一、层析成像反演方法
假定地球是各向同性的、完全弹性的分层介质,地震波视作点源,并取地震波的高频近似解。设波速为v,则由震源i至接受点j的走时可写成
新疆阿尔泰—天山地学断面地质地球物理综合探测和研究
式中Lij为射线路径,由路径的微分方程给出(Cerveny, V.et al, 1977)。用三维空间中的非均匀网各点的速度值描述介质的速度函数,并且允许存在介质参数的间断面(朱天飞等,1982;刘福田等,1984)。
由9.1式可知,由于走时取决于沿射线路径的积分,而路径同介质速度有关,因此,利用9.1式反演速度将使成像问题高度非线性。 我们可按下述方式线性化
新疆阿尔泰—天山地学断面地质地球物理综合探测和研究
式中 为观测走时; 是参考速度为v0时的理论走时, 分别为第i个地震的深度、纬度、经度和发震时间。
9.2式的第一项为速度相对于v0有小扰动δv时所引起的走时变化,第二项代表震源时空参数变化对走时的影响。据此,利用刘福田等(1989)提出的方法进行层析成像。
二、资料与初始模型
1.资料
用于本书方法的P波到时资料有两种,一种是研究区域以外的远震到时资料,另一种是研究区域以内区域到时资料。 由于远震资料的入射角范围相当窄(一般只在±30°范围内),它只能用于分辨尺度相当大的结构。 它的水平分辨可以用增加台站个数,减小台站间距来改善,但对地壳上部的垂直分辨仍是不够理想的。 与远震资料相比,区域地震到时资料的优点在于入射角范围可以在很大的范围内变化,因此对地壳上部的三维结构可以取得良好的分辨。 本项研究重点关注的是新疆北部地区地壳速度结构,因此采用区域地震到时资料。 一般来说,地震射线(地震波)穿透地下介质的深度与震中到接收台站的距离成正比,而且研究区域内的地震震源深度多在10 ～35km之间,如果研究区域选择过小,通过下地壳的地震波将很少,我们将无法能获得下地壳地震波速度分布图像。 为此,我们将研究区域扩大为北纬39°～50°和东经77°～91.5°,它包括中国新疆和吉尔吉斯斯坦等。 研究区域内有55个地震台站(图9-1),经过计算残差,最后选用了1984～1997年间发生在研究区域内的1049个地震(图9-2),每个地震一般不少于10个地震台站记录。 共用了13094个P波到时数据,到时误差小于0.3s。
图9-1 研究区域内的地震台站位置及网格划分示意图
图9-2 用于层析成像的地震震中分布图
2.初始模型
初始模型的选择按照以下原则:首先,根据地震台站和震中的分布,以及我们所关心的区域进行划分,保证所划分的网格有足够的射线通过,网格的尺寸是不均匀的,水平方向的最大尺寸为3°×2°,最小尺寸为0.7°×0.7°(图9-2),垂直方向的最大尺寸为60km,最小尺寸3km(表9-1)。 第二,不同深度处的平均速度值的选取是参考新疆地震台网观测报告中提供的速度模型,100km深度以下的速度参考Herrin(1968)模型。 第三,深度的划分主要考虑不同层内有足够的射线数和研究的需要,莫霍面的平均深度则根据用 与Pn实际观测资料所做的时-距曲线而确定。 研究区域内总共有2340个节点,即有2340个待求系数。 各个深度处的参考速度值由表9-1给出,并假定从一个深度到下一个深度,速度按线性变化。
表9-1 新疆北部地区的初始速度值
三、三维速度结构重建
图版9.Ⅰ是本书得到的不同深度处的速度分布图像。 其速度分布如色标所示,参考速度值为零,红色到绿色表示低速区,蓝色到紫色表示高速区。 由于受到地震台站和地震分布的限制,研究区域内的左上角、右下角等部分地区没有或很少有射线通过,所以未对这部分地区进行推论。
1.地壳上地幔速度图像
图版9.Ⅰ(a)是3km深度的速度图像,参考速度为5.8km/s。 该深度的天山与准噶尔盆地相衔接的山前地带和天山与塔里木盆地相衔接的山前地带为低速区,速度值在4.6～5.6km/s之间;在天山、阿尔泰山、阿拉泰山、塔尔巴哈台山等以高速为主,速度值在5.65 ～6.4km/s之间。
图版9.Ⅰ(b)是12km深度的速度图像,参考速度6.0km/s。该深度基本保持3km深度的速度分布特征。 在天山与准噶尔盆地相衔接处的山前地带仍为低速区,速度值在4.8～6.0km/s之间,但范围缩小;在天山与塔里木盆地相衔接的山前地带仍为低速区,速度值在4.8～6.0km/s之间,但范围已显缩小到新和(XIH)周围地区;在天山、阿尔泰山等山脉仍以高速异常为主,速度值在6.0～6.6km/s之间。
图版9.Ⅰ(c)是21 km深度的速度图像,参考速度6.2km/s。该深度阿尔泰山以高速为主,速度值在6.2 ～6.8km/s之间;天山为高、低速相间分布,高速占优势;在准噶尔盆地以低速为主,速度值在5.6～6.2km/s之间;塔里木河以北的塔里木盆地边缘地区为高速区,速度值在6.2 ～6.8km/s之间,它与天山之间有一条低速带,速度值在6.1km/s左右。左下角的塔里木盆地为低速区,速度值在6.0km/s左右。
图版9.Ⅰ(d)是36km深度的速度图像,参考速度6.5 km/s。 该深度的速度分布,在天山、阿尔泰山以高速为主,速度值在6.5～7.2km/s之间,其中有低速分布,速度值在6.2km/s左右;准噶尔盆地中心为低速区,速度值在6.2～6.5km/s之间,周围被高速所包围,速度值在6.5～7.4km/s之间;塔里木盆地为高速,速度值在6.5～7.4km/s之间。
图版9.Ⅰ(e)是51km深度的速度图像,参考速度7.98km/s。该深度为上地幔顶部的速度分布,天山、阿尔泰山普遍为低速,速度值在6.8～7.98km/s之间;准噶尔盆地以高速为主,速度值在7.98～8.4km/s之间,其中低速分布;塔里木盆地分为3块,中部为高速,速度值在7.98～8.4km/s之间,东经86°以东为低速,并与天山的低速融为一体,速度值在7.5km/s左右,图中左下角为低速,速度值在7.4km/s左右。
图版9.Ⅰ(f)是75 km深度的速度图像,参考速度8.05km/s。该深度在天山、塔里木盆地和准噶尔盆地均为高、低速相间速度分布。 塔里木盆地中间为低速,速度值在7.8～8.05km/s之间,东西两边以为高速为主,速度值在8.05～8.4km/s之间;准噶尔盆地中间为高速区,速度值在8.05～8.4km/s之间,南北两边为低速,速度值在7.8～8.05km/s之间;天山为小范围的高、低速相间分布。
图版9.Ⅰ(g)是100km深度的速度图像,参考速度8.15km/s。该深度在塔里木、准噶尔盆地均为高速,速度值在8.15～8.4km/s之间;天山为高低速相间分布,其中有两块大范围的低速,速度值在8.0～8.15km/s之间。
2.通过玛纳斯、尼勒克、乌苏、轮台、富蕴地震区的纵剖面速度分布图像
图版9.Ⅲ是通过玛纳斯、尼勒克、乌苏、轮台、富蕴地震区的纵剖面的速度分布图像,横坐标表示经度或纬度,纵坐标表示深度,深度范围0～220km。纵剖面的位置如图9.3(a)所示。 其速度分布如色标所示,深度划分和参考速度见表一。
图9-3 (a)纵剖面位置图,(b)玛纳斯地震区纵剖面位置图
图版9.Ⅱ中A-A’是通过轮台、玛纳斯地震区的纵剖面,深度划分和参考速度见表9-1,横坐标表示纬度。在速度图像中,北纬40.0°～42.0°对应塔里木盆地和天山南缘地区,在轮台地震区存在高速区,速度值在6.33～6.7km/s之间,在上地幔顶部存在高速区,速度值在8.15～8.33km/s之间;北纬42.0°～44.0°对应天山地区,在玛纳斯地震区存在高速区,速度值在6.33～6.5km/s之间,在上地幔中存在低速区,速度值在7.5～8.15km/s之间;北纬44.0°～46.0°对应准噶尔盆地西侧边缘,在上地幔中存在高速区,速度值在8.15～8.33km/s之间;北纬46.0°～48.0°对应准噶尔盆地北部地区,在上地幔顶部存在高速区,速度值在8.15～8.33km/s之间;北纬48.0°～50.0°对应阿尔泰山,在上地幔顶部存在低速区,速度值在7.35～7.65km/s之间。
图版9.Ⅱ中B-B’是通过轮台、玛纳斯、富蕴地震的纵剖面,深度划分和参考速度见表10.1,横坐标表示经度。 在速度图像中,东经81.2°～83.2°对应塔里木盆地北缘,在地壳中存在低速区,速度值在4.5～5.0km/s之间,在上地幔顶部存在高速区,速度值在8.25～8.5km/s之间;东经83.2°～85.5°对应天山地区,在轮台、玛纳斯地震区附近存在高速区,速度值在6.15 ～6.5km/s之间,在上地幔中存在低速区,速度值在7.65～8.0km/s之间;东经85.5°～89.0°对应准噶尔盆地,在准噶尔盆地南缘的地壳中存在低速区,速度值在5.0～5.5km/s之间;东经89.0°～90.8°对应阿尔泰山,在富蕴地震区存在高速区,速度值在6.25～6.5km/s之间,在上地幔顶部存在低速区,速度值在7.25～8.0km/s之间。
图版9.Ⅱ中C-C’是通过尼勒克、乌苏地震区的纵剖面,深度划分和参考速度见表一,横坐标表示经度。 在速度图像中,东经79.0°～84.3°对应天山地区,在东经81.0°附近的地壳中存在高速区,速度值在6.33～6.5km/s之间,在上地幔中存在低速区,速度值8.0km/s左右,在东经82.5°～84.0°的地壳中的尼勒克、乌苏地震区附近存在高速区,速度值在6.33 ～6.65km/s之间,在上地幔中存在高速区,速度值在8.15～8.35km/s之间;东经84.3°～89.0°对应准噶尔盆地,在东经85.0°附近的准噶尔盆地南缘的地壳中存在低速区,速度值在4.8～5.0km/s之间;在东经86°～88.0°的21km深度附近普遍存在低速区,速度值在6.3km/s左右;在东经88.0°～89.0°的地壳中存在高速区,速度值6.5km/s左右。
3.玛纳斯地震区及其附近地区的纵剖面速度图像
我们在北纬41°～45.2°、东经82.7°～88.3°的玛纳斯及其附近地区做了相互垂直的各十条纵剖面(图版10.Ⅲ和图版10.Ⅳ),纵剖面的位置如图10.4(b)所示,通过不同的纵剖面,可以得到深部构造随位置的变化情况。
图版9.Ⅲ是由西向东分布的近南北向的纵剖面速度图像,深度划分和参考速度见表9-1,横坐标表示纬度,纵坐标表示深度。 在不同位置的纵剖面速度图像上,北纬41.0°～42.0°由西至东对应塔里木盆地北缘和塔里木盆地,在21km深度以上,塔里木盆地北缘为低速区,速度值在5.0 ～6.0km/s之间(与山前坳陷沉积相关)。 在21km深度以下为高速区,速度值在6.0～7.0km/s之间。 北纬42.0°～44.0°对应天山地区,在北纬43.0°～44.0°的12km深度存在高速区,速度值在6.0～7.25 km /s之间。 北纬44.0°～45.0°对应准噶尔盆地的南缘,从西到东21km深度以上,普遍为低速区,速度值在4.5～6.0km/s之间(与准噶尔盆地南缘坳陷沉积相关),A5-A5’附近的速度值相对最高,速度值在5.5km/s左右。 结果表明,天山地区、塔里木和准噶尔盆地的速度结构明显不同,在天山的地壳中存在一个东西向长条状高速体,速度值在6.25～6.75km/s之间,在A5-A5’和A6-A6’附近的玛纳斯地震区速度值相对最低,速度值在6.25km/s左右。
图版9.Ⅳ是由北向南分布的近东西向的纵剖面速度分布图,深度划分和参考速度见表9-1,横坐标表示经度,纵坐标表示深度。在不同位置的纵剖面速度图像上,B1-B1’～B5 -B5’对应准噶尔盆地南缘,在12km深度以上普遍存在低速区,速度值在4.5～6.0km/s之间,低速区的厚度由B1-B1’到B-B5’由深变浅(沉积区呈箕状形态),在东经85.0°附近低速区不连续,在12km深度以下为正常的分层结构。 B6-B6’ ～B10-B10’对应天山地区,在12km深度附近有东西向的高速区存在,速度值在6.5 ～6.75km /s之间,在B6 ～B6’,B7～B7’中高速区分为东西两块,玛纳斯地震位于B7～B7’的两个高速区之间。 B8 ～B8’～B10～B10’中仅剩一块高速区。 在21km深度以下,高速结构呈现起伏变化。 结果表明,准噶尔盆地南缘和天山地区的速度结构明显不同,在天山的地壳中存在一个东西向长条状高速体,速度值在6.25～6.75km/s之间。
4.结果的可靠性分析
按照文献(刘福田等,1989),结果的可靠性分析用解的协方差矩阵和分辨矩阵来度量。协方差矩阵的对角元素的平方根即为相应解分量的标准差,本书解的标准差一般优于1.0%,最大不超过2.7%。 分辨不仅与通过网格的射线数有关,而且与射线对介质的采样方式有关。 从研究区域内地震台站分布和用于反演的地震分布,在除边角地区以外,射线对介质的采样方式十分理想。 本书用通过网格的射线数表示结果的分辨率,图版Ⅱ给出不同深度上通过网格的射线数分布图。 为了能够便于比较各层射线数的覆盖情况,给出0～100的统一标度,实际上除100km以外的各深度上,网格的射线数远大于100,甚至是它的40倍以上。 由于160km深度以下很少有射线通过,所以本书没有给出160km深度以下的速度分布图像结果。
四、讨 论
根据上述结果,我们可以在深浅构造关系、大地震与深部构造的关系、天山地震带与深部构造的关系和新疆北部大地震孕育发生的模式等方面取得许多新认识。
深浅构造关系
图版9.Ⅰ中3km和12km深度的速度分布与地表不同地质构造单元密切相关。 盆地、坳陷沉积等为低速区。 例如,从奎屯(KIT)—乌鲁木齐(WMQ)—阜康(FUK)一带为东西走向的低速区,它们与天山、准噶尔盆地相衔接的山前地带的坳陷沉积有关;在阿克苏(AKS)—新和(XIH)—库车一带为北东走向的大范围低速区,它们与天山、塔里木盆地北缘相衔接的山前地带的坳陷沉积有关,另外这一地带的地表分布有油气和沼泽(蔡仲琼,1993),这也是造成低速的原因。 而山脉以高速为主,例如天山、喀拉铁克山、阿拉泰山等。 在天山南北缘有速度梯度带存在,速度梯度带与地表大断裂带的位置与走向相对应。 例如,天山北缘的速度梯度带对应清水河断裂带。 速度梯度带两侧的不同速度分布表明断裂带两侧的构造不同,由速度梯度带可以推断,断裂带的深度至少达到12km。
图版9.Ⅰ中21km深度的速度分布与12km深度的速度分布相比有很大的不同。 天山为高低速相间的速度分布,这表明了天山的速度结构很不均匀,其中的低速区与部分熔融相关。 准噶尔盆地南缘的低速区与山前的凹陷沉积有关,这表明沉积厚度达到21km深度。 塔里木盆地北缘的低速区已不存在,这表明山前凹陷沉积深度不超过21km深度。塔里木盆地所能重建的北部阿克苏—新河—库尔勒地区为完整的高速区,这表明塔里木盆地结构的相对完整性。 在天山南北缘与塔里木盆地北缘和准噶尔盆地南缘相衔接处的速度梯度带,与地表的天山南缘断裂带的位置与走向基本相对应,但准噶尔盆地南缘的速度梯度带显得不很光滑,在准噶尔盆地的西北缘与阿尔泰山相衔接处的速度梯度带与地表的额尔齐斯断裂带和可可托海-二台断裂带的位置相对应,但走向不完全一致,这表明速度梯度带与断裂带相关,断裂带在地壳中表现为速度梯度带,据此推断,地表断裂带的深度超过21km。
图版9.Ⅰ中36km深度的速度分布与12km和21km深度的速度分布相比有很大的不同。 天山地区的速度分布表明结构很不均匀。 天山南北缘的低速区已不存在,这表明沉积的深度不超过36km。 与地表的断裂带相对应的速度梯度带也无明显的痕迹,这表明断裂带的深度不超过36km。塔里木盆地所能重建的部分的速度分布表明结构比较完整。 总体来说,该深度的速度值普遍较高,
图版9.Ⅰ中51 km深度的壳幔边界速度分布所作的推论有两种可能:一种是低速被解释成该地区出现异常壳幔边界,它可能表征存在地幔物质渗透引起的局部熔融;另一种是据此推论地壳厚度的变化(壳幔边界的起伏)。 按照后一种推论,在塔里木和准噶尔盆地,速度普遍大于7.98km/s,为上地幔顶部的速度,表明地壳厚度小于51km,是壳幔边界的隆起区。 在天山、阿尔泰山等山脉,速度普遍小于或等于7.98km/s,表明地壳厚度大于或等于51km,是壳幔边界的凹陷区或等于51km。 该深度的速度分布图像,表明了不同构造单元地壳厚度的差异,或者说,表明了不同构造单元的壳幔边界起伏情况。 与地表的天山南北缘断裂带相对应的位置,不同构造单元速度差异造成的速度梯度带不向地表断裂带那样光滑,而是参差不齐,但走向基本一致。 这说明了塔里木盆地、天山和准噶尔盆地等不同构造单元的接壤部位,在壳幔边界附近的构造是十分复杂的。 而且,在东经86°以西的天山壳幔边界范围与地表的天山范围相比明显缩短,有塔里木盆地高速体挤入天山低速体的现象。 值得注意是,在东经86°以东的天山和塔里木盆地地区有相联的大范围低速区,如果用壳幔边界的隆起或凹陷来解释,说明塔里木盆地在这一地区的壳幔边界情况与天山相同。 这样的结论与S波速度结构结果是相近的(宋仲和等,1993)。 但这与重力等其他地球物理结果不一致(殷秀华等,1998),因此,有待进一步深入研究。
图版9.Ⅰ中75km深度的速度分布似乎已看不出不同地质构造单元之间的差别,如果我们以地表的地质构造的划分来看该深度的速度图像,我们会得到:天山为高、低速相间的速度分布。塔里木盆地西侧为高速区,东侧为低速区。 准噶尔盆地以低速为主。 地表已知的各大地质构造单元的轮廓特征已不存在。
图版9.Ⅰ中100km深度的速度分布能够比较清楚的区分出不同的地质构造单元。 塔里木、准噶尔盆地为高速区。 天山为高、低速相间分布。各大地质构造单元之间的边界可以区分。该深度被认为是大陆岩石圈的平均深度(黄汲清等,1980),该深度的速度分布表明不同地质构造单元的岩石圈厚度是有差异的。
图版9.Ⅳ和图版9.Ⅴ中的低速区与准噶尔南缘的山前坳陷沉积密切相关,沉积的最大厚度不超过21km。
图版9.Ⅲ是3条通过新疆北部不同地区的纵剖面速度分布图像,它们的速度分布表明,研究区域内速度的不均匀性十分显著,这种不均匀性不仅表明了不同地质构造单元之间的速度结构差异,也表明了在同一地质构造单元的不同深度上构造的差异。 在不同的速度剖面中,强震与速度变化最剧烈的地壳(深度范围在10～30km)、壳幔边界和上地幔低速区相对应。
图版9.Ⅳ和图版9.Ⅴ中的玛纳斯及其附近地区纵剖面的速度分布图像表明,不同地质构造单元的速度结构不同,近南北向的纵剖面速度分布表明塔里木盆地、准噶尔盆地和天山的速度结构不同,天山南北缘两侧的低速区与天山山前坳陷有关,天山北缘沉积的厚度可达20km左右。 天山则普遍为高速区,地壳中有高速体存在。 近东西向的纵剖面速度分布表明,在B5-B5’纵剖面两侧的速度结构明显不同,靠准噶尔盆地一侧为低速区,与山前坳陷沉积有关,地壳中的速度以均匀分层结构为主,靠天山一侧普遍为高速区,在地壳中玛纳斯及邻近地区有高速体存在。
概括起来说,新疆北部地区地壳上地幔的速度结构总体上与地表的地质构造相关,随着深度的增加相关性减弱。 在天山南北缘存在山前坳陷沉积,厚度可达20km左右。 天山南北缘断裂带的深度超过21 km。 天山地区的构造不完整,存在近南北向构造带。 塔里木、准噶尔盆地地壳厚度小于51 km,天山地区地壳厚度大于51 km。 在天山东经86°以西的壳幔边界,受塔里木、准噶尔盆地的挤压明显缩短。 天山部分地区上地幔中存在低速异常。 也存在深部速度分布与地表地质构造不相关的地方,例如,在51 km深度,东经86°以东地区天山与塔里木盆地的速度结构相同。