青藏高原及邻近地区剪切波三维速度结构

青藏高原及邻近地区剪切波三维速度结构

一、区域分格划分青藏高原被称为“世界屋脊”，其强大的地壳和总体提升吸引了国内外地壳科学的关注。近年来，青藏高原的科学研究取得了迅速发展。另一方面，对爆炸波进行了多次深层测量，在几个不同方向的测量线上获得了该地区地壳结构和速度分布的特征。另一方面，根据自然地震资料，利用体波的运行时间确定地幔p波结构，利用面波相速度法、面波混合路径群速度法、面波纯路径群速度法和面波色度成像法获得了地壳和上地幔s波结构。地壳和上地幔波的结构如图所示，从不同角度提供了局部或整体速度模型。重力、地球物理场的一些研究方法以及重力、磁体和地壳等方法。然而，对青藏高原各部分地壳幔结构的研究还不够深入。在保证精度和分辨率的前提下，进一步量化青藏高原非均质性的细节和特点，无疑是地质研究的科学基础，对青藏高原的评价必然是有益的。反演分布模式是研究区域内特定结构的平均横向分布的一种方法，适合研究中大型分布模式。在本研究中，我们使用了4:4的分布模式。反演后，我们形成了14个青藏高原城市、三个恒河平原和一个云南西缅甸北段的地壳结构，以及距离西藏北部1个分布模式的1个分布模式。进一步确定青藏高原的横向非均质性，以及附近边境地区的趋势。二、瑞利波大圆路径我们选用发生在中国境内及周围地区的75个浅源地震(平均震级MS为5.89,平均震源深度为33.5km),搜集1985—1987年国内27个基准台的763型地震仪记录以及1980年国外WWSSN台网在伊斯兰堡、喀布尔等台的长周期地震图,在数字化仪上对波形进行数字化处理.应用适配滤波频时分析技术获取从10.45—105.03s周期范围内的瑞利波混合路径群速度频散,测量误差小于0.03km/s.在分格反演时,使用经过筛选的238条瑞利波大圆路径(平均震中距为3139km)形成对中国大陆及周围地区的稠密覆盖(图1).采用4°×4°的斜分格,倾斜方向与南北带的方向吻合.经过前置反演并调整衰减因子,获得对应于147个分格的纯路径频散,其26个中心周期(10.45—105.03s)的群速度标准离差平均值为0.12km/s.青藏高原及邻近地区的分格编号(图2)及各分格中心点的经纬度可参阅表1.为提高信息密度,74,75号分格已做合并处理;108,109,110分格作为恒河平原的整体被考虑进去.经过对分格反演分辨率核的检验,确认青藏高原地区各分格、滇西缅北地区以及作为一个整体的恒河平原地区均具有足够好的分辨率.在对青藏高原进行构造反演时使用Harkrider的面波算法及Rodi的广义线性反演程序,将剪切波速度VS作为随机反演的唯一变量.综合多位研究者[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,20]已经发表的成果,采用16层的初始模型,层厚的下限及可靠性由分辨率核决定.从构造反演分辨率核(图3)可以看出,第1层5km深度之内的分辨率不好,因此第1层不再细分,都取为5km.从5km以下直到170km深度的各层都有很好的分辨率,170km以下的分辨率较差.该地区总共18个分格26个周期上的模型平均拟合误差为0.03km/s,保证了构造反演的精度.18个分格的构造反演结果示于表2.图4绘制了每个分格的剪切波速度模型、纯路径群速度频散观测值以及与理论频散的拟合情况。三、上、下地壳运行为了探讨青藏高原壳幔结构的主要特征,在分格层状模型的基础上,对地壳、上地幔顶盖及上地幔低速层中各层的深度、厚度、平均速度、低速层速度下降值等重要的参数进行了分析,并按层厚加权平均,其结果示于表3.根据这些定量的结果,青藏高原本体可以明显地划分为4个部分,即西端、中西部、东部和东北端.每个部分内各分格的结构有共同的特点(图5),下面简述这4个部分的分区特征.由74,75,76,92号分格组成(图2),指的是西藏最西部(82°经线以西)以及克什米尔至伊斯兰堡之间的高原西端延伸地区.这里上地壳厚度约30km,北边的Moho面深度约65km,南边(92号分格)Moho面深度约60km.上地壳平均速度为3.24km/s,下地壳平均速度明显偏高,达3.90km/s.从50km深度以下有10—15km厚的低速层,但反差不大,速度逆转小于0.10km/s.西端总的地壳平均速度为3.59km/s;上地幔顶盖的厚度约为55km,平均速度为4.56km/s,最高速度平均为4.70km/s;从120km深度开始进入上地幔低速层,上地幔低速层的平均速度为4.62km/s,速度平均下降0.08km/s,最低速度4.58km/s出现在185km深度附近.由77,78,93,94,95号分格组成(图2),指的是西藏的中部以及西部其余地区.这里上地壳厚度为30km,Moho面深约70km.上地壳速度较低,为3.20km/s,下地壳速度比西端低0.09km/s,只有3.81km/s.地壳无低速层.中西部总的地壳平均速度为3.55km/s;上地幔顶盖厚度为55km,平均速度为4.63km/s,底部最高速度平均为4.69km/s;上地幔低速层平均速度为4.57km/s,最低速度平均为4.53km/s,出现在143km深度附近.由79,80,96,97号分格组成(图2),指的是青海南部36°纬线以南,98°经线以西,以及西藏东部和川西的甘孜巴塘地区,不包括36°纬线以北的柴达木盆地.这里上地壳厚度变浅为20km,Moho面亦变浅为65km.上地壳平均速度为3.28km/s,比中西部高0.08km/s,下地壳平均速度为3.77km/s,是青藏高原下地壳平均速度最低的区域.先前已有一些关于青藏高原地壳中发现低速层的报道,我们亦发现东部地区下地壳内存在着连成一片的大范围低速层.由表2可以看到东部4个分格的下地壳内都存在明显的低速层,深度为30—40km,壳内低速层的平均速度为3.37km/s.青藏高原东部总的地壳平均速度为3.62km/s;上地幔顶盖平均速度为4.61km/s,底部最高速度平均为4.64km/s,厚度为55km;上地幔低速层平均速度为4.53km/s,最低速度平均为4.49km/s,出现在130km深度附近.只包括81号分格(图2),指青海东南及四川西北角地区.这里上地壳厚度也是20km左右.Moho面深60km左右.上地壳平均速度为3.30km/s,比其它地区都高,下地壳平均速度也是最高的,达3.97km/s,无明显的地壳低速层.东北端总的地壳平均速度为3.75km/s;上地幔顶盖平均速度为4.49km/s,最高速度为4.57km/s,比青藏高源的其它部分都要低,厚度约60km;上地幔低速层平均速度为4.50km/s,最低速度为4.43km/s,出现在130km深度附近.由此不难得出青藏高原壳幔构造的总体特征(包括平均特征及变化特征).青藏高原本体(共14个分格)具有60—70km的巨厚地壳,东部地区有明显的壳内低速层,中西部的Moho面较深而周围的较浅,有较均匀的上地幔顶盖以及深大隆起的上地幔低速层.若对14个分格进行总平均,可以得到青藏高原上地壳平均厚26±5km,Moho面平均深66±7km,上地壳平均速度为3.24km/s,下地壳平均速度为3.84km/s,整个地壳的平均速度为3.60km/s,东部地区下地壳低速层出现在30—40km深度处;上地幔顶盖平均厚54±10km,平均速度为4.59km/s,底部最高速度平均为4.67km/s;青藏高原岩石层厚约120±10km(这一结果与周兵、宋仲和、杨、孙克忠等人的结果相当接近);上地幔低速层的深度从120±10km开始,平均速度为4.57km/s,比顶盖最大速度的平均值下降0.10km/s,低速层最低速度的平均值为4.53km/s,出现在150km深度附近.在各个分格壳幔模型的基础上,绘制了青藏高原及邻近地区的7幅垂直剖面剪切波等值线图(见图2及图6),来描述青藏高原本体壳幔结构的变化特征,它们所揭示的青藏高原横向不均匀性的主要表现归纳如下:1.青藏高原地壳的厚度是中央厚,周围薄:西端与东部为65±7km,中西部为70±7km.北部与南部在4°的平均尺度上无明显变化.2.青藏高原地壳内的速度横向不均匀性比较显著.西部的上地壳厚约30±5km,东部约为20±5km.上地壳速度是西部低,东部高,相差约0.07km/s.下地壳内的速度横向变化更为突出:西端和东北端速度高,中西部降低0.15km/s左右,东部又比中西部降低0.05km/s.整个地壳平均速度则以中西部最低.3.青藏高原的中西部没有明显的壳内低速层.东部地区壳内速度与深度呈现出复杂关系,下地壳内30—40km深处普遍存在明显的地壳低速层.4.青藏高原上地幔顶盖的平均厚度在50±10km到60±10km之间,中央薄,周围厚,形状像个凹透镜.顶盖内的速度横向变化很小.5.青藏高原的上地幔低速层内存在着占主导地位的低速腔,位于西藏大部分地区及其东侧的下方,并明显地向上隆起(见图5及图6).低速腔的顶部在130±10km深度处,速度为4.50km/s左右,靠东侧的速度更低些.这个横贯东西的上地幔低速腔处于北纬28°与36°之间,西起东经80°,东边一直延伸,与滇西缅北以及青海东部的上地幔低速腔连成一体,俯视就像一个横放着的“T”字形.它的上方正是东西走向的喜马拉雅山系、冈底斯念青唐古拉山系、昆仑山系以及南北走向的横断山脉.这个“T”字形的上地幔低速腔是占主导地位的地幔热物质上涌的有力证据,对于理解青藏高原的形成、地壳的皱缩增厚、广泛的地热异常、频繁的地震活动、地幔热物质分期侵入地壳、壳幔物质的混合壳内低速层的形成等一系列青藏高原存在的地学现象有重要意义.6.青藏高原地壳及上地幔内剪切波速度的水平分布也呈规律性的变化,横向不均匀性的程度随深度的增大而逐渐减小.例如,图7给出了25,35,55,110和155km5个不同深度的剪切波速度水平切面图.统计表明,在地壳内25km深度处,中西部(5个分格)的平均速度比东部(4个分格)低12.7%;35km深度处,中西部比东部高8.6%;55km深度处,中西部比东部低2.3%;在上地幔顶盖内的110km深度处,中西部比东部高1.1%;而在上地幔低速层里的155km深度处,中西部只比东部高0.9%.四、外地禾顶盖运动区域恒河平原处于印度板块的东北部,北与青藏高原接壤.组成该区域的3个分格的分格特征和平均特征已分别总结在表3和图6中.恒河平原作为一个整体而言,Moho面位于34±2km深度上,上地壳厚度为20km,平均速度为3.25km/s,下地壳平均速度为3.74km/s,总的地壳平均速度为3.45km/s,壳内无低速层.看来,恒河平原的地壳厚度和速度没有出现剧烈的变动,这可能是古大陆地壳的一种特征.恒河平原的上地幔顶盖厚度为86±10km,岩石层总厚度为120±10km,与青藏高原的一致,顶盖的平均速度为4.63km/s.这个巨厚顶盖内有一层位于55—83km深度处的低速夹层,平均速度的负向变化为0.12km/s(见表2),这使得巨厚顶盖内的速度分布明显地分为上下两段:顶盖上半段21km厚,速度由4.55km/s上升到4.64km/s;顶盖下半段65km厚,速度由4.52km/s上升到4.72km/s.高速巨厚顶盖所具有的高密度是恒河平原岩石层的显著特点.今天,具有巨厚地壳的青藏高原在重力均衡补偿以及上地幔低速腔隆起的双重作用下仍在继续上升,而具有高速巨厚上地幔顶盖的恒河平原,受重力均衡的制约却不随着青藏高原的隆起而升高,这正是喜马拉雅山南北两侧的地貌能长期保持几千米高度差的内在原因.恒河平原的上地幔低速层顶部平直,平均速度为4.58km/s,最低速度4.52km/s出现在172km深度附近.滇西缅北地区是青藏高原向东南方向转折延伸的部分,处于印度板块与欧亚板块的南北向缝合带处,是典型的构造活动地区.这个地区的分格构造及总体特征已归总在图5、表3和图6中.我们发现这个地区的复杂构造有两个特点,即上地壳及下地壳中都存在低速层,并有较大的速度逆转,以及与其它分格相比,其上地幔顶盖的平均速度最低.龙陵Ⅲ号剖面地震爆破测深曾得到该地区Moho面深度为40km左右,用反射波走时公式和P,P11波到时差曾求得龙陵地区Moho面的深度大约为42km.通过分格反演,我们发现111号分格在45km深度附近有一个大的速度跃升,这个深度可能就在Moho面过渡带之中.这一地区的上地壳平均速度为3.12km/s,比青藏高原本体或恒河平原的上地壳速度都要低.下地壳平均速度为3.71km/s.上地壳和下地壳中都有低速层:前者的速度平均为2.89km/s,位于12—20km深处,速度下降的平均值为0.48km/s;后者的速度平均为3.20km/s,位于36—45km深处,速度下降的平均值为0.82km/s.两个壳内低速层之间有一层16km厚的高速夹层,速度平均为4.00km/s.下地壳低速层及其上方的高速夹层与青藏高原东部的壳内低速层及其上方高速层分别连成一片,速度也很接近,这反映了青藏高原本体与它的东南延伸部分在构造上的紧密联系.滇西缅北地区上地幔顶盖的速度偏低,平均速度只有4.42km/s,顶盖底部速度为4.64km/s,顶盖厚度为75±10km.顶盖平均速度比青藏高原本体和恒河平原的顶盖速度分别低0.17km/s和0.21km/s.这一地区的上地幔低速层从120±10km开始下延,平均速度为4.50km/s.其中的最低速度4.42km/s出现在140km深度处附近,此深度比恒河平原的浅,而与青藏高原东部的上地幔低速层内隆起的低速腔相通(图5及图6),成为沿东西方向贯穿青藏高原的地幔低速腔向东南端扩展的部分.滇西缅北地区地壳上地幔的这种异常复杂的结构是在长期的壳幔演化过程中形成的,是多因素综合作用的结果.一方面,这一地区正处在印度板块与欧亚板块侧面碰撞剪切的缝合带上,两个板块Moho面的深度差别较大,推压剪切的结果必然使较软的滇西缅北地区地壳构造发生剧烈的形变,地壳物质在强大挤压作用下运移摩擦产生相当大的热量,并在相当大的深度范围内发生壳幔物质混杂,在一定程度上降低了顶盖的平均速度.上地幔顶盖在受到印度板块传来的侧面剪切力的同时,又受到下方隆起的地幔低速层的挤压,强烈形变导致的局部断裂和破碎又有利于岩浆上涌而形成通道,产生局部物质熔融层及低速扰动区.另一方面,滇西缅北地区又是青藏高原本体的东南延伸部分,在冈瓦纳古陆的多个微型陆块依次冲入古中国大陆而形成青藏高原的漫长演化过程中,青藏高原中部隆起的物质不断向东西两侧运移,尤其是向东部运移的大量物质以及上地幔顶盖下方隆起的低速腔的上抬作用促成了广泛的造山运动.板块内部的这种应力变化和物质迁移,使青藏高原东部地区以及滇西缅北等边缘延伸地区经历了猛烈的挤压、碰撞、破碎、褶皱、增厚、断裂、物质熔融、重力分异、地层倾覆、岩浆上侵等复