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利用人工震源和密集台阵探测地壳不同尺度速度结构

张云鹏  
【摘要】:地震波是少数能够穿透整个地球的信号之一,是研究地球结构最有效的工具。天然地震产生的地震波能量强,但时空分布的局限性和地震数目的有限性导致了研究分辨率和精度的不足,限制了其在局部性地壳结构探测中的应用。而高性能的人工震源可以主动向地下发射地震波,能提供精确的发震时刻和位置,在高精度地壳结构探测方面具有极大优势。在过去几年里,我们利用人工震源在安徽长江段、云南宾川和江西景德镇朱溪矿区陆续开展了密集台阵观测实验。在本文中,我们基于人工震源和密集台阵利用体波走时层析成像(TOMOG3D和simul2000程序)对地壳不同尺度(区域、小尺度和近地表)速度结构进行了研究,对人工震源的探测能力进行了综合评估,可为“地下明灯”计划照亮地下结构并解决重大地质问题奠定基础,并为地震灾害评估和矿产资源勘探提供依据。同时,我们将人工震源与天然地震进行了初步的联合反演,也利用气枪震源对反演后的速度模型进行了检验,可为后续开展更深入的联合反演奠定基础。本文取得的主要成果和创新认识如下:(1)利用安徽实验研究郯庐断裂带南段地壳P波和S波速度结构。我们对安徽实验气枪固定激发点手动拾取了4 118个初至P和1 906个初至S波,并加入研究区周边地震震相数据(自2008年1月~2018年5月共28 957个初至P和26 257个初至S),利用TOMOG3D程序对气枪和地震进行了初步的联合反演。总体来说,安徽实验结果表明气枪震源在探测地壳三维结构中具有很大优势。反演得到的三维速度模型在整体上与地质构造具有很好的一致性,且地震主要集中于断层附近并与低速带有很好的相关性。郯庐断裂带是控制区域异常的主要因素,两侧具有明显的速度差异。秦岭-大别造山带的超高压变质岩和长江中下游成矿带的矿区均具有高的Vp、Vs和Vp/Vs,这些高速异常可能对应于大规模的岩浆作用和成矿作用,可能与中生代岩石圈拆沉和软流圈物质的上涌相关。(2)利用人工震源和密集台阵研究朱溪矿区近地表P波速度结构。我们根据朱溪矿区998炮人工震源在密集台阵上共拾取了761 653条初至P波震相并利用simul2000程序获取了其下方高精度的浅部地壳速度结构。研究结果表明速度分布与区域地形和地质构造有很好的一致性,勘探区绝对速度模型与实验室测量结果具有相似的深度分布趋势。石炭纪和二叠纪中已探明的矿体呈现高速异常分布,且高低速边界与新元古代和石炭纪-三叠纪地层分界有很好的一致性。朱溪实验结果表明利用人工震源进行层析成像研究是矿产资源探测的有力工具,可为金属矿产的分布和储量评估提供参考。(3)利用云南宾川密集台阵研究上地壳Vp和Vp/Vs结构特征。我们根据2017年宾川密集台阵记录到的96个小震拾取了11 721和5 475条初至P波和S波震相,利用simul2000程序开展了地震重定位和体波层析成像研究,并使用气枪震源到时数据对速度模型进行了检验以表明其可靠性。研究结果表明小震活动主要集中在宾川盆地东缘断裂的弧形转折部位,并在洱海南侧呈沿NE向断裂的条带状分布现象。0 km的低速区刻画了宾川盆地的分布形态,且高低速分界在3~9 km深度与断层有很好的对应。宾川盆地东缘断裂的三维形态变化在空间上呈南北倾角大、中部倾角缓的变化特征,可能与区域地块的旋转变形过程有关。速度结构和地震重定位结果揭示近NS-NNE向断裂正逐步取代NW向构造,成为主要的区域分界断裂和控震构造。(4)利用宾川气枪台阵进行上地壳Vp结构和地震重定位研究。我们根据2011~2016年宾川气枪台阵记录到的2 344个地震48 381条初至P波震相,同样用simul2000程序开展了体波层析成像和地震重定位研究,并使用气枪震源到时数据对速度模型进行了检验。研究表明Vp成像结果与2017年密集台阵得到的高低速异常分布结果一致。重定位后的地震主要受NS-NNE向断裂的控制,集中分布于期纳走滑断裂北端、宾川盆地东缘断裂转折处、白土坡-杨公菁断裂和在洱海断裂西南侧呈四个NE向条带状分布。地震在深部分布上呈负花状,是张扭性断裂常见的构造。


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