地球物理学报  2015, Vol. 58 Issue (12): 4388-4402   PDF    
长江中下游成矿带及邻区地壳剪切波速度结构和径向各向异性
欧阳龙斌1,2, 李红谊1,3, 吕庆田4, 李信富3, 江国明3, 张贵宾3, 史大年4, 郑丹3, 张冰3, 李佳鹏3    
1. 地下信息探测技术与仪器教育部重点实验室(中国地质大学, 北京), 北京 100083;
2. 广东省地震局, 广州 510070;
3. 中国地质大学(北京), 地球物理与信息技术学院, 北京 100083;
4. 中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用和资源评价重点实验室, 北京 100037
摘要: 收集了安徽、江西、浙江、江苏、湖北和河南6个省的区域地震台网138个宽频地震台站以及中国地质大学(北京)在长江中下游成矿带布设的19个流动宽频地震台站的三分量背景噪声数据,利用背景噪声面波层析成像方法,获得了长江中下游成矿带及其邻区地壳三维剪切波速度结构和径向各向异性特征.首先获得了5~38 s周期的瑞利波和勒夫波相速度,结果显示短周期( < 16 s)的瑞利波和勒夫波相速度与研究区内的主要地质构造单元具有良好的相关性,但在中长周期(20~30 s)瑞利波相速度显示大别造山带东部为明显低速特征,而勒夫波相速度并未表现出异常特征.研究区域地壳三维有效剪切波速度和径向各向异性结果显示:苏北盆地和江汉盆地上地壳都表现为低速和正径向各向异性特征,华北克拉通东南部也表现为正径向各向异性,这可能与盆地浅部沉积层的水平层理结构相关.大别造山带中地壳显示为弱的正径向各向异性,同时其东部下地壳显示为低剪切波速度和强的正径向各向特征,可能是由于其在造山后发生了中下地壳的流变变形,引起各向异性矿物近水平排列所导致的.长江中下游成矿带内的鄂东南和安庆—贵池矿集区中地壳弱的负径向各向异性可能是由于深部岩浆向上渗透时所产生的有限应力导致结晶各向异性矿物的垂直排列所引起的.整个长江中下游成矿带下地壳都表现出正径向各向异性特征,可能是由于在伸展拉张的构造作用力下,下地壳矿物的晶格优势水平排列所引起的.
关键词: 长江中下游成矿带     背景噪声层析成像     径向各向异性    
Crustal shear wave velocity structure and radial anisotropy beneath the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt and surrounding areas from seismic ambient noise tomography
OUYANG Long-Bin1,2, LI Hong-Yi1,3, LV Qing-Tian4, LI Xin-Fu3, JIANG Guo-Ming3, ZHANG Gui-Bin3, SHI Da-Nian4, ZHENG Dan3, ZHANG Bing3, LI Jia-Peng3    
1. Key Laboratory of Geo-detection (China University of Geosciences, Beijing), Ministry of Education, Beijing 100083, China;
2. Earthquake Administration of Guangdong Province, Guangzhou 510070, China;
3. School of Geophysics and Information Technology, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
4. MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
Abstract: The crustal anisotropy of the Middle-Lower Yangtze River region is critical for observation of crustal deformation and understanding its deep geodynamic process. In this paper, through analysis of Rayleigh waves and Love waves using empirical Green's functions estimated from ambient noise tomography, we continue our previous work of imaging isotropic shear velocity to study the crustal radial anisotropy beneath the Middle-Lower Yangtze River Metallogenic belt and its surrounding areas. The data include 14 months (from July 2012 to August 2013) three-component continuous ambient noise data recorded at 138 seismic stations of newly upgraded China Provincial Digital Seismic Networks (Anhui, Jiangxi, Zhejiang, Jiangsu, Hubei and Henan) and 19 temporary seismic stations deployed by China University of Geosciences (Beijing). Firstly, these phase velocity dispersion curves between 5 and 38 s periods are measured from those three-component cross-correlation functions for each interstation path by using the automatic time-frequency analysis method with phase-matched processing. Then the study area is divided into a 0.5°×0.5° grid to invert the Rayleigh and Love wave phase velocity distributions with the Occam inversion method. At short periods ( < 16 s), the Rayleigh and Love wave phase velocity maps both show clear lateral variations which correlate well with major geological structures and tectonic units in the study region. The basins show low velocities, including the Jianghan, Hehuai, Subei, Hefei and Nanyang basins, but the Dabie orogenic belt and the Lower Yangtze Craton show high velocity. At intermediate-to-long periods (20~30 s), it is noticeable that the eastern Dabie orogenic belt is featured with low velocity only on the Rayleigh wave phase velocity map. Finally, we determine the crustal shear wave velocity and radial anisotropy by inverting the local phase velocity dispersion curves of Rayleigh and Love waves. In the upper crust, strong positive radial anisotropy and low shear wave velocity are imaged in the southeast of the North China Craton, Subei and Jianghan basins. Due to thick sedimentary cover in these areas, this strong positive radial anisotropy at shallow depths can be interpreted in terms of the horizontally layered sedimentary with larger velocity in the horizontal than in the vertical direction. In the Dabie orogenic belt, the radial anisotropy is weakly positive in the middle crust. Meanwhile strong radial anisotropy and low velocity in the lower crust beneath the eastern Dabie orogenic belt is imaged. The anisotropy could be caused by sub-horizontal mica fabric due to rheological deformation in the deep crustal zones. In the middle crust of southeastern Hubei and Anqing-Guichi ore districts of the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt, the negative radial anisotropy may result from crystalized anisotropic minerals aligned vertically induced by finite strain associated with the vertical intrusion of deep magma. The most striking feature of our crustal radial anisotropy model is the strong positive radial anisotropy observed in the lower crust beneath the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt and southeastern North China Craton. We consider that the strong positive radial anisotropy beneath the metallogenic belt may mainly result from the sub-horizontal alignment of seismically anisotropic crustal minerals induced by the finite strain accompanying extension.
Key words: Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt     Ambient noise tomography     Radial anisotropy    
 1 引言

长江中下游成矿带及邻区位于中国东部,构造上主要包括华北克拉通东南部、大别—苏鲁造山带以及扬子克拉通的东北部.从地质和构造环境来看,该地区是中国东部最重要的古构造活动区之一,在印支-早燕山期,华北克拉通和扬子克拉通的碰撞,导致了近东西走向的大别—苏鲁造山带和东北-南西走向的郯庐断裂的形成;一系列特殊的构造和地质现象,比如碰撞过程中地壳物质深俯冲和折返以及形成的大别—苏鲁高压和超高压变质带,使其成为国际研究的热点(Wang,2006Zhang et al.,2009).同时,该地区也是我国东部重要的油气资源基地,江汉盆地、苏北盆地和南阳盆地都具有较丰富的油气资源.位于研究区域中心的长江中下游成矿带是我国东部最重要的多金属矿物资源基地,该成矿带西起江汉盆地东缘,东达太湖东岸和苏北盆地,中部为皖赣山地,南抵赣北九岭,北与大别造山带及合肥盆地相连,跨湖北、江西、安徽和江苏四省,区域上呈狭窄的带状分布(图 1).在燕山期,由于强烈的构造-岩浆-成矿活动,导致了在长江中下游成矿带形成了丰富的铁、铜、金、锰和锌等多金属矿床(董树文等,2011).目前已发现鄂东南、九瑞、安庆—贵池、 庐枞、铜陵、宁芜和宁镇等7个矿集区和200多个多金属矿床(常印佛等,1991Mao et al.,2006).为什么在长江中下游成矿带如此狭窄的空间范围内发生大规模的金属富集,一直以来学术界对成矿带的深部过程及成矿岩浆形成机制争论不休,地质、地球化学和地球物理学家们从各自的专业视角出发提出了许多不同的地球动力学模型(et al.,2005; Hou et al.,2007; Ling et al.,2009; Li et al.,2013).探测成矿带深部壳幔结构和物质组成,对理解成矿带形成的深部地球动力学过程和预测新的矿集区至关重要(吕庆田等,2014).

图 1 研究区位置及宽频地震台站分布(a)及主要构造及矿集区位置示意(b)
a图中蓝色方块代表中国地质大学(北京)布设的流动台站;红色三角形代表六省区域地震台网的固定台站.b图中黑色封闭曲线分别表示河淮、苏北、合肥、江汉和南阳盆地的范围.粉红色封闭曲线表示的长江中下游成矿带的位置.
Fig. 1 Distribution of the study region and broadb and seismic stations(a) and Schematic illustration of the tectonic background in the Middle-Lower Yangtze River region and the location of the major ore-districts(b)
Blue squares denote temporary stations deployed by Chinese University of Geoscience(Beijing). Red triangles represent the Chinese provincial networks stations. The black closed curvesindicate the regions of Hehuai,Subei,Hefei,Jianghan and Nanyang basins,respectively. The pink closed curve indicates the location of the Middle-Lower Yangtze River Metallogenic Belt.

近年来开展的综合地球物理探测为揭示长江中下游成矿带深部结构提供了一些直观的证据(吕庆田等,2014):比如深地震反射剖面显示出成矿带下岩浆底侵作用的范围,同时也表明成矿带的地壳曾发生强烈挤压拆离变形(et al.,2005吕庆田等,2014);接收函数结果表明在宁芜矿集区下方莫霍面深度变浅(Shi et al.,2013);远震P波层析成像结果显示出其上地幔内存在着低速异常和高速异常相间的“三明治”结构(Jiang et al.,2013);背景噪声和双平面波联合层析成像结果显示在成矿带下方100~200 km深度范围内存在一个明显的剪切波速度低速区(Ouyang et al.,2014).这些研究主 要都关注于成矿带下方的壳幔速度结构,而对长江中下游成矿带及其周边地区地震各向异性的研究相对较少.其中李永华等(2009)分析了上扬子地区的各向异性特征,Luo等(2013)用背景噪声方法获得大别造山带的径向各向异性结构.但是这些各向异性研究受限于其资料的数量和精度,难以获得长江中下游及其邻区地壳尺度的精细各向异性结构.地震波速度结构主要反映岩石的温度和成分,地球介质的各向异性能够反映地球内部物质的形变特征,被誉为反映地球内部物质形变机制的“化石”.地震各向异性不仅与地球介质的物质组成和结构构造有关,而且还可以反映过去和现今的应力场状态,因而它在地球动力学研究中占据非常重要的地位,是地震学和地球动力学之间的桥梁.因此通过背景噪声层析成像获得长江中下游及其周边地区高分辨率的地壳速度结构和精细的各向异性特征,有助于揭示长江中下游成矿带及其周边地区地壳物质分布特征以及变形机制,理解该区域的构造运动和岩浆活动等地球动力学过程.

地震波在地球介质中传播时,其传播速度和质点偏振方向等特性随波的传播方向而变化,这种现象称为地震各向异性.大量的地震学观测和研究表明,地球内部从地壳到上地幔乃至核幔边界均存在着不同程度的各向异性,反映了地球内部不同层次的形变特征(如:彭艳菊等,2007李永华等,2009易桂喜等,2010郭飚等,2012).地震各向异性可以引起不同的影响,包括Pn波速度的方位变化,横波分裂以及瑞利波和勒夫面波所确定的同一路径上横波速度结构的不同(张忠杰和许忠淮,2013).横波分裂和面波方法是探测深部各向异性的两种主要手段.最近,Shi等(2013)在长江中下游成矿带东北部进行了SKS和SKKS横波分裂各向异性研究.横波分裂方法具有较好的横向分辨率,对台站下方的短波长各向异性比较敏感,但是垂向分辨率很低,不易处理多层各向异性,且不能应用于无地震台站的地区.面波方法的横向分辨非常低,但在可以定位各向异性的深度,而且能对所有地区进行采样(彭艳菊等,2007).

Anderson(1961)分析横向各向同性介质中瑞利波和勒夫波的频散时,发现各向异性对频散曲线的形状和范围有很大的影响.由于瑞利波是P和SV波的耦合波,对SV波速度最为敏感,而勒夫波只对SH波速度敏感,因此出现这种现象的根源VSV是与VSH的传播速度不一致,这种不一致称为径向各向异性(Shapiro et al.,2004).例如一个具有垂直对称轴的六方对称介质,存在两个剪切波速度:VsvVsh.在这种介质中,水平传播,垂直极化偏振或者垂直传播,但水平极化偏振的剪切波将以Vsv的速度传播.相反,以水平方向传播并水平极化偏振的剪切波会以Vsh的速度传播.因此把这两个速度差异的百分比定义为径向各向异性γ:

其中Vs称为均匀或者是有效剪切波速度,它是通过(2)式
计算而来的(Huang et al.,2010).通常认为,当γ>0,即VshVsv时,表明该介质具有正的各向异性,而γ<0,即VshVsv时,表明该介质具有负的各向异性.地壳各向异性主要与以下三个因素有关:(1)沉积岩在沉积过程的周期性循环下,导致岩层具有平行层理结构;(2)各向异性矿物颗粒(云母和角闪石)的晶格优选排列导致的;(3)也有可能是受区域性大地构造应力作用,导致岩层的裂隙和各向异性矿物发育具有一定的优势方向.

最近由于背景噪声层析成像技术的发展,可以在那些地震活动性比较弱的地方利用背景噪声互相关法获得中短周期的瑞利波和勒夫波相速度,然后构建这个区域地壳径向各向异性结构(例如:Huang et al,2010; Moschetti et al.,2010a; Lin et al.,2011; Xie et al.,2013; Luo et al.,2013).长江中下游成矿带位于中国东部地震活动性非常低的区域,同时在成矿带及其周边地区地震台站分布比较密集,因此,本研究利用长江中下游成矿带及其周边地区的密集地震台站的背景噪声数据进行互相关,提取了该区域中短周期的瑞利波和勒夫波面波频散,然后利用获得的面波频散来反演剪切波速度从而分析该区域的地震径向各向异性结构,从而为更深入了解研究区域地壳的结构变形机制提供地震学的依据.

2 数据处理和面波频散测量

本文所使用的数据包括中国地震局所属的湖北、安徽、江西、江苏、浙江和河南6个省地震台网138个宽频地震台站以及中国地质大学(北京)在该地区布设的19个流动宽频地震台站(图 1a),共157个宽频台站记录到的14个月(2012-07—2013-08)连续的三分量噪声数据.Ouyang等(2014)使用了这些台站的垂直分量的噪声数据进行了瑞利波背景噪声层析成像和双平面波层析成像研究,而本次研究对这些台站的三分量噪声数据进行了瑞利波和勒夫波背景噪声层析成像研究.首先,对所有台站的水平分量背景噪声数据进行了去均值、去趋势、去仪器响应,带通滤波(0.02~0.2 Hz)和重采样(1个数据点每秒)处理.然后把每个台站14个月的连续数据截成长度为1 h的数据段.如果任何一段一小时数据的峰值幅度大于10倍这段数据的均方根值,这样的数据段将会被去掉,通过这种方式去除了一些大地震的信号和仪器的不规则信号.在时间域归一化和谱白化处理后,然后将其中一个台站看作虚拟震源,另一个台站看作接收台站,将所有台站对的北向和东向分量旋转到径向(R)和切向(T)分量(Lin et al.,2008aLi et al.,2012).然后对每个台站对旋转后的数据进行了互相关和叠加处理,获得了所有台站径向(R-R)和切向(T-T)上的互相关.

为了提高信噪比,将互相关的正负半轴进行了反转叠加.然后,计算了互相关的信噪比,其定义是指在一定长度的面波信号窗口和噪声窗口内,面波信号窗口中最大振幅与噪声窗口内的均方差的比值.因此,为了保证最后可以用来提取面波相速度频散的数目以及准确性,测试几个不同的信噪比临界值.在本次研究中,我们只保留性噪比大于8,且台间距大于100 km的互相关.最后,通过利用时频分析技术和相位匹配方法(Bensen et al.,2007Yang et al.,2007)从径向(R)和切向(T)互相关中分别自动提取了瑞利波和勒夫波相速度频散.图 2a显示最终获得的各个周期(5~38 s)三分量相速度频散的数目.从图 2a可以看出垂向上的混合路径频散数目最多,因为垂向上的瑞利波信噪比比较高.由于台站比较密集且分布较均匀,所以在中周期(10~20 s)三分量的混合路径频散数目都超过了4000条.通过对整个研究区域所有不同台站对路径的瑞利波和勒夫波相速度频散进行平均,得到了三个分量各个周期的平均相速度(图 2b).从图 2b中可以看出在垂向和径向上各个周期的平均瑞利波相速度基本一致.

图 2 不同周期的相速度混合路径频散数目图(a);研究区域内三个分量的平均瑞利波或勒夫波相速度(b);不同周期垂向与径向上瑞利波相速度差异值(c);瑞利波和勒夫波在各个周期的纯路径频散误差值(d) Fig. 2 (a)Numbers of phase velocity dispersion measurements at different periods measured from the ambient noise tomography;(b)Average Rayleigh and Love wave phase velocities from this study at different periods;(c)Rayleigh wave phase velocity differences between vertical and radial components at different periods;(d)The misfits of observed Rayleigh and Love wave local phase velocity dispersion curves relative to the predicted dispersion curves at different periods
3 面波层析成像和剪切波速度反演

利用背景噪声面波频散研究地壳三维剪切波速度结构一般分为两步:首先,通过面波层析成像从混合路径频散中提取各个周期面波相速度在水平面的分布;然后提取每个网格点的纯路径频散,反演每一个网格点下方的一维的剪切波速度结构,将这些点组合起来从而得到三维剪切波速度结构.

首先,采用Occam反演方法来进行面波反演(Constable et al.,1987),这种方法最先是在大地电磁测深资料反演中提出来的,它的目标是找到一个尽量拟合观测数据的光滑模型,后来,这个方法也运用于天然地震面波层析成像(Huang et al.,2003Li et al.,20092012).在该方法中,假定地震面波是沿着大圆路径传播,然后通过引入对模型光滑程度的约束,从而可以有效的改善路径覆盖的缺陷.在相速度层析成像反演之前,为了确定面波成像的横向分辨率,进行了检测板测试.在进行检测板测试时,各个周期的平均相速度(图 2b)作为初始速度,设定网格点的速度扰动为±5%.通过测试不同的网格大小划分,最终测试结果显示研究区的横向分辨率大约为0.5°.从24 s的径向(R)和切向(T)检测板恢复结果来看(如图 3所示),在黑色八边形区域内,也就是长江中下游成矿带及其邻近区域,瑞利波和勒夫波的相速度都能够达到0.5°的分辨率.

图 3 24 s面波相速度在径向(a)和切向(b)上的检测板测试结果 Fig. 3 Surface wave phase velocity checkerboard test results at period 24 s on the radial(a) and transverse components(b)

基于上述检测板测试结果,将研究区域划分为0.5°×0.5°的网格,用Occam方法反演了各个周期(5~38 s)的频散.然后,比较了了垂向(Z)和径向(R)所获得的瑞利波相速度层析成像结果,图 2c显示的是各个周期垂向与径向上的瑞利波相速度差异值在整个研究区域内的均方根值,它们基本在16~26 m·s-1范围内变化,其中在10~20 s内最低,大概为17 m·s-1,这与Luo等(2013)在大别造山带用背景噪声层析成像所得到的垂向与径向上瑞利波相速度差异值的均方根值为15 m·s-1的结果比较相近.垂向与径向上瑞利波相速度的差异可能是由于一些台站在水平方向上存在方位角偏差,以至于影响了径向上所获的瑞利波频散的测量.同时比较图 2a图 2c可以发现在10~20 s,密集的射线 覆盖对应较小的瑞利波相速度差异值,而当周期<8 s和>25 s时,测量得到的混合路径频散数目比较少,因此对应着相对较大的瑞利波相速度差异值.本文将垂向和径向的瑞利波相速度进行平均得到了瑞利波的相速度.

图 4显示的是6 s,24 s的瑞利波和勒夫相速度分布图.从6 s的瑞利波和勒夫波相速度分布图(图 4a4c),可以看到河淮盆地、苏北盆地和江汉盆地都显示出非常明显的低速特征,同时合肥盆地、南阳盆地以及长江中下游成矿带也显示出低速特征,而大别造山带以及扬子克拉通都显示高速特征;这些速度特征与Ouyang等(2014)所获得的8 s瑞利波波群速度的结果比较一致,同时也与Luo等(2013)在大别造山带及其周边地区所获得的10 s的瑞利波和勒夫波结果一致.周期为24 s时,瑞利波相速度主要受下地壳剪切波速度的影响,在大别造山带东边以及郯庐断裂西侧瑞利波表现为低速(图 4b),而在24 s的勒夫波(图 4d)结果中,并未观测到低速特征.这主要是因为瑞利波和勒夫波有着不同的敏感核,勒夫波对浅部地下介质 比较敏感,而瑞利波最大采样深度约是其波长的1/3.

图 4 6 s(a,c)和24s(b,d)瑞利波(a,b)和勒夫波(c,d)相速度分布图 Fig. 4 Phase velocity maps of Rayleigh wave(a,b) and Love wave(c,d)at periods of 6 s(a,c) and 24 s(b,d)

接着使用Herrmann和Ammon(2004)开发的最小二乘线性反演程序Surf96来反演一维剪切波速度.Cheng等(2013)进行了一系列测试,发现不同 的初始模型对瑞利波反演结果影响并不大.本研究对瑞利波反演的测试也得到类似的结论.因此本文使用Ouyang等(2014)所获得的三维剪切波速度模型作为初始模型,其莫霍面深度是根据Laske等(2013)(文献表中没有)的全球1°×1°的Crust 1.0 模型,莫霍面以上每2 km作为一层,莫霍面到50 km 作为单独的一层.在反演中,Vp/Vs值设定为1.74(Zheng et al.,2014),纵波速度随着剪切波速度的改变而改变.

4 径向各向异性

本文利用瑞利波和勒夫波频散数据反演得到了每个网格点下的VsvVsh速度,然后通过公式(1)和(2)计算得到径向各向异性和有效剪切波速度值,从而获得研究区域的三维径向各向异性和有效剪切波速度结构.

在构建径向各向异性模型之前,首先定义一个“卡方”参数 2来表示剪切波速度模型拟合得到的频散值p与实测的频散值d之间的匹配情况:

其中,n代表获得的面波频散离散周期的数目,在本次研究中使用的周期是5~38 s,其中以1 s为间距,所以n=34.其中dipi分别代表各周期(5~38 s)观测频散值和根据模型计算理论频散值,而σi表示的是各个周期纯路径频散测量的误差. 2值越小表示该速度模型越接近实际的频散数据.类似于Luo等(20122013)的做法,通过计算Occam反演纯路径频散与从剪切波反演的速度模型正演频散的拟合差来近似的评估纯路径频散的误差σi,其计算公式如下:
其中,m代表图 3中黑色八边形所在区域内网格点的数目(以0.5°×0.5°来划分网格),dji代表第j个网格点第i个周期的纯路径频散值,pji代表第j个网格点第i个周期从剪切波反演的速度模型正演计算的频散值.图 2d显示的是用误差公式计算的瑞利波和勒夫波在各个周期的纯路径频散误差值.从中可以看出估算的瑞利波频散测量的误差大致在8~18 m·s-1之间,这个结果与Luo等(2012)所估算的结果10~20 m·s-1比较接近;勒夫波频散测量的误差在15~28 m·s-1之间,可能是因为勒夫波的信噪比比较低,混合路径频散的数目比较少导致了其误差比瑞利波要大.

在本次研究中先同时拟合瑞利波和勒夫波频散,反演得到了一个剪切波速度模型Vs(如图 5(a—d)中的绿色剪切波速度模型所示).利用前面所获的瑞利波和勒夫波频散测量误差,求取了在这种反演情况下的“卡方”参数(如图 5e所示).研究区域内均值卡方参数为14.3,这与Moschetti等(2010b)在美国西部也是用一个均匀模型去同时拟合瑞利波和勒夫波频散所得到的卡方参数值12.2比较接近.总的来说研究区域内卡方参数的标准方差比较大,从图 5e中可以清晰的看到在苏北盆地、宁镇矿集区和河淮盆地等区域,卡方参数都偏大,说明这些区域不能用一个单一的剪切波速度模型同时很好地拟合瑞利波和勒夫波频散,也就是说这些区域的各向异性比较强.而在A点(大别造山带的西部)以及D点(下扬子克拉通的中部)的区域,卡方参数比较小,说明这些地方的各向异性比较弱.

图 5 (a)、(b)、(c)和(d)分别给出(e)中A、B、C和D点的纯路径频散曲线和反演拟合的频散曲线以及反演得到的剪切波速度模型.(e)用一个单一均匀剪切波速度模型去拟合瑞利波和勒夫波频散所得到的卡方参数分布图 Fig. 5 (a)、(b)、(c) and (d)represent the observed and synthetic phase velocity dispersions of Rayleigh and Love wave(the upper panel) and inverted shear wave speed(the bottom panel)at the grid points of A,B,C and D(the blue triangles in(e))respectively. Red circles and blue triangles represent observed Rayleigh and Love wave phase velocity dispersions. Red and blue line represent Rayleigh and Love wave phase velocity are computed from the theoreticalVsv and Vsh,respectively. Green line represent Rayleigh and Love wave phase velocity are computed from the Vs(in which Vs=Vsh=Vsv).(e)The distribution of “Chi-squared” χ2 which is a measure of the mis-fit to the Rayleigh and Love wave dispersions curves that results from a best fitting isotropic model(in which V s=Vsh=Vsv, the S-wave speed).

图 6显示的是8、18 km和28 km深度的有效剪切波速度和径向各向异性值的分布图.8 km深度的剪切波速度分布特征与6 s的相速度的分布特征比较类似,在苏北、河淮和江汉盆地等盆地地区表现为低速特征,而在大别造山带以及下扬子克拉通表现为高速特征.而从8 km深度的径向各向异性分布图中可以看到苏北盆地、江汉盆地、华北克拉通东南部以及在九瑞矿集区和安庆—贵池矿集区之间都表现出较大的正径向各向异性.而在18 km深度,剪切波速度比较低的区域刚好对应着径向各向异性比较弱的地方.28 km深度的剪切波速度和径向各向异性结果显示大别造山带的东部存在一个低速区,且大的正径向各向异性.同时也注意到研究区域整个下地壳总的来说都表现为正的各向异性,其中大别造山带西部以及下扬子板块中部的正各向异性值相对其他区域比较小.

图 6 8、18 km和28 km深度的有效剪切波速度分布(a,c,e)和径向各向异性分布(b,d,f)
黑色封闭曲线分别表示河淮、苏北和江汉盆地的范围,黑色方形分别表示九瑞矿集区和安庆—贵池矿集区的位置.
Fig. 6 (a,c,e)Maps of isotropic Vs and (b,d,f)radial anisotropy at depths of 8,18 and 28 km
The black closed curvesindicate the regions of Hehuai,Subei and Jianghan basins,respectively. The black squares indicate the location of the Jiurui and Anqing-Guichi ore districts,respectively.

图 7展示的是两条剪切波速度和径向各向异性剖面图.其中剖面AA′沿着西南-东北走向始于扬子克拉通、穿过长江中下游成矿带(其中包括九瑞矿集区、安庆—贵池矿集区、庐枞矿集区以及宁芜矿集区等)和苏北盆地.从图 7b中可以看出整个成矿带基本上都为正的径向各向异性,其中下地壳正各向异性值最大,在安庆和阳新—常州断裂之间,也就是九瑞矿集区和安庆—贵池矿集区之间的整个地壳都表现出较大的正径向各向异性,同时该区域上地壳速度偏低,中地壳剪切波速度比较高;苏北盆地显示的是上地壳和下地壳的径向各向异性值比较大,而中地壳比较弱,同时其剪切波速度显示其具有一个低速的上地壳(图 7a).而剖面BB′与成矿带的走向相垂直,该剖面沿着北西-南东方向始于南阳盆地、穿过大别造山带、长江中下游成矿带的安庆—贵池矿集区以及下扬子克拉通的中部.在大别造山带的东部以及安庆贵池矿集区下地壳显示为非常强的正的径向各向异性(图 7d).

图 7 图 6中AA′和BB′剖面的剪切波速度(a,c)和径向各向异性结构(b,d).(a)—(d)上的黑色区域表示剖面上的地形 Fig. 7 Vertical cross-sections of isotropic shear wave velocity(a,c) and radial anisotropy structure(b,d)along the two lines AA′ and BB′,and locations of the two cross-sections are shown in Fig. 6. Topography is plotted above each profile(black area)
5 讨论

地球介质的径向各向异性特征能够反映地球内部物质的形变特征.在研究区域的上地壳,一个显著的特征就是苏北盆地、江汉盆地和华北克拉通东南部都表现为大的正径向各向异性(>2%).其中华北克拉通东南部所观察到的正径向各向异性与Luo等(2013)的结果一致.然而Luo等(2013)在江汉盆地却观察到了负的径向各向异性,这与江汉盆地内正径向各向异性结果不一致.江汉盆地是位于扬子克拉通中部的白垩-新近系盆地,由于在多期不同应力场背景控制下,其内部产生了多次不同性质和特点的构造变形(杨攀新等,2009).Luo等(2013)认为 江汉盆地负的各向异性是由于在早第三纪,其受到 挤压、隆升和剥蚀,形成化石微裂隙和变质面理而导致的.然而江汉盆地自白垩纪以来基本上都处于拉张应力环境,其内部地层保存完好,沉积中心还是延续白垩纪的格局(王必金,2006),因此我们认为江汉盆地表现出正的各向异性可能是由于其一直保存着白垩纪沉积特征.苏北盆地位于下扬子克拉通东北部,地球物理和钻井资料证实其沉积层厚度约为10 km,其自形成后经历了多期构造运动的改造,然而其形成和演化的主流观点仍然是“拉张作用”和“裂谷盆地”,即板块俯冲引起地幔物质上拱,导致地壳内拉张断陷等一系列连锁反应,因此其内部的沉积层主要受伸展拉张的作用力的影响而显示为正的各向异性(邱海峻等,2006).剪切波速度结果显示苏北盆地和江汉盆地为低速特征,这也是由于它们具有非常厚的沉积层,同时沉积层在沉积的过程中形成的平行层理结构通常具有正的各向异性特征,因此在这两个盆地都观察到了正的径向各向异性而不是负的径向各向异性.在长江中下游成矿带的内部,也就是九瑞矿集区与安庆—贵池矿集区之间的洪镇变质核杂岩体,也观察到比较大的正径向各向异性.该变质核杂岩是在北东-南西向的伸展作用下形成的,其上部是由未变质的沉积盖层所覆盖(Zhu et al.,2010),因此其表现出正的径向各向异性.

径向各向异性结果显示大别造山带中地壳为弱的正径向各向异性特征.这与Luo等(2013)的结果 有一些差别,其结果观察到大别造山带的中地壳为负的径向各向异性,认为这个负的径向各向异性可能是由于深部岩浆垂直侵入时所产生的有限应力导致结晶各向异性矿物的垂直排列所引起的.最近对地壳岩石所进行的岩石物理实验发现,当各向异性矿物从水平方向排列转到垂向排列的过程中,旋转角度超过50°时,才表现为负的径向各向异性,同时垂直排列所达到最大的负径向各向异性值的绝对值要小于水平排列所能达到正的径向各向异性值,最大负径向各向异性值大约为最大正径向各向异性值的一半,而且最大负径向各向异性大约只有2%(Xie et al.,2013).然而Luo等(2013)在大别造山带却观察到大约为4%的负径向各向异性值.另外Luo等(2013)给出大别造山带中部一个点(115.7°,30.8°)的各向异性结果显示该点下方整个地壳都表现为正径向各向异性特征,然而其周围地区中地壳却显示为负径向各向异性特征(Luo et al.,2013Fig.6a6b7d).最近叶庆东(2014)在大别和苏鲁地区也进行了背景噪声瑞利波和勒夫波层析成像研究,发现大别造山带的瑞利波频散和全球标准模型AK135(Kennett et al.,1995)的频散相类似,但勒夫波频散均高于AK135模型计算出的频散,也就是说大别造山带地壳总体都表现为正的径向各向异性.大别造山带出露大面积的超高压变质岩,大量的研究认为这些超高压变质岩是在多阶段俯冲折返过程中形成的(Eide and Liou,2000; Faure et al.,2003; Zheng et al.,2003; Zhang et al.,2009),在深部物质折返剥蚀的过程中,壳内物质会受到深部岩浆垂直侵入时所产生的有限应力的影响而表现为负的径向各向异性(Montager,1998),然而大别造山带却表现为弱的正径向各向异性特征.大别造山带在早白垩纪主要受到伸展作用,造山带内侵位时间早于132 Ma的岩体均表现出片麻理化特征,同时混合岩化片麻岩表现出强烈的构造变形现象,这些都表明其在早白垩纪可能经历了中下地壳的流变变形(王勇生等,2014).Huang等(2010)在青藏高原东南缘中下地壳观察到低剪切波速度和正径向各向异性,认为该特征可能是由于中下地壳的物质的水平流动变形引起的(Clark and Royden,2000; Xie et al.,2013; Hacker et al.,2014).大别造山带东部的中下地壳显示为低速特征,而具有低速特征的中下地壳的物质强度比较低,易于发生流变变形(Xie et al.,2013).因此大别造山带没有显示负的径向各向异性,而是正的径向各向异性可能是由于其在造山后发生了中下地壳的流变变形引起的各向异性矿物近水平排列所导致的.在长江中下游成矿带的鄂东南和安庆—贵池矿集区可以观察到比较弱的负径向各向异性(图 6d).这两个矿集区刚好位于洪镇变质核杂岩体的两侧拆离断层所在的位置(Zhu et al.,2010).燕山期大规模构造-岩浆活动,在长江中下游成矿带形成了一套钙碱性火山岩、火山碎屑岩,指示该区进入了伸展构造环境(Pan and Dong,1999; Mao et al.,2006).该成矿带的成矿作用呈现 “层控”和“多位一体”的规律,脆性上地壳在伸展背景的区域变形作用下形成张性断裂和相对下地壳压力较低的区域,来源于深部的岩浆物质会经过中地壳向上渗透运移,而刚好变质核杂岩体两侧的拆离断层有利于含矿流体和岩浆的聚集(吕庆田等,2007张岳桥等,2012et al.,2013).因此这两个区域中地壳弱的负径向各向异性可能是由于深部岩浆向上渗透时所产生的有限应力导致结晶各向异性矿物的垂直排列所引起的.

在下地壳,径向各向异性结果一个显著特征就是整个长江中下游成矿带、大别造山带的东部和华北克拉通东南部都表现为大的正径向各向异性.华北克拉通东南部中下地壳正各向异性特征与Luo等(2013)在华北克拉通东南端以及Cheng等(2013)在东华北克拉通中部的结果都一致,大别造山带东部下地壳正的各向异性也与Luo等(2013)的结果相同.他们认为华北克拉通的正径向各向异性可能由于在拉张背景下有限应力引起各向异性矿物的近水平排列而导致的.长江中下游成矿带东北部的SKS和SKKS横波分裂各向异性研究表明成矿带下地壳存在明显的地震各向异性,同时还发现地震波各向异性总体快波方向在水平向上与成矿带走向方向大体平行(Shi et al.,2013).径向各向异性结果不能给出快波方向,但是通过径向各向异性分析发现整个长江中下游成矿带下地壳都为大的正径向各向异性特征.从晚中生代到新生代以来,由于古太平洋板块的西向俯冲,中国大陆东部受到了广泛的伸展拉张作用的影响(Ren et al.,2002Wu et al.,2005).中国东部发育的同时代的拉张型盆地和正断层也都认为是在该伸展构造背景下形成的(Meng,2003Lin et al.,2008b).同样的在其他伸展构造区域,比如美国西部的盆山地区,Moschetti等(2010b)也观察都了比较大的正径向各向异性.实验测量和数值计算发现中下地壳的地震各向异性是由于岩石韧性变形所引起的,主要由云母和角闪石等主要矿物的晶格优势排列所决定(Weiss et al.,1999; Nishizawa and Yoshitno,2001).长江中下游成矿带在伸展拉张的构造作用力下,上涌产生的幔源玄武质熔融物侵入到壳幔边界附近的下地壳底部形成低侵作用,然后引起下地壳熔融并沿着成矿带走向水平流动导致矿物晶体定向排列(Shi et al.,2013; 张永谦等,2014).因此下地壳的地震各向异性矿物的晶格优势水平排列不仅导致了长江中下游成矿带总体快波方向在水平向上与成矿带走向方向大体平行,同时还导致了整个成矿带下方正的径向各向异性结果.

6 结论

本次研究首先通过背景噪声层析成像方法获得了长江中下游成矿带及其邻区的瑞利波和勒夫波相速度,在短周期瑞利波和勒夫波的相速度分布都与地表构造单元吻合较好,低速异常区与沉积层分布有良好的对应性,包括苏北盆地、河淮盆地、江汉盆地等区域,速度都比较低;面波速度高的区域主要集中在山地,包括大别—苏鲁造山带和扬子克拉通的中东部,这些区域由于沉积层很薄,基岩出露,所以短周期呈现高速分布.然后构建了该区域的地壳三维剪切波速度以及径向各向异性模型.在上地壳,苏北盆地、江汉盆地和华北克拉通东南部都表现为正径向各向异性,它们都具有非常厚的沉积层,江汉盆地一直保存着白垩纪沉积特征,苏北盆地由于其内部的沉积层受到了伸展拉张的作用力的影响而具有水平的层状结构,这些区域的正各向异性可能是由于浅部沉积层的平行层理结构.在中下地壳,大别造山带没有显示负的径向各向异性,而是正的径向各向异性和低速特征可能是由于其在造山后发生了中下地壳的流变变形引起的各向异性矿物近水平排列所导致的.长江中下游成矿带的鄂东南和安庆—贵池矿集区中地壳的弱的负径向各向异性可能是由于深部岩浆向上渗透时所产生的有限应力导致结晶各向异性矿物的垂直排列所引起的.整个长江中下游成矿带下地壳都表现出正径向各向异性可能是由于在伸展拉张的构造作用力下,上涌的幔源岩浆在下地壳发生熔融并沿着成矿带走向水平流动导致地震各向异性矿物的晶格优势水平排列所导致的.

致谢 感谢中国地震局地震台网中心为本研究提供地震波形数据.本文研究得到财政部中国深部矿产资源立体探测技术及实验研究专项(SinoProbe-03)、国家自然科学基金项目(41374057)、教育部“新世纪优秀人才支持计划”、中国地质调查局地调项目(1212011220244)和中央高校基本科研业务费专项资金共同资助,特此致谢.两位评审专家为本文提供了宝贵的意见,在此表示衷心感谢.

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