地球物理学进展  2017, Vol. 32 Issue (4): 1458-1464   PDF    
华北克拉通中西部岩石圈结构研究
娄辛辉1,2, 艾印双1, 张耀阳1, 陈永顺3, 宁杰远3     
1. 中国科学院地质与地球物理研究所, 北京 100029
2. 中国科学院大学, 北京 100049
3. 地球与空间科学学院北京大学, 北京 100871
摘要:本文选择华北中、西部两条宽频带密集流动地震台阵NCISP7和PKU作为研究对象,对南北向A-A"(NCISP7)剖面64个地震台站和东西向B-B"(PKU)剖面50个地震台站记录的远震记录提取P波和S波接收函数,然后通过共转换点叠加(CCP叠加)和偏移成像,得到了华北克拉通中西部岩石圈的精细结构.结果表明,华北克拉通西部地壳较厚,约44 km,莫霍面(Moho)起伏十分平缓,克拉通中部地壳厚度介于36~42 km,表现为西部厚,东部薄,北部厚,南部薄的特点.华北克拉通西部岩石圈厚度100~130 km,克拉通中部岩石圈厚度100~150 km与克拉通东部60~100 km普遍减薄的岩石圈相比,克拉通中西部岩石圈较厚;但与古老稳定克拉通200 km厚度的岩石圈相比,中西部华北克拉通显然也发生了岩石圈减薄现象.无论是在A-A"剖面南北方向上,还是B-B"剖面东西方向上,岩石圈厚度都存在急剧变化,岩石圈结构表现为显著的横向不均匀性.
关键词接收函数    CCP叠加    华北克拉通    岩石圈结构    
Study of lithospheric structure in the central and western North China craton
LOU Xin-hui1,2 , AI Yin-shuang1 , ZHANG Yao-yang1 , CHEN Yong-shun3 , NING Jieyuan3     
1. Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2. University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
Abstract: Two temporary seismic arrays, NCISP7 and PKU, are used to study the lithospheric structure in the central and western North China craton. We retrieved P and S wave receiver functions from the teleseismic data recorded by 64 stations along the south-north profile A-A" (NCISP7) and 50 stations along the west-east profile B-B"(PKU), and then used common conversion point (CCP) stacking and migration imaging methods to obtain a detailed lithospheric structure along the two profiles. Our images show a thick crust of about 44 km and a flat Moho in the western North China craton. The depth of Moho varies from 36 km to 42 km in the central North China craton. The lithospheric thickness varies from 100 km to 130 km in the central North China craton and from 100 km to 150 km in the western North China craton, thicker than the significantly thinned lithosphere (60~100 km) in eastern North China craton. However, compared with the 200 km thickness lithospheric of ancient stable cratons, the lithosphere experienced significantly thinning in western and central North China craton. Our images show sharp changes of lithosphere thickness not only along the west-east profile B-B", but also along the south-north profile A-A". The lithospheric structure shows significant lateral inhomogeneity.
Key words: receiver function     CCP stacking     North China craton     lithospheric structure    
0 引言

克拉通由上部古老的大陆地壳和厚而高速的岩石圈地幔根组成,主要在前寒武纪形成.由于克拉通岩石圈热流和密度较低,刚性较高等特征, 使克拉通在很长地质时期(10亿年尺度)保持构造稳定(Lenardic and Moresi, 1999; Sleep, 2003; Hieronymus et al., 2007),古老稳定的岩石圈厚度约为200 km(Zhu, 2000).然而, 近年来的研究发现,一些地区克拉通岩石圈厚度存在大规模减薄,物理化学性质也发生了明显的改变,克拉通并不是过去所认为的那么稳定(Eggler et al., 1988; Griffin et al., 1998; Lee et al., 2001).

华北克拉通形成于18亿年前, 是世界上最古老的克拉通之一, 形成后一直到古生代早期的很长一段时期, 华北克拉通一直处于一个构造稳定状态(Gao et al., 2002).但是显生宙以来, 华北克拉通在扬子板块、太平洋板块、印度洋板块的作用下, 经历了大规模的构造变形和强烈的岩浆活动, 岩石圈遭到了破坏, 从而在东西构造演化上呈现出巨大的差异.

岩石圈厚度是研究岩石圈精细结构的一个重要参数,以往研究中, 关于克拉通岩石圈底界面(LAB)的刻画主要源自地震面波研究(Huang et al., 2009; Li et al., 2009).然而,由于面波成像横向分辨率相对较低, 因此很难精确刻画LAB界面的横向变化.Langston提出了接收函数的方法(Langston, 1977), 这一方法已被成功应用于典型构造区壳幔结构的研究(Li and Mooney, 1998).P波接收函数可以很好地确定壳幔边界、410 km、660 km等间断面的横向变化情况,但由于莫霍面和地壳间断面多次波的干扰, 单纯利用Ps转换波很难精确地获得LAB结果.S波接收函数最早由Farra et al.提出(Farra and Vinnik, 2000), 虽然与P波接收函数相比, S波接收函数周期相对较长, 横向分辨率低, 但来自岩石圈底界面的Sp转换波可以在很大程度上避免壳内多次波的干扰(Yuan et al., 2006), 在LAB研究中具有较大的优势, 已被广泛地用于识别LAB的研究中.

前人利用P波和S波接收函数对华北克拉通深部结构进行了一些研究并获得了很有意义的研究成果(Zhu et al., 1995; Yuan et al., 2006; Chen et al., 2006a, b, 2008; Chen, 2009, 2010).Chen et al.的结果显示(Chen et al., 2006a, b, 2008; Chen, 2009, 2010), 华北克拉通岩东中西部存在明显的差异, 东部岩石圈偏薄, LAB深度在60~100 km范围内, 横向变化相对平缓;在中东部块体之间存在突变, 岩石圈厚度从80 km突然加厚至130 km;进入中西部后, 不同剖面获得的LAB结果差异较大, 岩石圈厚度变化强烈.上述对华北克拉通深部结构研究取得了引人瞩目的成果, 但由于台站布设条件, 还有一些值得研究的地区并未完全覆盖, 尤其是对中、西部LAB分布和岩石圈结构的约束不够全面.因此, 在已有数据覆盖的基础上, 布设覆盖更广, 更加密集更高分辨率的流动台站, 针对这些热点区域开展有针对性的研究工作, 以得到华北克拉通区域性的LAB深度分布信息是很有必要的.

本文主要通过《华北克拉通破坏》重大研究计划实施的穿过华北克拉通中、西部的南北向NCISP7剖面和东西向PKU剖面密集流动地震台阵观测数据, 提取远震P波和S波接收函数, 应用CCP叠加和偏移成像刻画两条剖面下方的岩石圈结构, 进而对华北克拉通岩石圈结构进行研究和探讨.

1 数据和方法

本文研究数据分别来源于中国科学院地质与地球物理研究所和北京大学在华北克拉通中西部布设的两条高密度宽频带流动地震台阵NCISP7和PKU,台站分布如图 1所示.NCISP7剖面南北向分布,横跨华北克拉通中西部,长达1200 km,自北向南包括st374-st437共64个地震台站,台站间距约15~20 km,其中有9个台站采用Guralp-3T 50 Hz-120 S地震计,其余台站采用Guralp CMG-3ESP 50 Hz-30 S和50 Hz-60 S地震计.所用的采集器除剖面北部17个台站为Ref Tek-72A采集器,其余台站均采用Ref Tek-130采集器.PKU剖面东西向横跨华北克拉通东、中、西三部,剖面长度1000 km,共50个地震台站,所用的地震计为Guralp CMG-3ESP,采集器为Ref Tek-130,台站间距10~20 km.

图 1 地震台站和测线分布 WNCC:华北克拉通西部, CNCC:华北克拉通中部, ENCC:华北克拉通东部.黑线代表本文关注的两条剖面A-A”, B-B”. Figure 1 Distribution of broadband seismic stations (triangles) and profiles WNCC: Western North China craton, CNCC:Central North China craton, ENCC:Eastern North China craton. Black line represents two profiles A-A" and B-B".

本文采用S波接收函数和P波接收函数方法对两条剖面的台站远震数据提取接收函数, 对接收函数进行适当的挑选后,采用Chen L等提出的基于波动方程的接收函数叠后偏移方法进行成像(Chen et al., 2006a).主要包括两部分:(1) 从大量的地震记录中提取P波和S接收函数并进行适当挑选.(2) 对挑选出的接收函数进行CCP叠加(共转换点叠加), 然后进行偏移成像,从而得到华北克拉通中西部两条剖面下岩石圈结构信息.

1.1 提取P波接收函数

接收函数是去除震源、地震波传播路径以及仪器响应等因素后的时间序列, 记录了台站下方速度间断面对地震波的响应(Langston, 1977; Vinnik, 1977).

P波接收函数提取包括地震事件的选取、对实际资料的坐标旋转和随后的反褶积(吴庆举和曾融生,1998许卫卫和郑天愉,2002吴庆举等,2003陈九辉,2007),具体处理方法如下:

首先要选择适合的具有较高信噪比的地震事件进行截取.为确保有效信号明显, 选择震级在5级以上,震中距在30°-90°之间的地震事件来提取P波接收函数.图 2给出了两条剖面提取P波接收函数所用地震事件的震中分布.其中剖面A-A”的地震事件记录232个,B-B”剖面地震事件记录为835个.从原始事件波形中截取P波前100 s到后200 s的对采用的地震数据进行,对截取的波形数据进行去仪器响应、去均值、去线性处理和0.02~0.2 Hz的带通滤波.

图 2 提取P波接收函数地震事件分布 (a)A-A”剖面;(b) B-B”剖面. Figure 2 Distribution of seismic events using to retrieve P wave receiver functions (a) A-A" profile; (b) B-B" profile.

然后根据方位角把地震记录从原始的ZNE(垂直、南北、东西)三分量旋转到ZRT(垂向、径向、切向)坐标系中,最后进行反褶积来提取P波接收函数.

时间域远震P波波形数据可表示为有效震源时间函数、介质结构脉冲响应及仪器脉冲响应的卷积, 而近垂直入射的远震P波波形的垂直分量主要由直达波构成, 近似为脉冲, 其续至波能量可忽略不计.由此得到,P波接收函数实质上就是将远震P波水平分量与垂直分量的反褶积转化为时间域波形序列,本文采用时间域最大熵谱反褶积方法计算P波接收函数(吴庆举等, 2003).

提取P波接收函数后,要对接收函数进行适当的挑选.首先剔除绝对振幅过大和信噪比太小的接收函数,然后再对剩余的接收函数进行手动挑选,以保证每条记录初至尖锐、震相清晰.

经过挑选,A-A”剖面得到4141个质量良好的P波接收函数,B-B”剖面获得5331个质量良好的P波接收函数.

1.2 提取S波接收函数

Farra and Vinnik、Yuan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(Farra and Vinnik, 2000; Yuan et al., 2006).

提取S波接收函数时选择5.5级以上,震中距范围在55°~85°的地震事件记录, 因为岩石圈底界面(LAB)对应的Sp波的出现的临界点一般为55°~60°,而超过85°后S波就以SKS传播了.提取S波接收函数地震事件分布如图 3,其中A-A”剖面采用的地震事件131个,B-B”采用地震事件记录412个.

图 3 提取S波接收函数地震事件分布 (a)A-A”剖面; (b) B-B”剖面. Figure 3 Distribution of seismic events using to retrieve S wave receiver functions (a)A-A" profile; (b) B-B"profile.

提取S波接收函数时截取直达S波前100 s到后20 s的S波波形数据,对截取的波形数据进行去仪器响应、去均值,去线性处理和0.02~0.2 Hz的带通滤波,然后进行坐标旋转和反褶积来提取S波接收函数.本文提取S波接收函数采用的是时间域最大熵谱反褶积(吴庆举等, 2003).

最终,A-A”剖面获得1973个质量良好的S波接收函数,B-B”剖面获得2350个质量良好的S波接收函数.

1.3 CCP叠加和偏移成像

实际的地震记录由于受到噪声的影响, 转换波震相会变得比较模糊, 从地震台站单个远震记录很难提出有效的接收函数.

本文采用由Chen等提出的基于波动方程的接收函数叠后偏移方法(Chen et al., 2006a).主要包括时间域CCP叠加和基于相位屏传播算子的频率域波场延拓.

图 4 P波接收函数(a)和S波接收函数(b)不同深度转换点分布 图中黄色、红色和蓝色圆点分别表示在50 km、100 km和150 km深度转换点位置,黑虚线矩形框限定了用于每条剖面成像的转换点的空间范围. Figure 4 Distribution of conversion points at different depth Yellow, red and black dots mark location of conversion points at 50 km, 100 km and 150 km depth respectively. The black dashed rectangle frame defines the spatial extent of the conversion points for each profile.

CCP叠加参数设定如下.P波接收函数叠加水平方向网格间距为2 km,深度方向网格间距0.5 km,半xbin值为100 km.S波接收函数叠加水平方向网格间距5 km,深度方向网格间距1 km,A-A”剖面半xbin值为160 km,B-B”剖面半xbin值为130 km.叠加时限定每个叠加单元P波接收函数不少于100个,S波接收函数不少于50个,若叠加单元内接收函数数目少于限定的最小值,则以1 km的步长增加ybin,直至叠加单元内射线数量达到最小值或者叠加单元边长达到最大值.

2 结果和讨论

经过处理,A-A”剖面共挑选出质量良好的P波接收函数4141个,S波接收函数1973个;B-B”剖面挑选出质量良好的P波接收函数5331个,S波接收函数2350个.将得到的P波和S波接收函数按照上述方法进行CCP叠加和偏移成像,分别得到结果图 5图 6.

图 5 沿A-A”(a),B-B”(b)测线P波接收函数偏移成像(白色虚线表示估计的莫霍界面) Figure 5 Migrated P wave receiver function images for profiles A-A"(a), B-B"(b) with frequence of 0.01-0.8White dashed lines denote the estimated Moho surface

图 6 沿A-A”(a),B-B”(b)测线不同频率的S波接收函数偏移成像 白色虚线代表高频图像估计的LAB界面 Figure 6 Migrated S wave receiver function images for profiles A-A"(a), B-B" (b)Using different frequency contents of data.White dashed lines denote the LAB estimated from the highest-frequency Images

图 5为两条剖面P波接收函数偏移成像.A-A”剖面自南向北跨华北克拉通中部和西部陆块,图 5a的结果显示,剖面南段克拉通中部地区的地壳厚度约35 km,沿着剖面向北,地壳厚度增厚到42 km,进入克拉通西部后,地壳厚度增厚到44 km后趋于平缓,地壳厚度总体趋势为南部薄,北部厚,结果与Zheng得到的结果基本一致(Zheng et al., 2012).B-B”剖面自西向东横跨华北克拉通西、中、东三部分,图 5b的结果显示,克拉通西部莫霍面十分平缓,地壳厚度约44 km,进入克拉通中部,地壳厚度自西向东逐渐减薄为38 km,剖面向东进入克拉通东部,地壳厚度迅速减薄为32 km,华北克拉通地壳厚度由西向东减薄的趋势.

图 5中,P波接收函数偏移得到的结果存在两个明显的多次波界面, 由于PpPS、PpSs等多次波的干扰,使得P波接收函数成像中岩石圈底界面(LAB)难以被精确刻画.图 6为S波接收函数偏移成像.可以看出, S波接收函数得到的莫霍界面和LAB界面清晰可见.图 6图 5成像结果进行对比,S波与P波接收函数偏移成像莫霍面分布基本一致,由于S波接收函数分辨率比P波要低, P波接收函数得到的莫霍面要更精确.

图 7为S波接收函数叠加时用的bin参数变化以及不同bin里接收函数个数的变化示意图,该图是对叠加结果可信度的有效补充.可以看到,每个bin中S波接收函数个数确保在50个以上,而且图 6中S波接收函数由不同频率范围进行偏移得到的LAB分布基本一致.说明得到的结果(图 6)是可信的.

图 7 叠加时S波接收函数个数和bin值大小 Figure 7 The number of S wave receiver functions and the value of bin in CCP stacking

图 6a的结果显示,沿南北向A-A”剖面,剖面南段克拉通中部地区的岩石圈底界面(LAB)十分平缓,岩石圈厚度介于100~110 km, 沿剖面向北在中西部交界附近岩石圈厚度急剧增加为150 km, 进入克拉通西部后,岩石圈急剧减薄到110 km, 最薄处岩石圈厚度约100 km.A-A”剖面成像结果显示,克拉通中西部交界附近LAB南北向起伏强烈,在不到200 km横向范围内岩石圈厚度变化达40 km, 在南北方向上表现出了明显的横向不均匀性.

图 6b成像显示,沿东西向剖面B-B”,华北克拉通西部岩石圈厚度约120 km,进入克拉通中部后岩石圈厚度由130 km向东逐渐减薄到110 km,总体上华北克拉通中西部LAB起伏比较平缓,由克拉通中部进入克拉通东部,LAB起伏强烈,岩石圈厚度由110 km急剧减薄为60 km.在东西方向上,华北克拉通岩石圈结构也表现出横向不均匀性,整体上自西向东不断减薄.

综上所述, 华北克拉通西部岩石圈厚度100~130 km, 克拉通中部岩石圈厚度100~150 km.与东部克拉通普遍减薄的岩石圈(60~100 km)相比, 华北克拉通中西部虽然较厚,但也存在100 km左右的岩石圈, 与古老稳定的克拉通200 km厚度的岩石圈相比,减薄十分明显.这说明岩石圈的改造和减薄不止发生在克拉通东部,而且也发生在克拉通中西部,比过去普遍认为的区域更加广泛.华北克拉通中西部岩石圈, 在东西方向和南北方向LAB都存在明显的起伏变化, 整体表现为横向不均匀性,这与陈等的结果是一致的(陈凌等,2010).

3 结论

本文对华北克拉通中西部布设的两条高密度宽频带流动地震台阵NCISP7和PKU记录到的远震地震数据提取P波和S波接收函数, 然后对提取的接收函数进行CCP叠加和偏移成像,得到了剖面下方岩石圈结构.华北克拉通西部地壳较厚, 约44 km, 莫霍面分布十分平缓,克拉通中部地壳厚度介于36~42 km,东部地壳较薄,约32 km,整体上地壳厚度表现为西部厚,东部薄,北部厚,南部薄的特点.华北克拉通西部岩石圈厚度100~130 km, 克拉通中部岩石圈厚度100~150 km,与克拉通东部普遍减薄(60~100 km)的岩石圈相比, 华北克拉通中西部岩石圈相对较厚,但也存在厚度约100 km的明显减薄的岩石圈.东西向上,克拉通中东部交界LAB起伏剧烈,岩石圈厚度由100 km迅速减薄为60 km.南北向上,克拉通中部LAB较平缓,但在克拉通中西部交界处LAB起伏剧烈,由克拉通中部向北进入克拉通西部,岩石圈厚度由150 km快速减薄为100 km.总体上,华北克拉通中西部岩石圈无论沿东西方向和南北方向, LAB都存在明显的起伏变化, 尤其是华北克拉通中东部和中西部的交界处LAB变化尤为剧烈,表现出显著地横向不均匀性.华北克拉通中西部岩石圈的减薄和横向不均匀分布说明中西部克拉通发生过复杂的构造演化活动, 导致岩石圈遭到破坏.

致谢 感谢中国科学院地质与地球物理研究所地震台阵探测实验室及北京大学地空学院提供的仪器及数据支持,感谢在台阵布设、数据回收野外工作中所有人员的辛勤工作,感谢审稿专家的指正.
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