瑪沁瑪沁蘭州靖邊地震測深剖面地殼速度結(jié)構(gòu)的初步研究

瑪沁瑪沁蘭州靖邊地震測深剖面地殼速度結(jié)構(gòu)的初步研究

1區(qū)域地震活動的解釋青藏高原的上升機制及其對外部地區(qū)的影響，國內(nèi)外學(xué)者先后提出了許多模型。鄂爾多斯地塊是一個完整性非常好的堅硬塊體.地塊內(nèi)部高度穩(wěn)定,幾乎沒有發(fā)生過中強地震,而在其周邊卻出現(xiàn)了一系列的強震活動.根據(jù)以往的人工地震結(jié)果當起主動作用的青藏高原軟塊體與被動的鄂爾多斯硬塊體相互作用時,會產(chǎn)生什么效果呢1920年海原8.5級地震發(fā)生在兩塊體結(jié)合部位,為集中研究青藏高原東北邊緣和鄂爾多斯地塊的相互作用,中國地震局地球物理勘探中心和地質(zhì)研究所布設(shè)了一條近1000km長的瑪沁—蘭州—靖邊綜合地球物理探測剖面,集人工地震剖面、遠震觀測剖面和大地電磁剖面為一體,簡稱為“三合一”剖面.本文將集中介紹沿該剖面由人工地震觀測資料得到的初步結(jié)果和認識.2剖面地質(zhì)構(gòu)造背景瑪沁—蘭州—靖邊人工地震剖面西南起青海的達日,東北至陜西靖邊(圖1),剖面全長980km.該剖面穿經(jīng)青藏高原塊體和鄂爾多斯地塊;在青藏高原內(nèi)部,剖面從西南至東北依次經(jīng)過了巴顏喀拉地塊、柴達木地塊和祁連地塊.后兩個塊體相應(yīng)于圖1中的秦祁褶皺系.地塊之間均以斷裂為界,巴顏喀拉地塊和柴達木地塊以瑪沁斷裂為界,柴達木地塊與祁連地塊則以秦嶺地軸北緣斷裂為界,祁連地塊與鄂爾多斯地塊則以一組弧形斷裂為界,自西向東為西華山—六盤山斷裂、香山北麓—李旺堡斷裂和青銅峽—固原斷裂.本文研究剖面經(jīng)過海原8.5級大震的震中地區(qū),并沿布格重力異常和地殼厚度變化最快的方向,即梯度方向展布.3地殼厚度及moho面沿該剖面分別在9個炮點上進行了12次爆炸觀測,炸藥量為2t左右.所用觀測儀器為自制的DAS-1型三分向數(shù)字地震儀.共投入200臺地震儀器,接收點距為1—3km.根據(jù)P波資料的記錄特征,識別、對比出了上地殼的回折波Pg,C界面和Moho界面的反射波Pc和Pm,以及穿透到上地幔頂部的折射波Pn等波組(圖2).Pc波可連續(xù)追蹤對比,在強度上僅次于Pm波.由此可以推斷,除地殼底界面Moho面外,在地殼內(nèi)部C界面是最主要的界面,據(jù)此,可將地殼在垂向劃分為上地殼和下地殼兩大層.此外,還觀測到一些次要的反射震相Pc1,Pc3,Pc4,Pc5等.不過,這些震相大都比Pc波弱,且不太連續(xù).因此,上、下地殼又可再細分成一些數(shù)目不等的次一級的層.圖2中靖邊炮點和同心炮點的記錄截面,分別反映了鄂爾多斯地塊內(nèi)部和海原地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu).這兩個記錄截面中Pm波在走時和波形方面都有較大的差異,反映沿剖面Moho面橫向變化劇烈.從靖邊炮的記錄截面來看,Pm波的波形較簡單,波的振幅大,起始尖銳,延續(xù)時間短;相反,在同心炮西支的記錄截面上Pm波延續(xù)時間長,且呈多個波包的形式.為了清楚地表明Moho面的橫向變化,圖3繪出了沿整個剖面Pm波的綜合對比.從圖3(a)可以看出,對于沿測線自東北至西南的4個炮點,Pm波的走時曲線呈疊瓦狀,依次抬升,臨界距離逐漸增加,反映Moho面由東北至西南逐漸變深的總趨勢.圖3(b)則為Pm波的復(fù)雜性系數(shù).復(fù)雜性系數(shù)的計算參照Mereu4地殼二維速度結(jié)構(gòu)在得到各地震波組的走時曲線后,利用地震層析成像技術(shù)研究沿剖面的二維地殼速度結(jié)構(gòu).首先,利用圖4為與各個記錄截面所對應(yīng)的速度-深度函數(shù),可以看出沿剖面Moho面自東北至西南逐漸加深,而C界面深度變化不大.達日炮點東支和澤庫炮點西支這兩條相鄰的速度-深度曲線中出現(xiàn)多個低速層;另外,在會寧東支、海原東支和同心西支這3條相鄰的速度-深度曲線出現(xiàn)了一個低速層.總的趨勢是沿剖面自東北至西南地殼平均速度逐漸降低.尤其在澤庫以西和海原地區(qū)(和同心炮點西支對應(yīng))地殼平均速度較周圍地區(qū)低.圖5為最后得到的二維地殼速度結(jié)構(gòu),可以看出,地殼在垂向上以C界面為界可分為上地殼和下地殼兩大層,在橫向上變化劇烈.地殼厚度變化的總趨勢是自西北至東南逐漸變厚.由于C界面埋深沿剖面變化不大,因此地殼厚度的變化主要是由于下地殼自西北至東南逐漸變厚所引起的.在瑪沁和海原兩地區(qū)Moho面起伏較大.除C界面外,上、下地殼內(nèi)還存在一些次一級的界面.從地殼內(nèi)反射界面的個數(shù)來看,沿剖面亦存在較顯著的變化.沿剖面從東北至西南殼內(nèi)反射界面的個數(shù)逐漸增加,表明地殼垂向非均勻性的增強.從圖5還可以看出,在澤庫以西地區(qū)地殼內(nèi)存在多個低速層,在海原地區(qū),靠近C界面處,存在一個低速層.另外,在上述兩地區(qū),Moho界面和C界面也出現(xiàn)了異常.在瑪沁附近和海原附近,這兩界面不再是尖銳的速度界面,而是復(fù)雜的過渡帶.另外,在夏河炮點以東,結(jié)晶基底的埋深有一突變.這一點從夏河炮東支記錄截面上亦可清楚地看出.Pg波走時曲線出現(xiàn)了跳躍,跳躍幅度達0.2—0.3s.跳躍處剛好位于秦嶺地軸北緣斷裂附近.再往深處C5區(qū)域內(nèi)地震地質(zhì)條件根據(jù)上述記錄資料和計算結(jié)果,不難發(fā)現(xiàn),瑪沁和海原兩地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)存在著許多突出的異常.從大的空間尺度和時間尺度來看,在大約4000萬年前,印度板塊與歐亞板塊發(fā)生碰撞.以后,以每年大約5cm的速度繼續(xù)向北俯沖.初步估算,至今已造成了約2000km的地殼縮短量.青藏塊體前期主要表現(xiàn)為擠壓、逆沖和地殼變厚等地殼縮短現(xiàn)象.而在后期,青藏高原地殼雖然繼續(xù)在縮短,但已經(jīng)很有限了.變厚了的地殼在強大的推擠作用下,更突出地表現(xiàn)出向外滑動的性質(zhì),斷裂間的條狀塊體向東或南東方向滑動正是在上述大背景之下,青藏高原東北邊緣地區(qū)的條狀塊體也在向東或南東方向滑動.同時,從地理位置來看,該地區(qū)是青藏、鄂爾多斯和阿拉善三個塊體的接合部位.東側(cè)的鄂爾多斯地塊和北側(cè)的阿拉善地塊都是非常穩(wěn)定和堅硬的塊體.由于受這兩個堅硬塊體的限制,在較軟的祁連褶皺系的北部形成了一系列弧形斷裂帶.地震震源機制、地應(yīng)力測量和地形變資料一致表明,該區(qū)主應(yīng)力方向為北東東—南西西方向.在弧形斷裂的西北段,為左旋走滑;在東南段,則主要表現(xiàn)為擠壓和逆沖.滑動和逆沖速率由南向北逐漸減弱人工地震測線穿經(jīng)弧形構(gòu)造東南段的擠壓和逆沖區(qū)域,介質(zhì)強烈變形,較破碎.因此,在二維速度模型中,海原至同心一段出現(xiàn)了地殼速度偏低,Moho面和C界面起伏較大,Moho面為一復(fù)雜的過渡帶等現(xiàn)象.瑪沁斷裂帶附近地殼結(jié)構(gòu)的異常與其演化歷史有關(guān).該帶為巴顏喀拉地塊與昆侖地塊的縫合帶.沿該帶有大量的蛇綠巖出露.這些蛇綠巖形成于大洋環(huán)境,即原特提斯海的環(huán)境中.同時,由于介質(zhì)強烈變形,地殼內(nèi)存在大量的劈理和構(gòu)造透鏡體等另外,上述兩地區(qū)Moho界面為復(fù)雜的過渡帶