川西龙门山及邻区地壳上地幔各向异性地震P波走时层析成像研究

郭 飚 刘启元 陈九辉 李顺成 李 昱 王 峻 齐少华

（中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室，北京 100029）

川西龙门山及邻区地壳上地幔各向异性地震P波走时层析成像研究

Anisotropic seismic P－wave travel－time tomography in Longmenshan area，west Sichuan，China

郭 飚 刘启元 陈九辉 李顺成 李 昱 王 峻 齐少华

（中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室，北京 100029）

经典的地震层析成像假定介质为各向同性，通过走时反演确定地球介质的非均匀结构，得到的仅是近似地球模型。如果各向异性较强时，应用基于各向同性假设的层析成像算法，可能导致错误的结果。非均匀与各向异性效应是耦合的，如果仅考虑非均匀效应则各向异性结构可能映射到非均匀结构中造成非均匀速度结构的误差，反之亦然。因此，高分辨率的走时层析成像必须同时考虑非均匀和各向异性两种效应。同时反演非均匀和各向异性结构（即各向异性层析成像），不仅可以获得可靠的各向同性速度结构，同时可以确定各向异性结构。相对于S波偏振分析，体波走时方法基于不同的数据集，能提供独立的地震各向异性观测证据。利用地震走时层析成像方法同时研究介质的非均匀性和各向异性，对于认识地球的结构及动力学过程都具有非常重要的意义。

本文基于弱各向异性近似条件下弹性张量的调和展开理论和地震走时层析成像方法，构建了地震各向异性P波走时层析成像算法。该算法利用均匀的网格节点和三次B样条插值函数描述各向同性速度场；利用各向异性块描述各向异性速度扰动场。构建了适合弱各向异性介质的各向异性快速行进算法，并进一步利用互易性定理减少了正演计算量。反演方法采用Tarantola（1982，1987）的非线性反演方法，对于非均匀和各向异性参数可以分别设置不同的阻尼因子。

利用在龙门山及邻区布设的川西地震台阵记录到的远震P波走时数据和本文提出的各向异性层析成像方法，同时反演了该区地壳上地幔远震P波各向同性速度结构和P波快波方向。我们的结果表明：

（1）研究区地壳上地幔P波速度结构具有较为明显的分区特征，松潘－甘孜地块和川滇地块速度较低，龙门山断裂带及四川盆地西部速度较高。四川盆地西部地壳上地幔的高速异常厚度从南侧250km向北逐渐减薄至100km，推测这个高速异常体可能代表四川盆地的岩石圈。相对于四川盆地，松潘－甘孜地块的地壳上地幔较为软弱，但不存在四川盆地向松潘－甘孜地块的俯冲。松潘－甘孜地块的抬升可能与地幔上涌有关。四川盆地与松潘－甘孜地块和川滇地块间的动力学机制完全不同，川滇地块和四川盆地仅是垂直接触关系，而在四川盆地北部靠近龙门山一侧，发现四川盆地前缘有自东向西减薄的现象，推测松潘－甘孜的上地幔物质侵蚀了四川盆地下方的岩石圈。

（2）龙门山断裂带与四川盆地的地壳均显示为高速特征，四川盆地与松潘－甘孜地块之间的构造边界可能是汶川－茂县断裂。以汶川为界，龙门山断裂带被从松潘－甘孜地块侵入的低速物质分为两段，南北两段均显示为高速特征。汶川大地震及余震序列均发生在龙门山北段的高速介质区域内。根据本文给出的松潘－甘孜地壳上地幔速度结构，我们可以进一步推断，松潘－甘孜地块的抬升应与地幔物质上涌有关，在坚硬的四川盆地的阻挡作用下，青藏高原向东挤压和地幔上涌的双重作用造成松潘－甘孜地块隆升，并造成了龙门山断裂带的逆冲推覆。龙门山南北两段间的地壳强度较低，在长期的缓慢变形过程中，易于在龙门山北段的坚硬的上地壳内形成巨大的应力积累，而汶川处于龙门山北段的最南端，应力容易在此集中，并成为汶川大地震破裂的起始点。

（3）P波各向异性研究表明川滇地块的上地幔流动方向与GPS的观测结果相吻合，反映了川滇地块地壳和上地幔的形变一致，属于壳幔耦合型。松潘－甘孜地块的上地幔流动方向为北东向，而GPS的观测结果为近东西向，说明松潘－甘孜地块壳幔的形变不一致，属于壳幔解耦型。四川盆地北部的P波快波方向与SKS的结果较为一致，而四川盆地南部的P波快波方向平行于主要构造方向，与SKS的结果相互垂直。四川盆地内部南北两部分具有不同的壳幔变形特征，这与速度结构给出的结论相一致。

P315.63；

A；

10.3969/j.issn.0235－4975.2010.06.016