藏北低速體存在的地震學證據
——INDEPTH4寬頻地震結果

薛光琦, 趙文津, 宿和平, 錢 輝, 馮 梅, James Mechie

1)中國地質科學院礦產資源研究所, 北京 100037;

2)中國地質科學院, 北京 100037;

3)中國地質科學院地質研究所, 北京 100037;

4)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081;

5)德國GFZ地學研究中心, 德國波斯坦 14473

藏北低速體存在的地震學證據
——INDEPTH4寬頻地震結果

薛光琦1), 趙文津2), 宿和平1), 錢 輝3), 馮 梅4), James Mechie5)

1)中國地質科學院礦產資源研究所, 北京 100037;

2)中國地質科學院, 北京 100037;

3)中國地質科學院地質研究所, 北京 100037;

4)中國地質科學院地質力學研究所, 北京 100081;

5)德國GFZ地學研究中心, 德國波斯坦 14473

位于青藏高原東北部的INDEPTH-IV地震探測剖面, 始于柴達木盆地南緣, 穿越東昆侖造山帶、金沙江縫合線, 終止于羌塘地體。本文作者利用天然地震體波完成了該區的三維走時殘差反演, 勾劃出了青藏高原東北部的深部構造格局。研究區最顯著的現象則是分布在昆侖地體、可可西里地體、羌塘地體北部下地殼、上地幔中的低速體。對其成因, 有可能與向北俯沖的印度板片與向南俯沖的歐亞板片在此聚合形成的地幔熱物質有關。另外, 昆南、昆中斷裂、金沙江斷裂向南的逆沖現象比較明顯; 推測柴達木盆地的上地幔中沒有熱物質的交流, 為剛性巖石圈。

昆中斷裂; 地震層析; 低速體; INDEPTH-IV

INDEPTH-IV地震深部探測剖面自北向南穿越了東昆侖造山帶、松潘—甘孜—可可西里地體、金沙縫合線, 終止于羌塘地體, 是當今國際地球科學領域的熱點研究地區之一。

1986—1991年, 中國地質科學院、中國地質大學、長春地質學院與中國科學院地質研究所、地球物理研究所等單位聯合完成了亞東—格爾木 GGT地學斷面并在深部研究方面取得了重要成果(高銳等, 1989, 2009)。1991—1992年, 國家地震局與美國合作開展了 PASSCAL實驗, 在拉薩-格爾木青藏公路沿線布設了11臺寬頻帶天然地震儀, 進行深部探測實驗。1993年, 中法合作在青藏高原的北部從唐古拉—格爾木—錫鐵山一線布設了 53臺天然地震儀, 主要進行了層析成像研究。遠震層析成像結果顯示在青藏高原的中北部上地幔中存在低速異常(Wittlinger et al., 1996)。1998年, 中法科學家合作在青藏高原的東北部實施了“共和—玉樹地震調查與深部構造研究”項目, 進行了爆炸地震與天然地震研究。中法研究結果顯示, 青藏高原北段不同地體有著明顯不同的基底和地殼結構特點, 東昆侖—柴達木地體具有厚的上地殼和薄的下地殼, 和較低的地殼平均速度(Vp=6.2 km/s), 厚度55～65 km, 松潘-甘孜地體的地殼具有復雜的高低速互層結構和接近于全球平均的地殼速度(6.45 km/s), 而羌塘地體具有薄的上地殼和厚的下地殼(Galve et al., 2002), 厚度達 75 km。前人現有深部探測資料對于我們認識青藏高原形成和演化過程起了非常重要的作用。

在研究前人成果的基礎上, 中國地質科學院與美國康內爾大學、德國 GFZ地學中心于 2007年5月至2008年7月合作在格爾木—曲麻萊沿線布設了50臺寬頻地震儀器, 探測青藏高原東北緣的深部構造, 旨在獲得描繪青藏高原東北緣深部構造的圖像,了解高原北部塊體相互作用的關系、巖石圈深部結構等有爭議的問題。本文依據地震層析成像結果,對高原北部上地幔存在的低速體進行研究探討。

1 研究區大地構造背景

圖1 昆侖地區地質構造簡圖Fig.1 Tectonic sketch map of Kunlun region

地震探測剖面自格爾木進入昆侖山, 在昆中斷裂以南分為兩支, 以終點為曲麻萊和風火山的探測路線進入了羌塘地體，全長約為300 km, 跨過了數個構造單元(圖1)。剖面北部進入了柴達木盆地的南緣, 向南穿越了昆中斷裂帶、昆南斷裂帶、金沙江縫合線等; 自北而南經過了昆侖地體、松潘—甘孜—可可西里地體、羌塘地體, 各個地體都是以斷裂帶或縫合線為界, 且構造線走向基本呈東西、北西向。這些地體和構造帶的形成時代有由北向南漸新的趨勢, 而且都可以和高原東、西部的主要構造帶相連接。

2 地震層析反演

2.1 資料及模型

此次野外施工使用德、英方投入的50臺三分量地震儀器, 檢波器分別為30 s、120 s, 記錄到的體波震相清晰。用于遠震層析反演的大于 4.5級的地震事件1560次, 地震射線為46230條。

本文的反演技術與 Wittlinger于 1998年在《Science》上登載的層析成果所使用的方法相同?？紤]到臺站布設的方式, 將模型設計成兩部分(AA和 BB)。由于 BB剖面長度短, 本文只論述了沿著AA進行層析反演的結果。參考前人在該區的成果,模型的建立采用了 8層結構, 反演前的走時殘差方差為0.1345, 反演后的方差為0.01543, 層析反演數據的改進值為88.52%。

2.2 速度結構特征

(1) 區域性速度分布特征

圖2為32°～39° N及91°～98° E區間不同深度的地震層析相對速度擾動圖像。速度擾動值如色標所示, 冷色為高速, 暖色表示低速。圖2(a)為10 km深度的層析圖, 反映了地殼上部的速度分布特征。以南昆侖斷裂為分界, 昆侖地體內以高速擾動分布為主, 松潘—甘孜—可可西里和羌塘地體為低速擾動所覆蓋。另外, 在格爾木一帶的柴達木盆地南緣也存在低速體。

圖2 體波層析結果水平切片圖Fig.2 Horizontal layers in the body-wave tomography

圖3 體波層析沿AA剖面斷面圖Fig.3 Transect of the body-wave tomography along the AA profile

70 km深度的速度分布(圖2(b))反映了下地殼上地幔的速度結構, 昆中斷裂以北有局部的低速塊體分布, 昆侖地體仍為高速擾動并延續至剖面東部的可可西里地體; 昆南斷裂的西部明顯地區分出昆侖地體和松潘—甘孜—可可西里地體的速度差異; 金沙江斷裂的東部, 兩側的速度變化也非常明顯; 羌塘地體為低速擾動覆蓋。

圖4 沿AA剖面的面波層析結果Fig.4 Surface-wave tomographic image along the AA profile

210 m深度的速度圖(圖2(c))表現出地幔中的低速體集中分布在剖面兩側的昆侖地體和可可西里地體內, 而位于昆侖地體北部的柴達木南緣及柴達木地體內部則為高速擾動覆蓋, 表現出了兩個地體冷熱不同的上地幔結構?？梢酝茰y柴達木盆地不存在熱交流活動, 巖石圈為剛性(尹安等, 2007)。地震面波的速度分布也顯示了柴達木巖石圈是高速的(馮梅, 待發表)。

在300 km深處(圖2(d)), 昆侖地體、可可西里地體下方的低速體持續向東向南蔓延, 穿越了金沙縫合線, 終止于羌塘地體的北緣。這種持續在上地幔中的低速區的分布暗示著該區存在著相對較厚的熔融物質。剖面北部進入了柴達木盆地南緣地帶,該區仍為高速擾動, 而且在300 km深的地幔中, 波速突變帶與盆山轉換帶仍能較好地對應。

(2) AA’ 斷面的速度分布特征

在0～100 km深度, 沿AA’剖面(圖3)自北向南首先經過的是昆侖地體與柴達木盆地的接觸部位, 其下方對應著北傾的高速擾動體, 高速體向南穿過了昆中斷裂, 終止于昆南斷裂下方, 昆中、昆南斷裂帶均顯示出向南逆沖的趨勢(吳珍漢等, 2007)。在金沙縫合線位置有一條北傾的高速帶向下延深至150 km深處, 也許是反映了金沙江斷裂的一種向南的逆沖(或是向北的俯沖？)。另外, 2001年發生在昆侖山口西的8.1級大地震以及2010年巴顏喀拉地體(松潘—甘孜—可可西里地體)南緣的玉樹大地震均可體現出昆侖斷裂與金沙斷裂的活動性, 并反映出印度板塊和歐亞板塊仍然在以進行時態的方式運動著。

在150 km深度之下, 速度擾動的顯著特征是在昆中斷裂與金沙縫合線之間存在大面積的低速異常體。中法合作體波層析結果也顯示出該區上地幔中的低速體(Wittlinger et al., 1996)。而在層析圖中松潘—甘孜地體(巴顏喀拉地體)南部, 150 km 深度之下有高速體自南向北出現?？梢越忉尀樵摳咚佼惓４砹烁_至青藏高原之下的印度板片前緣, 而位于昆中斷裂與金沙縫合線之間低速異常則可能反映了由于俯沖產生的高溫幔源物質。另外, 沿本區相同剖面的面波層析圖(圖 4)也展示了藏北殼幔中分布著大面積低速體的現象。

PKP走時殘差與淺部構造帶的對應: PKP是入射角度近乎垂直到達臺站下方的遠震震相, 它的走時變化與巖石圈內垂向速度變化有關, 所以能反映出Moho的形態變化。

筆者挑選了發生在智利北部三次大于 5級的地震 (21/11/2007 12: 55.5 D=115 km (24.48.6S 68.28.3W)); (24/11/2007/ 5: 26 D=92km (23.46.2S 69.0.7W)); (14/11/2007 17: 18: 45 D=46 km (23.8.8S 70.05W)), 獲得了清晰的 PKP走時殘差, 殘差曲線顯示出南高北低的形態。這與高原的地殼厚度西、南部深, 東、北部淺是一致的, 羌塘地體和巴顏喀拉地體(松潘—甘孜—可可西里地體)地殼厚度大, 而柴達木的地殼要相對薄些。表現在殘差曲線上則是羌塘地體和巴顏喀拉地體(松潘—甘孜—可可西里地體)殘差到時晚, 而柴達木盆地內部的殘差到時可以早到 0.8 s。本項目接收函數結果所描繪的 Moho形態支持PKP曲線上述分析。

另外, 羌塘地體和巴顏喀拉地體(松潘—甘孜—可可西里地體)到時的延遲比較晚(可以達到 0.8 s),也暗示了由于其下方地幔中大量的熔融物質的存在而影響了地震波的傳播速度。

3 結論及討論

(1)地震層析圖像所給出的最顯著現象則是分布在昆侖地體、可可西里地體、羌塘地體北部下地殼、上地幔中的低速體。對其成因, 一般認為與該低速異常體有可能與由向北俯沖的印度板片與向南俯沖的歐亞板片在此聚合形成的地幔熱物質有關。

也就是說, 高原內部存在的大面積的低速體是與青藏高原的形成過程近乎同步的。藏南地處大陸碰撞的較早時期, 殼內俯沖比較劇烈, 俯沖過程中的摩擦導致殼內10～30 km深度處溫度的相對升高,地震波速度降低, 形成該地區地殼上部的低速異常區。而藏北地區已到了大陸碰撞的后一階段, 地殼上部已逐漸冷卻下來, 這時期的殼幔之間的相互作用呈相對活躍的趨勢, 俯沖對流導致深處熱物質的上涌, 殼幔物質的相互交融, 使得藏北地區的下地殼和上地幔頂部的溫度相對升高, 表現為該地區的地震波速度偏低(Vergne et al., 2002; Wittlinger et al., 2004)。對PKP殘差曲線延遲的分析, 也反映出可可西里地體、羌塘地體北部存在大面積低速物質的現狀。

圖5 PKP走時殘差與構造單元的對應關系Fig.5 Correlation between PKP travel-time residuals and tectonic units

相關研究發現, 沿東昆侖山逆沖左旋走滑斷裂帶有以中心式噴發為主, 裂隙式噴發次之的火山活動, 沿斷帶有火山口存在。噴發時間從古近紀至更新世, 從未停止。唐古拉山和可可西里山有上新世過堿性巖的火山噴發活動; 1952年在昆侖山與阿爾金山交匯處, 沿斷裂帶還有火山噴發活動(蔡厚維, 2009)。這些巖漿與地熱活動反映出殼幔中存在的熱能, 而在地震層析圖中則以低速擾動的形式表現出來(圖2)。

筆者認為, 上述提到的藏北火山活動、高原的隆升史、各向異性等現象均反映了該區深部熱交換的存在, 由此出現的低速異常體有可能與由向北俯沖的印度板片與向南俯沖的歐亞板片在此聚合形成的地幔熱物質有關。

(2)斷面圖對昆南、昆中斷裂、金沙江斷裂向南的逆沖現象有較好的表現。而且根據斷裂兩側近年頻繁發生的地震(董樹文等, 2009), 說明青藏高原的活動并未減速。巴顏喀拉地體(松潘—甘孜—可可西里地體)北部穩定, 但南北兩側的金沙縫合線與昆侖斷裂則是地震多發區。

(3)柴達木盆地在上地幔沒有低速體存在(210 km 層析水平切片圖), 說明盆地巖石圈是剛性的, 未存在熱物質交流的跡象。

致謝: 感謝為本文撰寫提供原始資料的全體INDEPTH4項目組成員; 感謝青海省地震局、地調院、省軍區在項目實施中所給予的協助。同時對在數據預處理中提供幫助的閻木森、崔湘等人, 在此一并表示感謝。

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Seismological Evidence for the Existence of the Low-velocity Body in Northern Tibet: A Result from INDEPTH-IV Based Broad-Band Seismological Study

XUE Guang-qi1), ZHAO Wen-jin2), SU He-ping1), QIAN Hui3), FENG Mei4), James Mechie5)
1) Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037;
2) Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037;
3) Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037;
4) Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081;
5) GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegrafenberg, Potsdam 14473 Germany

The INDEPTH-IV seismic profile, located in northeastern Qinghai-Tibetan Plateau, starts at the north end of Qaidam Basin, extends across East Kunlun Fault Zone, Jinsha Suture, and ends at Qiangtang Terrain.The authors implemented a 3-D travel-time residual reversion using body-wave from the natural earthquake, and outlined the pattern of the deep-seated structure underneath the northeast part of the Qinghai-Tibetan Plateau.The most notable phenomenon in the area of interest is the existence of low-velocity bodies distributed between the lower-crust and the upper-mantle beneath the Kunlun Terrain, Hoh Xil Terrain and the north part of Qiangtang Terrain, probably related to the hot mantle material derived from the collision between the northward thrusting Indian Plate and southward moving Eurasian Plate.The result obviously indicates that the South Kunlun Fault, Central Kunlun Fault and Jinshajiang Fault are all southward thrusting.It is then presumed that the upper -mantlebeneath the Qaidam Basin is rigid, where there is no exchange of hot material.

Central Kunlun Fault; seismic tomography; low-velocity body; INDEPTH-IV

P313; P315.2

A

10.3975/cagsb.2011.03.08

本文由中國地質調查局項目“青藏高原深部結構探測與地殼活動特征”(編號: 1212010511809)、美國自然科學基金委員會(NSF)、德國GFZ地學研究中心聯合資助。

2011-03-18; 改回日期: 2011-04-18。責任編輯: 魏樂軍。

薛光琦, 女, 1950年生。研究員。長期從事深部地球物理探測實驗研究, 近年來重點探討青藏高原的深部構造問題。通訊地址: 100037, 北京市西城區百萬莊大街26號。電話: 010-68994822。E-mail: xueguangqi@cags.ac.cn。