2. 中国地震局地球物理研究所, 北京 100081
2. Institute of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
蒙古地区位于中亚造山带(CAOB)的中心部位,该造山带北临西伯利亚克拉通,南接塔里木和中朝地块(王鸿祯等,2006).CAOB是地球上最大的大陆造山带之一,也是全球显生宙陆壳增生与改造最显著的大陆造山带(Badarch et al., 2002).作为构造运动和壳幔相互作用最强烈的区域,CAOB发育了复杂的变质变形和岩浆活动,一直是地球科学研究的前沿热点之一,引起世界众多地质学家、地球化学家和地球物理学家的普遍关注(Xiao et al., 2003; Gao et al., 2004; Lebedev et al., 2006; Zorin et al., 2006; Zhao et al., 2006; Mordvinova et al., 2007; Windley et al., 2007; Nielsen and Thybo, 2009; Rojas-Agramonte et al., 2011; Tian et al., 2011; Fullea et al., 2012; Zhang et al., 2014).然而,由于缺乏大规模的观测资料,以往的地震研究的关注焦点大多是蒙古地区周边的西伯利亚克拉通、贝加尔裂谷、杭爱山地幔柱或穹隆以及鄂尔多斯块体等地质构造现象,而对这些大构造之间的区域开展研究相对较少.因此,提取蒙古地区的壳幔结构,有助于深入研究CAOB的壳幔形成、演化机制和耦合方式等科学问题.
基于中蒙国际科技合作项目在蒙古中南部地区架设的69套宽频带地震仪,我们获得了该地区较密集、长时间的地震台阵观测资料,为采用地震学方法深入研究该地区地壳及上地幔结构提供了很好的数据基础.利用上述台阵资料,部分学者已经采用体波成像、接收函数反演、面波成像以及背景噪声成像等不同地震学方法对蒙古中南部地区壳幔结构进行了研究,现已获得了一系列有意义的成果(李多等,2012;何静等,2014;张风雪等,2014;潘佳铁等,2015;余大新等, 2015, 2016).但是,其中体波成像垂向分辨率不高,且对浅部结构约束较差;接收函数对绝对速度不敏感.相比之下,作为地壳及上地幔结构探测的主要地震学方法之一,面波成像具有较好的垂向分辨率,对低速层具有一定的约束能力,并对S波速度较为敏感,利用其频散特征可有效地反演地下速度结构.
具体对于面波成像而言,虽然已经得到的不同周期的面波频散分布对不同深度的壳幔结构具有一定的显示性(余大新等, 2015, 2016),但若要提供更好的关于壳幔结构的约束,还需开展S波速度结构的深度反演.因此,本文借助中蒙国际科技合作项目中69个流动台站的观测数据,在前期已经完成的瑞雷波相速度层析成像(余大新等,2015)的基础上,利用提取到的蒙古中南部地区每个网格点的相速度频散进行线性反演,得到了该网格点一维S波速度结构,之后再通过线性插值得到了蒙古中南部地壳和上地幔三维S波结构,并对其可能的地质构造意义进行了深入探讨.
1 区域概况和数据资料 1.1 区域地质概况本研究区(103.5°E-111.5°E,42°N-50°N)位于蒙古中南部地区,北接西伯利亚克拉通、贝加尔裂谷和肯特山脉,西临杭爱高原、阿尔泰山脉,东南方向则发育有大面积的戈壁滩(图 1).其内部被几条近东西向的大断裂所切割,其中蒙古主构造线(MML)将研究区分为北、南两个主要地质单元.MML以北主要为加里东造山带,以南为海西造山带,北部造山带由二叠-三叠纪火山深成岩带、泥盆-石炭浊流岩盆地、大陆增生边缘带等次级地质单元拼合而成,发育有杭爱—肯特山盆地、中戈壁火山及Bus-obo火山(Whitford-Stark,1987)等;南部造山带则由新生代盆地、岛弧、弧前/弧后盆地组成,发育有Tamsgan盆地和大面积的戈壁滩(Badarch et al., 2002).根据接收函数的结果(何静等,2014)其东南部地区地壳厚度较薄(约39 km),西北部地区地壳较厚(约45 km),说明MML不仅是蒙古国境内地形和构造的分界线,还是该区地壳的一个陡变带(何静等,2014;潘佳铁等,2015).研究区地形较高,地质年龄相对年轻,地质构造较为复杂(Petit et al., 1998; Cunningham, 2001; Zorin et al., 2003).已有的GPS观测结果认为,蒙古地区目前处于中等变形阶段(Calais et al., 2003).有研究认为该地区的构造演化主要是受太平洋板块的俯冲和消减,以及印度板块碰撞挤压欧亚大陆板块等过程的共同作用和影响(Cunningham, 2005; Barruol et al., 2008).此外,由图 1可以看到,该地区虽多处零星出露新生代玄武岩(Crosweller et al., 2012),但未见火成岩出露的地区是否存在壳内低速异常仍需进一步研究.
本研究收集到的蒙古中南部地区69个台站2011年8月至2013年8月期间的连续地震数据,来自中国地震局地球物理研究所和蒙古国科学院在蒙古地区合作开展的宽频带地震观测实验.每个台站均统一配备Refteck-130B数据采集器和CMG-3ESPC宽频带地震计,频带范围为0.02~60 s.且台站仪器统一采用GPS授时,保证了较为一致的时间设定.由于蒙古地区人口稀少,人类活动干扰弱,该地震记录质量良好.
本文反演S波速度时所采用的瑞雷波相速度,是基于上述数据资料利用双台法测量得到的.如图 2所示,假设S1为远台站,S2为近台站,E为震源,E’为震中,参照USGS给出的地震目录与震源参数,选取全球满足以下条件的垂直向波形记录作为研究对象:① 震中距(α和β)在15°~100°范围内,可以尽可能避免近场效应和高阶面波干扰;② 震源深度(Δ)小于70 km,震级大小在5.5至7.5之间,这样可以保证面波发育,并具有较高的信噪比;③ 远台站到近台站的方位角(η)与远台站到地震事件的方位角(θ)之间的偏差小于5°(叶庆东等,2016).
基于以上标准,本研究共选用了208个全球地震事件(余大新等,2015),利用小波变换频时分析技术(Wu et al., 2009)提取了1893条双台间基阶瑞雷波的相速度频散曲线,并对于同一台站的频散曲线进行平均,得到了1140条高质量的频散曲线.根据12 s和60 s时密集的相速度射线路径分布,我们认为其具有很好的方位覆盖(图 3).
在此基础上,采用二维线性反演方法(Ditmar and Yanovskaya, 1987; Yanovskaya and Ditmar, 1990)重构得到研究区分辨率为0.5°×0.5°周期为10~80 s的瑞雷波相速度分布(余大新等,2015).0.5°×0.5°网格下的分辨率测试显示(余大新等,2015),在射线覆盖区域输入模型可以得到很好的恢复,同时也表明本文反演过程中所划分的网格大小是合适的.
2 速度结构反演 2.1 一维速度结构反演众所周知,瑞雷波主要是对垂直极化的剪切波速度(Vsv)较为敏感,但本文为方便起见直接将Vsv视作S波速度.本文选择利用线性反演方法(Herrmann and Ammon, 2002)对研究区S波速度进行反演.反演过程中参考体波震相资料重建的地壳结构作为地壳初始模型(Sun et al., 2008);采用全球AK135模型的地幔部分作为地幔初始模型,其中假设100 km以上地幔部分层厚10 km,100~400 km之间的上地幔层厚为20 km.为了使最终反演得到的理论频散与观测值之间的误差最小,本文选用的算法为差分反演算法.
利用上述方法,对研究区开展了一维S波速度反演.反演过程中,通过不断调整初始模型,使利用S波速度反算的相速度频散逐步接近实际测量值.本文给出了研究区某一个典型地区(105.5°E,45.5°N)一维S波速度模型计算得到的理论频散曲线和实际测量的离散频散点的拟合情况(图 4).由图 4可知,反演模型的频散曲线与真实模型的频散点拟合效果很好,说明反演结果是可靠的.
在得到研究区不同网格点的一维S波速度模型的基础上,本文利用线性插值法计算得到了该区三维S波速度结构.研究区地下25、42、60、80、100 km以及120 km深的S波速度结构如图 5所示.同时,本文还在研究区内截取了两条南北向平行剖面(剖面位置如图 1中AB、CD所示),此两条剖面的S波速度结构如图 6所示.
根据以上反演结果,本文将分别讨论研究区地下25、42、60、80、100 km以及120 km深度的S波速度分布与地表地形、壳幔结构之间的关系(图 5).
由图 5a中研究区下方25 km深度处S波速度分布可知,研究区北部的杭爱-肯特山盆具有明显的高速异常,其范围约为3.75~3.82 km/s;而研究区中南部的戈壁带则显示为低速异常,约在3.55~3.65 km/s的范围之内.相比之下,中南部较北部盆地要低约0.1~0.25 km/s.综合各深度S波速度分布发现,深度越小,高、低速异常差异越显著.分析发现,研究区中南部S波速度较低,从地表地形上可以看出南部为广袤的戈壁沙漠并富含沉积层地区.而北部的高速异常则对应杭爱山脉、肯特山脉以及二者之间盆地地区.总体来看,浅部的S速度分布特征与地表构造形态有直接的相关性.
基于接收函数方法,前人研究该地区地壳厚度发现,研究区西北部地壳厚度大约为45 km左右,东南部地壳厚度减薄至约39 km(Gao et al., 2004; 何静等,2014).结合图 6中AB、CD两条南北向平行剖面的S波速度纵向分布,可以发现在40~50 km深度处有一个明显的速度阶跃带.该速度阶跃带以上S波速度最大值约为3.8 km/s,其以下S波速度则直接升高到4.3 km/s左右,因此认为该速度阶跃带为研究区下地壳与上地幔的过渡带,即研究区北部地区地壳最厚达到约50 km,而南部地区地壳最薄仅40 km左右,这与Fullea等(2012)利用该区面波数据和地表海拔建立地球物理-岩石学模型得到该区地壳厚度为44~50 km的结论,以及何静等(2014)所得研究区地壳厚度由西北向东南部减薄的结论基本吻合.综上所述,本文认为对于研究区下42 km深度剖面,其西北部地层还位于下地壳,东南部地层已处于上地幔.而图 5b中获得到的42 km深度S波速度分布显示,由西北到东南S波速度具有明显的逐渐增大的趋势,从而证明地壳厚度对S波速度具有很大影响.然而研究区42 km深度S波速度剖面中,杭爱与肯特山脉之间的盆地处具有一个小范围的高速异常,约4.1 km/s左右.分析其原因认为,杭爱-肯特山盆形成过程中,由于拉伸作用导致盆地下地壳厚度减薄,42 km深度剖面处该盆地区域亦已处于上地幔.
研究区下方60 km深度以及更深的S波速度分布主要反映了研究区上地幔的速度结构及其横向结构变化(图 5c~5f).其中,120 km深度S波速度分布与其他深度速度分布特征有所差异,分析原因认为这是由该深度处射线分布减少造成.对60至100 km深度S波速度分布进行研究后发现,中戈壁带均具有明显的低速异常(约4.25 km/s),而南戈壁带和北部的杭爱-肯特山盆相比之下则表现为稳定的高速异常(约4.5 km/s).整体来看,研究区60 km以下的S波速度分布呈现出南北高中部低的形态,这与研究区火山位置分布具有一致性,即其北部的盆地和南部的戈壁带基本未发现新生代火山岩的出露,而中部戈壁带出露有零星分布的新生代玄武岩(Whitford-Stark, 1987).由于前人利用地球化学方法,得到蒙古中部地区的新生代玄武岩中富集轻稀土元素,且在地幔标准化微量元素图上表现为K、Nb、Sr等元素具有正异常.又由于新的地壳包体数据可以证明该区玄武岩没有经历显著地壳污染,认为蒙古中部的新生代玄武岩是由来自深度大于70 km的部分熔融的幔源物质(异构交代含角闪石的石榴石橄榄岩)构成(Badarch et al., 2002).因此,本文认为研究区上地幔低速异常分布受新生代火山活动控制.结合图 6中AB、CD剖面可知,该上地幔低速异常在CD剖面(约120 km)比在AB剖面(约达100 km)的垂向影响深度更深;在AB剖面(约44.5°N~47.5°N)比在CD剖面(约45°N~46.5°N)的横向影响范围更广.基于前述上地幔低速异常分布受研究区新生代火山活动控制的结论,本文认为该低速异常的垂、横向分布能很好地揭示新生代火山活动的范围,即研究区上地幔火山活动影响范围较广,垂向上由中西部向中东部逐渐变深,横向由中东部向中西部逐渐变宽.
此外,研究区下方25 km深度中东部地区(107.5°E~109.5°E,45°N~46.5°N)相对于其南北两边具有一个较明显的高速异常区域(图 5a黑色圆圈区域),其在图 6黑色箭头处亦可清晰显示,表现为20 km深度处45°N~46.5°N范围内一个明显的高速凸起.分析认为,该高速异常是由于火山活动导致岩石圈强烈的构造热活化作用形成的,即地幔流上涌引起中下地壳的抬升,其地幔流上升示意图见图 7.因此本文认为,该地区的构造演化除受太平洋板块俯冲和消减,以及印度-欧亚大陆板块碰撞的远程效应影响外(何静等,2014;张风雪等,2014;潘佳铁等,2015),其主要动力学因素应为地幔物质隆起作用,而地幔热流的横向不均匀性则可能受到岩石圈结构各向异性的影响,这与杨岐焱等(2015)有关蒙古-贝加尔地区深部结构的结论基本吻合.
本文基于中蒙国际科技合作项目中获取的宽频带地震阵观测资料,利用研究区提取到的周期为10~80 s的每个网格点瑞雷波相速度频散,采用全球AK135模型以及差分反演算法,反演得到了研究区下方地壳以及上地幔一维S波速度结构,再利用线性插值方法最终得到该研究区地壳上地幔三维S波速度结构.
4.2研究结果表明:研究区25 km处S波速度分布特征与地表构造形态比较吻合,北部杭爱-肯特山脉为明显高速异常,约分布于3.75~3.82 km/s区间内,中南部戈壁沙漠为低速异常,约在3.55~3.65 km/s范围内;研究区42 km深度处S波速度受地壳厚度影响,具有西北到东南逐渐增大的趋势,且认为杭爱-肯特山盆下地壳相对较高的S波速(约4.1 km/s)是由盆地形成过程中拉伸作用导致盆地下地壳厚度减薄造成的;研究区60~100 km深度范围内,S波速度呈现南北高中部低的形态,分析认为中部戈壁地区稳定的低速异常与该地区新生代火山活动有关,其活动范围由中西部向中东部逐渐变深,横向由中东部向中西部逐渐变宽;此外,中东部地区火山活动引起的地幔热流上涌造成中下地壳的抬升,我们认为该区主要动力学因素为地幔隆起作用,且地幔热流的不均匀性是受岩石圈结构的影响.
4.3本文获取了瑞雷波相速度反演的蒙古中南部地区地壳上地幔S波速度结构,得到了对该地区一定深度内结构的认识,但若要提供更准确的壳幔结构,还需充分利用已有的资料,将该地区瑞雷波和勒夫波资料结合,联合反演三维地壳上地幔S波速度结构及各向异性,这也是我们即将要开展的工作.
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