2018, Vol. 38
2. 中国地震局地球物理勘探中心，郑州市文化路75号，450002
当地震波穿过地壳、地幔时，由于地壳、地幔包含物质的物性差异，会使得地震波速度产生明显的差异，越是古老的克拉通地区，它的壳幔过渡带结构越是稳定，而构造活动频繁的地区，它的壳幔过渡带结构在长期构造作用下会变得复杂[1]。以往的地震勘探工作中，往往利用地震波穿过各介质层时其速度的差异性，得到地下速度结构，从而获取地下结构资料，而对于壳幔过渡带的研究较少。本文在以往的接收函数方法基础上作出一定的改进，利用接收函数中的Pms转换波信息，来得到壳幔过渡带厚度、壳幔过渡带速度结构以及壳幔边界的精细结构[2-4]。
川滇地区毗邻青藏高原东南缘，地处印度板块与欧亚大陆碰撞的前沿地带，由于特殊的地理位置和频繁的强震活动，其深部壳幔结构一直是地学界关注的热点。作为青藏高原东南缘的地块分界带，川滇地区深部壳幔变形特征与青藏高原隆升演化密切相关，各种地质作用具有长期和多期活动的历史，这使得川滇地区成为研究青藏高原物质逃逸的最佳场所[5-7]。
本文重点采用川滇地区天然地震台网资料，利用接收函数方法得到川滇地区不同区域的壳幔过渡带厚度以及壳幔过渡带速度结构，从而得到不同区域的壳幔过渡带信息，进而对壳幔过渡带厚度以及结构进行地质解释。
1 理论方法 1.1 接收函数方法接收函数就是去除震源、地震波传播路径以及仪器响应等因素后的时间序列, 其主要包含地震台站下方地壳和上地幔速度间断面所产生的转换波及其多次反射波的信息[8]。
1.2 壳幔过渡带厚度计算及结构获取方法通过对远震P波穿过莫霍面时所产生的转换波Pms进行研究，计算壳幔过渡带厚度，得到该地区的过渡带结构。考虑到转换波Pms的脉冲波形，采用近垂直入射的远震记录作为研究对象。在近垂直入射的情况下，图 1((a)为3种不同结构下的接收函数以不同频率穿过壳幔过渡带的接收函数时间序列；(b)为3种不同的一维速度结构；(c)为2种转换波Pms穿过相邻空间边界的路径及波形)模拟了3种不同结构的壳幔过渡带例子，粗灰色线代表速度结构是突变的，细灰色线代表速度结构是渐变的，黑色实线代表速度结构的相间变化。在频率较低的时候3条线基本重合，表示在低频处的时间序列, 3种模式由于频率较低的原因难以分辨，而随着频率的不断提高，在频率升高后会产生较大的差异。
|
图 1 3种不同结构的壳幔过渡带 Fig. 1 Three different structures of transition zone of crust and mantle |
以速度高低相间结构(黑色实线)为例，利用Pms转换波的简单脉冲波波长来计算边界厚度，估算厚度区间。根据此模拟方法，当接收函数Pms转换波恰好以一个波形通过过渡带时，将简单脉冲波形和复杂波形分离开来，此时的转换波波长就是过渡带厚度(图 1(a))，波长根据此时对应的接收函数间断频率以及莫霍上界面的S波速度计算得到，即
| $h\sim {{\lambda }_{\text{S}}} $ | (1) |
除此之外，根据此模拟方法，要观测到来自相邻界面的转换波，需满足一个莫霍过渡带最小厚度值。估算方法类似于图 1(c)，利用反射自相邻空间边界的脉冲波来计算这个相邻空间边界的厚度，计算方法遵从于分辨地震反射数据垂向分辨率所遵从的四分之一波长原理，即要观测到相邻的反射波，就要满足超过其四分之一主波长原理。图 1(c)中，在宽度为h的一个水平边界层上，在垂向上接收到两个Pms转换波，它们的时间差为：
| $\mathit{\Delta t = }\frac{h}{{{\mathit{V}_{\rm{S}}}}} - \frac{h}{{{V_{\rm{P}}}}} = h\left( {\frac{1}{{{V_{\rm{S}}}}} - \frac{1}{{\mathit{k}{V_{\rm{S}}}}}} \right) = \frac{h}{{{V_{\rm{S}}}}}\left( {\frac{{k - 1}}{k}} \right) $ | (2) |
式中，VP、VS在边界层中是匀速的，
根据四分之一波长原理，设定
| $h = \frac{{{\lambda _{\rm{S}}}}}{4}\left( {\frac{k}{{k - 1}}} \right) $ | (3) |
式中，λS是转换波Pms的波长，k为波速比。
其余两种速度结构的壳幔过渡带也以同样的方法进行厚度计算，即识别接收函数时间序列图中间断处，获得间断频率估计莫霍过渡带厚度，同时满足最小莫霍过渡带厚度值即可。
综上所得，莫霍过渡带厚度h的估算区间为(k为波速比)：
| $\frac{{{\lambda _{\rm{S}}}}}{4}\left( {\frac{k}{{k - 1}}} \right) \sim {\mathit{\lambda }_{\rm{S}}} $ | (4) |
分辨图 1(a)中接收函数高频成分的脉冲波形状，再对应图 1(b)中的速度结构，来确定壳幔过渡带结构。1)粗灰色线：当脉冲波宽度随频率的升高而展现出递减的趋势，而波形不产生变化时，此时壳幔过渡带结构为速度突变结构；2)细灰色线：当脉冲波宽度先随频率升高而递减，到达一定限度后不再减少，而脉冲波的振幅最大处会随着频率升高而变得不平整，波峰会产生“凹凸”，此时壳幔过渡带结构为速度渐变结构；3)黑色实线：随着频率的升高，脉冲波会产生“分叉”，一个脉冲波宽度内会产生多次波，导致出现复杂脉冲波形，此时壳幔过渡带速度结构为高低速相间结构。
2 数据处理及分析 2.1 处理方法将川滇区域按构造划分成各个小区域，在各个小的研究区域内各选取台站作为此次研究的接收函数台站资料。要求每个台站中选取的数据是来源于数组震源相近的数据组，且每个台站的数据涵盖90~140个地震记录。每个台站在各个指定频率域下的所有地震记录进行叠加，建立一个单独的接收函数时间序列。对于每个台站，制作出的接收函数时间序列包括各个频率成分。在使用高频部分的接收函数信息时，采用接收函数技术中的多窗谱互相关技术，对接收函数的高频成分有更高的分辨率，使最后制作的整个接收函数时间序列有很好的分辨率。识别序列中间断频率的方法就是识别图中简单脉冲波形和突出变化波形的分隔间断处(如图 1(a)中的识别方式)。
2.2 数据及处理 2.2.1 收集地震记录资料首先收集全球范围5 a内发生的大地震事件，制成全球地震分布图(图 2)，以观察全球各个区域发生大地震的密集程度，再从中选取合适的区域作为研究对象。
|
图 2 全球5 a内大地震分布 Fig. 2 Global earthquakes distribution in five years |
最终挑选来自汤加-斐济地区10 a内(2006~2016年)的134个地震记录(区域如图 2)，这些地震记录密集且震源相近。
2.2.2 收集台站资料川滇地区共包含204个台站，大致可以分成图 3所示几个区域。本文主要研究区域为川滇地区北部的巴颜喀拉松潘-甘孜地块、南松潘-甘孜地块、扬子地台，在这3个块体上选取资料较好的台站进行计算, 如图 4所示。
|
图 3 川滇地区不同地质构造区域块体划分 Fig. 3 Block division of different geological tectonic zones in Sichuan-Yunnan region BY-SG:巴颜喀拉松潘-甘孜地块;SSGT:南松潘-甘孜地块;YZB:扬子地台;TCT:腾冲地块;BST:保山地块;LPT:兰坪块体以及兰坪东边的华南块体 |
|
图 4 3个不同块体上的台站选用 Fig. 4 The station selection on three different blocks |
提取不同频率的接收函数，制作包含各个不同频率成分的接收函数时间序列图。在接收函数处理过程中，通过控制程序中的高斯因子α来改变接收函数的频率，从而得到所需提取的不同频率的接收函数时间序列图。
分别取高斯因子α为1、1.5、2.5、4、5、6、6.5、7.5、8、9、10、11,并挑选信噪比较好的数据进行处理。最终在扬子板块、巴颜喀拉松潘-甘孜地块、南松潘-甘孜块体上各选取了两个数据较好的台站资料(各选取两个台站,是为了作块体内的相互对比,以防结果出现偶然性)。提取6个台站下的不同高斯因子的接收函数时间序列,且挑选出其中的间断高斯因子处。12个不同高斯因子的接收函数整合到一张图中,形成最终的接收函数时间序列图,结果见图 5。
|
图 5 6个台站分别提取的不同高斯因子α的接收函数 Fig. 5 The reception function of the different Gaussian factors α extracted from the six stations |
通过得到的接收函数，进行H-K扫描叠加处理，以获得该台站下方的莫霍深度H以及波速比K(图 6)。部分H-K叠加结果中，极值约束得到的H、K值与以往研究资料有明显区别，将手动拾取该台站H-K叠加的其他符合条件的极值，以保证所使用资料的准确性。
3 壳幔过渡带厚度及速度结构结果通过提取到的接收函数，识别图中高斯因子α间断处，获得间断的高斯因子α，从而计算出间断频率f，
|
图 6 6个台站分别得到的H-K叠加扫描图 Fig. 6 The H-K superimposed scan map obtained for the six stations |
1) 扬子板块。台站YTI选取间断高斯因子为10，即频率f为2.65 Hz，随着频率的提高，Pms转换波在频率过高处产生突变，除此之外，Pms转换波在各个频率上都有完整的脉冲波形，该地区过渡带属于速度突变结构。该地区壳幔过渡带区间为0.98~1.58 km。台站CXI选取间断高斯因子为11，即频率f为2.91 Hz，Pms转换波在各个频率上都有完整的脉冲波形，该地区过渡带为速度突变结构。该地区壳幔过渡带区间为0.86~1.44 km。
两个台站资料基本吻合，得到扬子板块(YZB)上的四川盆地壳幔过渡带为0.86~1.58 km，速度结构为突变结构。
2) 巴颜喀拉松潘-甘孜块体。台站HYU选取间断高斯因子为4，即频率f为1.06 Hz，Pms转换波在此间断处波峰开始产生“凹凸”，该地区过渡带为速度渐变结构。该地区壳幔过渡带区间为2.14~3.73 km。台站HSH选取间断高斯因子为4，即频率f为1.06 Hz，Pms转换波在此间断处波峰开始产生“凹凸”，该地区过渡带为速度渐变结构。该地区壳幔过渡带区间为2.22~3.75 km。
两个台站资料吻合，得到巴颜喀拉松潘-甘孜地块(BY-SG)地区(龙门山断裂带西北侧)壳幔过渡带为2.14~3.75 km，速度结构为渐变结构。
3) 南松潘-甘孜块体。台站GZI选取间断高斯因子为4，即频率f为1.06 Hz，Pms转换波在此间断处产生“分叉”，该地区过渡带为高低速相间结构。该地区壳幔过渡带区间为1.79~3.4 km。台站YJI选取间断高斯因子为4，即频率f为1.06 Hz，Pms转换波在此间断处产生“分叉”，该地区过渡带为高低速相间结构。该地区壳幔过渡带区间为1.82~3.38 km。
两个台站虽然莫霍厚度有所差异，但是得到的壳幔过渡带厚度资料吻合，得到南松潘-甘孜(SSGT)地区(小金断裂带以北)的壳幔过渡带为1.79~3.4 km，速度结构为高低速相间结构。
4 结语综上所述，得到了南、北松潘-甘孜及扬子地块的壳幔过渡带资料，见图 7。
|
图 7 3个块体壳幔过渡带资料结果及成因 Fig. 7 Results and causes of three block crust-mantle transitional zone |
印度-欧亚板块的运动呈北东向，南松潘-甘孜块体在北东向受到挤压[9]。同时，青藏高原也在向东南向挤压变形，导致南松潘-甘孜块体除了在北东向受到板块挤压外，在东南向上也处于不断的构造活动中，使得该块体构造活动频繁剧烈，壳幔过渡带不断变厚，改变了该块体壳幔过渡带原有的温压条件，产生高低速相间的速度结构。巴颜喀拉松潘-甘孜块体位于南松潘-甘孜块体的北东向，所以板块运动使巴颜喀拉松潘-甘孜块体壳幔过渡带不断挤压增厚，且壳幔过渡带稍厚于南松潘-甘孜块体，而该块体东侧是岩石圈坚硬的四川盆地，使得青藏高原向东南向挤压至巴颜喀拉松潘-甘孜块体后，被四川盆地阻挡，所以该地块壳幔过渡带温压条件持续改变，产生了速度渐变结构。扬子块体四川盆地在巴颜喀拉松潘-甘孜块体的东南方向，只受到印度-欧亚板块运动的侧向挤压，且本身岩石圈坚硬，壳幔过渡带保持了完好的一级间断面结构，厚度较薄，为速度突变结构。
| [1] |
Levin V, van Tongeren J A, Servali A. How Sharp Is the Sharp Archean Moho? Example from Eastern Superior Province[J]. Geophysical Research Letters, 2016, 43(5): 1928-1933 DOI:10.1002/2016GL067729
(  0) |
| [2] |
Christensen N I, Mooney W D. Seismic Velocity Structure and Composition of the Continental Crust: A Global View[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1995, 100(B6): 9761-9788 DOI:10.1029/95JB00259
( 0) |
| [3] |
Wang C Y, Han W B, Wu J P, et al. Crustal Structure beneath the Eastern Margin of the Tibetan Plateau and Its Tectonic Implications[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2007, 112(B7)
( 0) |
| [4] |
杨卓欣, 王夫运, 段永红, 等. 川滇活动地块东南边界基底结构——盐源-西昌-昭觉-马湖深地震测深剖面结果[J]. 地震学报, 2011, 33(4): 431-442 (Yang Zhuoxin, Wang Fuyun, Duan Yonghong, et al. Basement Structure of Southeastern Boundary Region of Sichuan Yunnan Active Block:Analysis Result of Yanyuan-Xichang-Zhaojue-Mahu Deep Seismic Sounding Profile[J]. Acta Seismologica Sinica, 2011, 33(4): 431-442)
( 0) |
| [5] |
徐鸣洁, 王良书, 刘建华, 等. 利用接收函数研究哀牢山-红河断裂带地壳上地幔[J]. 中国科学: D辑, 2005, 35(8): 729-737 (Xu Mingjie, Wang Liangshu, Liu Jianhua, et al. Crust and Upper Most Mantle Structure of the Ailaoshan-Red River Fault from Receiver Function Analysis[J]. Science in China:Series D, 2005, 35(8): 729-737)
( 0) |
| [6] |
李永华, 吴庆举, 田小波, 等. 用接收函数方法研究云南及其邻区地壳上地幔结构[J]. 地球物理学报, 2009, 52(1): 67-80 (Li Yonghua, Wu Qingju, Tian Xiaobo, et al. Crustal Structure in the Yunnan Region Determined by Modeling Receiver Functions[J]. Chinese J Geophys, 2009, 52(1): 67-80)
( 0) |
| [7] |
吴建平, 明跃红, 王椿镛. 云南数字地震台站下方的S波速度结构研究[J]. 地球物理学报, 2001, 44(2): 228-237 (Wu Jianping, Ming Yuehong, Wang Chunyong. The S Wave Velocity Structure beneath Digital Seismic Stations of Yunnan Province Inferred from Teleseismic Receiver Function Modeling[J]. Chinese J Geophys, 2001, 44(2): 228-237)
( 0) |
| [8] |
吴庆举, 曾融生. 用宽频带远震接收函数研究青藏高原的地壳结构[J]. 地球物理学报, 1998, 41(5): 669-679 (Wu Qingju, Zeng Rongsheng. The Crustal Structure of Tibetan Plateau Inferred from Broadband Teleseismic Waveform[J]. Chinese J Geophys, 1998, 41(5): 669-679)
( 0) |
| [9] |
张中杰, 白志明, 王椿镛, 等. 冈瓦纳型和扬子型地块地壳结构:以滇西孟连-马龙宽角反射剖面为例[J]. 中国科学: D辑, 2005, 34(5): 387-392 (Zhang Zhongjie, Bai Zhiming, Wang Chunyong, et al. Crustal Structure of Gondwana and Yangtze-Typed Blocks:An Example by Wide Angle Seismic Profile from Menglian to Malong in the Western Yunnan[J]. Science in China:Series D, 2005, 34(5): 387-392)
( 0) |
2. Geophysics Exploration Center, CEA, 75 Wenhua Road, Zhengzhou 450002, China