seismograms(b)，travel time fitting(c)，and ray tracing(d)for shot sp272 and sp621.

第2层:由基底顶面向下至C2界面之间的层位，二维地壳结构所给出的C2界面的形态起伏较为明显，其深度变化范围为23～28.5km，在200.0～250.0km桩号和370.0～420.0km桩号C2界面上隆，埋深分别约为23km和24km;在310.0km桩号和520.0km桩号C2界面下凹，其埋深分别为26km和28.5km左右。该层的地震波速度为5.52～5.98km/s，总体上看在剖面中段的360.0～435.0km桩号附近其速度较高为5.9km/s，南北段速度一般在5.6～5.8km/s之间变化，在玉树附近该层存在明显的负梯度层，速度由顶面5.9km/s至底部变化为5.54km/s。C2界面的速度跳跃为5.54～5.83km/s至6.26～6.29km/s，跳跃差为0.44～0.75km/s。

中地壳。它由壳内反射波P2和P3所确定。C3界面与C2界面沿剖面起伏变化形态基本一致，C3界面埋深变化为35～42km。从速度结构上看，该层为一弱的负速度梯度层，由上部速度为6.29～6.26km/s至底部变化为6.11～6.18km/s。C3界面速度由6.11～6.18km/s跳跃至6.46～6.58km/s，跳跃差为0.28～0.47km/s。该层厚度为13km左右。

下地壳。它由壳内反射波P4和莫霍界面反射波Pm所确定。在剖面的南段400.0km桩号以南显示出双层结构，在400.0km桩号以北显示出单层结构:在剖面南段(400.0km桩号以南)第1层为C3界面和C4界面之间部分，该层的厚度为14～20km，在130.0～420.0km桩号为负弱的速度梯度层，在400.0km桩号以北显示为单层结构，为正速度梯度层。速度由C3界面下侧的6.46～6.56km/s变化为莫霍界面上侧的7.08～7.13km/s。C4界面的速度跳跃差为0.32km/s左右。C4界面起伏形态基本与C3界面一致;在400.0km桩号以南，第2层是C4界面和莫霍界面之间地层，该层厚度为13～16km，上部为7km左右厚度的正弱速度梯度带，梯度为0.014km·s-1/km;靠近莫霍界面存在厚度为5km左右的正的较强速度梯度带，梯度为0.035～0.052km·s-1/km。莫霍界面的形态与C4界面在130.0～400.0km桩号基本相似，但起伏变化较为明显。沿剖面400.0km桩号附近下方莫霍界面埋深约为65km，由其向北莫霍界面逐渐变浅至590.0km桩号附近的63km左右，向南莫霍界面急剧下降，至300.0km桩号附近界面埋深达72km左右，再向南该界面变浅，至220.0km桩号囊谦附近为68km。该层的层速度由C4界面下部的6.60～6.66km/s增大至莫霍界面上侧的7.02～7.08km/s。

图3显示的上地幔顶面速度为7.75～7.86km/s，在剖面南段该速度约为7.86km/s，其北段速度为7.76～7.86km/s，该层在90km深的速度为8.03～8.06km/s。

图3 玉树地震测深剖面二维速度结构与构造图Fig.3 2-D crustal velocity structure of the Yushu earthquake area revealed by the deep seismic sounding profile.

4 结论与讨论

人工地震宽角反射/折射剖面及其他研究结果(Michel et al.，1980;李秋生等，2003;陈九辉等，2005;李永华等，2006;赖院根等，2006;滕吉文等，2008)揭示出玉树震区及其邻近地区的地壳上地幔速度结构及玉树地震的深部构造背景。这些结果为深入认识该区的发震构造环境等提供了重要的基础资料。

(1)研究区结晶基底界面起伏较大，在囊谦、玉树下方较厚达8km左右，在400.0km桩号往大桩号方向基底结构逐渐减薄为2.5km。基底界面的凹陷、隆起与不同的地质构造单元具有较好的对应关系，基底界面在局部地段所表现出的急剧变化可视为断裂构造存在的一种标志，C2、C3和C4界面起伏变化最大的在玉树附近及其下方，中上地壳介质在横向上存在着强烈的不均匀性，在180.0～420.0km桩号之间C4界面之上存在多处高低速相间的块体，在420.0km桩号附近以北未发现C4界面，而且记录界面图上P4震相在420.0km桩号以后显得模糊无法连续对比识别出来。特别是在玉树下方的速度不均匀(徐锡伟等，2001)，研究表明，低速与高速块体的边界附近，介质往往极不稳定，为地震易发的构造部位。在290.0km桩号下方及其两侧上地壳结晶基底有明显的起伏，中下地壳界面和速度结构在C4界面之上断裂的两侧有明显的速度变化，这可能是乌兰拉湖-玉树-甘孜断裂存在的深部证据;在460.0km桩号下方及其两侧上地壳C2界面之上结晶基底和速度结构都存在着明显的差异，变化位置刚好与地质构造图上的昆仑山口-达日断裂位置相吻合。

(2)剖面具有明显的层状结构，各层位显示出各自的特征，有研究表明，在青藏高原东北缘的中下地壳位置有不同程度的低速块体存在(陈九辉等，2005;李永华等，2006)，本剖面正演结果显示在中地壳速度结构变化不大，但是在桩号360.0～570.0km桩号之间有一低速块体存在，穿过该低速块体在420.0km桩号附近一直到莫霍界面之上速度结构变化异常明显，该位置刚好与昆仑山断裂相对应，速度结构异常的变化是否为该断裂的向下延伸?下地壳为C3界面与莫霍界面之间的层位，厚度变化由南向北逐渐变薄，速度变化由西南向东北逐渐加大。总之，地壳厚度变化幅度较大，特别是莫霍界面表现较为明显，沿剖面420.0km桩号清水河附近下方莫霍界面埋深约为65km，由其向北莫霍界面逐渐变浅至花石峡附近的63km左右，向南莫霍界面急剧下降，至300.0km桩号玉树附近界面埋深达72km左右，再向南该界面变浅，至220.0km桩号囊谦附近为68km。在200.0～400.0km桩号之间莫霍界面起伏变化比较大，在玉树附近下方莫霍界面有一明显的下凹结构特征。

(3)玉树7.1级地震发生于巴颜喀拉块体南边界带甘孜-玉树断裂构造上，破坏性地震的不断发生与印度洋板块的向N及NE的长期挤压造成巴颜喀拉块体的向东滑移扭转密切相关(Michel et al.，1980;腾吉文等，2008)。深地震测深结果显示(李松林等，2001;张先康等，2003)，在玉树附近下方速度等值线和壳内界面起伏变化大，上地壳中下部速度发生逆转，这些特征及二维结构解释结果表明，甘孜-玉树断裂有向下方至M界面延伸的趋势。玉树7.1级地震震源深度为14km，刚好位于上地壳高速向低速过渡区和速度等值线及壳内界面明显起伏变化段的上方，玉树地震的孕育发生可能与这种地壳结构构造相关(高锐等，2006;王椿镛等，2007)。

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