壳幔三维速度参考模型构建方法研究——以华南陆块中部为例.pdf
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1、 第 47 卷第 4 期物 探 与 化 探Vol.47,No.4 2023 年 8 月GEOPHYSICAL&GEOCHEMICAL EXPLORATION Aug.,2023doi:10.11720/wtyht.2023.1618陈中伟,郭良辉,陈元恪,等.壳幔三维速度参考模型构建方法研究 以华南陆块中部为例J.物探与化探,2023,47(4):936-943.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1618Chen Z W,Guo L H,Chen Y K,et al.A method for building a 3D crust-mantle velocit
2、y reference model:A case study of the central South China BlockJ.Geophysical and Geochemical Exploration,2023,47(4):936-943.http:/doi.org/10.11720/wtyht.2023.1618壳幔三维速度参考模型构建方法研究 以华南陆块中部为例陈中伟1,郭良辉1,陈元恪2,唐晗晗1(1.中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院,北京 100083;2.浙江省地震局,浙江 杭州310013)摘 要:壳幔速度结构是研究深部构造与动力学机制的重要依据,地震层析成像是获
3、取壳幔速度结构的主要手段,而高质量、精细的速度参考模型可为地震层析成像提供有效的初始模型和参考约束。但现有的壳幔速度参考模型构建方法还存在一些不足之处,特别是在表层模型缺乏精细构建和壳幔模型采用垂向全局修正而造成部分失真等方面。为解决这些问题,本文提出改进的壳幔三维速度参考模型构建方法。首先,对莫霍面和沉积基底面模型进行优选与构建;然后,利用界面模型分别对地壳和上地幔模型进行垂向约束与调整,包括局部“压缩和拉伸”式的线性修正与加权融合,从而构建壳幔介质模型;接着,结合地质资料等先验信息对表层模型进行构建;最后,将各个部分模型进行组合,完成壳幔三维速度参考模型的构建。在收集华南陆块中部前人壳幔结
4、构模型和地质资料的基础上,应用本方法构建了该区域壳幔三维 S 波速度参考模型,并与前人模型做了对比分析,本文模型较前人模型具有更高的分辨率,对区域莫霍面的刻画也更准确,由此验证了本文方法的有效性,同时也为华南陆块提供了可靠的三维速度参考模型。关键词:华南陆块;壳幔;速度结构;参考模型中图分类号:P631.4 文献标识码:A 文章编号:1000-8918(2023)04-0936-08收稿日期:2022-12-28;修回日期:2023-06-09基金项目:国家重点研发计划项目“月球内部圈层结构与演化过程的研究”(2021YFA0715101);国家自然科学基金面上项目“全波形与重力联合反演方法及
5、在南岭武夷东南沿海成矿带岩石圈三维精细结构成像的应用”(41974101)第一作者:陈中伟(2000-),男,硕士研究生,主要从事壳幔结构反演与建模方法研究工作。Email:2010220036 通讯作者:郭良辉(1980-),男,教授,博导,主要从事地球物理数据处理反演新方法及应用研究工作。Email:guo_lianghui 0 引言地震层析成像(比如体波层析成像、面波层析成像、全波形反演等)是研究壳幔结构、构造与动力学机制的重要手段,它基于初始速度模型对地下结构进行反演与构建,对初始速度模型具有较强的依赖性。高质量的、精细的初始速度模型能够有效降低地震反演难度、提升反演质量,有助于获取可
6、靠的速度结构1-4。因此,构建高质量的壳幔三维速度参考模型,为地震层析成像提供有效的初始模型和参考约束,这是地震反演的首要任务之一。当前构建壳幔三维速度参考模型的方法较多,比如基于一维层状模型的构建方法5-13、基于前人深地震测深结果进行速度模型插值的构建方法14、基于全球壳幔模型(CRUST1.0、Litho1.0 等)15-20或前人地震成像结果的单一/多个速度模型进行三维插值的构建方法等21-25。然而,不同方法获取的速度模型在尺度、精度、分辨率上存在较大差异,因此,为满足当前地震成像研究对高质量参考模型的需求,需要寻求精细化的模型构建方法。近年来,国内外学者研究并提出了一些参考模型构建
7、方法,并在不同地区开展了应用,比如:EuCrust-07欧洲地壳的新参考模型26,欧洲板块莫霍面深度模型27,4 期陈中伟等:壳幔三维速度参考模型构建方法研究 以华南陆块中部为例EPCrust欧洲板块的地壳参考模 型28,EUNA-seis欧洲、格陵兰岛和北大西洋地区莫霍面和地壳模 型29,NAC北 亚 德 里 亚 地 壳 模 型30,PRISM3D伊比利亚及邻近地区的地壳参考模型31,VMNC中国华北地区地壳上地幔地震波速度结构模型32等。这些参考模型构建方法的基本思路为:整体模型的分解,各子部分模型修正与加权融合,组合形成新模型。但是,这些方法缺乏对表层结构的精细构建。以 Arroucau
8、 等31为例,他们的壳幔速度参考模型构建方法将模型分为 4 个子部分:沉积层、上地壳、下地壳和地幔,建造时以莫霍面和沉积基底面模型为约束,对前人模型的各子部分作垂向全局“压缩和拉伸”修正,再加权融合并组合形成新的参考模型。然而,Arroucau 等31方法对参考模型采用了垂向全局尺度的修正,降低了前人模型的垂向结构精度,在一定程度上降低了模型的可靠性。针对前人壳幔速度参考模型构建方法存在的问题,本文在 Arroucau 等31的方法基础上,改进了壳幔三维速度参考模型构建方法,包含莫霍面和沉积基底面模型构建、地壳和上地幔介质模型的垂向局部修正和加权融合、表层介质模型构建等。将该方法应用于华南陆块
9、中部(104117E,2432N),构建出该地区壳幔三维速度参考模型,并与前人模型对比评价,证明了本文方法的有效性,也为该区提供了可靠的三维速度参考模型。1 壳幔三维速度参考模型构建方法1.1 总体思路本文构建的壳幔速度参考模型由构造界面(主要包括沉积基底面、莫霍面)、地壳介质、上地幔顶部介质、表层介质组成。首先,设定模型的三维网格框架,含东向、北向起止点、横向网格间距、深度范围、深度步长等参数。然后,从沉积基底面、莫霍面等构造界面模型,到地壳和上地幔介质模型、表层介质模型,依次建模,形成最终的壳幔速度参考模型。其中,每部分建模都先优选出新近程度高、精度高、分辨率高、可靠性强的相关模型,按照质
10、量高低分配权重大小的原则进行加权融合构建。1.2 构建流程本文壳幔三维速度参考模型构建流程如图 1 所示。参考模型构建从构建构造界面出发,依据质量好坏和可靠性高低对以往构造界面深度模型进行优选、权重分配和加权融合,从而构建出新构造界面模图 1 壳幔三维速度参考模型构建流程(构造界面包含莫霍面以及沉积基底面)Fig.1 The flowchart of constructing 3D velocity reference model of the crust-mantle(The crustal interfaces represent the Moho and sedimentary inte
11、rfaces)型。同理,优选出以往质量好、可靠性高的壳幔三维速度模型,依据新构造界面模型对壳幔速度模型进行垂向局部修正,并对修正后的壳幔速度模型进行加权融合。最后,将构建好的表层速度模型替换修正和加权融合后的壳幔模型的表层部分,完成整个壳幔三维速度参考模型的构建。1.2.1 构造界面模型构建本文构造界面模型主要包含莫霍面和沉积基底面,这里以莫霍面模型构建为例进行说明,沉积基底面模型构建同理。首先,收集研究区以往不同方法得到的莫霍面深度模型,然后,根据模型的新近程度、分辨率、精度、可靠性等方面优选出质量较高的若干模型,对这些模型按照质量和分辨率从高到低分别赋予从大到小的权重值,再进行加权融合,形
12、成新的莫霍面参考模型。1.2.2 地壳与上地幔介质模型垂向局部修正和加权融合首先,收集研究区以往不同方法得到的三维速度模型,根据模型的新近程度、分辨率、精度、可靠性等方面优选出质量较高的若干模型;然后,以上述获得的新构造界面模型为约束,对优选的各模型在垂向上作局部修正;最后,对修正后的各模型按照质量和分辨率的高低分别赋予不同大小的权重值,再进行加权融合,形成新的壳幔三维速度参考模型。下面以莫霍面约束为例说明模型垂向局部修正的原理,沉积基底面约束同理。莫霍面是壳幔速度的突变界面,各模型原始的莫霍面(下文称为旧莫霍面,图 2)可以通过搜寻各网格节点下方速度的突变点来确定。在模型修正步骤中,为了不破
13、坏各模型整体的速度结构,减少深度失真,本文采用局部“压缩和拉伸”的方式,仅对莫739物 探 与 化 探47 卷 图 2 壳幔垂向局部“压缩和拉伸”修正示意Fig.2 Diagram of the partial compression and stretching correction of the crust-mantle structure vertically霍面上下小范围内的速度点进行调节修正,即线性“拉伸”地壳部分的同时线性“压缩”地幔部分。下调旧莫霍面,线性“压缩”地壳部分同时线性“拉伸”地幔部分,上调旧莫霍面,使得新旧莫霍面深度一致。由于在“压缩”和“拉伸”过程中会改变模型局部的
14、垂向间距,因此,需将调节好的三维速度模型按照前文设定的深度步长重新进行插值,从而得到垂向局部修正后的壳幔三维速度模型。1.2.3 表层速度模型构建首先,收集研究区地表地质图和岩石密度资料,划分出研究区主要岩性类别并统计各类别的密度值,按照岩性类别对地质图赋予新的色标,形成研究区的岩性类别图。然后,读取岩性类别图色彩信息为色彩像素矩阵,根据岩性色标匹配出对应的岩性类别。接着,对其密度赋值形成表层密度模型,参考模型每个网格节点的近地表密度值可以从上述的表层密度模型内插值获取,或设定窗口并求取窗口内数值的平均值来获取。最后,通过速度与密度转换经验式33将密度转化为速度,即可获得表层速度模型。若研究区
15、内存在海域,则需对表层的海水层以海水的速度值直接赋值。将上述构建的表层速度参考模型替换到构建好的壳幔三维速度参考模型的相应网格层,并对其下伏网格层做必要的平滑处理,使其上下层速度值衔接自然,形成最终的壳幔三维速度参考模型。2 华南陆块中部壳幔三维 S 波速度参考模型构建 华南陆块包含扬子地块、华夏地块及其间的江南造山带34。受周边印度板块、菲律宾海板块和太平洋板块的共同影响,该地区构造背景复杂,地壳向东减薄明显19,37。虽然华南陆块地质、地球物理研究程度相对较高,但仍存在诸多科学问题待研究解决,比如:江南造山带或扬子与华夏拼合带的西延问题?钦杭成矿带的深部成矿机制?等34-36。因此,高质量
16、、高分辨率的壳幔结构模型对推动华南深部构造与动力学问题研究具有重要意义。本文以华南陆块中部(经纬度:104 117E,24 32N;深度:060 km)为例,应用上述改进的参考模型构建方法,构建该区域的壳幔三维 S 波速度参考模型,为高质量的地震层析成像提供初始模型和参考约束。2.1 数据来源本文收集了华南陆块及邻区诸多前人发表的莫霍 面 深 度 模 型 和 壳 幔 三 维 S 波 速 度 模型9-14,18-25,37-49。经过对比和优选,最终选取表 1 中Guo 等37利用接收函数和重力联合反演方法得到的地壳厚度模型(将地壳厚度结果减去相应高程)作为本文的新莫霍面参考模型,该联合反演结果
17、可信度高、误差小。本文优选出前人的华南壳幔三维表 1 优选的前人壳幔结构模型汇总Table 1 The previous crust-mantle models来源研究区范围分辨率研究方法研究结果研究深度权重Han 等,20214718N54N,72E136E0.50.5(520)km体波与面波联合反演vs结构150 km0.1Shen 等,20163818N54N,72E136E0.50.50.5 km地震层析成像vs结构200 km0.35Zhou 等,20124021N32N,104E122E0.50.50.1 km地震层析成像vs结构150 km0.55Guo 等,20193721N3
18、2N,104E122E接收函数与重力联合反演地壳厚度1S 波速度模型(表 1)有:Shen 等38通过面波层析成像得到的 S 波速度模型,Zhou 等40通过背景噪声层析成像得到的 S 波速度模型,Han 等47通过体波面波联合反演获得的 S 波速度模型。由于研究区沉积基底面模型资料相对较少,本文构建的壳幔三维速度参考模型暂未考虑沉积基底面。本文表层速度参考模型构建所使用的地质图选自中国地质调查局2002 年编制的中华人民共和国 1 250 万地质图,密度资料汇编自区域物性资料50-54(表 2)。表 2 华南陆块岩性密度汇编50-54gcm-3Table 2 Density of rocks
19、 in South China block 地区前寒武纪地层显生宇花岗岩中性岩基性岩超基性岩喷出岩贵州2.692.512.612.632.833.112.62湖南2.632.532.662.752.92.92.65广西2.582.592.552.652.842.912.55广东2.602.572.552.592.843.012.59福建2.652.562.622.82.923.232.6浙江2.652.562.622.82.923.232.6平均2.622.552.612.722.883.12.6839 4 期陈中伟等:壳幔三维速度参考模型构建方法研究 以华南陆块中部为例2.2 壳幔三维 S
20、波速度参考模型构建本文将华南陆块中部研究区划分为 664131的三维网格模型,经纬度方向上间距为 0.20.2,深度步长为 2 km。将 Guo 等37通过接收函数和重力联合反演获得的华南陆块地壳厚度值减去相应地形高程,作为新的莫霍面参考模型(图 3),以此对上述优选的 3个壳幔 S 波速度模型作垂向局部修正,而后加权融合。其中,Shen 等38和 Zhou 等40所使用的面波层析成像方法对 S 波速度都较敏感,两者得到的模型在水平和垂向上的分辨率都较好,所以赋予两者较大的权重,而前者模型垂向分辨率更高,所以分配最大的权重;Han 等47所使用的体波面波联合反演方法虽然对 S 波速度的敏感程度
21、较好,但所得到的 S波速度模型在垂向上的分辨率相对低些,所以赋予较小的权重。模型权重的分配主要依据模型本身的新近程度、精度和分辨率等。通常情况下,所用模型的时间越新,精度、分辨率越高,可靠性就越高,赋予模型的权重值也越高。在保证各模型的权重之和为1 的前提下,可根据所用模型的数目进行具体分配。在实际应用中,参与数据融合的模型可能出现更为复杂的情况,如某一模型在不同深度上所体现的数据可靠性不同等,此时,其权重数值可作灵活处理,不同模型的具体权重值分配如表 1 所示。本文将研究区复杂的岩性分类为前寒武纪地层、显生宇、酸性岩、中性岩、基性岩、超基性岩和喷出岩 7 个类别,相应的密度值见表 2。应用本
22、文方法构建出研究区表层 S 波速度模型,见图 4 所示。合并上述模型形成最终的华南陆块中部壳幔三维 S 波速度参考模型,见图 5 所示。图 6 显示了本文构建的华南陆块中部壳幔 S 波白色虚线表示 AB 剖面位置The white dotted line denotes the location of the profile AB图 3 华南陆块中部莫霍面模型Fig.3 Moho reference model of the central South China block图 4 华南陆块中部表层 S 波速度模型Fig.4 The S-wave velocity reference mode
23、l of near-surface in the central South China block图 5 华南陆块中部壳幔三维 S 波速度参考模型Fig.5 The 3D S-wave velocity reference model of crust-mantle in the central South China block速度参考模型的不同深度切片。由图可见,研究区壳幔 S 波速度结构在横向上存在明显的不均匀性,不同深度的速度结构也有差异。在上地壳部分,研究区西北部呈现低速异常分布,对应扬子地块的川东褶皱带,研究区中部、东南部呈现相对高速异常分布,分别对应江南造山带和华夏地块。在中下
24、地壳部分,研究区西北部扬子地块的低速异常分布范围加大。但在上地幔顶部,扬子地块呈现为高速异常分布,而华夏地块呈现为相对的低速异常分布。2.3 与前人模型对比为评价本文构建的壳幔三维 S 波速度参考模型的质量,本文从该参考模型截取一条 WNES 向剖面(见图 3 剖面 AB)与前人模型(Shen 等38、Han等47和 Zhou 等40)进行对比,如图 7 所示。与Shen 等38的模型相比,本文模型在垂向变化更平缓,在横向上变化更平滑;与 Han 等47的模型相比,本文模型在莫霍面深度上下分界明显,整体分辨率更高;与 Zhou 等40的模型相比本文模型展示出的速度跃变深度更浅,与该处莫霍面的深
25、度更为贴合。总体上,本文构建的壳幔 S 波速度参考模型有效融合了 Shen 等38、Han 等47和 Zhou 等40三者模型的特点,其表层速度分布刻画更精细且更接近实际地质构造。939物 探 与 化 探47 卷 图 6 华南陆块中部壳幔 S 波速度参考模型的不同深度切片Fig.6 Maps showing S-wave velocity structure of reference model at different depths in the central South China blockaShen 等38模型;bHan 等47模型;cZhou 等40模型;d本文构建的参考模型;白线
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