張永謙 , 石玉濤, 張洪雙, 徐 峣 , 江國明, 韓如冰,嚴(yán)加永 , 張大魏

1)中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037;2)中國地質(zhì)調(diào)查局中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測中心, 北京 100037;3)中國地震局地震預(yù)測研究所地震預(yù)測重點實驗室, 北京 100036; 4)中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所, 北京 100037;5)中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院, 北京 100083; 6)清華大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)系, 北京 100084

華南大陸位于歐亞大陸東南端, 其北側(cè)以秦嶺—大別造山帶和郯廬斷裂帶為界與華北克拉通相鄰,西側(cè)以龍門山斷裂和紅河斷裂為界與青藏高原相鄰,東南側(cè)瀕臨太平洋。華南地區(qū)是全球新元古代以來地質(zhì)演化歷史最復(fù)雜的地區(qū)之一, 經(jīng)歷了多階段超大陸的聚合和裂解, 以及古生代、中生代復(fù)雜的碰撞和陸內(nèi)造山及隨后的伸展過程, 產(chǎn)生了陸內(nèi)構(gòu)造的多期復(fù)合演變和疊加復(fù)合型的構(gòu)造樣式, 并最終形成了現(xiàn)今的基本面貌(舒良樹, 2012; 張岳橋等,2012; 張國偉等, 2013; 毛建仁等, 2014)。華南地區(qū)也是歐亞板塊東南緣地殼生長和大陸增生最活躍的地帶、陸-洋過渡帶、核-幔物質(zhì)和能量交換最強烈的構(gòu)造帶、地球上最顯著的側(cè)向不連續(xù)地區(qū)和地幔柱生長最明顯的地帶(謝竇克和張禹慎, 1995; 馮向陽等, 2003), 記錄了地殼生長和大陸增生的幾乎全部過程, 為深化及創(chuàng)新性認識大陸演化過程提供了天然實驗場。尤其是中生代以來, 華南地區(qū)經(jīng)歷了從特提斯構(gòu)造域向濱太平洋構(gòu)造域動力體制的轉(zhuǎn)換,主要大地構(gòu)造格局相應(yīng)地由東西向為主轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|向為主, 并在此過程中發(fā)育了大規(guī)模的構(gòu)造變形、大面積的火成巖出露及爆發(fā)式的多金屬成礦作用(圖1)(舒良樹, 2012; 張岳橋等, 2012; Wang et al.,2013; 毛建仁等, 2014; Shu et al., 2021; 羅凡等,2022; 嚴(yán)加永等, 2022)。要闡明造成華南地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造與巖漿活動和成礦作用的機制與過程, 離不開對深部結(jié)構(gòu)的研究, 關(guān)鍵在于對地殼與巖石圈尺度的深部結(jié)構(gòu)及其變形與演化過程的認識。

圖1 華南大陸東部地區(qū)簡明地質(zhì)與構(gòu)造格架圖(修改自張岳橋等, 2012)Fig. 1 Simplified geological and tectonic framework of the eastern part of the South China Block(modified from ZHANG et al., 2012)

寬頻帶地震學(xué)是開展地球深部探測的重要手段, 通過密集的流動地震臺站與長期固定地震臺站相結(jié)合可對典型構(gòu)造區(qū)域的深部結(jié)構(gòu)開展高分辨率探測, 其研究結(jié)果可在認識地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)組成、性質(zhì)、狀態(tài)和動力學(xué)過程等方面提供重要資料和科學(xué)依據(jù), 已發(fā)展成為最重要的深部探測方法之一, 也是現(xiàn)代地震學(xué)發(fā)展的標(biāo)志(李秋生等, 2020)。近二十年來, 我國學(xué)者們在華南地區(qū)開展了大量的深部結(jié)構(gòu)寬頻帶地震學(xué)探測研究工作, 對理解華南地區(qū)的深部構(gòu)造與動力學(xué)過程和成礦背景起到了積極的促進作用。然而, 在已有工作中, 區(qū)域性的面積工作多以中國地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展, 臺站分布不均勻且較為稀疏, 限制了研究結(jié)果的空間分辨率。而流動地震臺站多為線性或小區(qū)域分布, 盡管可提供更高分辨率的結(jié)果, 但多針對個別具體的科學(xué)問題, 對大區(qū)域宏觀構(gòu)造的討論較少, 對于該區(qū)深部結(jié)構(gòu)的整體性認識有待進一步加強。為此, 本文以華南大陸東部地區(qū)(范圍為109°E以東, 33°N以南地區(qū))為研究區(qū), 盡可能全面地收集匯總了目前在該區(qū)已布設(shè)的寬頻帶流動地震臺站, 并聯(lián)合固定地震臺站數(shù)據(jù), 通過遠震接收函數(shù)方法構(gòu)建了該區(qū)的地殼厚度與 Vp/Vs比值分布模型。此外, 結(jié)合近年來其他研究成果, 對巖石圈厚度和上地幔地震波速度與各向異性特征也進行了討論。在本文中, 我們盡量把重點放在探測工作本身和所得到的殼幔結(jié)構(gòu)方面, 而減少對研究結(jié)果的討論與解釋。目的一方面是總結(jié)華南地區(qū)現(xiàn)有臺站分布情況, 為將來在該區(qū)新布設(shè)地震探測臺站時作為參考, 另一方面也簡要介紹目前華南地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)研究的現(xiàn)狀, 希望能對后續(xù)深入研究該區(qū)的深部結(jié)構(gòu)與成礦過程提供一些信息。

1 華南大陸寬頻帶地震臺站布設(shè)情況

華南地區(qū)的寬頻帶地震臺站主要包括中國地震局建設(shè)的中國地震臺網(wǎng)(CSN, China Seismic Network)和各單位根據(jù)具體科研目標(biāo)需要而在特定位置布設(shè)的流動地震臺站兩類。其中, 中國地震臺網(wǎng)包括 300多個固定地震臺站, 以寬頻帶觀測系統(tǒng)為主, 部分臺站為井下地震觀測系統(tǒng)。所使用的寬頻帶地震計主要包括: 英國 Guralp公司生產(chǎn)的CMG-3ESPB(頻帶范圍 60 s～50 Hz)和 CMG-3ESPC(頻帶范圍 60 s～50 Hz和 120 s～50 Hz), 美國 GeoTek公司生產(chǎn)的 KS(頻帶范圍 120 s～50 Hz), 北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的 BBVS(頻帶范圍 60 s～50 Hz和120 s～50 Hz), 武漢地震科學(xué)儀器研究院生產(chǎn)的 CTS-1(頻帶范圍 120 s～50 Hz)和 JCZ-1(頻帶范圍 360 s～20 Hz)、GL-60(頻帶范圍 120 s～50 Hz)等。短周期地震計包括: CMG-40T(頻帶范圍2 s～50 Hz)和北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的FSS-3(頻帶范圍1 s～60 Hz)等。地震數(shù)據(jù)采集器包括英國Guralp公司生產(chǎn)的CMG-DM、北京港震儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的EDAS系列采集器和珠海泰德企業(yè)有限公司生產(chǎn)的TDE采集器等類型。

華南大陸東部地區(qū)的寬頻帶流動地震臺站探測始于中國地震局地質(zhì)研究所于 2001—2002年間在大別造山帶所布設(shè)的寬頻帶流動地震臺站探測剖面(劉啟元等, 2005; Sodoudi et al., 2006), 該剖面長約500 km, 共布設(shè)34個臺站, 呈近NS走向跨過大別山區(qū), 所用儀器為 EDAS-24型數(shù)字采集器和BKD 地震計, 頻帶范圍為 20 s～20 Hz。劉啟元等(2005)和Sodoudi et al.(2006)通過P波和S波接收函數(shù)方法研究了大別山及其南北鄰域的地殼幾何結(jié)構(gòu),提出大別造山帶地殼具有非對稱且橫向分塊的碰撞結(jié)構(gòu), 地殼最大厚度為 42 km, 巖石圈厚度最大為72 km, 殼內(nèi)存在S波低速體等特征, 并提出揚子陸塊應(yīng)為其與中朝陸塊(華北陸塊)碰撞過程中的主動地塊等認識。深部探測技術(shù)與實驗研究專項(SinoProbe)項目(董樹文等, 2010)啟動后, 華南地區(qū)的寬頻帶地震探測進入迅速發(fā)展階段。近十五年來,在 SinoProbe專項、地質(zhì)大調(diào)查項目、國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金等相關(guān)項目的支持下, 不同單位在華南地區(qū)開展了廣泛的寬頻帶流動地震探測。我們按照臺站布設(shè)單位和數(shù)據(jù)采集時間對華南地區(qū)的寬頻帶流動地震臺站進行了統(tǒng)計, 概述如下:

自 2007年以來, 中國地質(zhì)科學(xué)院所屬研究所在華南地區(qū)開展了大量寬頻帶流動地震臺站探測工作, 是目前在華南地區(qū)開展寬頻帶流動地震臺站探測面積最廣泛, 布設(shè)流動地震臺站最多的單位。(1)在 SinoProbe項目執(zhí)行期間, 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所于 2007—2011年間在東南沿海地帶布設(shè)了2條NE走向的寬頻帶流動地震探測剖面(葉卓等,2013, 2014; Li et al., 2013), 其一為福建東山—三沙剖面, 其二為福建安溪—屏南剖面。每條剖面均由20個地震臺站組成, 使用的地震計為 Guralp CMG-3ESP(頻帶范圍 30 s～50 Hz)和 Guralp CMG-3T (頻帶范圍 120 s～50 Hz), 數(shù)字采集器為RefTek-130。(2)隨后, 在深部地質(zhì)調(diào)查和國家自然科學(xué)基金等項目的聯(lián)合支持下, 以中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所為主導(dǎo), 聯(lián)合中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所、中國地震局地震預(yù)測研究所、北京大學(xué)、南京大學(xué)等單位, 于 2014—2018年間在華南地區(qū)又分階段開展了“面狀+線狀”相結(jié)合的大規(guī)模寬頻帶流動地震觀測(王曉冉, 2018; 王曉冉等, 2018;韓如冰等, 2019; Ye et al., 2019; 韓如冰, 2020; 葉卓等, 2020; 曲平等, 2020; 石玉濤和高原, 2022; Han et al., 2020, 2022)。先期布設(shè)臺站200個, 臺站間距約 40 km, 形成對東秦嶺—大別山、下?lián)P子地塊和華南褶皺帶東南部的較密集覆蓋。之后中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所又補充布設(shè)臺站71個, 合計271個,對華南大陸東部核心區(qū)形成了～40 km網(wǎng)格間距的面積性覆蓋。其中包括在關(guān)鍵構(gòu)造區(qū)帶的3條線性密集臺陣(韓如冰, 2020), 分別是閩西北—贛南—桂林剖面(33個臺站)、跨越贛江斷裂的近東西向剖面(24個臺站)和跨越江南造山帶的NW向剖面(22個臺站)(Ye et al., 2019; 葉卓等, 2020; Han et al.,2022), 臺站間距為15～20 km。使用的地震計型號包括 Guralp CMG-3ESP(頻帶范圍 60 s～50 Hz)、Guralp CMG-3T (120 s～50 Hz)、STS-2.5(120 s～50 Hz)、Trillium120PA (120 s～100 Hz)以及 CZS-II(30 s～50 Hz)等, 數(shù)字采集器包括 Reftek-130、Q330S+、Taurus等型號。(3)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所和地球深部探測中心布設(shè)了 3條剖面, 其一為安徽淮南—浙江安吉剖面(史大年等, 2012; Shi et al.,2013; Li et al., 2015), 該剖面于2009—2011年期間布設(shè), 剖面跨越長江中下游成礦帶, 主要目標(biāo)是揭示成礦帶下方的地殼巖石圈結(jié)構(gòu)與成礦背景, 共布設(shè) 66個臺站, 點距為～5 km, 所用設(shè)備為 Guralp CMG-3ESPCD (60 s～50 Hz)一體式地震儀。其二為江西尋烏—贛州—吉安—萍鄉(xiāng)剖面(李秋生等,2020), 該剖面野外工作由中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所與南京大學(xué)合作開展, 于 2012—2013年期間分南、北兩期各15個臺站布設(shè), 共30個臺站,臺站間距約 15 km, 所用設(shè)備為 Nanometrics Trillium-120p地震計和 Taurus數(shù)字采集器。其三為湖南長沙—福建莆田剖面(Zhang et al., 2021a, b; 徐峣等, 2022; 張永謙等, 2022; Xu et al., 2022), 該剖面為在國家重點研發(fā)計劃“華南陸內(nèi)成礦系統(tǒng)的深部過程與物質(zhì)響應(yīng)”項目支持下于2017—2019年期間布設(shè), 共布設(shè)70個臺站, 點距為～10 km, 所用設(shè)備包括 21 臺 Guralp CMG-3ESPCD (60 s～50 Hz)一體式地震儀和49臺Guralp CMG-3TDE(120 s～50 Hz)一體式地震儀。

2007年至 2011年期間, 南京大學(xué)在華南地區(qū)布設(shè)了2條NW向地震測線。其一為福建廈門—江西宜豐剖面(黃暉等, 2010; Huang et al., 2010; 于大勇等, 2016), 該剖面包括26個地震臺; 其二為安徽阜陽—浙江臺州剖面(黃暉, 2013; Huang et al., 2013,2014; 于大勇等, 2016), 由28個地震臺組成。所用儀器主要由 Guralp CMG-40T三分量地震計搭配RefTek-130和RefTek-72A數(shù)字采集器組成。

2008年至 2012年期間, 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所在華南地區(qū)布設(shè)了兩條 NW 向長剖面。其一為安徽—浙江剖面(Zhao et al., 2013; Zheng et al., 2014; Wei et al., 2016; 吳珊珊等, 2018; 張耀陽等, 2019; Li et al., 2020), 該剖面于2008—2010年間完成數(shù)據(jù)采集, 共布設(shè)55個臺站, 由一條主干剖面(41個臺站)和東、西兩條輔助剖面(各7個臺站)組成, 所用儀器主要為 Guralp CMG-3ESP (30/60 s～50 Hz)和RefTek 130型數(shù)字采集器。其二為泉州—銅仁—成都—青海海南州剖面(Zhao et al., 2013;Wei et al., 2016; 張耀陽等, 2018), 該剖面于2009—2012年期間分階段布設(shè)并完成數(shù)據(jù)采集, 長度超過2500 km, 共布設(shè)186個臺站, 剖面基本沿阿爾泰—黑水—泉州地學(xué)斷面布設(shè)。其中泉州—龍門山斷裂段共 130個臺站, 所用地震計以 Guralp CMG-3ESP(30/60 s～50 Hz)地震計為主, 少量為CMG-3T(120 s～50 Hz)地震計, 使用的數(shù)字采集器包括RefTek130和RefTek72A兩種。

2012年至 2014年期間, 中國地震局地球物理勘探中心布設(shè)了江西九江—福建寧化寬頻帶流動地震臺站(趙延娜, 2015; 趙延娜等, 2015, 2017; 檀玉娟等, 2021), 該剖面由35個地震臺站組成; 隨后又將該測線延長到了福建泉州, 寧化—泉州段由11個地震臺站組成, 全測線共計46個臺站。所用地震計包括 Guralp CMG-3ESPC(60 s～50 Hz)和 Guralp CMG-3T(120 s～50 Hz)兩種類型, 使用的數(shù)據(jù)采集器型號為RefTek-130B。

2013年至今, 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)在華南地區(qū)開展了“面狀+線狀”相結(jié)合的寬頻帶流動地震觀測。(1)面狀臺站主要于 2013—2016年間布設(shè)在長江中下游及周邊地區(qū)(Jiang et al., 2013, 2015, 2021;江國明等, 2014; Ouyang et al., 2014; Li et al., 2015,2018; 張昌榕等, 2018), 共 72個流動地震臺站。(2)線狀臺站為 2017—2020年間布設(shè)的江西崇義—福建廈門剖面(席家驥等, 2021; Zhang et al., 2021),共81個流動地震臺站。使用的地震儀器設(shè)備主要為Guralp CMG-3ESPCDE(60 s～50 Hz)一體式地震儀,分體式設(shè)備中的地震計有 Guralp CMG-3ESPC(60 s～50 Hz)、 NanoMetrics Trillium120(120 s～50 Hz)、俄羅斯生產(chǎn)的CME-4311ND(120 s～50 Hz)等, 分別搭配使用的數(shù)字采集器為 RefTek-130,Centaur和美國生產(chǎn)的OSO-N等。

2013—2014年和 2017—2018年期間, 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)在鄂西地區(qū)分兩期開展了寬頻帶流動地震觀測, 其中第一期布設(shè)28個臺站, 第二期布設(shè)19個臺站, 兩期合計共布設(shè)47個流動臺站(任鳳茹等, 2020), 使用的設(shè)備主要是 NanoMetrics Trillium120(120 s～50 Hz)型號地震計和 Taurus與Centaur型號數(shù)字采集器。

表1簡要總結(jié)了上述在華南地區(qū)開展的寬頻帶流動地震探測工作, 盡量引用正式公開發(fā)表的參考文獻, 并將各臺站位置標(biāo)繪于圖2中以便讀者參考。

圖2 華南大陸東部地區(qū)主要成礦帶與寬頻帶地震臺站位置圖Fig. 2 Geographic locations of the metallogenic belts and broadband seismic stations in the eastern part of the South China Block

表1 華南大陸東部地區(qū)寬頻帶地震臺站信息Table 1 Information on the broad-band seismic stations in eastern South China

2 Moho 界面起伏、地殼結(jié)構(gòu)與物性變化特征

地殼作為地球最表層的圈層結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變形等直接影響了火山、地震等活動, 也為人類提供了豐富的礦產(chǎn)資源。地殼速度結(jié)構(gòu)與 Vp/Vs特征是地球在漫長的地質(zhì)演化過程中所遺留下來的地震學(xué)痕跡, 可借此反推其演化過程的動力學(xué)機制和變形過程(Wong et al., 2011; Lü et al., 2013, 2015,2021)。針對Moho界面和地殼Vp/Vs分布特征的研究一直是地球科學(xué)界研究的重點之一, 通過地球物理方法探測研究區(qū) Moho界面的起伏形態(tài)與地殼Vp/Vs分布特征, 則可對研究區(qū)深部地殼的巖漿活動及成礦過程提供進一步約束和探討。

接收函數(shù)方法(Langston, 1979)是研究地殼厚度和結(jié)構(gòu)的有效方法之一, 主要通過遠震射線穿過接收區(qū)介質(zhì)時在速度間斷面處產(chǎn)生的轉(zhuǎn)換波 Ps及相應(yīng)多次波與直達P波之間的到時差來獲取接收區(qū)地下介質(zhì)的幾何結(jié)構(gòu)與物性信息。通過對接收函數(shù)進行H-κ掃描分析(Zhu and Kanamor, 2000), 可以定量獲得臺站附近下方的地殼厚度與地殼平均 Vp/Vs值; 對臺陣的接收函數(shù)進行共轉(zhuǎn)換點疊加(CCP,Common Conversion Point)成像, 可以獲得臺陣下方的Moho界面、巖石圈底界以及其它主要速度間斷面的起伏特征; 對接收函數(shù)進行反演則可以獲得地殼內(nèi)部的S波速度分布情況等。在華南大陸及周邊地區(qū), 不同學(xué)者依據(jù)中國地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)已開展了大量接收函數(shù)研究工作(如He et al., 2013; Li et al.,2014; Huang et al., 2015; Song et al., 2017; Guo et al.,2019; 張永謙等, 2019; 楊曉瑜和李永華, 2021;Cheng et al., 2022), 其中Guo et al.(2019)在傳統(tǒng)接收函數(shù) H-κ掃描的基礎(chǔ)上加入了重力學(xué)約束, 進一步改善了H-κ掃描所得地殼厚度和Vp/Vs比值的置信區(qū)間。Wei et al.(2016)和韓如冰(2020)在中國地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上加入了各自流動地震臺站的數(shù)據(jù),進一步豐富了研究成果。此外, 眾多線性流動地震測線也開展了包括接收函數(shù)等方法在內(nèi)的相關(guān)地震學(xué)研究(e.g. 劉啟元等, 2005; Huang et al., 2010,2013, 2014; 黃暉等, 2010; 史大年等, 2012; Shi et al., 2013; Li et al., 2013, 2020; 葉卓等, 2013, 2014;Zheng et al., 2014; 趙延娜等, 2015, 2017; 吳珊珊等,2018; 張耀陽等, 2018, 2019; Ye et al., 2019; Zhang et al., 2021b, c; 張永謙等, 2022), 獲得了相應(yīng)研究區(qū)帶的地殼厚度和 Vp/Vs比值等信息。Zhang et al.(2021a)在收集固定臺站和多單位流動臺站數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上重構(gòu)了華南地區(qū)的地殼厚度和Vp/Vs比值分布特征。在本工作中, 我們盡可能全面地收集資料, 對于能收集到原始數(shù)據(jù)的臺站(主要是固定地震臺站和部分流動地震測線臺站), 我們采用時間域迭代反褶積方法(Ammon, 1991)計算了相應(yīng)臺站遠震事件的接收函數(shù)并開展H-κ掃描分析以獲取其地殼厚度和 Vp/Vs值; 對于未收集到原始數(shù)據(jù)的臺站, 則盡可能收集已公開發(fā)表的地殼厚度和 Vp/Vs值研究結(jié)果。最后將所有臺站數(shù)據(jù)匯總形成華南大陸東部地區(qū)的地殼厚度(圖 3)與地殼平均 Vp/Vs值(圖4)特征分布圖。

從圖3和圖4可見, 我們所獲得的地殼厚度和地殼平均Vp/Vs值分布特征與華南地區(qū)主要地質(zhì)特征和前人研究結(jié)果(e.g. He et al., 2013; Li et al.,2014; Huang et al., 2015; Wei et al., 2016; Song et al.,2017; Guo et al., 2019)在整體上是一致的。總體上呈現(xiàn)出揚子塊體厚地殼而華夏塊體地殼較薄的特征,Vp/Vs值也與相應(yīng)構(gòu)造單元位置密切相關(guān)。相對于過去主要基于固定臺站所得的結(jié)果, 本結(jié)果在有密集流動地震臺站分布的區(qū)域提供了更為豐富的細節(jié)信息。從圖 3可見, 研究區(qū)地殼厚度從沿海地區(qū)的28 km左右向北西方向逐漸增加, 在西部陸內(nèi)的揚子塊體地區(qū)的地殼厚度可超過40 km。

圖3 華南大陸東部地區(qū)地殼厚度分布圖(修改自Zhang et al., 2021a)Fig. 3 Distribution map of the crustal thickness in the eastern part of the South China Block(modified from Zhang et al., 2021a)

圖4 華南大陸東部地區(qū)地殼整體Vp/Vs波速比分布圖(修改自Zhang et al., 2021a)Fig. 4 Distribution map of the crustal bulk Vp/Vs ratio in the eastern part of the South China Block(modified from Zhang et al., 2021a)

揚子塊體: 本研究區(qū)內(nèi)的揚子塊體包括兩部分,一部分為襄樊—廣濟斷裂(圖 1中 F10)以南的中揚子地區(qū), 一部分為郯廬斷裂(圖 1中 F8)以東的下?lián)P子地區(qū)。中揚子地區(qū)以較厚的地殼(～40 km)分布特征為主, 與全球大陸地殼的平均值(41 km, Mooney,2015)相當(dāng), 僅在江漢盆地處略薄。中揚子地區(qū)的Vp/Vs比值在1.65～1.81之間變化, 平均值為1.74。下?lián)P子地區(qū)的寬頻帶地震臺站分布較為密集, 有 4條密集寬頻帶流動地震測線穿過本區(qū), 為獲得該區(qū)更高分辨率的地殼結(jié)構(gòu)與物性特征提供了可能。從圖3可見, 下?lián)P子地區(qū)的地殼厚度在30～35 km之間變化, 總體上比其兩側(cè)的華北塊體和江南造山帶地域略薄, 沿著長江方向, 其地殼厚度分布在面積上呈現(xiàn)為“幔隆”特征, 在南京—蕪湖一帶為地殼最薄的區(qū)域。下?lián)P子地區(qū)的 Vp/Vs比值較高, 多在1.72～1.84之間, 與呈現(xiàn)“幔隆”特征的殼幔結(jié)構(gòu)特征相匹配。

華夏塊體: 在華夏塊體內(nèi)部, 地殼厚度明顯小于揚子塊體, 且整體比較均一, 起伏較小, 在28～33 km之間變化, 平均地殼厚度在31 km左右,較之全球大陸地殼的平均厚度偏薄。整體上, 從東西方向來看, 在研究區(qū)南部(25°N 以南)地區(qū), 地殼厚度普遍小于 30 km, 明顯薄于北部地區(qū)。沿贛江斷裂沿線呈現(xiàn)為明顯的地殼減薄區(qū)域。華夏塊體的平均 Vp/Vs比值為 1.72, 在東南沿海地域的 Vp/Vs較高, 與地表火成巖分布存在較好的空間相關(guān)性。

江南造山帶: 江南造山帶作為揚子塊體與華夏塊體之間的碰撞過渡帶, 其地殼厚度總體呈現(xiàn)為由其南東側(cè)華夏塊體較薄地殼向其北西側(cè)揚子塊體較厚地殼變化的不均勻過渡帶。在江南造山帶內(nèi)部,其地殼厚度變化也存在明顯的分段性特征。在江南造山帶內(nèi)的幾處古老地體(懷玉、樟公、九嶺、桂北地體等)所處位置, 地殼厚度相對較厚, 而在其它部位則比較薄。在江南造山帶的中段地域, 以九嶺地體為界, 其兩側(cè)與南側(cè)華夏塊體區(qū)域構(gòu)成了一處“V”形狀的薄地殼區(qū)域, 西側(cè)大致沿著湘中—江漢盆地一帶分布, 東側(cè)大致沿贛江斷裂分布, 向北可至南昌盆地附近。江南造山帶的Vp/Vs比值相對較低(平均～1.68), 整體上呈現(xiàn)為本研究區(qū) Vp/Vs比值最低的部分, 但在其東北部的懷玉、樟公地體和北西端的桂北地體區(qū)域, Vp/Vs比值相對較高(＞1.72),其中懷玉地體處Vp/Vs比值最高可達～1.78。

3 巖石圈厚度研究

巖石圈底界(巖石圈-軟流圈邊界, LAB, Lithosphere-Asthenosphere-Boundary)是板塊運動的主要垂向圈層單元, 其幾何特征與空間形態(tài)是理解板塊運動與變形、動力學(xué)機制及地球演化過程的關(guān)鍵。接收函數(shù)方法目前被認為是研究 LAB最可靠的方法之一, 然而在P波接收函數(shù)中來自LAB的Ps轉(zhuǎn)換震相到時較晚, 常會受到來自 Moho界面和地殼內(nèi)部間斷面所產(chǎn)生的多次波的混疊干擾, 導(dǎo)致難以分離出可靠的LAB震相。而在S波接收函數(shù)中, 由于轉(zhuǎn)換Sp波先于S波到達地震臺站, 而S波的多次波均滯后于S波到達, Sp震相不會受到殼內(nèi)多次波和傳播路徑上的介質(zhì)各向異性的影響。因此, 利用Sp震相(即S波接收函數(shù))研究巖石圈結(jié)構(gòu)受其它震相干擾相對較小, 可以更有效地反映 LAB的起伏特征, 得到更為可靠的巖石圈厚度信息(Kumar et al., 2005; Yuan et al., 2006; Zhang et al., 2018)。但是,由于地震記錄中的S波資料信噪比往往較差, 難以獲得足夠多高質(zhì)量的有效接收函數(shù), 導(dǎo)致目前尚未見到用大范圍面積性臺站的S波接收函數(shù)研究華南LAB區(qū)域性分布的報道。

近幾年在華南地區(qū)布設(shè)的密集寬頻帶流動地震臺陣在一定程度上提升了對該區(qū)巖石圈結(jié)構(gòu)的認識。如大別山剖面(劉啟元等, 2005)的S波接收函數(shù)研究結(jié)果(Sodoudi et al., 2006)顯示大別山及其南緣揚子地區(qū)的巖石圈厚度約70 km。而在大別東側(cè)下?lián)P子地區(qū)的密集寬頻帶地震剖面(史大年等, 2012;Shi et al., 2013; Zheng et al., 2014; Ye et al., 2019)也呈現(xiàn)出類似的特征, 指示華夏塊體東北部和下?lián)P子地區(qū)的巖石圈厚度平均為～60 km, 在長江中下游成礦帶下方則更薄, 與Moho界面上隆同步呈現(xiàn)出“幔隆”特征。東南沿海地帶的巖石圈厚度在 60～70 km 之間(Li et al., 2013; 葉卓等, 2014)。呈NW-SE向橫貫華南大陸的泉州—龍門山剖面的 S波接收函數(shù)研究(張耀陽等, 2018)則指出揚子塊體四川盆地下方的巖石圈厚度最厚可達190 km, 且存在巖石圈內(nèi)部間斷面, 自雪峰山向東巖石圈明顯減薄20～30 km, 在華夏塊體內(nèi)部則不足100 km。此外,基于其它多種方法, 如地震波速度結(jié)構(gòu)、熱結(jié)構(gòu)、密度結(jié)構(gòu)、熱化學(xué)結(jié)構(gòu)等對華南或者更大區(qū)域范圍內(nèi)的巖石圈厚度也開展了相關(guān)研究(e.g. An and Shi,2006; Zhou et al., 2012; Shan et al., 2014, 2016; Deng and Tesauro, 2016; Deng and Levandowski, 2018; Li et al., 2018; Yang et al., 2021)。不同方法和數(shù)據(jù)的研究結(jié)果從整體上看是一致的, 共性的認識是巖石圈的厚度變化呈現(xiàn)西部厚而東部薄的特征(圖 5), 上揚子塊體的巖石圈厚度可達 150 km以上, 而在東部華夏塊體的巖石圈厚度多在 60～80 km 之間, 而雪峰山一線則為巖石圈厚度的陡變地帶。這與地殼厚度變化趨勢在整體上是相同的(圖6)。根據(jù)地球化學(xué)和年代學(xué)研究, 華南大陸在中生代以前應(yīng)以厚地殼(＞45 km)和厚巖石圈(～110～230 km)為主(Zhang et al., 2001; Zheng et al., 2015; Zhu et al., 2017), 而我們目前觀測到的華南大陸東部地區(qū)地殼和巖石圈厚度分別僅為～30 km和60～80 km之間, 也就是說現(xiàn)今地殼和巖石圈相對于曾經(jīng)至少減少了～15 km和＞40 km。巖石圈厚度自西向東的減薄與地殼厚度減薄是宏觀一致的, 但其減薄量更大。由于華南大陸上地幔結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性和研究方法的局限性,目前仍缺乏較高分辨率的 LAB深度研究結(jié)果, 對華南地區(qū) LAB形態(tài)的空間分布和許多關(guān)鍵細節(jié)仍不清楚。有待于進一步對數(shù)據(jù)進行精細處理、以及采用新方法從不同角度刻畫較高可信度和分辨率的LAB形態(tài)和巖石圈地幔結(jié)構(gòu)特征, 加深對華南巖石圈伸展變形機制和深部動力學(xué)過程的理解。

圖5 華南大陸東部地區(qū)巖石圈厚度分布圖(數(shù)據(jù)源自Yang et al., 2021)Fig. 5 Distribution map of the lithospheric thickness in the eastern part of the South China Block(data from Yang et al., 2021)

圖6 華南大陸東部地區(qū)Moho界面與LAB起伏三維展布圖Fig. 6 Three dimensional view of the Moho discontinuity and lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) topography in the eastern part of the South China Block

4 上地幔速度結(jié)構(gòu)與各向異性

上地幔的速度結(jié)構(gòu)和形變信息主要利用遠震波形資料獲得。遠震體波層析成像結(jié)果主要反映上地幔和地幔過渡帶內(nèi)的速度異常信息, 遠震接收函數(shù)則可提供地幔過渡帶界面的形態(tài)變化信息, 而遠震 SKS分量和遠震各向異性層析成像結(jié)果則反映上地幔的地震波速各向異性方向和強度。

總體上, 中國東部地區(qū)的上地幔以廣泛分布低速異常為主要特征(e.g. Huang and Zhao, 2006;Huang et al., 2010, 2021; Li and Vander Hilster, 2010;Tao et al., 2018; Xu et al., 2022), 與東部巖石圈減薄和拆沉的過程是可以對應(yīng)的。此外, 揚子塊體的上地幔速度總體要高于華夏塊體, 說明華南沿海地區(qū)下方的上地幔物質(zhì)比內(nèi)陸地區(qū)要偏“熱”和“軟”,與華南東部廣泛分布的多金屬成礦帶有一定關(guān)聯(lián)。地幔過渡帶(～410～660 km 深度區(qū)間)的速度異常以～27°N 為界, 其南北兩側(cè)呈現(xiàn)明顯差異: 北側(cè)呈現(xiàn)高速異常特征, 而南側(cè)則表現(xiàn)為低速異常。遠震 P波接收函數(shù)研究表明, 在～28°N以北, 410 km間斷面較為平坦, 660 km間斷面加深, 使得該區(qū)呈現(xiàn)為“厚”地幔過渡帶形態(tài), 反映較“冷”或相對高速物質(zhì)的存在(Huang et al., 2014; Han et al., 2020); 而在～28°N以南, 410 km間斷面略深, 660 km間斷面平坦, 呈現(xiàn)“薄”地幔過渡帶形態(tài), 反映較“熱”或相對低速物質(zhì)的存在(Ai et al., 2007; Han et al.,2020)。這與層析成像所得結(jié)果是一致的, 多數(shù)學(xué)者認為這種地幔轉(zhuǎn)換帶內(nèi)部的高速異常主要是由古太平洋板塊俯沖作用滯留的大洋板片所引起。

地震各向異性能夠直接反映地殼與上地幔形變過程。一般認為, 地震各向異性是研究巖石圈變形及其動力學(xué)特征的重要參數(shù)。中上地殼中, 定向排列的充液微裂隙形成的各向異性反映區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境(Crampin, 1987; Boness and Zoback, 2006); 中下地殼中, 巖石中的微裂隙關(guān)閉, 富含云母和角閃石的巖石礦物的晶格優(yōu)選方位支配中下地殼介質(zhì)的各向異性(Frederiksen and Bostock, 2000; Liu and Niu, 2012;Ji et al., 2013); 上地幔中, 地幔物質(zhì)形變導(dǎo)致α-橄欖巖的晶格優(yōu)選方位是產(chǎn)生各向異性主要成因, 與板塊運動和構(gòu)造作用密切相關(guān)(Silver and Chan, 1991;Zhang and Karato, 1995; 王良書等, 2005; 王椿鏞等,2014)。遠震XKS(SKS, SKKS, PKS)分裂測量研究結(jié)果(常利軍等, 2009; Zhao et al., 2013; 王椿鏞等,2014; Li et al., 2018; Yang et al., 2019)表明, 華南大陸東部地區(qū)的快波偏振方向主要為 EW 向和NWW-SEE方向, 與絕對板塊運動方向(NWW-SEE)較為一致。而在江南造山帶地區(qū), 其快波方向則以NE-SW方向為主, 與造山帶構(gòu)造走向接近。近震剪切波分裂的研究則在華南地區(qū)上地殼部分呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的各向異性特征(石玉濤和高原, 2022), 但上地殼部分產(chǎn)生的快慢波時差在0.1 s左右, 與地幔部分各向異性的快慢波時差(～1.0 s左右)相比很小。接收函數(shù)各向異性研究顯示華南塊體北部中下地殼各向異性時間延遲0.2～0.6 s(劉云昌等, 2019), 明顯小于上地幔介質(zhì)各向異性時間延遲, 因此, 地殼介質(zhì)變形產(chǎn)生的各向異性并不改變對上地幔各向異性來源與深部物質(zhì)變形過程的認識。

除了基于地震學(xué)研究的常規(guī)方法之外, 近年來越來越多的學(xué)者在以寬頻帶地震學(xué)數(shù)據(jù)為主的基礎(chǔ)上, 利用新方法或融入更多其它數(shù)據(jù)開展聯(lián)合反演或綜合研究與分析。如Guo et al.(2019)在接收函數(shù)研究中加入重力數(shù)據(jù)的約束, 改善了H-κ掃描的置信區(qū)間; Jiang et al.(2021)將P波各向異性層析成像應(yīng)用于華南東部地區(qū); Shan et al.(2014)和 Yang et al.(2021)利用瑞雷面波頻散、大地水準(zhǔn)面、地形、大地?zé)崃鞯榷喾N參數(shù)聯(lián)合反演構(gòu)建華南地區(qū)的地震波速度、溫度、密度和主要元素組成等多參數(shù)模型。這些新的研究為進一步理解華南大陸地區(qū)的深部結(jié)構(gòu)和動力學(xué)過程以及巖漿活動和成礦作用等提供了更多參考和約束。

5 發(fā)展趨勢與研究展望

華南大陸是新元古代以來全球地質(zhì)演化歷史最復(fù)雜的地區(qū)之一, 記錄了地殼生長和大陸增生的幾乎全部過程, 是深化及創(chuàng)新性認識大陸演化過程的天然實驗場。近二十年來, 在華南大陸東部地區(qū)開展了大規(guī)模的寬頻帶地震臺站觀測, 不僅中國地震臺網(wǎng)所屬的固定地震臺站更為豐富, 各科研院所和相關(guān)高校也布設(shè)了大量密集的流動寬頻帶地震臺陣, 為深入研究華南大陸下方地殼與上地幔結(jié)構(gòu)提供了良好條件?；谶@些豐富的寬頻帶地震學(xué)數(shù)據(jù),目前已基本刻畫出地殼-巖石圈-上地幔不同深度和尺度的宏觀深部結(jié)構(gòu), 為深入理解研究區(qū)的深部構(gòu)造、動力學(xué)過程、巖漿活動與成礦作用提供了有效約束。然而, 在地殼與巖石圈精細結(jié)構(gòu)與物性模型、分層各向異性與形變痕跡, 以及多學(xué)科深度融合與分析解釋等方面仍有許多未解決的關(guān)鍵問題。概略提出以下幾點認識:

(1)在華南大陸東部地區(qū)的寬頻帶地震臺站目前已經(jīng)較為密集。整體上已實現(xiàn)臺站間距為～40 km的面積性覆蓋, 在關(guān)鍵構(gòu)造帶骨干剖面的流動寬頻帶地震臺站平均間距為 10～15 km, 最密集處可達5 km。未來若在該區(qū)開展新的數(shù)據(jù)采集, 已不宜繼續(xù)開展大范圍的“撒面式”探測工作, 而應(yīng)針對具體研究目標(biāo)在局部地區(qū)開展密集臺陣數(shù)據(jù)采集。

(2)在地殼厚度與物質(zhì)屬性研究方面, 現(xiàn)有研究已清晰刻畫華南大陸東部地區(qū)的地殼厚度與 Vp/Vs比值的宏觀分布特征, 且不同研究結(jié)果一致性好。但對殼內(nèi)精細結(jié)構(gòu)與物性的研究尚不足, 有待于新方法的發(fā)展和對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的深入挖掘, 以獲得更高分辨率的殼內(nèi)精細結(jié)構(gòu)特征。

(3)華南大陸東部地區(qū)的巖石圈厚度與結(jié)構(gòu)研究至關(guān)重要, 但目前研究程度尚較為薄弱, 有必要繼續(xù)深入挖掘現(xiàn)有數(shù)據(jù)或在結(jié)合其他方法的基礎(chǔ)上綜合研究以獲得業(yè)內(nèi)廣泛認可的結(jié)果。

(4)盡管目前已在華南地區(qū)開展了地球物理與地質(zhì)、地球化學(xué)等不同學(xué)科的大量研究, 但對該區(qū)的動力學(xué)機制與演化過程等核心問題的認識仍存在較大爭議。其根本原因一方面是由于研究區(qū)本身深部結(jié)構(gòu)與動力學(xué)過程的復(fù)雜性, 另一方面也是由于不同學(xué)科之間深度融合與相互約束研究的薄弱。學(xué)科間的深度交叉與集成研究可基于不同觀測現(xiàn)象、從不同角度認識深部結(jié)構(gòu)、物性特征與物質(zhì)組成,有助于從根本上回答一些深部結(jié)構(gòu)與構(gòu)造和動力學(xué)問題。

致謝: 中國地質(zhì)科學(xué)院呂慶田研究員、史大年研究員、李秋生研究員對本工作進行了長期指導(dǎo)和支持。在寫作過程中, 曾向中國地震局段永紅研究員、張雪梅研究員、南京大學(xué)于大勇老師、中國地質(zhì)大學(xué)黃榮老師等咨詢與請教。良好數(shù)據(jù)的獲取離不開所有野外工作人員的辛勤勞動和付出。在此特致以誠摯感謝！限于作者認識水平有限, 文中難免存在疏漏和錯誤之處, 歡迎大家來信指正討論, 特別感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 42074099,41774113 and 41574083), China Geological Survey(Nos. DD20190012 and DD20221643), and National Key Research and Development Program of China(No. 2016YFC0600201).