研究区位于青藏高原的东北缘,华北克拉通的中西部区域,该区地质结构复杂、断裂发育、新构造活动强烈,研究表明(邓起东等, 1984, 1999;邓起东和尤慧川, 1985;李孟銮和赵知军,1986;An and Shi, 2006),该区现代构造应力场主要受印度板块向北推挤运动的影响,表现为北北东方向的挤压与北西西方向引张的应力格局,与两侧的阿拉善块体和鄂尔多斯块体相比,银川盆地第四纪活动比较强烈,以沉降为主不同地质结构的地壳速度结构差异较大.该区历史上曾多次发生强度较大的地震,1739年在银川盆地北部的平罗县发生过8.0级大地震,1920年在宁夏海原县发生里氏8.5级大地震.这些强震的发生多与区域性的地壳和上地幔结构、介质物性状态以及深部动力学环境密切相关(马杏垣,1986;丁志峰和曾融生,1996;徐涛等,2014).
2014年初,在国家自然科学基金重点支持下完成了一条横跨银川盆地及其两侧块体的宽角反射/折射及高分辨折射探测剖面.野外数据采集中使用宽角反射/折射及高分辨折射联合探测的方案,在东西横跨银川盆地60多公里的范围内设计了两条完全重合的高分辨折射和宽角反射/折射探测剖面,观测系统即能获得清晰的浅部信息也能够获得反映岩石圈结构的深部信息.实现了宽角反射/折射和高分辨折射联合探测相结合、深浅相结合,对银川盆地及其两侧地壳精细结构和深部环境进行深入细致研究.
在人工地震勘探中,三分量地震仪已普遍得到应用,所以在获得垂向P波数据的同时也获得了两道(E-W、S-N)水平向的剪切波信息,这为S波速度结构研究提供了可能.但是,在以往大多数人工地震勘探剖面中,我们难以获得到清晰的、连续可辨的S波震相.本剖面东西两端的大部分区段都位于人员较少的沙漠地带,观测背景较好,且炮点激发条件较好,获得了信噪比较高的人工地震P波和S波数据.本文主要利用在该区获得的深地震宽角反射/折射和高分辨折射联合探测剖面E-W向分量S波数据,参考P波的研究结果,并结合研究区的地质构造、地球化学、地球动力学和已有的地震测深及天然地震资料研究结果(Deng and Liao, 1996;Darby and Ritts, 2002;Wang and Gang, 2004;张学民,2005),通过对识别出5组S波波组的数据处理、计算,获得了研究区的地壳二维S波速度结构图像.
1 区域构造背景概况研究区位于中国南北构造带北端,华北克拉通的中西部,区域构造背景较为复杂.剖面东段(图 1) 位于鄂尔多斯地块西北缘,鄂尔多斯地块作为一稳定地区,在中生代相对于周边的挤压隆起作不均匀沉降, 形成西深东浅的大型拗陷盆地, 广泛堆积了三叠世至早白垩世的沉积.在新生代地块向东南倾斜,地层近水平.地块内部没有活动构造,也无强震发生,是一个整体性强没有构造活动分异的大陆地块.鄂尔多斯地块自中生代以来作为一个典型的板内地块得到普遍共识(Zhang et al., 1990;邓起东等,1999).但是,对于这样一个大型地块及其与周边地块的相互关系是值得我们关注的重要问题.鄂尔多斯地块周缘区域构造活动强烈(张学民等,2004),地震活动频繁,具有较强的地震活动性,多年以来一直是地震学家研究的热点地区之一.历史上在周边断裂系内共记录到6级以上的浅源强震22次,其中8级及以上地震2次.
研究剖面中部穿过了银川盆地和贺兰山,它们是华北克拉通西部板内构造变形带,西邻阿拉善地块,东接稳定的鄂尔多斯地块.新生代以来的构造变形以大陆内部的伸展变形为主,形成贺兰山和地堑式的银川盆地(Ma et al., 1982;王一鹏,1982;邓起东等, 1984, 1999;马杏垣等,1988).贺兰山又被称为中国东西地质构造界线;剖面西段位于阿拉善块体的东部边缘,阿拉善地块传统上认为是中朝古板块西部,主要是由蛇绿混杂岩组成,其南侧为青藏高原,北部是蒙古高原,东侧为鄂尔多斯高原.该地块在中、新生代期间经受了比较强烈的构造运动.不同板块的地质过程使得阿拉善地区的地质现象较为复杂,阿拉善地块的东缘是贺兰山西麓断裂,目前处于伸展状态,多数隐伏于第四系之下(国家地震局《鄂尔多斯周缘活动断裂系》课题组,1988).该区域由于紧邻青藏高原东北缘,长期受到青藏高原东北缘的强烈挤压,形成陡变的地球物理场和强烈的地震活动(Hirn et al., 1995;Deng and Liao, 1996;陈文彬和徐锡伟,2006;Fang et al., 2010;Zhang et al., 2013).前人对该区的地质构造、断裂活动、沉积作用以及地震活动等方面开展了大量的研究工作,获得了一些极具价值的研究成果(邓起东等,1999;赵红格等,2007).但目前对该区域精细地壳结构的研究较少,尤其是利用人工地震勘探获得的S波研究地壳结构、块体边界的耦合关系及物性特征就更缺少资料解释.
2 测深剖面信息和S波震相拾取 2.1 测深剖面信息长约500 km地震测深剖面呈南东北西向展布,实施了12炮人工源爆破(药量总数达16.7 t TNT),银川盆地内为高分辨探测段,炮距为10~30 km,单炮药量控制在0.5~0.8 t,观测点距为0.8 km.剖面两端为宽角反射/折射段,炮距为70~90 km,单炮药量控制在1.5~3.0 t,观测点距为2.0 km.井深均为60~80 m,采取井下组合爆破激发地震波的方式,测线布设315台PDS-1型三分量数字地震仪同时记录观测,记录来自地壳上地幔顶部不同深度范围、不同属性的深层地震波场信息.
2.2 S波震相拾取由于S波的周期相对较长,使用短周期的地震仪器(PDS-1型)接收人工地震勘探激发的S波地震信号难度相对较大,本剖面之所以获得信噪比较高的S波地震信号和地震仪器的安置环境关系较为密切,剖面两端合计313 km长的区段均位于人烟稀少的毛乌素沙漠和腾格里沙漠的边缘地带,仪器接收背景相对较好.剖面上12个炮点中的10个炮点均位于砂层且含水层较浅,激发效果较为理想,这些都为获得高信噪比的S波信号提供了可能.
本文通过对获得的12个炮点S波记录数据进行3~15 Hz滤波,并采用3.5 km/s的折合速度得到了震相较为清楚的S波地震记录截面.为了消除观测点的场地效应和小尺度的介质非均匀性影响,对得到的走时曲线进行了适当的平滑.综合该地区地壳结构特征,经过反复分析和仔细甄别,对比出了5组较为清楚的壳内震相.分别为上地壳上部的回折波Sg、壳内反射波Sc1、Sc2、壳幔分界面反射波SmS和上地幔顶部的折射波Sn.其中,Sg和SmS波震相是剖面上的优势波组,具有震相清晰、稳定的特征,且在所有炮点的记录截面上都可连续追踪对比.壳内反射波Sc1、Sc2在个别炮点上显示出了较强的振幅,追踪距离一般为40~50 km,反映了地壳结构的局部特征,上地幔顶部Sn波震相在记录截面上显示出振幅小能量弱的特征.
本文从鄂尔多斯地块选择了反映鄂尔多斯块体特征的SP4炮点记录截面,在银川地堑盆地和贺兰山块体内选择了SP10炮点记录截面,在阿拉善块体选择了SP11炮点记录截面来分别介绍记录截面上各震相在不同块体内的波组特征、视速度、震相所反映的界面深度等.
沿剖面(图 2~图 4) 可以看出Sg震相清晰,信噪比较高,能够在60~100 km区间内对比追踪.鄂尔多斯块体内显示震相较为平直,炮检距30 km以后折合走时在3.0 s左右,视速度为3.5 km/s,覆盖层厚度为4.0 km左右;在银川盆地和贺兰山段Sg震相变化较为剧烈,显示出隆凹相间的特征,在银川盆地Sg震相滞后较为明显,折合走时达到3.9 s,速度较低,在整条剖面上折合走时形态显示隆起特征,深度最深到7.6 km.贺兰山下方震相明显比银川盆地超前,显示覆盖层较薄的特征,最薄处基底几乎出露,视速度明显增大;剖面西段进入阿拉善地块,Sg震相与鄂尔多斯块体有相似的特征,震相起伏变化不大,但是较鄂尔多斯块体超前,仅在吉兰泰盆地有局部滞后特征.
壳内反射波Sc1沿剖面在各个块体能够识别对比,从图 2~图 4可以看出,Sc1波组具有分段连续、追踪距离短、能量弱的特点.在鄂尔多斯块体对比追踪区间为50~95 km,视速度变化范围为3.40~3.70 km/s,在阿拉善块体追踪区间为60~90 km,视速度变化范围为3.30~3.60 km/s,贺兰山两侧银川地堑盆地和吉兰泰盆地视速度略微偏低.
壳内反射波Sc2在鄂尔多斯块体很难识别对比出来,Sc2波组特征与以往通过该区的研究剖面相比较为一致(王帅军等,2014),在其他块体能够识别,与Sc1波组同样具有能量弱,且不能连续追踪的特征,追踪区间距离80~120 km,反映贺兰山下方视速度较低为3.65 km/s,其他区域视速度变化范围3.70~3.80 km/s之间.
SmS波震相是来自Moho界面的反射波组,该波组在剖面上属于优势波组,在绝大部分炮点的记录截面上均有着振幅能量较强、震相清晰可靠、可连续对比追踪的特点.该波组大约在距炮点70~90 km开始出现,可连续追踪对比至距炮点230 km以远,鄂尔多斯块体内显示出视速度较高的特征为3.91 km/s,SmS波震相在银川盆地和贺兰山区段的走时曲线形态、波形和振幅特征存在着明显的差异,反映了莫霍界面在不同地质构造单元有着强烈的横向非均匀性特征.
Sn波震相是来自上地幔顶部的折射波.该波组主要体现了该区上地幔顶部介质速度及速度梯度结构特征.反映鄂尔多斯块体上地幔顶部特征的SP4炮的西支Sn波震相视速度较高为4.72 km/s,反映银川盆地上地幔顶部特征的SP11炮点的东支记录界面显示视速度为4.58 km/s.本剖面Sn波一般在距炮点200 km左右进入初至区,可以连续追踪对比至300 km以远.
3 射线追踪及走时拟合根据识别对比出的5组壳内S波震相和拾取的震相走时数据,对剖面上12个炮点的震相进行了实际走时和理论数据拟合(图 5a)和非均匀介质动力学射线追踪(图 5b),射线覆盖范围及疏密反映了模型可靠性差异(Cerveny et al., 1988;Cerveny,2001),由于剖面穿过的区域地质结构复杂,剖面射线分布会有较大的差异,拟合过程中对射线奇异点进行了适当的平滑处理,使得壳内回折、反射和折射射线分布相对匀称,模型设计和数据处理过程中经过反复的调整理论模型使得与实际走时达到了最佳的拟合,且速度走时拟合精度误差控制在±0.01 km/s以内、界面跳跃误差控制在±0.05 km以内.
经过上述资料分析和数据处理,结合剖面壳内不同界面震相的可靠追踪区间、振幅强弱变化特征以及研究区已有的人工地震测深和天然地震研究结果(周兵等,1991;郭飚等,2004;裴顺平等,2004;陈九辉等,2005;张学民,2005;张永谦等,2011;王椿镛等,2014) 进行了综合分析,获得了巴图湾—阿拉腾敖包剖面二维地壳S波速度结构图(图 6).结果表明,结晶基底起伏变化较大,地壳厚度由东向西逐渐加厚,壳内界面局部隆凹相间,Moho界面深度变化范围为38.5~47.0 km,壳内平均速度变化相对剧烈,幅度为3.15~3.55 km/s,各个块体内部及其耦合部位速度结构异常紊乱、壳内界面起伏剧烈等特征与地表已知断裂的位置大致相互吻合.沿剖面不论是纵向还是横向地壳速度结构均存在明显的分区特征.
剖面东段鄂尔多斯块体内C2界面缺失,显示三层地壳结构特征,壳内界面起伏变化不大,结晶基底相对较厚为4.0 km,Moho面深度为43.0 km左右,S波速度值由地表至Moho界面之间呈现正梯度增加,结晶基底与Moho界面之间的平均速度较高;鄂尔多斯块体以西地壳结构显示四层地壳结构特征,银川盆地与两侧耦合区域地壳速度结构和壳内界面起伏变化剧烈,银川盆地在整条剖面上显示巨厚的沉积盖层,厚度达到7.6 km,壳内界面起伏变化剧烈,盆地下方Moho界面的隆起与结晶基底下凹呈镜像关系,Moho界面隆起最浅处深度为38.5 km,银川盆地西缘中、下地壳内出现低速现象,地壳平均速度最低为3.15 km/s;贺兰山造山带覆盖层在整条剖面最薄,厚度仅为0.8 km左右,壳内界面呈现不同程度的下凹特征,Moho界面下凹最为明显,且与结晶基底的隆起呈镜像关系,Moho界面深度在贺兰山下方深度为45.0 km左右,纵向看中、下地壳内呈现高、低速相间的特征,在C1界面和C2界面之间以及C2界面与Moho界面之间均有一明显低速区域,横向影响范围达到120 km左右,速度明显比周围介质低0.15~0.28 km/s个量级,使得地壳平均速度为3.55 km/s;剖面北段为阿拉善块体,该块体与贺兰山交界位置附近速度结构变化较为紊乱,覆盖层厚度变化范围为2.5~4.5 km,壳内界面变化较为平缓,Moho界面深度变化范围为42.0~47.0 km,相对其他块体各层的界面埋深较深,地壳平均速度为3.52 km/s;沿剖面从获得的S波二维速度结构特征可以看出块体与块体(盆地)物性结构差异特征较为显著.
5 分析讨论震测深剖面地壳厚度总体呈现自东向西逐渐加厚的特征,地壳厚度变化范围在38.5~47.0 km之间,各个块体又具有各自的地壳厚度特征.在鄂尔多斯块体内Moho界面深度为43.0 km,在银川盆地和贺兰山隆起区段Moho面深度呈现隆凹相间变化特征,银川地堑盆地Moho界面深度呈现隆起特征,最浅为38.5 km,贺兰山下方Moho界面由银川盆地向西急剧下倾,最深处达到45.0 km,在水平距离50 km的范围内变化幅度达到了7.0 km左右.剖面的西段进入了阿拉善块体,Moho界面深度呈现向西缓慢加深趋势,最深达到47.0 km.
地震测深剖面地壳二维S波速度结构表现出明显的横向非均匀性特征,横向非均匀性变化自地表向下一直可延伸至上地幔顶部,各个块体内部及其相互接触(耦合)部位速度结构差异特征明显,在鄂尔多斯块体内部速度结构呈现正梯度速度加大趋势,在银川盆地和贺兰山下方速度结构变化较为强烈,且地壳S波速度明显偏低,在桩号320~440 km之间,C1~C2界面(深度20~32 km)、C2~Moho界面(深度为37~41 km)之间的中下地壳内,二维地壳速度结构还显示出高低速相间的不连续的低速异常体,其速度约为3.52~3.75 km/s,比背景速度明显偏低0.15~0.28 km/s.剖面西段阿拉善块体与东段鄂尔多斯块体速度结构较为相似,呈现垂向正梯度增加的特征.综合二维S波地壳速度结构壳内速度结构变化、速度等值线紊乱,以及壳内界面和Moho面深度变化等分析,我们认为在桩号310 km、355 km、385 km及468 km分别与地表的黄河断裂、贺兰山东缘断裂、贺兰山西缘断裂及巴彦乌拉山东缘断裂相对应,在速度等值线上可以看出黄河断裂和巴彦乌拉山东缘断裂有可能延伸至Moho界面.从该区域的地质构造图上可以看出多数地震的发生背景和空间位置均与这些断裂带关系密切.
6 结论 6.1地震测深剖面S波二维地壳速度结构揭示了地下物质介质和属性的差异,在鄂尔多斯块体内部地表速度较低,沉积盖层较厚.壳内速度变化较为平缓,显示稳定地壳特征;贺兰山—银川盆地夹持在鄂尔多斯块体与阿拉善块体之间,由于受到青藏高原隆升北东向持续挤压影响,使得银川盆地纵向断层的垂直断陷,盆地深部上地幔物质上涌和地壳减薄.贺兰山是一个经历了长期构造演化的板内伸展拉张变形,经历了多次开裂,在银川盆地地幔热物质上涌减薄的同时也使得贺兰山下方壳幔冷物质的下沉(刘建辉等,2010).S波二维速度结构图中贺兰山—银川盆地下方壳幔界面的隆凹特征和低速异常区刚好与上述地质构造演化结果相吻合;剖面西段阿拉善地块长期受到青藏高原向北推挤的作用,中、新生代期间经受了比较强烈的构造运动,在其内部和周边形成了一系列的断裂和沉降小盆地.
6.2地震测深剖面经过的区域长期以来受到青藏高原及其各个块体的相互碰撞作用,使得块体内部特别是块体边界区域断裂纵横交错、断裂活动强烈,且不断有中强地震发生.从地质构造图(图 1) 上可以看出,地震多发生在断裂带附近的区域.本剖面二维壳幔S波速度结构显示断裂带附近速度结构等值线呈现起伏、紊乱及速度异常现象(高低速相间),这种现象极易改变断裂带及其周围的应力状态,造成地壳中的孕震层弱化和应力集中,从而诱发地震.一些学者研究表明(Wang and Gao, 2014;朱守彪等,2010;尹京苑等,1999) 大多数的大地震都位于高、低速区的边界附近,这种环境是大震孕育和发生的有利深部条件.
致谢 感谢物探中心所有参与本项目野外工作的人员,是他们的辛勤工作,精心的施工、观测等获得了高信噪比的数据,才为后续的研究提供了可靠的保障.特别感谢两位匿名审稿专家为本文提出的宝贵意见和建议,感谢编辑部工作人员的大力支持和帮助,他们对本文认真负责的精神和高度的责任心令人敬佩和感激.[] | An M J, Shi Y L. 2006. Lithospheric thickness of the Chinese continent[J]. Phys. Earth Planet. Int., 159(3-4): 257–266. |
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