菲律宾群岛位于欧亚板块、菲律宾海板块和印度—澳大利亚板块的碰撞交汇地带，三大板块之间的相互作用使得该地区的应力环境十分复杂，板块间的碰撞、岩石圈的俯冲和变形、火山岛弧的广泛发育、地壳的增生和抬升以及洋盆关闭等地质现象成为该地区构造演化的重要特征.菲律宾群岛由一个双向的俯冲系统所包围：西侧的南海块体沿马尼拉海沟向东俯冲，苏禄海盆沿着内格罗斯海沟和苏禄海沟俯冲，西南侧的苏拉威西海盆沿着哥打巴托海沟俯冲；而东侧的菲律宾海板块分别沿着东吕宋海槽和菲律宾海沟向北西和南东方向俯冲(图 1)(Yumul et al., 2008).根据全球板块运动模型HS2-NUVEL1(Gripp and Gordon, 1990)的计算结果显示，群岛东侧的菲律宾海板块在吕宋岛东北部以70 mm·a^-1、NW方向与欧亚板块俯冲汇聚，其运动速率沿着菲律宾海沟向南逐渐增大，在棉兰老岛的东南部达到最大值，约为90 mm·a^-1；而群岛西侧的欧亚板块以10 mm·a^-1的速率做同向运动，因此欧亚板块和菲律宾海板块在菲律宾地区呈现出强烈汇聚的状态(Bautista et al., 2001)，汇聚产生的大部分动能由围绕菲律宾群岛的双向俯冲系统所调节，剩下的部分被横贯菲律宾群岛的菲律宾断裂带所吸收(Aurelio，2000).

图 1

Fig. 1

图 1 菲律宾群岛的地形构造图 图中黑色三角代表火山，地形高程如色标所示. Fig. 1 Tectonic settings of Philippine Archipelago Black triangles represent volcanoes. The terrain elevation are shown in the color bar.

到目前为止，关于菲律宾群岛的动力演化过程已经做了较多的讨论，通过对地质学、地球化学、地震分布、俯冲带动力学模拟及地震层析成像等多学科的研究，现已发现了南海块体沿着马尼拉海沟发生俯冲撕裂的证据(Fan et al., 2014)，南海板片的撕裂在吕宋岛中部的上地幔形成了板片窗并造成了台湾—吕宋西火山岛链的消亡和岩浆通道的东移(Yang et al., 1996；Bautista et al., 2001；刘再峰等，2007；范建柯和吴时国，2014)；巴拉望微块体在民都洛岛和班乃岛之间的区域同菲律宾构造带发生的碰撞导致南海块体在马尼拉海沟南端的俯冲角度急剧变陡，同时发生的板片撕裂可能导致了岩浆或上地幔物质的上涌，在地表形成了麦克劳德火山走廊，另外还发现了疑似古南海洋盆完全俯冲的证据(Yang et al., 1996；Besana et al., 1997；Bautista et al., 2001；陈志豪等，2009；Fan et al., 2017)；在中菲律宾地区的地震层析成像研究还揭示了菲律宾海板块俯冲的初始位置及年代(Fan et al., 2017).

菲律宾群岛地质环境复杂，构造因素多样，不同区域的地质情况差异很大，地震层析成像的研究能够为该地区的构造演化历史、板块间的碰撞接触关系等重大科学问题提供参考和依据.然而前人关于菲律宾群岛的成像研究绝大多数都集中于马尼拉海沟、吕宋岛及中菲律宾地区，关于群岛周围其他海沟和南菲律宾地区的讨论相对较少，此外对菲律宾群岛两侧俯冲板片形态特征的研究一直十分薄弱，近年来仅有少数科学家(刘再峰等，2007; 范建柯和吴时国，2014；Fan et al., 2016, 2017)做了相应的讨论.尽管前人开展了层析成像的研究并取得了相应的成果，但关于该地区深部纵、横波速度结构的研究却一直没有取得进展.由于地震纵波和横波速度能够反映出岩石不同的物理性质，因此地震纵横波的速度结构对于探讨和揭示菲律宾群岛两侧俯冲板片的脱水作用、岛弧深部的岩浆活动、板块间的相互耦合以及俯冲型大地震的诱发机制等科学问题都能起到至关重要的作用.本文利用菲律宾群岛的区域地震数据，同时反演整个菲律宾群岛地壳及上地幔的纵、横波速度结构，据此分析菲律宾群岛两侧双向俯冲系统的构造形态，进而讨论群岛周边各个俯冲板片同上覆地块之间的耦合关系，为研究该地区的构造演化提供了地震学依据.

本次研究的地震数据来自国际地震中心(International Seismological Centre，ISC)1960年至2015年公开的地震资料，区域地震事件的选取范围为5°N—21°N，118°E—128°E，使用的地震台站为ISC的区域地震台站，共计129个，地震和台站的分布如图 2所示.地震数据的挑选遵循以下原则：(1)地震的震源深度小于400 km，P波射线的走时残差小于2.5 s，S波射线的走时残差小于3.5 s；(2)为了避免地震事件过于密集所造成的地震射线路径高度近似，我们对地震事件进行了去丛集化处理：对P波事件挑选出震级大于3.5级，台站接收数大于6个的地震事件，以此地震为球心，剔除掉半径5 km内的其他地震；S波地震事件的震级大于3.5级，台站接收数大于5个，剔除半径也是5 km.最终挑选出P波事件13504个，P波射线155779条，S波事件7818个，S波射线59642条.通过地震定位和走时反演，地震射线的绝对走时残差得到了明显的收敛，其中P波射线的平均绝对走时残差从2.097 s下降到1.487 s，减少了49.84%；S波的平均绝对走时残差从6.487 s下降到2.836 s，减少了56.28%(图 3)，这确保了我们最终成像结果的可靠性.

图 2

Fig. 2

图 2 研究区域的地震和台站分布图 黑色十字和黑色方块分别代表地震和台站的位置. Fig. 2 Distribution of earthquakes and seismic stations in study region Black crosses and squares denote earthquakes and stations, respectively.

图 3

Fig. 3

图 3 反演前后走时残差统计 (a)(b)分别为P波反演前后的走时残差，(c)(d)分别为S波反演前后的走时残差. Fig. 3 Statistic of travel-time residuals P-wave residuals before (a) and after (b) inversion, S-wave residuals before (c) and after (d) inversion.

本次所选用的初始模型研究参考的是CRUST1.0全球地壳模型和IASP91速度模型，如图 4所示.根据研究需要将研究区域的地壳分成上下两层，其深度分别为13 km和33 km，上地壳的速度为5.8 km·s^-1，下地壳的速度为6.6 km·s^-1(胥颐等，2007；范建柯和吴时国，2014)；莫霍面以下参考IASP91速度模型.

图 4

Fig. 4

图 4 本次研究使用的一维速度模型示意图 Fig. 4 1-D velocity model used in this study

本文使用Zhao等(1992, 1994)发展的地震层析成像方法，该方法使用伪弯曲法和斯涅尔定律来计算射线理论走时，在速度连续变化的模型空间内采用伪弯曲法来确定射线路径，在速度间断面处根据斯涅尔定律来计算射线的出入角，由此求出射线路径及地震波的理论走时.通过在初始模型中引入速度不连续面(如康拉德面、莫霍面、410、660 km速度不间断面等)，该方法能够有效地降低地震波的走时残差，提高计算的效率和精度.本文使用的速度不连续面参考的是CRUST1.0全球地壳模型，研究区域的康拉德面和莫霍面的深度分布如图 5所示，从图中可以看到菲律宾群岛及巴拉望、三宝颜—苏禄半岛的地壳较厚，在群岛的陆地区域厚度可达35 km左右，而西菲律宾海盆、南海海盆、苏禄海盆和苏拉威西海盆的洋壳厚度多为10~15 km，反映了菲律宾地区典型的洋壳俯冲特征.

图 5

Fig. 5

图 5 研究区域的康拉德面(a)和莫霍面深度(b)分布图 Fig. 5 Depth distribution of (a) Conrad and (b) Moho in study region

在初始模型的三维网格设置上，我们使用的是0.5°×0.5°的水平网格，深度方向上分别设置了0 km，8 km，20 km，35 km，50 km，70 km，100 km，150 km，200 km，共计9层网格.为保证成像质量，在反演前我们首先进行了地震射线分布的模拟(图 6)以及检测板分辨率测试(Checkerboard resolution test，CRT)，分辨率测试的结果如图 7和图 8所示.可以看到P波和S波在菲律宾群岛大部分地区的分辨率测试效果都比较理想，这与地震射线的分布有着很好的对应关系，菲律宾群岛下方的地震射线相对密集、交会程度也比较高，而俯冲板片的边界虽然偏离了地震台网覆盖的范围，但是大量地震射线从不同角度穿过这些区域，因此仍然能够保证检测板分辨的要求；随着深度的增加，地震的射线数量及射线的交会程度在逐渐降低，从而导致检测板的恢复效果逐渐下降，P波检测板的分辨率在150 km平面上在巴士海峡、本哈姆海台下降明显，而S波检测板的分辨率在100 km的平面图上就有明显下滑，在150 km的平面图上只在吕宋岛南部、民都洛岛、维萨亚斯群岛和棉兰老岛能够较好地分辨.值得注意的是P波和S波的检测板测试在20 km的切片上出现了低分辨的情况，分辨率较差的区域位于菲律宾群岛的陆区和岛屿间的海区，即吕宋岛南部到棉兰老岛北部这一带，这很有可能是地震射线在这一深度交会较差所导致的.整体而言S波的分辨率要低于P波，这与S波射线较少、交会程度较低有关，特别是在150 km深度上，S波检测板的恢复效果在吕宋岛北部和中菲律宾地区较差.

图 6

Fig. 6

图 6 P波和S波三维射线分布图 (a) P波射线; (b) S波射线.黑色方框为地震台站. Fig. 6 3-D distribution of P- and S-rays (a) P-rays; (b) S-rays. Black squares denote seismic stations.

图 7

Fig. 7

图 7 P波的检测板分辨率测试结果 Fig. 7 Checkerboard resolution test (CRT) of P-wave

图 8

Fig. 8

图 8 S波的检测板分辨率测试结果 Fig. 8 Checkerboard resolution test (CRT) of S-wave

本次研究最终的成像结果如图 9和图 10所示，从图上可以看到P波和S波的成像效果比较一致.在8 km和20 km的切片上最显著的特征是围绕菲律宾群岛海域出现的大规模低速异常，这个结果和胥颐等(2007)Pn波速度结构的研究成果非常一致，反映出俯冲板块和菲律宾群岛岛弧岩石圈之间强烈的构造活动和挤压变形特征，这与菲律宾群岛两侧俯冲板片的汇聚、碰撞、岛弧岩浆以及地震活动有关.在35~150 km的速度切片上可以看到南海块体和菲律宾海板块分别沿着马尼拉海沟和菲律宾海沟展布所呈现出的高速异常.

图 9

Fig. 9

图 9 P波的成像结果 图中紫色五角星和白色圆点分别代表该深度切片上MW＞6.0和MW＞4.0的地震. Fig. 9 Tomographic result of P-wave Purple stars and white dots represent MW > 6.0 and MW > 4.0 earthquakes, respectively.

图 10

Fig. 10

图 10 S波的成像结果 图中紫色五角星和白色圆点分别代表该深度切片上MW＞6.0和MW＞4.0的地震. Fig. 10 Tomographic result of S-wave Purple stars and white dots represent MW > 6.0 and MW > 4.0 earthquakes, respectively.

此外，我们还在菲律宾地区截取了6条剖面，如图 11和图 12所示.AA′剖面中，南海块体在马尼拉海沟中段以中等角度向东俯冲到150 km的深度，而菲律宾海板块在东吕宋海槽中部以更大的角度向西北俯冲到约100 km的深度.在BB′剖面中，南海块体以类似的角度俯冲到150 km的深度，而菲律宾海板块在东吕宋海槽末端的俯冲作用很微弱，这很有可能是吕宋岛东侧的本哈姆海台同菲律宾构造带的碰撞所导致的，由于水深高点阻碍了菲律宾海板块的俯冲(Martinod et al., 2005, 2013, 2016；Espurt et al., 2008)，加上本哈姆海台本身轻物质浮力作用的共同影响(范建柯和吴时国，2014；Mason et al., 2010)，导致了菲律宾海板块在东吕宋海槽的俯冲强度减弱，俯冲板片以近水平的角度俯冲到约50 km的深度(Rosenbaum and Mo, 2011)，由此造成了如今东吕宋海槽和菲律宾海沟被本哈姆海台隔断的构造格局.在CC′剖面上，南海块体在马尼拉海沟的南端以近垂直的角度俯冲至150 km，这与前人的研究十分吻合(Yang et al., 1996；Bautista et al., 2001；瞿辰等，2007；范建柯和吴时国，2014；Fan et al., 2017)，而菲律宾海板块在菲律宾海沟中北段以较小的角度向南西方向俯冲至150 km的深度.在DD′至FF′的剖面中，菲律宾海板块的俯冲角度从北到南逐渐增大，在菲律宾海沟南端以近垂直的角度俯冲；群岛西南侧的苏禄海盆沿着内格罗斯海沟俯冲到150 km的深度，而群岛最南侧的苏拉威西海盆的俯冲活动并不强烈，俯冲深度约为100 km.

图 11

Fig. 11

图 11 P波成像的垂直剖面图 紫色五角星和白色圆点分别代表该剖面上MW＞6.0和MW＞4.0的地震，红色三角代表火山分布. Fig. 11 Vertical profile of P-wave Purple stars and white dots represent MW > 6.0 and MW > 4.0 earthquakes, respectively. Red triangles denotes volcanoes.

图 12

Fig. 12

图 12 S波成像的垂直剖面图 紫色五角星和白色圆点分别代表该剖面上MW＞6.0和MW＞4.0的地震，红色三角代表火山分布. Fig. 12 Vertical profile of S-wave Purple stars and white dots represent MW > 6.0 and MW > 4.0 earthquakes, respectively. Red triangles denotes volcanoes.

菲律宾群岛的地质构造复杂，从经度方向上来看大致为沟-弧-沟体系，此外在吕宋岛的东西两侧分别有本哈姆海台和古南海洋中脊两个水深高点的俯冲，在中菲律宾地区和南菲律宾地区还有巴拉望微块体和三宝颜—苏禄半岛同菲律宾构造带的碰撞.在菲律宾群岛8~20 km深的中上地壳出现的低速异常很有可能是围绕群岛的俯冲板片在俯冲的过程中在地壳浅部发生脱水所致的，含水的俯冲洋壳及沉积物在俯冲过程中由于受到挤压从而释放出大量的自由水，这些自由水通过岩石孔隙进入上覆地块的地壳中，导致上覆地壳或上地幔发生部分熔融，从而降低地壳岩石地震波速，造成广泛的低速异常(Hyndman et al., 1997；Schmidt and Poli, 1998；Wang and Zhao, 2005；陈爱华和许鹤华，2014；郑永飞等，2016)；类似的低速异常也出现在巴拉望半岛北端至民都洛岛一带和棉兰老岛西北部，这有可能是巴拉望微块体以及三宝颜—苏禄半岛同菲律宾构造带发生碰撞，使得该地区的地壳在增生加厚的同时发生大量脱水所导致的(Yumul et al., 2009).从层析成像的平面图(图 9，图 10)上可以看到，地壳浅部(8~20 km)的高速异常主要集中在马尼拉海沟、苏禄海沟和菲律宾海沟，其中菲律宾海沟的高速异常只在8°N—14°N的区域发育，随着俯冲深度的加深，高速体同时向南北两侧发展，北部的东吕宋海槽在小于100 km的深度能观测到高速异常的存在，而棉兰老岛东南部的高速异常则发展到150 km (Fan et al., 2017)，关于中菲律宾地区的层析成像研究也得出了类似的结果；此外我们在马尼拉海沟还发现一个低速体(约19°N，120°E)在8~35 km的深度将南海块体分割，这与前人的成像结果类似(范建柯和吴时国，2014)，我们推测这个低速异常很有可能是该地区地壳的拉张应力阻碍了南海块体的俯冲所导致的，根据对该地区重力势能和应力场的研究(Lin and Lo, 2013)，巴拉望微块体同菲律宾构造带的碰撞导致吕宋岛发生了逆时针旋转(Yumul et al., 2003)，由于不同地区旋转速率的差异导致了北吕宋地区拉张应力的产生；另外关于震源机制和地震应变能的研究(Bautista et al., 2001)也说明了该地区处于一个拉张的弱耦合弱应变的受力环境，这也支持了我们的推论.

层析成像的平面图(图 9，图 10)和剖面图(图 11，图 12)中的紫色五角星表示1903年至2017年在菲律宾群岛发生的M_W＞6.0强震.从平面图上可以看到，同一个深度范围内的强震绝大多数都发生在俯冲板片的边界附近，在菲律宾群岛西侧的马尼拉海沟中南段、内格罗斯海沟、哥打巴托海沟以及群岛东侧的菲律宾海沟都有强震发生，表现出菲律宾海板块和欧亚板块在板块边界的强耦合状态.根据板块相对运动模型的研究，菲律宾海板块向NW方向的运动速率要远大于欧亚板块，因此二者的碰撞汇聚十分强烈(Bautista et al., 2001)，这与我们的研究结果相一致.此外在平面图上还能观察到马尼拉海沟在16°N—20°N的范围内没有M_W＞6.0强震的发生，剖面AA′中的强震发生于吕宋岛下方而非板块边界，大部分M_W＞4.0的地震集中在板片边界的浅部地壳之中，只有少量地震随着南海板片的俯冲而展布，反映出南海块体在16°N—20°N之间同上覆的吕宋岛之间的弱耦合关系，这可能与该地区的拉张环境有关，由于西吕宋岛的逆时针旋转所产生的拉张效应阻碍了南海块体的俯冲，导致了板块间应力积累的不足(Bautista et al., 2001；Lin and Lo, 2013)，关于地壳应变的研究也显示吕宋岛中西部地区存在较大的张应变率和剪应变率(Sun et al., 2011)；在研究区域的北侧，即20°N以北的地区，马尼拉海沟在8~20 km的深度范围内仅有少量M_W＞4.0的地震产生，这很有可能同南海块体海底高原的俯冲活动有关(Bautista et al., 2001; Fan et al., 2016)，在海底高原的俯冲过程中，大量轻物质被带入地幔深部，其产生的浮力会阻碍俯冲板片的俯冲活动，从而减弱了南海块体在该区域的活动性，在浅部造成了局部地震缺失的现象.在BB′和CC′剖面中能看到马尼拉海沟中南段绝大部分的强震都沿着高速异常和低速异常的边界展布，说明俯冲的南海块体在16°N以南的区域同上覆板块之间存在着强耦合的关系，同时在CC′剖面中出现的地震数量要远大于BB′剖面，说明马尼拉海沟的活动性在南段要远大于中段和北段.

发生在群岛东侧菲律宾海沟的强震在浅部主要集中于12°N—14°N之间，在14°N以北的区域以及东吕宋海槽没有强震出现，此外强震在35~100 km的上地幔沿着菲律宾海沟逐渐向南发展，在100 km的深度仅在棉兰老岛东南侧能够观察到强震的发生.根据俯冲板片地震带的研究，板片的俯冲速率越大则越容易发生高角度俯冲(张克亮和魏东平，2011)，从我们的剖面结果上看，菲律宾海板块在CC′-FF′剖面中出现的强震基本沿着板块上边界或高低速异常体的边界分布，说明菲律宾海板块和上覆的菲律宾群岛存在着强耦合的关系，而菲律宾海板块的俯冲角度在CC′-FF′剖面逐渐增大，在板块的上边界出现由大量M_W＞4.0的地震组成的贝尼奥夫带，其发展的深度及密度从北向南逐渐增加，这与板块相对运动模型的计算结果十分吻合(Bautista et al., 2001)，因此我们推测菲律宾海板块同上覆块体之间的耦合程度从北向南逐渐增大，在12°N以南的区域要远大于12°以北的区域.另外民都洛岛和班乃岛在地壳内部发生的强震可能源自于巴拉望微块体同菲律宾构造带的碰撞，而内格罗斯岛及棉兰老岛西北部发生的强震则很有可能同苏禄海盆的俯冲有关，反映出苏禄海盆和菲律宾构造带之间强耦合的关系.

本文使用地震层析成像的方法同时获得了菲律宾地区地壳及上地幔P波和S波的速度结构，展示了菲律宾群岛两侧的双向俯冲系统的构造形态：南海块体在马尼拉海沟中段以中等角度俯冲，而在马尼拉海沟南端变为近垂直俯冲；菲律宾海板块在浅部只在8°N—14°N的区域活动，随着深度的增加逐渐向南北两侧发育，其俯冲角度从北向南逐渐增大；苏禄海盆沿着内格罗斯海沟俯冲到150 km的深度，苏拉威西海盆沿着哥打巴托海沟向东俯冲至100 km左右的深度.

菲律宾群岛地壳内部出现的大规模低速异常可能是含水的洋壳及沉积物在俯冲的过程中发生脱水所导致的，巴拉望半岛北端和棉兰老岛西北端出现的低速异常则可能与微块体的碰撞有关.围绕群岛出现的高速异常和各个海沟的展布十分一致，反映出俯冲洋壳的特征，此外还发现了一个低速异常体分割了南海块体，可能是由该地区的拉张应力所造成的.

发生在菲律宾群岛的M_W＞6.0强震大多数都沿着俯冲板片的边界展布，体现出菲律宾海板块和欧亚板块强耦合的关系，马尼拉海沟在16°N—20°N的范围内没有强震的发生，可能与该地区的拉张环境有关；菲律宾海板块的活动性在12°N以南的区域比12°N以北的区域强烈；巴拉望微块体和菲律宾构造带的碰撞有可能导致强震的发生；苏禄海盆和菲律宾构造带之间存在着强耦合的关系.