四川蘆山7.0地震和汶川8.0地震震源區(qū)地殼巖石圈變形特征分析

沈旭章

中國地震局蘭州地震研究所，蘭州 730000

1 引 言

2013年4月20日8∶02分發(fā)生在四川雅安市蘆山縣的Ms7.0級地震是2008年5月12日汶川8.0級地震之后發(fā)生在四川盆地周邊的最大一次地震，該次地震造成了重大的人員傷亡和財產損失.震后不同研究者迅速利用區(qū)域和全球臺網資料，確定了該次地震震源機制解［1－4］.結果顯示該次地震為高角度逆沖型地震，地表無大規(guī)模出露，震災主要集中于斷層上盤的蘆山縣和寶安縣.蘆山和汶川兩次大地震同屬于龍門山斷裂帶，該區(qū)域是青藏高原東緣邊界，是青藏高原到四川盆地的一個過渡帶，海拔從4000～5000m過渡到了約500m，為世界上坡度最陡的高原邊界.通常認為，這種海拔急劇變化的過渡帶區(qū)域本身就說明垂直龍門山方向上水平構造應力分量很大.可是GPS觀測顯示龍門山地區(qū)的地殼形變較小，青藏高原東緣及龍門山地區(qū)與四川盆地之間的縮短率僅為2～3mm／a，與青藏高原南緣喜馬拉雅山縮短率20mm／a相比，前者僅為后者1／10［5］.根據該區(qū)域巨大地貌垂直高差而幾乎沒有逆沖擠壓變形 的觀測 事實，Royden等［6］、Clark和Royden［7］認為由于四川盆地高強度巖石圈的阻擋，使得下地殼物質在龍門山之下堆積，形成巨厚地殼和高海拔的地貌.此外，高原等結合剪切波分裂結果的分析［8－9］，揭示了龍門山斷裂帶區(qū)域的地殼主壓應力方向及其與斷裂之間的關聯，并依據蘆山地震余震的定位結果，推斷蘆山地震的破裂與汶川地震的破裂沒有貫通，在蘆山與汶川之間形成了一個“破裂空段”.以上地表觀測到的復雜地形地貌成因及根據剪切波資料得到的構造應力場的分布等，都需要從地球深部結構去探究其成因.

近年來，不同方法的地震波研究均揭示出龍門山斷裂帶以西地區(qū)存在與中下地殼流［10－17］密切相關的低波速異常.5.12汶川地震后，張忠杰等橫跨龍門山經汶川主震震源，布設了一條長約380km的寬頻帶地震剖面，該剖面所得P波接收函數成像結果顯示［18］，以汶川地震所處位置的龍門山斷裂為界，兩邊的地殼厚度、波速比發(fā)生了劇烈變化.在汶川地震震源區(qū)下方地殼存在著明顯的錯斷和變形，兩側波速比也發(fā)生了明顯變化.S波接收函數顯示，在橫跨龍門山斷裂時，巖石圈底界面（LAB）也出現了較大起伏，揭示出巖石圈存在明顯變形.

4.20蘆山地震和5.12汶川地震同處一個斷裂帶，對兩次巨大地震震源區(qū)下方地殼和巖石圈變形特征的對比研究，對于理解龍門山斷裂帶及鄰區(qū)中強地震孕育的深部地球動力學機制和地震危險性的評估都具有重要的科學意義.近年來，隨著中國測震觀測臺網的不斷加密，四川省地震臺網的所屬臺站，較好地覆蓋了四川盆地及川西地區(qū)，這些資料為該區(qū)域深部結構的研究奠定了堅實的基礎.近年來已有研究者利用這些資料，對青藏高原東部、四川盆地及周邊的地殼、上地幔和巖石圈特征進行了研究［13－28］.在前人工作基礎上，本文發(fā)展了一種自動計算、挑選P波和S波接收函數技術，利用2009年至2011年四川地震臺網的遠震資料，同時計算遠震P波和S波接收函數，且以P波接收函數的Moho面分布形態(tài)作為檢驗S波接收函數的一個標準，通過P和S波接收函數同時成像的方式，重點利用S波接收函數成像結果對汶川地震和蘆山地震震源區(qū)下方的地殼和巖石圈變形特征進行對比性研究，以期探索龍門山斷裂帶強震區(qū)地殼和巖石圈的變形特征.

2 資料和方法

四川省地震臺網自2008年完成數字化改造之后，正常工作的固定寬頻帶地震臺站一共有60個，臺站分布如圖1所示.在本文中，首先收集了2008年1月至2011年4月每個臺站MS5.4級以上、震中距在30°～90°的所有遠震波形.其中地震目錄參考美國地質調查局（USGS）的全球地震目錄.

遠震接收函數方法通過反褶積消除震源的影響進而分離出臺站下方地殼、上地幔間斷面對應的PS波轉換震相或者S－P波轉換震相及其多次波，前者為P波接收函數，后者為S波接收函數.P波接收函數中淺部間斷面的多次波對深部間斷面的確定有較大影響，特別是LAB所在的深度，是淺部多次波最為集中的一個深度段，因此在確定LAB時，P波接收函數方法具有局限性.和P的接收函數類似，遠震S波在臺站下方遇到間斷面時，也會產生轉換波和多次波，但是S波接收函數的多次波在S震相之后，而其轉換波在S震相之前，特別是在巖石層和軟流層這一深度的分辨能力上比P波接收函數具有天然的優(yōu)越性.因此目前的研究中，P波主要用于Moho和上地幔間斷面（主要是410km和660 km間斷面）的研究，且取得了豐碩的成果.而S接收函數主要用于Moho和LAB的研究.此外，S波接收函數上由Moho引起的Smp震相幅度比P波接收函數上Pms的幅度要大［29］，而且由于S波在臺站下方入射角的范圍比P波的大（如圖1所示），因此在臺站密度較稀疏的時候，S波接收函數成像的連續(xù)性更好，更能突出如Moho等地球內部間斷面的變化趨勢.

在本文P波接收函數的計算中，首先選擇震中距30°～90°、震級大于5.5且Z分量上P波初動清晰的波形，并截取P波初動前20s和之后150s的資料.根據理論計算的后方位角，將觀測波形的東西和南北兩個水平分量旋轉到徑向（R）和切向（T），將R、T和Z向的波形和Z向波形采用時間域的Winnar濾波技術分別進行反褶積，分離出R、T和Z向的響應，記做R1、T1和Z1.一般情況下，此時反褶積R1和T1就是常用的接收函數.但由于實際的遠震P波在臺站下方遇到間斷面時并不是垂直入射的，因此R1向的Ps轉換震相的幅度并不是最大的，只有沿著Sv波震動方向的Ps轉換震相才是最大的.為了盡可能明顯地分離出Ps轉換震相，將P波初動附近2s內R1和Z1向的數據記錄做偏振分析，根據P波能量最大時的角度，確定P波在地表的入射角（φ）.根據該角度和后方位角，將原始的ZN－E三分量地震波旋轉到L（P）－Q（SV）－T（SH）坐標系.參考IASP91模型可以計算P波理論的入射角φ0，為了避免由于儀器本身帶來的錯誤，當φ和φ0的差值超過10°時，認為數據本身有問題而舍棄.旋轉后Q向時間序列和L向時間序列做反褶積（L為反褶積的分母），就得到P波觀測接收函數.之后再利用0.1～1Hz的帶通濾波器進行濾波，以消除噪聲干擾，突出穩(wěn)定信號.如圖2a所示，為LTA臺站利用上述方法所計算的所有P波接收函數按照Pds轉換震相校正到6.5s／°的慢度［30］的疊加結果.該區(qū)域60個臺站，利用上述方法一共得到了13719條P波觀測接收函數.圖1中的紫色圓點標示了Pms震相（假設Moho深度為50km）透射轉換點的位置.

對于S波接收函數，選擇的震中距為60°～85°、震級為MS5.6級以上且S波震相清晰的波形，截取S波前200s和之后30s的資料.采用和計算P波接收函數類似步驟，將Z－N－E三分量地震波旋轉到L－Q－T坐標系.旋轉后L向時間序列和Q向時間序列做反褶積，就得到S波觀測接收函數，之后對該信號利用0.1～3Hz的帶通濾波器進行濾波.但在確定S波入射角時，和P波接收函數計算有所不同，將S波附近2s內的信號做偏振分析，根據S波能量最小時的角度確定S波入射角.圖2b為LTA臺站利用上述方法所計算的所有S波接收函數按照Pds轉換震相校正到6.5s／m慢度［30］的疊加結果.

以上計算P波和S波接收函數的過程都可以通過程序實現數據的自動化處理，整個過程中再無人為干涉，保證了結果的客觀性和可重復性.LTA臺P波和S波接收函數結果都顯示在7.5s附近，存在一個明顯的正信號，該信號為Moho界面的Ps（Sp）轉換波.P和S波接收函數所確定的Moho界面深度的一致性說明了方法的合理性和結果的可靠性.利用上述方法一共得到了所有臺站11903條S波觀測接收函數.圖1中的黑點標示了SMp震相（假設Moho深度為50km）透射轉換點的位置.結果顯示SMp震相透射轉換點的位置對研究區(qū)有更好的覆蓋，而PMs震相透射轉換點的位置則集中在臺站附近.

3 結 果

為了直觀顯示汶川5.12和蘆山4.20地震震源區(qū)地殼和LAB的變形特征，參考IASP91模型，分別對P和S接收函數進行偏移成像.在偏移成像中，對于某一深度，沿著水平方向，以2km的步長移動窗口，每移動一次，以窗口中心點為圓心，菲涅尓帶的一半為半徑（如45km的Moho，其菲涅尓帶半徑約為15km），將處于該范圍內的所有透射轉換點對應的接收函數幅度進行疊加，以此作為成像值.當該點所確定的范圍內透射轉換點少于5個時，認為所得的結果不可靠.該過程一方面盡量保留了該點最明顯的特征，又能根據周圍結果將成像圖形進行平滑，因此，可以有效得到地殼和上地幔中間斷面的信息.根據臺站分布，沿如圖1中所示不同緯度的5個剖面分別進行P和S波接收函數成像（如圖3—7所示），其中BB′和CC′剖面分別穿過了汶川地震和蘆山地震的主震震中位置.由于S波接收函數中SMp震相對應的透射轉換點對整個研究區(qū)的覆蓋較好，所以S波接收函數成像結果也較P波接收函數成像結果更為連續(xù).因此主要根據S波接收函數成像結果對地殼和巖石圈變形特征進行分析，而P波接收函數結果中Moho的展布趨勢則主要作為判定S接收函數結果可靠性的主要參考.

根據圖3—7中S接收函數成像結果，勾勒出了沿著每個剖面的Moho面（圖3—7中綠線）和地殼自西向東逐漸減薄，在東經102°附近，Moho面出現了較強變形，在東經100°以西，LAB不清晰，100°以東，LAB展示出較為復雜的雙層疊置結果.

圖7 EE′剖面S波（上）和P波（下）接收函數偏移成像結果.說明同圖3Fig.7 The migration image of S（up）and P（down）receiver functions along EE′profile

4 討論和結論

本文利用固定臺站P和S波接收函數，對發(fā)生過汶川和蘆山強震的龍門山斷裂帶進行了地殼和巖石圈結構的成像.重點利用S接收函數結果對研究區(qū)地殼及巖石圈變形特征進行了分析.從方法上講，本文在計算P和S接收函數過程中，制定了一套定量化的準則，盡量減小在目前接收函數計算特別是S接收函數計算中存在的人為挑選帶來的主觀因素，保證結果的客觀性和可重復性.由于P波接收函數結果較穩(wěn)定且可靠，利用P波接收函數結果對S波接收函數結果進行驗證，保證了結果的穩(wěn)定性和可信性.

本文結果顯示，從青藏高原向四川盆地過渡的龍門山斷裂帶，地殼厚度發(fā)生了較為劇烈的陡變，特別是在汶川和蘆山地震的震源區(qū)及以南區(qū)域（DD′和EE′剖面對應區(qū)域），Moho面呈現出較為明顯的下凹變形，且出現了錯斷的痕跡，LAB也呈現出下凹的趨勢.在青藏高原隆升和擴張過程中，受到堅硬的四川盆地的阻擋，形成了地形、Moho面和LAB強烈變形的一個過渡區(qū)，這種自地表至巖石圈的強烈變形可能意味著該區(qū)域應力和應變的高積累量.柳暢等［31］根據有限元數值模擬結果推測印度板塊對歐亞板塊的推擠造成青藏高原的物質東流，高原中、下地殼物質在龍門山斷裂帶處遭到相對堅硬的四川盆地的阻擋之后，部分中、下地殼物質在龍門山斷裂帶下堆積產生應力集中；Moho面在龍門山斷裂帶發(fā)生西北深、東南淺的突變.Wang等［10］、Pan和Niu［19］、Zhang等［18，20］利用固定臺站或者流動臺陣遠震P波接收函數，對青藏高原東部及四川盆地的地殼厚度和波速比進行了研究，結果表明龍門山以西的青藏高原呈現高波速比、而四川盆地呈現較低的波速比.據此推斷，四川盆地為堅硬的冷地殼，而青藏高原為介質性質較弱的熱地殼.

根據以上分析，本文得到如下主要結論

（1）青藏高原東緣向四川盆地的過渡區(qū)，地殼存在明顯變形，主要特征表現為龍門山斷裂帶下方地殼的錯斷和褶皺變形；

（2）除了中、下地殼物質在龍門山斷裂帶下堆積外，巖石圈中的物質由于四川盆地的阻擋，可能也出現了和地殼相關的堆積和變形；

（3）以上地殼及巖石圈變形所代表的高應力的積累可能是汶川和蘆山地震重要的深部地球動力學背景；

（4）本文結果中5個剖面的西段，LAB都不清晰.根據前人及本文結果推測受到四川盆地阻擋，青藏高原東部上地幔中的熱物質上涌，導致LAB的模糊.致 謝 在接收函數計算和成像方面，德國地學研究中心（GFZ）的袁曉暉博士、Marcelo Bianchi博士和Prakash Kumar博士給予了無私幫助；兩位審稿人給出了中肯的意見；本文所用數據由甘肅地震臺網中心和中國地震局地球物理研究所數據備份中心［32］提供，所有圖件均有GMT軟件包［33］在此表示感謝！

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