2013, Vol. 56
2010年4月14日发生在青海玉树藏族自治州玉树县的MS7.1级地震是近年来继汶川8.1级大地震之后发生在青藏高原及周边区域的又一次较大破坏性地震.本次地震断裂处于甘孜-玉树断裂带，该断裂带同时也处于青藏高原内部羌塘块体和巴彦喀拉块体交界处的金沙江缝合带上(图 1).缝合带是不同时期洋盆消减和地体碰撞的结果，同时也是不同块体的边界区域.整个青藏高原根据地质调查结果存在5个缝合带，这5个缝合带将整个青藏高原划分为不同的次级地块[1].另一方面，缝合带也可以看做是大型的剪切断裂带，这种剪切断裂带可能整个会延伸到岩石圈[2].因此发生在缝合带上的大地震可能和地壳及岩石圈深部结构存在一定的联系.
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图 1 台站分布及研究区地质背景 三角表示台站位置; 工色圆圈表示地震(Wang et al, 2012);黑色小方块为Moho面(假设为70 km)上Ps转换波的透射转换点位置; 紫色小方块为Moho面上Sp转换波的透射转换点位置; 蓝线为三条剖面位置; 黑色粗线为玉树断裂带; 灰线为其它断层.左下图中红色方框为本文研究区; 黄色五角星为主震位置; 白线为二级地块边界; F1-西昆仑-祁连山缝合带; F2-东昆仑缝合带; F3-金沙江缝合带; F4-班公-怒江缝合带; F5-雅鲁藏布缝合带; Ⅰ-柴达木地块; Ⅱ-巴颜喀拉地块; Ⅲ-羌塘地块; Ⅳ-拉萨地块. Fig. 1 Map of stations and geological setting Trangle-station; red circle-earthquake; black square-pierce point of Pms; purple square-pierce point of Smp; blue line-the location of profile; black thick line-Yushu fault; gray line-other fault.The red square in the figure of the lett bottom shows the study region.Yellow star-main shock; white line-the boundary of the second-order block; F1-Western Kunlun-Qilian suture; F2-Eastern Kunlun suture; F3-Jinsha river suture; F4-Bangong-Nujiang suture; F5-Yarlung Zangboo suture; Ⅰ-Qaidam block; Ⅱ-Bayan Har block; Ⅲ-Qiangtang block; Ⅳ-Lhasa block. |
在玉树地震之后，不同研究者对该地震震源的破裂过程[3-5]、断层的破裂样式和构造意义[6]、发震区域应力场的调整[7]、主余震的精定位[8-9]、发震区及周边区域Pg波层析成像[10]、地震前的矩张量释放[11]、震源区横波分裂[12]等进行了深人的研究.以上结果表明：玉树地震主破裂方向沿东南方向，破裂长度约60 km，存在超剪切破裂；地表破裂类型、基本组合特征等显示断裂两盘块体的运动方式以纯剪切的左旋走滑为主；玉树台接收函数反演速度结构显示此次地震可能错断了上地壳的高速层，余震分布结果表明在断层西段出现了粉碎性破裂从地下25 km贯穿到了地表.Pg波层析成像表明震源区为速度扰动的高速区，而其周边为低速区.
鉴于资料所限，以往的研究主要集中于地壳浅部区域，而未从深部结构对该次地震成因进行过研究.本文将尝试利用固定台站和震后布设的流动台阵远震资料的P波和S波接收函数，对震源区进行成像，以此讨论该次地震的地壳及岩石圈结构特征.
2 观测数据和接收函数为了进行余震定位和震源区地球内部结构研究，玉树地震之后，青海省地震局在震源区布设了7个宽频带流动台站(如图 1中L6301、L6302、L6303、L6304、L6305、L6306、L6307).本研究收集了该流动台阵2010年4月16日到2011年8月31日的远震记录.此外，还收集了震源附近玉树(YUS)固定台站2007年9月到2010年12月的远震资料，所有台站分布如图 1所示.
远震接收函数方法是地震学中研究地球内部间断面最为有效的方法之一.该方法通过反褶积消除震源影响，进而分离出P-S波转换震相或者S-P波转换震相，前者为P波接收函数，后者为S波接收函数.P波接收函数方法目前已经被广泛地应用于地壳及上地幔间断面的研究中，且在全球和国内不同区域地球内部结构的研究中都取得了丰硕的成果[13-24]
在P波接收函数中浅部间断面的多次波对深部间断面的确定有较大影响，特别是在岩石圈和软流圈分界面(LAB)所在的深度，是浅部多次波最为集中的一个深度段，因此在确定LAB时，P波接收函数方法具有局限性.和P的接收函数类似，远震S波在台站下方遇到间断面时，也会产生转换波和多次波.和P波接收函数不同，S波接收函数的多次波在S震相之后，而其转换波在S震相之前，特别是在岩石圈和软流圈这一深度的分辨率上S波比P波接收函数具有天然的优越性.Farra和Vmmk[25]SS波接收函数进行了详细的研究，并将其与P波接收函数进行了比较，提出了一套通过旋转和变换计算S波接收函数的方法；Oreshm和Vmmk[26]利用S接收函数研究了天山地区岩石圈和软流圈的速度结构；乂:而出等[27]利用P和S的接收函数，联合反演了天山中部详细的速度结构.Li等[28]利用S接收函数研究了Hawaiian热柱地区岩石圈厚度，结果表明热柱对岩石圈有减薄的作用.Yuan等[29]通过数值试验对S接收函数进行了分析和研究，表明可以利用S、ScS和SkS在不同震中距范围得到S接收函数，并且通过在加拿大西北部YKW3台站的应用，得到了P波接收函数.但在S波接收函数计算中，由于S波到时附近震相较为丰富，波形较为复杂，一般只有约三分之一的资料能用于S波接收函数的计算.
在本研究中利用时间域多次迭代反褶积[30]分离P波接收函数.首先选择震中距30°~90°、震级大于5.5且Z分量上初至P波清晰的波形资料.将观测波形的两个水平分量旋转到径向(R)和切向(T)，通过和Z向记录的反褶积计算R向观测接收函数.本研究中最终使用到的P波接收函数为580条.图 1也显示了P波在该区域Moho面上透射转换为S波的位置分布.计算中使用滤波因子α为2.5的高斯低通滤波器对信号进行了滤波，相应的拐角频率约为0.67 Hz，高于拐角频率的信号被大幅削减.如图 2显示了所有台站不同震中距接收函数按照Pds转换震相校正到6.5 s/md慢度[31]后的叠加结果.
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图 2 所有台站不同震中距P波接收函数校正叠加 每条观测接收函数按照Pds转换震相校正到6.5 s/md的慢度, 以1°震中距为窗口, 将所有在该窗口内的接收函数叠加.右边为不同震中距最后叠加结果.6s和9s附近黑线指示了双地壳对应的信号. Fig. 2 The moveout corrected P receiver functions and the stacking result All the receiver functions are corrected to the slowness of 6.5 s/rad referring the travel time of Pds phase.The corrected receiver functions within 1 degree distance are stacked.The stacking result of different distances isshown in the right.The black lines around 6 s and 9 s exhibit the signals relative to the double crust structure. |
在S波接收函数计算中，首先选取震中距60°~85°、震级大于5.6的地震波形.为了消除未知的地表浅层速度对S波接收函数计算的影响，本文利用Kumar等[32]提出的方法，将地震波三分量记录旋转到LQT(即P-SV-SH方向)坐标系.由于理论出射角和实际情况存在差别，为了旋转得到最佳结果，在0~60°的范围内以3°步长对不同出射角进行尝试，分别计算各出射角对应的S波接收函数，选取S波到时能量最小的结果.为了和P波接收函数保持一致，对于计算得到的S波接收函数，其幅度乘以-1，并且以零时刻为准，将时间轴翻转.经此过程得到的S波接收函数上正信号也对应高速间断面，负信号对应低速间断面.零时刻之后的波为S-p的转换波，其地壳中的多次波在零时刻之前.如图 3为一个地震三分量记录及不同角度旋转所计算的S接收函数，根据上述判断标准，18°入射角对应S波到达时刻能量最小，选该角度的结果为该记录所得的S波接收函数.以此类似的方法，对每个选出的地震三分量记录进行计算和挑选.如图 4显示了所有台站最终得到的106条S波观测接收函数校正(也校正到6.5 s/rad的慢度)叠加结果.
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图 3 (a)YUS台站记录到的一次远震波形的三分量记录, 图中标示了S波到时; (b)利用不同入射角旋转犣分量和犚分量计算S波接收函数, 图中入射角为18°时0时刻对应能量最小, 选择该角度计算的S波接收函数 Fig. 3 (a)Three component waveforms of 1 tele-seismic event of YUS station. S travel time is also marked in the figure. (b)The Sreceiver functions with different incident angle. The S receiver function with 18 degree incident angle is selected because the S amplitude is minimal |
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图 4 所有台站不同震中距S波接收函数校正叠加 每条观测接收函数按照Sdp转换震相校正到6.5s/rad的慢度, 同样以1°震中距为窗口, 将所有在该窗口内的接收函数叠加.右边为不同震中距最后叠加结果.6s和9s附近黑线指示了双地壳对应的信号. Fig. 4 The moveout corrected S receiver functions and the stacking result All the receiver functions are corrected to the slowness of 6.5s/rad referring the travel time of Sdp phase. The corrected receiver functions within 1 degree distance are stacked. The stacking result of different distances is shown in the right. The black lines around 6s and 9s exhibit the signals relative to the double crust structure. |
在所有台站P波接收函数叠加的结果中(图 2)，9 s附近最明显的正信号为Moho面上的P-s转换波，此外在6.5 s附近还存在一个较为明显的正信号(如图中的黑线所示).根据前人研究结果，青藏高原下方由于印度板块和欧亚板块的相互作用，会出现两大板块地壳的叠置，根据P和S波观测接收函数，Li等[33]利用双层地壳模型很好地对拉萨台站下方的地壳速度结构进行了解释.Shen和Zhou[34]利用接收函数的近邻反演，也得到在青藏高原的拉萨台站下方存在双层地壳.以上研究结果中双层地壳所对应的深度分别约为60 km和80 km.本文P波接收函数叠加结果中9s和6.5s时刻所对应的正信号，和以上双层地壳的结果也较为一致.此外，根据S波接收函数校正叠加结果(图 4)，也在9 s和6.5 s附近观测到了较为明显的正信号.因此，P和S波接收函数据结果都一致表明玉树地震震源区下方地壳也为双层.
为了清晰地勾画震源区下方地球内部结构，参考接收函数反演得到的地壳速度模型[8]和IASP91的上地幔模型，根据每条观测接收函数转换波的传播路径进行偏移成像.在偏移成像中，对于某一深度，沿着水平方向以1km的步长移动窗口，每移动一次，以窗口中心点为圆心，菲涅尔带的一半为半径，将处于该范围内的所有透射转换点对应的接收函数幅度进行叠加，以此作为成像值.当该点所确定的范围内透射转换点少于5个时，我们认为所得的结果不可靠.该过程一方面尽量保留了该点最明显的特征，又能根据周围结果将成像图形进行平滑，是接收函数成像过程中最为常用的一种手段.根据透射转换点分布，对于P波接收函数，选取图 1所示的AA'(如图 5)和BB; (如图 6)剖面进行成像，对于S波接收函数，选取图 1所示的CC'剖面进行成像(如图 7).为了检验结果的可靠性，将叠加过程中所用的射线数目也显示在图中.
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图 5 AA'剖面P波接收函数成像结果 最上方曲线为地形起伏, 下方图中显示了成像过程中射线数目分布.图中标示了震源区高速夹层、Moho错断的位置(椭圆形阴影所示)和双地壳结构(黑线). Fig. 5 The P receiver function image along AA' profile The P receiver function image along AA'profile The curve at the uppermost represents the topography. The number of seismic ray is also exhibited in the bottom. The high velocity layer, Moho offset(elliptic shadow)and double crust structure(black dashed lines)are all marked. |
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图 6 BB'剖面P波接收函数成像结果 最上方曲线为地形起伏, 下方图中显示了成像过程中射线数目分布.图中标示了Moho错断的位置(椭圆形阴影所示)和双地壳结构(黑线). Fig. 6 The P receiver function image along BB' profile The P receiver function image along BB'profile The curve at the uppermost represents the topography. The number of seismic ray is also exhibited in the bottom. The Moho offset(elliptic shadow)and double crust structure(black dashed lines)are both marked. |
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图 7 CC'剖面S波接收函数成像结果 最上方曲线为地形起伏, 下方图中显示了成像过程中射线数目分布.图中标示了Moho错断的位置(椭圆形阴影所示)和双地壳结构(黑线)以及LAB的可能分布(紫线所示). Fig. 7 The S receiver function image along CC' profile The S receiver function image along CC'profile The curve at the uppermost represents the topography. The number of seismic ray is also exhibited in the bottom. The Moho offset(elliptic shadow), double crust structure(black dashed lines)and the possible LAB are all marked. |
由于AA'剖面沿着主震破裂及玉树断裂带，主震及余震重定位的结果显示，主震和余震大都沿着该剖面，因此根据地震重定位结果(Wang et al，2012)[8]，将所有的地震也投影到接收函数所成图像中.结果显示在主震破裂位置(深度约15 km)存在明显的高速夹层，而在破裂的两端，15~25 km深度内表现为明显的低速.双层地壳的痕迹也较为明显，如图 5中黑线所示.此外，在主震区下方(经度96.3°E-96.7°E)，同时也是AA'剖面和玉树断裂带的交叉处，Moho界面不清晰，根据射线分布情况，该范围内叠加射线条数均已超过20条，因此该结果不是来自于资料，主要原因可能由地下结构引发.
BB'剖面横穿金沙江缝合带(玉树地震断裂带)，在50~80 km的深度范围内，双层地壳的痕迹依旧较为清晰.在经度为96.9°E靠近金沙江缝合带的位置，Moho界面亦表现的相对较为模糊，可能表明金沙江缝合带错断了地壳.CC剖面也横穿金沙江缝合带，在金沙江缝合带两侧，也显示出Moho界面有被错断的迹象.在经度97.2°E以东，也出现了明显的双地壳结构.此外，在CC'剖面上，经度96.5°E-96.8°E范围内，观测到了极为明显的低速界面，推测该界面为岩石圈和软流圈的分界面(LAB)，在96.8°以东，也有LAB存在的痕迹，如图 7中紫色的点线所示.
4 讨论在P波接收函数成像中，浅部间断面的存在会造成在深部存在间断面的假相，本研究所在区域位于世界上地壳最厚也最为复杂的青藏高原内部，其浅部复杂结构的多次波可能会给Moho界面的识别造成干扰甚至出现虚假界面的结果.但是，S波接收函数对应的多次波都在S之前，不存在多次波的干扰.在本文中，同时利用P波和S波接收函数进行了成像，二者结果都显示出双地壳存在的现象.为了进一步对成像得到的双地壳结果进行检验，利用P波接收函数的两个多次波(PPs和PSs)再次分别进行成像.如图 8、9为沿着AA'和BB'得到的P波接收函数多次波成像结果.为了对比一次转换波和多次波的成像结果，将图 5和图 6中指示双层地壳的黑色虚线拷贝到了图 8和图 9中.在图 8a的P波接收函数PPs多次波成像结果中，96.73°E以东双层地壳结构较为明显，而在96°E附近只显示出85 km深度附近的Moho界面，65 km深度附近的Moho界面没有发现.图 8b的的P波接收函数PSs多次波成像结果中，96°E附近显示出双地壳结果，而97°E附近只显示出85 km附近的Moho界面.图 9a的PPs多次波成像中，双地壳结果和一次透射转换波成像结果(图 6a)较为一致，而图 9a的PSs多次波成像中，只显示出深部Moho界面存在的迹象.由于多次波本身能量较弱，因此更容易受到深部结构的一次透射转换波和浅部多次波的干扰，但是图 8和图 9中多次波的成像结果也大部分支持双地壳存在的证据，结合S波成像结果，研究区双地壳的结构是可信的.
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图 8 AA'剖面P波接收函数多次波成像结果 (a) PPS多次波成像结果; (b) PSs多次波成像结果.黑线为图 5中所指示的双地壳. Fig. 8 The multiples image of P receiber function along AA' profile (a)TPPs multiples image; (b)PSs multiples image.The black dashed lines mark the double crust structure in Fig.5. |
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图 9 BB'剖面P波接收函数多次波成像结果 (a) PPS多次波成像结果; (b) PSs多次波成像结果.黑线为图 6中所指示的双地壳. Fig. 9 The multiples image of P receiber function along BB' profile (a)TPPs multiples image; (b)PSs multiples image.The black dashed lines mark the double crust structure in Fig.6. |
INDEPTH计划布设的流动台阵接收函数成像结果也表明[35-36]，在金沙江断裂下方存在着双地壳结构.同样，接收函数正反演的结果[33-34]也表明在青喊高原的拉萨台站下方存在着双地壳结构.在拉萨台站下方，双地壳结构的解释是，印度板块在向下俯冲的过程中，印度板块的地壳和欧亚板块的地壳发生了叠置，导致了双地壳的产生.但是在玉树震源区下方，距离俯冲开始的位置较远，而印度板块又以一定的角度向下俯冲，因此本研究中观测到的双地壳可能非印度板块地壳和欧亚板块地壳叠置引起.
除了双地壳结构，本研究结果和INDEPTH台阵结果[35-36]都表明在金沙江缝合带下方还存在Moho面错断.据此我们推断玉树震源区双地壳的形成原因应来自于两方面：(1)金沙江缝合带错断了地壳，南北两边分别形成了羌塘地块和巴颜喀拉地块；(2)在印度板块的推挤作用下，羌塘地块的地壳和巴颜喀拉地块的地壳发生了叠置，产生了我们所观测到的双地壳结构.
根据历史地震震源机制解考察结果，在金沙江缝合带上曾经发生过多次大地震[37]，而且震源机制解基本上都是走滑类型.若无其他外在因素，走滑断层上发生一次大地震之后应力就会完全释放，要孕育下一次大地震，必须要有使断层闭锁的条件，根据本文以上的分析结果，金沙江缝合带整个为一个大型的错断地壳的走滑断裂，发生过一次大地震之后，近东西走向的大型走滑断裂依旧受到向北的印度板块的推挤作用，受复杂地形和地下结构影响，这种推挤作用到断裂带上时是不均匀的，即在断层的不同位置存在差别，这种情况能够很好地为走滑断裂的闭锁提供条件，从而导致在青藏高原内的大型走滑断裂上多次发生巨大地震.
此外，在图 5a中AA'剖面经度约96.5°E的主震区对应深度(约15~20 km)附近，存在明显高速夹层，而在剖面的两端，在深度约20 km附近存在明显的低速层.Pg波层析成像结果[10]表明，在玉树地震的震源区存在明显高速异常，而周围存在低速异常，这一结果和本文结果具有较好一致性.据此结果进一步推测，和低速介质相比，地壳中的高速夹层更容易集中应力而发生破裂，这可能也是该次地震发生的一个直接原因.此外，图 5a中主震区下方40 km深度附近也呈现高速夹层存在的迹象，但由于该区域浅部地壳速度结构较为复杂，无法完全排除多次波干扰，因此未多做讨论.
在图 7的CC'剖面中，羌塘地块下方LAB较为清晰，而巴颜喀拉地块下方LAB较为模糊.野外地质调查和天然地震剖面结果[2]认为玉树断裂为大型的岩石圈剪切带.本文结果中，羌塘地块和巴颜喀拉地块下方LAB存在差异，一种可能性的原因就是玉树断裂是大型的岩石圈剪切带，这个断裂带可能错断了地壳和岩石圈，造就了两个地块下方LAB的差异.但是受资料所限，本文给出的剖面的成像质量在分辨LAB时并不是很好.因此关于该结果需要将来进一步的资料进行核实.
5 结论本文利用2010年4月14日玉树地震之后在震源区布设的流动台阵和玉树固定台站远震P和S波接收函数，对震源区下方的地壳、岩石圈结构进行了成像.根据成像结果，得到以下主要结论：
(1) 玉树地震震源区下方存在明显的双地壳结构，发生主震的断裂错断了Moho面.结合前人结果分析，被金沙江缝合带错断的羌塘地块和巴颜喀拉地块的地壳，在印度板块的推挤作用下发生了叠置，导致了所观测到的双地壳结构.进一步推断，印度板块对金沙江缝合带这种深大走滑断裂的向北推挤，为断裂带上大地震的发生提供了闭锁条件，这可能是巴颜喀拉地块周边地震孕育的一种深部地球动力学模式.
(2) 玉树地震王震震源区附件存在高速夹层，而其两端为低速带.这种高速夹层的地壳内部介质类型可能更容易积累应力和发生破裂，孕育大地震.
致谢在S波接收函数计算和成像方面，德国地学研究中心(GFZ)的袁晓晖博士和Prakash Kumar博士给予了无私帮助；中国地震局地球物理研究所数据备份中心提供了波形数据[38]; 中国地震局地球物理研究所的王未来博士提供了主震和余震重新定位的结果[8]; 两位评审专家提出了宝贵、中肯的审稿意见；中国地震局兰州地震研究所的郭增建研究员和刘百篪研究员在结果讨论中提出了有益建议；所有图形均由GMT[39]绘制.对此作者表示深深的谢意.
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