华北克拉通中西部地壳S波速度结构及其地质意义_侯爵.pdf
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1、第 卷 第期 年月地球物理学报 ,侯爵,潘佳铁,李永华等 华北克拉通中西部地壳波速度结构及其地质意义地球物理学报,():,:,.(),():,:华北克拉通中西部地壳波速度结构及其地质意义侯爵,潘佳铁,李永华,武振波,俞贵平,徐涛,中国地震局地球物理研究所,北京 中国科学院地质与地球物理研究所,岩石圈演化国家重点实验室,北京 中国科学院大学,北京 成都理工大学地球物理学院,成都 桂林理工大学地球科学学院,桂林 中国科学院地球科学研究院,北京 摘要华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一我们利用布设于华北中部的 计划 个宽频带地震台阵的连续波形资料,基于背景噪声成像技术,获得了克拉通中西部 的 波群速
2、度频散曲线,并利用线性反演方法获得了研究区地壳上地幔顶部的波速度结构 密集流动地震台阵使我们能够揭示研究区精细的地壳上地幔顶部速度变化,以深入探讨华北克拉通中西部深部结构及其对岩浆和地震的控制作用 深度的波速度切片显示低速与高速异常分别与地表的盆地和山脉对应良好 不同经度和纬度方向的 波速度剖面均表明,西部克拉通地壳大致可以分为上、中、下地壳三层 克拉通西部鄂尔多斯块体的下地壳波速度介于 ,暗示其下地壳以长英质岩石为主 大同火山区下方的波低速异常从中地壳延伸至上地幔顶部,推测源自软流圈的地幔热流提供了近垂直的主干上涌通道,并控制了该区新生代岩浆活动 强震集中分布在上地壳高速体内部或高低速相间区
3、,其下地壳乃至上地幔顶部都呈现明显的低速异常,推测源自上地幔下地壳的深部热流沿地壳尺度的陡深断裂上侵,诱发上覆高应力刚性块体发生蠕动破裂与应力释放,进而诱发大震关键词华北克拉通;地壳结构;中部造山带;背景噪声;孕震背景 :中图分类号 收稿日期 ,收修定稿基金项目国家自然科学基金(,)和王宽城教育基金()联合资助第一作者简介侯爵,男,年生,副研究员,主要研究方向为地震学 :通讯作者李永华,男,年生,研究员,主要研究方向为地震学 :,()期侯爵等:华北克拉通中西部地壳波速度结构及其地质意义 ,;引言克拉通是形成于前寒武纪的大陆块体,通常具有巨厚的低温、低密度且难熔的岩石圈根,在地质史上长期保持稳定
4、(,)华北克拉通是世界上最古老的克拉通,中生代以来该克拉通岩石 圈 遭 受 了 强 烈 的 改 造 与 破 坏(朱 日 祥 等,)华北克拉通破坏的空间范围、深部过程和发育机制研究已取得重大进展,但尚存争议(,;,;朱日祥等,;朱日祥和徐义刚,)与华北东部克拉通相比,其西部克拉通研究相对薄弱 业已发现,华北克拉通西部比东部有着较弱的改造程度,目前仍残留较厚的岩石圈,同 时 具 有 较 低 的 大 地 热 流 值(,)以鄂尔多斯地块为核心,其深部保留 厚的岩石圈根,周缘的银川河套和陕西山西裂陷区岩石圈已显著减薄(),并伴有强烈的新生代岩浆活动(,;,;,),发育环鄂尔多斯活动地震带(王椿镛等,)这
5、些观测结果反映:华北克拉通东部与西部具有不尽相同的构造发育历史、较大的深部结构差异和不同的岩石圈减薄机制 然而,目前对西部陆块的深部结构探测资料还相对有限,制约了对上述问题的深入认识和理解环鄂尔多斯地震带是中国大陆地震带之一,多数的大地震主要发育在银川河套和汾渭地堑(王椿 镛 等,),受张性和张扭性 断裂控制(,)以大同火山群为代表的新生代火山活动主要集中于上述两个断陷带交汇部位,部分向南沿太行山脉断续发育(汤艳杰等,)增进对这些地震与火山的孕育背景和发育机制的理解,探索大震孕震环境和深部过程,迫切需要更系统、更清晰地揭示鄂尔多斯地块及其周缘地区的深部结构特征李清河等()较早研究了鄂尔多斯西缘
6、和西南缘地区的深部结构特征,并探讨了区内大震孕震环境和深部动力学过程近年来,前人又利用远震体波成像(,)、背景噪声和地震面波成像(,;,;,地 球 物 理 学 报()卷 ,;,;窦立婷等,;刘靖等,;黄翔等,;,)、接收函数(,;,;,;,)和人工地震反射(赵金仁等,;李松林等,;阮小敏等,;张永谦等,;,;,;许 林 斌 等,;,;,)等手段,进一步揭示了该区深部结构的总体特征或一些局部区域的高分辨率结构本文针对西部克拉通深部结构及新生代火山地震的深部环境问题,开展了基于背景噪声的面波群速度层析成像研究,期望对认识和理解上述问题有所启迪地质背景图展示了华北克拉通简要构造格架 克拉通基底由三个
7、太古宙微陆块(即,东部陆块、阴山地块和鄂尔多斯地块)和两个早元古宙碰撞造山带或构造活动带(即,孔兹岩带和华北中部带)构成 阴山碰撞带(孔兹岩带)位于鄂尔多斯地块北缘,是一条近东西向展布、长达 的早元古宙碰撞型造山带(,),其变质作用显示等温降压型顺时针演化特征,反映阴山地块与鄂尔多斯地图研究区简要构造格架与地震台站分布图绿色三角形表示宽频带地震台站;黑色实线表示华北克拉通边界及内部块体分界;紫色虚线表示本文所截取的速度剖面位置;红色圆点表示历史上发生的级以上地震;黑色圆圈表示级以上地震,时间范围为 年;淡黄色区域代表新生代玄武岩(汤艳杰等,);蓝色圆点代表分布有玄武岩的地名 :吕梁造山带;:华
8、北克拉通西部块体;:华北克拉通中部造山带;:华北克拉通东部块体;:中亚造山带;:孔兹岩带;:阴山块体;:大同;:繁峙;:平定;:昔阳;:左权;:鹤壁 ;(,);:;:;:;:;:;:;:;:;:;:;:;:;:期侯爵等:华北克拉通中西部地壳波速度结构及其地质意义块于 发生陆陆碰撞拼合形成克拉通西部陆块的构造演化过程(赵国春,)中部造山带(,)位于鄂尔多斯地块东缘,是一条介于东部陆块与西部陆块之间的早元古宙活动带,其变质岩系演化均以顺时针轨迹为特征,并且多具有等温降压演化过程,反映西部陆块与东部陆块于 发生陆陆碰撞拼合,形成华北克拉通统一基底(赵国春,)鄂尔多斯地块是克拉通西部陆块的主体和核心,
9、被上述两条早元古宙造山带及叠加其上的新生代银川河套和山西陕西断陷系围限 鄂尔多斯地块具有太古代变质基底,中生代发育内陆河湖相沉积盆地,并显示西部坳陷东部斜坡构造格局(陈刚等,)银川河套断陷系发育在太古界的乌拉山群及下元古界阿拉善群变质基底之上,主要由一系列新生代箕状断陷盆地构成,该断陷系是我国西部地震活动区之一 除公元前年河套大地震和公元 年包头西级地震外,年以来发生级以上地震次,集中在阿拉善左旗、包头、丰镇、五原和林格尔等地(杨彦明等,)山西陕西断陷系形成于上新世,由一系列新生代断陷盆地组成,自北东向南西依次为延庆怀来、蔚县、大同阳原、灵丘、忻州定襄、太原、临汾、运城、灵宝、渭河等十个盆地,
10、受北东向雁行式剪切拉张破裂断陷带所控制(李树德,;张世民等,)山西陕西断陷系也是我国大陆强震活动带之一 有史记载以来共发生级地震次,级地震次,级地震 次 其中,级以上大震重复发生在忻定盆地、灵丘盆地、临汾盆地和渭河运城灵宝三盆地的结合部位(张世民等,)数据与方法本文利用中国地震科学台阵探测项目()第二期部分台站和第三期一阶段在华北中西部布设的宽频 流 动 台 阵(图)连 续 波 形 数 据(黄 翔 等,;刘靖等,),开展了基于背景噪声的面波群速度层析成像 该台阵布设于 年 月至 年月,统一采用 地震计(频带:)和 数据采集器,平均台间距 该台阵主要覆盖了华北克拉通西部陆块(鄂尔多斯块体)东部(
11、)、东部陆块西部()、中部造山带()以及中亚造山带南部(),大致在 和 之间 数据预处理本文基于图中宽频带地震台站的垂向连续波形记录,采用互相关算法提取 面波信号在进行互相关之前,参照 等()提出的处理流程对台站资料进行了预处理,主要包括:连续波形重采样至、去均值、去线性趋势、去仪器响应、带通滤波()、基于滑动平均的时间域归一化和频谱白噪化等处理 经上述预处理后,将每个台站的垂向连续记录截取为一天的数据段,然后不同台站的记录之间进行互相关计算,再将同一台站对不同天的互相关结果在时域叠加,获得该台站对的高信噪比叠加互相关波形 最后,为进一步提高波形数据信噪比,将每个台站对的叠加互相关函数进行倒序
12、后再与其本身叠加,从而实现互相关波形中“正负分支”相加,获得关于延迟时刻为零处左右对称的互相关波形 图展示了部分 带通滤波后的 (背景噪声互相关函数),可见清晰的地震面波信号图对称叠加后的背景噪声互相关函数波形()提取群速度频散曲线以上述过程获得的不同台站对的高信噪比叠加互相关波形为基础,采用基于连续小波变换的时频分析方法(,)提取了群速度频散曲线 为了保障此过程中提取出可靠的频散曲线,要求台站对间距大于倍波长且波形信噪比大于,最终获得了周期 的 波群速度频散曲线,如图 所示,灰线为全部的混合路径频散曲线,黑色实线为平均频散曲线 图 展示了不同周期对应的测量数目,周期 的频散曲线数量最多,近万
13、条;周期 的频散曲线数量最少,约 条地 球 物 理 学 报()卷图()周期 的 波群速度频散曲线;()不同周期的频散曲线数量统计 ();()群速度层析成像由上述过程提取的频散曲线,是台站对之间面波传播路径上介质速度结构的平均响应,因此称之为混合路径频散曲线 接下来,将研究区域进行网格化划分,网格间距设为 ,进一步利用 等()提出的线性反演方法将混合路径频散曲线反演到每个网格点上,获得不同网格点处反映其深度方向介质结构的纯路径频散曲线 群速度成像结果主要受阻尼系数()、路径密度()和空间平滑因子()等因素控制,其中参数和决定着模型的平滑程度,增大或减小都会使图像变得平滑 模型越光滑,误差越小,但
14、分辨率越低 反之,模型分辨率越高,误差也越大控制初始模型比重,其值取决于研究区射线密度和方位分布 本研究通过反复测试,最终确定了合适的阻尼系数值(,)来获得最终的 群速度分布图(图)群速度反演的同时,我们对成像结果的分辨率也进行了测试 图显示了和 周期的 波群速度图的相应分辨率,由图可以看出本研究不同周期群速度频散分辨尺度都在 范围内 成像分辨率一般依赖于射线密度和方位,不同周期的射线路径分布特征大致相同,射线在研究区中央覆盖密集,交叉充分,边缘区域射线较少,成像分辨率也低,相应的分辨尺度也变大图展示了反演获得的 波群速度不同周期水平切片图 一般而言,面波周期越小,穿透地下介质越浅 本研究获得
15、的 波群速度频散与黄翔等()采用同一台阵数据获得的相速度频散具有很好的对应性周期的群速度分布特征与研究区域内的地表构造单元对应吻合,山西断陷带内阳原盆地、忻县盆地、太原盆地、运城盆地以及陕西渭河盆地均呈现明显的低速特征,而其两侧吕梁造山带和太行造山带则表现为高速;鄂尔多斯块体东部(,即华北克拉通西部块体)也表现为低速,而其北部阴山造山带呈现为高速 随着周期增大,面波穿透深部介质越多,更多反映了地壳一定厚度范围内介质结构的平均效应 周期 的群速度一定程度上反映了中下地壳的介质结构特征 周期 的群速度在大同火山区下方表现为低速异常 波速度结构反演经群速度反演后,已获得了每个网格点下方的纯路径群速度
16、频散曲线 本文基于 程序包(,),采用迭代阻尼最小二乘反演方法,把每个网格点的纯路径频散信息反演为 横波速度结构 正如前面图所示,受台站间距和数据信噪比影响,长周期群速度频散值数量明显偏少,造成对下地壳和莫霍面附近介质结构的分辨能力有限 为了克服该问题,本文综合 等()获得的该研究区域内的相速度频散曲线进行联合反演,以更好约束地壳深度的速度结构 基于地震面波频散反演波速度是典型的非线性问题,因此合适的初始模型将大大降低反演的非唯一性 本文研究中以 等()的反演结果作为初始模型,深度范围内的层厚设为,深度范围内的层厚设为 由于面波频散主要对波速度敏感,我们仅通过使用恒定波速比(地壳波速比为 )根
17、据和波速比折算,密度则根据 波速度与密度的经验关系(,)转换给出 研究中使用了差分反演,该方案抑制了相邻层间速度的差异在反演过程中,我们首先在最初的两次迭 代中使用稍高的阻尼值,然后在接下来的 期侯爵等:华北克拉通中西部地壳波速度结构及其地质意义图周期和 的检测板分辨率()网格 的初始模型;()和()分别对应和 周期的恢复模型;()网格 的初始模型;()和()分别对应和 周期的恢复模型 ();()();();()()次迭代中采用较低的阻尼值图展示了 ,和 ,两个网格点处的反演结果,可以看出根据反演结果合成的群速度频散曲线和相速度频散曲线都与测量值吻合良好,说明反演结果的可靠性结果利用前述基于每
18、个网格点面波相速度和群速度频散反演获得的 速度模型,构建了研究区 波速度模型 图为不同深度的 波速度切片 深度的波速度切片显示低速与高速异常分别与地表的盆地和造山带对应良好 沿中部碰撞带表现为明显的南北向条带状;山西断陷带各个盆地由于覆盖较厚的沉积层,均表现为低速异常,盆地间的灵石隆起(图 中)和石岭关隆起(图 中)表现为高速异常 两侧的吕梁山脉和太行山脉由于基岩露头和较薄的风化层表现为条带状高速异常 在鄂尔多斯地块北缘,沿河套断陷带由于较厚的沉积层,表现为低速特征从图来看,山西断陷带内的低速异常一直持续到深度 ,然后随着深度增加盆地下方的低速异常逐渐收缩,在其他学者的研究结果中也观测到类似特
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