班公湖-怒江缝合带中部远震剖面地壳和上地幔的变化

班公湖-怒江缝合带中部远震剖面地壳和上地幔的变化

青藏高原的拉萨地体和羌塘地形结合在晚侏罗世-早系白牙，形成了孟加拉国-冷杉缝合带的地震学研究。包括人工地震、色度成像反演和接收函数。在[2.5]中，发现moh-青藏高原的主要缝煤带底部存在不同程度的错误扰动。然而，由于错误地震相位识别或横向地震波速度变化，这些错误地震相位的真实性是不确定的。根据1998年至1999年实施的idepth-i计划，kind等人认为，莫霍-江沟缝煤带底部没有重大变化，但len等人推测，整个莫霍-江沟缝煤带的底部约为10km，这是拉萨地体北缘的地幔盖层向北延伸至羌塘地下的。这一结论与通过该层到班公湖-冷杉缝带中部的塔勤-西藏北部三个湖泊的人工地震剖面的研究结果一致。因此，研究结果是，通过接收函数偏移图像，发现波前湖-冷杉缝带对应于北部约50km的莫霍凹槽，其中莫霍误差（5.3）km。高原西部的远震接收函数成像结果表明，莫霍罗夫河的西部最大深度为90公里，在阿尔金断裂和班公湖-江龙断裂的底部快速增加20和10km。通过横跨班公湖-怒江缝合带中部的Hi-Climb剖面的53个宽频带地震台站记录的远震数据,运用P波接收函数方法研究了班公湖-怒江缝合带中部的Moho深度、泊松比以及上地幔间断面(410和660km间断面)的横向变化,并探讨了相关的地球动力学过程.1接收函数ccp时深偏移的计算远震P波接收函数方法目前已经成为研究地壳和上地幔结构的常规方法,因为P波接收函数消除了远震P波中震源、地震波传播路径以及仪器响应等影响因素,主要包含地震台站下方地壳和上地幔速度间断面所产生的转换波(Ps)及其多次反射波(PpPs,PpSs+PsPs等)的信息.为了计算接收函数,三分量(ZNE)的原始地震记录首先被旋转到LQT(或者P-SV-SH)坐标系,其中L分量是P波入射的方向,Q是垂直于L指向远离震源的方向,T为右手坐标系中的第3个方向.P波能量主要集中在L分量上,而Q和T分量分别包含了SV波和SH波的能量.然后Q和T分量分别和L分量在时间域进行反卷积(Spikingdeconvolution),就得到了Q分量和T分量的接收函数.通常所讲的P波接收函数指的是Q分量的接收函数,而T分量的接收函数则指示了地下倾斜构造或者各向异性的特征.研究使用的数据来源于2004年7月至2005年8月布设的Hi-Climb剖面(图1)中数据质量非常好的53个宽频带地震台(30°~34°N).每个台站中我们截取了P波波形具有非常高的信噪比、震中距为30°~95°、体波震级Mb≥5.5的远震事件用来计算接收函数,截取的事件窗口为P波起跳前10s和起跳之后90s.计算得到的4764个接收函数用到的地震事件是196个,主要分布在研究地区东部的环太平洋地震带(图2).P波接收函数的Ps的走时实际上指的是Ps震相和直达P波的走时差,它取决于间断面的深度,射线参数以及台站下方P波、S波速度结构.假设地壳介质是均匀的,Moho的深度为h,那么Moho的Ps和PpPs的走时可以表示为因此,Vp/Vs可以根据以下公式计算:其中A=(tPpPs+tPs)(tPpPs-tPs).每个台站计算得到的接收函数进行叠加,并且拾取了Moho的Ps和PpPs的最大振幅对应的走时.叠加之前所有的接收函数分别进行Ps和PpPs时差校正,参考震中距为67°,对应的射线参数p=6.4s/(°).Moho的深度h以及Vp/Vs对P波速度的变化不敏感,因此,假定地壳的P波平均速度Vp=6.2km/s,我们可以比较准确的计算出平均的Moho深度和Vp/Vs.本次研究中也采用了被广泛使用的H-κ域叠加方法计算Moho深度和Vp/Vs,但是对于研究地区的大多数台站来说,没有得到理想的结果,可能的原因是由于弱的Moho的多次波以及壳内其他间断面的干扰.另外,接收函数CCP时深偏移的方法也被用来研究班公湖-怒江缝合带两侧的地壳和上地幔的间断面的横向变化,如Moho,410和660km深度间断面(简称410和660),而对于Moho和410km深度范围内的间断面(如Gutenberg间断面,Lehmann间断面等)的研究在文中没有涉及,因为它们的Ps往往受到来自浅层间断面的多次反射以及散射震相的影响.CCP时深偏移采用1D的IASP91速度模型,其地壳厚度被修正到70km,所有计算得到的接收函数的Ps的振幅沿着射线路径被反向投影到空间转换点的真实位置.2moho深度和vp/vs的变化规律图3(a)和(b)显示了每个台站的接收函数经过Ps和PpPs时差校正以后叠加的结果.为了增强信噪比,每个台站的Ps和PpPs在叠加之前,所有的接收函数分别使用了2~50s和3~50s的巴特沃斯零相位带通滤波器进行滤波.使用的地震台站的名字标注在图3(a)的顶部.其中,图3(a)和(b)中对应于0~2s的具有比较大的振幅的Ps可能来源于浅层沉积层的转换波或者坐标旋转过程中残余的P波能量.Moho的Ps和PpPs分别用白色的圆点和箭头进行了标记.只有Moho的PpPs清楚的台站才被显示在图3(b)和用来计算地壳的厚度和Vp/Vs,计算结果显示在图3(c),分别以黑色圆点和三角形标注.同时,为了约束获得的Moho深度和避免错误的PpPs识别带来的数据误差,依据拾取的Moho的Ps的走时,并且假定Vp=6.2km/s和Vp/Vs=1.732,估算出了每个台站的地壳厚度,并用十字标记在图3(c)上.Moho深度与Vp/Vs以及Moho的Ps走时之间关系显示在图4上.Moho的Ps走时越小,由Vp/Vs的变化引起的Moho的深度的变化也就越小.获得的每个地震台站的Vp/Vs在1.70~1.81之间,相对于固定的Ps走时和Vp/Vs=1.732,Moho深度随Vp/Vs的变化而产生的最大偏差不超过10km.Moho深度和Vp/Vs的计算误差主要来源于拾取Ps和PpPs震相的读数误差,其最大可达约±0.5s,由此引起Moho深度和Vp/Vs的计算误差分别是±1.5km和±0.02.拉萨地体的地壳厚度从中部的~75km,向北一直延续到31.5°N,继续往北在32°N附近减薄为~70km.同样,羌塘地体的地壳厚度从南部(~32°N)的~80km缓慢抬升,在34.5°N附近减薄为~65km.拉萨地体和羌塘地体的Moho在班公湖-怒江缝合带互相叠置,并且存在~10km的错断,其构造的几何形态表现为拉萨地体的Moho向北抬升,而羌塘地体的Moho呈现向南加深的趋势(图3(c)).接收函数CCP时深偏移图像显示了Moho的相同的构造形态(图6).Moho在班公湖-怒江缝合带这种构造模式的产生应该和新生代以来班公湖-怒江缝合带构造活动的重新活跃有密切关系.已有的地震学研究也支持了作者的研究结果:Wittlinger等人的远震接收函数成像结果显示,Moho在羌塘地体的西部最深达到90km,并且在班公湖-怒江缝合带下部快速升高~10km;Shi等人也发现从班公湖-怒江缝合带北部的50km一直到其南部100km,Moho下面存在向南俯冲的青藏高原岩石圈地幔,同时也验证了Tapponnier等人的猜想.Zhang等人重新解释了东西向的色林错-雅安多的地震宽角反射剖面,研究结果显示:Moho深度从90°E的60~65km变化到92.5°E的75~80km,并且Moho深度的这种显著变化不是发生在中生代的班公湖-怒江缝合带,而是发生在活动的喀喇昆仑-嘉黎断裂.Tian等人把接收函数的转换波和多次反射波联合成像的方法应用于INDEPTH-Ⅲ数据,发现在Moho的深度和幅度在班公湖-怒江缝合带以北50km被明显地分隔成两部分.研究结果分歧产生的原因,作者认为除了所采用的研究方法不同外,更大程度上反映了青藏高原班公湖-怒江缝合带中东部构造的差异.羌塘地体的南部(约32°~33°N)的大多数台站表现出弱的Moho的Ps和发散的、不易识别的PpPs(图3,6),并且在深度50~60km存在一个能量很强和连续的下地壳间断面(图6),一个最可能的解释是这个地区的下地壳具有高的地震波速度,从而降低了Moho的速度差异.而这种现象的出现主要有2方面的原因:(1)下地壳的镁铁质成份的岩石发生了到榴辉岩的转变;(2)幔源岩浆的底侵作用.而该地区泊松比的研究支持了前者的推断.泊松比(σ)是决定地壳物质成份的一个重要参数,地壳矿物成分以及存在裂隙,流体和部分熔融都可以引起泊松比的显著变化.它和Vp/Vs的关系表示为另外,拉萨地体中北部的台站(H1100~H1190)的接收函数在6~8s存在一个比较连续的下地壳的间断面(LCD)(图3),对应的间断面的深度约为50~60km(图6).由于PpPs的走时是Ps走时的近似3倍,这个间断面的PpPs在26~28s可以被连续追踪,消失于H1240台(31°N).这个下地壳间断面在青藏高原东部已有的研究结果中多次被提及,推断为印度板块向北俯冲的下地壳的一部分.3中性带过渡带上地潭过渡带厚度深度为410和660km的地震波速度间断面(410和660)已经被证明是全球存在的上地幔构造,它们的横向变化以及地幔过渡带(410和660之间的区域)的厚度变化对于研究地幔对流的模式、俯冲带以及地幔柱起源和性质都有着非常重要的意义.目前比较一致的看法认为410和660是地幔主要物质橄榄石由于压力、温度变化而导致的相变间断面,并且具有相反的Clapeyron斜率.410是橄榄石到β相尖晶石的相变,而660是γ相尖晶石到钙钛矿+方镁石的相变.地幔过渡带厚度变化主要取决于地幔过渡带内的温度变化.由于410和660具有相反的Clapeyron斜率,地幔过渡带内的温度升高,会造成地幔过渡带的厚度减少,反之亦然.地幔过渡带的厚度可以由P660s和P410s的到时差确定,1s的异常变化大约相当于10km的厚度变化和100℃的温度变化.接收函数CCP时深偏移图像(图6)显示,从拉萨地体中部到羌塘地体中部,410和660是连续的、非常清楚的和尖锐的.410和660由南往北近似平行,没有显示出深度显著增加的趋势,这意味着在班公湖-怒江缝合带中部羌塘块体和拉萨块体的上地幔地震波速度差异不是很大.而INDEPTH-Ⅲ的研究结果认为上地幔S波速度由南往北减少约5%,表明班公湖-怒江缝合带两侧的上地幔速度结构在中东部存在一定的差异.地幔过渡带的厚度沿剖面变化不大,约为255km,说明地幔过渡带的温度变化在50℃以内,同时也意味着印度板块和欧亚板块的碰撞所引起的构造活动局限在410km深度范围内,与Yuan等人、Kind等人和Oreshin等人的结论一致.4地壳厚度和泊松比变化的反相关分析通过采用Hi-Climb剖面的53个地震台记录的远震数据,利用P波接收函数方法获取了班公湖-怒江缝合带中段,从拉萨地体中部到羌塘地体中部的地壳厚度、泊松比以及地幔过渡带的厚度.由南往北,拉萨块体的地壳厚度从75km抬升到68km,而羌塘地体的地壳厚度从80km缓慢抬升到65km.拉萨地体和羌塘地体的Moho在班公湖-怒江缝合带附近叠置并存在~10km的错断,其构造形态表现为拉萨地体的Moho向北抬升,而羌塘地体的Moho呈现向南加深的趋势,推断和新生代以来班公湖-怒江缝合带构造活动的重新活跃有关.泊松比变化为0.237~0.280,表明地壳物质主要为中酸性岩石.获得的所有台站的地壳厚度和泊松比呈现反相关关系,意味着羌塘地体南部最大的地壳厚度可以通过拉萨地体的中酸性岩石逆冲插入羌塘地体形成,从而把下地壳的镁铁质的岩石推向更深的深度,发生榴辉岩相转变,使下地壳具有较高的地震波速度,导致了Moho的弱的Ps和不易识别的PpPs.地幔过渡带的厚度沿剖面维持在255km左右,可以推测印度板块和欧亚板块的碰撞所引起的构造活动局限在410km深度范围内.从拉萨地体中部到羌塘地体中部,Vp/Vs的变化范围为1.70~1.81,对应的泊松比变化为0.237~0.280,地壳物质组成主要表现为中酸性岩石.从统计的角度来看,获得的所有台站的地壳厚度和泊松比具有反相关关系(图5),这就意味着