寬角反射/折射剖面分析范文

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《地震地質(zhì)雜志》2016年第一期

摘要

位于滇西地區(qū)的紅河斷裂是中國最長的走滑斷裂之一，具有很高的地震潛勢。為了調(diào)查紅河斷裂的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在滇西地區(qū)穿過紅河深大斷裂帶完成了1條由云縣至寧蒗近SN向長300km的寬角地震反射/折射剖面。結(jié)合初至波走時成像及正演建模方法，對該測線觀測數(shù)據(jù)進行了一維、二維分析擬合，獲得了該地區(qū)沿測線的二維地殼速度結(jié)構(gòu)模型。結(jié)果顯示:地殼P波平均速度為6.2～6.3km/s，基本呈現(xiàn)為1個均勻的正速度梯度結(jié)構(gòu)，但在中地殼和下地殼不同區(qū)域有部分低速異常;沿測線Moho界面埋深存在較大的橫向變化，自南向北明顯變深，南側(cè)Moho埋深約為45km，北側(cè)Moho埋深可達54km，較之典型的大陸地殼，存在明顯的增厚現(xiàn)象;而沿測線中上地殼厚度變化不大，地殼增厚主要緣于下地殼厚度的增加;以紅河斷裂為界，地殼結(jié)構(gòu)存在明顯的橫向差異，暗示了紅河斷裂作為揚子準地臺和三江地槽系構(gòu)造邊界的作用;測線穿過區(qū)域紅河斷裂兩側(cè)沒有明顯的Moho埋深變化，結(jié)合臨近區(qū)域的其他研究結(jié)果，表明紅河斷裂在不同區(qū)段存在較大的差異。

關(guān)鍵詞

二維地殼速度結(jié)構(gòu)寬角反射/折射紅河斷裂滇西地區(qū)

引言

滇西地區(qū)位于青藏高原東南緣，東鄰揚子地塊;受印度－歐亞大陸碰撞影響，區(qū)內(nèi)地殼強烈變形，深大斷裂縱橫交錯。其中紅河斷裂作為青藏東南緣1條醒目的大地構(gòu)造邊界，具有漫長的發(fā)育歷史和十分復(fù)雜的演化過程(Peltzeretal．，1988;Schreretal．，1990)。紅河斷裂帶東北側(cè)為揚子準地臺，西南側(cè)為三江地槽系。在這2個一級構(gòu)造單元的構(gòu)造演化和地層發(fā)育以及地殼劇烈運動和變形的整個過程中，紅河斷裂帶始終起到了活動塊體間相對運動與變形的轉(zhuǎn)換或調(diào)節(jié)作用(Tapponnieretal．，1990)。根據(jù)斷裂帶兩側(cè)地震和震源機制解分析，紅河斷裂的活動方式主要為走滑型，同時伴有正斷型和少許逆沖型，且區(qū)域應(yīng)力反演結(jié)果表明紅河斷裂周圍最大主應(yīng)力軸呈現(xiàn)順時針旋轉(zhuǎn)的空間變化規(guī)律(Zhaoetal．，2013)。而滇西地區(qū)的瀾滄江斷裂帶屬于深大斷裂帶，總體走向近SN，在云縣北部形成明顯的大拐彎(王紹晉等，2007)，是控制滇西地區(qū)地質(zhì)發(fā)展的主干斷裂。滇西北地區(qū)的程海斷裂北起寧蒗附近，向SW延伸經(jīng)海、賓川，再向S交會于紅河斷裂帶上，是1條新生代強烈活動的左旋走滑兼逆沖斷裂(譚筱紅等，1999)。滇西地區(qū)特殊的構(gòu)造環(huán)境、復(fù)雜的地質(zhì)背景和活躍的地震活動，使得該區(qū)成為大陸地球動力學、強震孕育及監(jiān)視、地殼演化等地學問題的天然試驗場。為進一步揭示研究區(qū)域的地殼深部結(jié)構(gòu)，同時為賓川固定氣槍發(fā)射臺開展的人工震源地下介質(zhì)監(jiān)測研究提供參考(王寶善等，2011)，我們于2012年6月完成了自云縣，經(jīng)賓川到寧蒗的長約300km的人工地震寬角反射/折射剖面，通過對該深地震測深數(shù)據(jù)進行分析處理，建立了研究區(qū)域沿剖面的二維精細地殼速度模型，并對該區(qū)的地殼速度結(jié)構(gòu)進行了研究，對其可能的地質(zhì)環(huán)境和構(gòu)造背景含義進行了解釋，以期深化對本區(qū)深部結(jié)構(gòu)及其動力學機制的理解。

1、人工地震測深剖面位置與觀測系統(tǒng)

本次深地震寬角反射/折射測線南端始于云南云縣經(jīng)過彌渡、賓川、金沙江、永勝，止于寧蒗測線先后穿過三江地槽系和揚子準地臺2個一級構(gòu)造單元，地形高差懸殊，海拔1020～2986m。該測線南端與南定河斷裂北段斜交，南段近垂直于瀾滄江斷裂、無量山斷裂和紅河深斷裂，北段與復(fù)雜的程海斷裂走向基本一致。因而測線資料的解譯適用于研究區(qū)不同塊體速度結(jié)構(gòu)特征及其演化的研究與理解，也適用于賓川、云縣一帶深部構(gòu)造特征的探測。為了消除和減輕人為活動造成的干擾，本次探測中所有地震波激發(fā)和接收工作都在凌晨時分進行。

2、地震測深剖面震相特征

從炮點記錄截面圖中標定震相，并對每個震相進行分析是人工地震測深中尤為基礎(chǔ)和重要的工作。不同的震相性質(zhì)和差異都與測區(qū)區(qū)域構(gòu)造演化密切相關(guān)，是不同地殼結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征的體現(xiàn)(嘉世旭等，1995)。

3、二維地殼速度模型

通過上述主要地震震相分析，我們拾取了相應(yīng)的走時，并通過試錯法對所有單炮記錄進行擬合，得到了一維地殼結(jié)構(gòu)模型(圖4)。在此基礎(chǔ)上，我們利用射線追蹤(Cerveny，1979;Cer-veny，1984)計算了理論走時，并將其作為二維地殼結(jié)構(gòu)模型建立的初始模型。在擬合過程中，我們遵循由淺到深依次調(diào)整擬合上地殼、中地殼、下地殼的速度結(jié)構(gòu)和界面深度的方法，反復(fù)使用Seis83程序進行理論計算，最終實現(xiàn)理論走時與實際到時的充分擬合。本研究中，基于最終的二維速度模型得到的理論走時、振幅與觀測資料相比，大多數(shù)點擬合誤差在±0.1s左右。對于個別誤差較大的點，有些可能是由于炮點偏離測線或測線本身的彎曲造成的;有些則是由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性造成的。綜合考慮以上各種因素，最終我們在一定的誤差范圍內(nèi)選取1個合理的速度模型。

4、地殼上地幔結(jié)構(gòu)與構(gòu)造特征

研究區(qū)地下構(gòu)造十分復(fù)雜，破碎程度高(Huangetal．，2012)。從得到的地殼介質(zhì)地震波速度模型(圖8)和射線追蹤圖(圖5－7)可以看出，該剖面地殼厚度和殼內(nèi)反射射線分布等在橫向上具有強烈的非均勻性，主要界限位于紅河斷裂，且沿剖面所跨過的斷裂都在速度結(jié)構(gòu)上有不同程度的體現(xiàn)。我們根據(jù)得到的速度結(jié)構(gòu)將研究區(qū)域的地殼分為3層，其中，反射波P1P確定的C1界面以上的部分看作上地殼，由P3P波組的反射深度確定的C3界面和C1界面之間的層位稱為中地殼，C3界面到PmP反射波所控制的莫霍面之間的部分稱為下地殼。P波速度結(jié)構(gòu)在下地殼基本呈現(xiàn)1個較均勻的正速度梯度層，但在紅河斷裂南側(cè)橫向速度存在1個弱的低速異常，而這種低速異常以更弱的方式出現(xiàn)在程海斷裂北端。限于觀測系統(tǒng)，下地殼射線覆蓋較為稀疏，本研究所得下地殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度較低。然而紅河斷裂兩側(cè)的速度差異和程海斷裂北段的低速異常仍在有效射線覆蓋范圍內(nèi)。

5、討論與結(jié)論

剖面地殼厚度呈現(xiàn)西南淺東北深的趨勢，南起點云縣地殼厚度為45km，北側(cè)地殼深至54km，地殼厚度的這種變化趨勢與滇西地區(qū)以往的多數(shù)地球物理探測結(jié)果一致.在測線中段的賓川地區(qū)，莫霍面深度與Hu(1986)的結(jié)果一致，但稍深于白志明(2003，2004)有限差分反演的結(jié)果。從剖面結(jié)果看，上地殼和中地殼厚度變化不大，剖面地殼增厚主要歸因于下地殼的厚度增加，西南側(cè)下地殼厚度為16km左右，而東北側(cè)厚度高達23km。這種主要由下地殼增厚引起的地殼總厚度變化現(xiàn)象在已有的人工地震測深成果中屢有體現(xiàn).速度結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，整個剖面中，速度橫向變化差異最顯著的地方位于紅河斷裂帶。紅河斷裂是1條長期演化發(fā)展的深大斷裂，至少始于前古生代，在新生代早期，受喜馬拉雅運動的影響，它主要表現(xiàn)為左旋走滑，晚新生代時慢慢轉(zhuǎn)換為右旋走滑活動(張建國，2009)。瀾滄江斷裂和紅河斷裂之間的上中地殼出現(xiàn)明顯的低速異常，其兩側(cè)的速度差異十分明顯，這與以往體波成像(Huangetal．，2012)和接收函數(shù)(Huetal．，2005;李永華等，2009)研究得到的紅河斷裂兩側(cè)P、S波速度甚至波速比都存在明顯差異一致。從速度差異判斷斷裂的切割深度分析，紅河斷裂在本條速度結(jié)構(gòu)剖面上顯示為1條深大斷裂，至少切割至下地殼。本研究觀測數(shù)據(jù)中，反映中下地殼結(jié)構(gòu)的P2P和P3P在紅河斷裂附近走時曲線均有變化，為紅河斷裂切割至下地殼提供了直接證據(jù)。由于本研究觀測系統(tǒng)較為稀疏，紅河斷裂兩側(cè)PmP覆蓋不足，難以判定紅河斷裂是否錯斷莫霍面。在以往開展的一些人工地震測線中，徐鳴潔等(2005)根據(jù)接收函數(shù)反演結(jié)果中紅河斷裂下方地殼厚度存在突變推斷紅河斷裂是陡立的超殼斷裂;測線南段的無量山斷裂、瀾滄江斷裂和南定河斷裂在本文的速度結(jié)構(gòu)剖面中3條斷裂區(qū)域下方都顯示有不同程度的低速異常。受觀測系統(tǒng)限制，本研究結(jié)果中無量山斷裂位于下地殼可分辨區(qū)邊緣，在可分辨區(qū)范圍內(nèi)，瀾滄江斷裂位于中地殼可分辨區(qū)邊緣，在可分辨區(qū)范圍內(nèi)。無量山斷裂從速度差異判斷其傾向NE，至少切割了下地殼，與其在遮放—賓川剖面結(jié)果顯示的切割深度一致(白志明等，2003);在孟連—馬龍剖面無量山斷裂被推斷為超殼斷裂(白志明等，2004)。瀾滄江斷裂是第四紀活動斷裂，不僅將三江地槽系劃分成保山地塊與思茅地塊，也是岡瓦納板塊與華南板塊的界限。在本次剖面研究結(jié)果中，瀾滄江斷裂下方低速異常略傾向NE，可能穿過基底層，切割上地殼，但是否與無量山斷裂相交甚至最終與紅河斷裂在深處交會還需要更進一步的研究。孟連—馬龍剖面中瀾滄江斷裂顯示為具有NE傾向的基底層斷裂(白志明等，2003)，且與紅河斷裂在約20km深處匯聚。另外，在賓川南側(cè)，程海斷裂南端起始段下方有明顯的橫向速度異常，差異最大達到0.2km/s，一直深入到上地殼底部，南側(cè)為高速異常，北側(cè)的低速異常橫向向N延伸至測線約280km處，對應(yīng)著賓川地區(qū)位置，這可能和賓川盆地中填充的松散沉積物有關(guān)。金沙江地區(qū)下方出現(xiàn)1個高速異常體。測線上金沙江以北至永勝地區(qū)下方，中地殼和下地殼都有不同程度的低速體(測線北段射線有效覆蓋區(qū)在樁號350km以南，該區(qū)段低速存在射線覆蓋)。由于測線走向與程海斷裂基本平行，而程海斷裂具有悠久的發(fā)育歷史，經(jīng)歷了新生代以左旋走滑兼逆沖推覆為主的活動特征，到第四紀以正斷左旋走滑為主要構(gòu)造特征，從擠壓到拉張的轉(zhuǎn)變過程(譚筱紅等，1999)。這也使得程海斷裂的地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜。且程海斷裂西側(cè)發(fā)育有2組地裂縫(俞維賢等，2005)，據(jù)國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心顯示，歷史上程海斷裂北段永勝地區(qū)曾發(fā)生6次5級以上的強震，2次7級以上大震，最大震級為發(fā)生于1515年的7級，具有地震活動水平高，孕震能力很強，地殼破碎程度高等特點，這給此段測線區(qū)域的解釋工作帶來了一定的困難，地殼中出現(xiàn)的低速體也可能與測線實際展布不完全與程海斷裂平行有關(guān)。致謝本研究得到了中國地震局鄭州物探中心楊卓欣研究員、潘素珍高級工程師和諸多同仁的悉心幫助和指導(dǎo)，以及王椿鏞研究員和張先康研究員在分析解釋方面給予的幫助，在此表示深深的謝意。

參考文獻

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作者:陳思文 王寶善 田曉峰 王夫運 劉寶峰 李璐地址: 中國地震局地震觀測與地球物理成像重點實驗室( 中國地震局地球物理研究所)  中國地震局地球物理勘探中心