伍德拉克裂谷地区的海底地震仪方位和地壳结构.pdf
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1、高佳,于有强.2023.伍德拉克裂谷地区的海底地震仪方位和地壳结构.地震学报,45(3):482493.doi:10.11939/jass.20220091.GaoJ,YuYQ.2023.OceanbottomseismographorientationandcrustalstructureoftheWoodlarkRift.Acta SeismologicaSinica,45(3):482493.doi:10.11939/jass.20220091.伍德拉克裂谷地区的海底地震仪方位和地壳结构*高佳于有强(中国上海200092同济大学海洋地质国家重点实验室)摘要伍德拉克裂谷位于巴布亚新几内亚东
2、南部,是发育在澳大利亚板块和西南太平洋板块碰撞带中的年轻大陆裂谷,为研究汇聚构造背景下裂谷起始演化的地壳结构提供了理想场所。伍德拉克裂谷海域地区海水层的存在使得获取高质量地震数据成为难题,而数据主要通过海底地震仪(oceanbottomseismograph,缩写为 OBS)获取。OBS 的布放一般是自由下落式,其地震计的北向水平分量方位与地理北向通常不一致,这使得利用三分量波形数据获取的反演结果产生了较大误差甚至失效,例如接收函数方法。为确定伍德拉克裂谷地区 OBS 水平分量的方位偏转角度,本文同时引入纵波和瑞雷面波偏振分析方法进行方位校正,并利用校正后的三分量波形数据开展接收函数研究,进而
3、约束该裂谷海域地区的地壳结构。结果分析表明,OBS 方位校正后,其获得的可用接收函数波形数量显著增多,并且利用纵波偏振分析校正后的数据处理获得了更加合理的地壳结构。基于在该裂谷地区获得的地壳构造结果,基里比斯盆地和裂谷扩张轴所在的古迪纳夫盆地呈现对比鲜明的地壳结构特征:古迪纳夫盆地的地壳厚度朝着裂谷扩张轴处减薄,其平均值为(33.32.42)km;基里比斯盆地的地壳厚度更薄,平均值为(24.15.44)km。此外,研究区域内所有 OBS 处均观测到了较高的地壳纵横波速比值,这可能是巴布亚超镁铁质岩体富集和古俯冲残片脱水熔融共同作用的结果。关键词 伍德拉克裂谷地壳结构海底地震仪方位接收函数doi
4、:10.11939/jass.20220091中图分类号:P315.31文献标识码:AOcean bottom seismograph orientation andcrustal structure of the Woodlark RiftGaoJiaYuYouqiang(State Key Laboratory of Marine Geology,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:TheWoodlarkRiftinsoutheasternPapuaNewGuineaisayoungcontinentalriftand*基金项目
5、国家自然科学基金面上项目(42074052)、上海市青年科技启明星计划项目(22QA1409600)和上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站开放基金(2020K04)共同资助.收稿日期2022-06-07 收到初稿,2022-10-06 决定采用修改稿.作者简介高佳,硕士研究生,主要从事接收函数方面的地壳构造研究,e-mail:;于有强,博士,副教授,主要从事裂谷深部构造方面的研究,e-mail:第45卷第3期地震学报Vol.45,No.32023年5月(482493)ACTASEISMOLOGICASINICAMay,2023developswithinthecollisionzonebet
6、weentheAustralianandSWPacificPlates,whichoffersanideallocationtoexplorethecrustalstructurebeneaththeincipientriftunderaconvergentset-ting.However,theseawaterlayermakesitdifficulttocollecthigh-qualityseismicdata,andthecommonstepistodeploytheoceanbottomseismographs(OBSs)inafree-fallway.There-fore,mis-
7、orientationofhorizontalcomponentsoftheOBSusuallyleadstofailureofapplyingtheinversiontechniquessuchasthereceiverfunctiontothethree-componentwaveforms.Inthisstudy,we employed both P-wave and Rayleigh-wave polarization analyses to determine allavailableOBSorientations,andthenusedtherecordedteleseismicw
8、aveformstoconductareceiverfunctionstudyonthecrustalstructurebeneaththeWoodlarkrift.ThenumberofthereceiverfunctiontraceshasgreatlyincreasedaftertheorientationcorrectionsandthecrustalstructurescanbebetterconstrainedbasedontheresultsfromP-wavepolarizationanalysis.Con-trastingcrustalstructureswerereveal
9、edbeneaththeKiribishiBasinandtheGoodenoughBasinwheretheriftaxisislocated.ThecrustbeneaththeGoodenoughBasinisdecipheredtothintowardsthe rift axis with an average of (33.32.42)km,while a much thinner crust isobservedbeneaththeKiribisiBasinwithameanvalueof(24.15.44)km.HighvP/vSratiosweredeterminedatall
10、stations,whichmaybeattributedtothePapuanultramaficbodyanddehydrationmeltingoffossilsubductedslabsegments.Key words:Woodlarkrift;crustalstructure;OBSorientation;receiverfunction 引言巴布亚新几内亚东南部处于澳大利亚板块和西南太平洋板块的斜向汇聚带内(图 1),其南部有欧文斯坦利(Owen-Stanley)断裂带,北连所罗门(Solomon)微板块,东接活跃的伍德拉克(Woodlark)海底扩张海盆,中部发育了快速扩张的伍
11、德拉克裂谷(Wallaceet al,2004),并在当特尔卡斯托群岛(DEntrecasteauxislands)出露了世界上最年轻的超高压岩石(Baldwinet al,2004;Webbet al,2008;Littleet al,2011;Gordonet al,2012;Eilonet al,2015)。澳大利亚板块在晚古新世至早始新世期间北向俯冲,形成了一个低角度的拆离断层(欧文斯坦利断裂带),其上覆洋壳中产生了大量的岩浆活动并生成了巴布亚超镁铁质带,而其下覆大陆岩石圈经受着持续的变质作用(Davies,Smith,1971;Davies,Jaques,1984;Luset al,
12、2004)。中新世时期,巴布亚(Papua)半岛持续隆升,并伴随着快速的沉积,覆盖于上盘的洋壳之上(Davies,Smith,1971)。与此同时,北部的所罗门板块在早中新世向南俯冲并诱发特罗布里恩(Trobriand)断层的形成,其俯冲相关构造可能在巴布亚半岛的隆升和岩浆活动中起到作用(vanUfford,Cloos,2005;Fitz,Mann,2013)。晚中新世至早上新世,伍德拉克裂谷持续向西张裂发育,并伴有当特尔卡斯托群岛的隆升和花岗岩的侵入(Davies,Jaques,1984;Hillet al,1992)。伍德拉克裂谷的张裂伸展速率为 1015mm/a,其动力可能来自于所罗门微
13、板块北向俯冲的板片拖拽(Tregoninget al,1998;Wallaceet al,2004;Biemilleret al,2020)。超高压岩石的出露可能与伍德拉克裂谷的张裂作用息息相关(Baldwinet al,1993;Monteleoneet al,2007;Webbet al,2008;Littleet al,2011;Aberset al,2016)。另外,下地壳浮力诱发的底侵(Martinezet al,2001)和古大陆俯冲残片的底辟作用(Elliset al,2011)也可能是超高压岩石出露的机制之一。为了揭示伍德拉克裂谷张裂和超高压岩石出露的可能构造动力学机制,此地区
14、前期已开展了多个地震学观测计划并积累了充足的地震波形数据来探究深部壳幔结构。3期高佳等:伍德拉克裂谷地区的海底地震仪方位和地壳结构4832010 年 3 月到 2011 年 10 月 CDPAPUA 实验计划(Eilonet al,2014)在伍德拉克裂谷及其周边地区均匀布设了宽频带地震台阵,难能可贵的是其中包含了分布于裂谷内的八台海底地震仪(OBS)(图 1),为揭示裂谷内的地壳动力学机制提供了数据支撑。目前对于该裂谷地区的地壳结构认识仍然不足,部分原因可能是对已有 OBS 数据的挖掘程度不够。基于早期WOODSEIS 实验计划采集到的数据,接收函数和远震层析反演结果表明当特尔卡斯托群岛处的
15、地壳厚度与周围地区相比减薄约 1015km,并被低密度的地幔补偿(Aberset al,2002)。近震层析成像研究显示在伍德拉克海盆海底扩张的前端存在镁铁质和长英质地壳组成的明显过渡区,并进而排除了岩浆活动在海底扩张开始前对地壳改造的可能性(Ferriset al,2006)。测线1168测线1190测线1181测线1193BDEFGHJI南俾斯麦板块所罗门海板块澳大利亚板块基里比斯盆地古迪纳夫盆地320024001600800080016002400高程/m149.5 E148 E152150.0150.5151.0151.58.5S 9.09.510.010.511.0伍德拉克板块8 S
16、 12当特尔卡斯托群岛巴布亚半岛图1伍德拉克裂谷地区海底地震仪的分布紫色和黑色的圆圈分别表示含有效和无效数据的海底地震仪;红色三角为新生代火山;黑色虚线代表裂谷扩张轴,红色实线为欧文斯坦利断裂带,绿色实线为地震测线(Fitz,Mann,2013)。右上插图代表了纵波(蓝色圆圈)和瑞雷波偏振分析(红色圆圈)所用的地震事件分布图,其中绿色三角形表示研究区域的中心位置。底部右侧插图中的黄色方框显示了研究区域的具体位置,其中红线为板块边界(Bird,2003)Fig.1TopographicmapoftheWoodlarkriftshowingthelocationsoftheoceanbottoms
17、eismographs(OBSs)ThepurpleandblackdotsrepresentOBSswithandwithoutvaliddata,respectively.RedtrianglesdenoteCenozoicvolcanos.Theblackdashedlineindicatestheriftaxis.TheredlinerepresentstheOwen-Stanleyfaultzone.Thegreenlinesareseismicprofilesfrompreviousstudy(Fitz,Mann,2013).Thetop-rightinsetpresentsthe
18、eventsusedforthepolarizationanalysisofRayleighwave(redcircles)andP-wave(bluecircles).Thegreentrianglemarksthecenterofthestudyarea.Thebottomrightinsetdisplaysthelocationofthestudyareahighlightedbytheyellowrectangle.Theredlinesdenotetheplateboundaries(Bird,2003)484地震学报45卷利用 CDPAPUA 地震观测数据开展的接收函数和面波联合反
19、演结果显示:地壳最薄的区域不是在裂谷扩张轴地区,而是在当特尔卡斯托群岛(减薄 30%40%),并且超高压岩石的出露可能主要受控于裂谷的张裂作用,但遗憾的是并未对 OBS 处的地壳结构展开深入的讨论分析(Aberset al,2002)。因此,伍德拉克裂谷内的地壳结构及其动力学机制还是未被很好地约束,而可能的一种解决途径便是开展接收函数研究。远震接收函数方法已被成功运用于不同地区的海底地壳结构研究中,如邻近南海地区(丘学林等,2006;黄海波等,2011;胡昊等,2016;Hunget al,2021)。然而在开展接收函数相关研究前需要对 OBS 水平分量的方位进行校正,若不校正或校正不当会产生
20、误差较大甚至错误的结果。通常以自由落体的方式来投放 OBS,其北向水平分量的方位往往与实际地理北向方位不一致(图 2),这会导致一些基于三分量波形数据的地震学方法如接收函数方法应用困难。对中国地震科学台阵探测项目期(CHINArray-)观测数据的分析表明,当地震计水平分量方位的偏转角度超过 20时,接收函数的 h-叠加结果会变得不稳定(Zenget al,2021)。OBS 水平分量方位通常是基于已知地震台站和地震事件的位置信息借助面波(Laske,1995;Selby,2001)或体波(Niu,Li,2011)偏振分析来确定。另外,通过环境噪声互相关提取出来的瑞雷波也可以用于确定 OBS
21、水平分量的方位(Zhaet al,2013)。近期发展起来的波形模拟匹配技术也是确定 OBS 水平分量方位的可行方法之一(Zhuet al,2020)。为了更加准确地测定 OBS 水平分量方位,揭示 OBS 水平方位对接收函数研究的影响,3060901201501801.00.50108切向分量能量12024036000.20.40.60.81.0115.1互相关系数OBS方位偏转角/OBS方位偏转角/(b)(c)NEBHN地震事件BAZBAZ(a)图2(a)OBS 水平分量的方位偏转示意图,和 分别为 OBS 方位偏转角度和相对于北向水平分量的地震后方位角;(b)地震台站 B 的瑞雷波偏振分
22、析结果,图中蓝色圆圈为对应单事件最优方位偏转角度,红色虚线为该地震台站最终方位偏转角度 115.1;(c)地震台站 B 的纵波偏振分析结果,蓝色虚线表示最佳方位偏转角度 108Fig.2(a)AschematicmapofcoordinatesystemexhibitingtherelationshipbetweenthegeographicalNorthdirection,theNorthcomponentandtheback-azimuth(BAZ)ofanevent.andindicatethesensororientationandtheBAZoftheeventrelativetot
23、heNorthcomponent,respectively;(b)ExampleoftheRayleigh-wavepolarizationanalysisfromthestationB.ThebluecirclesrepresenttheoptimalsensororientationsdeterminedfromeacheventbasedonthemaximumcorrelationcoefficientbetweentheverticalandtheHilberttransformedradialcomponents.Thereddashlinedepictstheresultings
24、tationorientation115.1;(c)TheP-wavepolarizationanalysisfordeterminingorientationofstationB.Thebluedashedlinedepictstheoptimalsensororientation,whichis1083期高佳等:伍德拉克裂谷地区的海底地震仪方位和地壳结构485并进而获得台站下方的地壳构造,本研究将充分利用 CDPAPUA 实验计划布设在古迪纳夫盆地和基里比斯盆地的八台 OBS 宽频带地震数据(图 1),分别引入纵波和瑞雷波偏振分析方法,确定 OBS 水平分量的实际方位,并基于获得的水平分量
25、方位参数校正 OBS 三分量波形数据,利用接收函数方法反演伍德拉克裂谷地区的地壳结构,以期为深入认识汇聚构造背景下大陆裂谷的起始张裂机制提供更多深部构造证据。1 数据和方法 1.1 瑞雷波偏振分析瑞雷波偏振分析是基于从美国地震学研究联合会数据管理中心(IncorporatedResearchInstitutionsforSeismologyDataManagementCenter,缩写为 IRISDMC)下载的 CDPAPUA 实验计划的八台 OBS 宽频带地震波形数据,其数据隶属于 ZN 台网(http:/ds.iris.edu/mda/ZN/)。数据的筛选标准与 Stachnik 等(20
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