大別造山帶地殼結(jié)構(gòu)反演及其動力學(xué)意義

李佳蔚 裴順平 賀傳松

1）中國地震局地球物理研究所，北京市民族大學(xué)南路5號 100081 2）中國科學(xué)院青藏高原研究所，北京 100101

0 引言

大陸碰撞造山帶一般與大陸地殼的俯沖與折返過程有關(guān)（Coleman et al，1995；Hacker et al，1998；Carswell et al，2003；Chopin，2003；Liou et al，2004；Kawai et al，2013）。大量地質(zhì)學(xué)和地球物理學(xué)研究證實(shí)：由于高密度海洋巖石圈的牽引，大陸巖石圈可以深俯沖到80～120km的地幔深度，并發(fā)生超高壓變質(zhì)作用；其后，在低密度俯沖板片的挾持下，超高壓變質(zhì)巖折返至地表（Liou et al，1996；武紅嶺等，2003；Dobrzhinetskaya，2012；Xu et al，2013；吳元保等，2013）。

大別造山帶形成于中三疊世（Hacker et al，1995、1998；Chavagnac et al，1996；翟明國等，1996；Zhang et al，2002），約在220～240Ma前，華南地塊與華北地塊在此區(qū)域匯聚，經(jīng)歷了俯沖、折返和上隆3個激烈構(gòu)造階段，形成了大規(guī)模高壓-超高壓變質(zhì)帶（Yang et al，2000；許志琴等，2003；朱永峰，2005；閆峻等，2007）。為了研究大別造山帶超高壓變質(zhì)作用的形成機(jī)制，前人對大別地區(qū)進(jìn)行了大量的地球物理學(xué)研究，例如深地震測深剖面研究（王椿鏞等，1997；董樹文等，1998、2005；Wang et al，2000；Zhang et al，2000；Schm id et al，2001；劉福田等，2003；Dong et al，2004；Bai et al，2007）、體波層析成像研究（徐佩芬等，2000；Xu et al，2001；Yang，2009；Peng et al，2016）、接收函數(shù)研究（Liu et al，2005；He et al，2014）、大地電磁測深剖面（董樹文等，1993；肖騎彬等，2007；Lüet al，2015）和噪聲層析成像研究（Luo et al，2012a、2012b；丁文秀等，2017）等等。

上述研究大多認(rèn)為，大別-蘇魯造山帶為華北-華南陸陸碰撞帶，高壓-超高壓變質(zhì)巖是深俯沖和折返的產(chǎn)物（董樹文等，1998；Hacker et al，1998、2000）。但也有研究認(rèn)為，超高壓變質(zhì)礦物的形成還存在其他可能性，在一定的溫度和壓力條件下，超高壓變質(zhì)作用可以發(fā)生在淺部 20～30km（Faure et al，2001；Foland et al，1991）、32km（Irvine et al，1971），最大深度不超過45km（Kay et al，1973）。金振民（1999）和鐘大賚等（1995）認(rèn)為超高壓變質(zhì)巖廣泛分布在不同造山帶，沒有健全的證據(jù)表明這些超高壓變質(zhì)作用經(jīng)歷了深俯沖與折返的深部過程。

強(qiáng)烈的后造山巖漿/火山活動和地幔源巖漿侵入，標(biāo)志著碰撞造山運(yùn)動的結(jié)束（Zhao et al，2005）。地質(zhì)學(xué)研究顯示，大別造山帶在早白堊世經(jīng)歷了大規(guī)模后造山巖漿侵入和火山活動（趙子福等，2009）。但是，前期的地球物理研究，并沒有發(fā)現(xiàn)與之相關(guān)的深部結(jié)構(gòu)特征，或地殼中存在與地幔源巖漿侵入有關(guān)的低速結(jié)構(gòu)。本研究基于大別造山帶及鄰區(qū)（29°～34°N、114°～119°E）自2008年10月至2017年4月的震相數(shù)據(jù)（圖1），旨在用雙差層析成像技術(shù)研究獲得大別造山帶精細(xì)結(jié)構(gòu)，研究地殼結(jié)構(gòu)與后造山巖漿/火山活動之間的關(guān)系。

1 數(shù)據(jù)和方法

本文的研究區(qū)域?yàn)榇髣e造山帶及其鄰區(qū)（29°～34°N，114°～119°E）（圖 1），研究區(qū)內(nèi)有48個固定地震臺站。震相數(shù)據(jù)來源于中國地震編目系統(tǒng)下載的2008年10月1日～2017年4月31日的震相報(bào)告，共1794個地震事件，其中P波走時15963條，S波走時16187條。研究中采用的是Zhang等（2003、2006）提出的雙差層析成像方法，與傳統(tǒng)的地震層析成像方法結(jié)合，利用絕對走時數(shù)據(jù)和相對走時差數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，假設(shè)兩個相鄰震源，到達(dá)同一臺站的射線路徑相似，可以產(chǎn)生相似的波形，得到更加精確的三維速度結(jié)構(gòu)（鄧文澤等，2014；王小娜等，2015；肖卓等，2017）。

為了保證反演過程的可信性，提高反演的精度，對震相報(bào)告中1794個地震事件進(jìn)行重新挑選：挑選初至波，僅選取觀測報(bào)告中ML≥1.0、走時殘差≤0.5s的地震事件，去除走時曲線中離散較大的震相（圖2），并確保每個地震至少有4個臺站記錄到P波初至到時。經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理之后，用于反演的地震事件減少到1603個，P波初至走時13890條，S波初至走時13799條（圖3）。根據(jù)地震臺站和震源分布的實(shí)際情況，保證每個網(wǎng)格有足夠的射線分布（圖4），研究區(qū)域內(nèi)射線分布密集，數(shù)據(jù)豐富。

圖2 P波（a）、S波（b）時距曲線

雙差地震定位基于以下假設(shè)：相鄰事件到達(dá)同一臺站，射線路徑相似。但是當(dāng)相鄰事件間距大于速度變化的尺度時，由速度不均勻性引起的路徑差異會隨著震源位置發(fā)生明顯的變化（王小娜等，2015）。因此，地震事件配對時需要進(jìn)行參數(shù)設(shè)定：事件對到臺站的最大距離為800km，事件對之間的最小間距和最大間距分別為0.1km和30km，每個事件最多與30個地震進(jìn)行配對，每個事件對所需要的震相數(shù)的最大值和最小值分別為50和8。滿足條件的地震事件共有1584個，獲得321109條相對走時差數(shù)據(jù)，其中P波相對走時差數(shù)據(jù)164129條，S波相對走時差數(shù)據(jù)156980條。

圖3 重定位前 P波（a）、S波（b）射線分布

圖4 重定位后 P波（a）、S波（b）射線分布

本文選取的初始一維速度模型依據(jù)徐佩芬等（2000）的大別造山帶層析成像結(jié)果建立。基于震相報(bào)告P/S波走時，采用和達(dá)法擬合波速比得1.71（圖5），輸入一維速度模型作為波速比。初始模型 X、Y方向網(wǎng)格劃分為 0.3°×0.3°，Z方向網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)位于－10、0、3、5、10、15、25、35、50km深度（圖 6）。研究中利用 L曲線（Hansen，1992；Hansen et al，1993）進(jìn)行權(quán)衡分析，通過多次權(quán)衡分析選擇最佳的光滑權(quán)重和阻尼因子分別為20和200（圖7、8）。在實(shí)際數(shù)據(jù)反演前，本文通過檢測板測試來評估反演結(jié)果的分辨率（Spakman et al，1993），賦予格點(diǎn)±5%的相間擾動，在理論走時的基礎(chǔ)上加入±0.05s的隨機(jī)噪聲。如果反演結(jié)果仍呈“棋盤格”分布，則表明研究區(qū)域分辨率良好。測試結(jié)果表明，在5、10、15km深度，大別造山帶分辨率良好；25km深度處還有一定的分辨率，由于25km以下射線交叉少，分辨率較差（圖9、10）。

圖5 和達(dá)法擬合波速比

圖6 初始一維速度模型

圖7 利用L曲線選擇最佳阻尼因子－200

圖8 利用L曲線選擇最佳光滑權(quán)重－20

圖9 0.3°×0.3°網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 5km、10km、15km、25km、35km、50km P波檢測板測試結(jié)果

圖10 0.3°×0.3°網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 5km、10km、15km、25km、35km、50km S波檢測板測試結(jié)果

2 反演結(jié)果

因原始數(shù)據(jù)中震相的走時殘差不同，分別賦予初至P震相以及初至S震相權(quán)重1和0.5，同時反演速度結(jié)構(gòu)，用4條剖面橫切大別造山帶。經(jīng)過15次迭代之后，未加權(quán)走時殘差均方根由1.14s下降到0.71s，下降了37%（圖11）。

圖11 反演前（a）、反演后（b）未加權(quán)走時殘差均方根

由重定位后的地震分布（圖12、13）可以看出，大量地震沿著斷裂帶方向展布；具有脆性特征的高速體更容易發(fā)生地震，震源的展布方向與高速異常帶的走向一致，這與于湘?zhèn)サ龋?010）的結(jié)果吻合。5、10、15km深度的 P波速度剖面（圖12）顯示大別造山帶下部存在低速結(jié)構(gòu)（Lv1）。同時，5、10、15km深度的S波速度剖面（圖13）也顯示大別造山帶下部存在低速結(jié)構(gòu)（Lv1）。大別造山帶下5～10km深度范圍內(nèi)低速區(qū)逐漸向郯廬斷裂縮小，這與丁文秀等（2017）基于秦嶺-大別背景噪聲數(shù)據(jù)的瑞利波層析成像結(jié)果有很好的對應(yīng)關(guān)系。低速異常Lv2位于合肥盆地，可能是受淺層沉積層的影響，與 Luo等（2012a、2013）和葉慶東等（2015）的背景噪聲層析成像結(jié)果，徐佩芬等（2000）的體波層析成像結(jié)果吻合。由于 25、35km深度剖面分辨率較低，本文不討論25、35km深度剖面。

為了解大別造山帶的地殼結(jié)構(gòu)特征，本文采用4條剖面（圖1）橫切大別造山帶。為進(jìn)一步分析地殼速度結(jié)構(gòu)與地震活動性之間的對應(yīng)關(guān)系，將距離剖面兩側(cè)35km范圍內(nèi)重定位后的地震事件投影到速度剖面中，從圖14、15中可以看出，地震事件隨著斷裂帶呈帶狀或簇狀分布，這與黃耘等（2008）利用雙差定位和遺傳算法定位方法相結(jié)合研究江蘇及鄰區(qū)震源分布的結(jié)果一致。P波速度剖面（圖14）顯示大別造山帶下部存在低速異常（Lv1），同時發(fā)現(xiàn)剖面（圖14（b）、14（c））存在明顯的高速傾斜遺跡，可能是襄樊-廣濟(jì)斷裂或揚(yáng)子板塊向華北板塊北向俯沖的遺跡。S波速度剖面（圖15）也顯示大別造山帶下方存在低速結(jié)構(gòu)（Lv1），大別造山帶下方的低速結(jié)構(gòu)（Lv1）位于中上地殼，S波速度剖面（圖 15（b）、15（c））也顯示存在北向傾斜高速結(jié)構(gòu)。位于大別造山帶中上地殼的低速結(jié)構(gòu)與 Luo等（2012a、2013）在大別地區(qū)中地殼發(fā)現(xiàn)的低速區(qū)一致。同時，徐佩芬等（2000）發(fā)現(xiàn)在大別造山帶中部存在速度為5.9～6.0km/s的低速帶，董樹文等（1993）和肖騎彬（2007）在大別地區(qū)12～23km發(fā)現(xiàn)低速高導(dǎo)層，在本研究中均有體現(xiàn)。

圖13 位于5km、10km、15km、25km、35km不同深度 S波速度

圖14 P波速度結(jié)構(gòu)剖面

圖15 S波速度結(jié)構(gòu)剖面

3 討論

大別造山帶在中三疊世經(jīng)歷了深俯沖碰撞過程，導(dǎo)致了超高壓變質(zhì)體（UHP）的形成（Chopin，1984；Xu et al，1992）和大陸地殼的加厚（Wang et al，1989；Xu et al，2007、2012；趙子福等，2009）。加厚的大陸地殼/巖石圈榴輝巖化，密度增加，導(dǎo)致重力失穩(wěn)，觸發(fā)下地殼/巖石圈地幔的拆沉，軟流圈物質(zhì)則上升至拆沉形成的空區(qū)（Kay et al，1993；Pirajno，2007；He et al，2014），在早白堊世侵入到地殼中或以巖漿和火山活動的形式出現(xiàn)在地表（鄭永飛，2008；趙子福等，2009）。埃達(dá)克巖是拆沉的地殼物質(zhì)熔融并上升到地表的標(biāo)志性巖石（Hacker et al，1998、2000；Li et al，2000、2012；Xu et al，2013），早白堊世巖漿活動具有類埃達(dá)克巖的地球化學(xué)特征（Xu et al，2007，2012；鄭永飛，2008）。同時，早期地球物理學(xué)研究也發(fā)現(xiàn)與幔源巖漿侵入對應(yīng)的速度結(jié)構(gòu)特征，Bai等（2007）采用有限差分反演技術(shù)，在蘇魯造山帶發(fā)現(xiàn)了地幔源巖侵入的速度結(jié)構(gòu)特征；Luo等（2012a、2013）在大別東南段中地殼發(fā)現(xiàn)低速異常區(qū)，推測與超高壓變質(zhì)巖折返造成的脆性破裂有關(guān)；丁文秀等（2017）發(fā)現(xiàn)大別地區(qū)的低速異常隨深度逐漸向郯廬斷裂靠近，推測與郯廬斷裂南端局部拉張，產(chǎn)生熱物質(zhì)上涌通道有關(guān)。

基于上述研究，本文認(rèn)為大別造山帶下方的低速結(jié)構(gòu)（Lv1）可能是熔融的地幔物質(zhì)，應(yīng)當(dāng)與早白堊世的巖漿/火山活動有關(guān)。該熔融物質(zhì)可能與地殼/巖石圈發(fā)生拆沉，導(dǎo)致軟流圈物質(zhì)上涌有關(guān)。同時，深俯沖大陸板片或大洋板片斷離也會引起軟流圈物質(zhì)的上涌（鄭永飛，2008；Davies et al，1995；Vanderhaeghe，2012），因此，不排除板片斷離引起軟流圈上涌，導(dǎo)致大別造山帶巖漿和火山活動的可能性。

地震層析成像結(jié)果與地表地質(zhì)構(gòu)造明顯相關(guān)（徐佩芬等，2000；Xu et al，2001），低速區(qū)對應(yīng)坳陷區(qū)，高速區(qū)對應(yīng)高山或隆起區(qū)。研究區(qū)域內(nèi)各大斷裂控制著上地殼高低速異常體的分布，合肥盆地呈低速區(qū)（Lv2），我們推測該低速結(jié)構(gòu)可能受淺層沉積層的影響（劉國生，2006），但是，并不排除是深俯沖導(dǎo)致的脫水上涌作用的結(jié)果，這需要進(jìn)一步的研究。

4 結(jié)論

本研究利用雙差層析成像技術(shù)獲得了大別造山帶及其鄰區(qū)的速度結(jié)構(gòu)，通過對反演結(jié)果的討論分析，主要獲得以下結(jié)論：

1）大別造山帶中上地殼存在低速結(jié)構(gòu)（Lv1），該低速結(jié)構(gòu)可能是熔融的幔源侵入物質(zhì)，應(yīng)當(dāng)與早白堊世的巖漿和火山活動有關(guān)。

2）由于俯沖板片斷裂，或下地殼/巖石圈發(fā)生拆沉，導(dǎo)致了軟流圈物質(zhì)上涌至地殼底部，侵入到地殼中，形成了大別造山帶地殼中的低速結(jié)構(gòu)（Lv1）。

3）合肥盆地下方為低速（Lv2），可能受到淺部沉積層的影響。

4）橫切大別山的剖面中，存在北向傾斜的高速結(jié)構(gòu)，可能是襄樊-廣濟(jì)斷層或揚(yáng)子板塊向華北板塊下方俯沖的遺跡。

致謝：感謝中國地震臺網(wǎng)中心提供震相數(shù)據(jù)，中國地震局地球物理研究所國家測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心提供臺站信息，感謝中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)張海江教授提供的tomoDD-SE程序，本文使用GMT軟件和matlab軟件進(jìn)行繪圖，相關(guān)人員在此一并感謝。