地球物理学报  2012, Vol. 55 Issue (1): 95-104   PDF    
基于地壳介质各向异性分析青藏高原东北缘构造应力特征
张辉1,3, 高原2 , 石玉涛2, 刘小凤1, 王熠熙1     
1. 中国地震局兰州地震研究所, 兰州 730000;
2. 中国地震局地震预测研究所, 北京 100036;
3. 地球物理国家野外科学观测研究站, 兰州 730000
摘要: 青藏高原东北缘由于受到多个构造块体的共同约束,表现出复杂的地球物理特性和地质特性,本文利用甘肃数字地震台网(2001-2008年)的观测资料,采用系统分析方法(SAM),进行地壳剪切波分裂分析,获得研究区内18个台站共1005条记录的剪切波分裂参数.研究结果表明,青藏高原东北缘介质各向异性在空间上存在差异,慢剪切波延迟时间表明了地壳介质各向异性的强弱变化特征,快剪切波平均偏振方向则反映了本区区域构造应力的空间变化特征.分析认为,祁连山-河西走廊活动构造区直接受青藏地块与阿拉善地块间相互作用,与青藏地块构造应力一致;甘东南活动构造区的应力环境主要受到内部活动断裂的共同作用,具有局部构造应力的特征.
关键词: 青藏高原东北缘      地震各向异性      剪切波分裂      构造应力     
Tectonic stress analysis based on the crustal seismic anisotropy in the northeastern margin of Tibetan plateau
ZHANG Hui1,3, GAO Yuan2, SHI Yu-Tao2, LIU Xiao-Feng1, WANG Yi-Xi1     
1. Lanzhou Institute of Seismology, China Earthquake Administration, Lanzhou 730000, China;
2. Earthquake Science Institute, China Earthquake Administration, Beijing 100036, China;
3. Lanzhou National Observatory of Geophysics, Lanzhou 730000, China
Abstract: The northeastern margin of Tibetan plateau is controlled jointly by several tectonic blocks and shows complicated geophysical and geological characters. In the paper, the data from Gansu Seismological Network (2001-2008) are analyzed with the seismic anisotropy analysis method in crust (SAM). 1005 shear-wave splitting parameters from 18 stations are obtained. The results show that the crustal seismic anisotropy in the northeastern margin of Tibetan plateau varies in space. The delay times of slow shear-waves show the variation characteristics of the strength of crustal seismic anisotropy and the average polarizations of fast shear-waves reflect the spacial variation characteristics of regional tectonic stress. It is shown that the interaction of Tibetan plateau block and Alxa block controls the region of Qilianshan-Hexi corridor active structures, where the direction of tectonic stress is the same as in Tibetan plateau block. In the southeast of Gansu active structure region, it is regarded that active faults are influential on the stress field, which shows local tectonic stress characteristics.
Key words: Northeastern margin of Tibetan plateau      Seismic anisotropy      Shear-wave splitting      Tectonic stress     
1 引 言

自20世纪60年代,Hess[1]用各向异性解释了太平洋中脊纵波速度的方位变化,为大洋脊扩张学说提供重要的地球物理证据,成为地震各向异性研究的开端.20世纪70-80 年代Crampin[2-3]发现横波分裂现象以来,地震各向异性的研究己成为理论地震学、勘探地震学、地球动力学研究以及地震灾害预测中的热点.

大量的地震学研究已经证实了在地球的不同深度范围内均存在各向异性,是地球内部普遍存在的一个物理现象[2-3],而引起地壳介质各向异性最主要的因素是地壳中存在充满液体的定向排列的EDA微裂隙[4].当剪切波穿过各向异性介质时,由于传播速度和偏振特性的不同,分裂成两列波,称为快剪切波和慢剪切波,快剪切波偏振方向与慢剪切波延迟时间则是表征剪切波分裂的两个基本参数.研究表明,快剪切波偏振的优势方向平行于定向排列的直立裂隙的走向,与区域主压应力方向一致[5-6];慢剪切波的时间延迟则反映了介质的各向异性程度,它受到介质中裂隙纵横比和裂隙密度的影响[7-9].一个地区的应力状态及应力变化会对剪切波分裂特征产生直接的影响[2, 9-11],如果得到区域剪切波的分裂特征,不仅能得到该区所受的主压应力场特征,而且还可通过慢剪切波延迟时间描述区域应力环境的动态变化特征[12-15].因此,剪切波分裂成为研究地壳介质各向异性最有效的方法之一[16-22].

青藏高原东北缘地理位置特殊,构造复杂.该地区地壳介质的各向异性,与块体的运动方式以及块体间的相互作用等科学问题密切相关,对地表运动观测结果和地壳形变的探讨具有重要的科学参考价值.本研究利用甘肃省区域数字地震台网2001-2008年的观测资料,依据剪切波分裂基本原理,采用SAM[23-26]分析方法,分析青藏高原东北缘的地壳介质各向异性,对区域应力特征展开讨论.

2 地质构造与资料分析 2.1 地质构造与地壳应力背景

青藏高原东北缘属于柴达木-祁连活动地块[27-28],是青藏高原向大陆内部扩展的前缘部位,东北部毗邻基底隆起、沉积层很薄的阿拉善地块,东部连接完整而稳定的鄂尔多斯地块(图 1).青藏高原东北缘长期受印度与欧亚板块碰撞挤压作用,晚新生代到现今的构造变形十分强烈,晚第四纪活动逆冲断裂、走滑断裂和活动褶皱遍布全区[29].该区活动断裂具有分区活动特征,第一个主体构造区为阿尔金断裂和海原-祁连断裂之间的祁连山-河西走廊活动构造区,区内断裂主要以北西西向为主;第二个主体构造区为西秦岭北缘断裂以南和东昆仑断裂东段以北的甘东南活动构造区,该区主要发育了北西西向和北东东向的弧形断裂带;陇中盆地是这两个构造区的过渡区,发育了一些中等规模的走滑或逆断裂带[30].本研究区内的地震活动十分强烈,据记载,区内发生了1654年天水8.0级、1879年武都8.0级、1920年海原8.5级和1927年古浪8.0级等4次8 级大地震(图 1),还有多次7 级以上地震发生,地震频度高、强度大,地震灾害严重.

图 1 研究区域地质构造、断层和台站分布,白色三角代表地震台站,白色箭头表示主压应力方向,浅蓝色曲线代表块体分界线 F1-榆木山断裂 Yumushan fault;F2-祁连山北缘断裂带 North margin fault of Qilian mountain;F3-龙首山南缘断裂 South margin fault of Long shou shan;F4-河西堡一四道山断裂 Hexipu-Sidaoshan fault; F5-武威一天祝断裂 Wuwei-Tianzhu fault; F6-皇城一双塔断裂 Huangcheng-Shuangta fault;F7-天桥沟一黄羊川断裂 Tianqiaogou-Huangyangchuan fault;F8-马雅雪山断裂 Mayaxueshan fault;F9-海原 断裂 Haiyuan fault;F10-庄浪河断裂 Zhuanglanghe fault;F11-马衔山断裂 Maxianshan fault;F12-六盘山东麓断裂 East Liupan shan fault; F13-西秦岭北缘断裂带 Northmargin fault zone of west Qinling; F14-临潭一宕昌断裂 Lintan-Tanchang fault; F115-礼县一罗家堡断裂 Lixian-Luojiapu fault;F16-迭部一白龙江断裂 Diebu-Bailongjiang fault; F17-徽成盆地南缘断裂 South margin fault of Huichengbasin; F18-哈南一稻畦子断裂 Hanan-Daojizi fault;F19-临江断裂 Linjiang fault;F20-热水一日月山断裂 Reshui-Riyueshan fault Fig. 1 Geological tectonics,faults and stations. White triangles are stations, white arrow is the direction of principai compressive stress, and azury curves are the block borders

根据中国大陆地壳应力场及构造运动区域特征,青藏地块的区域主压应力方向在北东20°~40°[31],中强地震震源机制资料给出的平均最大主压应力方向为41.1°[32].GPS观测获得地壳上部变形的应变场,其最大主压应变方向代表了应力场中的最大主压应力方向[33],GPS结果给出青藏地块最大主压应变方向为北东24.9°[34].这些研究表明,青藏地块的最大主压应力为北东方向.在北东向挤压应力作用下,青藏高原东北缘受到阿拉善地块和鄂尔多斯地块的阻挡,区内地壳缩短、抬升,受重力均衡作用内部物质向东流展和挤出;同时,区内由活动断裂围限的菱形块体旋转运动明显,导致本区区域应力场发生变化,由西部的北北东向,到东部的北东东向[35].

2.2 地震资料

甘肃数字地震台网自2001 年投入使用,到2008年6月升级改造,记录了大量的中小地震波形资料.本研究选取分布在青藏高原东北缘的18个地震台站,具体位置见图 1,收集并整理了甘肃地震观测报告2001-2008年的具有深度定位结果的地震数据,依据剪切波分裂分析的要求,选择了位于剪切波窗口内ML1.0 级以上的2880 个地震.最后根据波形质量,共获得用于剪切波分裂计算的1005条有效记录.

所谓剪切波分裂窗口,是指当剪切波入射角达到临界角θC =arcsin时会发生全反射现象,因此剪切波的入射角要小于临界角θC,其中VSVP分别是射线路径所经过地壳介质的S波、P 波速度.对于泊松比为0.25的地壳介质,入射角约为35°,由于低速地表沉积层的存在,实际地震射线可放宽至45°~50°[10].考虑青藏高原东北缘地区沉积层厚度的存在[36],本文选用40°为剪切波窗口进行剪切波分裂分析,研究地壳的地震各向异性.

2.3 分析方法

剪切波分裂的分析方法较多,主要分为非自动分析方法和自动分析方法[26].系统分析方法(SAM方法)[23]是在相关函数分析方法的基础上,把偏振分析方法和旋转方法结合起来的一种分析方法,避免了单一方法带来的分析误差.目前,SAM 方法[24-25]综合了计算程序自动分析与可视化测量的优点,将剪切波分裂分为三大步骤:相关函数计算、时间延迟校正和偏振分析检验,具有自我检验的特点.具体步骤如下:首先对数据进行预处理,选取直达剪切波段,依据网格搜索的原理,给定快剪切波偏振方向与慢剪切波延迟时间参数的范围,计算两水平分量的相关系数.把最大相关系数所对应的一组各向异性参数作为初始解,通过质点运动对初始解进行检验,得到最终的剪切波分裂参数值.图 2 为带通滤波后的地震波三分向记录,图 3为剪切波分裂结果校正.

图 2 带通滤波后的地震波形 发震时刻2004-11-15,13:41:53.6,JTT 记录到的ML1.8 地震波形,震源深度12km,震中距12.6km.自上而下分别为垂直向、东西向、北南向带通滤波记录;横坐标表示采样点的个数,纵坐标表示振幅count值,右上角为时间长度标尺. Fig. 2 Filtered waveform of three components Time 2004-11-15,13: 41 : 53. 6,recorded by station JTT ML1. 8, depth is 12 km,epicenter is 12. 6 km,the three filtered components from up to down are UD, EW and NS, respectively. The abscissa is the number of sampling points,the ordinate is the count value of amplitude, time scale is marked on the right corner.
图 3 剪切波分裂分析检验 (a)剪切波质点运动轨迹、NS向记录、EW 向记录;(b)慢剪切波延时校正与快剪切波偏振方向校正后的质点运动轨迹、快剪切波F、慢剪切波S;S1 与S2 分别代表快剪切波与慢剪切波,圆圈与箭头分别表示快、慢剪切波的位置.横坐标表示采样点的个数,纵坐标表示振幅count值. Fig. 3 The check of shear-wave splitting analysis Particle motion, NS and EW components of shear waves on the left, and particle motion,fast shear-wave,slow shear-wave after corrections of shear-wave splitting parameters on the right. In Fig. 3,S1 means fast shear-wave,S2 means slow shear-wave,arrows mark the position of fast and slow shear-wave. The abscissa is the number of sampling points,the ordinate is the count value of amplitude.
3 青藏高原东北缘地壳介质各向异性

特征本文采用SAM 系统分析软件对青藏高原东北缘地区的地震波形数据进行分析,得到了18个台站的剪切波分裂参数(表 1).图 4是18个台站快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图,每个台站都有足够多的有效记录样本数,最少的安宁台(ANT)11条有效记录.

表 1 青藏高原东北缘18个台站参数及剪切波分裂参数 Table 1 Stations parameters and results of shear-wave splitting of 18 in the northeastern margin of Tibetan Plateau
图 4 研究区内18个台站的单台快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图 Fig. 4 Equal-area project rose diagram of fast shear wave polarizations of each station tn research area. The bottom of the rose diagram s the station code
3.1 快剪切波偏振方向分布特征

图 5a给出了青藏高原东北缘各台站快剪切波偏振方向等面积投影结果,图 5b显示了各台站快剪切波偏振平均方向.从图中各台站快剪切波偏振方向的空间分布可以看出,沿着青藏高原东北缘自北向南,存在明显的分区特征,揭示了地壳中的地震各向异性存在差异.

图 5 研究区内18个台站快剪切波偏振方向空间分布图 (a)各台站快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图的空间分布;(b)平均剪切波偏振方向空间分布.红色为快剪切波平均方向,黑色为快剪切波第二优势方向的平均值. Fig. 5 The spatial distribution of fast shear-wave polarizations of 18 stations in research area (a) Equa--area project rose diagram of fatt shear-wave polarizations at each station ;b) Average polarization of fatt shear-wave at each station. Red shows the average polarization of fatt shear-waves and black means the average polarization of secondly main predominant direction.

图 5所示,肃南台(SNT)、山丹台(SDT)、河西堡(HXP)和红崖山(HYS)地处河西走廊.从地理位置看,河西走廊是青藏高原块体向阿拉善地块传递应力的过渡带,由于青藏高原物质从阿拉善地块东南角的持续挤入,使阿拉善地块受到了不均衡的北东向应力作用[37],导致了4个台站所受应力环境差异较大,表现在:SNT 的快剪切波偏振方向有些散乱,出现了NE 和NW 两个优势方向,其他3个台站具有较好的一致性,优势方向分别为NNE、NNE和NE,与台站附近的NW 向的断层近似垂直.据此推测,河西走廊内的地壳介质受控于青藏块体对阿拉善地块的北推应力作用,与该地区的构造应力主压应力方向一致,而特殊的应力环境或许是该区中强地震近年来持续活动的一个原因.

海原断裂是一条大型左旋剪切构造带,永登台(YDT)和景泰台(JTT)两个台站分列其两侧,他们的快剪切波偏振方向具有很好的一致性,优势方向分别为近EW 和NWW 向,与离台站不太远的马雅雪山断裂和海原断裂走向有一致性.显示出活跃的海原-祁连山左旋剪切构造带的错动影响了台站下方及周边地壳介质的形变特性和附近断层的性质.SGT 地处发生1927年古浪Ms8.0级地震的NWW向的皇城-双塔断裂、近EW 向天桥沟-黄羊川断裂与近NS向的武威-天祝断裂的交汇区,断裂分布和局部应力分布复杂,其快剪切波偏振方向出现NE 和NW 两个优势方向,第一优势方向NE 方向与背景构造应力一致,而NW 向的优势方向则显示了皇城-双塔断裂和武威-天祝断裂的影响,在台站下方的局部区域与其走向有一致性,说明该台站可能受到区域构造背景应力环境和局部断裂构造的双重制约.

在北东向构造应力的作用下,祁连地块内物质向南东溢出,受到坚硬鄂尔多斯地块的阻挡作用,沿着块体边界海原-祁连山断裂带和西秦岭断裂带,陇中盆地内的物质发生了旋转,物质间的相互作用使断层发生了扰动,影响着区内的地壳介质.从台站快剪切波偏振优势方向看,安宁台(ANT)NNW 向与马衔山北缘断裂和庄浪河断裂的走向趋势平行,静宁台(JNT)较为离散但总体为NNE 向的优势方向及定西台(DXT)的近EW 向,或许从另一个侧面印证了块体内地壳物质的运动状态和形变特征,特别是JNT 的结果反映出坚硬鄂尔多斯地块的阻挡造成的影响.

湟源台(HYT)位于祁连地块青海湖的东侧,快剪切波偏振方向具有两个优势方向,NNW 优势方向可能与不远处的热水-日月山右旋断裂的活动有关,而NNE 优势偏振方向则与背景构造主压应力方向一致性很好.

甘东南活动构造区内分布着合作台(HZT)、岷县台(MXT)、天水台(TSS)、迭部台(DBT)、成县台(CXT)、武都台(WDT)和文县台(WXT)等7 个台站.该区内主要分布着NW 走向的西秦岭北缘断裂、临潭-宕昌断裂和迭部-白龙江断裂等,及NEE 走向的礼县-罗家堡断裂、哈南-稻畦子断裂和临江断裂等,1654 年天水Ms8.0 级地震和1879年武都Ms8.0级地震就发生在NEE 走向的活动断裂上.WDT 和WXT 所处地理环境复杂,几条断层交汇于此,使得台站快剪切波偏振方向呈现一定的离散性.WDT 下方地壳介质可能受附近NW 走向的迭部-白龙江断裂与NEE 走向的哈南-稻畦子断裂等多条断裂的共同约束,造成WDT 偏振方向的离散,平均偏振方向与断裂的走向皆不一致.WXT 的优势偏振方向与周围其他台站的主要特点相符,为NW 近NWW 方向,其地壳各向异性的特征反映出地壳介质主压应变的方向.礼县-罗家堡断裂似乎穿过TSS 下方,由于受控于该断裂,TSS的优势偏振方向为NEE,与断裂走向一致.CXT 的优势偏振方向有点离散,但主要为NW 方向,似乎没有受到徽成盆地南缘断裂的影响,CXT 下方的各向异性主要反映了地壳介质的主压应变方向.西边三个台站HZT、MXT 和DBT 的快剪切波偏振优势方向均具有很好的一致性,快剪切波偏振优势方向与离台站不远处的活动断裂走向一致.据此推断,该区域地壳介质各向异性的方向与台站周边主要走滑断裂的走向基本一致,表明在北东向构造应力和东部稳定块体阻挡的共同作用下,该地区的区域应力场发生了较大的方向改变.

3.2 慢剪切波时间延迟特征

图 5b给出该区各台站快剪切波平均偏振方向,图中的线段方向为各个台站快剪切波平均偏振方向,线段长短正比于慢剪切波时间延迟.从图 5b可以看出,慢剪切波时间延迟在空间上存在明显的差异,在祁连山-河西走廊构造区内台站的慢剪切波时间延迟普遍较大,而甘东南构造区内的值则普遍较小,陇中盆地内的JNT(静宁台)的慢剪切波时间延迟最高,DXT(定西台)的时间延迟最低.分析认为,较高的时间延迟值反映出地壳介质强烈的水平运动分量,也揭示出深部应力的特征.因此,研究区慢剪切波时间延迟的变化特征反映了青藏高原东北缘介质各向异性的强弱变化特征,较好地印证了本区应力环境的空间变化特征.

4 青藏高原东北缘构造应力特征

图 6显示,祁连山-河西走廊构造区的快剪切波平均偏振方向为NE 方向,与构造主压应力方向一致;而甘东南地区的快剪切波平均偏振方向为NWW 向,陇中盆地内三个台站的偏振方向波动范围较大.根据大量的研究结果,快剪切波偏振的优势方向尽管会受到局部断裂和构造的影响,但总体上总是与区域主压应力场方向一致[2, 3, 10, 12, 20].本研究表明,青藏高原东北缘地区的主压应力场自西向东由NE 向变化为近EW 向,直至表现出NWW 向的特征.

图 6 三个区域内快剪切波偏振方向的等面积投影玫瑰图 (a)祁连山一河西走廊7个台站结果;(b)陇中盆地3个台站结果; (c)甘东南7个台站结果.图中下方括号里的数字为记录个数. Fig. 6 Equal-area project rose diagram of fast shear-wave polarizations in three areas (a) Results of seven stations in Qilianshan-IIexi Corridor; (b) Results of three stations rn Longzhong Basin; (c) Results of seven stations in Southeastern area of Gansu. The bottom number shows the records’ number.

在NE 向构造主压应力的作用下,祁连山活动地块与刚性的阿拉善地块以左旋走滑形式相互作用,祁连山-河西走廊活动构造区断裂主要以北西西走向为主,在空间上形成了明显的隆起-盆地交替出现的构造特征,由西向东分别为酒西盆地的北祁连山冲断推覆构造、老君庙推覆带和武威盆地的古浪推覆体构造.该区复杂的构造特征、断裂性质、块体及相互之间的关系都会影响具体的应力分布.已有研究表明,在盆地与隆起边界的快剪切波偏振方向会受到地质构造的影响,其偏振方向与盆地与隆起交汇边界的走向一致[38].

甘东南活动构造区地处青藏高原东北缘南端,为西秦岭北缘断裂以南和东昆仑断裂东段以北的区域,区内西侧主要发育了北西西向左旋走滑兼逆断特征的断裂,东侧断裂以北东东走向的逆断或正断为主,断裂相互交错.最新研究表明,位于活动断裂上(或附近)的台站,其快剪切波偏振优势方向与断层走向较为一致,在地质结构比较复杂的区域,台站的快剪切波方向具有一定的离散性[16, 20, 21],这些现象都反映了地震活动和区域构造的局部信息.

青藏高原东北缘地处多个二级地块的交汇区,区内断裂交错分布(图 1),由于研究区受到不同构造块体间的相互作用,区域应力场呈现局部性的特征,造成祁连山-河西走廊活动构造区、隆中盆地和甘东南活动构造区的应力场表现出明显的差异(图 6),这也是地壳中的地震各向异性特征差异所揭示出的现象.

5 结论与讨论

由于青藏高原地块与阿拉善地块、鄂尔多斯地块间的相互作用,青藏高原东北缘地区表现出复杂的地球物理特性和地质特性,使得区域应力场呈现局部性的特征.本文利用分布在青藏高原东北缘的18个地震台站,通过剪切波分裂分析,获得了1005条有效记录的结果,根据剪切波分裂参数分析了区域构造应力特征.

本研究18个台站所有有效记录的快剪切波偏振方向等面积投影玫瑰图,显示出研究区快剪切波优势偏振方向主要为NE、近EW 和NWW 向,存在明显的分区特征,揭示了地壳中的地震各向异性在地理空间上存在差异.分析慢剪切波时间延迟得到,祁连山-河西走廊构造区的时间延迟明显高于甘东南活动构造区,表明在遇到稳定块体阻挡时,由于应力的增加,地壳介质各向异性程度也在增加,进一步揭示了青藏高原东北缘介质各向异性的强弱变化特征.

快剪切波平均偏振方向反映了本区区域构造应力的空间变化特征.祁连山-河西走廊构造区的快剪切波平均偏振方向为NE 方向,与构造主压应力方向一致;甘东南地区的快剪切波平均偏振方向为NWW 向,陇中盆地内三个台站的偏振方向较为离散,但也显示出NW 的一个优势方向.分析认为,形成这一变化机制的成因不同,祁连山-河西走廊构造区主要受青藏地块与阿拉善地块间的相互作用影响,甘东南活动构造区似乎主要是受到内部活动断裂的影响,显示出地壳介质各向异性受到区域构造应力和局部构造活动的双重影响.

本研究从地壳各向异性的角度,证实了在青藏高原东北缘地壳主压应力方向从西北部的祁连山-河西走廊活动构造区的NEE 方向,变化为东南部的甘东南活动构造区的NWW 方向,在空间上具有明显的分区和沿顺时针方向旋转的特征.

致谢

本研究的数据分析是在SAM 软件上计算完成.感谢2010 年中国地震局访问学者计划的支持,感谢太龄雪、赵博和孙进等人的帮助.感谢审稿专家的意见和建议.

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