华南块体位于欧亚大陆东南缘,北与华北克拉通相邻,东与菲律宾海板块相邻,欧亚板块在此与菲律宾海板块和太平洋板块发生壳幔尺度的相互作用。以江绍断裂为界,华南块体又划分为华夏块体和扬子克拉通(图 1)。晚中生代—新生代,中国东部及华南地区经历了北西—南东向拉张应力背景下的岩石圈再活化过程,但华北克拉通和华南块体这两个毗邻的岩石圈块体在这一时期的构造演化却有明显的差异性。华北克拉通东部在晚中生代到新生代经历了岩石圈破坏作用,岩石圈厚度从太古代约200 km减薄到现今约80 km(Griffin et al.,1998;Zhao et al.,2001),而华南块体在中生代则经历了多期岩浆作用。地球化学及岩石学研究表明,华南广泛出露了具有时空分布规律的中生代花岗岩和火山岩,其出露面积约占浙江、福建、江西、广东4省总面积的39%(Zhou and Li,2000;Zhou et al.,2006;Shu et al.,2009;Li et al.,2012)。即使在华南块体内部的扬子克拉通和华夏块体间,最近一期的白垩纪岩浆活动强度也存在明显差异(Li et al.,2012)。这些差异反映了毗邻的块体经历了不同的深部动力学过程,对块体壳幔结构和各向异性的研究则是揭示其深部动力学过程的基础。
将宽频地震台阵观测与相关地震学研究方法相结合是目前进行地壳上地幔结构和深部动力学过程研究最为有效的手段。国际上正在实施的一系列大型地学研究计划,如美国的EarthScope计划(David et al.,2002;Williams et al.,2010)、欧盟的欧洲探测计划(Gee and Stephenson,2006)等均把这一方法作为其核心内容,以获得岩石圈三维结构、物质组成和深部构造特征为其主要科学目标,从而提高对大陆岩石圈形成与演化的动力学过程与机制的认识。国内陆续开展的“华北克拉通破坏”(陈颙等,2005;朱日祥等,2012)、“深部探测技术与实验研究专项”(SinoProbe)(董树文等,2012)、“中国地震科学台阵探测”(Ding and Wu,2013)等大型地学研究计划也将宽频地震观测研究作为其重要乃至核心的部分。这些计划的陆续开展为中国大陆的岩石圈结构与地球动力学研究提供了新的机遇。
南京大学在SinoProbe子课题“宽频带地震观测实验与壳/幔速度研究”(SinoProbe-02-03)的资助下,于2008~2011年在华南地区开展了宽频地震观测工作。先后布设了两条自东南沿海向内陆延伸的北西向宽频地震测线,分别是福建厦门—江西宜春宽频地震测线(以下简称福建—江西测线)和浙江台州—安徽阜阳宽频地震测线(以下简称浙江—安徽测线),共布设宽频流动地震台54个(图 1)。福建—江西测线横跨华夏块体和扬子克拉通,浙江—安徽测线则横跨华夏块体、扬子克拉通,并直达华北克拉通东南缘。两条测线取得了大量有效的地震数据,利用该批数据,采用接收函数、剪切波分裂及地震层析成像等方法对华南的壳幔和岩石圈结构、各向异性及动力学进行了研究,本文将介绍南京大学在华南地区的宽频地震观测和相关研究成果。
1 区域构造背景华南块体位于欧亚板块东南缘,北以秦岭—大别造山带和郯庐断裂为界与华北克拉通相邻,东与菲律宾海板块相邻。菲律宾海板块以约82 mm/yr的速度向北西方向运动(Seno et al.,1993;Yu et al.,1997),与欧亚板块碰撞后形成了世界上最年轻活跃的台湾造山带(Sibuet and Hsu,2004)。华南块体由华夏块体和扬子克拉通在前寒武纪发生碰撞拼贴而成,两者以江绍断裂为界。古生代时,华南块体主要受南北向应力控制;早中生代时,华南块体与华北克拉通发生碰撞,形成秦岭—大别造山带,此时华南块体受特提斯洋作用,处于北东—南西方向的挤压应力区域(舒良树,2012);中生代晚期—新生代,华南块体同时受西太平洋板块俯冲和印度—亚洲碰撞的影响;90~70 Ma太平洋板块俯冲位置后撤,俯冲角度变陡且汇聚速率变慢(Zhou and Li,2000;Li and Li,2007;Yin,2010),使得东南沿海地区处于弧后拉张的区域应力场,而华南块体西部则处于印藏碰撞产生的挤压应力场(Yin,2010)。
地震层析成像结果(Huang and Zhao,2006;Huang et al.,2010;Li and van der Hilst,2010;Wei et al.,2012)显示,中国东部地区上地幔存在广泛的低速异常,地幔转换带内(410 km和660 km不连续面间)存在近水平展布的高速异常。Huang et al.(2010)推测低速异常为较热的地幔物质,可能是华南大规模中生代岩浆岩的深部来源;而地幔转换带内的高速异常体则很可能对应了俯冲的古老大洋板片(约85~52 Ma),暗示了这些冷的大洋板片可以在地幔转换带内存留数个百万年(Li and van der Hilst,2010;Wei et al.,2012),表明古老的太平洋俯冲板片会对中国东部的构造演化产生重要影响。
面波成像结果(Feng and An,2010)显示华北克拉通东部及华南块体东部的软流圈在150 km深度为明显的低速异常,扬子克拉通东部的岩石圈厚度 <100 km,明显低于扬子克拉通西部。S波接收函数研究结果(Sodoudi et al.,2006;Chen,2009;Shi et al.,2013)也显示华北克拉通东部及华南块体东部的岩石圈厚度较薄( <100 km)。噪声成像结果(Zhou et al.,2012)更发现,华夏块体及扬子克拉通东部岩石圈厚度仅约为70~80 km,明显小于扬子克拉通西部150 km以上的岩石圈厚度。利用P波接收函数对地幔转换带进行的研究表明,中国东部大部分区域下方660 km不连续面明显下沉或者表现为复杂的不连续面(Ai and Zheng,2003;Li and Yuan,2003;Chen and Ai,2009;Gao et al.,2010;Wang and Niu,2011),反映了停滞的冷的俯冲板片对地幔转换带的影响,暗示了俯冲的大洋板片对中国东部构造活动有重要影响。
人工地震研究(Zhang et al.,2005)发现,华南块体的地壳厚度自东南沿海向西北内陆逐渐增厚,江绍断裂两侧上地幔顶部波速存在横向差异,推测江绍断裂为扬子克拉通与华夏块体的边界。而根据He et al.(2013)的接收函数研究结果,江绍断裂附近的地壳厚度并无明显变化,反而是在扬子克拉通内部的九江—石台隐伏断裂附近,莫霍面深度存在明显变化,并据此认为九江—石台隐伏断裂(江南断裂)是扬子克拉通与华夏块体的缝合带。接收函数研究(Tkalčić et al.,2011)还发现华夏块体及扬子克拉通东部壳内平均泊松比偏低,表明整个地壳成分偏长英质,推测下地壳铁镁质组分可能已剥离。
中国东部的剪切波分裂结果(Zhao et al. 2007,2013)显示华北克拉通内部、扬子克拉通东西部间及华夏块体之间快波方向都存在差异性,可能反映了不同块体间构造演化的差异。Huang et al.(2011)对中国大陆进行了剪切波分裂研究,结果表明中国东部下方整体快波方向与欧亚大陆绝对板块运动方向接近,表明软流圈内存在较大范围内的剪切变形。
2 华南宽频地震观测2008~2011年,南京大学在SinoProbe-02-03的资助下,采用“分期分段”方式,先后在中国东南部的福建、江西、浙江和安徽地区布设了两条北西—南东向宽频地震测线,开展天然地震观测工作(图 1)。为研究华南壳幔结构及不同块体间的横向差异,福建—江西测线布设在南,浙江—安徽测线布设于北,两者近乎平行,均呈北西—南东向展布,自东南沿海沿北西向往内陆延伸。福建—江西测线横切华夏块体和扬子克拉通,浙江—安徽测线横跨华夏块体、扬子克拉通并延伸到了华北克拉通东南缘。两条测线近垂直横切东南部多条北东向延伸的重要断裂(图 1),如长乐—南澳断裂、政和—大埔断裂、江绍断裂、江南断裂、郯庐断裂等。华南宽频地震观测先后布设流动地震台站54台套,其中,福建—江西测线由26个地震台站组成,浙江—安徽测线由28个地震台站组成。测线相邻两台站间距为15~25 km,保证了沿测线方向具有较好的横向分辨率。各台站平均观测时长为10~12个月左右,观测期间记录了大量有效的地震观测数据。
华南宽频地震观测台站所采用的观测系统主要由英国的Guralp CMG-40T宽频带三分量地震计和美国的RefTek-130数字地震记录仪组成。该观测系统具有技术先进、自噪音低、携行方便、布设快捷、稳定性高、维护方便的特点,广泛应用于宽频地震观测、余震应急观测等领域,是目前国内外开展宽频地震观测研究的主流设备。华南宽频地震观测各台站选用三通道单数据流采集方式,事件触发类型为连续记录方式,记录长度为3 600 s,采样率为40 sps,记录格式为RefTek压缩格式,前端增益×1,采用外接GPS进行定位和系统时间校正。
3 华南壳幔结构与动力学研究接收函数和地震层析成像是研究地壳上地幔结构和横向不均一性的有效工具。通过接收函数H-k(H,k分别为台站下方平均地壳厚度和波速比VP/VS)搜索叠加可以获得地壳平均厚度和波速比,根据波速比的变化可以推测地壳成分的变化,与研究区的岩性分布和构造演化联系起来;通过接收函数共转换点(CCP)叠加则能得到莫霍面、410 km及660 km波速不连续面的特征,从而推断其深部构造特征。剪切波分裂是进行各向异性研究最为常用和有效的手段,通过剪切波分裂可以测量各向异性快波偏振方向和延时,进而推测各向异性的起源与成因及块体所经历的地球动力学过程。
南京大学利用福建—江西测线和浙江—安徽测线取得的地震观测数据,采用地震层析成像、接收函数及剪切波分裂等多种地震学方法对华南地区地壳上地幔的结构、各向异性和动力学等开展了研究,取得一些新的认识。
3.1 华南地震层析成像研究Huang et al.(2010)手工拾取了华南地区69个地震观测台站(图 2)记录到的257个远震地震事件产生的5 671条远震P波走时数据,采用Zhao et al.(1994,2006)的层析成像方法反演获得了东南沿海及台湾下方的上地幔三维P波速度结构(图 3,图 4)。这69个台站包括南京大学布设的福建—江西测线26个宽频带流动数字台站(NJU-FJ和NJU-JX)、福建省地震局36个固定数字台组成的福建地震台网(FJ-NET),以及7个台湾宽频带数字地震台网的固定台站(BATS)(图 2)。
图 3和图 4是通过远震层析成像反演获得的东南沿海及邻区上地幔速度结构。结果显示东南沿海上地幔具有很强的横向差异,沿海、台湾海峡下方存在低速异常,大陆内部和台湾下方有明显的高速异常。此外,沿海地区上地幔顶部表现为显著的高速异常。
Huang et al.(2010)认为沿海及台湾海峡下方上地幔中的强烈低速异常体可能与该地区晚中生代强烈的岩浆作用有关,这些低速异常可能是当时的岩浆房和岩浆通道,而沿海地区下方的低速异常更为明显,可能由于沿海地区火山活动时间更晚(沿海地区142~67 Ma,内陆地区为180~142 Ma),且活动更为强烈有关(Zhou and Li,2000;Zhou et al.,2006)。在新生代,东亚地区发生大规模的构造活动,太平洋板块、菲律宾海板块和印度(缅甸)板块在周缘发生强烈的俯冲碰撞(Yin,2010)。这些俯冲板块已经穿过地幔转换带进入下地幔,从而带动东亚地区的大地幔对流。下地幔物质进入上地幔,并沿着晚中生代岩浆通道上涌到浅部从而使上地幔表现为低速异常。
大陆内部扬子克拉通上地幔表现为高速异常,可能代表了扬子克拉通这一太古宙稳定块体的“根”部(Chen and Jahn,1998;Zheng et al.,2006)。台湾下方上地幔表现为明显的高速异常,且存在明显的横向差异。在台湾北部,北倾的高速异常从上地幔顶部一直延伸到地幔转换带;而在台湾南部,东倾的高速异常主要存在于上地幔。结合台湾地区的地震分布和前人研究成果(Bijwaard et al.,1998;Lallem and et al.,2001;Huang and Zhao,2006;Wang et al.,2009),Huang et al.(2010)认为这些高速异常分别反映了台湾北部向北俯冲的菲律宾海板块和台湾南部向东俯冲的欧亚板块。俯冲的欧亚(南中国海)板块在台湾南部是连续的。而在台湾中北部,由于与北西向俯冲的菲律宾海板块在深部发生碰撞,导致俯冲的欧亚板块被折断。在台湾下方提供了一个上地幔物质上涌的窗口。地幔热物质进入地壳,引起了台湾附近高的大地热流及造山带的快速隆升。同时,菲律宾海俯冲板片沿这个窗口向欧亚大陆下方俯冲,从而造成台湾附近俯冲方向的改变。
此外,在沿着海岸线的上地幔最顶部,存在非常明显的高速异常带,这一异常在Sn波成像上也有反映(Pei et al.,2007)。结合大地热流研究结果(Hu and Wang,2000),Huang et al.(2010)认为东南沿海地区广泛分布晚中生代的火山岩具有较高的镁铁组分,从而造成了上地幔顶部的高速异常。
3.2 华南地壳上地幔结构的接收函数研究(1)福建—江西测线
黄晖等(2010)从福建—江西测线记录中挑选出震级在5级以上、震中距在25°~90°之间的远震事件数据,计算并筛选出信噪比高、莫霍面震相PmS及多次波PpPmS清晰的接收函数(Langston,1979;吴庆举等,2003),江西地区共572个,福建地区共425个。再采用Zhu and Kanamori(2000)的H-k网格搜索和叠加方法来搜索确定莫霍面深度和波速比(泊松比)。图 5为福建—江西测线各台站下方的平均地壳厚度和泊松比。
结果显示,福建—江西测线下方莫霍面深度变化不大,起伏平缓。福建沿海地区莫霍面最浅,约为29 km,往内陆方向有变深趋势;江西地区莫霍面有轻微上凸的形态,至测线西北端九岭山地区莫霍面有加深趋势,约为34 km。测线所跨长乐—南澳断裂、政和—大埔断裂、赣江断裂、江绍断裂等北东向断裂,并没有引起莫霍面深度的明显变化。
泊松比(σ)不仅是研究地壳物质成分的重要参数,也是研究地壳介质力学的重要参数。已有研究结果表明,σ <0.24的介质含有相对较高的SiO2含量,而σ > 0.25的介质含有相对较高的铁镁质矿物成分,地壳中的流体或部分熔融的介质可有较高的VP/VS值(Christensen,1996)。这意味着含有流体或部分熔融体的地壳平均泊松比较大,高泊松比介质更容易在外力的作用下产生横向变形。
福建—江西测线台站下方地壳泊松比为0.19~0.27,平均为0.24。福建地区泊松比为0.25±0.03,基本在正常的地壳平均泊松比范围内。漳州地区泊松比最高,为0.27,地热研究表明漳州—福州地区为异常高热流带(袁玉松等,2006),推测该地区较高的泊松比可能是由下地壳部分熔融引起的。江西地区泊松比为0.19~0.26,江绍断裂东南台站的泊松比为0.24~0.26,在正常的地壳平均泊松比范围内;江绍断裂西北台站的泊松比异常低,为0.19~0.22,表明该区地壳成分中的SiO2含量较高。该区域属于扬子克拉通,其地壳尤其是中下地壳主要由长英质岩石组成,且处于华夏块体与扬子克拉通的碰撞缝合带,在构造挤压缩短(增厚)过程中,长英质岩石易形成褶皱和推覆构造,所以造成泊松比随地壳厚度增加而减小(嵇少丞等,2009)。这进一步表明江绍断裂是华夏块体与扬子克拉通的边界。
(2)浙江—安徽测线
黄晖(2013)和Huang et al.(2014)利用浙江—安徽测线(图 6)各台站观测期间记录到的震中距30°~90°的远震直达P波数据、震中距在30°~180°之间远震PP、PcP与PKP震相数据,分别计算了各台站的远震P波接收函数。经过筛选,共获得具有较高信噪比的远震直达P波接收函数971条、远震PP波接收函数125条、远震PcP波接收函数122条及远震PKP波接收函数20条。
对这些接收函数同样采用H-k网格搜索和叠加方法进行台站下方平均地壳厚度和波速比的估算,并根据台站所在构造单元对H-k搜索结果进行归类与平均(图 7)。为改善空间分辨率,再将经过时深转换(Eagar et al.,2011;Eagar and Fouch,2012)后的接收函数分别在0~100 km和300~750 km深度范围内按共转换点进行CCP叠加(Dueker and Sheehan,1997;Zhu,2000),得到不同深度范围内转换波的不连续面信息(图 8,图 9)。
接收函数H-k搜索叠加结果(图 7)表明,整条测线的地壳厚度为29.3~36.3 km。不同构造单元间地壳厚度存在明显的横向差异。从华夏块体到扬子克拉通,以及从扬子克拉通到华北克拉通,地壳有逐渐变厚的趋势。江绍断裂两侧莫霍面有约4 km的错断,支持江绍断裂是华夏块体与扬子克拉通间的边界断裂。扬子克拉通内部,江南断裂附近莫霍面深度也有明显变化,表明该断裂可能是华南块体内部一个重要的边界断裂,值得进一步研究。测线各台站波速比为1.69~1.83,各构造块体波速比平均值均小于全球大陆地壳平均波速比(1.78;Z and t and Ammon,1995),表明研究区下地壳总体铁镁质组分偏低。以江绍断裂为界,扬子克拉通1波速比低于华夏块体。郯庐断裂附近部分台站波速比较高(>1.78),可能表明地壳平均矿物组成中的铁镁质或者石英质成分有局部的变化。
0 ~100 km深度的接收函数CCP叠加结果(图 8)除了揭示与H-k叠加结果相似的地壳厚度变化特征外,还在约50~70 km深度出现较明显的负震相,可能对应了研究区较薄的岩石圈厚度,可能与中国东部中生代的拉张减薄作用有关(Ren et al.,2002;Chen et al.,2010)。300~750 km深度的接收函数CCP叠加结果(图 9)显示,410 km不连续面相对平坦,而660 km不连续面的深度沿测线方向变化明显,北纬约29°以北区域明显深于以南区域。华夏块体地幔转换带厚度在250 km左右,接近IASP91标准模型,而扬子克拉通地幔转换带厚度大于250 km,表明扬子克拉通地幔转换带底部处于相对较冷的环境(Huang et al.,2014)。层析成像结果(Huang and Zhao,2006;Wei et al.,2012)显示,中国东部地幔转换带内的高速异常从北向南逐渐变弱,到北纬约28°以南区域几乎消失,而这些高速异常通常推测为停滞在地幔转换带内的古太平洋板片或中生代克拉通碰撞的残留(Li and van der Hilst,2010;Wei et al.,2012)。正是由于地幔转换带内存在较冷的古板片,才导致扬子克拉通地幔转换带的厚度大于250 km。华夏块体正常的地幔转换带厚度对应了浙江沿海地区晚中生代火山岩广泛出露区域,而扬子克拉通地区地幔转换带厚度较厚,且晚中生代以来岩浆作用较弱,可能是由于华夏块体的地幔转换带内的冷的板片在晚中生代时期通过脱水作用引发了大规模的岩浆作用,而扬子克拉通地区晚中生代构造岩浆活动较弱,现今仍在地幔转换带之内残留有古板片。
3.3 浙江—安徽测线剪切波分裂研究远震核震相(SKS、PKS和SKKS等,简称XKS)的剪切波分裂反映了自核幔边界转换点到观测台站下方整个路径上各向异性的积分效应,而莫霍面PS转换波(PmS)的分裂则反映了壳内的各向异性。两种剪切波分裂结果的对比分析能有效区分、确定地壳和地幔的快波方向及相对强度,进而对壳幔变形的耦合和变形机制进行有效研究。Huang et al.(2013)利用了浙江—安徽测线的观测数据,采用最小切向能量方法(Silver and Chan,1991)和旋转互相关方法(Bowman and Ando,1987)对XKS及经由P波接收函数提取的PmS进行剪切波分裂分析,并对浙江—安徽测线研究区的地壳上地幔的变形特征和机制进行了研究。
XKS波分裂结果(图 10)显示快慢波延时平均约为1 s,相邻块体间快波方向有很大的差异,华夏块体为北东—南西向,扬子克拉通为北西—南东(扬子克拉通1)和北东东—南西西向(扬子克拉通2),华北克拉通东南部主要为北西西—南东东向。为确定XKS各向异性差异产生的深度而进行的菲涅尔带分析(Alsina and Snieder,1995;Rümpker and Ryberg,2000)结果显示,华夏块体与扬子克拉通的岩石圈各向异性存在明显的横向变化,表明以江绍断裂为界,两者的构造演化过程有显著差异。扬子克拉通内部两个以江南断裂为边界的块体(扬子克拉通1和扬子克拉通2),其快波方向也呈近90°变化,表明江南断裂是扬子克拉通内部一条重要的边界。另一方面,在华北克拉通东南部快波方向近平行于秦岭—大别造山带的走向,同时也近似平行于板块绝对运动方向,在上地幔较深部存在各向异性的横向变化,这表明郯庐断裂附近存在较深部的各向异性,可能对应了深部的地幔流动变形(黄晖,2013)。
PmS分裂结果(图 11)显示,地壳各向异性在研究区下方普遍存在,但快慢波时差大部分小于0.3 s,比较地幔的各向异性(约1 s),地壳各向异性相对较弱,表明研究区的各向异性主要源于地幔。快波方向有着明显的横向变化,但结果较为分散。AH05、AH08及AH15台站的快波方向与郯庐断裂走向近似,而AH14台站的快波方向与秦岭—大别造山带的走向近似,但与XKS之间的关系仍需进一步研究。
南京大学利用布设于华南的两条宽频流动地震测线取得的地震观测数据,采用地震层析成像、接收函数及剪切波分裂等方法对华南地区地壳上地幔结构、各向异性和动力学等开展了研究工作,得到以下几点结论。
(1)中国东南部上地幔具有很强的横向差异性。上地幔中存在的强烈低速异常体可能对应了晚中生代强烈岩浆作用时的岩浆房和岩浆通道。台湾下方上地幔存在南北方向横向差异明显的高速异常,分别是台湾南部向东俯冲的欧亚板块及台湾北部向北俯冲的菲律宾海板块。俯冲的欧亚(南中国海)板块在台湾南部是连续的,而在台湾中北部,由于与菲律宾海板块的相互作用,欧亚俯冲板块被折断。
(2)福建—江西测线地壳厚度约为29~34 km,浙江—安徽测线地壳厚度约为29~36 km,均表现为自东南沿海向西北内陆方向逐渐增厚。江绍断裂在福建—江西测线并未引起莫霍面深度的明显变化,而在浙江—安徽测线则引起莫霍面约4 km的错断。
(3)浙江—安徽测线的410 km间断面深度无明显变化,而660 km间断面则在北纬约29°以北区域明显变深,地幔转换带增厚区域位于扬子克拉通,可能是由地幔转换带底部停滞的冷的古太平洋板片或中生代克拉通碰撞残留造成的。
(4)华南两条测线均显示,江绍断裂西北的扬子克拉通泊松比(波速比)低于断裂东南的华夏块体,表明扬子克拉通地壳较华夏块体更偏长英质,进一步证明江绍断裂是华夏块体与扬子克拉通的边界。
(5)浙江—安徽测线的剪切波分裂结果显示,华夏块体的快波方向总体上呈北东—南西方向,与区域构造线方向基本一致,与板块绝对运动方向近垂直。扬子克拉通快波方向以江南断裂为界,北西侧为北东东—南西西方向,东南侧为北西—南东方向,表明江南断裂是扬子克拉通内部重要的边界。华北克拉通快波方向为北西西—南东东,基本与板块绝对运动方向一致,表明其下的软流圈在太平洋板块俯冲作用下发生北西西—南东东向的流动,其变形机制与华夏块体截然不同。
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