川滇地区是我国大陆强震频度最高的地区，地处印度板块与欧亚板块碰撞的前沿地带，是我国主要地震活动构造带---南北地震带的重要组成部分.图 1展示了川滇及周围地区构造背景.由南向北俯冲的印度板块和欧亚大陆碰撞，由于青藏高原北面受西伯利亚地台阻挡，物质东流，受高强度块体四川盆地的阻挡分叉为东北向和东南向，而低强度的三江地区构成了青藏高原物质东南向流转向近南向流的通道^{[1, 2]}.该区域还分布有近代喷发过的腾冲火山.由于川滇地区所处的特殊位置，自然成为地学研究的热点区域.近年来，地学工作者在该区域开展了大量的研究工作，包括人工地震测深^[3~6]、天然地震资料的区域三维速度反演^[7~15]、用SKS波分裂测定上地幔各向异性^[16~20]、利用接收函数方法研究区域地壳上地幔结构^[21~23]、利用GPS 观测资料研究区域形变特征^[24~26]、采用理论模型模拟区域地震活动性和断层间相互作用^[27]等等.地震通常发生在板块边界和新构造活动强烈的地区，这些地区通常是 Pn波速度低速带或高低速过渡带^[28~30].研究Pn波速度结构对于了解地震发生的构造环境和活动地块的划分有重要的意义.汪素云、裴顺平等先后利用 Pn 波走时资料反演了中国大陆的上地幔速度结构^{[28, 29, 31, 32]}，黄金莉等利用Pn波到时资料反演了川滇地区上地幔速度结构^[33]，Liang等用Pn 波成像研究了西藏块体东部和北部的速度结构^[34]，崔仲雄等用Pn波反演了青藏高原东构造结及周边地区上地幔顶部速度结构^[2]，他们的研究区域均覆盖了本文的研究范围.胥颐等反演了龙门山地区的Pn 波速度结构^[35]，其研究区是本文研究范围的一部分.

上述研究工作给出了包含川滇地区在内的中国大陆上地幔顶部P 波速度结构的主体特征图像，使我们认识到Pn波速度与现代构造活动及地热活动存在较明显的关联.整体上新构造活动强烈、有火山活动、大地热流值高的地区，Pn 速度偏低.反之，构造活动弱、大地热流值低的地区Pn速度偏高^[28~36].由于受当时台网分布的约束，加之资料采集时间相对较短，上述工作给出的速度分辨率部分达到1.5°×1.5°，多数只达到3°×3°，这已经超过了7级强震震源体的尺度，使我们对强震活动与构造关系缺乏更细致的认识.虽然Liang等^[34]和胥颐等^[35]给出了分辨尺度为0.5°的结果，但并不足以说明利用Pn 波资料能够获取0.5°分辨率的成像结果.此外，胥颐等^[35]给出的龙门山断裂附近的Pn波各向异性快波方向与黄金莉^[33]、裴顺平^{[31, 32]}等的研究结果存在明显差异，给解释该地区的各向异性成因带来困扰，有必要作进一步的细致研究.

本文充分利用川滇地区已经初步建成的有一定密集程度的地震观测台网给出的观测报告，以更丰富的观测资料反演得出全区域1°×1°分辨率，在区域中心射线密集处可达0.5°×0.5°分辨率的速度结构，并和地震活动性、地壳厚度、活动构造等进行了对比分析，在进一步证实前人研究成果的同时，给出了更高分辨率的研究结果，以对强震的深部构造环境有更细致的认识.

研究区域位于95.5°E~107°E、21°N~34.5°N之间，区域内分布有整个川滇菱形块体、甘青块体南部、三江褶皱区等构造.研究区内的主要地质构造和活动断裂见图 1.本文收集了ISC(1964~2006 年)的地震观测报告、国家地震台网(1985~2009年)以及云南(1987~2009年)、四川(1990~2008 年)、重庆(2002~2008 年)三个省级地震台网的地震观测报告，从中选取地震的震源参数和台站的Pn波到时记录.其中包括不同时期布设的各类观测台站.挑选Pn波数据的标准是:(1)震中距大于1.6°，小于12°；(2)震源深度小于50km；(3)每个地震有4 个以上台站同时观测到Pn波；(4)每个台站有5个以上的Pn波记录；(5)相对上地幔顶部P波速度8.0km/s的折合走时在2~13s之间，Pn走时残差在-4.5~4.5s之间(图 2)；(6)去除地震丛集^[36]，分组距离为4km.按此标准挑选出了6578 个地震事件，共计53673条到时记录，347个台站满足条件.图 3 所示研究区的Pn波射线覆盖图以及满足条件的地震事件震中和地震台站分布图表明，整个研究区域均有较好的射线覆盖.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区主要构造及强震震中分布 图中黑圆点为地名标识，红色实心箭头表示区域主动力作用方向，红色空心箭头表示区域被动力作用方向，粉色实心箭头表示块体相对运动方向，红色曲线标识的是活动断裂:F1 龙门山断裂，F2 鲜水河断裂，F3 则木河断裂，F4 安宁河断裂，F5 小江断裂，F6 小金河断裂，F7 红河断裂，F8 金沙江断裂，F9澜沧江断裂，F10 怒江断裂，F11 甘孜-玉树断裂，F12 主峰断裂，F13 嘉黎断裂.图中白色圆圈标识的是研究区内1500年以来大于7级的地震，断层数据引自Mapsis. Fig. 1 The main tectonic blocks and epicenters in the present study areas The black dots show the geographical names.The solid red arrows denote directions of tectonic forces.The hollow red arrows denote the directions of tectonic passive forces.The solid pink arrows denote the relative motion directions of active tectonic blocks.The thick red curved lines show the large active faults : F1，Longmenshan Fault ； F2，Xianshuihe Fault ； F3，Zemuhe Fault； F4 ，Anninghe Fault； F5，Xiaojiang Fault； F6，Xiaojinhe Fault；F7，Red River Fault； F8，Jinsha River Fault； F9，Lancang River Fault；F10，Nujiang Fault；F11 ，Garze-Yushu Fault； F12，Zhufeng Fault； F13，Jiaii Fault.The open circles denote ^rge earthquakes with magnitudes equal to or greater than M7.0 that occurred since 1500.The fault data obtained from Mapsis software.

图 2

Fig. 2

图 2 Pn走时数据选取窗中及反演前后走时残差变化图 (a)相对8.0km/s的平均视速度得到的初始走时残差分布；(b)反演前的走时残差分布；(c)反演后的走时残差分布. Fig. 2 Initial travel time residuals relative to a straight-line fit with apparent velocity of 8.O km/s (a) and travel time residuals variations before and after inversion (b) and (c)

图 3

Fig. 3

图 3 Pn波射线路径及台站(红色三角)、地震(白色小圆圈)分布 图中红色矩形框标识的是研究区域. Fig. 3 Pn raypaths of the data set and distribution of earthquakes (white circles) and stations (red triangles) The red rectangle indicates the interest region

根据Hearn^[37~39]提出的方法，在反演Pn 波速度时引入了各向异性参数.初始速度结构模型如下:单层水平地壳的P波平均速度取6.0km/s；根据拟合Pn走时曲线的结果，研究区的地壳平均厚度取50km；通过迭代计算得出研究区的Pn波平均速度为8.0km/s.与Crust2.0 计算出的研究区平均一维速度结构比较，基本相符，说明我们构造的初始模型是合理的.研究地区虽然地表地形起伏大，地壳厚度相差明显，但因采用的是时间项方法，而时间项的优点在于可以避开地壳结构对所求莫霍面波速的影响^[29]，所以无须考虑莫霍面起伏.

假定沿莫霍面传播的Pn波速度是本区的平均速度加上一随空间变化的速度扰动，每一地点的波速又由一各向同性成分加上一个随方位以2Φ 变化(Backus, 1965)的各向异性扰动组成.将研究区上地幔顶层分成若干0.5°×0.5°的网格.第i个台站记录到第j次地震的Pn 走时残差t_ij(观测走时与由初始模型计算的理论走时之差)可用如下方程表达:

(1)

式中，a_i是第i个台站的走时延迟，b_j是第j次地震的走时延迟，d_ijk是第j次地震到第i个台站的射线通过第k个网格的长度，s_k是第k个网格的慢度扰动，A_k、B_k是第k个速度网格的各向异性系数，Φ 是台站相对于震中的方位角.

波速各向异性的大小为，波速最快方向方位角为1/2arctan(B_k/A_k)+90°^[31].由走时方程构成的方程组是未知量a_i，b_j，s_k，A_k，B_k的线性方程组.反演采用阻尼最小二乘算法.鉴于数据随机误差和射线分布不均有可能导致反演不稳定并产生不合理的局部异常值，在求解过程中加入了平滑约束.平滑后的解保留了大尺度的速度变化，而较小的局部异常则被忽略.为了使选取的解既能反映地质构造的基本特征又能压制不必要的干扰，利用不同的阻尼系数和平滑因子进行对比计算.对于本研究所给出的结果，两个阻尼因子皆取为500，计算的迭代次数为50.反演后走时残差标准差由反演前的2.893s降到1.239s, Pn速度横向变化和各向异性吸收了1.65s的走时残差.图 2b和图 2c分别为反演前和反演后的走时残差变化情况，根据残差的收敛程度可见反演后的Pn波速度模型与实际的地震数据比较吻合.

利用检测板测试方法对现有数据的分辨能力进行检测.检测板测试就是给定理论速度模型，按照实际的射线分布计算理论走时，再以随机误差调制后当作观测走时，然后用同样的方法和控制参数(阻尼系数、网格大小等)进行反演，看反演结果能否恢复给定的理论模型^[29].图 4a给出了反演速度模型的结果，设定的初始速度模型是以±0.5km/s为幅值，以1°为半周期按正弦规律变化的标准模型.结果表明，速度的变化恢复得很好，恢复后的速度变化范围是-0.34~0.32km/s.当网格尺寸为0.5°×0.5°时(图 4c)，在射线最密集的研究区中心能较好地恢复，其分辨率明显高于先前研究者的反演结果^{[31~34, 36]}.研究中还利用50次bootstrap方法计算估计了解的误差^[37]，整个区域内速度误差的变化范围为0.0002~0.07km/s, 较小的速度误差说明本项研究得到的结果是可靠的.图 4a显示出大部分地区速度分辨率能通过1°×1°的检测；区域中心可以通过0.5°×0.5°的检测(图 4c)；各向异性分辨率能通过1°×1°的检测(图 4b).由于研究区西北角、东南角及西南角边缘射线覆盖较稀，检测恢复较差，这意味着我们的Pn波成像结果在这些地区可信度相对较低.图 4c的检测图像进一步说明在射线覆盖足够密集的区域，利用Pn波走时资料是可以得到0.5°分辨尺度的速度横向变化成像结果的.

图 4

Fig. 4

图 4 (a)Pn速度的检测板测试结果1°×1°；(b)Pn各向异性的检测板测试结果1°×1°；(c)Pn速度的检测板测试结果0.5°×0.5° 图中黑色曲线表示大的活动断层，断层数据引自Mapsis软件. Fig. 4 Checkerboard tests for Pn velocity with resolutions of (a) 1°×1° and (c) 0.5°×0.5° for Pn anisotropy resolutions of (b)1°×1° The thick black curved lines show the large active faults, the fault data obtained from Mapsis software.

Pn波速度横向变化一般认为和物质成分、压强、水和挥发物含量等的变化有关，但主要受温度影响较大^[40~42].图 5给出了Pn波速度横向变化图像，图中用颜色的变化表示速度的变化，红色代表低速异常，蓝色表示高速异常.相对于平均速度8.0km/s, 扰动量为-3%~4.1%，Pn波速度从7.76~8.33km/s变化.由该反演结果可以看到:Pn 波速度分布与现代构造活动有明显的相关性，四川盆地为代表的扬子地台稳定地块Pn波速度是明显的高速异常；Pn波速度大于8.2km/s, 最高达8.33km/s.Pn波速度横向变化图还同时显现了甘孜、嵩明、西和等次级高速异常区.位于研究区西北边缘的甘孜和东北角的西和分辨较差(图 4a)，故其具有较大的不确定性，尤其是甘孜的高速异常，在以往大尺度和小尺度的同类研究中均未发现.而且这几处高速异常区也分别与甘孜盆地、嵩明盆地和西礼盆地对应，可能是这些盆地下Pn 波传播速度的真实反映.说明这些盆地地区上地幔顶部温度低于周边山地区域，块体相对稳定.图 5中表现出的北起若尔盖，南至思茅，沿松潘-康定-西昌-攀枝花-楚雄-思茅的北南向Pn波速度低速带较好地反映了扬子地台与昆仑三江褶皱系之间的块体分界^[43]，说明该边界已切割 Moho面.雷建设等^{[14, 15]}利用近震资料反演龙门山断裂带地壳精细结构的研究中也得出了龙门山断裂以西地区在下地壳表现为明显低速异常的结论.并指出该低速带可能暗示了龙门山断裂带剪切至上地幔.此北南向Pn 波速度低速带还与狭义的南北地震带相吻合，这说明上地幔顶部的流变性对构造应力的传递起着重要作用；同时南端普洱地区的低速可能与缅甸弧的弧后扩张造成的热物质上涌有关^[2].四川盆地与松潘-康定块体间明显的速度差异与王椿镛等^[44]所做的巴塘至资中地震测深剖面结果一致.腾冲火山区向西北至西藏察隅表现出的低速异常区，可能与该区的火山活动、存在幔源物质岩浆囊有关，这点已被雷建设等^[13]利用远震资料得出的层析成像结果证实.低速异常与该区域较高的上地幔热流值相对应.相对全球大陆地区28mW/m²的平均地幔热流值，汪缉安^[45]、苏有锦^[46]等曾给出腾冲块体有超过53.1 mW/m² 地幔热流值；周真恒等^[47]的研究也指出腾冲地区的平均地幔热流值超过56.4mW/m².同时，该区域的低速异常可能还反映了印度板块由南向北的强烈推挤的影响.

图 5

Fig. 5

图 5 Pn 波速度横向变化 Pn波平均速度为8.0km/s, 图中红色表示低速，蓝色表示高速，细实线标识断层，断层数据引自Mapsis软件，白色圆圈标识的是1900年以来大于6级的地震事件，黑色圆点标识地名. Fig. 5 Pn velocity lateral variations Red corresponds to low velocity and blue to high velocity.The average Pn velocity is 8.0 km/s.The black dots show the geographical names.The thin lines denote active faults, the fault data obtained from Mapsis software.The open circles denote large earthquakes with magnitudes equal to or greater than M6.0 that occurred since 1900.

从研究区1900年以来大于6级的强震分布来看(图 5)，大多数的地震均发生在Pn波速度的低值异常区或低速异常区边界，这可能与这些区域更利于地下能量的传递相关.从活动断裂与速度分布的对比中可以得出这样的结论:在以走滑性质为主的断裂两侧，其 Pn波速度没有明显差别(如鲜水河断裂).而在具有倾滑性质的逆冲断层两层，Pn波速度则表现出强烈差异(如龙门山断裂).这从另一方面也说明走滑断裂两侧地壳与Moho面性质基本是连续的，因此断裂两侧Pn波速没有明显变化；而倾滑断裂两侧块体物性存在显著变化，底下Moho面性质不连续，造成Pn波速度沿断裂出现明显的高低速分界带.

上地幔顶部Pn波速度的各向异性图像反映了地幔变形过程遗留下的痕迹.图 6展现了Pn波快波方向分布图像.图中短实线的长度表示各向异性的强弱，短实线的走向表示快波方向.由图可以看出Pn波各向异性的快波方向与青藏高原物质向东南方向流动的大体趋势除龙门山地区外是基本吻合的，与王琪等根据 GPS观测资料研究给出的该地区的地壳运动方向^[48]和常利军^[18~20]、李白基等^[16]利用SKS波分裂给出的各向异性进行对比，除龙门山断裂所处区域存在明显差异外，其余研究区域表现出较好的一致性.关于龙门山地区的Pn 波各向异性的快波方向研究，黄金莉^[33]、 Liang^[36]、裴顺平^[31]、崔仲雄等^[2]与胥颐^[35]的结果有较大差异.胥颐^[35]的结果显示龙门山地区的Pn波各向异性的快波方向为东南，与该地区青藏高原物质向东南方向流动的趋势相吻合，没有显示出与龙门山断裂带(西南走向)的关系，因而认定该断裂的剪切作用仅限于地壳内部.而黄金莉^[33]、裴顺平^[31]和崔仲雄等^[2]的结果显示出龙门山地区的Pn波各向异性的快波方向为西南，与我们的结果有一致性，意味着龙门山断裂的剪切是深入至上地幔的，因而导致Pn波快波方向平行于断裂带走向.

图 6

Fig. 6

图 6 Pn波速度各向异性 图中黑色短线长度表示各向异性大小，短线方向表示各向异性快波方向，蓝色短线为SKS快波方向[19, 20]，粉色箭头表示地壳运动方向[48]，白色圆圈标识的是研究区内1500年以来大于7级的地震事件，黄色椭圆A 标识的是龙门山地区. Fig. 6 Tomographic image of Pn velocity anisotropy Black line segments are drawn parallel to the direction of fast Pn velocity, with their length proportional to the magnitude of anisotropy.The blue line indicates SKS fast direction[19, 20].Pink arrows represent crustal movement directions of active blocks from GPS[48].The open circles denote large earthquakes with magnitudes equal to or greater than M7.0 that occurred since 1500.The Longmenshan Region is marked with yellow ellipse and labeled as A.

显然弄清该地区各向异性的快波方向对认识龙门山断裂带是否切割Moho面，进而认清龙门山8级震源区深部构造特征是至关重要的.

为了进一步认证我们结果的可靠性，我们绘出了龙门山地区(图 6中的A区)Pn波视速度随方位角的变化图(图 7)进行验证.验证区范围为101.5°E~104.5°E，30°N~33°N，地震和台站都在A 区的射线共有918条.将每条射线的视速度按方位角排列，就可获得视速度玫瑰花瓣图(图 7a)，图中的粗线为相邻10 点平均的结果.图 7b是视速度随方位变化的另外一种表达方式，将视速度按方位角进行平均，10°为间隔，图中数据点是每个间隔的平均值，曲线是用180°为周期的正弦曲线拟合的结果.从图中可以看出，Pn波视速度的快波方位角大约在195°~252°范围，这与反演获得的该区Pn波快波方向整体上为西南向(图 6)一致.说明我们得出的各向异性反演结果是可靠的.

图 7

Fig. 7

图 7 龙门山地区Pn视速度各向异性 (a)Pn视速度扰动的玫瑰花瓣图，黑色粗线表示相邻10点的Pn视速度平均值；(b)Pn视速度随方位角分布，数据点表示每10°的平均速度，粗实曲线表示正弦拟合趋势. Fig. 7 Anisotropy of apparent Pn velocity beneath the Longmenshan regions (a) Rose-lobe diagram of Pn apparent velocity in the Longmenshan regions.The black thick line in the rose-lobe diagram represents smoothed Pn apparent velocity obtained by averaging the adjacent 10 points.(b) Pn apparent velocity perturbation varying with azimuth.The data points represent average velocity perturbation every 10 degrees, and the thick solid curve is the sinusoidal trend line.

研究区内共有253个台站满足记录到5条以上 Pn震相的条件，其中有147 个台站接收到超过20条的Pn波记录，重庆台记录到的Pn最多，有1044条记录.台站延迟从-2.92s至+1.73s变化，主要反映了台站下面的地壳厚度和速度的变化延迟.图 8所示为台站走时延迟，负延迟表示该点地壳厚度小于模型所用平均厚度50km, 正延迟表示该点地壳厚度大于模型所用平均厚度50km.台站延迟在25°N 以南和四川盆地主体表现为负延迟，通过与Moho面等深线对比，延迟情况较好地反映了研究区的莫霍面深度情况.

图 8

Fig. 8

图 8 台站延迟分布图 红色表示负延迟，蓝色表示正延迟.黑色十字表示台站，细实线表示Moho面等深线，数字标识Moho面深度. Fig. 8 Station delays (seconds) for Pn traveltimes Black crosses represent stations.Red corresponds to negative delays and blue to positive delays.The thin curve represent Moho depth contour, number denotes depth value.

本文利用Pn波层析成像技术得到川滇地区的 Pn速度结构和各向异性.与区域构造特征、GPS运动速度方向、SKS 快波方向等进行对比，得到以下几点认识:

(1) 研究区的Pn波速度与地质构造吻合较好，在地质构造稳定的地块和盆地(如四川盆地)，Pn波速度高；在构造活动强烈的地区和高大地热流值地区(如腾冲火山区)是低速异常.沿若尔盖-松潘-康定-西昌构造带往南至康滇古隆起南端的楚雄再往南一直到思茅呈现的北南向低速带较好地反映了扬子地台与昆仑三江褶皱系之间的块体分界，说明该边界已切割Moho面，与狭义的南北向地震条带吻合，可能与攀西古裂谷的残余以及缅甸弧的弧后扩张造成的热物质上涌有关，说明上地幔顶部的流变性对构造应力的传递起着重要作用.腾冲火山区表现的低速异常区可能与该区的火山活动、存在岩浆囊有关，还可能与板块俯冲引起的板块脱水和热物质上涌有关，进一步证实了腾冲火山区丰富的地热资源是幔源的.

(2) 在除龙门山地区外的区域，Pn 波各向异性的快波方向与青藏高原物质向东南方向流动的大体趋势基本吻合.Pn波快波方向、SKS快波方向、地壳运动方向(GPS)基本一致，说明Pn波各向异性主体表现受各块体的绝对运动影响更大，各向异性主要是由板块运动造成的软流圈变形引起.龙门山地区的快波方向与川青块体绝对运动方向不一致，而基本沿龙门山断裂走向，说明龙门山地区的受力特征以纯剪切变形为主，同时表明龙门山断层可能已切割到Moho面，该地区的各向异性更可能是岩石圈变形引起的.

(3) 不同性质断裂两侧的Pn 波速度分布表现也不同，走滑断裂两侧基本连续的地壳和Moho面使得断裂两侧Pn 波速度分布基本无明显变化，倾滑断裂两侧块体不同的物性和非连续Moho面造成断裂两侧Pn波速度分布变化较大.

(4) Pn波成像结果的分辨率与台站、地震事件分布有直接关系.当Pn波射线覆盖足够密集时，利用Pn波走时资料是可以得到0.5°分辨尺度的速度横向变化成像结果的.

裴顺平副研究员、胥颐副研究员的建设性意见对本工作的顺利完成起到了重要帮助.两位匿名审稿专家快速地对本文提出了明确的修改意见.四川省地震局戴仕贵和田玉萍为本研究提供了四川省的台网数据.