2. 中国科学院南海海洋研究所边缘海地质重点实验室, 广州 510301
2. Key Laboratory of Marginal Sea Geology, Chinese Academy of Sciences, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
阿拉斯加南部位于北美板块和东太平洋板块接壤的复杂区域(图 1),该区域由一系列增生地体组成,如威廉王子地体,亚库塔特地体,楚加奇地体(Brocher et al., 1994).同时,阿拉斯加南部火山分布密集,形成火山岛链.海沟规模宏大,长达百万米,宽约100 km.该区域地震集中、震级强烈,据记载阿拉斯加是1900—2001年全球特大地震发生区域之一,如1964年发生的能量震级Mw9.2的特大地震(Kanamori et al., 1986).并且太平洋板块和亚库塔特微型板块分别以51 mm/a、44 mm/a的速度向西北方向移动(Finzel et al., 2011).因此,其独特的地理位置和复杂的构造环境对研究该区域下方太平洋俯冲板块的几何形态和俯冲深度、增生地体在深度方向上的几何形态和地震活动与阿留申大逆冲的关系以及莫霍面在地体增生中的作用等一系列问题(Fuis et al., 1991)有非常重要的意义.
关于阿拉斯加南部地区板块俯冲的构造特征及该区域地壳上地幔精细结构已有不少地球物理研究.Thomas M. Brocher等(Brocher et al., 1994)在阿拉斯加海湾北部和威廉王子湾利用宽角地震反射折射剖面、地震活动研究及相关物理特性的实验测量确定了威廉王子地体、亚库塔特地体、阿留申大逆冲和俯冲太平洋板块的几何形态,同时提出俯冲在阿拉斯加南部下方的是一块复合板块,是由均匀厚度的太平洋板块和不同厚度的亚库塔特板块组成.赵大鹏等(Zhao et al., 1995)利用1977年到1991年的P波到时数据通过层析成像方法研究了阿拉斯加中部和南部下方三维速度结构,成像结果表明上地壳与主要地表地质特征相关性很好,在地壳上地幔及地幔楔低速异常与火山活动有关系,并认为太平洋板块的厚度为45~55 km,P波速度高于周围地幔3%~6%.齐诚等(Qi et al., 2007)使用近震和远震的P波走时数据采用层析成像联合反演方法研究了阿拉斯加下方700 km的三维速度结构,通过高速异常得出了太平洋板块俯冲的深度及它与库拉板块的相关信息,由低速异常表明阿拉斯加南部存在太平洋—胡安德富卡板块窗,该结论与已有的研究一致.同时,齐诚等(Qi et al., 2007)利用大量的P波和S波近震走时数据通过建立非均匀网格模型反演P速度对阿拉斯加下方地壳和上地幔的结构做了相关研究.Ferris(Ferris et al., 2003)、艾印双等(Ai et al., 2005)通过接收函数方法对阿拉斯加地区做了研究,但以上研究都没有提供横波和泊松比的深部结构图像.
本文利用1992年到2002年阿拉斯加区域密集地震台网接收的地震资料,采用赵大鹏等(Zhao et al., 1992)提出的层析成像的方法对精心挑选的P波、S波走时数据做了处理,第一次同时获得了阿拉斯加南部区域的三维速度结构和泊松比分布.文章在赵大鹏、齐诚等研究的基础上,除了计算P波速度结构之外,同时使用S波走时数据进行了地震定位和反演,从反演获得的纵横波速度模型,计算了研究区域的泊松比.通过P波、S波三维速度和泊松比分布对太平洋板块在阿拉斯加南部区域的俯冲情况做了研究,讨论了阿拉斯加南部地震活动的相关结构和构造环境,进一步揭示该区域地震发生与太平洋板块俯冲、板块几何形态的关系,为探索该区域地壳和上地幔精细结构、太平洋板块俯冲机制等构造运动提供重要证据. 2 数据资料与方法
本文研究区域覆盖了阿拉斯加州的广大地区(170°W—140°W,52°N—67°N).我们收集了1992年1月1日至2002年12月31日期间发生在该区域的地震资料.通过对地震资料严格的筛选,最后挑选出了大量的P波和S波走时数据.筛选的具体标准如下:(1)地震事件均发生在本研究区域内;(2)每一个地震事件都有二十条以上的走时记录;(3)只筛选发生在台网范围内的地震事件.最后,在研究区域共挑选出11792个地震事件中的562891个P波和156321个S波到时数据.文章中使用了1992年1月1日至2002年12月31日期间记录地震事件的466个地震台站.这些台站属于阿拉斯加地区台网,三维地震和台站分布如图 2所示.
体波走时层析成像方法自20世纪70年代中期Aki和Lee首次创立以来,相继在20世纪80年代Thurber和20世纪90年代初赵大鹏的研究后趋于成熟(e.g.,Zhao et al., 1992,1994; Lei et al., 2005; Wang and Zhao, 2005; Wang et al., 2006)并得到了成功的应用(e.g.,Wang and Zhao, 2005,2006;Lei et al., 2005;Wang et al., 2006; 田有等, 2007,Zhao et al., 2009).在阿拉斯加南部区域的研究中,我们应用了赵大鹏等(Zhao et al., 1992,1994)的层析成像联合反演的方法.利用选取研究区域内P波和S波走时数据进行地震定位及速度反演,确定该地区下方地壳和上地幔的三维速度结构.泊松比结构是从反演获得的速度模型计算出来的.在速度反演过程中,采用三维网格点来表示地下模型空间速度分布,模型空间任意一点的速度通过周围八个点的值线性插值求得.反演过程将震源参数和速度参数联合反演,采用LSQR(正交分解最小二乘法)方法求解系数矩阵,进行线性反演.该方法不仅适用于连续变化的速度模型,同时可以应用于存在复杂间断面的速度结构中.在研究阿拉斯加区域时,为了有效降低最终残差,考虑到了研究下方的康拉德面、莫霍面和太平洋俯冲板块的速度不连续界面对计算射线路径和走时的影响,在反演过程中,将三个不连续面的深度信息带入了速度模型中.其中,不连续面中的康拉德面和莫霍面信息来自Crust 2.0模型,康拉德不连续面平均约为10.3 km,莫霍面不连续面平均约为26.9 km.在一维速度模型的设置方面,本文参考了赵大鹏(Zhao et al., 1995)、齐诚(Qi et al., 2007)等关于阿拉斯加的研究,P波、S波一维速度模型如图 3a所示.在三维网格设置上,水平网格为0.5°×0.5°,垂直网格间隔为10~25 km,结合不连续面的位置及其深度方向地震分布,将深度方向分成四部分:第一部分以莫霍面附近为界,以上每10 km分一层;第二部分为30~60 km,以上每15 km分层;第三部分60~ 100 km,以20 km为间隔分层;第四部分100~200 km,每25 km 分层,总计12层,网格模型如图 3b所示.在反演参数设置上,每个网格点通过射线条数设置为最少10条,阻尼系数为20.
在结果分析讨论之前,为了说明反演获得的速 度异常和高速度的俯冲大洋板块的分辨率可靠性,本文对研究区域做了可恢复性测试(e.g.,Wang et al., 2006),该方法是检测地震层析成像反演结果的可靠性和分辨率测试的有效方法之一.图 4的左侧分别是P波(a)和S波(b)恢复性测试的输入模型.该模型是将该区域P波和S波反演获得的真实结果分别作为两个初始模型.在使用输入模型计算的理论走时中(即正演计算),分别将0.07和0.1的随机误差加到P波和S波上,然后使用相同的地震事件和台站数及射线条数等参数分别使用输入模型对P波和S波进行反演.图 4的右侧分别是P波(a)和S波(b)恢复性测试的输出结果,即输出模型.通过对输入模型和输出结果的比较可以发现:P波和S波速度振幅大小有变化,但是所表示异常的形态和规模与输入的模型基本一致.P波和S波高速度异常分布与阿拉斯加南部下方太平洋板块和亚库塔特板块的俯冲情况一致.但是,可以明显发现随着深度的增加,分辨率在逐渐降低,尤其在南阿拉斯加东北部和阿拉斯加半岛.这主要是因为在阿拉斯加东北部,地震相对中部地区要少(图 2c),在阿拉斯加半岛区域,台站都分布在陆地(图 2a).由于地震和台站都比较稀疏(图 2b),导致该区域的射线密度比较低,从而导致分辨率比较低.图 4c是恢复实验垂直剖面的实例,可以看出右侧的输出结果与左侧的输入模型相比,除了输出结果的振幅值与输入模型相比稍有减弱外,无论是振幅还是异常体的空间分布形态都基本上恢复出来.通过对图 4输入模型和输出结果的对比发现,总的来说,输入模型能较好地被恢复出来,说明本研究所采用的地震数据和选取的初始参数所反演出的速度模型是可靠和真实的.
通过可靠性分析,在本节我们将对阿拉斯加南部区域的成像结果进行分析讨论.图 5是P波速度(a)、S波速度(b)和泊松比结构(c)在不同深度的水平切片.图 6是P波和S波速度以及泊松比分别沿L1、L2、L3、L4、L5、L6剖面的图像,其中L1、L2、L3、L4、L5剖面沿着亚库塔特板块和太平板块俯冲 方向.L1位置剖面北端穿过迪纳利(Denali)断层,南端与兰格尔(Wrangell)山脉相接.L2剖面穿过威廉王子湾,临近迪纳利断层.L3剖面横穿基奈半岛,北临斯普尔火山(Spurr).L4剖面位于基奈半岛和阿拉斯加-阿留申半岛之间.L5剖面位于阿拉斯加半岛.L6剖面东端位于兰格尔板块,西端穿过阿拉斯加半岛.同时,发生在每层或每个剖面10 km范围内的地震和火山也表示在图上,其中红色圆圈表示震级在6.5级以上的大地震.本研究在层析成像反演中没有引入大洋俯冲板块先验信息到初始速度模型,速度扰动是通过每层反演速度的平均值求得.
图 5a、图 5b和图 5c是不同深度的速度和泊松比水平剖面,我们可以看出P波速度和S波速度与泊松比异常在空间分布上十分相似.在阿拉斯加南部区域地壳附近的速度异常与该区域地表主要特征有密切的关系,大部分的低速度(Vp,Vs)与该区域的火山活动及沉积盆地有关,如库克湾(Cook Inlet)盆地等.从10 km处的水平剖面可以看到,研究区域的东北部,地震基本沿迪纳利(Denali)断层分布,对比10 km和30 km处的水平剖面,可以明显地看到迪纳利断层周围在30 km附近基本没有地震分布,我们认为迪纳利断层下方岩石破裂深度延伸小于30 km,该推断结论与Eberhart(Eberhart et al., 2003)研究一致.同时,我们可以发现研究区域内地表的一些断层(如迪纳利断层)与俯冲板块顶面等值线明显存在一定的夹角(图 1和图 5),这可能与亚库塔特板块俯冲到阿拉斯加南部下方引起结构变化有关,前人也有相关的介绍(Tian and Zhao, 2012).在阿拉斯加中南部与阿留申大逆冲之间分布着显著的高速度(Vp,Vs)与低泊松比异常,这些异常与地震的分布具有较好的一致性,这一特征与前人的P波层析成像研究结果类似(Qi et al., 2007).大约在100~200 km,库克湾(Cook Inlet)盆地南端呈现强烈的低Vp和Vs与高泊松比异常,该异常体被认为是俯冲进来的太平洋板块早先存在的特征或是由地幔变形造成(Qi et al., 2007;Eberhart et al., 2006).
图 5显示,地震震源深度靠太平洋侧较浅,靠近阿拉斯加侧较深,并且地震基本上都发生在高速度和低泊松比异常带.震源深度随离太平洋的距离增加而逐渐变深,形成了一个倾斜的地震分布带,这样的分布与西太平洋在日本俯冲带的特征相似(Zhao et al., 1992; 马宗晋等,2003;Wang and Zhao, 2005).由阿拉斯加地区的地震空间分布特征以及反演获得的速度与泊松比图像中的高速度异常分析,我们推断该清晰的高速体是俯冲至阿拉斯加下方的太平洋板块和东南部的亚库塔特板块.同时,研究范围内大部分大地震(震级大于6.5级)发生在高速度异常及低泊松比异常的边缘或高低速度与低高泊松比异常转化的位置,表明该区域板块块体之间存在强的板块耦合作用.通过L1,L3,L4剖面,我们可以发现,在大约35 km深地幔楔附近存在较强的低速度和高泊松比异常,我们认为这些异常可能是与亚库塔特板块和太平板块俯冲岩浆流体有关,这些低速体则与岛弧火山活动相关.从L5和L6位置剖面来看,尽管其周围存在较多火山,但是在速度异常及泊松比异常上仅表现为轻微的低速度和高泊松比异常,相关研究认为在阿拉斯加半岛东段火山运动的规模比较小(洪汉净等,2011),所以在速度异常上并不非常明显.另外,从分辨率测试结果发现该区域的分辨率较低,因为穿过该区段的射线条数相对较少,因而异常不明显.由L1,L2,L3,L4,L5高速度与低泊松比异常及空间地震分布情况,我们认为在阿拉斯加区域下方俯冲太平洋板块的俯冲角度从兰格尔块体到布里斯托尔湾由平坦到逐渐陡峭.图 6b中剖面L6显示,在地震分布上,靠近兰格尔块体穿过楚加奇临近基奈半岛这一段,大部分地震发生在高速度和低泊松比异常区的顶部.但是,从基奈半岛西南到阿拉斯加半岛下方这一段,大部分地震分布在高速度和低泊松比异常内部,依据前人环太平洋地震带相关研究(马宗晋等,2003;上田诚也等,1987),我们认为在俯冲角较小兰格尔至基奈半岛段产生的地震属于大洋岩石圈向下弯曲形成的正断层型浅震,而在俯冲角增大了的基奈半岛西南至阿拉斯加半岛段,属于俯冲过程中形成了贝尼奥夫带的中深源板内型地震.在 速度异常分布方面,阿拉斯加半岛东端下方P波和S波高速度异常分布在15~140 km范围内,从兰格尔山脉向西南方向高速度异常逐渐变深至180 km.相比之下,S波速度异常的连续性较P波要好.在靠近阿拉斯加半岛附近P波、S波高速异常和低泊松比异常呈不连续分布,早先(Creager et al., 1992)的研究认为兰格尔板块西端俯冲在阿拉斯加—阿留申板块东端的下方,我们的结果与早先在该区域研究的结果一致.L6剖面70 km之下存在向下延伸至200 km的低速度高泊松比的异常体,该低速体位于基奈半岛和科迪亚克岛 之间的上地幔,我们推断该低速度可能与亚库塔特板块与太平洋板块俯冲和相互碰撞有关,同时也和地幔软流圈强烈的上升流有关,它使俯冲的太平板块在该位置变薄,可能形成俯冲板块新的板片窗. 5 结论
本文利用阿拉斯加区域地震台网记录到的11792个地震,挑选出562891个P波和156321个S波走时震相数据,采用地震层析成像反演方法第一次同时得到了阿拉斯加区域下方200km深度范围的P波和S波的三维速度结构以及泊松比图像.基于P波和S波速度结构与泊松比图像的一致性,获得了与该区域的地震分布和大洋板块俯冲相关的以下几点结论:
(1)首次同时获得了阿拉斯加地区的速度(Vp,Vs)和泊松比的一致性结构图像.在阿拉斯加东北至西南发现大区域的高速体异常,我们认为是俯冲到阿拉斯加下方的太平洋板块和亚库塔特板块.大部分大地震(M>6.5)发生在高速异常区域或者在高速度异常与低速度异常之间过渡带,俯冲板块之间耦合作用在这些区域较强.沿着俯冲区域岛弧链下方地幔楔显示出大范围低速度和高泊松比异常,反映了与大洋板块俯冲相关的火山岩浆活动.
(2)从格兰尔块体到布里斯托尔湾的高速度和低泊松比异常及地震空间分布情况发现,在南阿拉斯加区域下方的大洋板块的俯冲角度从格兰尔块体到布里斯托尔湾由平坦变得逐渐陡峭,这主要是由于亚库塔特板块和太平洋板块分别俯冲在阿拉斯加的东边和西边的缘故.
(3)位于基奈半岛和科迪亚克岛连接处70 km之下存在延伸至200 km深度的低速度和高泊松比的异常体,我们推断该处可能与太平洋板块与亚库塔特板块相互作用以及强烈地幔软流圈上升流有关,该低速度的热物质会使得俯冲的大洋板块变薄,甚至在将来形成俯冲板块板片窗(slab window).
致谢 感谢两位匿名评审专家的宝贵意见,他们的意见提高文章的质量.感谢赵大鹏教授提供层析成像程序开展本次研究工作,感谢Incorporated Research Institutions For Seismology(IRIS)和International Seismological Center(ISC)提供地震波形和震相资料,感谢Alaska Earthquake Information Center(AEIC)提供地震信息,文章中所涉及到的图件均由GMT制作.[1] | Ai Y S, Zhao D P, Gao X, et al. 2005. The crust and upper mantle discontinuity structure beneath Alaska inferred from receiver functions. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 150(4): 339-350. |
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