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
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1、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
2、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
3、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(
4、,)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
5、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
6、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
7、 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
8、,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
9、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
10、、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
11、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
12、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
13、,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
14、 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
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