譚皓原，王 志

(地球探測與信息技術(shù)教育部重點實驗室 成都理工大學,成都 610059)

0 引言

華南地區(qū)位于古亞洲、特提斯、西太平洋三大構(gòu)造域的交接部位，其主體是由華夏地塊與揚子地塊構(gòu)成的。地質(zhì)時期十分漫長，歷史上發(fā)生了多次大的構(gòu)造運動以及劇烈的巖漿侵入事件，區(qū)內(nèi)發(fā)育有大量的北北東、北東向斷裂和褶皺系[1]。近年來華南大陸巖石圈的減薄和裂解成為該區(qū)研究的熱點，因此研究華南地區(qū)地殼和上地幔的速度結(jié)構(gòu)，可以為研究該地區(qū)大陸巖石圈的構(gòu)造演化過程提供依據(jù)。

從上世紀八十年代以來，很多學者通過使用地球物理方法對華南地區(qū)巖石圈進行了深入研究，并取得了一系列重要成果[1-6]。然而在過去的研究中，受臺站密度、地震資料等條件限制，對該地區(qū)的深部速度結(jié)構(gòu)的研究還比較粗糙。本次研究是基于前人的基礎(chǔ)之上，通過拾取地震的P波和S波走時數(shù)據(jù)對該地區(qū)地殼上地幔的速度結(jié)構(gòu)進行層析成像，從而得到了從10 km到60 km深度的三維速度結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文的研究區(qū)域位于18°N～28°N、104°E～120°E之間，主要集中于華南地區(qū)的南部，即華夏地塊以及南海、北部灣大陸架部分，如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域的地形及構(gòu)造示意圖Fig．1 Sketch map of Topography and tectonic綠色虛線代表斷裂帶

研究區(qū)域內(nèi)的地震事件全部來自國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心以及部分臨時臺網(wǎng)。在挑選地震資料時，我們要求每個地震的P波至少要被4個臺站記錄到，而S波至少要被3個臺站記錄到。最終共挑選出 11 113個區(qū)域地震，從中我們拾取的P波到時為 77 093條，S波到時為93 541條，所使用的區(qū)域地震臺站為134個，地震事件和臺站的分布如圖2所示。

圖2 地震和臺站分布圖Fig．2 Distribution of seismic events and stations三角型表示地震臺站； 圓圈表示地震事件

1.2 方法

本次研究所采用的成像方法是Zhao[11]等人發(fā)展的地震層析成像方法，該方法可以應用于含有幾個速度間斷面的復雜模型中，并且地震波速可以在整個速度模型中變化。同時該方法還使用了偽近似彎曲法和斯奈爾定律進行三維射線追蹤，可以快速準確地計算出地震波走時和射線路徑。模型的參數(shù)化通過三維網(wǎng)格節(jié)點來進行，反演的未知量就是這些節(jié)點處的速度擾動值。模型中任意一點的速度值都可以由該點周圍的8個速度節(jié)點進行線性插值得到。求解觀測方程組時使用帶阻尼因子的LSQR方法[13-14]，通過迭代的方法將非線性問題線性化，并且在每一步的迭代過程中都對震源參數(shù)和速度結(jié)構(gòu)進行聯(lián)合反演。另外該方法除了使用初至到時之外，還可以使用各個速度間斷面上的反射波和轉(zhuǎn)換波資料，提高了地震數(shù)據(jù)的利用率[7]。

2 初始模型

本次研究使用網(wǎng)格節(jié)點對研究區(qū)域進行模型參數(shù)化，水平方向使用1°×1°的間距劃分網(wǎng)格，垂直方向從地表至100 km之間，每一層的深度分別設(shè)為0 km、10 km、20 km、30 km、40 km、50 km、60 km、100 km。在初始模型中引入康拉德面和莫霍面兩個速度間斷面，康拉德面的深度設(shè)為17 km，莫霍面的深度參考熊小松等[8]的結(jié)果，設(shè)為33 km。莫霍面以上的速度結(jié)構(gòu)參考的是蔡學林等[3]的結(jié)果，莫霍面以下的速度結(jié)構(gòu)使用的是ISPA91[15]全球模型。

3 反演結(jié)果及可靠性分析

通過反演研究區(qū)域內(nèi)的地震數(shù)據(jù)，我們得到了縱波和橫波地震波層析成像的平面圖(圖3、圖4)和沿不同位置的剖面圖(圖5)。

3.1 平面速度圖像

圖3和圖4分別是反演得到的P波及S波的層析成像水平切片。在10 km的深度上P波和S波的低速異常位于珠江三角洲以及福建的中部，而高速體普遍存在于海南島、雷州半島、廣東省的東部、廣西的西南部和北部灣地區(qū)，說明了該區(qū)的地震波速存在著明顯的橫向不均勻性。

圖3 P波速度水平切片F(xiàn)ig．3 Plan views of P wave velocity

圖4 S波速度水平切片F(xiàn)ig．4 Map views of S wave velocity

圖5 速度垂直剖面圖Fig．5 Vertical cross sections of P and S waves

在20 km深度，可以很清楚地看到東南沿海的地區(qū)出現(xiàn)了大范圍的低速異常，P波的低速異常從福建的東部，經(jīng)由江西一直延伸至珠江三角洲地區(qū)，S波的低速異常從福建東部沿著海岸線伸展至珠江三角洲地區(qū)。東南沿海地區(qū)在歷史上發(fā)生過多期的大規(guī)模巖漿入侵事件，其巖石圈的減薄和裂解成為各方的共識，推斷該低速異常與地幔物質(zhì)的上涌有關(guān)，而在該區(qū)域在大面積的低速異常中還存在著一些高速異常區(qū)，在地質(zhì)上對應著南嶺地區(qū)，該地區(qū)在歷史上經(jīng)歷過強烈的造山運動，使得區(qū)內(nèi)的巖石受到強烈擠壓，地殼增厚，因此在速度結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為高速。從30 km的平面圖上可以看出P波的低速異常依然十分明顯，與此同時高速異常在逐漸消退，只在北部灣以及廣西的中西部存在高速異常。S波的速度變化與P波基本一致，說明巖石的性質(zhì)隨著大地熱流值的上升而發(fā)生顯著變化。在40 km的平面圖上，原來在福建中東部到廣東東北部出現(xiàn)的低速異常轉(zhuǎn)變成高速異常，很有可能是該區(qū)下地殼物質(zhì)受到地殼物質(zhì)的上涌侵蝕，發(fā)生破碎和拆沉，在拆沉的過程中慢慢冷卻形成的[5]，而在海南島、雷州半島以及廣西東南部出現(xiàn)的高速異常轉(zhuǎn)變成了低速異常，這些變化特征在S波結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)得尤為突出。根據(jù)前人的研究[9-10]，這些地區(qū)在第四紀的火山活動十分頻繁，伴隨著大量的熔巖噴發(fā)，因此可以認為這些低速異常是由于地熱活動造成的。

在50 km的平面圖上，P波在北部灣、雷州半島、廣西東南部和珠江三角洲地區(qū)都出現(xiàn)了高速異常，而在這些區(qū)域S波體現(xiàn)的是低速異常，其原因可能是縱橫波走時數(shù)據(jù)差異較大以及射線覆蓋程度偏低所導致的。東南沿海地區(qū)依然表現(xiàn)出高速異常，說明了該區(qū)下地殼物質(zhì)的拆沉作用發(fā)展到了這個深度。海南島在這個深度的P和S波都表現(xiàn)出低速異常，說明在這個深度上依然有熱流的影響。

3.2 剖面速度圖像

圖5是我們截取的三條速度剖面圖像，通過對比發(fā)現(xiàn)，東南沿海地區(qū)的EF剖面在莫霍面的上方出現(xiàn)了大量的低速異常，說明在該位置處，莫霍面附近有著大量的熱流作用，這驗證了東部沿海地區(qū)地幔物質(zhì)上侵導致地殼厚度減薄的觀點。AB剖面中，A端位于廣西區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的大量高速異常有可能是南華褶皺系的造山運動所引起的，而B端雷州半島附近出現(xiàn)的高速異常則是由于大量巖漿冷凝過后導致的[9]。CD剖面中，由于第四紀的火山活動幾乎完全停止，大量的巖漿冷卻，因此在海南島、雷州半島和廣東沿海地區(qū)造成高速異常，而在莫霍面以下，由于巖漿的余熱和地球內(nèi)部巖石溫度的上升造成了巖石的部分熔融，導致了地震波速出現(xiàn)低速異常。

3.3 可靠性分析

在本次研究中我們采用的測試方法是振幅恢復分辨率測試(RRT, restoring resolution test)[7,11]，該方法的基本原理是通過反演真實的地震和臺站數(shù)據(jù)，將其結(jié)果作為輸入初始模型，然后在這個模型中進行三維射線追蹤計算射線走時(正演計算)，在計算的同時加入隨機誤差來合成人工數(shù)據(jù)集，最后通過反演這個數(shù)據(jù)集，將其結(jié)果與真實的結(jié)果進行比對，從而分析出反演結(jié)果的好壞。

圖6和圖7分別是本次研究的P波和S波恢復分辨率測試的結(jié)果。

通過對比可以看到，P波在10 km～30 km的各個深度上，其速度擾動圖像的形態(tài)還原得都比較好，只是振幅偏弱。但在40 km的深度圖像上RRT的結(jié)果與之前的層析成像結(jié)果略有出入，在珠江三角洲和北部灣地區(qū)RRT的結(jié)果顯示為低速，而層析成像的結(jié)果顯示為高速，這可能是由于本次研究所使用的地震全部是近震，在40 km的深度上P波的射線條數(shù)比較稀少。另外該地區(qū)也缺少相應的地震臺站，因此射線的覆蓋程度偏小，造成恢復效果較其他陸內(nèi)區(qū)域要差，而S波在每個深度RRT的結(jié)果都比較好，其原因是本次研究所拾取的S波到時比P波到時更多，因此S波的射線更加密集，覆蓋程度更高，射線的交叉程度更好，所以恢復的效果要比P波好。總而言之，通過恢復分辨率測試的結(jié)果，我們看到了P波和S波速度擾動值的恢復效果都比較理想，因此說明本次研究的方法是可行的，反演所得到的圖像是可信的。

4 結(jié)論

作者使用地震層析成像的方法，獲得了華南地區(qū)P波和S波的三維速度結(jié)構(gòu)，通過研究和分析得出以下結(jié)論：

(1)華南地區(qū)地殼內(nèi)的物質(zhì)存在著明顯的橫向不均勻性，其表現(xiàn)為西部內(nèi)陸地區(qū)呈現(xiàn)高速異常，而東南沿海地區(qū)呈現(xiàn)低速異常，該異常的出現(xiàn)與地幔物質(zhì)的上涌有關(guān)，導致東南沿海地區(qū)地殼厚度的減薄和巖石圈的破裂。

圖6 P波的恢復分辨率測試結(jié)果Fig．6 Result of P wave restoring resolution test (RRT)(a)輸入模型; (b)輸出模型

圖7 S波的恢復分辨率測試結(jié)果Fig．7 Result of S wave restoring resolution test (RRT)(a)輸入模型;(b)輸出模型

(2)在莫霍面以下，珠江三角洲、雷州半島、北部灣、海南島等地區(qū)逐漸出現(xiàn)的低速異常是由于該區(qū)的熱活動所造成的，而東南沿海出現(xiàn)的高速異常，這可能是因為該區(qū)下地殼巖石受到地幔物質(zhì)上涌的影響，在破碎拆沉的過程中逐漸冷凝所導致的。

致謝

感謝國家地震科學數(shù)據(jù)共享中心提供的數(shù)據(jù)，感謝趙大鵬教授提供的程序以及GMT繪圖軟件。

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