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流动宽频带地震台阵:地震定位与地震层析成像

郭飚  
【摘要】:近年来,以美国PASSCAL代表的大陆岩石圈地震台阵观测技术为发展以天然地震台阵观测记录为主的大陆岩石圈结构高分辨率地震成像理论和方法提供了新的技术基础。宽频带流动地震台阵日益成为大陆动力学和构造物理学研究的重要手段。对于大型的密集台阵,台站的间距可以达到公里级。利用这种高分辨率观测阵列记录的资料进行地震定位、震源机制、震源破裂过程和地震成像研究可以大大改善研究结果的精度,并且为地震波形数据研究开拓了新的广阔前景。随着宽频带密集地震台阵技术的发展,使在重点地区开展高分辨率的地震学综合研究成为可能。 中国地震局地质研究所大陆岩石圈地震台阵研究中心,为了研究新疆伽师强震群的成因和青藏高原东北缘—鄂尔多斯块体间的接触变形关系,曾分别于1998年和1999年—2000年在上述地区布设了宽频带流动地震观测台阵。作为宽频带流动地震台阵综合研究的一种尝试,我们的目的在于利用上述岩石圈地震台阵观测的数据,开展相应的地震精确定位和高分辨率地震层析成像。 本文的研究内容分为两部分: 第一部分,简要介绍了地震定位方法的发展和常用的方法,详细介绍了联合震源定位(JHD)方法,应用JHD方法对新疆伽师强震群区余震序列进行了精确定位。我们的研究结果表明: (1) 比纳木和龙口地震序列的定位结果勾画了两条NEE—SWW的断层,其走向与震源矩张量解的节面基本一致。由于比纳木和龙口地震序列发生在伽师强震群的附近,本文的结果可以作为确定伽师强震群震源断层走向的重要参考依据。依据本文的结果,我们推断伽师强震群的震源断层走向为EW或SWW方向。 (2) 比纳木和龙口地震序列的定位结果及相应的地震构造研究表明,比纳木和龙口地震序列发生在壳幔界面由浅变深的梯度带及断层附近高低速介质交汇的区域。据此,我们认为比纳木和龙口地震的发生与地壳深部结构有密切的关系。我们的结果可以作为根据深部构造判断潜在震源区的参考依据。 (3) 根据伽师强震群区Moho界面的形态变化,可以推断塔里木北缘向北的挤压运动并不是均匀的。这种不均匀的运动变形可以形成局部的剪切应力场。本文获得的震源断层走向支持在挤压环境下形成的张性应力场。这种局部的张性应力场能量的释放可能是伽师地区走滑强震群形成的原因。 (4) JHD方法可以综合利用地震余震序列射线路径的共同信息,这在相当程度上消除了横向非均匀性地壳结构对定位结果的影响,因而有利于余震序列的相对定位。我们的实际经验表明,联合定位的事件越多,所得结果越好。该方法尤其适合台阵观测的情况。 第二部分,简述了地震层析成像的发展历史,地震层析成像的基本原理以及模型构建、射线追踪及反演方法。利用横跨青藏高原东北缘—鄂尔多斯地区的流动地震台阵和区域地震台网的走时数据,研究了该区地下0-400km深度范围地壳及上地幔的P波速度结构。研究结果表明: (l)青藏高原东北缘一鄂尔多斯地区地壳上地慢结构呈明显的横向不均匀 性。这种不均匀性体现在不同块体之间,同时也存在于块体内部。青藏高原东 北原一鄂尔多斯地震层析成像剖面显示的地壳及上地慢P波速度结构特征,与 已有的其它地球物理研究结果相吻合(李松林等,2002;陈九辉,2003;彭艳 菊,2002;朱良保,2002)。 (2)沿本文的观测剖面,上述地区可以分辨出青藏高原东北缘与鄂尔多斯 地块上地慢P波速度结构的明显差异。前者表现为平均速度低于全球模型,而 后者的P波平均速度明显高于全球模型给出的结果。这与两个地块的地质构造 活动特征相吻合,同时也说明两者构造活动的差异与上地慢的热结构密切相 关。 (3)在青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块之间上地慢存在宽度200km左右的 过渡带。其在地表的界限在兰州一海原之间。该过渡带在上地慢的表现为向东 45“左右的倾斜条带。其倾斜角度似乎与鄂尔多斯上地慢的高速体的形态和位 置密切相关。过渡带的基本结构特征表现为高速与低速物质的混杂。过渡带的 位置与我国的南北地震带吻合。上述观察表明,青藏高原在其东北缘伸展过程 中,其上地慢300km范围内受到鄂尔多斯稳定地块的阻挡,但随深度的增加其 阻力相对变弱。过渡带地区地震的成因,可能与此过渡带所处的特殊力学环境 密切相关。 (4)从本文给出的地震层析成像的结果,可以进一步分辨出了青藏高原的 柴达木地块和祁连地块相应上地慢速度结构差异。这种差异表现为在柴达木地 块平均速度偏低,而祁连地块的上地慢的平均速度偏高,两者相差约8%。 (5)在泽库、兰州和海原地区的上地慢顶部有明显的低速体侵入特征,这 与接收函数给出的研究结果一致。这种现象与相应的壳内低速层的成因及海原 地震形成机理之间的关系,还有待进一步研究。 我们的研究结果还表明,利用流动地震台震技术的观测数据,特别是流动地 震台阵与台网数据相结合,可以大大提高地震层析成像结果的空间分辨率。我 们在地震层析成像中引入接收函数给出的地壳模型,并在反演中固定不变。这 种处理方法可以有效的降低方差,使上地慢的地震层析成像结果更加清晰、稳 定,有效地减少了解的不唯一性


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