珠江三角洲芦苞—佛山—中山—三乡断面的地壳结构——密集台阵勘探新成果

卢进延

（广东省地球物理探矿大队，广州 510800）

0 引言

珠江三角洲地区经济高度发达，人口密集，开展地质调查工作非常必要，地质调查工作对于大湾区地下空间资源合理开发、防灾减灾和基础地质研究有着重要的现实意义。在城市发展过程中，已经进行了大量的浅部地质调查工作，近几年也大面积铺开了城市地质调查工作，但这些地质调查工作主要以100 m 以浅为主，中深部的地质调查工作开展的非常少，因此，开展中深部地壳结构的调查研究工作显得非常有必要。

谭皓原[1]利用国家地震科学数据共享中心的地震目录及临时台网资料对华南地壳及上地幔三维速度结构成像；尹周勋[2]、赵明辉[3]使用深地震方法研究华南地区地壳结构及壳内低速层；韩松[4]、刘国兴[5]、韩凯[6]使用超长周期大地电磁测深，对华南地区深部电性结构进行研究；曾维军[7]利用重磁资料对广州—巴拉望地学断面进行了综合研究。普遍认为：地壳分为上地壳、下地壳或者上地壳、中地壳和下地壳；珠江三角洲地区莫霍面深度了30 km 左右，由陆地向海洋逐渐变浅；在15～20 km 深的深度上存在异常低速层，由陆地向海洋逐渐尖灭。但以往的深地震、深电性剖面为了避开城区的人文干扰，测线大多数位于珠江三角洲边缘或外围，在核心地区，缺少专门研究中深部地壳结构的资料，在地壳结构复杂的情况下，是否还存在低速带层；以往的深地震剖面震源使用的是炸药震源，对于几十公里的探测深度，能量有限。

密集台阵勘探是基于地震事件的地震体波、面波等地震成像方法，是研究地壳及地球更深部结构的主要方法之一，由于该方法成本较低，并且对中深部地壳具有高分辨率，抗干扰能力，因而该方法被广泛应用。李敏娟[8]利用密集台阵研究了青藏高原东北缘地壳精细结构及九寨沟地震震区结构特征。黄焱羚[9]利用密集台阵研究龙门山断裂带南段地震空段的地震活动性，为地震空段及周围地震活动的时空分布特征和孕震风险性评估提供了丰富的信息。张云鹏[10]利用密集台阵研究云南宾川上地壳速度结构，深入理解该区的主要控震构造及其深部结构特征提供了重要依据。

为了研究珠江三角洲核心地区中深部地壳结果速度分布特征和结构特征，笔者采用密集台阵勘探方法采集数据，使用接收函数方法处理反演得到沿线地壳速度结构，结合地质资料进行综合解释，为深入研究珠江三角洲地区地壳结构提供了丰富的信息。

1 区域地质概况及地球物理特征

1.1 区域地质概况

研究区位于珠江三角洲核心区域，研究区自北西佛山市三水区芦苞镇起至中山市三乡镇止，东西宽90 km，南北长120 km。

珠江三角洲处于欧亚板块、太平洋板块、印度板块的接合地带，为板块活动较强地区。广东的大地构造主要经历三大发展阶段和四个构造旋回：即震旦纪—志留纪为地槽发展阶段，属加里东构造旋回，为加里东褶皱基底发展时期；泥盆纪—中三叠世为准地台发展阶段，属海西—印支构造旋回，为相对稳定的盖层发育时期；中三叠世末的印支造山运动，结束了准地台发展历史进入到大陆边缘活动带发展阶段，包括了燕山旋回和喜马拉雅旋回[11]。

研究区地层有内元古代、古生代、中生代和新生代地层，主要为云开岩群、南华系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、白垩系分、古近系等地层和第四系沉积物。

珠江三角洲断裂构造十分发育，断裂构造分为北东向、北西向及东西向三组，相互交切呈块状、格子状，主要断裂有：高要—惠来断裂（北支）、广州—罗浮山断裂、广从断裂（恩平—新丰断裂）、高要—惠来断裂（南支）、新会—市桥断裂、五桂山北断裂和五桂山南断裂（紫金—博罗断裂），西江断裂、北江断裂、白坭—沙湾断裂等，见地质构造图（图1），部分断裂具有较强的活动性，如西淋岗断裂[12]（广从断裂西南段）、五桂山北断裂[13]。对珠江三角洲影响最大的断裂为广从断裂、广州—罗浮山断裂。

图1 区域地质构造图Fig.1 Regional geological structure map

珠江三角洲地质构造复杂，经历了“槽-台-洼”地质演化过程和断裂构造运动，形成了多期次、规模不等的岩浆侵入活动。在时间上，岩浆活动在古生代、中生代、第四纪均有发生。在规模上以燕山期最为宏大，出露面积最广。加里东期岩浆岩主要分布在高要、四会、广州增城、番禺等地，印支期岩浆岩见于高明、鹤山、广州罗岗，燕山期岩浆岩分布广泛，但从早至晚有从珠三角西部向东部迁移变新的趋势。

三水盆地属中新生代拉张型断陷盆地，受南海与华南陆缘开裂作用的拉张应力影响，自中晚白垩世开始，火山活动强烈。发生了以西樵山为例的中心式火山频繁喷发和受断层影响沿裂隙的流溢式火山活动，盆地内形成多期次叠加的巨厚火山岩层，从早白垩世末期至早第三纪渐新世早期共有13 期、123次以上火山喷发，形成累计厚度达2755 m 以上的火山岩[14]。

1.2 地区物理特征

珠江三角洲地区布格重力异常（图2）总体呈现重力场高值区，幅值在-53～3×10-5m/s2之间。重力异常值总体上自北向南逐渐增大，定性地反映了地壳厚度自北向南逐渐变小的趋势。中部重力高异常走向东西，总体形态规则，内部起伏平缓，异常强度达3×10-5m/s2，范围广，反应了该地区存在大范围高密度地质体。在重力高异常的北侧、西侧、南侧存在规模巨大的重力线性梯度带，为大构造单元的分界线反应。在从化—广州—开平一带是重力异常突变带、梯度带，等值线扭曲，重力异常上延30 km 后135°水平方向极值明显，为广从深大断裂带的反应。

图2 布格重力异常图Fig.2 Bouguer gravity anomaly map

2 数据采集

本次研究测线起于广东省佛山市三水区芦苞镇，经狮山镇、中山市东凤镇，至中山市三乡镇，测线由西北向东南方向延伸，测线全长124 km，共64 个测点，平均点距约2 km。数据采集时段为2019年10月7日至2019年11月16日，累计时长为38 d，保证了有足够时间记录到足够多天然地震事件。数据采集过程中使用仪器为QS-5B 三分量宽频（0.2～200 Hz）数字地震仪，仪器之间使用内置高精度时钟同步，数据采样间隔为4 ms。

数据采集期间记录到的天然地震事件方位角、震中距分布都比较均匀，观测期间共记录到震级大于5 级、震中距100 度以内的天然地震事件168 余个，见图3。图4为台阵记录到的一次7.1级地震事件的波形图，从左到右分别为垂直、南北、东西分量的地震波形。从三分量波形可以看出，包括初至P 波、多次波的震相波形的相位和振幅具有良好的一致性，尤其是垂直分量波形，震相波形具有高度的一致性。对于南北和东西两个分量的波形，整体上也高度一致。对于P 波初至的时间，在整个120多千米长度的测线上，不同台站的P 波初至与理论的P 波初至相比有一定偏离，反映出测线下方的地壳结构存在显著的横向不均匀性和差异。原始数据的信号内容丰富、震相清晰，转换波信号清晰，数据质量优良。

图3 远震天然地震事件震中分布图（2019-10-07—2019-11-16）Fig.3 Epicenter distribution map of teleseismic natural earthquake events

图4 台阵记录到的一次7.1级地震事件波形图Fig.4 Waveform diagram of a M7.1 earthquake event recorded by seismic array

3 数据处理

本次研究使用较为成熟的接收函数方法对数据进行处理，通过从远震体波波形数据中提取的P接收函数和S波接收函数可以获取地壳内部速度结构、地壳厚度及物质成分组成、地幔过渡带的厚度变化及岩石圈地幔的间断面[15]。其原理如下：接收函数是利用P波波形的台阵记录来反演沿线下方二维S 波速度结构的波形反演方法，远震P 波波形含有关于震源时间函数、震区介质结构、上地幔传播路径以及接收区介质结构的丰富信息。远震P波波形与这些影响机制的关系可表示成：D（t）=S（t）*MS（t）*MRay（t）*MR（t）*I（t）。其中，D（t）为所记录的远震P 波波形数据；S（t）为震源时间函数；MS（t）为近源介质结构响应；MR（t）为台站下方接收介质的响应；MRay（t）为P 波在地幔中传播的透射响应；I（t）为仪器响应。在以上因素中，只有台站下方介质的响应才是我们感兴趣的可用来反演台站下方地壳、上地幔速度结构的波形信息。因此要有一种方法将接收介质的响应从整个P波波形中分离出来，而接收函数方法就是一种行之有效的方法。Langston[16]基于等效震源假定，提出了从远震P 波波形数据中分离出径向和切向接收函数方法。

如果对各种响应做一个理想的假设，三种传播响应共同施加给震源时间函数，构成一个串联的线性系统，此外，要考虑仪器响应I（t），最终的系统输出产生位移即为u（t）。

这种串联的表示对应一个卷积模型，由于线性系统具有叠加效应，所以可以进行卷积运算。在时间域内，把这个系统表示成数学公式如下：

其中，UV（t）、UR（t）和UT（t）分别表示地震记录的垂向分量、径向分量和切向分量。

MRR（t）和MRT（t）即为要求的径向和切向接收函数，使用时间域反褶积提取接收函数，时间域反褶积方法提取的接收函数具有较小的背景噪声且对地震波形的记录长度不限制。数据处理流程见图5。

图5 数据处理流程图Fig.5 Data processing flow chart

（1）远震事件波形截取：根据远震事件目录给出的地震发生的时间（UTC 时间，世界协调时）、震中经度纬度和深度等信息，计算出远震P波初至的理论到时，从密集台阵测线数据的原始三分量波形中截取出远震事件波形，截取窗口为P波之前50 s，P 波之后150 s，保证了远震波形中的地壳内部转换波和多次波信号均位于截取窗口内部。

（2）利用时间域反褶积方法[17]，对密集台阵测线每一台地震仪记录的三分量远震事件波形进行数据处理，获得远震P波接收函数波形。

（3）对获得的接收函数波形进行质量控制，挑选出具有清晰莫霍面转换波震相的径向接收函数波形，并用于整个地壳结构的反演成像。

（4）基于远震事件目录给出的震中位置和深度，计算理论的射线参数，并根据射线参数，对密集台阵测线上同一台站记录到的接收函数波形进行叠加和动校正，获得每个台站的平均接收函数波形，并用于密集台阵测线下方地壳结构的反演与成像。

（5）速度结构反演。通过研究区域的速度结构初始模型构建、接收函数波形反演与地壳S波速度结构建立、接收函数理论地震图计算及与实际数据的对比分析采用阻尼最小二乘线性+迭代接收函数反演方法，经多次迭代更新，直至理论与实际接收函数波形差最小，最终获得能够和观测接收函数波形数据拟合最好的地壳S波速度结构参数模型。图6为观测原始数据波形（黑色）和反演后理论波形（红色）对比。理论波形能够较好拟合实际观测的数据波形，表明反演获得的测线下方的S波速度结构模型能够较好拟合观测数据。

图6 观测原始数据波形（黑色）和反演后理论波形（红色）对比Fig.6 Comparison between the observed original data waveform（black）and theoretical waveform after inversion（red）

4 结果分析和讨论

4.1 结果分析

用接收函数方法处理反演，获得了地壳S 波速度结构，见图7，从图中可以看出，由浅至深，速度由2.1 km/s 增大至4.5 km/s；在-30 km 左右的深度上，明显存在一个连续的速度突变带；浅部存在多处速度等值线下凹，其与断裂构造密切相关；三水盆地下方存在一个宽达几十公里宽的高速区域。

图7 地壳S波速度结构及解释推断图Fig.7 Crustal S wave velocity structure and interpretation inference diagram

根据地壳S 波速度结构特征，结合地质、地球物理资料进行综合分析：

（1）根据地壳S 波速度结构特征，划分了上地壳、中地壳、下地壳和上地幔四个大层位：

①上地壳S 波速度较低，沉积介质速度一般小于3 km/s，主要为海西—喜山期沉积盖层，其岩石组成主要是沉积岩及岩浆侵入体，岩浆侵入体波速大于3 km/s。该层由北向南呈逐渐变厚的趋势，厚度变化大，厚度大部分7～12 km 之间。在顺德至三乡段，在断裂构造及地质构造的作用下，造成地壳下沉，接受沉积，导致上地壳厚度增厚，在三乡一带，上地壳厚度达14 km。

②中地壳S波速度处于3～3.6 km/s之间，岩性以硅铝质为主的浅变质沉积岩，主体组分为元古界—下古生界浅变质岩系、花岗片麻岩或变质岩与花岗岩类的混合岩。包括有石榴石黑云母片麻岩、石榴石黑云母长石石英片岩、石榴石黑云母变粒岩、黑云斜长片麻岩等。该层由北向南呈逐渐变薄的趋势，厚度变化较大，在5～15 km之间。

③下壳层S波速度处于3.6～4 km/s之间，目前一般认为该层是由玄武岩或辉长岩组成，广东境内指示下地壳物质特征主要有来自早古生代云开地区规模不等的基性—超基性岩体。该层由北向南呈逐渐变薄的趋势，厚度变化较大，在7～13 km之间。

④上地幔岩石圈层S 波速度大于4.1 km/s，其主要化学成份是一种难熔的镁铁硅酸盐组合，与铁镁质—超铁镁质岩相当。上地幔顶部界面，即莫霍面起伏变化较小，总体趋势呈北深南浅，埋深在27.5～30 km 之间。三水盆地处的莫霍面跳跃幅度为2 km左右，推断受广从断裂切割导致。

（2）推测在三水盆地下方存在上地幔物质侵入通道，导致上地幔物质进入下地壳中；在三水盆地基底出现高速体（G2），附近有玄武岩出露，推测其为高密度岩浆侵入体；在三水盆地一带莫霍面略微隆起，幅度在1～2 km，推测这三个因素共同导致珠江三角洲中部出现一个明显的重力异常高（图2）。

（3）莫霍面起伏变化较小，总体北深南浅，由北向南逐渐抬升，深度在27.5～30 km，与利用布格重力异常进行密度反演获得的莫霍面深度（29.5～30.6 km）基本一致，见图8，而本次成果细节信息更丰富。

图8 莫霍面深度图（布格重力异常密度反演获得）Fig.8 Moho depth map（bouguer gravity density inversion）

（4）三水盆地边界南至广从断裂（恩平—新丰断裂），剖面成果显示盆底深3 km 左右，与盆地内经过多期次叠加厚达大2755 m 巨厚火山岩层基本一致。

（5）上地壳中存在5 个区域高速体，在其附近地表均有岩体出露，推断其为岩浆侵入体，在五桂山地区，大面积出露花岗岩体。

（6）根据图7 中S 波速度结果及界面起伏情况，测线所穿过的断裂分述如下：

①测线北端高要—惠来断裂（F1）地表S波速度低，在中地壳和下地壳中波速也较低，速度变化很大，且向南东倾斜，莫霍面也是向南东倾斜，莫霍面深度由29 km 突变为30 km，说明该断裂是贯穿整个地壳的深大断裂。

②广州—罗浮山断裂（F2）地表S 波速度低，速度变化较大，向南东倾斜，影响深度止于中地壳内。

③广从断裂带（F3、F4）可分为左右两支，地表S波速度低，速度变化大。推测左支断裂由于上地幔物质及岩浆侵入地壳过程中，中深部断裂构造被改造了，不再维持原有的深大断裂物质结构，仅浅部表现出低速；右支断裂浅—中—深部，S 波速度低且变化大，向北西倾斜，莫霍面深度由28 km 突变为30 km。在此处，布格重力异常上延30 km 后135°方向导数仍有清晰的反映，广州—恩平断裂（即广从断裂）深及30 km[14]，推测广从断裂带是贯穿整个地壳的深大断裂。

④测线南端高要—惠来断裂（F5）

⑤新会—市桥断裂（F7、F8）可分为左右两支，在地表S 波速度低，速度变化大。左支向北西倾斜，右支向南东倾斜，呈“八”字形，断裂切穿上地壳进入中地壳中，右支断裂上盘下降接受沉积，上地壳厚度增厚。

⑥五桂山北断裂（F9）地表S波速度发生明显的错断，深度波速低，且向北西倾斜，莫霍面深度由27.5 km 突变为29 km。重磁资料处理成果也显示其切割深度在30 km 以上[18-19]，推测该断裂是贯穿整个地壳的深大断裂。

⑦五桂山南断裂（F11）区域上属于紫金—博罗断裂西南段，浅—中—深部S波速度均较低，且倾斜北西，莫霍面深度由28 km 突变为29 km。重磁资料处理成果也显示其切割深度在30 km 以上[18]，推测该断裂是贯穿整个地壳的深大断裂。

（7）根据以上分析，结合地质资料推断，北起高要惠来断裂，南至五桂山北断裂，该地段内断裂为深部物质、热源上涌通道，矿产资源丰富，如西樵山银矿属陆相火山—热液矿床。南端地热资源丰富，如中山三乡的雍陌温泉水温达87℃。

4.2 结果讨论

本次密集台阵勘探获得了详细的中深部地壳结构及速度分布资料，对中深部地壳结构获得了新认识：以往深地震剖面显示在15～20 km 的深度上存在一个连续的低速层，而本次的研究成果在对应的深度上并没有低速层出现，反而在26.5～28 km 深度上存在一个不连续的低速层，对于这一认识，需要更多其他物探工作来佐证。关于珠江三角洲地区深部地壳结构的研究，在此基础上，可以开展更多珠江三角洲核心区中深部地壳结构的研究工作。

5 结语

对密集台阵剖面的反演成果进行了综合研究，讨论了测区地壳结构速度特征，结果表明：

（1）使用密集台阵勘探方法，利用5 级及以上的远震天然地震作为震源，在干扰严重的城区也取得了良好的勘探效果，其具有抗干扰能力、信噪比高、分辨率高、施工便捷、成本低的优点，非常适合在干扰严重的城区勘探，可作为研究珠江三角洲地区地壳结构，特别是中深部地壳结构的勘探方法。

（2）根据密集台阵剖面速度结构特征划分了上地壳、中地壳、下地壳和上地幔四个大层位。上地壳厚度分布表明在珠江三角洲临海一侧，在地质构造的作用下，造成地壳下沉，接受沉积，导致上地壳厚度变厚，在中山三乡镇一带，上地壳厚度达14 km。

（3）根据密集台阵剖面速度结构特征获得了沿线中深部断裂构造特征及其空间展布形态，速度结构与断裂构造具有良好的一致性。

（4）本次密集台阵勘探推测三水盆地盆底深度在3 km，与该地区沉积层厚度基本一致。

（5）莫霍面波速特征明显，界面上下横波速度变化大，由3.6 km/s突变为4.1 km/s。

（6）本次密集台阵勘探取得的新成果：①传统认为重力高是莫霍面隆起所致，而本次密集台阵勘探成果表明，重力高是由莫霍面隆起、上地幔物质侵入下地壳和高密度岩浆侵入上地壳共同引起的；②沿测线地壳在15～20 km 的深度上不存在低速层。

致谢：感谢徐行教授为本文提出宝贵的修改意见；感谢在密集台阵勘探数据采集、处理和总结工作中付出辛勤劳动的领导和同事；感谢李志伟老师提供数据处理服务工作；感谢韩思旭同志对本文的指导。