面波反演蘇北—南黃海盆地地殼三維S波速度結構

溫燕林, 于海英, 陳 飛, 方國慶, 劉 芳

(1. 上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站, 上海 200062;2. 同濟大學海洋與地球科學學院同濟, 上海 200092;3. 中國科學技術大學地球和空間科學學院, 安徽 合肥 230026)

0 引言

黃海位于中國大陸與朝鮮半島之間,為半封閉的內陸海。地理分布上以山東半島成山角至朝鮮半島的甕津連線為北界,崇明島至濟州島連線為南界的海域部分稱為南黃海,海域面積約3×105km2。南黃海屬于陸架海,平均水深46 m,從西北向東南加深,最大水深可達106 m。南黃海盆地是下揚子準地臺的主體部分,屬于夭亡衰退的裂谷盆地,其地殼為陸殼性質。南黃海盆地是一個在下揚子地臺(元古界形成)基底上發育的中新生代裂陷盆地,呈北東向展布,按盆地內部基底起伏分為三隆兩坳的構造單元,由北向南分別為:千里巖隆起、煙臺坳陷、嶗山隆起、青島坳陷和勿南沙隆起五個次級構造單元(圖1)。青島坳陷往西與江蘇省陸域的蘇北盆地相連接。南黃海盆地與蘇北盆地相連,從白堊紀開始形成統一的裂谷盆地區,總面積約180 000 km2。地球物理和鉆井資料表明,南黃海盆地自古生代以來的沉積厚度達11 000 m以上,其中古近紀斷陷沉積厚達6 000 m 以上,新近紀坳陷沉積厚約1 000～1 300 m[1]。從1961年開始,我國在南黃海海域持續開展了區域地質和油氣地質調查,積累了大量地質地球物理資料,對南黃海的地形、地貌、沉積、斷裂、巖漿巖、地殼結構、大地構造、形成演化歷史和含油氣性等地質狀況有了基本認識,查明了該區域礦產資源和地震地質災害的基本情況[2-3]。

圖1 下揚子地臺主要構造單元簡圖[12] Fig.1 Schematic diagram of main structural units of the Lower Yangtze Platform

在南黃海地殼深部結構和地震活動構造的研究方面,深部探測、重磁和地震反演研究都取得了大量成果。據歷史資料整理分析和現代地震臺網記錄,其中發生在南黃海海域的震級在6～7級的強震已達15次[4-5],同時現代地震臺網亦監測到該區每年有豐富的小震活動,這為開展海域地震層析成像和地震活動規律研究積累了大量資料。地震層析成像,無論是體波層析成像還是噪聲面波成像,都是研究地殼不同尺度結構特征的有效方法。關于下揚子地區的地殼結構,至今已有不少用傳統體波層析成像方法得到了陸上研究成果[6-9],而海域部分的研究工作較少。李志偉等[10]對黃海鄰近中國一側的部分區域進行過研究,但研究區域卻未能覆蓋整個南黃海海域;郝天珧等[11]對中國整個東部海域進行了層析成像研究,但他們得到的結果分辨率較低。因此,關于南黃海地區地殼三維高分辨率結構與深部發震構造的關系還需開展更多研究工作。

為了獲得更好的蘇北—南黃海盆地的地殼速度結構,我們利用收集到的瑞利面波相速度數據,對南黃海及鄰近地區的地殼與上地幔頂部S波速度結構進行了深度反演,得到了該地區地殼新的高分辨率三維橫波速度模型,探討了蘇北—南黃海盆地地質結構與地震構造的關系。

1 數據與方法

本研究收集了蘇魯—南黃海區域范圍內8～40 s周期的瑞利波相速度數據,該組面波頻散數據來自Shen等[13]最新的面波層析成像研究結果。該結果是利用中國多個密集臺陣(CEArray,China Array,NECESS,PASSCAL,GSN)及中國周邊地區(Korean Seismic Network,F-Net,KNET)總共2000多個地震臺站的波形數據,對其進行背景噪聲層析成像所得到的中國及鄰區8～70 s的瑞利波相速度和群速度分布模型。本研究所用臺站分布及射線覆蓋情況如圖2(a)。圖2(b)為利用收集的數據得到的蘇魯—南黃海區域內10～40 s周期的瑞利波相速度水平分布。由于瑞利面波相速度對S波速度結構變化最為敏感,短周期(10～20 s)的相速度分布反映了上中地殼S波速度的平均變化情況,其低速異常區與沉積盆地的分布密切相關,高速區與隆起構造相關;中等周期(30～40 s)的相速度分布主要反映了研究區下地殼到殼幔過渡帶S波速度的變化情況。這一特征在圖2(b)的瑞利波相速度分布中有很好地體現。

由于瑞利波相速度反映的是地殼和上地幔結構的綜合信息,要得到不同深度上的直接構造信息還需要從相速度反演出剪切波速度。反演的初始模型設置為:水平網格大小為0.5°×0.5°,深度范圍為0～50 km,每2.5 km劃分為一層?；诓煌芷谌鹄ㄏ嗨俣仍谒矫嫔细骶W格節點的頻散數據,以Sun等[14]得到的中國大陸地區地殼S波速度模型作為初始速度模型。我們利用Herrmann提出的最小二乘線性反演程序Surf96反演每個網格點下方的一維S波速度結構[15],最后將所有網格點的一維速度組合起來構成蘇北—南黃海盆地地殼三維S波速度模型。

2 恢復度測試

為了驗證聯合反演的可靠性,我們進行了模型的恢復度測試,用相似度來定量描述模型的恢復度情況。每個網格點相似度的計算公式為:

式中：DVr是反演恢復出來的速度異常；DVt是真實的速度異常。從上面公式可知,如果模型百分之百被恢復出來,則S值為1;如果恢復出來的模型與真實模型完全相反,則S值為0。即S越接近1,模型的恢復度測試越好,越接近0,模型的恢復度越差。

測試的輸入模型為聯合反演模型,圖2為5 km、15 km、30 km深度處的模型恢復度情況。從圖3可以看出,聯合反演的模型分辨率在蘇北—南黃海大部分區域都較好,但在構造單元邊界斷裂附近的分辨率較差,這是由于采用了平滑反演策略,在反演中加入了平滑正則化項約束所導致的。

3 反演結果及討論

3.1 水平速度圖像

反演成像結果的水平分層速度圖像如圖4所示(注:速度水平切片圖中標示的深度5 km代表5～7.5 km的層速度,余下類推)。該速度模型刻畫出了蘇北—南黃海地區深淺構造特征,高低速異常分布與該區大地構造單元(沉積盆地、造山帶、活動斷層)的分布形態有很好的相關性。S波速度結構分布顯示該區域地殼淺部速度分布與地表構造單元吻合較好,即低速異常區與沉積盆地分布有良好的對應性,高速區與造山帶對應一致。

圖2 研究區臺站分布及地震射線覆蓋圖和下揚子區及鄰區不同周期的二維瑞利波相速度分布圖Fig.2 Distribution of stations and seismic ray coverage map in the study area and phase velocity distribution map of two-dimensional Rayleigh wave in different periods in the lower Yangtze region and adjacent areas

深度5 km以上S波速度主要受地貌和淺層沉積物影響,僅在蘇北平原和東海陸架邊緣表現為低速異常,這也反映了新生界沉積物的分布。在膠東半島和朝鮮半島表現為高速區,這與該區山區地貌特征一致。

從10 km深度水平切片的地震波速度分布所反映的上地殼速度結構特征來看,蘇北—南黃海沉積盆地表現為一個低速異常區,S波波速小于3.5 km/s,變化平緩;S波速度為3.6 km/s的高速異常中心區與蘇魯造山帶的超高壓變質區分布范圍基本吻合,蘇膠—臨津造山帶存在明顯的高速異常分布。

圖3 不同深度反演成像的恢復度測試Fig.3 Recoverability test of seismic inversion imaging at different depths

15 km層速度圖的低速分布區清晰刻畫出了蘇北—南黃海沉積盆地的基底范圍,即以響水—千里巖斷裂為北界,舟山—濟州島隆起為南界,東界為朝鮮半島西緣斷裂帶,西界大致到高郵湖—洪澤湖一線。從10～15 km深度(中地殼)的速度分布圖中明顯可看出,蘇魯造山帶與南黃海盆地邊界斷裂帶(響水—千里巖斷裂)兩側存在明顯速度差異,這證實了揚子地塊與華北地塊在此帶發生接觸碰撞形成千里巖隆起。據郝天珧等(2003)的研究結果可知,在黃海有一條南北向的朝鮮半島西緣斷裂帶(南黃海東緣斷裂帶),這是黃海中一條重要的斷裂帶,北端起自西朝鮮灣,向南至大黑山群島附近海域后略向西偏,南端可達33°N附近。該斷裂帶在36°～37°N附近有所錯動,斷裂表現出右行走滑的特點。據我們反演成像結果圖可證實上述黃海東部斷裂的存在,走向由NNW轉向SW,止于濟州島南緣斷裂。黃海東緣斷裂帶是揚子塊體向中朝塊體俯沖嵌入過程中形成的,深達上地幔,為揚子塊體的東邊界帶。面波速度成像為該分界帶位置提供了較好的約束。

從20～25 km深度所反映的中下地殼S波速度結構特征來看,南黃海地區的S波波速為3.6～3.9 km/s,接近于正常中地殼波速,但高低速異常分布復雜,極低異常波速主要集中在南黃海盆地北部坳陷和南部坳陷。蘇北—南黃海盆地低速異常區與南黃海地震活動分布區完全吻合,該區強震(包括1846年7級,1852年6.5級,1846—1853年6次6～7級強震,1910年6.7級,1921年6.5級,1984年6.2、6.4級等[4])發生在該低速區內部或其邊緣位置(120°～123°E,32°～34°N)。

30～35 km深度是玄武巖質殼幔過渡帶,從速度變化可以看出該區莫霍面略有起伏——以舟山—濟州島隆起為界,東南側的東海陸架地區莫霍面比西北側的蘇魯—南黃海地區莫霍面埋深較淺。舟山-濟州島隆起構造帶上的江紹斷裂帶作為南黃海盆地與東海陸架盆地的分界斷裂,兩側的地殼速度結構存在明顯差異,表明這兩個構造單元的地殼結構具有不同的物質組成,這是經由不同的深部地質演化過程形成的。下揚子塊體與華南塊體邊界兩側速度在莫霍面附近(30～35 km)呈現出明顯差異,反映了不同構造塊體的形成和組成上的差別。

40 km的水平速度切片顯示,研究區莫霍面以下顯著的低速異常僅限于郯廬斷裂帶附近,表明深部地幔熔融物質沿該斷裂帶向上運移至此深度。郯廬斷裂帶是華北克拉通與下揚子塊體的邊界斷裂,深部低速異常也證明郯廬斷裂帶切穿了地殼,是一條超殼深大斷裂帶。

3.2 垂向速度剖面

沿著緯向在研究區域深度方向切出31°N、33°N、36°N三條垂直速度剖面。從圖5可以看出南黃海盆地的沉積基底埋深及起伏,基底最深已達15 km以下。蘇北—南黃海的中上地殼內存在一顯著的較兩側速度低的S波速異常體,位于地殼中10～20 km深度,最大厚度約10 km,延伸長度超400 km,相比上覆和下伏地殼物質其最大速度差異約為0.3 km/s,低速層厚度最大和低速異常幅度最大處均在南黃海南部坳陷地區。由于S波對流體和熱物質敏感,推測低速層是深部物質部分熔融造成的(呈韌性)。

3.3 討論

2021年11月17日江蘇鹽城近海的南黃海區域(33.50°N,121.19°E)發生了M5.0地震,我們采用基于體波和面波波形的“裁剪-粘貼”(CAP)方法反演了此次地震的震源機制解和最佳矩心震源深度。反演結果表明最佳震源深度為12.7 km,正好處于該區低速層頂部。這再次證明,中強地震常常發生在地殼內低速層邊界附近,與前人研究結論一致[16-19]。

圖4 面波反演的蘇北—南黃海地殼不同深度vS切片Fig.4 vS slices at different depths of Northern Jiangsu-South Yellow Sea from surface wave inversion

圖5 沿著緯度31°、33°、36°方向的南黃海vS結構模型剖面圖(紅線為莫霍面)Fig.5 Three vS profiles along the direction of 31°N,33°N,36°N from the vS model of South Yellow Sea

圖6 2021-11-17南黃海地區(鹽城近海)M5.0地震CAP反演結果Fig.6 Inversion results of 2021-11-17 M5.0 earthquake in South Yellow Sea area using CAP method

南黃海的中上地殼內存在顯著的低速層,其范圍與蘇北—南黃海盆地基本一致,低速層厚度最大處位于南黃海南部坳陷地區,這與南黃海歷史強震集中分布區(圖7)非常一致。往兩側低速層厚逐漸減薄幅度降低,地震強度和活動性也減弱。這說明地殼內存在的低速層與淺源強震的孕育發生密切相關。

研究發現,南黃海盆地、華北盆地、柴達木盆地、鄂爾多斯地臺周緣斷陷盆地等中新生代盆地中地殼中均存在低速高導層,而四川盆地、江漢盆地內地殼不存在低速層[17-21]。地震活動表明,下揚子克拉通上的南黃海盆地內強震較多較強,而中上揚子克拉通內的四川、江漢盆地內則幾無強震發生。這也表明強震孕育和發生的深部環境與地殼中存在低速層密切相關。眾多研究表明,低速層本身為無震的韌性層,強震大多發生在高低速異常體的過渡帶(脆-韌轉換邊界)[22-24]。高低速交界帶往往是介質非均勻性和物性變化大的地方,是構造應力的集中處,強震將首先在這些相對脆弱的部位發生初始破裂。地殼低速層可能是深部物質部分熔融形成的,這使得該處地殼內介質富含流體,流體的存在又導致附近斷層強度弱化,使其容易活動。因此在區域構造應力的作用下更易在低速區發生地震。

圖7 南黃海及鄰區歷史上5級以上地震分布圖Fig.7 Distribution map of historical earthquakes with magnitude above 5 in the South Yellow Sea and its adjacent areas

4 結論

本研究通過地震面波頻散數據反演蘇北—南黃海地區地殼三維橫波速度結構,并對其地質特征與地震活動關系進行了分析,結果表明:

(1) 蘇北—南黃海盆地中地殼內存在一顯著的低速層。由于S波對流體和熱物質敏感,推測低速層是深部物質部分熔融造成的,低速層的成因可能與該處中上地殼內介質富含流體有關。

(2) 低速層厚度最大(最大厚度超過10 km)和低速異常幅度最大處位于南黃海南部坳陷地區,往兩側低速層厚逐漸減薄,速度變幅降低。

(3) 南黃海盆地低速層與歷史強震集中分布區非常一致。低速層往兩側延伸,隨著層厚逐漸減薄,地震強度和活動性也減弱。地殼內低速層是韌性孕震層,強震都發生在低速層邊界附近或高低速異常體的過渡帶。這說明地殼內淺源強震不是隨機分布的,而是趨于在低速層周圍孕育發震。

致謝:感謝中科大張海江教授團隊提供的幫助,繪圖采用了GMT和GeoTaos軟件。