中國東北地殼結構的地震層析成像

李洪麗,劉 財,2,田 有,2,范 豪

1.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026 2.長白山火山綜合地球物理教育部野外科學觀測研究站，長春 130026

0 引言

中國東北地區(qū)處于中朝克拉通和西伯利亞板塊之間，東邊與西太平洋俯沖板塊相鄰。由于西太平洋板塊俯沖影響，形成以擴張為主、局部壓張的構造格局[1]。區(qū)內(nèi)形成了一系列北東向、北東東向為主的盆-山構造單元，并分布著眾多火山(長白山、五大連池、阿爾山等)，同時伴有強烈的地震活動與火山作用，是研究中國內(nèi)陸地震與火山活動、盆-山構造及板塊活動的重要區(qū)域。

地震層析成像方法可以直接獲取地球內(nèi)部三維速度結構，是研究地球內(nèi)部結構最為有效的方法之一。盧造勛等[2]收集了1980—1997年間的38 000多條P波走時資料，對中朝克拉通東北緣地區(qū)做了地震層析成像方法研究，結果表明研究區(qū)域下地殼內(nèi)低速層上方的高速脆性介質(zhì)是強震經(jīng)常發(fā)生的地帶。趙金仁等[3]在長白山天池火山區(qū)做了上地殼的三維速度結構層析成像研究，結果表明天池火山口下方及周邊有明顯的低P波速度異常體分布和高vP/vS(vP、vS分別為縱、橫波速度)分布，并推測該區(qū)介質(zhì)處于“軟化高溫”的狀態(tài)。趙大鵬等[4]對長白山及鄰近地區(qū)的地殼和上地幔三維速度結構進行了詳細研究，結果顯示長白山火山區(qū)的地殼和上地幔中存在深達400 km、寬約200 km的顯著低速異常，而在地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)存在明顯高速異常體，推測是滯留的太平洋俯沖板片，這表明長白山火山并不是一種與地幔柱相關的板內(nèi)熱點火山，而是一種與太平洋板塊俯沖及其在地幔轉(zhuǎn)換帶中滯留、脫水等過程密切相關的弧后板內(nèi)火山。Zhao等[5]的研究結果也驗證了上述結論。田有等[6]收集東北及華北地區(qū)部分臺網(wǎng)所接收的近震及遠震走時資料,獲得了東北地區(qū)地殼與上地幔三維P波速度結構，結果顯示東北地區(qū)地殼與上地幔具有較強的橫向不均勻性，整體呈現(xiàn)兩個明顯的低速異常條帶，分別為沿長白山一線與松遼盆地地區(qū)。區(qū)域地震層析成像結果顯示,阿爾山和長白山火山下方都有延伸至地幔轉(zhuǎn)換帶中的低速異常，而五大連池火山下方的低速異常延伸至200 km左右，表明長白山、阿爾山火山與五大連池火山形成原因存在差異[7-8]。

以往成像研究表明，高分辨率的地球內(nèi)部速度結構和地震分布能夠很好地反映地下構造，而且淺層速度結構與地質(zhì)構造單元有很好的對應關系[9-10]。上述在中國東北地區(qū)的研究主要針對地殼和上地幔整體結構展開，成像分辨率較低。雖然人工源深反射探測可以獲得中國東北局部地區(qū)高分辨的地殼和上地幔頂部精細結構[11-12]，但二維觀測無法覆蓋整個區(qū)域。迄今為止，未見到針對中國東北地區(qū)地殼結構的高分辨率成像研究工作。因此，本次研究利用東北臺站收集到的東北地區(qū)淺層地震走時資料，獲得東北地殼和上地幔頂部P波、S波速度結構，進而獲得泊松比結構，并深入探討該區(qū)地殼結構的不均勻性特征，研究盆地與周邊造山帶關系以及中國東北活火山(五大連池、長白山等)殼內(nèi)結構。

1 地震層析成像方法與數(shù)據(jù)選取

1.1 地震層析成像方法

本研究采用近震走時層析成像方法[13]。該方法在傳統(tǒng)的體波層析成像方法基礎上作了進一步的改進：一是在速度模型中人為引入了速度間斷面，使之更加接近地下真實情況；二是對傳統(tǒng)的近似彎曲射線追蹤算法[14]引入了斯奈爾定律來確定間斷面處的射線路徑，使之能更好地適用于多個復雜速度間斷面的情況。近30年來，該方法不斷地改進與完善，使得該方法已經(jīng)能夠很好地適用于近震成像、遠震成像、近遠震聯(lián)合成像、各向異性層析成像、全球?qū)游龀上窈退p層析成像等[15-18]。目前，該方法已經(jīng)成為研究地下結構最常用的層析成像方法之一。

地震波自震源處激發(fā)，經(jīng)過不同傳播路徑，然后由分布于地球表面的地震臺站記錄下來。利用觀測走時(tobs)與理論走時(tcal)獲得走時殘差(δt)，可以用它對速度參數(shù)和震源參數(shù)的偏導數(shù)之和來表示：

(1)

式中：θ、φ和h分別為震源的經(jīng)度、余緯度和深度；N為速度模型中速度參數(shù)的數(shù)目；Δθ、Δφ、Δh、Δt0和Δvn分別表示震源經(jīng)度、余緯度、深度、發(fā)震時間和速度參數(shù)的變化；E表示高次項誤差。

由式(1)可以看出，走時殘差與震源參數(shù)、速度參數(shù)之間的關系并不是線性的。因此實際計算中將非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題，以便建立一個大型觀測方程組。

球坐標系下走時對震源參數(shù)的偏導數(shù)可表示為：

(2)

(3)

(4)

式中：R為地球半徑；i為離源角；α為震中相對于臺站的方位角；v為震源附近地震波速度。

泊松比參數(shù)是研究地球內(nèi)部巖石物理屬性的重要物理量[19]。因此本研究還對泊松比進行了求取，泊松比的求取公式為

(5)

因此，可以利用得到的P波和S波速度來求取泊松比的分布。實踐證明，利用泊松比的分布來判斷地殼介質(zhì)中是否含有熔融體或流體是十分有效的[19]。

1.2 地震層析成像數(shù)據(jù)

本次研究使用了東北地區(qū)固定臺網(wǎng)的臺站數(shù)據(jù)，所用臺站384個。如圖1所示，臺站基本覆蓋東北大部分區(qū)域，但在大興安嶺及黑龍江省北部地區(qū)臺站較為稀疏。地震事件分布如圖2所示，收集并篩選了1974—2013年間發(fā)生的部分區(qū)域地震事件共10 674個，每個地震P波和S波旅行時數(shù)據(jù)數(shù)目大于6。最后用于反演的P波和S波旅行時數(shù)據(jù)共192 010個，其中P波數(shù)據(jù)100 980個，S波數(shù)據(jù)91 030個。

白色三角代表火山；黑色三角代表臺站；黑線虛線表示主要斷層分布；實線表示盆地邊界；AA’和BB’表示兩條地震層析成像剖面位置。

叉號代表地震；黑線表示主要斷層分布。

2 地震層析成像分辨率分析

本研究使用了近震層析成像方法，使用P波和S波旅行時走時數(shù)據(jù)進行速度結構反演，在模型空間中設置33×53×6的三維網(wǎng)格節(jié)點并考慮了Moho間斷面的起伏變化，其中研究區(qū)域水平方向為110°E—135°E，39°N—54°N，網(wǎng)格節(jié)點間距0.5°，深度分別為2、10、20、35 km，并在每個方向上加入首尾節(jié)點，以便用于初始插值。理論走時的計算采用IASP91全球速度模型[20]。

本次研究采用了檢測板分辨率測試法，在測試中，使用的網(wǎng)格間隔為0.5°。首先在速度模型中的格點輸入正負相間、大小為3%的速度擾動，然后根據(jù)研究所用臺站和地震計算合成走時數(shù)據(jù)，再對該合成數(shù)據(jù)進行反演。如果反演獲得的速度模型與輸入的模型速度擾動分布相似且數(shù)值接近，則認為模型分辨率高，反之則較差。在實際反演中，我們只討論這些分辨率較高的區(qū)域速度結構。圖3和圖4展示了P波和S波分辨率檢測結果。

圖3 P波檢測板測試結果

圖4 S波檢測板測試結果

在較淺部區(qū)域(<20 km)，反演結果的好壞與臺站分布有直接對應關系。由于研究區(qū)域的中部松遼盆地內(nèi)部缺乏臺站且收集的地震數(shù)據(jù)較少，射線覆蓋較差，因此分辨率較低；而在研究區(qū)域的松遼盆地邊界及下部臺站較密集、地震事件較多，射線覆蓋較好，因此分辨率較高。在包含莫霍面的較深區(qū)域(30～40 km)分辨率整體都是較好的。對于本次研究的主要目標，松遼盆地邊界造山帶及莫霍面附近的分辨率認為都是較好的，因此反演結果還是比較可信的。

3 地震層析成像結果與討論

圖5展示了東北地區(qū)4個代表性深度上的P波和S波速度異常與泊松比結構。垂直剖面上的P波、S波速度結構及泊松比分布如圖6所示，剖面位置見圖1。由圖5可以看出，P波和S波速度異常在淺部分布大體呈條帶狀，走向與地表構造走向基本一致，呈北東向。2 km速度擾動圖像與地表盆山構造有很好的對應性：大興安嶺重力梯級帶、長白山及燕山造山帶大體呈高速，局部高速異常明顯；松遼盆地由于成像分辨率較低，在2 km深度的成像結果上并未整體表現(xiàn)為低速異常，但隨著深度的增加，在10 km深度的速度分布圖上松遼盆地主要表現(xiàn)為低速異常，尤其是S波速度，表明松遼盆地的沉積層較厚。而隨著深度增加，大興安嶺造山帶與燕山造山帶表現(xiàn)出大尺度的低速異常。在典型的火山區(qū)(五大連池、長白山)速度異常呈現(xiàn)較明顯的低速異常。中下地殼的速度結構與淺部速度結構恰好相反，松遼盆地主要以高速異常為主，一直延伸至上地幔頂部。區(qū)域地震層析成像結果顯示在松遼盆地下方上地幔內(nèi)表現(xiàn)為顯著的高速異常體，表明可能存在巖石圈拆沉作用[21]。

剖面位置見圖1。紅色三角代表火山；圓圈代表地震；黑色實線代表Moho面。

大興安嶺—太行山—武夷山重力梯度帶縱貫中國大陸，將中國大陸劃分為東部和西部兩大構造單元[22]，其形成和后期演化備受關注。接收函數(shù)獲得的東北地區(qū)地殼厚度和地表起伏變化總體上顯示鏡像關系[23]，而大興安嶺和松遼盆地地區(qū)更為明顯。松遼盆地、大興安嶺過渡區(qū)域高程變化較大，對應莫霍界面深度也是陡增，在盆山交界處形成一個Moho界面深度陡變帶，北東向展布，與地表構造展布方向一致，且和大興安嶺重力梯度帶幾乎重合。速度層析成像結果顯示大興安嶺造山帶主要以低P波和低S波速度異常為主，低泊松比結構(圖5、6)，表明在造山期或造山后期具有較強的巖漿上涌作用；泊松比結構上主要表現(xiàn)為低值，表明巖漿部分熔融程度或流體含量較低。重力梯度帶在早白堊世開始形成，而古太平洋板塊大致在晚三疊世或早侏羅世開始向歐亞大陸俯沖。地球化學研究認為華北克拉通東部塊體與西部塊體差異性的巖石圈減薄是太平洋板塊在中國東部俯沖造成的，這也是重力梯度帶形成的主要原因[22]。太平洋板片俯沖引起大地幔楔內(nèi)大規(guī)模的熱物質(zhì)對流，對重力梯度帶的形成具有促進作用。地球物理研究認為大興安嶺地殼結構在形成過程中，地殼的增厚以長英質(zhì)上地殼增厚為主，其波速比變化可能也與陡變帶東側地殼構造拉伸作用有關[24]，基于大范圍的低速異常特征，本研究得到同樣的結論。中國東部地區(qū)地震學成像研究表明，太平洋俯沖板塊的前緣位置基本到達大興安嶺重力梯度帶下方的地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)，大興安嶺以西的地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有明顯的高速異常體，推測西太平洋俯沖板片前端存在于中國東北腹地，但是并未越過重力梯度帶[21]?；谏鲜鲇懻摚茰y大洋板塊深部俯沖導致的地幔物質(zhì)對流，使得幔源熱物質(zhì)進入到大興安嶺下方的地球內(nèi)部，高密度的幔源物質(zhì)是導致該區(qū)具有較大正重力異常的主要原因。上升地幔熱流在大興安嶺重力梯級帶的形成和后期演化階段均起到關鍵作用。

黑色三角代表中、新生代火山；紅色三角表示第四紀火山；虛線表示主要斷層。

中國東北中、新生代以來火山活動強烈，現(xiàn)今還存在具有潛在噴發(fā)危險性的火山，比如五大連池火山和長白山火山。所以火山深部結構一直以來都是地學界關注的熱點。本次研究收集了東北地區(qū)絕大部分臺站和地震數(shù)據(jù)，其成像分辨率相比前人研究更高，并獲得了更精細的地殼結構。在鏡泊湖與長白山火山下方存在明顯低速異常，可能與軟流圈熱物質(zhì)上涌有關，結合泊松比分布，推測鏡泊湖火山巖漿囊分布于中上地殼，因為該深度范圍速度異常普遍偏低，泊松比偏高，可能是由于巖漿囊內(nèi)熱物質(zhì)融熔所致；而在長白山下方巖漿囊除了在中地殼外，下地殼也可能存在巖漿房。長白山火山Moho面較厚，約為41 km，同時火山中下地殼和西南區(qū)域整體具有高泊松比結構特征。大地電磁資料反演獲得結果顯示在長白山火山地殼內(nèi)部存在較大范圍的低阻體，推測為火山殼內(nèi)巖漿囊，并向深部延伸[25]。接收函數(shù)與背景噪聲數(shù)據(jù)聯(lián)合反演顯示長白山火山中地殼5～15 km深度存在大范圍的低速異常[26]。地震學成像研究表明太平洋板塊向地幔俯沖，在地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)部脫水，造成410 km附近地幔物質(zhì)部分熔融。地幔對流作用使得熱物質(zhì)上涌到火山下方的上地幔和地殼內(nèi)部，表現(xiàn)為低速和低阻異常[26-27]?；诒疚牡某上窠Y果推測長白山火山下方地殼內(nèi)存在大量幔源的鐵鎂質(zhì)物質(zhì)，高溫的幔源物質(zhì)在地殼內(nèi)產(chǎn)生部分熔融，表現(xiàn)為高泊松比特征。龍崗火山具有相似的特征，但S波低速異常不明顯。五大連池火山下方中下地殼也存在低速異常體，高泊松比異常，但與長白山火山不同的是地殼厚度相對較淺，可能表明該區(qū)幔源巖漿底侵作用相對較弱。中國東北地區(qū)活火山下方的地震波速度和泊松比結構表明火山仍存在活動的可能。

中國東北礦產(chǎn)資源豐富，沿長白山山脈、大興安嶺和小興安嶺造山帶均有大型成礦帶[28-29]。固體礦床的形成與頻繁的巖漿活動密切相關。層析成像結果上看, 沿上述3個造山帶下方地殼和上地幔頂部均分布有較大范圍的低速異常。顯著低速異常表明曾經(jīng)發(fā)生過強烈的、廣泛的巖漿作用。低速的軟流圈物質(zhì)通過破裂的巖石圈上涌到地殼內(nèi)，與地殼物質(zhì)同熔為固體礦產(chǎn)資源的形成提供物源。

4 結論

本研究利用東北地區(qū)大量臺站和區(qū)域地震數(shù)據(jù)，采用地震層析成像方法首次反演了該區(qū)高分辨率P波、S波速度模型，并進一步獲得泊松比結構，結合本區(qū)構造特征，獲得以下主要結論：

1)東北地區(qū)地殼具有較強的橫向不均勻性，淺層速度異常大體呈北東向，與地表形態(tài)有很好對應性，大興安嶺造山帶、長白山造山帶呈現(xiàn)高速異常，松遼盆地呈現(xiàn)低速異常，但是這種對應性隨著深度增加卻變得相反，推測與太平洋俯沖與后撤導致的巖石圈拆沉、熱物質(zhì)上涌等動力學過程有關。

2)大興安嶺重力梯級帶下方低速異常延伸至上地幔頂部，結合區(qū)域成像結果推測其形成、后期演化與大洋板塊深部脫水、地幔流引起的較熱和較濕的軟流圈物質(zhì)的上涌作用密不可分。大興安嶺、小興安嶺和長白山上地幔和地殼發(fā)生的強烈、廣泛巖漿作用為固體礦產(chǎn)資源的形成提供了熱源或物源。

3)五大連池、長白山火山下方存在顯著的低地震波速度和高泊松比結構異常，推測火山下方地殼內(nèi)存在巖漿囊，但五大連池火山與長白山火山Moho面深度差別較大，表明其深部巖漿作用機制存在差異。

致謝：日本東北大學趙大鵬教授提供了地震層析成像程序(TOMO3D)，中國國家地震局數(shù)據(jù)中心提供了地震波走時數(shù)據(jù)，在此表示感謝！