2. 南京大学地球科学与工程学院, 南京 210023
2. School of Earth Sciences and Engineering, Nanjing University, Nanjing 210023, China
中国大陆东南边缘地处欧亚板块、太平洋板块、菲律宾海板块的交汇地带,在区域上属于华南褶皱系武夷—戴云隆褶带和西太平洋边缘俯冲带的活动性大陆边缘(王洪涛和郑师春,2011;舒良树,2012).地表广泛出露中-新生代岩浆岩,为全球构造岩浆活动最活跃的地区之一(任纪舜等,1990).自元古代起,各个地质时代都有规模不等的岩浆活动并有不同的火成岩产生,以中生代酸性、中酸性火山岩、侵入岩最为发育(韦德光等,1997).区域主要断裂带为北东和北西走向两组,将其分割成大小不同的带, 构成了“东西分带,南北分块”的构造格架(马杏垣等,1987;丁祥焕,1999).位于中部的政和—大埔断裂将研究区划分为沉积环境和构造不同的三个二级地质构造单元,断裂以东为闽东火山断拗带,以西为闽西北隆起和闽西南坳陷带(图 1).研究认为,政和—大埔断裂是以左行为主兼左右行的走滑剪切断裂,及其伴随中新生代断陷盆岭构造(张国伟等,2013).
近年来,中国大陆东南缘地区进行了一系列人工源及被动源等地震探测研究工作,取得了一批观测和研究成果(熊绍柏等,2002;朱金芳等, 2005, 2006;Zhang et al., 2005, 2008, 2009, 2012;Ai et al., 2007;黄金莉等,2007;袁丽文等,2009;黄晖等,2010;叶卓等,2013;黄海波等,2014;Cai et al., 2015a, b;姚道平等,2016;于大勇等,2016).这些研究主要针对北西方向的地质构造相关的地壳上地幔速度结构,而且对地壳上部的成像精度及分辨率不高.李培等(2015)和蔡辉腾等(2016)分别研究了邵武—南平—平潭深地震测深剖面和宁化—大田—惠安深地震测深剖面的地壳结构.但是,这两条剖面位于研究区北部,对于中国大陆东南缘基底结构的整体认识需要有区域南部地震资料的解释结果,并且针对不同构造带的上地壳速度结构和构造属性开展南部与北部的对比研究.
本文利用中国大陆东南缘地区四条北西向深地震测深剖面的Pg波震相数据,重新构建初始一维速度模型,使用有限差分层析成像方法反演沿剖面的上地壳P波速度精细结构.在此基础上,对四条剖面的基底面起伏、浅部结构、断层分布、深浅构造关系等进行对比分析,获得不同构造带的基底结构、地质构造差异以及接触耦合关系的初步认识.
1 数据来源 1.1 观测系统2010—2012年,福建省地震局联合中国地震局地球物理勘探中心在中国大陆东南缘福建地区开展了人工地震深地震测深工程,四条北西向与四条北东向测线交叉布设.其中四条北西向深地震测深剖面(L1、L2、L3、L4)沿北西—南东方向展布,与北东走向的长乐—诏安、政和—大埔、邵武—河源断裂带近直交(图 1).
邵武—南平—平潭(L1)剖面全长约350 km,沿剖面布设5个药量1.8~3.0 t的爆破点和133台三分量数字地震仪,观测点距2.5~3.0 km.宁化—大田—惠安(L2)剖面全长约280 km,沿剖面布设5个药量1.8~3.0 t的爆破点和160台三分量数字地震仪,观测点距1.5~2.0 km.长汀—龙岩—同安(L3)剖面全长约250 km,沿剖面布设4个药量1.3~3.0 t的爆破点和118台三分量数字地震仪,观测点距2.0~2.5 km.武平—下洋—漳浦(L4)剖面全长约250 km,沿剖面布设4个药量2.5~3.0 t的爆破点和140台三分量数字地震仪,观测点距1.5~2.0 km.L1剖面西段经过闽西北隆起带,东段经过闽东火山断拗带.L2、L3、L4剖面西段经过闽西南坳陷带,东段经过闽东火山断拗带.四条北西向深地震测深剖面的参数见表 1所示.每条剖面上布设的地震仪和爆破点组成全线观测,形成完善的追逐相遇观测系统,见图 2.
Pg作为基底的折射波(回折波),为近观测距离内出现的一组初至波,是反映上地壳内基底结构的主要波组.在四条剖面的炮点记录截面图中均识别对比出该波组,其震相清晰、可靠、能量强、信噪比高、衰减小、波长短、波形畸变比较小(图 3).四条剖面共拾取1097个Pg波到时数据(表 2).记录截面图 3显示,初至Pg波组在距炮点100 km以内可以连续地对比追踪,最远可追踪对比距炮点130 km以远.Pg折合走时显示的差异性表明剖面所处的地质构造以及基底结构的不同.长追踪距离及较高的折射波视速度反映了研究区上部地壳Pg波的低衰减及高速特征.此外,在不同构造带上,Pg波具有不同的运动学和动力学特征,预示上部地壳结构的区域差异.
图 3a为邵武—南平—平潭剖面(L1)炮点SP12的记录截面图.剖面西段经过的闽西北隆起带为四明山—武夷山元古宇基岩出露区,其Pg波的折合走时较小,炮点近场附近的折合走时几乎接近零线,记录截面最大的折合走时也仅为0.35 s左右,可连续追踪对比至120 km左右.从振幅的能量上来看,距炮点90 km后峰值快速衰减,显示了闽西北隆起带基底隆起、地表介质速度较高以及北东走向的构造(或断裂)对Pg波能量的吸收衰减作用.
图 3b为宁化—大田—惠安剖面(L2)炮点SP23的记录截面图,炮点位于闽东火山断拗带和闽西南坳陷带的边界,东侧炮间距50 km的Pg波折合到时明显滞后西侧约0.2 s,显示出两侧沉积盖层厚度的差异.
图 3c为长汀—龙岩—同安剖面(L3)炮点SP31的记录截面图,炮检距130 km内均位于闽西南坳陷带,Pg波折合走时与图 3a中的闽西北隆起带相比明显滞后,其折合走时为0.4~0.7 s之间,追踪距离最远达130 km.与闽西北隆起带的上地壳速度相比,闽西南坳陷带上的长追踪距离及稍大的折合走时反映了上地壳速度偏低,展示出地壳增厚的结晶基底被改造,上地壳介质速度降低的构造特征.此外,除近炮点较强的面波外,紧邻Pg波组之后无其他可追踪的反射震相,表明闽西南坳陷带上部地壳内不存在明显的分层结构.
图 3d为武平—下洋—漳浦剖面(L4)炮点SP44的记录截面图,炮检距90 km内位于闽东火山断拗带,Pg波折合走时与图 3a中的闽西北隆起带相比超前,与图 3c中的闽西南坳陷带相比滞后.Pg波尾波十分发育,振幅幅值呈现明显的区域衰减特性,SP44爆破点位于漳浦沿海附近、长乐—诏安断裂带的东边,Pg尾波较断裂带内的记录要弱得多,反映了闽东南沿海断裂带介质的地壳上部结构的横向非均匀变化特征.
2 有限差分层析成像 2.1 有限差分走时正反演分析1992年,Hole等对Vidale(1988, 1990)提出并推广的初至走时有限差分层析成像方法进行改进,改进后的方法适用于速度横向变化剧烈的介质,被广泛应用于结晶基底的速度结构成像工作中(Vidale, 1988, 1990;Hole,1992; Hole et al., 2000;王椿镛等,1997;段永红等,1999;赵俊猛等, 2004;曹令敏和赖晓玲,2012;曹令敏等,2013;徐涛等,2014;郭文斌等,2016).本文在初至波Pg震相拾取的基础上,通过有限差分层析成像方法得到了中国大陆东南缘四条北西向剖面的上地壳P波速度结构.
2.1.1 初始一维速度模型建立在有限差分层析成像反演计算中选取合理的初始速度模型是重要的.虽然研究区域已经有一些地壳一维速度结构(陈祥熊等,2005;邱毅等,2014;蔡辉腾等,2015),但是上地壳速度结构只给出了二、三个深度-速度点.由于上地壳是一个正的强速度梯度层,速度相对变化比较大,因此,针对上地壳速度随深度线性变化的特点,运用分层法对初始模型与拾取的折合走时进行正演拟合,不断调整速度模型实现对拾取的Pg波走时的最佳拟合产生反演所需一维初始模型.图 4是四条深地震测深剖面的初始一维P波速度模型,由于剖面经过的主要构造带及断裂有所不同,Pg波构建的一维速度结构能够更好的反映出研究区上地壳结构的差异性.
剖面观测点的距离范围在1.5~3.0 km之间,根据上地壳速度结构射线覆盖密度和分辨要求,水平和垂直方向均采用了0.5 km×0.5 km的精细网格进行走时的正演计算.以同安—龙岩—长汀剖面(L3)为例,图 5a给出了本文采用的一维初始速度模型与反演后各个深度上的平均速度值曲线拟合情况,两条曲线拟合较好.图 5b是两组不同的初始速度模型经过100次迭代反演的走时均方根值分布图,本文建立的初始模型均方根值由第1次迭代的109 ms降低到第30次迭代的23 ms.图 5c是剖面初始的射线分布情况,在5~6 km之间存在一个较强的回折界面.图 5d是经过30次反演迭代后的理论走时与拾取走时的拟合情况,二者拟合得非常好.因此,本文建立的初始一维速度模型是比较合理的.
反演则根据射线分布情况对研究空间的连续介质进行模型参数化,采用由粗到细的网格剖分法和平滑尺度进行反演计算.解的分辨由网格单元中的射线数评价,增加网格单元的射线覆盖密度可以通过改变反演网格大小实现.虽然增大网格剖分间距会使网格单元的射线数增多,但同时也会降低正演计算精度,从而直接影响层析成像的分辨率.减小网格剖分间距会使网格单元中射线分布稀疏的边界得不到光滑.因此,在比较1 km(水平向)×1 km(垂直向)、2 km(水平向)×1 km(垂直向)、4 km(水平向)×2 km(垂直向)三组不同的网格间距计算结果的基础上,本文使用2 km(水平向)×1 km(垂直向)的矩形单元进行反演计算,四条剖面经过30次迭代反演,走时均方根误差降至0.0168~0.0233 s之间,接近拾取误差估计值,迭代收敛良好.
2.2 层析成像结果图 6为四条剖面的射线覆盖图,可以看出,地震射线的探测深度可以达到近10 km,除东、西两端外,剖面的射线覆盖密度在5 km以上的浅部地区密集交叉,最高射线覆盖达60多次,表明剖面的速度分布具有较高的可靠性.由于实际地质情况不同,剖面东西两侧横向上存在较大差异,研究区由北往南射线的探测深度增加(图 6c、图 6d).
图 7为四条剖面最终的上部地壳二维速度结构,可以看出,剖面P波速度值分布范围在4.7~6.2 km·s-1之间,地表层速度偏高,从西往东上地壳横向速速变化非常明显,具有高速、低速、高速的异常特征.南部地区上地壳速度低于北部地区且变化较大,低速异常主要集中在南平附近、惠安以西、龙岩以及漳州以东,南平以东、同安以西以及武平以西速度偏高,与邵武—南平—平潭和宁化—大田—惠安深地震测深剖面取得的结果相一致(李培等,2015;蔡辉腾等,2016).从上地壳速度来看(图 7),速度小于5.9 km·s-1的区域,其速度等值线较密集,而速度大于5.9 km·s-1的区域,其速度等值线明显稀疏,参考东南缘浅变质花岗岩系地震P波速度和该地区的地壳速度结构(熊绍柏等,2002;朱金芳等, 2005, 2006;蔡辉腾等, 2015, 2016),可以得到剖面结晶基底的速度应该在5.9 km·s-1左右.图 7可以看出,四条剖面结晶基底的厚度在0.5~4.0 km之间,由北至南到闽粤交界,基底厚度呈现逐渐减薄的趋势,基底厚度最深位于福州盆地、大田以及龙岩新泉盆地等.由于受到剧烈的中生代岩浆的构造活动,南部地区基底结构呈现出明显的起伏变化特征.
四条剖面以政和—大埔断裂为界,L1剖面从西往东穿过闽西北隆起带和闽东火山断拗带;L2、L3、L4剖面从西往东穿过闽西南拗陷带和闽东火山断拗带(图 1).本文利用层析成像结果、地表岩性出露以及地质构造资料,对剖面中的速度异常特征给出了相应的地质解释(图 7),结合该区域内主动源和被动源的研究成果,综合分析中国大陆东南缘主要构造带剖面下方沉积覆盖层的速度和基底结构等细节构造特征.
3.1 速度结构特征四条剖面的地表速度普遍偏高,范围在4.7~5.2 km·s-1之间,比华北克拉通的地表速度偏高(段永红等,2002),表明东南缘第四纪沉积地层较薄或者结晶基底接近地表(图 7).剖面东侧的闽东火山断拗带地表速度普遍高于西侧的闽西南坳陷带,可能与该区地表覆盖了大量火山喷出形成广泛分布的玄武岩有关,反映了该区晚侏罗至白垩纪陆相火山岩所覆盖的地质构造特征.
剖面上的低速对应坳陷区,高速对应山地或隆起,位于闽西南坳陷带的龙岩新泉、下洋、漳州盆地表现为明显的低速异常,位于闽西北隆起、闽东火山断拗带交汇的南平以及闽东火山断拗带的惠安、同安等地表现为高速异常,我们的剖面结果和中国大陆东南缘面波、体波层析成像结果有良好的一致性(廖其林等,1988;熊绍柏等,2002;叶卓等,2013;李培等,2015;蔡辉腾等,2016).
不同剖面成像结果在浅部显示出与东南缘主要构造单元有较好的相关性,L1剖面在闽西北隆起与闽东火山断拗带,L2、L3、L4剖面在闽西南坳陷与闽东火山断拗带的分界线两侧均出现明显的速度横向变化(图 7).从南到北,四条剖面在东南沿海一带速度整体偏高,横向变化较大,北部L1、L2剖面的速度等值线较南部L3、L4剖面的变化剧烈(图 7),显示了南北结构存在较大差异.剖面经过的闽东火山断拗带内东南沿海一带,速度变化大,地层的褶皱变形要强于剖面西侧的闽西南坳陷带,反映了新构造时期以断块上升为主,并伴随着小规模的岩浆喷发形成大量的火山岩及侵入岩活动的构造特征.剖面经过的闽西南坳陷带速度等值线相对比较平坦,反映其上部地壳相对稳定的构造特征.不同构造带上的速度结构差异说明由于地质历史上的东南缘多次复杂构造运动,特别是菲律宾板块向西北方向的俯冲-碰撞挤压,使研究区产生不同构造单元之间的差异运动,形成了东西成带,南北分块的构造特征(丁祥焕,1999).
3.2 基底埋深四条剖面基底埋深表现为自西向东、自北向南逐渐变浅的趋势,基底深度在0.5~4.0 km之间变化(图 7).L3剖面西侧的闽西南坳陷带的龙岩新泉附近有明显的下凹特征,约4.0 km,该下凹区位于明溪—武平凹陷的中部;剖面东侧的闽东火山断拗带的厦门同安附近其基底形态又出现明显的隆升特征(图 7c),充分体现研究区基底形态在不同构造带具有坳陷与隆起间隔并存的构造特征.
整体来讲,L1剖面西段的闽西北隆起带基底变化较为平缓,受长期隆起遭受剥蚀的地壳运动作用,基底深度相对较浅,主要由赣中南褶隆变质岩系组成(图 7a).L1、L2、L3、L4剖面东段的闽东火山断拗带区内广泛分布晚中生代火山岩和燕山期花岗岩,地壳运动表现为隆起-坳陷-隆起交替,其基底起伏剧烈, 基底深度与闽西南坳陷带相比较浅,与闽西北隆起带相比较深,与熊绍柏等(2002)的浙闽火山岩盖层厚度的研究结果相一致.L2、L3、L4剖面西段的闽西南坳陷带自晚泥盆纪以来发生大规模坳陷,区内沉积地层发育,其基底深度明显加深,带内少部分区域基底埋深达到4.0 km.闽西南位于地幔坳陷带上,晚泥盆-早三叠世地层广泛分布,盆地内部主要沉积盖层为中生代沉积(韦德光等,1997).基底结构特征与中国大陆东南缘主要的地质构造单元有较好的对应关系,与研究区近代的地质构造特征相吻合.
3.3 断层分布图 7可以看出,剖面上部地壳速度在纵向和横向都存在一定的不均匀性,速度变化较大,表明该区域断裂构造复杂,成像结果与地质构造背景对比分析,确定L1、L2、L3和L4剖面上分别有3条和2条断裂,断裂附近的速度分布表现为过渡带的特征,断裂两侧速度存在明显差异.
长乐—诏安断裂为东南缘沿海重要的地震构造带,规模大、延伸长,在L1、L2、L3剖面中(图 7)断层所在的位置表现为低速带,断层以东为高速特征,进入沿海盆地基底埋深加深.断层较陡,向下切割基底,推测该低速狭长带与断裂挤压破碎和玄武岩喷溢以及温泉沿断裂呈带状分布有关.
邵武—河源断裂在图 7中四条剖面所在位置表现为断裂以西为高速特征,断裂以东速度偏低(图 7),该断裂向南东倾斜,往南向下延伸增加至4 km左右,切割基底.
政和—大埔断裂是闽西南坳陷带与闽东燕山断拗带的分界断裂,在不同剖面的上地壳速度结构图中(图 7)有清晰的显示.断裂呈近南北走向,断层较陡,断裂4 km深度下方存在低速异常带.从四条基底速度剖面中可以看出,断裂东西两侧速度结构存在差异,东侧下方5 km深度以下为6.10~6.20 km·s-1的相对高速异常区(图 7b、图 7d),该断裂为一条近垂直的切割基底的深断裂带.以往研究表明,政和—大埔断裂是不同地质构造带之间的边界,是一条高角度的逆冲带(舒良树和周新民,2002),与本文用上地壳低速异常推断的边界断裂是相符合的.结合东南缘已有的深地震测深资料和噪声层析成像结果揭示政和—大埔断裂为界,断裂东西两侧高低速成块分布呈西低东高的格局,推测为地壳深大断裂(王培宗等,1993;韦德光等,1997;熊绍柏等,2002;叶卓等,2013;李培等,2015;蔡辉腾等,2016).因此,推测政和—大埔断裂是中国大陆东南缘主要构造带的边界高角度断裂,可能是东南缘深部幔源物质上涌的通道.
4 结论本次研究针对在中国大陆东南缘布设的四条北西向剖面,利用拾取的初至波Pg震相,建立一维初始速度模型,通过有限差分层析成像方法反演地壳上部P波精细速度结构.结合地表岩性出露、地质及大地构造环境,对四条剖面的浅部结构、基底埋深、断层分布等进行对比分析,对闽西北隆起带、闽西南坳陷带、闽东燕山断拗带等三个构造带上的基底结构和地质构造差异进行了讨论.
速度剖面成像对比分析表明,表层速度比华北克拉通的地表速度高,剖面东侧的闽东火山断拗带地表速度普遍高于西侧的闽西南坳陷带,反映了该区晚侏罗至白垩纪陆相火山岩所覆盖的地质构造特征.相邻构造带的分界线两侧均出现明显的速度横向变化.剖面东侧的东南沿海一带,速度变化较大,地层的褶皱变形强于剖面西侧,反映了新构造时期以断块上升为主,并伴随着小规模的岩浆喷发并伴随着小规模的岩浆喷发形成大量的火山岩及侵入岩活动的构造特征.
四条剖面基底埋深表现为自西向东、自北向南逐渐变浅的趋势,基底深度在0.5~4.0 km之间变化,研究区基底形态在不同构造带具有坳陷与隆起间隔并存的构造特征.L1剖面西段的闽西北隆起带基底变化较为平缓,基底深度相对较浅;L1、L2、L3、L4剖面东段的闽东火山断拗带基底起伏剧烈, 基底深度与闽西南坳陷带相比较浅,与闽西北隆起带相比较深.L2、L3、L4剖面西段的闽西南坳陷带基底深度明显加深,带内少部分区域基底埋深达到4.0 km.基底结构特征与其地质构造单元有较好的对应关系,与研究区近代的地质构造特征相吻合.
该区域断裂构造复杂,断裂附近的速度分布表现为过渡带的特征,断裂两侧速度存在明显差异.邵武—河源、政和—大埔、长乐—诏安断裂都切割基底,其中长乐—诏安断裂的低速狭长带与断裂挤压破碎和玄武岩喷溢以及温泉沿断裂呈带状分布有关.政和—大埔断裂东西两侧速度结构存在差异,断裂4 km深度下方存在低速异常带,是中国大陆东南缘主要构造带的边界高角度断裂.
本研究获得的中国大陆东南缘不同构造带基底结构及其构造特征,对进一步获取东南缘更为精细的地壳波速和深大断裂结构,探究其深浅构造关系和形成机制等提供了新的地球物理依据.
致谢 中国地震局地球物理勘探中心诸多同事参与了野外探测工作,感谢参与此项工作的全体人员对文章的帮助.衷心感谢审稿专家对本文提出的修改意见.
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