宋向輝田曉峰劉少峰王帥軍楊宇東

1) 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京),北京,100083; 2) 中國(guó)地震局地球物理勘探中心,鄭州,450002

內(nèi)容提要:深地震測(cè)深是探測(cè)殼幔巖石圈精細(xì)速度結(jié)構(gòu)、探討巖石圈變形和演化過(guò)程的一種有效方法,在青藏高原隆升、克拉通裂解等大陸動(dòng)力學(xué)研究中已發(fā)揮了重要的作用。 然而,地震測(cè)深方法與深部動(dòng)力學(xué)研究的結(jié)合尚處于現(xiàn)象描述為主的狀態(tài)。 因此,本文對(duì)前人利用深地震測(cè)深資料進(jìn)行深部動(dòng)力學(xué)研究的相關(guān)方法進(jìn)行了回顧與總結(jié):寬角反射/折射地震震相特征具有明顯的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究的基礎(chǔ);通過(guò)速度結(jié)構(gòu)對(duì)比可以確定不同地殼速度結(jié)構(gòu)模型所對(duì)應(yīng)的構(gòu)造單元及其演化過(guò)程,地殼厚度和泊松比等參數(shù)可以用于地殼變形模式的討論,殼內(nèi)高速和低速異常體反映了不同動(dòng)力學(xué)過(guò)程對(duì)地殼的改造;人工地震S 波資料與Pn 波速度可以用于殼幔各向異性的研究,為動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程研究提供獨(dú)立的觀(guān)測(cè)證據(jù);運(yùn)用現(xiàn)代構(gòu)造解析方法可以構(gòu)建不同的地殼結(jié)構(gòu)—?jiǎng)恿π褪?進(jìn)而通過(guò)殼幔結(jié)構(gòu)的解構(gòu)恢復(fù)巖石圈演化過(guò)程;此外,地震測(cè)深資料可以約束地殼成分結(jié)構(gòu),為動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬提供巖石流變參數(shù)等資料。 本文對(duì)于充分挖掘深地震測(cè)深資料在動(dòng)力學(xué)研究中的應(yīng)用價(jià)值至關(guān)重要,對(duì)于加強(qiáng)地震測(cè)深同其他學(xué)科的交叉研究也具有重要意義。

大陸動(dòng)力學(xué)是根據(jù)已有的地質(zhì)構(gòu)造和地球模型,研究地球內(nèi)部物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)機(jī)制和動(dòng)力學(xué)過(guò)程的一門(mén)學(xué)科,而對(duì)地球內(nèi)部深層過(guò)程和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)的研究,尤其是殼、幔結(jié)構(gòu)的精細(xì)刻劃更是地球動(dòng)力學(xué)研究的核心所在(滕吉文等,2012)。 深地震測(cè)深(DSS: Deep Seismic Sounding)是利用人工激發(fā)的地震波來(lái)研究地殼與上地幔巖石圈結(jié)構(gòu)的探測(cè)方法,又稱(chēng)為地震寬角反射/折射方法(Seismic wide angle reflection/refraction experiment),該方法精度高,震源位置、爆破時(shí)間等參數(shù)準(zhǔn)確可靠,能夠獲得地殼界面的形態(tài)與埋深以及地殼速度的橫向變化,因此在殼幔巖石圈結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究中占據(jù)了重要的地位。

前蘇聯(lián)科學(xué)院Gamburtsev 院士最早在1948 ～1955 年間提出了深地震測(cè)深的概念,主要采用低頻體波(陸地2～12 Hz,海洋4～6 Hz)來(lái)研究地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)。 該方法的目標(biāo)是構(gòu)建一維和二維速度結(jié)構(gòu),其中一維處理方法包括Wichert—Herglotz 反演方法(Herglotz, 1907; Wiechert, 1910)、X2-T2方法(Giese, 1968)、PLUCH 方法(Michel and Hirn, 1980)、時(shí)間項(xiàng)方法(陳颙和陳運(yùn)泰,1974)、一維走時(shí)擬合方法(Shearer, 1999)等,二維處理主要基于地震射線(xiàn)理論(Cerveny, 1972),通過(guò)有限差分反演方法、理論地震圖方法(Fuchs and Müller, 1971)以及走時(shí)正演(Luertgert, 1988; Thybo and Luetgert, 1990)或者反演(Zelt and Smith, 1992)的方法等,構(gòu)建二維殼幔速度結(jié)構(gòu)模型。 由于深地震測(cè)深促進(jìn)了地質(zhì)模型在地球物理研究中的應(yīng)用,使得地質(zhì)學(xué)家和地球物理學(xué)家可以更好地交流合作,因此該方法在世界范圍內(nèi)快速發(fā)展并在地球動(dòng)力學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用(Mooney et al., 1987; Drummond et al., 2000; Chandrakala et al., 2010)。 基于深地震測(cè)深方法和資料,前人得出了層狀地殼結(jié)構(gòu)(Frank, 1961)、殼幔過(guò)渡帶(Braile and Chiang, 1986)、典型構(gòu)造單元地殼結(jié)構(gòu)特征(Christensen and Mooney, 1995)、地殼結(jié)構(gòu)的橫向非均勻性(Fuchs, 1979)與各向異性(Raitt, 1963)等諸多的動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí);并構(gòu)建了區(qū)域(Li Songlin et al., 2006;Zhang Zhongjie et al., 2011a,b)以及全球的地殼結(jié)構(gòu)模型(Mooney et al., 1998),為更進(jìn)一步的動(dòng)力學(xué)研究提供了基礎(chǔ)模型。 目前,深地震測(cè)深已經(jīng)成為研究100 km 深度以?xún)?nèi)大陸地殼上地幔以及15 ～25 km 以?xún)?nèi)海洋殼幔精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要方法(Kosminskaya, 2012)。

我國(guó)從20 世紀(jì)50 年代末在青海柴達(dá)木盆地開(kāi)展人工地震測(cè)深研究(曾融生等,1960)開(kāi)始,至今已積累了豐富的深地震測(cè)深成果,國(guó)內(nèi)學(xué)者利用這些成果對(duì)許多動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了討論。 許志琴等(1996,1999)基于地震測(cè)深等結(jié)果討論了青藏高原周緣造山帶的造山機(jī)制;Li Songlin 等(2006)總結(jié)了中國(guó)大陸東西部的殼幔速度結(jié)構(gòu)模型,并指出了兩者經(jīng)歷的不同演化過(guò)程;Teng Jiwen 等(2013)利用覆蓋中國(guó)大陸主要區(qū)域的114 條DSS 測(cè)線(xiàn)的成果構(gòu)建了中國(guó)大陸地區(qū)的莫霍面深度分布,并研究了地殼整體結(jié)構(gòu)對(duì)地震活動(dòng)性和流變性的控制作用。基于深地震測(cè)深結(jié)果,國(guó)內(nèi)學(xué)者還提出了龍門(mén)山造山帶和秦嶺造山帶的“楔入造山”模型(蔡學(xué)林等,1996;袁學(xué)誠(chéng),1997)、天山隆升的“層間插入消減”的動(dòng)力學(xué)模型(趙俊猛等,2001)以及燕山“三明治”地殼結(jié)構(gòu)所反映的整體擠壓縮短和造山后伸展等動(dòng)力學(xué)過(guò)程(李秋生等,2008)。 但是前人對(duì)于利用深地震測(cè)深資料進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究的方法缺少系統(tǒng)的總結(jié),使得該方法以及相應(yīng)的成果未充分發(fā)揮相應(yīng)的價(jià)值。

楊文采(2014a,2020a, b)和楊文采等(2020a)指出了利用固體地球物理資料進(jìn)行板塊大地構(gòu)造研究的路線(xiàn),在此基礎(chǔ)上,本文對(duì)前人利用人工地震測(cè)深成果進(jìn)行地球動(dòng)力學(xué)研究的方法進(jìn)行了總結(jié),期望能夠充分挖掘深地震測(cè)深資料的價(jià)值,加強(qiáng)殼幔深部結(jié)構(gòu)特征與地質(zhì)構(gòu)造及其演化歷史的研究,將地殼上地幔巖石圈速度結(jié)構(gòu)同動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程更為緊密地聯(lián)系起來(lái)。

1 震相分析

震相的識(shí)別與分析是深地震測(cè)深資料處理的基礎(chǔ)與關(guān)鍵,直接決定了后續(xù)速度模型建立的正確與否。 深地震測(cè)深中常規(guī)震相一般有:基底折射震相Pg、莫霍面反射震相PmP/Pm 與折射震相Pn 以及殼內(nèi)反射震相PcP/Pc 等(圖1)。 Pg 震相主要反映基底形態(tài)與上地殼速度梯度,受盆地沉積或基巖出露等影響,Pg 震相常表現(xiàn)出走時(shí)的滯后或超前;PmP/Pm 震相主要反映莫霍界面的起伏形態(tài)和下地殼的強(qiáng)梯度速度結(jié)構(gòu),Pn 震相主要反應(yīng)上地幔頂部的速度梯度和殼幔分界的介質(zhì)結(jié)構(gòu),PcP/Pc 震相反映殼內(nèi)速度的橫向變化,同時(shí)也能夠反映深大斷裂在地殼深部的伸展情況(嘉世旭等,1995)。

PmP/Pm 震相作為反映殼幔邊界形態(tài)與性質(zhì)的重要震相,是殼幔相互作用的重要?jiǎng)恿W(xué)響應(yīng)。 趙俊猛等(1999,2001)指出不同構(gòu)造環(huán)境下的殼幔過(guò)渡帶結(jié)構(gòu)存在著明顯的差異,天山造山帶復(fù)雜的殼幔過(guò)渡帶是擠壓環(huán)境下殼內(nèi)熔融物質(zhì)遷移導(dǎo)致的,而遼河盆地復(fù)雜的殼幔過(guò)渡帶則是伸展環(huán)境下巖漿上涌底侵作用造成的。 賴(lài)曉玲等(2004)對(duì)張北地震區(qū)的Pm 波形資料進(jìn)行了分析,指出該區(qū)域殼幔過(guò)渡帶具有復(fù)雜的分層結(jié)構(gòu),推測(cè)其與深部的巖漿活動(dòng)以及底侵作用密切相關(guān)。 滕吉文(2006)利用全球大量的人工地震資料對(duì)殼幔邊界特征進(jìn)行了總結(jié),指出PmP/Pm 震相的能量和波組特征具有明顯的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),可以反映殼幔邊界的精細(xì)結(jié)構(gòu)和屬性(一級(jí)間斷面、速度梯度層或高、低速相間的薄層)。 一般情況下,穩(wěn)定的克拉通地塊(例如鄂爾多斯地塊),其殼幔邊界表現(xiàn)為一級(jí)間斷面的形式,PmP/Pm 震相尖銳,而造山帶和伸展盆地由于構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈,殼幔邊界經(jīng)過(guò)構(gòu)造作用的改造,往往表現(xiàn)為復(fù)雜的過(guò)渡帶形式,其PmP/Pm 震相以波組的形式出現(xiàn)(圖1)。

圖1 鄂爾多斯及西緣構(gòu)造帶震相特征Fig.1 Characteristics of seismic phases in the Ordos Block and its western margin

此外,殼內(nèi)反射震相PcP/Pc 對(duì)于揭示低速體等特殊構(gòu)造具有重要意義。 殼內(nèi)低速體具有特殊的震相特征,包括Pg 波震相走時(shí)的中斷、低速層頂?shù)捉缑娼叫械姆瓷湔鹣嗟?低速層還會(huì)引起地震波振幅發(fā)生強(qiáng)烈的變化,明顯的極性反轉(zhuǎn)也可作為低速層存在的重要依據(jù)(周小鵬等,2015)。

2 地殼速度結(jié)構(gòu)分析

深地震測(cè)深成果通常以二維地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)的形式展示,將地殼巖石圈劃分為上、中、下地殼的三層結(jié)構(gòu)或者上、下地殼的兩層結(jié)構(gòu)。 通過(guò)對(duì)地殼各層的速度和厚度等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析,可以對(duì)地殼變形及演化等動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行探討(鄭圻森等,2003)。

2.1 殼幔速度結(jié)構(gòu)的對(duì)比

利用深地震測(cè)深資料揭示地殼的速度結(jié)構(gòu)和各種構(gòu)造單元的空間分布與規(guī)模,通過(guò)與同類(lèi)型“標(biāo)準(zhǔn)”殼幔結(jié)構(gòu)的對(duì)比,可以確定研究區(qū)域巖石圈的類(lèi)型與改造過(guò)程,為大陸動(dòng)力學(xué)研究提供深部科學(xué)依據(jù)。 因此,殼幔結(jié)構(gòu)的全球?qū)Ρ染统蔀榻沂敬箨憥r石圈演化規(guī)律的關(guān)鍵所在(楊文采,2014b)。

一方面,通過(guò)殼幔結(jié)構(gòu)對(duì)比可以確定研究對(duì)象的構(gòu)造單元屬性(楊文采和于常青, 2015)。Christensen 和Mooney (1995)對(duì)全球大陸地震測(cè)深結(jié)果進(jìn)行了總結(jié),根據(jù)5 種基本的大陸地質(zhì)單元:造山帶、地盾和地臺(tái)、大陸弧、裂谷及伸展區(qū),指出不同構(gòu)造單元具有不同的地殼結(jié)構(gòu)特征,并構(gòu)建了全球平均地殼速度結(jié)構(gòu)模型。 該模型指出大陸平均地殼厚度為41.1 km 左右,伸展區(qū)地殼平均厚度為30.5 km,而造山帶平均地殼厚度則達(dá)到46.3 km,大陸地殼平均速度為6.45 km/s,上地幔頂部Pn 速度為8.09 km/s。 一些學(xué)者分別對(duì)中國(guó)大陸區(qū)域不同構(gòu)造單元的地殼結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了總結(jié)(趙俊猛等,2001;朱介壽等,2003;張中杰等,2005,2010;Li Songlin et al.,2006;盧占武等,2006;劉明軍等,2008;鄧陽(yáng)凡等,2011;王椿鏞等,2016),確定了不同塊體的地殼速度結(jié)構(gòu)參數(shù),然后與全球殼幔速度結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行對(duì)比,討論其大地構(gòu)造屬性。 以中國(guó)東部盆地和鄂爾多斯周緣臨汾、渭河盆地為例,雖然兩者都屬于新生代斷陷盆地,但是從其地殼結(jié)構(gòu)對(duì)比來(lái)看,兩者具有顯著的差別:華北與東北的盆地地殼厚度較小,在30 km 左右,與全球伸展區(qū)地殼厚度基本一致;而汾渭裂谷地殼厚度則較大,達(dá)到35 km 左右,與全球裂谷平均地殼厚度一致(圖2)。 梁光河(2019)指出臨汾和渭河盆地是在巨大的左旋走滑運(yùn)動(dòng)的影響下,在堅(jiān)硬的鄂爾多斯塊體邊緣的巖石圈拉張而形成的大陸裂谷,這一結(jié)論與地殼結(jié)構(gòu)對(duì)比顯示的臨汾、渭河盆地屬于裂谷性質(zhì)的認(rèn)識(shí)相一致。

圖2 中國(guó)東部不同盆地地殼速度結(jié)構(gòu)模型對(duì)比Fig. 2 Crustal velocity models contrast of different basins in eastern China

另一方面,根據(jù)殼幔速度結(jié)構(gòu)的差異與大地構(gòu)造作用發(fā)生的時(shí)代,把它們按照演化階段排序,還可以討論不同地質(zhì)作用對(duì)地殼結(jié)構(gòu)的改造(楊文采等,2014a ～d;楊文采,2014c,2015)。 Durrheim 和Mooney(1991)指出相對(duì)于較薄的太古代地殼(～35 km),元古代地殼往往具有較厚的地殼厚度(～45 km)和下地殼高速層(>7.0 km/s),反映了元古代地殼經(jīng)歷了廣泛的底侵作用。 嘉世旭等(2006)對(duì)比了雷瓊坳陷與華南地塊其他地區(qū)的殼幔速度結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)海南島下地殼減薄了5 km 以上,現(xiàn)今下地殼的速度與華南塊體中地殼的平均速度一致,推測(cè)海南島下地殼經(jīng)歷了新生代巖漿作用導(dǎo)致的下地殼分異變形。 Abbott 等(2013)對(duì)比了大量中太古代與古太古代克拉通的地殼結(jié)構(gòu)差異,指出中太古代克拉通地殼厚度往往較薄,缺少下地殼高速層,可能經(jīng)歷了拆沉作用。 滕吉文等(2014)對(duì)鄂爾多斯與四川盆地的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比,指出鄂爾多斯地塊平均地殼速度更高,下地殼整體速度梯度較弱,而四川盆地下地殼則呈現(xiàn)為較強(qiáng)的正速度梯度,顯示了華北和揚(yáng)子克拉通不同的地殼結(jié)構(gòu)特征。 楊文采和宋海濱(2014a)利用地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)對(duì)比結(jié)果,對(duì)洋陸轉(zhuǎn)換作用的階段性演化過(guò)程進(jìn)行了討論,指出了洋殼向陸殼轉(zhuǎn)換會(huì)引起地殼巖石圈結(jié)構(gòu)的變化,并對(duì)不同演化階段的地殼增厚與變形方式進(jìn)行了討論。

殼幔速度結(jié)構(gòu)對(duì)比,類(lèi)似于地質(zhì)學(xué)中的地層對(duì)比,是利用深地震測(cè)深結(jié)果討論巖石圈演化過(guò)程的重要方法,也是將地球物理資料同地質(zhì)作用過(guò)程聯(lián)系起來(lái)的關(guān)鍵紐帶。 由于深地震測(cè)深方法的研究目標(biāo)往往就是研究同一測(cè)線(xiàn)所覆蓋的不同塊體的深部結(jié)構(gòu)特征與相互作用關(guān)系,因此在解釋中更要加強(qiáng)不同塊體結(jié)構(gòu)橫向差異的對(duì)比,深化理解不同地質(zhì)作用對(duì)地殼結(jié)構(gòu)的改造過(guò)程。 隨著深地震測(cè)深工作的開(kāi)展與成果的累積,除了對(duì)單一測(cè)線(xiàn)不同構(gòu)造單元的結(jié)構(gòu)對(duì)比之外,還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)不同區(qū)域相同構(gòu)造屬性單元?dú)め＝Y(jié)構(gòu)的對(duì)比,例如對(duì)不同地質(zhì)年代的克拉通殼幔結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,討論克拉通的演化與破壞(楊文采等,2014b～d,2017a),或?qū)Σ煌?lèi)型造山帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,討論造山帶演化階段和陸內(nèi)造山機(jī)制等(楊文采等,2017b)。 Christensen 和Mooney(1995)總結(jié)了全球5 種基本構(gòu)造單元的平均殼幔結(jié)構(gòu),但是并沒(méi)有考慮這些構(gòu)造單元形成的地質(zhì)年代與所處演化階段的差異;在此基礎(chǔ)上,Mooney 等(1998)提出了更為細(xì)分的全球14 種平均地殼結(jié)構(gòu)模型,考慮了太古代到顯生宙地殼結(jié)構(gòu)的差異,為殼幔結(jié)構(gòu)對(duì)比提供了更為可靠的依據(jù)。 在考慮構(gòu)造單元屬性的同時(shí),對(duì)其地質(zhì)年代和演化階段進(jìn)行考慮,能夠?yàn)樗俣饶Ｐ蛯?duì)比選擇更合適的參照“標(biāo)準(zhǔn)”。

2.2 地殼厚度與地殼變形

地殼厚度與地殼變形之間有著密切的聯(lián)系,通過(guò)考慮地殼變形對(duì)其厚度造成的變化進(jìn)行計(jì)算,可以對(duì)地殼伸展減薄或者擠壓增厚的變形模式進(jìn)行分析討論。

伸展構(gòu)造中,通常采用伸展系數(shù)β來(lái)研究地殼變形。β是指巖石圈伸展前與伸展后地殼厚度的比值,是反映盆地地殼伸展程度、揭示盆地成因的重要?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)。 純剪變形中,殼幔巖石圈伸展系數(shù)是一致的,巖石圈均勻拉伸減薄;而單剪變形模式中,伸展系數(shù)則隨深度的不同而變化。 因此,盆地的地殼伸展系數(shù)可以作為判斷巖石圈伸展變形模式的重要依據(jù)。 人工地震測(cè)深結(jié)果可以用來(lái)計(jì)算全地殼伸展系數(shù),計(jì)算時(shí)要注意現(xiàn)今的盆地地殼厚度應(yīng)當(dāng)減去伸展期間盆地所接受的沉積厚度,而初始的地殼厚度則應(yīng)當(dāng)選擇盆地周邊穩(wěn)定塊體的地殼厚度,并在此基礎(chǔ)上加上其隆升所剝蝕的厚度(包漢勇等,2013)。 上地殼的伸展系數(shù)一般通過(guò)深反射地震獲得的斷層幾何形態(tài),以及基底斷裂極性、傾角、斷距等參數(shù)計(jì)算得出。 張中杰等(2010)利用人工地震獲得的地殼分層模型,計(jì)算了瓊東南盆地的上地殼與全地殼伸展因子,結(jié)果顯示兩者存在著明顯的差異,伸展因子具有明顯的隨深度變化的非均一性,反映了該區(qū)域受單剪作用控制的動(dòng)力學(xué)伸展模式。

擠壓構(gòu)造中,地殼厚度也可以用于地殼變形模式的研究。 例如擠壓縮短造山模式就強(qiáng)調(diào)地殼作為剛性塊體,在擠壓作用下整體縮短并導(dǎo)致地殼增厚,據(jù)此可以根據(jù)地殼變形前后厚度的變化求取地殼縮短量。 Tian Xiaobo 等(2014)總結(jié)了青藏高原東北緣地區(qū)的人工地震測(cè)深地殼厚度數(shù)據(jù),結(jié)合接收函數(shù)結(jié)果,對(duì)東北緣地區(qū)的地殼縮短量進(jìn)行了估算,指出該區(qū)域地殼變形以上地殼增厚為主。

此外,地震測(cè)深結(jié)果通常能夠較好地獲得地殼的上、下或者上、中、下的層狀模型,通過(guò)對(duì)地殼分層和地殼不同層位厚度的變化進(jìn)行討論,可以對(duì)地殼變形模式進(jìn)行更深入的研究。 瑪沁—蘭州—靖邊地震測(cè)深剖面(李松林等,2002)清晰地揭示了青藏高原東北緣地殼厚度由東北向西南逐漸增厚的變化趨勢(shì),但是上地殼厚度并未發(fā)生明顯的橫向變化,地殼增厚主要發(fā)生在下地殼,結(jié)合增厚下地殼內(nèi)的低速體,推測(cè)該地區(qū)可能存在局部的下地殼流。 而賀蘭山構(gòu)造帶的地殼厚度變化主要表現(xiàn)為上地殼的增厚,造山帶下地殼的厚度與周?chē)鯛柖嗨购桶⒗茐K體厚度一致(王帥軍等,2017),反映了賀蘭山地區(qū)地殼增厚由上地殼擠壓推覆造成,或者是造山垮塌伸展階段發(fā)生了由造山帶向周緣的下地殼橫向流動(dòng),使造山增厚的下地殼減薄。 燕山造山帶地殼厚度特征則表現(xiàn)為上地殼的上隆增厚與下地殼的下凹增厚,具有典型的全地殼擠壓縮短增厚的變形特征(李秋生等,2008)。

除了分析地殼厚度和分層結(jié)構(gòu)討論變形模式,地殼厚度與泊松比的對(duì)應(yīng)關(guān)系也可以反映地殼巖石圈減薄或增厚的變形機(jī)制(嵇少丞等,2009)。 大陸上地殼通常以低泊松比值的長(zhǎng)英質(zhì)巖石為主,而下地殼則以高泊松比值的鎂鐵質(zhì)巖石為主。 伸展構(gòu)造中,地殼的減薄多發(fā)生在下地殼,所以隨著地殼厚度的減小,泊松比也會(huì)相應(yīng)地減小;但是如果發(fā)生底侵作用(金振民等,1996),部分熔融的幔源物質(zhì)進(jìn)入下地殼底部,地殼整體泊松比則會(huì)隨著地殼厚度的減小而增大。 擠壓構(gòu)造中,如果地殼增厚發(fā)生在上地殼,那么泊松比則隨著地殼厚度的增加而減小,而如果地殼增厚發(fā)生在下地殼(例如下地殼流;楊文采等,2017c),那么泊松比則會(huì)隨著地殼厚度的增加而增大(圖3)。 因此,利用地殼厚度與泊松比的對(duì)應(yīng)關(guān)系,也可以推斷地殼構(gòu)造的變形模式。 但是目前主要利用接收函方法獲得的地殼厚度與泊松比結(jié)果進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究,例如Pan Suzhen 等(2011)利用青藏高原東北緣的接收函數(shù)結(jié)果討論了地殼增厚的模式,認(rèn)為該地區(qū)以下地殼增厚的變形模式為主。而人工地震測(cè)深方法由于S 波不發(fā)育,震相識(shí)別較為困難,構(gòu)建S 波速度結(jié)構(gòu)模型與泊松比的結(jié)果較少,因此利用地殼厚度與泊松比結(jié)果進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的研究則較為少見(jiàn)。 地殼厚度作為深地震測(cè)深的重要結(jié)果,對(duì)于揭示地殼變形模式具有重要幫助。 相對(duì)于接收函數(shù)與層析成像方法,地震測(cè)深方法得到的地殼厚度具有更高的精度,但是地震測(cè)深剖面大多以單一測(cè)線(xiàn)的方式進(jìn)行布設(shè),只能得到二維的地殼厚度,不能滿(mǎn)足三維動(dòng)力學(xué)的研究。 因此,在深入研究測(cè)深剖面中地殼厚度變化揭示的地殼變形規(guī)律的同時(shí),還應(yīng)當(dāng)發(fā)展三維深地震測(cè)深方法,或者利用以往的研究結(jié)果構(gòu)建三維地殼結(jié)構(gòu)模型,討論區(qū)域地殼厚度與地殼變形的關(guān)系,使地殼厚度數(shù)據(jù)更好地應(yīng)用于動(dòng)力學(xué)研究。

圖3 不同構(gòu)造模式下地殼厚度與泊松比對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖(據(jù)嵇少丞等,2009 改)Fig. 3 Correlation diagrams between crustal thickness and Possion’s ratio for different tectonic models(modified after Ji Shaocheng et al., 2009＆)

2.3 殼內(nèi)速度異常體

深地震測(cè)深方法除了能夠給出地殼厚度、殼內(nèi)界面起伏等信息,還能夠給出精細(xì)的殼內(nèi)速度分布,殼內(nèi)速度異常體(高速體和低速體)包含了豐富的深部動(dòng)力學(xué)信息,通過(guò)對(duì)地殼速度特征進(jìn)行分析,可以深化區(qū)域的深部動(dòng)力學(xué)認(rèn)識(shí)。

深地震測(cè)深方法基于分層地殼的假設(shè),將地殼結(jié)構(gòu)劃分為不同的圈層,地殼層內(nèi)的速度變化以速度梯度來(lái)表示,速度梯度的大小反映了速度隨深度變化的程度。 一般而言,穩(wěn)定的克拉通地塊地殼速度梯度為正且幅度較小,東部斷陷盆地以及造山帶下方則經(jīng)常出現(xiàn)速度的倒轉(zhuǎn),存在殼內(nèi)的低速體,地殼局部速度梯度為負(fù)。 部分下地殼下部存在速度強(qiáng)梯度層,這種情況對(duì)應(yīng)于高、低速相間的殼幔過(guò)渡帶模型,與基性—超基性巖石的互層結(jié)構(gòu)密切相關(guān)(朱金芳等,2005)。

殼內(nèi)低速體常發(fā)育于地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)劇烈的地區(qū),華北塊體、南北地震帶以及青藏高原及周緣地區(qū)的深地震測(cè)深剖面中大多存在殼內(nèi)的低速體,但不同地區(qū)低速體的分布狀態(tài)又明顯不同,反應(yīng)了殼內(nèi)低速體的分布主要受控于深部構(gòu)造背景(楊曉松等,2003)。 殼內(nèi)低速體的成因,目前的認(rèn)識(shí)主要包括含流體的裂隙、殼內(nèi)局部熔融、巖石礦物脫水等,不同深度分布的殼內(nèi)低速體具有不同的成因解釋,淺層低速體可能源于含流體的裂隙帶,中地殼的低速體可能源于殼內(nèi)熔融,也可能是上下地殼解耦而導(dǎo)致的地殼速度降低,而下地殼的低速體則可能與軟流圈上涌以及深部流體等密切相關(guān)(Song Xianghui et al., 2019a)。

殼內(nèi)低速體在地殼變形中發(fā)揮著重要的作用,是地殼變形模式的關(guān)鍵因素。 青藏高原東緣中下地殼連續(xù)分布的低速體為下地殼流模型提供了地球物理觀(guān)測(cè)的支撐,并導(dǎo)致了青藏高原東緣與東北緣產(chǎn)生不同的變形模式(孫玉軍等,2013)。 Dyksterhuis(2007)、Allken 等(2012)等發(fā)現(xiàn)伸展裂谷演化的初始模型中,殼內(nèi)低速體為單一的、局部分布的形態(tài)時(shí),會(huì)產(chǎn)生狹窄的對(duì)稱(chēng)裂谷,而包含區(qū)域的、離散分布的殼內(nèi)低速體的初始模型則會(huì)產(chǎn)生較寬的裂谷形式。 Rey 等(2009)指出,碰撞造山后期伸展垮塌過(guò)程中產(chǎn)生熔融低速體的比例不同,會(huì)導(dǎo)致變質(zhì)核雜巖發(fā)育模式的不同;Jamieson 等(2011)指出殼內(nèi)熔融產(chǎn)生之前,造山帶的生長(zhǎng)以垂向增厚為主,而一旦殼內(nèi)物質(zhì)發(fā)生熔融形成低速體,造山帶則開(kāi)始橫向擴(kuò)展。 因此,在對(duì)地殼變形以及巖石圈演化進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)當(dāng)分析低速體可能的成因以及形成的時(shí)間,充分考慮殼內(nèi)低速體對(duì)變形的影響甚至控制作用。

殼內(nèi)高速異常體主要分布于高壓超高壓變質(zhì)巖區(qū)以及大火成巖省等。 深地震測(cè)深揭示了魯西地區(qū)存在殼內(nèi)近于直立的高速體,可能是幔源巖漿向上地殼運(yùn)移的通道,反映了魯西地區(qū)殼幔物質(zhì)交換以及地殼增生的動(dòng)力學(xué)過(guò)程(王光杰等,2007)。 峨眉山大火成巖省在地震測(cè)深速度剖面上表現(xiàn)為高速異常的內(nèi)帶、上地殼低速異常的中帶以及正常速度結(jié)構(gòu)的外帶,反映了地幔巖漿的底侵與地殼增生(徐濤等,2015)。 秦嶺、大別造山帶的地殼速度結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為核部的高速穹隆異常以及翼部的殼內(nèi)低速體層(劉福田等,2003),可能對(duì)應(yīng)了大別造山帶變質(zhì)核雜巖的隆升與伸展拆離。 因此,地震測(cè)深剖面速度結(jié)構(gòu)中的高速異常體,大多與巖漿作用相關(guān),反映了幔源巖漿向淺層地表運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,對(duì)地殼速度結(jié)構(gòu)中的高速異常體進(jìn)行解釋時(shí),應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)聯(lián)系區(qū)域的火山與巖漿活動(dòng)等動(dòng)力學(xué)作用。

穿過(guò)大地震震源區(qū)域的深地震測(cè)深剖面顯示,地震往往發(fā)生在殼內(nèi)高、低速異常的轉(zhuǎn)換帶、并靠近于高速體的一側(cè),殼內(nèi)速度的異常變化易于發(fā)生應(yīng)力的集中,為地震的孕育提供深部構(gòu)造環(huán)境。 可見(jiàn),殼內(nèi)速度異常體對(duì)于揭示巖石圈演化、巖漿活動(dòng)以及地震孕育等動(dòng)力學(xué)過(guò)程,都具有重要的意義。 因此在深地震測(cè)深資料的處理和解釋中,應(yīng)當(dāng)著重加強(qiáng)對(duì)速度異常體的分析,根據(jù)切實(shí)可信的地震資料和速度異常證據(jù),劃定異常體的范圍,并對(duì)異常體的成因及其對(duì)地殼變形的影響等進(jìn)行分析,深化對(duì)區(qū)域動(dòng)力學(xué)過(guò)程的理解。

3 地震各向異性

地震各向異性描述了地震波沿不同方向傳播時(shí)的速度差異,對(duì)于了解巖石圈構(gòu)造變形史、研究地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)過(guò)程具有非常重要的意義(黃周傳,2011)。 目前利用地震測(cè)深資料研究殼幔巖石圈地震各向異性的手段主要有觀(guān)測(cè)P 波速度隨方位的變化和剪切波分裂。

P 波速度的方位變化是最早觀(guān)測(cè)到的各向異性現(xiàn)象。 Raitt(1963)首次利用人工折射地震資料發(fā)現(xiàn)Pn 波傳播速度隨方位改變而變化的現(xiàn)象,在垂直洋中脊方向上(8.3 km/s)快于平行洋中脊方向(8.0 km/s),Hess(1964)將其解釋為上地幔橄欖巖引起的地震波速各向異性。 Bamford (1977) 和Bamford 等(1979)利用大量的人工地震資料對(duì)各大陸的Pn 速度各向異性進(jìn)行了研究,指出了利用人工地震測(cè)線(xiàn)的P 波資料研究大陸巖石圈各向異性的可行性。 Meissner 等(2002)根據(jù)年輕造山帶上地幔Pn 各向異性的方向往往平行于造山帶、而與擠壓作用的應(yīng)力方向垂直的現(xiàn)象,提出了擴(kuò)展至地幔巖石圈的構(gòu)造逃逸造山動(dòng)力學(xué)模型。 但是Pn 波速度隨方位變化的方法要求射線(xiàn)覆蓋范圍非常好,否則不能區(qū)分走時(shí)異常是由速度各向異性還是由各向同性非均勻介質(zhì)引起的,因此國(guó)內(nèi)利用深地震測(cè)深數(shù)據(jù)研究Pn 波速度方位各向異性的結(jié)果較為少見(jiàn),這可能是由于該方法對(duì)地震測(cè)線(xiàn)的數(shù)量和平面方位分布要求較高,使得滿(mǎn)足條件的研究區(qū)域較少。Song Xianghui 等(2019b)對(duì)鄂爾多斯地區(qū)深地震測(cè)深資料的Pn 波速度方位各向異性進(jìn)行了初步研究,得到的近E—W 向的上地幔巖石圈各向異性方向與前人研究結(jié)果一致。

剪切波分裂被認(rèn)為是地球內(nèi)部存在各向異性的直接證據(jù),目前被認(rèn)為是識(shí)別各向異性最可靠、分解性最小的研究工具,因此前人利用人工地震S 波資料進(jìn)行了各向異性相關(guān)研究。 王椿鏞等(1997)發(fā)現(xiàn)大別造山帶深地震測(cè)深水平分量地震記錄中,存在著明顯的近似相互垂直、有一定到時(shí)差的兩種偏振運(yùn)動(dòng),表明S 波在大別造山帶下方傳播時(shí)存在分裂現(xiàn)象。 劉志和張先康等(2000)對(duì)泰安—忻州剖面的S 波分裂參數(shù)(快波方向和快慢波延遲)進(jìn)行了計(jì)算,對(duì)介質(zhì)的各向異性進(jìn)行了討論。 但是由于人工地震爆破數(shù)據(jù)中S 波地震記錄震相識(shí)別較為困難,限制了人工地震資料在各向異性研究中的應(yīng)用。

4 構(gòu)造解析與殼幔結(jié)構(gòu)解構(gòu)

深地震測(cè)深資料的構(gòu)造解析是根據(jù)地殼厚度與速度結(jié)構(gòu)模型、地殼變形結(jié)構(gòu)樣式、地殼地質(zhì)結(jié)構(gòu)與構(gòu)造演化、地殼運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)等四方面標(biāo)志,確定不同構(gòu)造單元的地質(zhì)作用模式。 蔡學(xué)林等(2007)利用構(gòu)造解析的方法,結(jié)合其他學(xué)科結(jié)果對(duì)大量的深部探測(cè)結(jié)果進(jìn)行了構(gòu)造解釋,將中國(guó)大陸巖石圈地殼劃分為3 種類(lèi)型的地殼結(jié)構(gòu)—?jiǎng)恿W(xué)型式,包括克拉通型、增厚型與減薄型(圖4)。

圖4 中國(guó)大陸地殼三維結(jié)構(gòu)—?jiǎng)恿W(xué)型式(據(jù)蔡學(xué)林等,2007)Fig. 4 Three dimensional structure and dynamic types of continental crustal in China (modified after Cai Xuelin et al., 2007＆)

克拉通型包括擠壓構(gòu)造形成的褶推式結(jié)構(gòu)以及伸展構(gòu)造所形成的地壘結(jié)構(gòu),前者主要特征為類(lèi)似于塔里木盆地的前陸盆地,而后者則以鄂爾多斯高原與周緣斷陷盆地為特征。 其地殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)表現(xiàn)為克拉通塊體地殼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,殼內(nèi)低速體不發(fā)育,而克拉通邊緣則受擠壓或伸展作用影響活動(dòng)劇烈,殼內(nèi)廣泛發(fā)育低速體。 李英康等(2019)對(duì)揚(yáng)子板塊與兩側(cè)龍門(mén)山和雪峰山的接觸關(guān)系進(jìn)行了地質(zhì)與地球物理的研究,發(fā)現(xiàn)兩側(cè)造山帶推覆于揚(yáng)子板塊之上,其構(gòu)造樣式與擠壓克拉通的動(dòng)力型式一致。

增厚型主要指板塊俯沖所形成的造山帶結(jié)構(gòu),包括陸陸碰撞所形成的扇形高原型結(jié)構(gòu)(青藏高原)以及洋陸俯沖增生所形成的造山帶楔狀結(jié)構(gòu)(天山、大別山、臺(tái)灣造山帶等)。 其中,楔狀地殼結(jié)構(gòu)是俯沖造山帶中上地殼的典型地震反射特征(Quinlan et al., 1993 ),在天山、大別山等地區(qū)的人工地震測(cè)深和深反射剖面中都有體現(xiàn),是洋殼向陸殼的俯沖過(guò)程中,伴隨俯沖的逆沖斷層形成的反射楔形體,此外其顯著特點(diǎn)是發(fā)育高角度的拆離斷層(蔡學(xué)林等,2004)。 蘇魯造山帶地殼結(jié)構(gòu)特征也與俯沖造山動(dòng)力型式類(lèi)似,反映了揚(yáng)子板塊向華北板塊俯沖而導(dǎo)致的造山作用(Zhao Weina et al., 2019)。 而陸陸碰撞通常形成類(lèi)似于青藏高原的造山高原,其地殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為上地殼呈扇形向外逆沖推覆,中地殼廣泛發(fā)育低速體,并以低角度拆離斷層的形式導(dǎo)致了上下地殼變形的解耦。

減薄型地殼結(jié)構(gòu)—?jiǎng)恿W(xué)型式又可細(xì)分為華北類(lèi)型的塊體伸展所形成的盆嶺結(jié)構(gòu)以及華南類(lèi)型的整體伸展所形成的鏟狀地殼結(jié)構(gòu)。 華北地區(qū)盆地下方莫霍面上隆,形成鏡像對(duì)稱(chēng)的地殼結(jié)構(gòu)樣式,而華南地區(qū)則以區(qū)域伸展的單剪變形為特征,中地殼存在廣泛發(fā)育而連續(xù)的殼內(nèi)低速體,為該區(qū)域的構(gòu)造拆離提供了條件(蔡學(xué)林等,2003,2007)。

實(shí)際上,這些不同的地殼結(jié)構(gòu)—?jiǎng)恿W(xué)型式之間又存在一定的聯(lián)系,反映了不同的構(gòu)造演化階段。例如,前人研究指出完整的造山帶演化一般經(jīng)歷造山楔、造山高原、造山后垮塌伸展和盆嶺省4 個(gè)旋回,相應(yīng)發(fā)育高角度、低角度拆離斷層與低角度、高角度伸展斷層(張進(jìn)江等,1996),這些不同的階段可能就分別對(duì)應(yīng)了增厚型與減薄型的不同地殼結(jié)構(gòu)—?jiǎng)恿π褪健?/p>

地震測(cè)深剖面的構(gòu)造解析,強(qiáng)調(diào)從研究區(qū)域的地殼速度結(jié)構(gòu)入手,運(yùn)用地球?qū)訅K構(gòu)造、比較構(gòu)造學(xué)與解析構(gòu)造學(xué)的理論和方法,分析地殼結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)造樣式,并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造研究結(jié)果,采用不同的動(dòng)力學(xué)模式對(duì)地殼變形進(jìn)行解釋。 但是由于構(gòu)造變形歷史復(fù)雜,多期構(gòu)造疊加,不同期次的構(gòu)造變形痕跡都保存在巖石圈內(nèi)而被記錄下來(lái),使得現(xiàn)今的地球物理剖面上既包含了新生代的構(gòu)造痕跡,也包含了中生代甚至古生代的構(gòu)造變形特征,呈現(xiàn)出極為復(fù)雜的構(gòu)造樣式,影響了對(duì)區(qū)域動(dòng)力學(xué)型式及演化過(guò)程的解釋。 因此,對(duì)人工地震測(cè)深結(jié)果的解釋還需要對(duì)殼幔結(jié)構(gòu)進(jìn)行解構(gòu),結(jié)合區(qū)域大地構(gòu)造演化歷史,按照反時(shí)序?qū)め＝Y(jié)構(gòu)中不同期次的構(gòu)造痕跡依次抹除,從而獲得某一期大地構(gòu)造作用之前的殼幔結(jié)構(gòu),據(jù)此逐步地恢復(fù)該區(qū)域的巖石圈演化過(guò)程。 楊文采(2014a)利用蘇魯超高壓變質(zhì)帶巖石圈的殼幔結(jié)構(gòu)與大地構(gòu)造研究結(jié)果,對(duì)區(qū)域殼幔結(jié)構(gòu)的解構(gòu)方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明,該方法可以為地震測(cè)深資料的動(dòng)力學(xué)研究提供良好的借鑒與指導(dǎo)。

通過(guò)人工地震測(cè)深資料的構(gòu)造解析,構(gòu)建地殼構(gòu)造模型,可以為地殼構(gòu)造的演化過(guò)程研究提供構(gòu)造變形方面的約束,進(jìn)而確定巖石圈演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程,即原始?xì)めＪ窃谑裁磻?yīng)力背景下,受什么作用控制,在什么時(shí)間,以怎樣的變形模式,形成了現(xiàn)今的殼幔結(jié)構(gòu)。 利用殼幔結(jié)構(gòu)解構(gòu)重建殼幔巖石圈演化過(guò)程的方法,雖然不是定量地恢復(fù)動(dòng)力學(xué)過(guò)程,但是該方法綜合了多學(xué)科的研究結(jié)果對(duì)演化模型進(jìn)行約束,能夠?qū)ι畈窟^(guò)程(底侵、拆沉作用等)給出合理的解釋(楊文采,2014c,2019),同時(shí)還能為下一步計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬方法驗(yàn)證巖石圈的演化模式提供參考模型,因此是地球動(dòng)力學(xué)研究從定性到定量研究的重要發(fā)展方向。

5 地殼成分與動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬

地殼成分影響著地球的物質(zhì)平衡與熱結(jié)構(gòu),了解地殼成分組成及其變化對(duì)于理解地殼演化過(guò)程具有重要意義。 深地震測(cè)深方法獲得的地殼速度結(jié)構(gòu),可以通過(guò)與巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比而推測(cè)地殼成分,為動(dòng)力學(xué)研究提供依據(jù)(Rudnick and Fountain, 1995)。

Christensen 和Mooney(1995)搜集了全球的深地震測(cè)深資料,并根據(jù)高溫高壓巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果,建立了地震波觀(guān)測(cè)速度與地殼巖石的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 但是根據(jù)地震P 波速度與巖石高溫高壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來(lái)判定巖性的方法具有較強(qiáng)的非唯一性,而利用Vp/Vs和地震P 波速度則可以較好地約束不同深度的巖性(Musacchio et al., 1997)。 如圖5 所示,大陸上地殼一般以長(zhǎng)英質(zhì)巖石(例如花崗巖)為主,具有低的P 波速度(<6.7 km/s) 和波速比值(<1.78);中地殼則以混合巖化為主的角閃巖相(例如輝石,角閃石等)為主,具有較低的P 波速度(6.6 ～7.1 km/s)和高的波速比值(>1.85);下地殼則以鎂鐵質(zhì)巖石(麻粒巖等)為主,通常具有高的P 波速度(>6.7 km/s)和高的波速比值(>1.86);而如果發(fā)生底侵作用,幔源巖漿進(jìn)入地殼,一般會(huì)造成下地殼底部的高速特征(>6.9 km/s),泊松比也會(huì)相應(yīng)地增大(≥0.28)。 此外,拉梅阻抗方法以及綜合多參數(shù)的鏈?zhǔn)郊s束法可以有效地降低地殼巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)建的非唯一性(張晰,2007),地震各向異性作為巖石的主要特征之一,也能夠較好地對(duì)不同巖性進(jìn)行區(qū)分(Rudnick and Fountain, 1995)。

圖5 地震P 波速度、泊松比與地殼成分對(duì)應(yīng)圖(據(jù)Musacchio et al.,1997)Fig. 5 Correlation diagram of seismicVp, Poisson’s ratio and crustal composition (modified after Musacchio et al., 1997)

地殼成分的構(gòu)建對(duì)于討論地殼演化過(guò)程具有重要意義。 高山等(1999)基于深地震測(cè)深資料,認(rèn)識(shí)到中國(guó)東部下地殼成分特征與基性下地殼明顯不同,可能存在下地殼的拆沉,反映了中國(guó)東部地殼可能具有更高的演化程度。 此外,地殼成分還可以為地球動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬提供重要的參數(shù)支撐。 動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬是目前研究大陸動(dòng)力學(xué)的重要手段之一,是對(duì)巖石圈地質(zhì)演化模式的驗(yàn)證,其基礎(chǔ)是巖石圈溫度結(jié)構(gòu)與流變結(jié)構(gòu)(石耀林等,2011)。 由于地震測(cè)深對(duì)構(gòu)建流變結(jié)構(gòu)所需的地殼溫度和流體含量等參數(shù)不夠敏感,因此不能像大地電磁測(cè)深方法一樣直接為動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬提供關(guān)鍵參數(shù)的支撐(Unsworth, 2003)。 但是人工地震測(cè)深獲得的速度結(jié)構(gòu)在巖石圈流變結(jié)構(gòu)的計(jì)算中發(fā)揮著重要的基礎(chǔ)作用,主要的應(yīng)用包括兩方面內(nèi)容:①通過(guò)熱流反演的方法可以將殼幔巖石圈速度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為溫度結(jié)構(gòu),從而為巖石圈熱結(jié)構(gòu)提供有效約束(安美建等,2007);②根據(jù)人工地震測(cè)深速度推測(cè)的地殼成分,選擇代表性巖石對(duì)應(yīng)的地殼流變參數(shù)。 在溫度結(jié)構(gòu)與巖石流變參數(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)分層流變學(xué)等方法可以計(jì)算得到包括巖石強(qiáng)度、粘滯系數(shù)等參數(shù)的地殼流變結(jié)構(gòu)(周永勝等,2003;馬輝等,2011)。

深地震測(cè)深作為探測(cè)殼幔巖石圈精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要方法,能夠有效地揭示地殼結(jié)構(gòu)的橫向非均勻性與地震各向異性,還可以對(duì)地殼成分進(jìn)行推測(cè)進(jìn)而對(duì)地殼演化的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行討論。 目前利用人工地震測(cè)深速度模型構(gòu)建地殼成分結(jié)構(gòu)的方法已經(jīng)較為成熟,經(jīng)過(guò)大量巖石物理實(shí)驗(yàn)以及多參數(shù)的綜合約束,地殼成分模型的可靠性得到了提高,為揭示地殼演化過(guò)程提供了依據(jù)。 隨著地殼流變學(xué)在動(dòng)力學(xué)研究中的重要性日益凸顯,通過(guò)地殼成分與巖石流變參數(shù)之間的聯(lián)系,人工地震測(cè)深資料在動(dòng)力學(xué)研究中也發(fā)揮著更為重要的作用。 深地震測(cè)深結(jié)果不僅為動(dòng)力學(xué)模擬初始模型厚度與分層結(jié)構(gòu)的設(shè)置提供了依據(jù),還與模擬所需的溫度結(jié)構(gòu)和地殼巖石流變參數(shù)等密切相關(guān),為地殼流變結(jié)構(gòu)的計(jì)算提供了基礎(chǔ)。 以后在利用深地震測(cè)深資料進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí),除了對(duì)震相和地殼速度結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,對(duì)地震各向異性、地殼深部構(gòu)造以及地殼巖性等進(jìn)行研究討論殼幔巖石圈演化過(guò)程,還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)同地殼流變學(xué)的聯(lián)系,通過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬研究流變結(jié)構(gòu)對(duì)巖石圈變形的控制作用。

6 結(jié)論

深地震測(cè)深是探測(cè)地殼上地幔巖石圈精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要手段,其獲得的殼幔速度結(jié)構(gòu)在動(dòng)力學(xué)研究中發(fā)揮著重要的作用,具體的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面:

(1)震相是深部動(dòng)力學(xué)響應(yīng)最為直接的體現(xiàn),震相走時(shí)的截距、震相曲線(xiàn)的斜率以及波組的振幅和走時(shí)變化等,都反映了地殼結(jié)構(gòu)的特征。

(2)地殼速度結(jié)構(gòu)分析是目前廣泛應(yīng)用的動(dòng)力學(xué)研究方法。 通過(guò)殼幔速度結(jié)構(gòu)的對(duì)比,可以討論不同構(gòu)造單元的性質(zhì)與演化過(guò)程;利用殼幔速度、地殼厚度以及泊松比等參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以對(duì)地殼變形的模式進(jìn)行討論;地殼速度結(jié)構(gòu)包含的速度變化,形成殼內(nèi)的高速體或低速體,分析異常體的分布、成因及其對(duì)地殼變形的影響和控制作用,可以深化對(duì)區(qū)域動(dòng)力學(xué)過(guò)程的認(rèn)識(shí)。

(3)深地震測(cè)深資料的各向異性研究發(fā)現(xiàn)了Pn地震各向異性和S 波分裂等現(xiàn)象,但是受地震測(cè)線(xiàn)數(shù)量不足、分布不均勻、人工地震S 波不發(fā)育等客觀(guān)條件的限制,目前利用地震測(cè)深資料進(jìn)行各向異性研究的成果相對(duì)較少。

(4)現(xiàn)代構(gòu)造解析方法是從地殼結(jié)構(gòu)樣式出發(fā),將地殼結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)過(guò)程聯(lián)系起來(lái),建立地殼構(gòu)造動(dòng)力學(xué)模型。 目前的研究結(jié)果將中國(guó)大陸巖石圈結(jié)構(gòu)與動(dòng)力型式分為克拉通型、增厚型與減薄型三大類(lèi),具體的每一類(lèi)又可以細(xì)分為擠壓與伸展、碰撞與增生、純剪伸展與單剪拉伸。 此外,通過(guò)對(duì)殼幔結(jié)構(gòu)中歷史構(gòu)造變形痕跡的解構(gòu),還可以重建巖石圈的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程。 深地震測(cè)深結(jié)果的構(gòu)造解析和解構(gòu),給出了殼幔巖石圈變形動(dòng)力學(xué)的常見(jiàn)模式和動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程,對(duì)于后續(xù)資料的解釋以及數(shù)值模擬等具有重要的參考價(jià)值。

(5)深地震測(cè)深速度結(jié)構(gòu)與巖石物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以對(duì)地殼組成成份進(jìn)行約束,進(jìn)而對(duì)地殼演化過(guò)程進(jìn)行討論。 動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬是驗(yàn)證巖石圈演化模式的重要手段,深地震測(cè)深數(shù)據(jù)在其中發(fā)揮著重要的作用,雖然不能直接提供模擬相關(guān)的參數(shù),但是通過(guò)地殼組成成份與巖石流變參數(shù)的聯(lián)系,可以利用地殼速度結(jié)構(gòu)間接地計(jì)算地殼流變結(jié)構(gòu),為動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬提供基礎(chǔ)模型。

致謝: 感謝中國(guó)地震局物探中心劉寶峰高級(jí)工程師的有益探討,馬策軍工程師提供的原始數(shù)據(jù)。感謝審稿專(zhuān)家及編輯老師為本文的認(rèn)真付出。