（地球探测与信息技术专业论文）青藏高原东缘及龙门山被动源地震剖面及台阵研究.pdf

摘要 青藏高原东缘及龙门山被动源地震剖面及台阵研究 作者简介：李海丰，男，1 9 8 1 年2 月生，师从成都理工大学朱介寿教授， 2 0 0 8 年7 月毕业于成都理工大学地球探测与信息技术专业，获得工学硕士学位。 摘要 对青藏高原及喜马拉雅造山带形成、演化及动力过程的研究，在最近3 0 年来 得到了蓬勃的发展，丰富的地震测深断面和台阵观测成果，初步揭示了青藏高原 岩石圈结构及其深部动力过程。然而，有关青藏高原东缘岩石圈探测工作却丌展 甚少。为了解青藏高原东缘及龙门山岩石圈结构和深部动力过程，我们自2 0 0 5 年以来，通过中法合作方式，在龙门山与青藏高原东缘布设被动源地震台阵观测 研究，建立这一地区地壳及岩石圈地幔细结构和动力学模型，将青藏高原及造山 带形成演化研究深入一步。通过龙门山的密集的地震仪剖面及台阵观测，不仅有 助于龙门山及松潘一甘孜地块岩石圈和深部动力学的研究，而且可以了解鲜水河 断裂的性质，并与青藏高原其它走滑断裂相比较。 随着轻便，灵敏，高精度的宽频地震仪器的问世及不断完善，利用宽频带三 分量天然地震数字记录对地壳，上地幔结构的研究，为地球深部构造研究开辟了 新的途径，极大地推动了全球深部构造以及地球动力学的研究。并且随着更密集 台站观测资料的增加，新的研究手段的采用，地震三维层析成像和接收函数法已 经成为研究岩石圈地幔速度结构和速度间断面有效的方法。因此本文通过接收函 数的方法具体研究了青藏高原东缘和龙门山地区岩石圈结构和深部动力学特征 进行了研究。 我们利用接收函数方法对盆地龙门山两侧以经整理好数据的部分台站下 方的岩石圈结构做出了一些结果，结果表明莫霍面白扬子盆地( 3 6 4 0 k m ) 跨龙 门山( 5 0 l 刚) 到松潘甘孜腹地( 6 2 6 5 l 洲) 逐渐加深，跨鲜水河断裂又变浅 ( 6 0 k m ) 。岩石圈与软流圈的分界面深达1 4 0 1 5 0 l 洲。青藏高原东缘( 龙门山) 的岩石圈结构与动力学过程与青藏高原南缘( 喜马拉雅山) 和北缘( 昆仑山) 有 很大不同。 青藏高原的南缘及北缘均有岩石圈板块的陆内俯冲，特别是南缘印度板块岩 石圈可以下插到l o o 余公里深度，水平推移距离达数百至一千余公里。此外，印 度板块地壳也有一部份俯冲到青藏高原之下。 青藏高原东缘与扬子地块的拼接关系与上述情况完全不同，这里未发现岩石 圈的陆内俯冲，两个地块的岩石圈沿龙门山、岷山一带碰撞镶接在一起，其深度 成都理工大学硕士学位论文 从1 5 0 k n l ( 扬子地块) 到1 6 0 1 7 0 ( 青藏高原东缘) 。 龙门山上部的推覆作用是形成龙门山一系列逆掩断层，出现大规模复杂岩体 及飞来峰的主要是原因。这种推覆作用是松潘甘孜地块中上地壳沿低速层( 滑脱 面) 向地表逆冲作用所引起。龙门山推覆体主要是在中生代侏罗纪形成，新生代 以来推覆作用已大大减弱。 关键词：接收函数、青藏高原东缘及龙门山、莫霍面，岩石圈软流圈界面 l l ap a s s i v e s e i s m o l o g i c a lp r o f i l ee x p e r i m 钮ti ne a s t e r nm a r 酉no f 1 i b e t a np l a t e a ua n d l o n g m e n s h a nr e g i o n i i l 臼o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：“h a i f 醯舀m a l e ，w a u sb o mi nf e b m a r y ，19 8 1w h o s e n l t o r 、忱sp r o f e s s o rz h u j i e s h o u h e 黟a d u a t e d 右mc h e n g d u u n i v e r s i t yo f t b 咖1 0 l o g yi ne m t he x p l o r a t i o n 锄di n f 0 册a t i o nt e d 1 i q u e sm 旬o ra l l dw a s g r a n t e d t 1 1 em a s t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t t h e l ( i l o w l e d g ea b o u tt h e 斯m a t i o n ，t h ee v 0 1 u t i o na n dt h ed v n a m i co ft h et i b e t a l l p l a t e a ui sd e 印l yl i l l l ( e dt ot h er e s u l t so b t a i n e d u g l lm l m e r o u ss e i s m o l o g i c a l c 锄p a l n s1 nt h i sr e 馨o ns l n c em o r em a l l3 0y e a r s t h e s es e i s m o l o 西c a le x p e r i m e n t s y i e l dab e t t e rk n o w l e d g eo ft h es t m c t u r ea 1 1 d c o m p o s i t i o no fm ec r u s ta i l du p p e r m a n t l ei nc e i l 仃a lt i b e t n e v 酣h e l e s so i l l ym ee a s t 锄b o r d e ro f t h ep l a t e a u ，c o n s t i t u t e d b yt h el o n g m e i l s h a nb d tt e n dt o w a r d sn em a ts e p a r a t e sm et i b e t a l lp l a t e a u 舶m t h e y 锄舀z ec r a t o n ，h a s n e v e rb e e ns t u d i e di n d e t a i ls i n c e2 0 0 5 。a p a s s i v e s e i s m o l o 西c a le x p 嘶m e n tp r o f i l ea c r o s st l l el o n g m e l l s h a l lb e l tt os o n g p a l l g a n z i b l o c k ，d 印l o y e df b mt h e 矗d n tr a l l g eu pt ot h ei n s i d eo ft h ep l a t e a ua n df o rm o r et h a l l o n ey e a r p e d o d i tw i l lh e l pu st oh o wa b o u tt h ep r o p e n yo ft h el o n g m e l l s h a l lb e l t w i t ht h ea p p e a 啪c ea n dd e v e l o p m e l l to ft h ep o n a b l e ，a 舀l e ，h i 曲a c c u r a c y 如1 1 s p e c 细ms e l s m o g r a p h ，w ec a l lu t i l i z en l eb r o a d b a n da n d t i 玳e c o m p o n e l l t s e l s m o 黟a p ht os t l l d yt h es t m c t u i ea j l dc o m p o s i t i o no ft h ec m s ta n du p p e rm a l l t l e i t 0 p e i l e dt 1 1 en e ww a yf o rm ee 矧 hd e 印s t r u 咖r er e s e a r c h ，i m p e l l e dt h e 翻o b a jd e 印 s t m c t l l r ea sw e l la st h ee a r t hi l y n 锄i c sr e s e a r c he n o 肋o u s l y a n dw i t ht h ed a t a m c r s a s i n ga n dn l eu s eo ft h en e wm e 1 0 d ，t h er e c e ：i v e 如n “o nm e t h o da l r e a d v b e c 锄ee f f e c t i v em e t h o dt o 咖d yl i t h o s p h e r em a n t l es p e e ds t m c t u r e 锄dt h es p e e d s u m c eo fd i s c o n t i n u i t y t 1 1 e r e f o r et h i sa n i c l es t u d i e ds p e c i f i c a l l yt h ef o 加a t i o n ，t h e e v o l u t i o na 1 1 dt h ed y n 锄i co ft h ee a s t e n lb o r d e ro ft h e t i b e t 觚 p l a t e a ua n d l o n g m e n s h a nt h r o u 曲t h er e c e i v e 如n c t i o nm e t h o d w eu s em et e l e s e i s m i cr e c e i v e rf h n c t i o nm e m o dt oi n v e r tt h ei m a g eo fc r u s t a l 锄dl i t h o s p h 丽cs 咖c t l l r e ，n ed 印t ho fm o h o b o u n d a 巧i si n c r e a s e d 舶m3 6 4 0 l i a 玎l i ny a l l 或z ec r a t o n ，5 0 l 洲a c r o s st h e l 0 n g m e l l - s h a nb e l t ，a n d6 2 6 5 圣a mi nt h ec h a 1 p a r to fs o n g p a n _ g 蛐z ib l o c k h o w e v e ri ts h o w sa c r o s st 1 1 ex u s h u i h ef a u l tz o n e t h e d 印t ho fb o u n d a 巧b e 觚e e i lt h el i t h o s p h e r ea n da s l e o s p h e r ei s 14 0 15 0 l ( m t h e l i t h o s p h e r es 觚l c t u r ea 1 1 dd y n 锄i c sp r o c e s si sv e 秽g r e a t i yd i f j 断e n ti ne a s t e n lm a r 西n o ft i b e t a l l p 1 a t e a u ( l o n g m e l l 一s h a l l ) a 1 1 d s o u t h e n lm a 哂no ft i b e t a j l p l a t e a u ( t h e h i m a l a y am o u n t a i n s ) a n dn o n h e n lm a 哂no ft i b e t 觚p l a t e a u ( k u n l u nm o u n t a i n ) 1 1 1 e r ea r eb o t hi n 仃a c o n t i n 饥t a ls u b d u c t i o no fl i t h o s p h 谢cp l a t ei ns o u m 锄 m a r 西no ft i b e t a np l a t e a ua i l dn o r t h e mm a r 舀no ft i b e t a i lp l a t e a u ，e s p e c i a l l ym e s o u t h 锄m a r 西no ft l l e1 1 1 d i a i lp l a t eu n d e rt h e1 i t h 0s p h e r ec a l lp l u gi n t om o r et h a n1o o k i l o m e t r e sd 印t h ，m e1 e v e lo fo v e rad i s t a l l c eo fs e v e r a lh u n d r e dt om o r ct h a l l1 0 0 0 k i l o m e t e r s t h em o s a i cr e l a t i o n so fe a s t e n lm a 晒no ft i b e t a np 1 a t e a ua n dt h ey a l l g t z e b l o c ki sc 0 m p l e t e l yd i f j f e r t ，i ti s n ts t i l lf o u n d e dw i t h i nt h el i t h o s p h e r eo f t h el a l l d d i v i n g ，t h et w op l o t so ft h el i t h o s p h e r ea l o n gl o n g m e n s h a n ，m i n s h a ni n l a yt ot h e v i c i l l i t yo ft 1 1 ec 0 1 1 i s i o nw i t hi t sd 印t l lf r o l n15 0 k m ( y a l l g t z eb l o c k ) t 016 0 17 0 l ( i l l ( e a s t 咖m a r 西n o ft i b e t a np 1 a t e a u ) t h e n a p p i n go f l eu p p e rp a no f l o n g m 饥s h 锄 i st h em a i nr 0 1 eo f f b m i n gas 嘶e so fr e v e r s e df a u l t s ，1 a r g e - s c a l ec o m p l e xr o c km a s sa i l dk l i p p e s i t ，s c a u s e db yt h er o l eo fs o n 印a 1 1g a n z ib l o c ki nm eu p p e rc m s ta l o n gt h e l o w s p e e d l a y e r ( s l i ps u r f a c e ) t h l l l s tt ot h es u r f a c e t h en a p p eo fm el o n g m 肌s h a ni sm a i l l l v f b m a t t e di nm em e s o z o i cj u r a s s i c ，b u ti th a sb e e n 缈a t l yw e a k e n e ds i n c e 廿l en e w g e n e l a t i o n k e y w o r d s ：t e l e s e i s m i cr e c e i v e 劬鲥o nm 劬o d ；n ee a s tm a 画no fq i n 曲a i t i b e t p l a t e a ua 1 1 d l 0 n g m e n s h a n ；m o h ob o u l l d a 巧；d e p t ho fb o u n d a r yb e t w e e nt h e l i t h o s p h e r ea 1 1 da s t l l e n o s p h e f e ； l v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都理王太堂或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 黜槲躲淼每羊 2 。毛年6 月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都理王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛都理王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：苍j 每丰 学位论文作者刷程轹躺考 2 。弓年6 月 5 日 第1 章引言 第l 章引言 1 1 青藏高原东源及其龙门山地区地壳上地幔研究意义 青藏高原是全球造山带研究最热门的天然实验室，近半个多世纪以来，吸引 了全球地球科学家的关注。有关青藏高原及喜马拉雅造山带的形成、演化及动力 学的研究，在近3 0 多年来得到蓬勃的发展，已取得了丰硕的成果。特别是上世 纪8 0 年代以来，由我国多个单位以及中美、中法等多国合作进行的深地震折射 和反射剖面，以及天然地震台阵的研究( 图1 1 ) ，对青藏高原南缘、北缘及中 部西部几区域的岩石圈结构已有较清晰的了解。 r 厂厂一一 02 0 0 04 0 0 0 e l e v a t i o n ( m ) 图1 1 为1 9 9 1 年以来青藏高原被动源地震台阵观测剖面，其中红色为中法合作剖面、蓝色为中荧合作 剖面、黑色为国际合作固定台站。本项目研究汁划的龙门山台阵观测为白色区域。 这些地震剖面或台阵研究，极大地改变了我们对青藏高原内部结构和应力应 变状况的认识。例如，印度板块在高原南缘大规模向北俯冲，其岩石层的前缘已 达到金沙江一怒江缝合带以北，而其北缘沿阿尔金及昆仑山的走滑断裂一般都匹 成都理工大学硕士学位论文 配有小规模的向南俯冲。然而，这些观测剖面大部分分布在青藏高原的中部和南 部、以及西部和北部边缘，青藏高原东缘及青藏高原与扬子克拉通之间的龙门山 构造带，尚是空白区，一直未作过详细研究。并且尽管过去在青藏高原及龙门山 作了一定的深部地球物理工作，但基本上未触及岩石圈结构和动力学问题。 1 9 8 6 1 9 8 7 年，原地矿部曾组织多个单位( 我们亦是主要参加单位之一) ， 沿四川盆地跨龙门山到青藏高原东缘和东北缘，完成了一条长达1 5 0 0 l c n l 的人工 爆破地震剖面。从结果来看，它的探测深度仅达到莫霍界面，反映了四川盆地地 壳厚度为4 叫6 h 深，跨过龙门山为5 0 l c n l ，到黑水松潘一带即达到6 0 k 。但地 壳内部细节不清楚。也不能反映更深层的岩石圈结构和动力学关系。 近年来，王椿镛曾在青藏高原东部作了一条人工地震剖面，但未通过龙门 山地区，他最新作的中美合作地震台阵观测，也主要布置在川西和藏东一带。麻 省理工大学r o b 鲥等与中方合作的宽频带地震仪台阵，分布在川西和云南一带。 张先康、高锐正在进行的折射地震和深反射地震剖面，主要布置在川西北和甘肃 青海等地，用以研究青藏高原东北缘岩石圈结构。因此，通过龙门山到青藏高原 东缘的松潘一甘孜地块，在岩石圈细结构和动力学研究上尚是空白区。因此为了 填补上述空白，并且有必要从岩石圈和软流圈尺度去探测龙门山及青藏高原东缘 的构造，了解青藏高原东缘深部结构和动力学机制。根据这一目标，本项申请提 出布设一条从四川盆地跨龙门山到青藏高原东缘( 松潘一甘孜地块) 的被动源地 震剖面及台阵观测是十分必要的。这将为我们研究青藏高原东缘及其龙门山地区 的地壳上地幔结构，进而阐述其动力学机制将为青藏高原东缘及其龙门山的形 成、演化研究提供依据。 1 2 接收函数分析方法及其研究现状 目前，国际上对于地壳、上地幔结构的研究十分重视，己成为重大的地学课 题。上世纪7 0 年代以来，随着轻便、灵敏、高精度的宽频地震仪器的问世及不 断完善、地质与地球物理的紧密结合，利用天然地震接收函数进行地壳、上地幔 结构的研究为地球深部构造及其深部过程的研究开辟了新的途径，极大地促进和 推动了全球深部构造以及地球动力学的研究。 接收函数的数学概念是指用三分量远震p 波波形的水平分量和垂向分量，在 频率域相除并反变换回时间域所得到的时间序列。l 锄g s t o n 把远震平面p 波产生 的地表位移响应在时间域表示成三项( 入射平面波的有效震源时间函数，仪器的脉 冲响应和介质结构脉冲响应) 的褶积形式。对许多波形简单的远震事件的观测和 典型地壳模型的理论计算表明，深源远震地表位移的垂直分量表现为有效震源时 间函数与仪器响应的褶积，这样地表位移的垂直分量可认为与接收介质无关。在 2 第l 章引言 三分量地震仪的脉冲响应一致的情况下，用垂直分量对径向分量和切向分量分别 作反褶积处理，就可以得到径向和切向的接收函数。 早期的接收函数方法是单个固定台站远震体波资料来反演台站下方地壳的 一维速度结构( b u 础c ke ta 1 ，1 9 9 7 ；l a l l g s t o n ，1 9 7 7 ，1 9 7 9 ) ，将不同点的一维速度 结构在横向上连成剖面，来追踪解释地下速度界面分布( 吴庆举，1 9 9 8 ) 。后来 随着流动宽频地震仪器的大范围应用，使得台站按需要可以布置成任意的观测系 统，接收函数方法逐渐用于探测和证明地壳、地幔间断面的存在( b o s t o c k ， 1 9 9 8 ；d u e k e re ta 1 ，1 9 9 8 ；k o s a r e v ，1 9 9 9 ；鼬n d ，2 0 0 2 ) 。接收函数方法的分辨率 已经可以接近人工地震的水平( g a l v 6 ，2 0 0 2 ) 。而利用宽频地震仪器记录天然地 震来研究地壳上地幔结构，进而阐述其动力学机制的工作，已成为国际上进行深 部构造研究的主流与发展趋势。 1 3 项目主要预计达成的主要目标 本项研究提出的流动地震仪观测剖面及台阵，将跨龙门山与鲜水河断裂带 之间的松潘一甘孜地块部署，其中主剖面( 长约4 0 0 k m ) 从成都龙泉山开始，自 东向西经成都、都江堰、卧龙、小金、丹巴、乾宁至新都桥一线，横跨龙门山及 鲜水河两大主要构造带。面上的台阵布放点分别为彭州、汶川、松潘、马尔康、 壤塘、泸定、道孚等地。 我们提出的通过龙门山的密集的地震仪剖面及台阵观测，不仅对龙门山及松 潘一甘孜地块的岩石圈结构和深部动力学进行研究，也有助于了解鲜水河左旋断 裂的性质，并与青藏高原其它走滑断裂( 阿尔金、昆仑、喀喇昆仑) 相比较。 跨龙门山被动源地震剖面及台阵观测主要解决以下问题，达到以下目标： 1 跨龙门山主剖面密集的台站( 5 k m 间隔) ，可用于地壳浅部成像以及对区 域性地震精确定位。对地壳结构和岩性精细结构、活断层面及滑脱面进行研究。 2 宽频带及中周期地震仪的面上部署，可从全方位接收远震和近震，将用 于三维成像，以研究莫霍面及岩石圈界面的空间分布。用p 、s 及p s 转换波成 像，可研究地壳岩性( 泊松比) 。 3 用远震s k s 的分裂对岩石圈各向异性研究，了解岩石圈及软流圈的流向 和深部动力过程。龙门山地震仪台阵观测期限为1 1 5 年，可以取得全方位覆盖 丰富和精确的近震及远震资料，这对p 、s 波及转换波用接收函数反演和进行层 析成像，以及对s k s 波分裂研究和面波成像十分有利。 1 4 研究主要内容和关键问题 青藏高原东缘及龙门山被动源地震剖面及台阵研究内容和关键问题包括以 3 成都理工大学硕士学位论文 下几方面： 1 确定莫霍界面的起伏 由于过去仅有一条横跨龙门山的人工地震测深断面，仅能给出地壳片断信 息。为了了解莫霍面在整个研究区域的三维空间变化，可利用接收函数法计算每 一台站下的莫霍面埋深( 一般具有强信号、反演结果精度高) 。另外，配合香港 大学即将在本区开展的高精度重力观测，可反演莫霍界面在三维空间的变化及地 壳内密度分布。 2 地壳结构及组成的研究 中新世以来龙门山内几个主要逆冲断层的滑脱面可能隐伏地壳深处，因此了 解中上地壳内部的细结构和其岩性组成是十分重要的。为此，本项研究可以用到 以下几种手段来实现： 利用密集间隔台站的高频地震波接收函数分析，可对地壳上层细结构进行 成像，这将有助于发现地壳内的滑脱面。 用密集台阵资料对龙门山地区微震的精确定位，这将有助于发现位于地壳 内的活动断裂。同时可以对v p 及v s 进行三维成像，计算地壳的泊松比。 3 岩石圈软流圈结构 利用高分辨率体波及面波层析成像，可对研究区岩石圈软流圈的厚度及速度 三维分布提供重要资料，研究青藏高原东缘龙门山与扬子克拉通的碰撞接触关 系、动力学问题。高分辨率体波及面波层析技术方法的研究，是完成岩石圈及 软流圈高分辨率三维速度层析成象的关键。主要包括，波形反演，有限频率灵敏 度核函数反演计算方法等 4 第2 章研究区域地质背景及野外工作部署 第2 章研究区域地质背景及野外工作部署 2 1 研究区域地质背景 青藏高原东缘是了解印度陆块与欧亚大陆碰撞过程的关键地区之一，也是了 解青藏高原与扬子克拉通的碰撞接触关系与深部动力过程的重要地区。 龙门山位于青藏高原东缘，与扬子地块相接，从广元至石棉呈北东向线性排 列，全长约5 0 啮n 。其海拔高度从川西平原的5 0 0 米左右陡然上升到5 0 0 0 米。 龙门山西侧接松潘甘孜地块，其平均海拔高度达4 0 0 0 米。由于其地形特殊， 两侧镶接的地块性质差异很大，历来是地球科学研究的热门地区。 同样地，和青藏高原南缘喜马拉雅山一样，青藏高原东缘的松潘一甘孜地块 及龙门山也是强烈地震活动带。 根据地面地质调查，龙门山东侧有一系列推覆构造。在龙门山内部出现了许 多类似彭灌杂岩，宝兴杂岩等异地地体( 飞来峰) 。说明这一北东向构造体内部 结构是十分复杂的，见图2 1 。 青藏高原东 一w青馥高原束缘龙门山 s e i 牵者 靠墟青杩 嚆# 图2 - l 龙门山地形地貌及商程、地质剖面图 龙门山最高峰达6 5 0 0 m 高，且高程梯度达到4 0 0 0 州每百公里，与喜马拉雅山 地形地貌有类似之处。将印度到喜马拉雅山青藏高原的高程剖面，与扬子地 * w h 成都理工大学硕士学位论文 台龙门山青藏高原东缘的高程剖面对比，发现在形态上二者有不少相同 之处，见图2 2 a 及2 2 b 。 一 一 感 一 一 搿嚣馨嬲i 嬲瓣g 缀冀搿鬻等群藿嚣鍪辫糍黪搿鬻糍瓣貔黪囊黪缀 豳黧 麓霆麓麟麟黼鬃 辫荔黝嬲臻潮搿黼鬻鬻蠢爱辫麓鬻鳓獭 纛黝嚣 锶；i i 辫辩瓣l 搿嚣鏊瓣餐黼渤黪鼗爱麓攀然嬲 缓缫霪糍国鬻黼黧黼溢麓灞獭貔粼黝鬻缓缓缓翳鬻缫缓鬣滋缓籀缀缀缫缫 叼9旷1 图2 2 a 喜马拉雅山及龙门山高程剖面对比 图2 2 b 几条横跨扬子地台龙门山青藏高原东缘的高程剖面对比 龙门山与喜马拉雅山地形地貌的可类比性，可以引导我们考虑其其成因机制 6 鬃瓣鬻瀵熏 第2 章研究区域地质背景及野外工作部署 是否也有某种相似性。从喀喇昆仑山通过青藏高原至塔里木地块的宽频带地震台 阵研究结果表明，印度板块向北俯冲到青藏高原南缘下部，而塔里木向南以昆仑 山增生楔形式俯冲于青藏高原北缘之下。青藏高原南缘岩石圈结构形式是否还 可能出现在青藏高原的东缘，龙门山的深部构造与动力过程是否可与喜马拉雅l l i 相比拟，都是这项研究要探索的问题。 青藏高原东缘及龙门山新构造运动强烈，地震活动频繁。现代地震活动竹 ( 图2 3 ) 显示了沿主要断裂带一龙门山断裂带、松潘平武断裂，以及鲜水河断 裂带成丛分布的特征。 圈2 - 3 龙门山地震活动图m ) - 2 5 通过龙门山的g p s 观测显示了极低的板块汇聚( 缩短) 速度。龙门山地区的 缩短率仅5 i n 】【l l 年，与喜马拉雅山缩短率2 0 m m 年比较，前者仅为后者的1 4 ，说 明二者造山带的动力学机制可能是不同的。早些时候麻省理工大学b u r c h f i e l 等 认为龙门山隆升起源于下地壳低粘度层的运移。近年来另一种解释是龙门山的隆 升与喜马拉雅山隆升机制可能是相似的，但仅在最近时期缩短过程已经停止。按 后一观点，龙门山的隆升是继承性的且未达到均衡补偿。 综上所述，青藏高原东缘的龙门山与其南缘的喜马拉雅山所具有的这些相似或不 同点，表明了这两个区域的岩石圈结构及演化机制是有某些共同点或有差异的。 本项研究提出的流动地震仪观测剖面及台阵，将跨龙门山与鲜水河断裂带 之间的松潘一甘孜地块部署。其中主剖面( 长约4 0 0 k m ) 从成都龙泉山开始，自 东向西经成都、都江堰、卧龙、小金、丹巴、乾宁至新都桥一线，横跨龙门山及 7 成都理工大学硕士学位论文 鲜水河两大主要构造带。面上的台阵布放点分别为彭州、汶川、松潘、马尔康、 壤塘、泸定、道孚等地。 我们提出的通过龙门山的密集的地震仪剖面及台阵观测，不仅对龙门山及松 潘一甘孜地块的岩石圈结构和深部动力学进行研究，也有助于了解鲜水河左旋断 裂的性质，并与青藏高原其它走滑断裂( 阿尔金、昆仑、喀喇昆仑) 相比较。 2 2 野外工作部署 2 2 1 工作概况 作为国家自然科学资金重点项目本项目为研究龙门山地区的地壳上地幔结 构特征，我们分两次安装流动台站，第一次在2 0 0 5 年1 0 月，主要包括勘测区域 的调查。调查期间少量的宽频带台站被安装以实验调查情况。主要的安装在2 0 0 6 年3 月，每个台站的布置都包括法国和中国的研究人员。测线主要由成都东部的 龙泉区沿着大体相同经度一直达到西部的丹巴县内，观测台由3 4 个台站构成， 台站间距大约为5 1 0 ( 沿观测剖面，台站采用不等间隔布设，在缝合带附 近等关键地区采用小点距布设，其他地区的观测点距适度加大) ，测线长度大约 为4 0 0 l 洲( 图2 4 ) ，每个台站的具体位置及高程见表2 1 。利用观测获得的远震 体波波形资料，采用接收函数方法对龙门山地区的地壳上地幔结构和上地幔变形 特征进行了研究。 8 第2 章研究区域地质背景及野外工作部署 1 鲋1 舷甜 篮对。盯 o2m3 o m 图2 - 4 台站位置分布图 表2 1 龙门山地壳上地幔地震探测的台站位置 经度纬度高度 经度纬度高度 台站台站 ( e )( n )( m )( e )( n ) ( m ) l q c 3 0 。3 7 2 0 0 0 ” 1 0 4 0 2 0 4 6 0 0 ” 7 0 0d u j3 l o l 5 6 0 0 ”10 3 0 36 3 9 0 0 ”1 3 0 0 p e n3 l 。6 3 8 o o ”1 0 3 。5 3 3 6 0 0 ”8 1 2m a r3 l 。5 4 1 3 0 0 ”1 0 2 。1 3 2 4 0 0 ”2 6 2 8 w c h310 2 8 7 7 0 0 ”10 3 。3 5 2 4 0 0 ”1 3 6 8l 1 0 03 1 0 0 1 8 0 0 ”1 0 3 。31 3 2 0 0 ”8 8 0 b a j3 0 。5 8 5 8 0 0 ”1 0 3 0 2 4 2 4 0 0 ”1 3 6 lt a o3 1 0 4 11 0 0 1 0 3 0 2 7 5 3 0 0 ”1 3 6 5 l 1 0 13 1 。4 - 1 5 o o ”1 0 3 0 2 2 2 6 0 0 ”1 1 8 6g d g3 1 06 1 0 0 ”1 0 3 0 1 7 5 4 0 0 ”1 5 2 0 l 1 0 231 0 7 1 7 0 0 ”1 0 3 0 1 5 1 o o ”1 6 4 9l 1 0 3 3 1 。1 1 9 0 0 ” 10 3 0 9 t 4 9 0 0 ”2 0 1 9 l 2 0 13 1 0 0 1 4 5 ”1 0 2 。5 1 2 2 ”3 3 9 1l 2 0 23 1 。0 f 4 0 0 ”1 0 2 。4 6 t 2 4 0 0 ”3 0 2 6 l 2 0 33 0 。5 8 2 9 0 0 ”1 0 2 。4 l 1 1 0 0 ” 2 8 2 7l 2 0 43 0 。5 8 1 0 0 ”1 0 2 0 3 8 1 5 0 0 ”2 7 7 3 l 2 0 53 1 0 0 1 8 0 0 ”l0 2 0 3 3 5 6 0 0 ” 2 6 7 2l 2 0 63 1 0 1 t 2 2 ，0 0 ”1 0 2 0 3 0 l o 0 0 ”2 4 7 0 l 2 0 73 1 0 0 5 2 0 0 ”l0 2 0 2 5 3 4 0 0 ”2 6 7 2x n3 0 0 9 9 3 2 0 0 ”l0 2 0 3 6 9 5 0 0 ”2 2 7 0 l 2 0 93lo o 5 6 0 0 ” 1 0 2 0 1 9 1 7 0 0 ”2 2 2 5l 2 1 03 1 0 2 2 o o ”1 0 2 0 1 1 5 0 0 ”2 1 4 8 l 2 1 l3 1 0 0 1 9 0 0 ”10 2 。5 3 6 o o ”2 1 0 1l 2 1 23 0 0 5 7 5 6 0 0 ”1 0 2 。0 1 7 0 0 ”2 0 0 4 l 2 1 33 0 0 5 3 5 5 0 0 ”1 0 1 0 5 6 2 4 0 0 ” 9 9 9 9 l 2 1 43 0 0 51 2 6 0 0 ”1 0 l 。5 l 1 5 0 0 ”1 9 3 8 l 2 1 53 0 0 4 7 3 2 0 0 ”lo 1 0 4 4 5 9 0 0 ”2 2 5 0l 2 1 63 0 0 4 7 5 7 0 0 ”1 0 l 。4 5 1 4 0 0 ”2 8 9 5 l 2 1 73 0 。3 6 l6 0 0 ”1 0 1 0 4 4 3 0 0 ”2 8 0 5l 2 1 83 0 0 31 5 0 0 0 ”1 0 1 0 3 6 5 4 0 0 ”3 5 1 0 l 2 2 03 0 。3 3 4 0 0 ”1 0 1 0 3 2 1 5 0 0 ”3 6 1 2 l 2 2 1 3 0 。3 0 3 7 0 0 ” 1 0 1 。2 9 5 2 0 0 ” 9 9 9 9 l 2 2 23 0 。2 8 5 4 o o ”l o l 。2 6 - 2 3 0 0 ”3 3 8 9l 3 0 l3 1 。1 4 2 3 0 0 ”10 2 0 2 6 t 4 5 o o ”2 6 9 7 9 成都理工大学硕士学位论文 2 2 2 测点和观测系统 整个观测系统主要沿日隆小金马尔康鲜水河断裂的公路两侧，总长度约 4 0 0 多公里，共布设了3 6 台次法国产三分量宽频地震仪器。绝大部分台站间距 在5 1 0 k m 。采样频率为3 1 2 5 h z 。每台地震仪还包括记录器、转换器、g p s 定 位仪、硬盘( 4 4 0 g b ) 、两个太阳能电池板和蓄电池等设备( 图2 5 ) 。 图2 5 宽频带流动数字地震台站的结构框图 宽频带地震仪器来自法国岩石圈探测镜( l i t h o s c o p e ) 计划和宽频带移动 台网( b r o a d b a n dm o b i l en e 研o r k ) 计划，观测系统由5 个t i t a l l ，2 5 个m i n i t i a l l 和4 个r e r e k 共3 4 个数字采集器和c m g 4 0 t ( 6 0 s ) 、n o e m a x ( 2 0 s ) 和l e 3 d 5 s ( 5 s ) 宽频地震仪组成，采用g p s 授时和连续记录方式，这些仪器与美国p a s s c a l 宽 频带地震仪类似，其地震计为新型产品，参数略优于美国仪器。每个地震台站包 括具体以下几部分仪器及设备( 图2 6 ) ： 1 三分向地震计：对于宽频带地震仪，其频带范围为o o l 2 0 h z ，中周期地 震仪为0 2 2 0 h z 。 2 记录仪及转换器，将地震计接收到的信号转换为数字信息，并记录到硬盘 上，仪器采样率为2 5 5 0 点秒。 3 g p s 接收仪，接收全球定值系统卫星授时信号，用于地震仪精确时间服务。 4 硬盘，通常配置4 0 g b 硬盘，用于实时记录数字信号( 采样率为3 0 6 0 点 秒) 。可持续工作6 个月。 5 二个太阳能电池板和一个蓄电池，对整个地震站供应电能。 l o 第2 章研究区域地质背景及野外工作部署 图2 - 6 一个宽频带流动数字地震台站仪器配备 成都理工大学硕士学位论文 第3 章接收函数方法原理及其发展 3 1 接收函数理论 3 1 1 转换波的概念 地震体波在非均匀介质里的传播过程中，当遇到波阻抗间断面时，不仅会产 生波的折射和反射，而且会激起波形的转换。地震转换波测深主要是利用纵波p 的转换波p s 及其二次波。多年的深部地球物理测深表明，地壳与上地幔内存在 一系列的速度界面。当远震或近震p 波自上而下穿越各速度界面时，除了产生 p p 型折射波外，还产生p s 型折射转换波，后者到达地表地震台的时间显然要迟 后与前者，其迟后时间与转换界面的埋深，介质速度参数以及震中距相关。为此， 利用转换波在时间域的特征( 时差p s p 和s p s ) ，便可以反演求的区域的地壳 与上地幔结构。 用地震波来探测地球内部结构是现代地震学的主要任务之一。近1o 年来，利 用宽频带地震台站记录到的远震资料获得地壳和上地幔各间断面结构的接收函 数方法发展迅速，获得一系列重要成果。远震p 波波形数据中包含了大量台站下 方地壳上地幔速度间断面所产生的p s 转换波及其多次反射波的信息，是研究台站 下方局部区域s 波速度分布理想的震相，而且横波与纵波相比，有波速小，波长 短的特征，对地质体的分辨率较高。 3 1 2 三分量地震记录 在地球内部某一深度处岩层发生破裂，引发地震事件，岩层在力的作用下， 产生体变和切变，相应的出现了纵波和横波。纵波的传播方向与质点运动方向平 行，横波传播方向与质点运动方向垂直。从震源到接收台站地震波传播所经过的 路径为射线路径，由于地球的分层特性，地震波速在表层速度低，深层波速高， 使射线路径在折射作用下成为凸向球心的曲线。震源、接收台站和地球球心所在 的平面称为射线平面。以震中在地球上的切平面为参考平面上过切点、地埋北极 和球心所在的大圆与参考平面的交线为参考北方向，射线平面上的大圆在震中处 的切线投影到参考平面上与参考北方向之间的夹角为方位角( 从北方向顺时针旋 转到接收点指向震中的方向) ，接收点处切线在参考平面上投影与参考北方向之 间的夹角为反方位角( 从北方向顺时针旋转到震中指向接收点的方向) 。射线入 1 2 第3 章接收函数方法原理及其发展 射到地表台站与深度方向的夹角为入射角，射线扫过单位大圆弧度的时间为射数 参数。 地震波在各向异性的介质中传播，可分解为射线平面内的p 波、s v 波和垂直 于射线平面的s h 波，分别称为垂直分量、径向分量和切向分量。垂直分量记录 涨缩的疏密波，径向分量记录射线平面内介质的横向振动，切向分量记录垂直于 射线平面内的介质横向振动。由于实际的天然地震记录过程中无法事先知道震源 的反方位角，因此只是将地震检波器的三个分量指向z ( 垂直) 、n ( 南北) 和e ( 东西) 来分别记录垂向、径向和切向分量，在天然地震资料处理之前应先做方 位角校正。 3 1 3 接收函数思想 接收函数是从地震记录三分量中分离出来的反映接收点下方地球结构相应 响应的地震时间系列( l a i l g s t o n l 9 7 9 ) 它主要由p s 转换波与接收台站下方构造 对p s 转换波的扰动组成。构造的主要特征可以描述为近水平层的地层序列，这 样地震记录时间序列上的每一个尖峰代表的到时可能对应着介质层面的p s 转换 波。模拟这些转换波的振幅和到时对探测接收台站下方地址结构可以提供有价值 的信息。接收函数各到达波的振幅与入射p 波的入射角和产生p s 转换波的层速 度差异强度有关；它们的到时与速度差异层的深度，该层到接收点的p 波和s 波的平均速度差异及入射角有关；它们的频率成分与速度变化带的介质弹性性质 有关。接收函数思想可以追溯到本世纪六十年代，p l l i i l l l e y 在频谱域拟合远震p 波不同分量振幅比来研究地壳结构。远震p 波入射到地下密度和速度界面、除了 会发生反射，透射，还会发生波的转换现象，及p 波穿过界面时转换为透射的s 波( 图3 1 ) 。 忡帅弹n 即参糖 1 3 成都理l ：人学硕l ：学位论文 z c o m p o n e n t rc o m p o n e n t r e c e i v e rf u n c a o n 图3 1p s 转换波与接收函数 在7 0 年代，v i l l l l i k 就直接利用了远震p 波所， ：生的p s 转换波来研究 ：地 幔的速度不连续界面。然m 地表观测的地震信弓+ 不仅包含直达p 波，还包含了火 量地震台站