华南地壳及上地幔三维速度结构成像

谭皓原，王 志

(地球探测与信息技术教育部重点实验室 成都理工大学,成都 610059)

0 引言

华南地区位于古亚洲、特提斯、西太平洋三大构造域的交接部位，其主体是由华夏地块与扬子地块构成的。地质时期十分漫长，历史上发生了多次大的构造运动以及剧烈的岩浆侵入事件，区内发育有大量的北北东、北东向断裂和褶皱系[1]。近年来华南大陆岩石圈的减薄和裂解成为该区研究的热点，因此研究华南地区地壳和上地幔的速度结构，可以为研究该地区大陆岩石圈的构造演化过程提供依据。

从上世纪八十年代以来，很多学者通过使用地球物理方法对华南地区岩石圈进行了深入研究，并取得了一系列重要成果[1-6]。然而在过去的研究中，受台站密度、地震资料等条件限制，对该地区的深部速度结构的研究还比较粗糙。本次研究是基于前人的基础之上，通过拾取地震的P波和S波走时数据对该地区地壳上地幔的速度结构进行层析成像，从而得到了从10 km到60 km深度的三维速度结构。

1 数据和方法

1.1 数据

本文的研究区域位于18°N～28°N、104°E～120°E之间，主要集中于华南地区的南部，即华夏地块以及南海、北部湾大陆架部分，如图1所示。

图1 研究区域的地形及构造示意图Fig．1 Sketch map of Topography and tectonic绿色虚线代表断裂带

研究区域内的地震事件全部来自国家地震科学数据共享中心以及部分临时台网。在挑选地震资料时，我们要求每个地震的P波至少要被4个台站记录到，而S波至少要被3个台站记录到。最终共挑选出 11 113个区域地震，从中我们拾取的P波到时为 77 093条，S波到时为93 541条，所使用的区域地震台站为134个，地震事件和台站的分布如图2所示。

图2 地震和台站分布图Fig．2 Distribution of seismic events and stations三角型表示地震台站； 圆圈表示地震事件

1.2 方法

本次研究所采用的成像方法是Zhao[11]等人发展的地震层析成像方法，该方法可以应用于含有几个速度间断面的复杂模型中，并且地震波速可以在整个速度模型中变化。同时该方法还使用了伪近似弯曲法和斯奈尔定律进行三维射线追踪，可以快速准确地计算出地震波走时和射线路径。模型的参数化通过三维网格节点来进行，反演的未知量就是这些节点处的速度扰动值。模型中任意一点的速度值都可以由该点周围的8个速度节点进行线性插值得到。求解观测方程组时使用带阻尼因子的LSQR方法[13-14]，通过迭代的方法将非线性问题线性化，并且在每一步的迭代过程中都对震源参数和速度结构进行联合反演。另外该方法除了使用初至到时之外，还可以使用各个速度间断面上的反射波和转换波资料，提高了地震数据的利用率[7]。

2 初始模型

本次研究使用网格节点对研究区域进行模型参数化，水平方向使用1°×1°的间距划分网格，垂直方向从地表至100 km之间，每一层的深度分别设为0 km、10 km、20 km、30 km、40 km、50 km、60 km、100 km。在初始模型中引入康拉德面和莫霍面两个速度间断面，康拉德面的深度设为17 km，莫霍面的深度参考熊小松等[8]的结果，设为33 km。莫霍面以上的速度结构参考的是蔡学林等[3]的结果，莫霍面以下的速度结构使用的是ISPA91[15]全球模型。

3 反演结果及可靠性分析

通过反演研究区域内的地震数据，我们得到了纵波和横波地震波层析成像的平面图(图3、图4)和沿不同位置的剖面图(图5)。

3.1 平面速度图像

图3和图4分别是反演得到的P波及S波的层析成像水平切片。在10 km的深度上P波和S波的低速异常位于珠江三角洲以及福建的中部，而高速体普遍存在于海南岛、雷州半岛、广东省的东部、广西的西南部和北部湾地区，说明了该区的地震波速存在着明显的横向不均匀性。

图3 P波速度水平切片Fig．3 Plan views of P wave velocity

图4 S波速度水平切片Fig．4 Map views of S wave velocity

图5 速度垂直剖面图Fig．5 Vertical cross sections of P and S waves

在20 km深度，可以很清楚地看到东南沿海的地区出现了大范围的低速异常，P波的低速异常从福建的东部，经由江西一直延伸至珠江三角洲地区，S波的低速异常从福建东部沿着海岸线伸展至珠江三角洲地区。东南沿海地区在历史上发生过多期的大规模岩浆入侵事件，其岩石圈的减薄和裂解成为各方的共识，推断该低速异常与地幔物质的上涌有关，而在该区域在大面积的低速异常中还存在着一些高速异常区，在地质上对应着南岭地区，该地区在历史上经历过强烈的造山运动，使得区内的岩石受到强烈挤压，地壳增厚，因此在速度结构上表现为高速。从30 km的平面图上可以看出P波的低速异常依然十分明显，与此同时高速异常在逐渐消退，只在北部湾以及广西的中西部存在高速异常。S波的速度变化与P波基本一致，说明岩石的性质随着大地热流值的上升而发生显著变化。在40 km的平面图上，原来在福建中东部到广东东北部出现的低速异常转变成高速异常，很有可能是该区下地壳物质受到地壳物质的上涌侵蚀，发生破碎和拆沉，在拆沉的过程中慢慢冷却形成的[5]，而在海南岛、雷州半岛以及广西东南部出现的高速异常转变成了低速异常，这些变化特征在S波结构中体现得尤为突出。根据前人的研究[9-10]，这些地区在第四纪的火山活动十分频繁，伴随着大量的熔岩喷发，因此可以认为这些低速异常是由于地热活动造成的。

在50 km的平面图上，P波在北部湾、雷州半岛、广西东南部和珠江三角洲地区都出现了高速异常，而在这些区域S波体现的是低速异常，其原因可能是纵横波走时数据差异较大以及射线覆盖程度偏低所导致的。东南沿海地区依然表现出高速异常，说明了该区下地壳物质的拆沉作用发展到了这个深度。海南岛在这个深度的P和S波都表现出低速异常，说明在这个深度上依然有热流的影响。

3.2 剖面速度图像

图5是我们截取的三条速度剖面图像，通过对比发现，东南沿海地区的EF剖面在莫霍面的上方出现了大量的低速异常，说明在该位置处，莫霍面附近有着大量的热流作用，这验证了东部沿海地区地幔物质上侵导致地壳厚度减薄的观点。AB剖面中，A端位于广西区内出现的大量高速异常有可能是南华褶皱系的造山运动所引起的，而B端雷州半岛附近出现的高速异常则是由于大量岩浆冷凝过后导致的[9]。CD剖面中，由于第四纪的火山活动几乎完全停止，大量的岩浆冷却，因此在海南岛、雷州半岛和广东沿海地区造成高速异常，而在莫霍面以下，由于岩浆的余热和地球内部岩石温度的上升造成了岩石的部分熔融，导致了地震波速出现低速异常。

3.3 可靠性分析

在本次研究中我们采用的测试方法是振幅恢复分辨率测试(RRT, restoring resolution test)[7,11]，该方法的基本原理是通过反演真实的地震和台站数据，将其结果作为输入初始模型，然后在这个模型中进行三维射线追踪计算射线走时(正演计算)，在计算的同时加入随机误差来合成人工数据集，最后通过反演这个数据集，将其结果与真实的结果进行比对，从而分析出反演结果的好坏。

图6和图7分别是本次研究的P波和S波恢复分辨率测试的结果。

通过对比可以看到，P波在10 km～30 km的各个深度上，其速度扰动图像的形态还原得都比较好，只是振幅偏弱。但在40 km的深度图像上RRT的结果与之前的层析成像结果略有出入，在珠江三角洲和北部湾地区RRT的结果显示为低速，而层析成像的结果显示为高速，这可能是由于本次研究所使用的地震全部是近震，在40 km的深度上P波的射线条数比较稀少。另外该地区也缺少相应的地震台站，因此射线的覆盖程度偏小，造成恢复效果较其他陆内区域要差，而S波在每个深度RRT的结果都比较好，其原因是本次研究所拾取的S波到时比P波到时更多，因此S波的射线更加密集，覆盖程度更高，射线的交叉程度更好，所以恢复的效果要比P波好。总而言之，通过恢复分辨率测试的结果，我们看到了P波和S波速度扰动值的恢复效果都比较理想，因此说明本次研究的方法是可行的，反演所得到的图像是可信的。

4 结论

作者使用地震层析成像的方法，获得了华南地区P波和S波的三维速度结构，通过研究和分析得出以下结论：

(1)华南地区地壳内的物质存在着明显的横向不均匀性，其表现为西部内陆地区呈现高速异常，而东南沿海地区呈现低速异常，该异常的出现与地幔物质的上涌有关，导致东南沿海地区地壳厚度的减薄和岩石圈的破裂。

图6 P波的恢复分辨率测试结果Fig．6 Result of P wave restoring resolution test (RRT)(a)输入模型; (b)输出模型

图7 S波的恢复分辨率测试结果Fig．7 Result of S wave restoring resolution test (RRT)(a)输入模型;(b)输出模型

(2)在莫霍面以下，珠江三角洲、雷州半岛、北部湾、海南岛等地区逐渐出现的低速异常是由于该区的热活动所造成的，而东南沿海出现的高速异常，这可能是因为该区下地壳岩石受到地幔物质上涌的影响，在破碎拆沉的过程中逐渐冷凝所导致的。

致谢

感谢国家地震科学数据共享中心提供的数据，感谢赵大鹏教授提供的程序以及GMT绘图软件。

参考文献：

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