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龙门山断裂带精细速度结构的双差层析成像研究

邓文泽  
【摘要】:2008年5月12日在我国四川省汶川县发生了Mw7.9级地震,地震造成了巨大的人员伤亡、经济损失和地质灾害(Burchfiel et al.,2008;张培震等,2008)。地震发生之后,许多学者对此次地震的地质背景、发震构造、发震机理等方面进行了研究并取得了许多重要的成果。地表地质考察(Xu et al.,2009)、地表破裂过程反演(Ji and Hayes,2008;张勇等,2008;王卫民等,2008)、GPS和InSAR反演(Shen et al.,2009)、地震余震定位(黄媛等,2008;陈九辉等,2009)等方面的研究结果均表明:汶川地震是发生在高角度铲形断裂上的逆冲型地震(Zhang et al.,2010;Deng et al.,2011)。尽管有相当多的结果支持这一结论,关于汶川地震破裂带断层形态和地震破裂机理仍然存在很多争论。这些争论的焦点在于汶川地震破裂断层的深部展布和形态,以及龙门山断裂带下方和周边地区的构造环境。 深部地球物理探测研究是获得地震区深部构造环境和孕震环境的根本手段,近年来,随着地震台网分布越来越广,双差层析成像方法成为一种断裂带速度结构和地震定位联合反演的方法,双差层析成像方法是将双差地震定位方法(Waldhauser and Ellsworth et al.,2000)和传统走时层析成像方法相结合,利用临近地震之间相对走时差和地震到台站之间的绝对走时进行震源位置和速度结构联合反演的方法。双差层析成像方法被广泛运用于地震区精细速度结构反演(Thurber C et al.,2006;Shelly D R et al.,2006;Thurber C et al.,2004)、俯冲带的高分辨率成像(Shelly D R et al.,2004;Shelly et al.,2006)、火山的速度结构反演(Brown et al.,2004;Momteiller et al.,2004;Heather R Deshon et al.,2007)等方面,研究结果表明,该方法获得高分辨率的断裂带的速度结构对于理解地震的孕育、发生和传播过程具有十分重要的意义。 在国家重大基础研究项目(973)的支持下,中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在川西地区布设了由297个流动宽频带地震台组成的密集流动观测台站。该台阵于2006年10月开始正式观测,获得了大量的地震数据,为研究该区构造环境、汶川地震的孕震机制提供了重要的观测资料。 本文综合利用川西流动地震台阵和汶川地震震后应急流动台网记录到的2008年5月至2008年10月汶川地震余震序列的P波走时资料,应用双差层析成像方法对龙门山断裂带中上地壳速度结构进行反演,以便更好的了解龙门山断裂带中上地壳速度结构和断裂构造,为研究汶川地震发生机理和建立地震动力学模型提供新的证据。 研究结果表明: (1)速度结构与震源联合反演获得了与基于一维地壳参考模型相近的余震震中和震源深度分布结果。破裂带南段地震分布与地表断层形态密切相关,北段则主要受速度结构控制。余震最大深度呈现南段略浅北段略深的分布,余震主要分布在22~24km深度以上,整个余震带平均震源深度为15~18km。 (2)反演获得了龙门山断裂带下方0~30km深度的P波速度结构。15km以上速度结构与地表断裂分布密切相关,20km以下深度呈现北东向和北西向交错结构。汶川地震破裂带南段龙门山断裂带之间上地壳呈现高速异常,反演结果并未探测到高速体底面边界。各个不同深度上速度变化显示出明显的龙门山断裂向北西方向倾斜的特征。对比速度结构与余震分布可以看出,速度结构的非均匀变化是控制余震分布的主要因素。破裂带南部的高速异常区对应以逆冲破裂为主的区域,同时高速异常也是影响破裂传播速度的主要因素之一。 (3)速度结构和余震联合定位结果发现,小鱼洞-理县方向的余震带下方存在明显的横向速度变化,我们可以据此推测,小鱼洞-理县方向存在一条隐伏断裂,并且在汶川地震过程中其东南段产生了地表破裂。余震分布结果发现,破裂带北东段并未沿现有的青川断裂发育,速度结构反演结果发现余震带地下速度的横向变化也与断层走向存在差异。据此,我们推测在破裂北东段上地震沿着一条新发破裂发育。汶川地震的晚期余震主要发生在破裂的这一段落。 (4)联合反演结果给出了横跨主震起始区域、垂直龙门山断裂带更加精细的速度结构和地震定位结果。结果显示龙门山断裂带中央断裂和后山断裂下方包夹着显著的高速异常体,其深度从近地表一直延伸到约30km深度。汶川地震造成高速体上部约20km深度范围发生脆性破裂。结果确认了汶川地震起始段的高角度逆冲断裂特征,也确认了前山断裂和中央断裂在20km左右深度合并到脆韧转换带的特征。速度结构反演结果证实了前人推测的龙门山断裂带构造模型。但是本文结果并未发现20~30km以下存在低速异常的证据,本文速度结构反演只利用了汶川地震的余震序列走时数据,地震震源深度主要分布在24km以上,对30km以下的速度结构尚难以给出可靠的约束,该区域中上地壳高速体的底部边界和深部精细速度结构尚需要进行进一步研究。


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