腾冲及其邻区(24°～25.6°N,97.5°～99.3°E)位于印度板块与欧亚板块碰撞带的东北侧,其西部是缅甸中深源地震带,东邻我国南北地震带的南延部分。自1929年有仪器记录以来,该区域共发生5级以上地震72次,其中7级以上地震2次(1976年龙陵7.3、7.4级地震),M6.0～6.9地震10次,M5.0～5.9地震60次,这些强地震绝大多数属浅源地震,在世界其他地区并不多见。同时该区内火山、地热资源丰富,深大断裂纵横交错,主要有怒江断裂、大盈江断裂、龙陵断裂、腾冲断裂等。腾冲及其邻区具有如此特殊的构造环境和频繁的地震灾害,历来是地震学家研究的热点。

中外科学家在腾冲及其邻区开展了丰富的地质、地球物理等研究。如1982年、1987年和1999年开展的人工地震测深工程(胡鸿翔等,1986; 林中洋等,1993; 皇甫岗,姜朝松,2000; 王椿镛等,2000; 楼海等,2002); 利用地震层析成像方法重建腾冲地区地壳、上地幔分层结构(秦嘉政等,2000; 杨晓涛等,2011); 利用接收函数、转换函数方法得到腾冲地区地壳厚度及S波速度特征(高星等,2008; 冯静等,2012; 张龙等,2015)。

2011年,中国地震科学台阵探测项目一期工程在腾冲及其邻区布设了密集的观测台站,新的台站布设为了解该区地壳结构提供了有利手段。本文利用2011年9月至2014年1月原有固定台和新架设台的宽频带地震波形资料,应用接收函数和时间域线性反演方法,对腾冲及其邻区地壳速度结构进行更精细的研究,更全面认识腾冲火山区地质结构及地球动力学特征。

本研究使用的数据来源于中国地震科学台阵探测项目(简称:台阵项目)一期工程布设的20个台站和云南原有的3个固定台站自2011年9月2日至2014年1月16日记录到的地震,从中选取了P波初动清晰、信噪比高的238个M_S≥5.8、震中距在30°～90°之间的远震来计算接收函数。图1a给出了使用台站分布图,将台阵项目和固定台站相结合,提高了台站密度,台间距约为26 km,分辨率相比于以往研究更高。图1b给出了本文所使用的远震事件分布,地震主要来自台网东北、东、东南、南、西南、西6个方位(反方位角31°～300°),符合条件的北部、西南区域少震,资料稀少。

图1 本文使用台站及断裂图(a)和远震事件分布图(b)
Fig.1 Distribution of stations and faults(a)and teleseismic events(b)in this study

震中距在30°～95°的远震P波到达地震台站下方时,可近似为垂直入射的波,垂直分量以P波为主,水平分量以S波为主。在远震记录图上,P波之后会呈现出一系列的散射波,水平分量的散射波系列被称为台站的接收函数,它描述了地震波通过台站下方地层向上传播的过程中,直达P波与Ps转换波以及多次散射波之间的分布趋势。提取接收函数过程为:首先利用反方位角将去均值之后的ZNE三分量地震记录旋转到ZRT(垂向、径向和切向)坐标系; 然后根据Langston(1979)给出的震源等效方法,将R分量对Z分量在频域反褶积,变换到时间域得到径向接收函数; 再用系数1.0的高斯滤波器对接收函数进行低通滤波,消除高频信号,保留远震波形有效成分,得到此台站相对于每个事件的接收函数。在计算接收函数时,由于垂直分量可能含有近零值振幅,会造成频率域除法不稳定,所以在计算时加入了“水准量”来保证频率域除法的稳定。本文中每个台站提取到接收函数数量不等,最多的有88个,最少的有20个。

本文使用时间域线性反演方法(Ammon,Randall,1990)得到台站下方的S波速度结构特征,此方法计算速度快,反演结果稳定。首先根据对研究区域的现有研究结果(王椿镛等,2002; 张中杰等,2005; 张晓曼等,2011; 胥颐等,2012)给出初始模型,在很大程度上减少反演的非唯一性(Ammon,Randall,1990)。在初始模型中,将速度结构分成2～3 km的薄层,P波速度

图2 53069台(a)、53080台(b)初始速度模型和使用接收函数反演获得的S波速度结构及其平均结果
Fig.2 The initial velocity model and the S wave velocity structure and average velocity structure inversed by receive function of 53069 (a)and 53080(b)stations

V_P与S波速度V_S之间用经验关系V_P=1.73V_S来约束,介质密度ρ采用ρ=0.32V_P+0.77确定,同时通过增加模型的光滑约束压制速度结构的急剧变化,得到台站下方合理的S波速度结构。

为了保证反演结果的可靠性,每个台站对不同方位、不同震中距和震级的地震事件得到的接收函数进行反演,将所有反演得到的S波速度的平均结果(拟合率大于90%)作为本台最终结果。每个台站都有8～15个反演结果进行平均,大多数台站进行平均的S波速度结构为10个反演结果,极少数台站为8个。每个台站所有反演的S波速度的结果与均值之间的误差在0.14～0.51之间,多数台站S波速度的误差小于0.44,极少数台站超过0.45。图2是53069和53080台站初始速度模型,以及使用接收函数反演所得到

的S波速度结构和其平均的结果。在所得到的速度结构中,一般以有明显间断面的第一个稳定深度确定莫霍面位置。

通过对腾冲及其邻区23个台站所记录的大量的远震(震中距在30°～90°之间)波形进行计算得到的接收函数反演结果可以看出,即便是在腾冲有限区域内,其地壳和上地幔的S波速度结构仍存在强烈的三维非均匀性,预示着青藏高原东南缘地壳变形的剧烈,深部动力学过程的复杂。

(1)从反演结果看,腾冲及其邻区莫霍面深度在39 km左右,地壳厚度从南到北逐渐增加,从南部的34 km增加至北部的42 km。

(2)腾冲及其邻区0～40 km深度内的S波速度结构显示,10 km以上为高速异常区,随深度增加S波速度逐渐减小,在30 km处,低速区范围达到最大,整个低速区的范围以腾冲为中心展布,长度约30 km。低速异常对应了腾冲地区的岩浆或熔融物质,而炙热的岩浆囊或者熔融物质像一个火炉一样烤着浅部的高速岩体,同时也给腾冲地区带来了丰富的地热资源,从构造上看,此岩浆囊主要分布在大盈江断裂和腾冲断裂交汇地区。

(3)龙陵地震老震区,处于腾冲断裂、怒江断裂和龙陵断裂交汇处附近。本文结果显示此地区地壳厚度变化相对剧烈,10 km深度处S波速度结构显示,震源深度附近是低速体和高速体交界地区。可见莫霍面深度变化梯度大、断裂交汇并处于高速体与低速体边界,为1976年龙陵双震的发生提供了动力及地质条件。

(4)本文反演的结果结合了原有固定台及台阵项目共23个台站的数据,与以往结果对比,台站密度得到很大提高,速度结构的横向变化特征得到了很好的展现,进一步认识了腾冲地区现今的火山区岩浆的运移和地壳结构。