地球物理学报  2017, Vol. 60 Issue (6): 2256-2264   PDF    
腾冲火山区的地壳厚度和平均泊松比研究
胥颐1, 李雪垒1,2, 汪晟1,2     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所, 中国科学院油气资源研究重点实验室, 北京 100029;
2. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要: 腾冲是青藏高原东南缘重要的第四纪火山活动区域,全新世以来的火山主要集中在腾冲盆地的中央,由北向南形成一个串珠状的火山链.为了深入探索这一火山区的深部结构和岩浆活动特征,我们在腾冲北部开展了为期一年的流动地震观测,利用接收函数方法计算了台站下方的地壳厚度、平均波速比和泊松比,研究结果揭示出测线下方地壳结构与岩浆活动及火山分布的对应关系.测线北部7个台站的地壳厚度在35.4~37.6 km之间,平均波速比为1.82~1.92、泊松比为0.28~0.31,其中马站附近莫霍面抬升幅度最大,与相邻地区莫霍面深度相差1~2 km,平均波速比和泊松比也达到最大值.相比之下,测线南端两个台站的地壳厚度接近40 km,平均波速比和泊松比仅为1.61~1.64和0.18~0.20,与测线北部7个台站的地壳结构相差甚大.分析表明地幔上涌对火山区莫霍面的局部抬升产生了一定影响,火山湖、黑空山、大-小空山和打鹰山下方应该存在一个相互联通的壳内岩浆囊.该岩浆囊在南北方向上的尺度约为20 km,热流活动以及幔源物质的侵入是地壳平均波速比和泊松比偏高的主要原因,它与热海附近的地温异常区分属两个不同的壳内岩浆存储系统.
关键词: 腾冲火山区      接收函数      地壳厚度      波速比      泊松比     
Crustal thickness and Poisson's ratio of the Tengchong volcanic area in southwestern China
XU Yi1, LI Xue-Lei1,2, WANG Sheng1,2     
1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China;
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: Tengchong is a Cenozoic volcanic area in the southeastern margin of the Tibetan plateau. Holocene volcanoes are mostly concentrated in the center of the Tengchong basin, showing a string-like volcanic cluster from north to south. In order to study the fine crustal structure and its relation with the magma activity of the volcanic area, we deployed a temporary earthquake observation across the major volcanoes in the Tengchong basin from May 2015 to July 2016. We used the teleseismic receiver function technique to determine the crustal thickness, VP/VS and Poisson's ratios of nine temporary stations. Results show a clear correlation of the crustal structure with volcano locations and evidence of the magma activity in the crust. For seven stations in the northern part of the profile, the crustal thickness varies between 35.3~37.6 km, with average VP/VS and Poisson's ratios between 1.82~1.92 and 0.28~0.31, respectively. Among them, the Moho interface beneath the MZT station is elevated by 1~2 km at depth, which is also characterized by the maximal VP/VS and Poisson' ratios, While the crustal thickness of the two stations in the southernmost part of the profile reaches 40 km, with average VP/VS and Poisson' ratios of only 1.61~1.64 and 0.18~0.20, respectively, much less than the results of other stations in the profile. Our analysis indicates that the mantle upwelling has significant effects on the local elevation of the Moho in the volcanic area. We speculate that the Crater Lake, Heikongshan, Dakongshan and Dayingshan volcanoes have an interconnected magma storage system within the crust. It has a size of about 20 km from north to south and isolates from the magma chamber beneath the Rehai geothermal field south of Tengchong. Undoubtedly, the heat flow activity and mantle intrusion should be responsible for the higher VP/VS and Poisson' ratios in the volcanic area.
Key words: Tengchong volcanic area      Receiver function technique      Crustal thickness      VP/VS      Poisson' ratios     
1 引言

腾冲是青藏高原东南缘第四纪火山和岩浆活动的主要区域,大约70座规模不等的火山分布在腾冲盆地及其周围(姜朝松,1998).自上新世以来,火山活动逐渐从腾冲外围向中心地带迁移,最新一期的火山主要集中在腾冲盆地的中央,形成一个南北方向的串珠状火山链,其中包括火山湖、团山、黑空山、大-小空山、打鹰山、老龟坡、马鞍山、来凤山等,至全新世时期还有岩浆活动(李大明等,2000Wang et al., 2007).火山岩多为高钾的钙碱性玄武岩和安山岩,形成原因与地幔上涌引起的热流活动有关(Chen et al., 2002; 李欣和刘嘉麒,2012).长期以来,腾冲火山区的岩浆活动和壳内存储系统一直是深部地球物理探测的主要内容.相关研究表明,以腾冲为中心的壳内低速异常十分突出,低速层的深度大约在10~20 km之间(贺传松等,2004; Xu et al., 2012),向下一直可延伸至数百公里的上地幔(Li et al., 2008a; Lei et al., 2009; Wei et al., 2012),与印缅板块向东俯冲引起的地幔上涌及热流活动存在密切的联系.根据地表的热流分布,多数学者认同腾冲地区目前存在3个壳内岩浆囊,它们分别位于五合—团田、清水—马鞍山以及马站—曲石一带(赵慈平等,2006李辉等,2011),目前可以确认的是热海和黑空山下方的岩浆囊:前者的深度在10~20 km之间,东西方向延伸十余公里,浅部为热水储层,深部为尚未固结的岩浆囊(Bai et al., 2001);后者的深度在12~30 km之间,东西方向宽度达到25 km,向北延伸至固东镇附近,向南至小空山一带厚度趋于减薄(姜枚等,2012).由于缺少南北方向密集点距的地球物理探测剖面,单凭现有资料还无法判明上述两个岩浆囊之间的联系.它们是彼此独立的还是相互联通的?也不清楚黑空山下方的岩浆囊与附近其余火山的联系,究竟是每个火山都具备独立的岩浆囊?还是共享了其中的某个岩浆囊?地幔上涌等深部动力作用对地壳结构产生了何种影响?这些问题对于了解腾冲火山区的地壳结构组成、构建岩浆活动的地学模型十分重要.

鉴于上述原因,中国科学院地质与地球物理研究所在腾冲北部火山区布设了密集点距的宽频带地震台站,实施了为期一年多的临时地震观测(图 1).本文利用记录的地震数据和接收函数方法计算了台站下方的地壳厚度和平均波速比/泊松比,期望为探索腾冲火山区的壳内岩浆活动和深部动力作用提供详尽的信息.

图 1 腾冲北部主要火山和临时地震台站分布 Fig. 1 Distribution of major volcanoes and temporary seismic stations in northern Tengchong
2 资料与方法 2.1 资料选取

测线位于腾冲北部的固东镇与和顺镇之间,呈南北方向延伸,由北向南依次穿过火山湖、团山、黑空山、大空山、小空山、打鹰山、老龟坡等火山,长度约40 km.沿测线放置九台宽频带数字地震仪,台站间距约为4 km,每个台站配备RefTek130数字采集器、Guralp CMG-3ESP拾震器和GPS时间服务系统,采用连续记录方式,采样频率40/s,自2015年5月至2016年7月持续观测一年零两个月.根据中国地震台网中心(CENC)与国际地震中心(ISC)发布的地震目录,在30°~90°的震中距范围内,从这一期间的记录数据中挑选出58个震级在5级以上、具有清晰的P波初至和较高信噪比的地震(6级以上地震来自CENC地震目录,5~6级地震来自ISC地震目录).其中包括1个8级地震,11个7级地震、44个6级地震和2个5级地震.震中分布表明,大部分地震发生在腾冲东北和东南方向的西太平洋地区,其他方位的地震分布非常稀少(图 2).波形截取可以采用两种方法,一是根据标准地球模型计算从震源到台站的地震波理论到时,确定相对于发震时刻的波形时间窗,再从记录数据中截取地震事件的波形;二是根据发震时刻截取地震事件的波形.本文大多采用第一种方式截取地震事件的波形,一共从9个台站的记录数据中挑选出500多个地震事件的波形.

图 2 五级以上的地震震中分布 Fig. 2 Epicenter locations of MS≥5.0 earthquakes used in the study
2.2 提取接收函数

接收函数波形中的不同震相对应于不同的界面转换效应,其中由Moho间断面引起的Ps一次转换波震相及PpPs、PpSs+PsPs等多次波震相最为明显.利用这些转换震相相对于直达P波的到时差能够计算出地壳厚度与壳内平均波速比(Zhu and Kanamori, 2000),其中波速比可以转换为泊松比,后者与介质的流变性密切相关,有利于揭示火山区下方的热流活动.

提取接收函数采用时间域迭代反褶积(Zhu and Kanamori, 2000),该方法是一种分辨率较高的接收函数提取技术.与频率域反褶积不同,时间域迭代反褶积并不是一次性求取接收函数的连续信号,而是将时间序列分解为一系列不同赋值脉冲因子的时移叠加,并逐一迭代求解.计算前首先对台站记录的三分量地震数据作去均值、去线性趋势和去尖灭处理,截取直达P波的前20 s和后100 s,确保时间窗足以包含来自Moho界面的多次反射波震相(李永华等,2009);然后将两个水平分量的数据旋转到径向和切向方向,利用时间域迭代反褶积方法(Ligorría and Ammon, 1999)、分别采用3个不同的高斯系数(1.0、2.0和2.5) 计算接收函数,对应的截止频率依次为0.48 Hz,0.96 Hz,1.2 Hz,通过不同频率的接收函数反映台站下方速度结构和界面深度的详细信息.

为了提高接收函数波形的质量、减少不确定因素的影响,采用智能化和人工识别相结合的方法筛选出波形相关性好、多次反射波震相清晰的接收函数,剔除不合理的接收函数波形,挑选准则与步骤如下:

(1) 将迭代反褶积获取的接收函数与垂向分量做褶积计算并与径向分量做相关计算,选择相关度高于80%的接收函数.

(2) 剔除直达P波初至极性为负,并且续至震相振幅超过直达波振幅的接收函数.

(3) 对步骤(1) 和(2) 挑选后的接收函数进行人工识别,挑选出莫霍面震相清晰、信噪比高、波形相似程度较好的接收函数,剔除信噪比较低以及波形不符合要求的接收函数.

依次对9个台站的数据重复上述步骤,合计获得335个具有较高质量的接收函数.图 3为燃灯寺台站(RDS)的接收函数图像,可以清晰地识别来自莫霍面的Ps、PpP以及PpSs+PsPs震相.图 4为9个台站的接收函数叠加图像,按照台站顺序由北向南依次排列,其中Ps、PpPs以及PpSs+PsPs震相十分明显.

图 3 燃灯寺台站(RDS)的P波接收函数 Fig. 3 P-wave receiver functions for the RDS station
图 4 9个临时台站叠加后的P波接收函数图像 Fig. 4 Stacked P-wave receiver functions for nine temporary stations
2.3 H-κ叠加扫描

利用H-κ方法对接收函数进行叠加扫描时,地壳模型参考了腾冲地区的地震测深和层析成像结果(Wang and Huangfu, 2004Xu et al., 2012),选取6.3 km·s-1作为地壳内部的P波平均速度;H(地壳厚度)和k(波速比VP/VS)的搜索范围在20~70 km和1.5~2.0之间,搜索步长分别为0.1 km和0.001,Ps、PpPs和PpSs+PsPs各震相的叠加权重设定为0.6, 0.3和0.1.对于搜索结果不太理想的台站,尽量通过调整不同的权重值使其趋于稳定.不同频率的H-κ叠加搜索结果表明(图 5),测线两端的地壳厚度和平均波速比较为一致,测线中部的计算结果相对离散,估计与火山区下方的热流活动以及幔源物质的侵入有一定的联系.尽管如此,不同频率的计算结果变化趋势基本相同,总体上测线北部的莫霍面平均深度较小、测线南端的莫霍面深度较大,局部地区有抬升或凹陷;平均波速比和泊松比也是测线北部较大,以马站附近较为突出,而测线南端两个台站平均波速比明显偏低.为了减少计算结果的不确定性,通过对比每个台站不同频率的H-κ叠加搜索结果,仅仅选出收敛区域集中、误差范围小,数值比较接近的结果计算其平均值,再由公式σ=0.5[1-(k2-1)-1]计算平均泊松比,其中k=VP/VS为平均波速比,最终的结果见表 1.

图 5 叠加搜索结果 (a) H-κ叠加搜索图像;(b)莫霍面深度;(c)波速比VP/VS;(d)泊松比. Fig. 5 Results of stacking search (a) H-κ stacking search image; (b) Moho depth; (c) VP/VS ratio; (d) Poisson′s ratio.
表 1 地壳厚度、波速比(VP/VS)和平均泊松比 Table 1 Crustal thickness, VP/VS ratios and Poisson′s ratios beneath nine stations
3 结果分析 3.1 地壳厚度

表 1所示,腾冲北部9个台站的地壳厚度在34.7~40.9 km之间,卢家寨(LJZ)地壳厚度最大, 马站(MZT)地壳厚度最小,平均地壳厚度为37 km.其中测线北部7个台站的地壳厚度变化较小,平均厚度只有36.1 km,马站(MZT)附近莫霍面局部抬升.与其不同的是测线南端的上庄村(SHZ)和卢家寨(LJZ),这两个台站的地壳厚度接近40 km,与北部7个台站相差较大.在叠加后的接收函数图像中(图 4),可以看出上庄村(SHZ)和卢家寨(LJZ)的莫霍面转换震相到时存在较大的偏移,应该是这两个台站下方地壳厚度发生变化的主要原因.

人工地震测深资料表明,腾冲和固东之间的莫霍面深度大约为37~38 km,向南至腾冲断裂附近突然加深至40 km(Wang and Huangfu, 2004).上庄村(SHZ)和卢家寨(LJZ)两个台站靠近腾冲县城,计算的地壳厚度与人工地震测深剖面的莫霍面深度大致相同,据此推测这两个台站的地壳厚度增大可能与腾冲断裂的分隔有关.鉴于密集点距的地震观测更适于反映地壳结构的横向变化,进一步证实了腾冲断裂对火山区地壳结构的控制作用.

在火山地震监测台网建成之前,腾冲地区的地壳厚度大多来自固定台站和少数流动台站的接收函数研究(贺传松等,2004Li et al., 2008bGao et al., 2009冯静等,2012查小惠和雷建设,2013邓嘉美等,2014).由于台站数量少、分布范围大,即使是使用次数最多的腾冲台也偏离了本文的测线范围.近年来,随着火山监测台网投入运行,腾冲地区增设了8个地震台站,其中马站台与本文的观测位置完全重合,民振台位于打鹰村(DYC)西侧,腾冲台位于上庄村(SHZ)以东略偏南.Yang等(2013)张龙等(2015)通过H-κ叠加扫描方法计算了火山监测台网的地壳厚度和泊松比,前者马站台的地壳厚度为34~35 km、民振台为30~31 km、腾冲台为32~33 km;后者马站台的地壳厚度为36.5 km、民振台为34.5 km、腾冲台为35.5 km,与本文测线北部7个台站的地壳厚度平均值较为接近,但却大于前者3个相同台站的地壳厚度.在他们的计算结果中,腾冲北部地壳厚度最小的是接近打鹰山的民振台,分别为30~31 km和34.5 km.在本文的计算结果中,地壳厚度最小的是位于大-小空山的马站台(34.7 km),它们均为全新世以来的火山活动最强烈的地区.

3.2 泊松比

测线下方的平均泊松比同样存在明显的变化,测线北部7个台站下方的泊松比为0.28~0.31,平均值为0.29,高于大陆地区的平均值,而测线南端上庄村(SHZ)和卢家寨(LJZ)两个台站的泊松比仅为0.20和0.19,与其他台站相比明显偏低.区域台站的接收函数研究表明,腾冲地区的地壳平均泊松比大多为0.26~0.32(Li et al., 2008b; 查小惠和雷建设,2013邓嘉美等,2014),张龙等(2015)基于火山地震监测台网的计算表明,马站台、民振台和腾冲台的平均泊松比分别为0.297、0.317和0.294,平均值为0.3,与本文测线北部7个台站的平均泊松比较为接近.Yang等(2013)的计算结果中,固东、马站、打鹰山以及腾冲一带的泊松比在0.32~0.36之间,明显高于张龙等(2015)和本文的计算结果.上庄村(SHZ)和卢家寨(LJZ)两个台站的泊松比偏低并非例外,例如Chen等(2010)利用H-κ叠加扫描方法计算的腾冲台平均波速比只有1.57,换算为泊松比仅为0.16,甚至低于本文上庄村(SHZ)和卢家寨(LJZ)的泊松比,而Li等(2008)邓嘉美等(2014)计算的腾冲台平均泊松比分别为0.28和0.26,远大于Chen等(2010)计算的腾冲台和本文上庄村(SHZ)和卢家寨(LJZ)的平均泊松比,产生上述差异的原因与不同时期的数据,数据处理方法以及计算参数的选取等因素有关.

4 讨论

地壳厚度和泊松比对于分析火山区的地壳结构和物性特征十分重要.腾冲北部是全新世火山分布最为集中的区域,虽然当前的地表热流活动相对偏低,地温异常区的分布范围较小(李辉等,2011),但是大地电磁测深已经证实黑空山至大-小空山一带存在壳内岩浆囊(姜枚等,2012).根据温泉逸出气体的同位素分析,岩浆囊的平均温度达到524 ℃(赵慈平等,2011).气体中的幔源挥发性成份、火山岩中富含的幔源矿物元素(Chen et al., 2002赵勇伟和樊祺诚,2010李欣和刘嘉麒,2012赵慈平等,2012)以及延伸至数百公里深度的低速异常表明火山区的岩浆活动与地幔深部的热流作用存在密切联系(Li et al., 2008aLei et al., 2009Wei et al., 2012Xu et al., 2012).

在以往的研究结果中,也许是台站分布相对稀少的原因,腾冲北部火山区的地壳厚度变化并不明显.本文使用了密集点距的地震台站观测资料,计算了测线下方地壳厚度和泊松比的横向变化,揭示出壳内热流效应与地表火山分布的对应关系.从测线北部的火山湖至打鹰山,这一区域的莫霍面深度与测线南端相比明显抬升,平均波速比和泊松比也相对较高,特别是在火山群分布较为集中的马站附近达到最大值,莫霍面的抬升幅度与周边台站相差1~2 km,显然受到火山区下方的地幔上涌等深部动力作用的影响.试验研究表明,富含铁镁质的矿物元素往往具有较高的泊松比(Gercek, 2007),而高温条件下岩石发生局部熔融极易导致地震波速度降低(陈有亮等, 2011; Zhang et al., 2016),特别是对S波速度的影响较大,因此热流值较高的区域也都具有较高的波速比.由此可见,介质中富含的幔源矿物成份以及岩浆囊内的高热流活动是腾冲北部火山区地壳平均波速比和泊松比偏高的主要原因.

地球化学分析表明,腾冲北部马鞍山、打鹰山和黑空山的火山岩为同源岩浆,它们可能来自于地壳深部一个相互连通的岩浆囊(李欣和刘嘉麒,2012Tucker et al., 2013).尽管黑空山下方的壳内岩浆囊已经得到大地电磁测深的证实(姜枚等,2012),由于该测线沿东西方向穿过黑空山,在南北方向上,此岩浆囊的分布范围以及与附近其他火山的关系尚不明确.根据本文的计算结果,莫霍面抬升以及泊松比偏高主要分布在火山湖(HSH)和十家田(SJT)两个台站之间大约20 km的区域内,并没有进一步向南延伸,这一尺度与赵慈平等(2006)利用相对地热梯度方法推断的马站—曲石岩浆囊(19 km)以及姜枚等(2012)根据大地电测测深方法确定的黑空山岩浆囊(东西方向宽25 km)是基本吻合的,说明腾冲北部的黑空山、大-小空山和打鹰山等火山共享了一个独立的岩浆囊,它们与腾冲南部热海附近的地温异常区分属两个不同的壳内岩浆存储系统.

5 结论

利用临时台站记录的地震资料,通过接收函数方法计算了腾冲北部火山区的地壳厚度、平均波速比和泊松比,揭示了地壳结构、热流活动及火山分布的对应关系.计算结果表明,测线北部7个台站的地壳厚度为35.4~37.6 km,平均波速比1.82~1.92、泊松比0.28~0.31,其中马站附近莫霍面抬升幅度较大,与相邻台站的莫霍面深度相差1~2 km,平均波速比和泊松比也达到最大值.上述现象表明火山区的地壳结构受到地幔上涌的影响,导致莫霍面局部抬升,而热流活动以及幔源物质侵入是地壳平均波速比和泊松比偏高的主要原因.结合相关资料推断,腾冲北部火山湖、黑空山、大-小空山和打鹰山下方存在一个相互联通的壳内岩浆囊,该岩浆囊在南北方向上的尺度约为20 km,它与热海附近的地温异常区分属两个不同的壳内岩浆存储系统.

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