2013, Vol. 56
2. Department of Earth and Atmos. Sciences, Saint Louis Univ., MO, 63108, USA
2. Department of Earth and Atmos. Sciences, Saint Louis Univ., MO, 63108, USA
克拉通是地球表面上相对稳定的构造单元, 它由上部古老的大陆地壳和厚的、高速的岩石圈地幔所组成.作为世界上最古老的克拉通之一, 华北克拉通在18亿年前形成后, 在很长一段时期内处于一个相对稳定的状态.依据克拉通的基底岩石组成、PPT轨迹等, 华北克拉通由三个部分组成, 即东部、中部、西部陆块[1].然而, 与世界其他典型克拉通(如非洲、西伯利亚等)不同, 华北克拉通在中、新生代期间经历了强烈的岩浆活动[2-5].地球物理探测显示, 华北克拉通的东部具有异常低速的岩石圈地幔, 也证实其东部发生了岩石圈减薄或者破坏过程[6-10].基于地质与地球物理调查, 研究人员对克拉通的构造演化过程与机制进行了深入的讨论[7-13], 然而关于华北克拉通的破坏过程与破坏机制仍存在激烈争论.
刻画壳幔不同深度重要边界的形态(如Moho界面、岩石圈与软流圈界面(LAB)等), 对于认识和理解克拉通的构造演化过程与机制具有重要的约束作用.迄今为止, 有关克拉通岩石圈/软流圈形态的描述主要源自地震面波研究[14-15].然而, 由于面波成像横向分辨率相对较低, 因此很难刻画华北克拉通不同块体之间岩石圈结构的差异.自从Langston[16]提出接收函数以来, 利用地震台阵观测研究构造带下方壳幔结构取得了重要的研究进展[17-21].如, 王未来等[21]通过P波接收函数获得了唐海-商都地震观测剖面下方的地壳上地幔结构.虽然P波接收函数可以获得地壳上地幔结构, 但由于莫霍面和壳内间断面多次反射震相的干扰, 单纯考虑Ps转换震相难以精确确定LAB.Farra和Vinnik[22]、Yuan等[23]利用类似提取P波接收函数的方法得到Sp转换震相的S波接收函数.相比P波接收函数, 由于S波接收函数不受间断面多次反射震相的干扰, 因而在岩石圈-软流圈边界研究中具有较大的优势, 在LAB研究中得到了广泛应用.如Chen等[24-26]利用S波接收函数进行华北克拉通研究, 从大尺度上刻画了华北克拉通LAB的形态.然而由于台站分布以及台站记录时间等客观原因, 未能获得华北克拉通深部的精细结构.同时Chen等2008[24]结果与2010[26]结果存在一定差异, Li等[27]通过面波反演得到的华北克拉通中东部岩石圈厚度与Chen等[24-26]通过S波接收函数获得的岩石圈厚度也有明显差异.通过获取华北克拉通岩石圈精细结构, 可以更好地认识和理解华北克拉通破坏的机制以及动力学演化过程, 因此进行获取华北克拉通岩石圈精细结构的研究就显得极为迫切.
为探测华北克拉通的深部精细结构, 从2006年10月到2009年9月, 中国地震局地球物理研究所在华北地区布设了地震科学台阵, 共有250个台站, 台阵台站间距30 km, 其中南北两条测线台站间距10 km, 覆盖了华北克拉通东、中部陆块和西部陆块的部分地区.前述Chen等[24-26]已经证实, 利用密集的地震流动台站观测, 开展S波接收函数研究, 可以获得高精度的岩石圈地幔结构.本文选取其中北面一条从唐海经过唐山、三河、北京、张家口到商都的宽频带地震台阵剖面(唐海-商都地震台阵剖面)作为研究对象.利用唐海-商都地震台阵剖面台站提取的远震S波接收函数, 应用CCP叠加成像来研究地震观测剖面下方岩石圈精细结构, 以期能够为认识和理解华北克拉通破坏机制以及动力学演化过程提供一定的地震学证据.
2 数据和方法唐海-商都地震台阵剖面横跨了华北克拉通的三个陆块, 共有宽频带流动台站49个, 地震计为CMG-3ESP, 频带范围为50Hz~60s, 每秒50个采样点, 台站间距约为10 km, 台站分布如图 1所示.理论研究表明, 震中距在55°~80°之间, 震级大于5级的地震事件记录更适合用来提取S波接收函数[22, 28-29], 因此本文共采用了191个震中距在55°~80°的远震事件记录用来提取S波接收函数, 所选用的地震事件均为Mw5.5级以上, 图 2给出了所用事件的震中分布.
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图 1 流动地震台站分布图 WB:西部陆块, CB:中部陆块, EB:东部陆块, NGSL:南北重力梯度带.黑虚线是华北克拉通分区分界线, 黑实线代表华北克拉通边界. Fig. 1 Distribution of seismic stations used (triangles) WB: Western Block, CB: Central Block, EB: Eastern Block, NGSL: thenorth-south gravity lineament. Blackdashed lines represent the boundary of thedifferent blocks in the North China Craton, black line represents the boundary of the North China Craton. |
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图 2 震中分布图 Fig. 2 Distribution of the epicenters |
先对地震台站记录到的三分量的原始记录做去均值处理, 再进行0.03~0.3 Hz的带通滤波处理, 去除仪器响应, 以直达S波前100 s为起点, 在宽度150s的时窗内截取了S波波形, 将两个水平分量旋转到径向和切向方向, 得到径向和切向分量.由于S波在岩石圈界面转换的P波入射角较大和地表结构的影响, 再将垂直向、径向和切向分量旋转到P-SV-SH方向[30-32], 旋转方法如下所示:
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(1) |
其中VPZ=-(1-2β 02 p2)/(2α0qα0), VSR=-(1-2β0 2 p2)/(2α0qβ0), VPR=pβ 02 /α0, VSZ=pβ0/α0, VHT=1/2, qα0=(α0-2 -p2)1/2, qβ0=(β 0-2 -p2)1/2, α0为P波速度, β0为S波速度, p为射线参数.本文中α0取为5.8 km/s, β0取为3.3 km/s.
由于直达S波和Sp转换波并不是相互垂直入射, 而是成锐角相交, 因此获取的S波接收函数仍存在直达波震相, 为后面对接收函数的评价提供了一定的参考标准.
为了获得较可靠的接收函数, 需要对观测波形进行严格的筛选, 本文挑选信噪比大于5的波形记录用于提取接收函数.采用Ligorria和Ammon[33] 1999年提出的时间域迭代反褶积方法来提取S波接收函数.为了便于和P波接收函数进行比较, 反转了其时间轴和振幅.提取完S波接收函数后, 需要对接收函数进行评价, 要求每个台站提取的接收函数具有与P波接收函数相一致的Moho界面转换波Sp震相.没有明显的Moho界面转换波Sp震相或者与邻近射线路径的S波接收函数差异较大的结果均被剔除.
2.2 CCP叠加成像
Dueker和Sheehan[34]、Yuan等[35]在1997年采用接收函数叠加成像方法获得台站下方地壳上地幔结构.Zhu[36]在2000年提出了共转换点(CCP)叠加接收函数成像方法, 本文将其应用到S波接收函数成像中.先对台站下方进行网格划分, 深度方向网格间距为1 km, 水平方向网格间距为5 km.通过一个背景模型进行射线追踪以确定射线路径, 将接收函数的每一个时间上的振幅看作某个深度的界面产生的转换波从而将此振幅投放到其转换点上.这里需要强调的是由于接收函数的有限频带, 每条射线都有一定的宽带而覆盖多个网格, 本文采用转换波菲涅耳带半径作为射线管的半宽度, 波长为λ的波在深度为h的地方的菲涅耳带半径为槡
本文采用了一个三维速度模型进行射线追踪.地壳部分采用的是通过P波接收函数[38]获得的各台站下的地壳速度结构, 地幔部分的速度结构采用的是IASPEI91参考模型.由于S波接收函数的主要能量在3~5 s, 用以上菲涅耳带半径估算出的CCP图像结果的水平分辨尺度在Moho面深度(35 km)为20 km, 在岩石圈内(100 km)约为50 km.
3 结果利用时间域接收函数的计算方法, 对测线上的49个台站所接收到的191个地震事件记录进行S波接收函数计算, 共挑选到1721条良好S波接收函数来进行CCP叠加成像.将接收函数按照射线参数排列, 并对相同的射线参数的接收函数进行叠加, 得到结果如图 3所示.从图 3中可以清晰地看到一个正的震相(约5 s)和一个负的震相(约10 s), 分别是在Moho界面和LAB产生的转换波SMp和SLp震相.通过把P波接收函数获取的Moho界面转换波与直达波之间的到时差根据射线参数进行校正后标示到S波接收函数中(图 3), 可以看出通过S波接收函数获得的到时差和通过P波接收函数获得的到时差具有很好的一致性.同时发现在SMp震相之前还存在一个较强的震相, 可能是壳内存在一个速度间断面产生的转换波震相与直达S震相的旁瓣叠加形成.
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图 3 K042台站计算得到的接收函数 (a) P波接收函数; (b) S波接收函数(SMp标示通过P波接收函数校正后获得). Fig. 3 Receiver functions of station K042 (a) P receiver functions; (b) S receiver functions (SMp times are obtained from the P receiver function results). |
利用49个台站所计算得到的S波接收函数进行CCP叠加成像, 得到的结果如图 4所示.从图 4中可以看出, 岩石圈结构清晰可见.通过把P波接收函数获得的Moho界面标示到S波接收函数结果上, 把S波接收函数获得的LAB标示到P波接收函数结果上(图 4和图 5), 对S波接收函数叠加结果与P波接收函数CCP叠加结果进行了比较.从图 4和图 5中可以看出, S波接收函数获得的地壳厚度与P波接收函数获得的地壳厚度基本一致.由于S波周期较P波周期大, 因此分辨率要弱于P波接收函数.然而在东部陆块的唐山以东地区, 由于沉积层较厚, P波接收函数易于受到沉积层多次波的干扰, P波接收函数无法消除由于沉积层基底产生的较强信号, 很难获得准确的地壳厚度.由于S波接收函数能够避免沉积层多次波的干扰, 因此通过S波接收函数获得的地壳结构更可信.
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图 4 S波接收函数CCP叠加结果 黑色箭头为各个块体边界, 蓝圈为5.5级以上地震. Fig. 4 CCP stacking image of Sreceiver functions Black arrows indicate the boundary of blocks, blue circles represent earthquakes with magnitude larger than 5.5. |
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图 5 P波接收函数CCP叠加结果(据文献[38]修改) 黑色箭头为各个块体边界. Fig. 5 CCP stacking image of P receiver functions (modified from Ref.[38]) Black arrows indicate the boundary of blocks. |
地壳厚度的总体特征是沿观测剖面自西向东逐渐变薄.在西部陆块, 地壳厚度变化较小, 从K001到K017地壳厚度约42 km; 在中部陆块, 地壳厚度逐渐变浅, 从K018到K029, 地壳厚度从41 km逐渐减薄到37 km; 在东部陆块, 地壳厚度变化相对平缓, 从K030到K041, 地壳厚度介于33~37 km之间, K042以东, 地壳厚度从33 km减薄至30 km左右.在K042与K047之间在台站下方15 km左右可能存在速度间断面, 东部陆块的Moho界面弱于中西部陆块Moho界面.
从图 4和图 5中可以看到, 通过S波接收函数获得的LAB更清晰可靠, 通过S波接收函数获得的LAB在P波接收函数中也可以体现, 两者获得的岩石圈厚度变化情况基本一致, 但由于P波接收函数受到多次波的干扰, 因此要弱于通过S波接收函数获得的LAB.在西部陆块, 岩石圈厚度从100 km减薄至70 km, 从中部陆块到东部陆块, 岩石圈厚度变化相对平稳, 介于60~80 km.然而从图 4中可以发现, 位于西部陆块的剖面下方LAB比位于中部和东部陆块剖面下方LAB偏弱, 造成这种现象可能有两种原因, 一是由于西部陆块LAB是一个速度逐渐递减的梯度带类型界面, 而在中部和东部陆块, LAB是一个陡变的界面; 另外一种原因可以通过王峻与刘启元[29]的研究结果进行解释, 由于在中部陆块和东部陆块存在沉积层, 有助于增强在台站下方LAB产生的SLp震相.在P波接收函数成像中, 在西部陆块很难看到LAB产生的SLp震相, 由于P波周期较短, 只能够用来探测陡变的速度间断面, 因此西部陆块的LAB应该是梯度带类型界面.
4 讨论本文利用华北宽频带流动地震台阵中的一条高密度测线记录到的远震事件所提取的S波接收函数, 通过CCP叠加成像获得了测线下方的岩石圈结构.成像结果清晰地显示了地壳厚度和岩石圈厚度变化情况.华北克拉通西部陆块地壳厚度较厚, 平均为42 km左右, 中部陆块地壳逐渐减薄, 从41 km逐渐减薄至37 km, 在渤海湾地区以东的东部陆块地壳厚度大约为33 km, 这些结果均与已有的研究结果相吻合[18-21].通过S波接收函数CCP叠加成像结果可以看出东部陆块唐山以东地区地壳厚度约为30 km左右, 与王未来等[21]、嘉世旭等[39]、姜文亮等[40]研究结果较为一致.在K042至K047台站下方15 km左右存在一个速度间断面, 可能是由于直达波旁瓣与速度间断面转换波叠加形成, 同时SMp转换波震相偏弱, 推测Moho界面可能是具有过渡带性质的壳幔边界.曾融生等[41]通过人工地震剖面发现唐山地区在深度14 km处存在化学或者矿物间断面, 上下存在速度跳跃变化, Moho面附近可能存在相间的高速和低速薄层.王峻等[42]通过接收函数反演也发现在10 km深度的S波速度在张家口-怀来-北京-唐山一线形成了高速条带.王未来等[21]通过接收函数与面波联合反演的结果显示唐山地区具有过渡带性质的壳幔边界, 嘉世旭等[39]通过人工地震剖面研究的结果显示张家口-渤海断陷带下地壳速度等值线密集、显示了宽厚的壳幔过渡构造.这些结果均与本文的研究结果相一致.如果把震中在剖面左右水平距离30 km内1970年以来发生的5.5级以上地震投影到剖面上(图 4), 可以看到唐山地区2个5.5级以上地震均发生在15 km左右的速度间断面上, 地震分布与S波的高速区分布有很好的相关性, 而过渡带性质的壳幔边界可能与上地幔及软流层物质上涌有关.嘉世旭等[39]、姜文亮等[40]、王峻等[42]分别通过人工地震剖面、重力反演、接收函数反演等方法也得出了类似的结论.
从图 4和图 5中可以看出, 剖面下方岩石圈结构清晰可见.在西部陆块, 岩石圈厚度从100 km逐渐减薄至70 km, 和Chen等[24-26]通过接收函数等获得的岩石圈厚度基本一致.同时面波层析成像结果[14]显示在此区域下方100 km左右存在明显低速带, 认为岩石圈厚度不超过100 km.在中部和东部陆块, 本文的结果显示岩石圈厚度并没有明显的变化, 岩石圈厚度介于60~80 km, 和Chen等[25-26]通过S波接收函数获得的结果有一定差别.Chen等[25-26]结果显示, 在华北克拉通中、东部陆块间岩石圈厚度存在一个剧烈的跳变, 从130 km左右突然减薄至80 km左右.我们认为可能是由于Chen等[25-26]采用的台站在剖面附近分布较为稀疏且不均匀, 同时用于研究的事件记录有限造成的.本文采用的台站分布更为密集、均匀, 记录事件更多, 在挑选原始记录时要求信噪比大于5且具有清晰直达S波震相.根据Wilson等[28]、王峻等[29]理论研究表明, 当震中距大于80°或者震源深度大于300 km时, S波接收函数获取的转换波震相较弱, 很难识别Moho界面和LAB产生的转换波, 因此只选用了震中距在55°~80°之间且震源深度在0~40 km内的地震事件记录, 在评价接收函数时, 要求具有明显的Moho界面转换波Sp震相和直达S波震相, 同时在P波接收函数叠加剖面上也可以看到相同深度的岩石圈底部界面, 验证了结果的可靠性.
Li等[27]通过面波反演得到了华北克拉通中部陆块和东部陆块的岩石圈厚度, 认为中部陆块岩石圈厚度大约80 km, 东部陆块约60 km.各向异性结果[11]显示在剖面下方快波方向和快慢波延迟并没有较大差别, 快波方向基本为NWW-SEE方向, 平行于绝对板块运动方向(APM), 快、慢波延时大约1s.据此, 常利军等[11]认为剖面下方上地幔各向异性主要是由APM引起的软流圈内地幔流引起, 剖面下方岩石圈底界应该起伏不大.这些研究结果都显示中部陆块和东部陆块的岩石圈厚度差别较小, 都比较薄, 对应了本文获得的剖面下方的岩石圈厚度结果.因此, 我们认为剖面下方华北克拉通岩石圈遭受了明显的大规模的减薄.如果认为古老克拉通岩石圈厚度为200 km, 那么剖面下方岩石圈减薄幅度大于100 km.
关于华北克拉通减薄的机制是目前学术界争论的热点.目前认为主要有两种机制:热侵蚀作用和拆沉作用.热侵蚀作用是指上涌软流圈的热传导“烘烤”会使岩石圈最底部物质发生软化, 在软流圈水平流动产生的切向剪切应力作用下, 这一部分物质就会转变成软流圈的一部分.Huang等[9]通过层析成像研究显示在太平洋板块俯冲到118°E停滞在地幔转换带中, 并认为太平洋板块俯冲造成了热的软流圈物质上涌, 常利军等[11]、Liu等[43]通过各向异性分析也认为在华北克拉通东部陆块下方存在地幔流.王炳瑜等[20]通过研究地幔转换带厚度变化, 得出在北黄海地区地幔转换带厚度较薄, 认为可能是由于太平洋板块俯冲局部穿透了上地幔底部而进入下地幔, 引起小尺度的地幔对流.同时在渤海湾地区地壳厚度较薄, 且存在较强的地震活动性, 可能与这一深部结构和动力过程有关.结合以上分析, 我们认为由于太平洋板块俯冲造成岩石圈底部被上涌的热的软流圈物质烘烤, 古老的岩石圈经历物质置换、变质、热侵蚀, 造成了华北克拉通东部的减薄.
5 结论利用华北宽频带流动地震台阵中的一条高密度测线记录到的远震事件所提取的S波接收函数, 通过CCP叠加成像获得了测线下方的岩石圈结构.成像结果显示通过S波接收函数获得的剖面下方地壳厚度与通过P波接收函数获得的剖面下方地壳厚度一致.华北克拉通西部陆块地壳厚度较厚, 中部陆块地壳逐渐减薄, 东部陆块地壳最薄.在西部陆块, 岩石圈厚度从100 km减薄至70 km, 从中部陆块到东部陆块, 岩石圈厚度变化相对平稳, 介于60~80 km, 表明剖面下方华北克拉通岩石圈遭受了明显的大规模减薄, 岩石圈减薄幅度大于100 km.结合层析成像研究、各向异性研究、接收函数与面波反演结果, 认为剖面下方东部陆块岩石圈减薄主要是由于热侵蚀作用引起的.
致谢感谢所有参与华北流动科学台阵项目的工作人员在台站架设、数据采集以及数据处理等方面所做的工作.感谢李永华研究员、常利军副研究员在文章写作中提出的宝贵意见, 感谢武岩博士提供的P波接收函数结果.感谢两位评审专家对本文提出的宝贵建议.
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