0 引言

中亚造山带东段位于华北板块与西伯利亚板块之间，该区先后经历了中—新生代古亚洲洋构造演化、蒙古—鄂霍茨克洋与古太平洋等相关构造体系的叠加与改造等阶段，造就了研究区独具特色的复合造山与成矿系统^[1]。同时，研究区独特的构造格局与演化动力学背景吸引了众多地质-地球物理学家就区域大地构造^[1-12]、岩石学与地球化学^[13-20]、生物古地理学^[21-22]，以及深部结构^[23-26]等多方面展开探讨，为推动中亚造山带的相关基础地质研究提供了丰富的基础地质资料。

近年来，深部探测技术和手段的提高，特别是深反射地震探测技术的发展，极大地推动了造山带研究从表层向中深层的发展，并解决了造山带一系列重大地质问题^{[24, 27-30]}。然而，针对中亚造山带深部结构的解剖及其与浅表响应等方面的研究仍处于探索阶段，加之成矿系统0~3 km浅部结构精细刻画的不足，促使一系列深层次的重大科学问题，如巨型造山带的岩石圈结构与成矿动力学背景等，尚未得到系统阐释。地震层析成像方法是一种类似医学CT(computed tomography)的方法，已广泛应用于获取地球内部结构(如速度结构等)的空间成像。地震层析成像方法按照地震类型可分为主动源与被动源两类，其中主动源方法是利用深井爆破激发、小道距、长排列接收的深地震反射剖面初至波走时数据进行层析成像获取近地表速度结构，进而研究地壳浅表结构的一种有效方法^[31]，其精度高于利用被动源地震台站拾取天然地震资料的反演结果。本研究将利用横过中亚造山带东段(奈曼旗—东乌珠穆沁旗)满覆盖长度达400 km的深地震反射剖面初至波走时数据进行层析成像，以获得浅层精细速度结构，为揭示造山带浅表结构，追踪地壳演化与深部过程提供浅部精准约束。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古自治区东部(图 1)，深地震反射剖面沿内蒙古自治区奈曼旗—东乌珠穆沁旗展布。按徐备等^[1]、周建波等^[10]的构造单元划分，本次实施的深地震反射剖面测线自南向北经过华北地台、华北北缘造山带、西拉木伦河缝合带、松辽—锡林浩特地体、贺根山缝合带以及其北部的兴安地块等主要地质单元。据任继舜等^[32]的划分，本区由北往南又可划分为南蒙古—兴安造山带、内蒙古—吉林造山带与温都尔庙造山带等。

贺根山缝合带与西拉木伦缝合带被认为是代表古亚洲洋大洋板块消亡的2个缝合带。贺根山缝合带形成时代早于西拉木伦缝合带，为晚古生代的石炭纪(330~300 Ma)，而西拉木伦缝合带时代可能为晚古生代末期—早中三叠世^{[10, 17]}。根据对地表残留的蛇绿岩套和配套的岩浆岩岛弧构造环境的研究，宋述光等^[9]和肖文交等^[5]提出古亚洲洋可能沿贺根山缝合带与西拉木伦缝合带发生向北和向南的双向俯冲。然而，夹持于2个缝合带之间的锡林浩特地体则存在着微陆块^[10-11]、构造岩浆杂岩带^{[13, 16-17]}或增生杂岩带^{[5, 9]}等不同的认识。

研究区地表主要出露中生代与晚古生代的火山-沉积岩系，并广泛发育花岗质侵入体，地震地质条件复杂，具地形起伏大、表层岩性横向变化大、地下构造复杂的特点。图 1可见深地震反射剖面的南北两端跨越了中亚造山带东段南北沉积覆盖区，而这两个覆盖区附近正为贺根山缝合带和西拉木伦缝合带经过的位置。因此，深地震反射剖面可以揭露出隐伏于覆盖区之下的缝合带深部结构特征。

2 深地震反射剖面数据采集试验

目前，深地震反射技术已被国内外公认为是探测岩石圈精细结构的前沿技术和探测手段^[33]。其原理与石油地震反射方法类似。相比之下，深地震反射剖面探测技术可以揭露全地壳的精细结构，在勘探深度方面远优于石油地震反射方法。这主要取决于深地震反射剖面的近垂直反射技术，以及在数据采集过程中相应的深井爆破激发(或大吨位可控震源的组合激发)、大药量、小道距、长排列接收等采集技术与特殊的数据处理技术的组合运用^[34-35]。

为探究中亚造山带所经历的几大构造域叠加改造的演化过程，中国地质科学院项目组于2016年与2018年横过中亚造山带东段(奈曼旗—东乌珠穆沁旗)部署了2条深地震反射剖面探测，以获取该区地壳及上地幔的精细结构，从岩石圈尺度来系统研究构造变形形式与地球动力学过程。这2条剖面首尾拼接起来就形成一条横过中亚造山带东段的完整测线，其满覆盖长度达400 km，震源由大、中、小炮3种药量分别激发，共2 186炮(其中2016年915炮，2018年1 271炮)。

基于本次勘探的目的任务，结合以往勘探经验以及研究区地质资料等的分析，选取了精细的观测系统进行数据采集。采用了“小炮19975-25-50-25-19975”观测系统，即由小炮激发所接收的最大偏移距为19 975 m，最小偏移距为25 m，道间距为50 m，两侧对称接收。同时利用“大、中、小炮独立激发、互不重复”的原则，优化了炮点位置，将覆盖次数提高到了100次。接收则利用矩形面积组合方式通过20-DX检波器进行，并用428XL采集系统完成监控与采集过程。采集时采样间隔为2 ms，记录长度为50 s。其余主要参数具体见表 1。

3 初至波走时层析成像

地震波走时层析成像方法是利用接收地震波走时数据求出地下速度结构，并用图像的形式直观地表示出来。由于已知走时矩阵难以直接求得速度分布，故通常首先将地下介质离散化为一定大小的速度网格，并对各网格赋予特定的速度值，即建立初始速度模型；然后正演计算出该模型中的射线路径与理论走时矩阵，并通过理论与观测走时之差来修正速度模型，拟合走时曲线；再通过多次正反演迭代过程，不断修正模型至满足拟合精度为止(基本流程见图 2)。

考虑到地震初至波的易识别、可追踪性与可靠性^[36]，本次研究选用深地震反射剖面中的初至波进行成像。

本次成像的处理软件使用“复杂探区近地表建模和校正系统ToModel”，它以获取准确近地表速度模型为核心，基于波动方程的快速行进波前追踪技术(fast marching method, FMM)来实现小网格矩形建模，并应用小波变换通过非线性迭代反演算法进行反演; 使其在反演精度、运算效率以及深度方向的分辨率等方面更具优势，能够适用于复杂探区的情况。利用该软件与类似的深反射地震数据，已有学者^{[31, 37-38]}在其他多个复杂地区进行了近地表成像试验且取得了较好的成效。

本研究中处理的主要过程包括数据预处理、初至波拾取、正演模型建立与层析反演。

3.1 数据预处理

首先通过数据解编将地震仪器野外记录的格式(如SEG-D)变成地震数据处理的格式；然后在完成观测系统的加载后，交互确定合适的线性校正参数，对各个单炮记录进行线性校正。

3.2 初至波拾取

为保证后续层析成像结果的精确性，准确地拾取初至波是重要的一环。本次研究采用“自动拾取+手动修改”的方法，即首先通过相邻道互相关的方法来自动拾取初至波，然后根据人工辨认调整拾取结果。拾取结果(图 3)常表现为初至起伏不平，这是由地表地形起伏、地下速度结构与界面起伏所导致的。

由于二维层析反演的前提假设为所有炮点、检波点均在一条直线上，而实际施工测线并非总是如此，故需进行坐标的变换，使所有炮点、检波点投影变换到一条直线上。根据所有炮点、检波点位置，基于最小二乘的意义拟合出一条直线，并将所有炮点与检波点投影至该线。

3.3 建立初始模型并层析反演

选择炮检距在20 km以内的初至波数据，按照炮检距-时间的方式显示，据时距曲线拐点位置大致分为若干层，通过延迟时的方法来建立初始模型。综合考虑采集参数与反演时间等因素，最终选择40 m×20 m的长方形网格进行建模。

输入走时数据与所建立的初始模型，迭代反演均为10次(迭代收敛曲线见图 4)，均方差(走时残差)降低为50 ms以内，其中2016年测线由初始均方差的286 ms降至26 ms，2018年测线则由初始的402 ms降至39 ms，改善率均达90%以上。经层析反演后获得射线密度分布与反演速度模型。

Snyder等^[39]和侯贺晟等^[31]的研究表明，利用深反射地震剖面初至波走时进行层析成像的模型深度随地区而异，其经验关系常表现为反演深度为排列长度的1/5~1/10。综合射线密度分布图分析，最终能获得自地表至地下2~4 km厚度的速度结构。

4 速度结构模型结果 4.1 射线密度分布

从最终反演结果的射线分布图(图 5)来看，射线并未射入到界面底界即折回，也未出射到地表之上，这说明模型深度设置足够大，初始模型分层速度与深度设置得较为合适。模型中并非所有网格都有射线穿过，且射线密度分布也非均匀的。据射线的分布密度可判断该网格速度的反演可靠性，一般来说射线分布密度越大，其准确性也越高；而未曾有射线经过的网格，其速度是由其他网格速度外推得到的，可靠性较低。

该区反演的射线密度特征主要表现为“测线北部与南部沉积覆盖区射线最大穿透深度较中部山区更大”的特征。这主要与观测系统、地下岩性以及构造等有关。

4.2 全剖面速度结构模型

据李英康等^[40]的研究可知，本文深反射地震剖面所经过区域的浅表界面P波速度主要在4.7~5.4 km/s范围，为了简化起见，本研究将浅表界面速度近似为5.0 km/s。由于层析反演的射线密度优势分布在高程-2.0 km以上范围(图 5)，基于上述对速度层析反演结果普遍意义与简便性的综合考虑，最终速度模型深度取至高程-2.0 km(即自地表向下约3.0 km厚度)范围，并将大于5 km/s的速度统一显示为与5 km/s速度一致色阶(即图 6中红色)，以直观表现基岩浅表速度结构的基本背景。

将2018年与2016年测线反演的浅表速度结构模型连接起来获得全剖面结果，并以1∶2横纵比显示(图 6)。参考1∶20万与1∶100万地质图^①编绘了深反射地震剖面经过的地质构造横剖面，放在全剖面速度结构模型上方，以便于进行地质解释。

① 全国地质资料局.中华人民共和国1∶20万区域地质调查报告.呼和浩特：内蒙古自治区地质局，1978.

5 速度结构模型分析

全剖面层析反演结果整体表现为纵向上速度随深度增加而增大的趋势，横向上存在局部速度变化异常的特征。该速度模型可主要从以下几方面进行分析：

1) 浅表基岩起伏特征

据地质资料^[32]分析，该区浅表基岩主要由火成岩组成，地震波速度呈较高速特征(≥5 km/s)，埋深主要在0.3~3.0 km深度内变化，其中在山地起伏区的浅表埋深一般较浅，仅数百m，局部有出露。浅表基岩界面的起伏，一方面印证了该地区多期的岩浆岩活动与构造运动，另一方面也反映出沉积盆地与缝合带的浅表构造特征。

2) 沉积盆地特征

在深反射地震剖面南北两端对应的地下速度结构呈低速异常(≤3 525 m/s)，浅表基岩埋深相对较大。由此可推测在剖面南侧与北侧皆有若干沉积盆地存在，且可据低速层起伏与厚度变化推测沉积盆地的形态与厚度。最深的沉积盆地位于贺根山缝合带南侧附近(大约为8100—8652桩号处)，深度约3 km，盆地形态为南侧相对北侧的沉积坡度较缓的不对称型。

3) 地表岩性对应的速度结构特征

在剖面中部，后碰撞火山岩为主要出露岩性的地区，对应较高速度的连续分布，相对平稳。由于风化作用，浅表存在一个薄层的低速带，埋深相对较浅，常为数百m。这说明，虽然地表火山岩断续出露^[16]，但深部隐伏的范围更大，可能是连为一体的，即后造山花岗岩的隐伏连续特征。这一特征也曾在深地震反射剖面揭露，在与本次研究区相邻的一条华北北缘剖面中^[41]，显示了弱反射特征的岩浆岩(以花岗岩为主)，在地壳的上部10 km左右的深度范围。

在剖面南部和北部，以新生代沉积为覆盖岩性的地区，对应的速度分布局部表现为低速层厚度较大，浅表基岩埋深加大，可达1~3 km。低速层凹陷区指示了沉积盆地的存在。然而，纵观整条剖面，可在新生代沉积覆盖区下发现较高速度异常特征，上覆低速层较薄，之下存在隆起的高速层，如北部的86529012桩号之间，南部的348231202760桩号之间。推测是隐伏的火山岩/花岗岩组成的基岩隆起，其上覆盖薄的新生代沉积，仅有几十m厚。

4) 浅深构造联系的综合解释

研究区浅表速度结构剖面、地表地质剖面与本次获得的深地震反射剖面大炮数据结构剖面如图 7所示，3个剖面长度与上下位置基本对应，可以直观显示浅表构造与深部构造的对应关系。下地壳和Moho结构框架剖面来自本次深地震反射剖面实施的22个大炮(每炮药量480 kg)与3个中炮的反射数据，经过常规处理和一次叠加得到^[42]。同时，近垂直反射的深反射大炮数据得到了Moho与下地壳底部图像，因为受地壳速度横向变化影响小，因此得到的深部信息可信度高，并广泛被国际同行接受^[43-44]。

综合分析浅表速度结构剖面与大炮一次叠加剖面给出的下地壳和Moho结构框架的上下对应关系(图 7)可知，研究区的最突出的结构特征是：剖面北部西乌旗—贺根山地区下地壳结构以向北倾斜反射组成；剖面南部的西拉木伦—奈曼旗地区则以向南倾斜反射组成；在剖面中部，多处重合出现向上略微突出的弧形反射。研究区这种特征明显的下地壳结构特征的首次揭露，将为研究区构造格架的划分提供重要的制约条件。

横过东太平洋俯冲带^[45]和印度板块与亚洲板块缝合带^{[29, 46]}深地震反射剖面的精细图像，都说明下地壳反射倾斜结构与方向通常记录了地壳俯冲的极性；因此，本文深地震反射剖面揭露的下地壳结构记录了古亚洲洋双向(向南向北)俯冲消亡的极性。深反射剖面中间出现的弧形反射可能记录下古亚洲大洋中一些残存的微陆块在大洋板块消亡后碰撞拼接一起。

据板块构造理论，大洋板块俯冲消亡后发生陆陆碰撞，通常会在缝合带附近残留弧前沉积盆地，后期经过长期演化仍可能保留一定的痕迹，如雅鲁藏布江缝合带南侧的特提斯喜马拉雅构造带中的日喀则弧前盆地。一般而言，沉积盆地表现出低速特征。

本次研究区内地表地质出露的2个缝合带位置对应了低速区，且面积较大、具一定深度。2个缝合带之间夹持的是增生造山带，其发育后造山的岩浆活动间断不连续地出露地表，呈现出浅表薄的低速、深部厚的高速特征。综上所述的基底顶面起伏与相间的低速特征，反映了古大洋板块俯冲碰撞对大陆边缘浅表构造的影响，虽然已经经过了几亿年的演变，仍存有痕迹。其中缝合带附近留有较厚的低速带，可能与汇聚板块边界附近残留盆地和混杂堆积有关。

6 结论与展望

本次研究应用初至波走时层析成像技术揭露了中亚造山带东段的浅表构造结构的横向变化，从北侧贺根山缝合带到南侧西拉木伦缝合带南北跨度400 km，获得了约3 km厚的浅层速度结构的精细模型。该模型细致地刻画了速度的横纵向变化规律，可用来揭示该区的沉积盖层厚度变化、浅表构造和起伏状态等特征。结合这些速度结构特征与深地震反射剖面的强振幅反射信息，获得以下几点主要认识：

1) 浅表基岩的起伏特征印证了研究区存在多期岩浆活动与构造运动。

2) 低速异常与浅表埋深相对较大的特征揭示了沿剖面的几个弧前沉积盆地的规模分布与形状特征，盆地多为数百m深，其中最深的约3 km，形态为南侧相对北侧的沉积坡度较缓的不对称型。

3) 剖面中部林西地区呈高速特征的结构特征，指示了隐伏且连续分布的造山花岗岩的成片存在，与下地壳与Moho结构框架剖面揭露的残存微陆块区域对应。

4) 基底顶面的起伏与相间的低速特征，对应下地壳与Moho结构框架剖面揭露的古亚洲洋俯冲位置，表明古大洋板块俯冲碰撞对大陆边缘浅表构造仍留有影响，以及存在古亚洲洋向南北两侧双向俯冲并与中部的残存微陆块发生拼合的构造模型。

尽管本次研究获得的速度模型在精细结构刻画方面达到较好的效果，然而深度有限，仅在近地表 3 km深度范围内。浅深结合的深部精细结构信息，切开了造山带地壳断面，推动了深部构造的研究，为追踪造山带地质演化的深部过程挖掘更多的精细结构信息。后期可利用已获得的浅层速度结构来为更深范围的研究提供浅部速度上网精准约束。

致谢: 本文在写作过程中，吉林大学周建波教授给予了指导和帮助，特此致谢。