地球物理学报  2011, Vol. 54 Issue (8): 2034-2041   PDF    
新疆和周边地区地壳厚度和Vp/Vs比值变化的接收函数约束
刘文学1,2, 刘贵忠1, 周刚2, 李欣2, 张慧民2, 徐恒垒2     
1. 西安交通大学,西安 710049;
2. 西北核技术研究所, 西安 710024
摘要: 我们用修订后的接收函数H-κ叠加算法估计了新疆和周边地区90个地震台站下的地壳厚度和波速比Vp/Vs.该地区平均地壳厚度约为52 km,变化范围约为33~79 km.最厚地壳位于西昆仑山的TAG台站,最薄地壳在塔拉斯—费尔干那断层附近的NRN台站.对每个台站的点地壳厚度估计结果进行了线性各向同性变差模型的标准克里金空间插值,得到了新疆和周边地区0.1°×0.1°分辨率的地壳厚度横向变化图像.该图像显示研究区域地壳厚度变化和地表地形有很强的相关性,即盆地比周围造山带地壳厚度薄,显示该地区莫霍面由盆地向两侧造山带倾斜的特征.波速比估计的结果范围为1.61~1.89,平均值为1.76.波速比复杂的变化说明地壳内物质成分构成的复杂性,这种复杂性可能由于地幔物质随着构造活动上涌侵入地壳内部所致,同时地幔物质的底侵可能对该地区地壳增厚有贡献.
关键词: 新疆和周边地区      接收函数      地壳厚度      波速比      H-κ叠加     
Crustal thickness and Vp/Vs ratio variations of Xinjiang and surrounding regions constrained by receiver function stacking
LIU Wen-Xue1,2, LIU Gui-Zhong1, ZHOU Gang2, LI Xin2, ZHANG Hui-Min2, XU Heng-Lei2     
1. Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049,China;
2. Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi'an 710024,China
Abstract: We have estimated crustal thicknesses and Vp/Vs ratios under 90 seismic stations in Xinjiang and its surrounding regions. The technique we used is the modified H-κ stacking method. The average crustal thickness in this region is about 52 km. The crustal thicknesses range from about 33 km to 79 km. The thickest crust is under TAG station, which is situated in the West Kunlun mountains. On the other hand, the thinnest crust is under NRN station, which is near the Talas-Fergana fault. In order to get the map of the crustal thickness variations, the crustal thicknesses under all stations were gridded with standard Kriging technique for a linear isotropic variogram model. The resolution of the gridded map is 0.1°×0.1°, and the map shows strong correlations to the surface topography. The crustal thicknesses under the basin regions are thinner than that under orogenic regions. This implies that the Moho under the basins dip into the orogenic belt. The Vp/Vs ratios range from 1.61 to 1.89, with the average value of 1.76. The complex variation of Vp/Vs ratios characterizes the complex crustal composition of this region. The complex composition of the crust is probably caused by the mantle upwelling. This complexity also implies that underplating may be one of the reasons of the crustal thickening in the study area.
Key words: Xinjiang and its surrounding regions      Receiver function      Crustal thickness      Vp/Vs ratio      H-κ stacking     
1 引言

新疆和周边地区的地质构造十分复杂,由北向南依次分布着阿尔泰山、准噶尔盆地、天山山脉、塔里木盆地和昆仑山脉,形成三山夹两盆的独特地貌.在其东南面为阿尔金山,西北面为哈萨克地台,西南和东北分别是帕米尔高原和西伯利亚地台,见图 1.这种复杂的地表地貌特征预示着这一地区地球深部复杂的构造特征和强烈的构造活动.莫霍面的厚度对研究地表地形的起伏和大陆内部的构造活动有重要的作用,而地壳的Vp/Vs 则可以对壳内岩石的主要构成作大致的推断.

图 1 研究区域 图中表示出了地形、主要地质构造单元和地震台站分布,其中三角形表示地震台站,黑色线表示主要的断裂带或者断层. Fig. 1 Study area The topography.tectonic blocks and faults are illustrated.The seismic stations are represented by triangles, and the faults are represented by black lines.

莫霍面是地球内部最早发现和最主要的地质间断面,它把地壳岩石和其下高密度岩石圈地幔分割开来.地壳的厚度在大陆上变化很大,最厚的地壳在诸如青藏高原这样的地方可达80km, 大约是平均陆壳厚度35~40km 的一倍[1].根据大地测深和地震资料的分析,新疆和周边地区地壳厚度的变化范围达到20~30km[2~6].由于新疆和周边地区独特的构造特征,人们对该地区的地壳上地幔结构采用不同的技术手段进行了广泛的研究.

根据横跨新疆不同构造块体的多条人工地学断面,研究人员对该地区不同构造块体包括地壳厚度在内的地壳上地幔结构和它们的接触关系作了详细研究[2~47~12].利用新疆和周围地区流动和固定地震台站记录的地震波走时层析成像技术,研究了中国境内天山的地壳上地幔速度结构[13]以及天山帕米尔接合带的地壳速度结构[14],利用面波频散分析了天山和青藏高原不同路径上的S 波速度结构[15~19].接收函数技术也应用到了新疆和周围地区地球深部结构的研究中,并且获得了十分有启发的结果[1220~25].上述研究主要集中在对该地区地壳上地幔速度结构的刻画,然后根据地球深部速度结构的分布来说明地壳厚度在该区域的变化.

接收函数利用地球深部间断面转换波的信息来研究地壳上地幔结构,它除了可以反演地壳上地幔的速度结构外,还可以依据转换震相和直达P 波之间的到时差直接对间断面的深度和地壳内平均的泊松比或者Vp/Vs 进行估计.Zhu等[26]发展了一种利用接收函数中莫霍面转换波和多次波信息的H-κ叠加技术来估计地壳厚度和地壳内平均的纵横波速比.该技术避免了接收函数技术中莫霍面深度和波速之间的折中,提高了地壳厚度和波速比估计的准确性.新疆和周围地区高质量的三分向宽频带地震台站不断增加(见图 1),产出的数据质量也不断提高,为更全面准确直接地估计该区域地壳厚度和波速比提供了条件.本文中我们依据该地区分布的 IRIS不同项目下和新疆数字台网共90个宽频带台站的数据,利用接收函数的H-κ 叠加技术,对新疆和周围地区的地壳厚度和波速比进行了估计.

2 数据和方法

在新疆及周围地区的地震台站有新疆数字地震台网、KN 台网、KZ 台网和CHENGIS 台网(见图 1),其中CHENGIS台网为运行了18个月的流动观测台网.我们采用的数据包括新疆台网2008年2月至2009年4月的地震波形,KN 和KZ台网1999年至2004年地震波形和CHENGIS台网运行其间的波形.对上述台网中的每一个台站,我们挑选三分向记录完整、P波信噪比好、震中距为30°~ 90°的远震事件波形.随后对每个台站的三分向记录进行坐标旋转,使得水平分向由南北和东西向旋转为径向和切向.旋转后P波波形利用时域迭代去卷积算法[27]进行接收函数计算.计算结果中只保留对径向P 波波形拟合度大于80%的接收函数,最后再对这些接收函数进行目视检查,剔出其中计算效果较差的.这样处理后的730多个事件的分布如图 2所示.

图 2 用于接收函数计算的事件相对于台站的分布 图中三角形表示所有台站的平均位置,两个圆圈表示距台站的距离为30°和90° Fig. 2 The teleseismic events for receiver function calculation The triangle in figure represents the average position of all stations.The ranges from the two circles to the stations are 30° and 90°,respectively.

本文利用Zhu等[26]提出的H-κ 叠加算法来估计地震台站下的地壳厚度和波速比,这种方法可用公式表示为:

(1)

这里ri(t)为第i个事件的径向接收函数,tj(Hκ),j=1,2,3为接收函数Ps、PpPs和PsPs+PpSs震相的理论到时,w1w2w3 为对不同震相施加的权函数,且.由于Ps和PpPs震相幅值为正,PsPs+PpSs震相幅值为负,所以w1w2取正,w3 取负.为了压制接收函数中噪声的影响,Eaton等[28]对叠加算法作了修订,引入一个用公式(2)表示的“相似因子"参数:

(2)

理论上该参数对不相干的噪声取0,而对相干的信号取1,因此它可以压制噪声而增强信号.引入该参数后叠加函数修订为公式(3):

(3)

本文我们采用修订后的叠加方案估计地壳厚度和波速比.而对误差的估计仍然采用Zhu等提出的方法[26].

3 结果和讨论

根据修订的H-κ 叠加算法公式(2)和公式(3),我们估计了新疆和周围地区90 个地震台站下的地壳厚度和Vp/Vs.在进行叠加运算时,参考P波速度取crust2.0模型中每个台站下的平均P波速度,三个权重值w1w2w3 分别取0.7、0.2和0.1,这样得到的每个台站的H-κ 图像中极值点对应的Hκ即为该台站下的地壳厚度和波速比值.如果图像中没有全局极值点,我们取波速比κ=1.73,然后由Ps和P的到时差计算地壳厚度.地壳厚度和波速比误差由Zhu等[26]提出的方法给出.图 3是我们利用修订后的H-κ 叠加算法对WMQ 台站下地壳厚度和波速比的估计结果.

图 3 WMQ台站接收函数和相应的Hi叠加结果 (a)接收函数的射线参数p剖面;(b) 叠加结果. Fig. 3 H-κ stacking result for seismic station WMQ The subfigure (a) is the receiver function profile for ray parameters, and the subfigure (b) is the H-κ stacking results.

我们得到的新疆和周围地区90个地震台站下地壳厚度和波速比的估计结果如表 1 所示,同时把地壳厚度结果按照台站的位置表示于图 4.

图 4 90个地震台站下地壳厚度图 Fig. 4 Crustal thicknesses for 90 seismic stations
表 1 新疆和周围地区90个地震台站估计结果 Table 1 The H-k results for 90 seismic stations

表 1图 4可以看到,我们得到的新疆和周边地区地壳厚度范围为33~79km, 平均的地壳厚度为52km, 在塔里木盆地和西昆仑接合处有YJS、 YCH、TZ1、HTA、YJB和YUT6个台站,这些台站下的地壳厚度为52~59km, 平均地壳厚度56km, 和高锐等[23]根据人工地学断面得到的57~60km结果相当,由此再向西南到帕米尔高原台站TAG下地壳厚度加深到约79km, 显示从塔里木盆地向西向南莫霍面下倾的趋势,这和有关的研究结果一致[238].塔里木盆地东南的两个台站QMO 和 RUQ 下地壳厚度分别为43km 和49km, 和姜枚等[24]的结果相当.从图 4中我们注意到塔里木盆地北缘与天山接合处台站下地壳厚度为50km 左右,与米宁等[23]的接收函数反演结果相当.在天山造山带内部台站下的地壳厚度大部分超过50km, 在50~65km之间.天山山脉和准噶尔盆地接触带台站下的地壳厚度在55~65km 之间,而Wang等[11]由人工地震得到的结果则为50~55 km.Bump等[29]利用接收函数波形拟合的方法研究了KNET台网6个台站下的地壳厚度,作为比较,和我们的结果对比列于表 2中.从表中可以观察到基本一致的估计结果.

表 2 本文地壳厚度与Bump等[29]的结果比较 Table 2 Crustal comparison with Bump at al[29]

为了更清楚地看出新疆及周边地区地壳厚度的变化模式,我们利用线性各向同性变差模型的标准克里金空间插值方法[30]对地壳厚度进行空间插值,插值的网格点间隔取0.1°×0.1°,得到的结果如图 5d所示.从该图可以看到地壳厚度与地表地形高程有一定的相关性(和图 1 比较).即在塔里木盆地和准噶尔盆地的地壳厚度较薄,大致在40km 左右,由盆地向周围山区过渡,地壳逐渐加厚,最厚处位于西昆仑山.地壳厚度的这种模式,显示盆地莫霍面向周围山区倾斜的特征.为了进一步说明我们的结果,通过相同的空间插值算法,我们得到了crust2.0[31]模型,克罗拉多大学Shapiro等由面波反演得到的 CUB模型[32]和麻省理工大学Sun等由走时层析成像得到的模型[33]的地壳厚度,它们和我们得到的结果对比表示于图 5.

图 5 不同研究机构的地壳厚度比较 (a) crust 2.0模型地壳厚度[31];(b) CUB模型地壳厚度[32];(c) MIT模型的地壳厚度[33];(d)本文的模型结果. Fig. 5 Crustal thicknesses comparison with other results Crustal thicknesses from different models: (a) crust 2.0[31] ; (b)CUB model[32] ; (c) MIT model[33] ; (d) Model in this paper.

从图中注意到这些模型的地壳厚度在盆地地区的结果基本相当,但是在我们的估计结果中由于塔里木盆地内部没有台站分布,插值结果的可靠性需要说明,为此我们比较了熊小松等[34]的研究结果,注意到本文插值得到的塔里木盆地内部地壳厚度分布和熊小松等[34]由深地震探测、深地震反射和宽频带地震观测得到的结果基本一致,即塔里木盆地内部地壳厚度在40~50km之间.这可能是由于塔里木盆地本身是一个稳定的地块,其内部地壳厚度变化不大,可以较好地由盆地周边台站的地壳厚度约束.从图 5可以看到几个模型山区和盆山接合处有一定差别.在西南方向塔里木和西昆仑接合部基本一致.在80°E 以西的西天山地区和准噶尔与阿尔泰山接合处,我们的结果和CUB 模型基本一致.在80°E 以东天山地区,我们的结果和crust2.0模型地壳厚度的趋势相同,但是我们的结果比crust2.0要厚约5km左右.差别比较大的地区是塔里木盆地东南和阿尔金山接合处的地区,在这里我们的结果2038显示地壳厚度为45~52km 左右,其他三个模型在这里的结果基本一致,大约为55~60km, 但是我们的结果和熊小松等[34]的结果一致.

图 6是90个地震台站下地壳内平均Vp/Vs 的估计结果和插值图像.90个地震台站下波速比Vp/Vs 的变化范围为1.61~1.89,平均值为1.76.比较图 6b波速比图像和图 5d地壳厚度图像,可以看到盆地地区和塔里木盆地南缘周围地区波速比和地壳厚度有反相关关系,而天山山脉和阿尔泰山则在某种程度上呈现正相关关系.由地壳内平均波速比复杂的变化特征可以说明研究区域内复杂的构造活动.这些构造活动不仅有地壳间的“层间插入消减"[35],可能还包括地幔或者地球更深部物质的上涌,造成地壳内部复杂的构成成分,使得波速比呈现复杂的模式.

图 6 90个地震台站下的波速比和插值结果 (a)单个台站的结果;(b)插值结果. Fig. 6 The Vp/Vs ratios for 90 seismic stations The subfigure (a) is Vp/Vs for individual stations, and subfigure (b) is the interpolated results.
4 结论

新疆和周边地区是一个构造活动活跃的地区,印度板块和欧亚板块的碰撞,不仅造成了青藏高原的快速隆升和地壳增厚,而且其远距离效应使得远在亚洲腹地的天山山脉隆升和地壳增厚,这里的山脉隆升和地壳增厚几乎调节了板块运动的1/4[36].新疆和周边地区地壳厚度和波速比估计结果显示了该地区地壳构造的复杂性.我们的地壳厚度估计结果和地表的地质特征有很强的相关性,即盆地地区地壳厚度较薄,盆地周围山脉地区地壳较厚.地壳厚度的这种变化模式说明盆地作为相对稳定的构造块体,在板块相互挤压作用下整体向两侧俯冲到造山带地壳之下,造成莫霍面由盆地向两侧造山带倾斜的特点.

波速比变化模式的复杂性说明新疆和周边地区在活跃的构造作用下,不仅造成地壳内部相互间的插入消减,而且不排除地幔物质的上涌侵入地壳内部,造成地壳内物质构成成分的复杂化,使得波速比的变化呈现复杂的模式.地壳内物质成分的复杂构成从另一个方面说明该地区地壳增厚除了地壳缩短之外,还可能有地幔物质底侵的贡献[37].

致谢

新疆地震局提供了新疆地震台网部分台站的数据.本文数据预处理采用SAC 软件完成,接收函数计算采用了CPS软件包中时域迭代算法程序.本文的所有图件采用GMT 作图工具完成.

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