長江中下游及鄰區地震各向異性對區域構造演化的啟示

張永謙, 呂慶田*, 石玉濤, 史大年, 嚴加永, 張洪雙, 阮小敏

1 中國地質科學院, 北京 100037

2 自然資源部深地科學與探測技術實驗室, 中國地質科學院, 北京 100094

3 中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室, 北京 100036

4 中國地質科學院地質研究所, 北京 100037

0 引言

通過不同手段探測大陸地殼和上地幔結構與變形對深入認識大型構造單元的深部動力學背景和演化過程具有重要作用,例如現今所觀測到的巖石圈幾何格架與物性信息,以及結構變形或物質遷移痕跡等(Silver and Chan, 1991; 張中杰,2002;Long and Becker, 2010; 滕吉文等,2012;呂慶田等,2014, 2015).地震波各向異性參數(方向和大小)與地殼、上地幔的構造變形、物質結構和動力學過程密切相關,是研究巖石圈和上地幔宏觀變形和大陸動力學演化的重要物理參數(Crampin and Booth,1985;Crampin, 1987; Silver and Chan, 1991;張中杰,2002;高原和滕吉文,2005;滕吉文等,2012).上地幔低黏度物質的流動會造成橄欖石等地幔礦物晶格沿特定方向發生優勢排列,并在巖石圈冷卻過程中形成大規模的“化石”各向異性(Silver and Chan, 1991; Long and Becker, 2010);在地殼部分,裂隙定向排列和沉積交互薄層的存在(Crampin and Booth, 1985; Crampin, 1987)以及部分造巖礦物和熔融體的定向排列也會形成地震波各向異性(Gao et al., 1998, 2011;Boness and Zoback, 2006).因此,在重要構造單元和大型剪切帶,通過一定手段獲取研究區下方不同深度范圍的地震波各向異性特征,對理解該區地殼與上地幔變形特征,進而理解其構造演化過程可以提供關鍵信息(Shi et al., 2013;Rümpker et al., 2014).

長江中下游地區位于中國東部華南與華北塊體的碰撞接觸帶位置,其北西和南東分別以郯廬斷裂和江南斷裂(又稱陽新—常州斷裂)為界,總體上呈現為南西狹窄、北東寬闊的“V”字型構造特征(常印佛等,1991;呂慶田等,2014, 2015; Lü et al., 2015, 2021).郯廬斷裂帶以西為華北克拉通和其南部的大別山超高壓變質巖帶,江南斷裂東南則為華南塊體東北緣的江南造山帶地域.長江中下游及江南造山帶都屬于華南塊體東北緣的一部分,其基底主要由元古代低級變質基底組成,在基底之上是新元古-中三疊世海相蓋層、晚三疊-中侏羅世陸相前陸沉積和白堊-古近紀斷陷盆地共同組成的沉積蓋層.華北塊體主體由太古代-古元古代高級變質基底和上覆的中元古代-早二疊世海相沉積蓋層組成,在中生代多處發育陸相盆地.大別造山帶為中三疊世華北塊體南緣與華南塊體發生陸陸碰撞而形成,其內部出露了不同變質程度的巖石以及早白堊世巖漿巖,陸殼的深俯沖和折返使該區形成了著名的超高壓變質巖帶(Zhu et al., 2009; Zhao et al., 2016; 趙田等,2016).

中國東部在印支期和燕山期的兩期構造運動為長江中下游及鄰區的構造演化提供了基本的動力學背景(Yin and Nie, 1993;Li,1994; 吳福元等,2000;董樹文等,2011).印支運動以華北和華南塊體的陸陸碰撞為主要標志,并導致了大別山超高壓變質巖帶和郯廬大型走滑斷裂系的形成(Yin and Nie, 1993;Li, 1994).燕山運動以古太平洋板塊俯沖所導致的陸內擠壓為主,造成了中國大陸東部的大規模隆起和隨后的巖石圈伸展減薄(吳福元等,2000;董樹文等,2011).對這兩期區域構造運動的具體形式,如印支期華北與華南塊體陸陸碰撞的方式和郯廬走滑斷裂帶的形成機制,不同學者分別提出了折返期陸內轉換斷層模式(Okay andeng?r, 1992)、嵌入式碰撞模式(Yin and Nie,1993)、殼幔拆離模式(Li, 1994)、旋轉碰撞模式(Gilder et al.,1999)、造山帶彎曲模式(Wang et al.,2003)、俯沖期轉換斷層模式(Zhu et al.,2009)以及板片撕裂斷層模式等(Zhao et al., 2016; 趙田等,2016).關于古太平洋板塊俯沖的起始時間、俯沖角度及其影響等方面,不同學者分別提出了平板俯沖模式(Li Z X and Li X H, 2007)、低角度俯沖模式(Zhou and Li,2000)以及洋脊俯沖模式(Sun et al., 2007)等.然而,以上動力學模式側重于解釋目前觀測到的地質構造格架或與成礦作用的關聯性.這兩期構造運動對長江中下游及鄰區的深部結構與變形產生的影響,燕山運動對印支運動先存構造的改造,以及現今保留的殼、幔物質變形痕跡是否一致等問題,上述模式并未給予很好的回答.

長江中下游及鄰區曾開展過豐富的地球物理探測與研究工作.20世紀90年代開展的地球物理工作刻畫了該區地殼與巖石圈的速度結構模型,指出該區的巖石圈和地殼均較薄,并提出了在該區地殼中存在低速層等認識(滕吉文等,1985,2006;鄭曄和滕吉文,1989,1994).“深部探測技術與實驗研究專項(SinoProbe專項)”(Dong et al., 2013)基于綜合地球物理手段在長江中下游地區持續開展了更系統的深部探測研究,在巖石圈結構以及成礦過程等方面取得了更為清晰的認識(呂慶田等,2014,2015;Lü et al., 2013, 2015, 2021),主要包括：(1)長江中下游地區的巖石圈和地殼均顯著減薄,LAB(Lithospheric and Asthenosphere Boundary)和Moho界面在成礦帶下方呈穹窿狀抬升(史大年等,2012;Shi et al., 2013; 嚴加永等,2014;徐濤等,2014;張永謙等,2014;Zhang et al., 2021;侯爵等,2022);(2)長江中下游地區地幔頂部存在顯著低速體,此低速體的頂部在Moho界面下方,底部可深達200～300 km(江國明等,2014;Ouyang et al.,2014; Jiang et al.,2015,2021; Li et al.,2018; Xu et al.,2022;Zhang et al.,2021,2023);(3)寧蕪盆地下方地殼內部分層特征明顯,上地殼與中下地殼之間有低速層存在,并在深反射地震偏移圖像上表現為不同傾向的反射特征(呂慶田等,2014,2015;Lü et al., 2013, 2015, 2021;Zhang et al., 2023).在地震波各向異性研究方面,基于長江中下游及鄰區寬頻帶地震觀測數據開展了遠震XKS(PKS, SKS和SKKS)剪切波分裂研究(Shi et al., 2013; Zhao et al.,2013; Tian and Santosh,2015; Li et al.,2018; Yang et al.,2019),一個基本認識是XKS各向異性最大分裂時差位置與上地幔低速體的位置相吻合,推測上地幔低黏度物質在水平方向的流動變形是產生上地幔各向異性的主要原因(Shi et al., 2013; Yang et al., 2019).然而,由于基于XKS分裂計算各向異性的方法在垂向上分辨率較低,很難得到復雜構造區的分層各向異性特征,限制了對殼幔不同深度差異變形機制的認識(Crampin and Booth,1985;Crampin,1987; Silver and Chan,1991;Silver,1996; Long and Becker,2010).

為此,本研究開展了兩方面工作：一是利用長江中下游地區的一條密集寬頻帶地震探測剖面數據,開展了基于遠震接收函數Pms轉換波震相的各向異性研究,并結合已有的Pms各向異性研究成果進行了區域性探討;二是通過對比Pms與XKS各向異性特征的差異,討論了長江中下游及鄰區不同深度各向異性的形成機制,以及對理解區域構造演化的意義.

1 數據與方法

1.1 數據來源與剖面位置介紹

本研究所用數據來自于SinoProbe項目在長江中下游地區布設的一條密集寬頻帶流動地震臺站測線,該測線呈SE-NW方向布設,其東南端起于江蘇省宜興市附近,西北端至安徽省淮南市附近,全長約300 km(圖1).測線自SE向NW途徑華南塊體東北緣、長江中下游地區和華北克拉通東南緣,跨越江南斷裂、茅山斷裂、長江斷裂、滁河斷裂、淮陰—響水斷裂以及郯廬斷裂等一系列主要斷裂.沿測線共布設60臺寬頻帶地震儀,平均臺站間距為～5 km.觀測儀器為英國Güralp公司生產的CMG-3ESPCD一體式地震儀(頻帶范圍0.02～60 s), 觀測時段為2009年11月至2011年8月(史大年等,2012;Shi et al., 2013; Zhang et al., 2023).

圖1 長江中下游及鄰區構造簡圖與本研究所使用的寬頻帶地震臺站位置1：晚侏羅-早白堊花崗巖(156～137 Ma),2： 白堊系火山巖與次火山巖(<135 Ma),3：矽卡巖型鐵銅或銅金鉬礦床(>135 Ma),4：斑巖或玢巖鐵礦(<135 Ma),5：斷裂(虛線為隱伏或推斷斷裂),6：寬頻帶流動地震臺站,其中紫色三角為本研究用到的臺站,紅色三角為圖3中示例臺站,7：深反射地震測線(呂慶田等,2015),8：水域.構造單元與斷裂縮寫：NCB：華北塊體,SCB：華南塊體,DOB：大別造山帶,HFB：合肥盆地,CQD：滁全凹陷,FB：巢湖逆沖褶皺帶,NWB：寧蕪盆地,LS&LYB：溧水—溧陽火山巖盆地,WSD：皖蘇凹陷,TLF：郯廬斷裂,CHF：滁河斷裂,CJF：長江斷裂,HXF：淮陰—響水斷裂,MSF：茅山斷裂,MTF：主逆沖斷裂,JNF：江南斷裂(陽新—常州斷裂),SDF：壽縣—定遠斷裂,XMF：曉天—磨子潭斷裂,XGF：襄樊—廣濟斷裂.淺黃色陰影區域為長江中下游地區范圍,右上角插圖顯示本研究區域在亞歐大陸的位置.

此外,本研究還收集了長江中下游及鄰區固定地震臺站和部分其他流動地震臺站的Pms各向異性研究結果(Han et al., 2022;Shi et al., 2023),以便于從區域視角分析該區的地殼各向異性特征.

1.2 Pms各向異性計算

在均勻各向同性介質中,Pms轉換震相只存在徑向分量的能量,其相對于直達P波的到時差與地震事件的方位角無關.而在各向異性介質中,Pms轉換震相會產生切向分量的能量.在Moho 面平坦條件下,橫向各向同性(HTI)介質中徑向接收函數的Pms轉換震相到時會隨后方位角存在周期性變化,而切向接收函數的Ps轉換震相的振幅和極性也會隨著后方位角發生變化(Frederiksen and Bostock, 2000; Liu and Niu, 2012).在單層弱各向異性介質中,Pms震相的到時與地震事件后方位角之間的關系可近似表示為(Nagaya et al., 2008; Rümpker et al., 2014)：

(1)

其中,θ為地震事件的后方位角,t0為Pms震相在各向同性介質中的到時,Δt為Pms震相在各向異性與各向同性介質中的傳播時差,φ為Pms震相在各向異性介質的快波偏振方向.

由于切向接收函數更容易受到地殼介質衰減以及復雜構造等的影響,其Pms震相的信噪比通常較低而難以有效用于定量研究,所以在本研究中主要采用徑向接收函數中的Pms震相到時來研究地殼各向異性特征.為了消除因射線參數不同所引起的Pms震相到時差異,我們首先將Pms震相相對于直達P波的到時延遲進行動校正,校正到震中距為60°和震源深度為0 km情況下的到時.并以10°后方位角為間隔對接收函數進行疊加以提高接收函數Pms震相的信噪比.為了獲得可靠的接收函數各向異性結果,本研究采用兩種方法進行Pms各向異性計算：一是根據公式(1),利用非線性最小二乘方法擬合Pms轉換波震相到時并得到地殼各向異性參數(Kong et al., 2016),二是采用網格搜索方法以獲得與最大疊加振幅相對應的最優參數對.這兩種基于Pms轉換震相進行地殼結構各向異性的研究已被廣泛應用并取得了良好效果(Zheng et al., 2018, 2021).

在實際數據處理中,我們選擇30°～90°震中距范圍內的遠震事件波形進行接收函數提取.受實際數據觀測時長和研究區位置的影響,遠震事件分布主要來自南和東南方向,東北和西北方向也有少量分布(圖2).盡量選擇事件方位覆蓋良好的臺站開展計算,以便在有限數據的情況下盡可能提高接收函數各向異性計算結果的可信度.在用上述兩種方法計算得到Pms各向異性參數的基礎上,我們對基于兩種方法得到的計算結果進一步挑選,選取快波偏振方向計算結果相差小于10°且快慢波分裂時差大于0.15 s的結果作為最終計算結果用于表征本研究區的Pms各向異性特征(表1).圖3展示了YZ23、YZ69和YZB3三個臺站Pms各向異性的計算實例,從中可以清晰看出Pms震相到時隨后方位角的周期性變化,且兩種方法計算結果較為一致,說明計算結果具有較高的穩定性和可信度.

2 地殼各向異性特征

強烈的Moho界面起伏會造成接收函數Pms震相到時差以360°為周期的變化,而地殼各向異性造成的Pms震相到時差的變化周期為180°(Frederiksen and Bostock, 2000).正演計算表明,當Moho界面傾斜角度小于10°時,僅會導致Pms各向異性計算結果誤差增大,并不影響計算結果的穩定性(Wu et al., 2021).在長江中下游及鄰區,基于接收函數H-κ掃描得到的地殼厚度結果顯示本研究剖面下方的Moho界面整體在32±3 km范圍內寬緩起伏,最淺處出現在寧蕪礦集區下方(～29 km),最深處在郯廬斷裂西側(～35 km),最大傾斜角度為～3°(史大年等,2012;Shi et al., 2023).因此,可以確定在本研究區內,Moho界面的起伏變化并不會對Pms各向異性計算結果造成顯著影響.Han等(2022)和Shi等(2023)利用本研究區臨近范圍的固定地震臺站和各自的流動地震臺站數據也開展了基于接收函數的地殼各向異性研究,本研究收集了他們的研究結果并形成了長江中下游及鄰區地殼各向異性參數的面積性分布特征(圖4),便于從區域性視角分析該區地殼結構的變形特征.

圖2 本研究所用到的遠震事件相對于流動地震臺陣中心的位置分布圖其中藍色三角形表示地震臺陣中心的位置,紅色圓圈表示遠震事件位置.

表1 長江中下游及鄰區Pms各向異性參數計算結果Table 1 Results of the Pms anisotropy parameters in and around the MLYB

由圖4可見,總體而言,在本研究區內的Pms各向異性快波方向呈現NE向分布特征,對全區域固定和流動臺站結果進行統計得到快波偏振方向平均為φ=30°,中位數為～38°,快慢波分裂時差在0.05～0.95 s范圍內變化,分裂時差平均值為0.36 s,中位數為0.33 s.從橫向分區的角度,研究區內的Pms各向異性特征可以郯廬斷裂和江南斷裂為界分為三部分,即郯廬斷裂北西側的華北克拉通東南緣、郯廬斷裂和江南斷裂之間的長江中下游地區、以及江南斷裂南東側的華南塊體東北部.這三個塊體在地殼各向異性的方向和強度方面均有差異,尤其是快波偏振方向呈現出顯著的分區性特征.

在華北克拉通內部,Pms各向異性快波方向主要為NWW或NW方向,統計結果顯示快波偏振方向中位數為～-25°,快慢波分裂時差在0.1～0.7 s范圍內變化,分裂時差中位數為0.31 s.同時,快波方向在塊體邊緣則發生了變化,在華北克拉通東側邊緣,即靠近郯廬斷裂附近的臺站,其快波方向顯示為N或NNE方向,近似平行于郯廬斷裂的走向;而在華北克拉通南緣靠近大別山甚至大別山內部臺站所觀測到的Pms各向異性快波方向則呈現為近NWW方向,近似平行于大別山北側的曉天—磨子潭斷裂.

長江中下游地區Pms各向異性方向主要為NE方向,統計結果顯示快波方向中位數～34°,快慢波分裂時差為0.2～0.75 s,中位數為0.36 s.本研究中流動地震臺站的Pms各向異性參數與其他研究(Han et al., 2022; Shi et al., 2023)數據的統計結果一致性較高,但在長江中下游西南段,由固定地震臺站所得到的Pms各向異性快波方向主體為NNW方向,與流動地震臺站所在的東北部存在明顯差異,這表明長江中下游地區存在地殼變形和各向異性的橫向區域性變化.

在華南塊體東北部,基于流動地震臺站得到的Pms地殼各向異性方向與長江中下游地區并無顯著差異,其快波方向均指向NNE方向,中位數為～40°,快慢波分裂時差為0.1～0.95 s,中位數為～0.3 s.同時,盡管在同一構造區內的Pms各向異性特征總體一致,但也存在少數地震臺站Pms快波方向與其他臺站明顯不同.地殼各向異性的局部橫向差異在剪切波速度模型中同樣存在,從分布位置來看,它們多數位于華南塊體北部“L”型構造的拐角區域,可能和局部斷裂組構的定向排列或深部韌性變形等應力場變化有關,但具體原因目前很難明確判斷.

圖3 臺站YZ23(a、b、c)、YZ69(d、e、f)和YZB3(g、h、i)Pms各向異性參數計算實例其中(a)、(d)和(g)中黑色圓點為各臺站下方地殼各向異性測量結果,其中背景圖像為每一組分裂參數dt和φ所對應的疊加能量,黑色原點為疊加能量最優時dt和φ所對應的數值;(b)、(e)和(h)為臺站接收函數隨后方位角的變化,黑色圓點表示Pms震相最大振幅的到時,紅色和藍色曲線是通過兩種方法根據(a)、(d)和(g)中所得參數和公式(1)正演計算得到的Pms震相到時延遲曲線;(c)、(f)和(i)分別是(b)、(e)和(h)在放大窗口中的顯示.橙色和藍色分別表示接收函數波形中的正、負振幅.

圖4 長江中下游及鄰區Pms各向異性參數平面分布圖圖中,彩色條棒的方向和長度代表了Pms各向異性的快波方向和快慢波分裂時差,其中深綠色、紅色和藍色條棒分別表示華北、長江中下游和華南地區的分區結果.白色圓圈、矩形和三角形分別表示本研究所得結果以及Shi等(2023)和Han等(2022)所得結果;背景圖像為基于背景噪聲和遠震事件面波成像獲得的26 km深度處的VS擾動速度(Ouyang et al., 2014).

3 討論

3.1 地殼各向異性成因

為了從區域角度分析長江中下游及鄰區地殼各向異性的整體特征和成因機制,本文側重于討論各構造區內快波方向的統計結果,而弱化對局部個別奇異臺站的具體分析.從Pms各向異性分布(圖4)和統計玫瑰圖(圖6)可見,在華北塊體的地殼各向異性方向呈現出近似垂直于郯廬斷裂的NNW方向,而在華北塊體南緣曉天—磨子潭斷裂附近觀測到的Pms各向異性快波方向為近似平行于曉天—磨子潭斷裂的NWW方向.而在郯廬走滑斷裂附近及其以東地區,地殼各向異性的快波偏振方向均近似平行于郯廬斷裂的NNE方向;且隨著向東距離郯廬斷裂帶的距離逐漸增加,快波偏振方向由NNE方向逐漸向NEE方向過渡.這種各向異性區域差異特征一方面說明了郯廬斷裂在構造演化中的重要邊界作用,另一方面也與華北與華南塊體在力學性質和流變學強度方面的差異相關.

地殼各向異性的產生機制主要有兩種解釋,一是在脆性地殼部分以SPO(Shape Preferred Orientation)為主導的形狀優勢取向機制,二是在韌性地殼部分以LPO(Latice Preferred Orientation)為主導的晶格優勢取向機制.在脆性的上地殼中,裂隙定向排列和沉積交互薄層會造成地震波傳播的各向異性(Crampin and Booth, 1985; Crampin, 1987);而在韌性的下地殼,隨著圍壓的不斷增加,在淺部廣泛存在的裂隙會逐漸閉合,角閃石等造巖礦物以及部分熔融體的定向排列則成為各向異性的主要成因(Boness and Zoback, 2006;Gao et al., 1998, 2011).

我們認為本研究中基于Pms震相得到的地殼各向異性主要來自中、下地殼的貢獻,原因如下：(1)各向異性特征的頻率依賴性(Rümpker et al., 2003).上地殼形狀優勢取向(SPO)產生的各向異性主要為高頻變化特征,一般宜用近震剪切波分裂來探測,對地震波濾波的頻帶范圍在1～10 Hz左右;而本研究基于遠震Pms轉換波的信號頻率則較低,多在0.1～1 Hz左右.(2)快慢波分裂時差的量級.大量研究表明,大陸地區上地殼各向異性的強度一般在0.2 s范圍內(Peng and Ben-Zion 2004; Boness and Zoback, 2006; Gao et al., 1998, 2011),而在華南大陸東部地區,基于近震S波分裂計算得到的上地殼快慢波相對分裂時差僅為2.66±1.16 ms·km-1(石玉濤和高原,2022),如果假設上地殼厚度為～15 km,那么這個結果僅相當于～0.04 s的絕對分裂時差.而我們在長江中下游地區基于Pms震相計算的地殼各向異性分裂時差中位數為0.33 s.(3)遠震接收函數CCP(Common Conversion Point)成像結果顯示下地殼轉換波極性在長江中下游地區呈現出方位依賴性,指示該區下地殼可能存在各向異性(史大年等,2012;Shi et al., 2013).據此可以推測,我們在長江中下游及鄰區觀測到的地殼各向異性應主要來源于中下地殼深度范圍的貢獻.

3.2 殼、幔各向異性差異與“立交橋”式結構特征

板塊絕對運動、地殼應力和過去以及現今構造運動產生的巖石圈內部形變是導致巖石圈和上地幔各向異性的主要原因,這使得地震記錄中的遠震XKS(SKS,SKKS,PKS)震相出現剪切波的快、慢波分裂現象(Silver and Chan, 1991).為進一步分析該區不同深度的各向異性特征及殼幔變形耦合關系,我們收集了該區基于固定地震臺站和部分流動地震臺站的XKS分裂各向異性研究結果(Huang et al., 2011; Huang et al., 2013; Zhao et al., 2013; Shi et al., 2013; Tian and Santosh, 2015; Li et al., 2018; Yang et al., 2019).

受限于方法本身和數據質量等原因,不同學者基于XKS分裂得到的各向異性結果存在一定差異.而且,在長江中下游地區臺站觀測到的XKS快波方向存在明顯的方位依賴性,即對來自東南方向(后方位角134°)事件計算得到的快波方向為N65°—85°E,而依據西北方向(后方位角317°)事件計算得到的快波方向則為N120°—130°E(Shi et al., 2013).Jia等(2021)分析了地震事件方位與射線穿透點對XKS分裂參數的影響,指出多水平層各向異性介質或單傾斜層各向異性介質會造成各向異性快波方向的周期性變化,而在復雜構造區(如兩個或多個具有不同各向異性特征的區域)的邊界附近觀測到的各向異性方向則主要取決于射線穿透點的位置.Tian和Santosh(2015)對XKS的各向異性研究表明中國東部地區上地幔可能具有雙層各向異性特征,上層的各向異性快波方向近似NEE或EW方向,而下層的各向異性快波方向則近似NW方向.在長江中下游地區出現這種各向異性方向的方位依賴性特征,表明該區的深部結構遠比單層均勻各向異性模型復雜,很可能來自不同方向的XKS射線穿過了不同的各向異性層,這種情況經常發生在造山帶、陸內裂谷帶等狹窄線性構造區(Nicolas,1993).

然而,由于流動地震臺站極其稀少的地震事件方位覆蓋,我們很難可靠地定量獲得該區更為復雜的多層上地幔各向異性結構.為此,我們參考多數研究中通常采用的做法,對依據不同方向地震事件求得的XKS各向異性參數取中位數以近似并簡化表示臺站下方的各向異性特征(圖5).從本研究區XKS各向異性特征的區域分布(圖5)來看,XKS快波偏振方向在華北地區呈NW方向分布;隨著臺站向東南方向移動,沿本研究剖面流動地震臺站上各向異性快波方向有順時針旋轉的特征,并在滁河斷裂附近呈現與斷裂走向平行的特征;繼續向東跨越江南斷裂以后,快波方向繼續順時針旋轉并逐漸轉至近E-W方向.從對所有臺站XKS分裂參數的統計玫瑰圖(圖6)可以看出,華南塊體東北部和長江中下游地區的快波方向比較一致,均指向近NEE方向,而華北塊體則主體為NWW方向.通過對比Pms和XKS快波方向統計玫瑰圖(圖6)和規則網格的插值結果(圖7),可以發現兩者快波偏振方向在統計上存在約30°～60°差異.在華北地區,地殼各向異性快波方向更偏向E-W或NWW方向,而XKS的快波方向則更偏向于NW或NWW方向;在長江中下游和華南東北部地區,Pms各向異性快波方向偏向N或NE方向,而XKS的快波方向更偏向NEE或E-W方向.地殼和上地幔不同深度范圍在空間上構成了地震波各向異性快波方向交叉分布的“立交橋”式分層結構.

3.3 殼幔各向異性對區域構造演化的啟示

在大陸地區,軟流圈物質的流動會造成快波方向與流動方向一致的地震波各向異性,而在中下地殼和巖石圈深度的擠壓作用會造成物質變形和礦物晶體的定向排列垂直于擠壓方向,由此導致在地震記錄中觀測到垂直于擠壓應力的各向異性快波方向(Silver and Chan, 1991;Silver, 1996).中國東部在印支期和燕山期的兩期區域性構造運動對地殼和上地幔深部結構與變形產生了重要影響,本研究認為在長江中下游及鄰區觀測到的殼幔各向異性“立交橋”式分層結構特征是由這兩期區域性構造運動共同作用的結果(圖8).

在印支期,由于華南與華北塊體的陸陸碰撞而產生的擠壓和側向剪切作用不僅形成了秦嶺—大別造山帶和郯廬大型走滑斷裂系,也使得華南塊體的上地殼與中下地殼發生拆離(Yin and Nie,1993; Li,1994; Zhao et al.,2016).在郯廬斷裂帶西側,華北塊體南緣與華南塊體的正向碰撞產生的強烈擠壓應力造成垂直于碰撞方向的深部物質變形和礦物晶體定向排列,由此導致在地震觀測中看到近E-W或NWW方向的各向異性.華北與華南塊體碰撞作用導致的變形可能并不局限于地殼尺度,甚至導致了巖石圈尺度的變形,并在中國東部典型臺站的雙層XKS分裂研究中表現為上層各向異性特征(Tian and Santosh,2015).在郯廬斷裂帶東側,華南與華北塊體之間的接觸以側向剪切作用為主,這使得郯廬斷裂帶附近及其東側產生近似平行于郯廬斷裂帶的各向異性.但由于華南塊體相對較“軟”,側向剪切作用對初始變形的影響范圍在橫向上可能僅局限于郯廬斷裂附近地區.

圖5 長江中下游及鄰區遠震XKS剪切波分裂結果匯總,XKS分裂結果來自已有研究結果(Huang et al., 2011, 2013; Zhao et al., 2013; Shi et al., 2013; Tian and Santosh, 2015; Li et al., 2018; Yang et al., 2019)圖中,彩色條棒的方向和長度代表了XKS各向異性的快波方向和快慢波分裂時差,其中深綠色、紅色和藍色條棒分別表示華北、長江中下游和華南地區的分區結果.背景圖像為基于背景噪聲和遠震事件面波成像獲得的70 km深度處的Vs擾動速度(Ouyang et al., 2014).

圖6 長江中下游及鄰區Pms和XKS各向異性快波方向統計玫瑰圖(a)、(b)、(c)分別表示華北、長江中下游和華南地區的Pms各向異性;(d)、(e)、(f)分別表示華北、長江中下游和華南地區的XKS各向異性.

圖7 長江中下游地區不同深度范圍殼、幔各向異性“立交橋”式分層結構特征(插值到規則網格結果)(a) Pms和XKS快波方向疊加對比,綠色和藍色條棒分別表示插值到規則網格的Pms和XKS各向異性方向; (b) 遠震接收函數Pms震相各向異性; (c) XKS剪切波分裂各向異性.(b)和(c)中紅色條棒為各臺站處原始計算得到的各向異性參數,(b)中綠色和(c)中藍色條棒分別為插值到規則網格的各向異性測量結果.

在燕山期,影響長江中下游及鄰區深部過程的動力源來自于兩個方面：一是巖石圈拆沉及伴生的軟流圈物質上涌,二是古太平洋板塊的NW向俯沖作用.這兩種動力源并不互斥,而是共同影響了這一區域的深部結構與構造演化過程(吳福元等,2000;董樹文等,2011;Lü et al., 2015, 2021; Zhang et al., 2021).華南與華北塊體之間的連續擠壓作用會促使地殼增厚且有可能使下地殼發生榴輝巖化,在重力作用下發生坍塌而拆沉(Price, 1986;Kay R W and Kay S M, 1993)并伴隨軟流圈熱物質上涌.而來自古太平洋板塊的俯沖作用則會在軟流圈和地殼與巖石圈尺度造成不同的變形和地震各向異性影響.

在軟流圈尺度,古太平洋板塊的俯沖作用會加劇軟流圈物質的側向流動,造成軟流圈部分的造巖礦物(主要是橄欖巖)晶格沿流動方向發生定向排列.盡管目前尚缺乏針對該區上地幔尺度多層各向異性的詳細研究,但基于郯廬斷裂附近典型臺站XKS分裂的研究則顯示該區上地幔很可能具有雙層各向異性特征,且下層各向異性層的快波方向近似NW方向,反映了在俯沖作用下的軟流圈物質流動方向,而上層各向異性可能反映了華南與華北塊體在印支期碰撞所留下的“化石”各向異性痕跡(Tian and Santosh, 2015).這與本研究的認識具有相似性.我們認為在華南東北部和華北塊體下方,近似EW或NWW方向的XKS各向異性反映了軟流圈物質的流動方向.但在長江中下游附近,受到“拆沉”作用造成的巖石圈底部“空區”圍限,軟流圈物質會在一定程度上產生沿著長江中下游展布方向而流動的分量,最終導致在長江中下游局部區域觀測到的XKS各向異性方向偏向于NE或NEE方向,即近似平行于主要構造展布方向.

在地殼和巖石圈尺度,古太平洋板塊的俯沖作用則會在陸內形成擠壓作用,這種陸內擠壓不僅造成了在塊體邊界出現類似于碰撞造山過程中出現的“鱷魚嘴”構造(呂慶田等,2014, 2015; Lü et al., 2015, 2021),也疊加和改造了巖石圈和中下地殼部分先存的變形特征.由于華北塊體本身的流變學強度較高,由俯沖造成的陸內擠壓作用對華北塊體內部地殼變形的改造較弱,仍然保存了印支期所形成的NWW方向變形痕跡.在相對軟弱的華南塊體,這種陸內擠壓作用會造成地殼部分在垂直于擠壓應力的方向(即NE方向)產生伸展變形,并對先存變形進行疊加改造,最終形成現今觀測到的以NNE方向為主導的地殼各向異性特征.

4 結論

本文基于遠震P波接收函數Pms震相計算了長江中下游及鄰區的地殼各向異性特征,在結合該區基于XKS分裂得到的上地幔各向異性和其他已有研究成果的基礎上,得到以下認識：

(1)長江中下游及鄰區地殼各向異性特征呈明顯的分區性,在華北地區以近NWW向為主,反映了印支期陸陸碰撞所形成的中下地殼變形痕跡,在長江中下游和華南東北部地區則以NE向為主,主要受控于燕山期古太平洋板塊俯沖造成的陸內擠壓作用.

(2)長江中下游及鄰區地殼與上地幔各向異性特征存在差異,Pms各向異性快波方向與XKS快波偏振方向在整體上存在30°～60°系統差異,形成了該區殼幔各向異性的“立交橋”式分層結構.

(3)目前觀測到的地殼和上地幔各向異性差異特征反映了印支期和燕山期的區域構造演化過程,華北與華南塊體的流變學強度不同為區域差異變形提供了物性基礎,而燕山期古太平洋板塊俯沖作用對軟流圈和地殼與巖石圈的差異影響是最終形成該區“立交橋”式分層結構的動力來源.

致謝謹以此文祝賀滕吉文先生90華誕暨從事地球物理工作70年.在此特別向參加野外數據采集工作的所有同志們致以誠摯的謝意.感謝美國密蘇里科技大學高尚行(Stephen S. Gao)教授研究團隊提供的Pms各向異性計算程序.感謝中國科學院地質與地球物理研究所田小波研究員、徐濤研究員、武澄瀧副研究員等提供的寶貴意見和建議.

圖8 長江中下游及鄰區地殼與上地幔各向異性產生機制示意圖(a) 印支期華南與華北塊體碰撞作用造成觀測到的華北地區中下地殼和巖石圈各向異性特征; (b) 燕山期古太平洋板塊俯沖作用造成研究區軟流圈部分各向異性,并重塑了長江中下游和華南東北部中下地殼與巖石圈部分各向異性特征.其中,黃色箭頭表示擠壓應力作用方向,黃色和青色橢圓表示不同深度范圍應力作用導致的快波偏振方向.NE_SCB：華南塊體東北部.