寧化寧化大田惠安地殼構(gòu)造與速度結(jié)構(gòu)特征

寧化寧化大田惠安地殼構(gòu)造與速度結(jié)構(gòu)特征

1福建地質(zhì)環(huán)境福建位于歐亞大陸的東南端，受到菲律賓海板塊和歐亞板塊的擠壓和臺(tái)灣的擴(kuò)張的影響，新的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈（任紀(jì)順等人，1990）。福建的地震活動(dòng)主要受到兩個(gè)錯(cuò)誤的控制。一個(gè)是北部的長(zhǎng)樂-昭安斷裂，這是中國(guó)東南沿海大陸邊緣的一個(gè)重要斷裂構(gòu)造帶。它不僅在中生代非?；钴S，而且在明代也非?；钴S。它控制著兩側(cè)地殼的興衰、火山活動(dòng)和新生代盆地的發(fā)育。北部鄭和-海豐斷裂位于福建中部。地質(zhì)上，這是中新世推裂帶的構(gòu)造，以左行為主，左行為輔，兩側(cè)結(jié)合不同的地質(zhì)構(gòu)造單元（張國(guó)偉等，2013）。邵武-河西河西河西河西河西河西河西河西河西河西河西河西河西河西河?xùn)|河。這些錯(cuò)誤的西北-縱向斷層和西北-縱向斷層形成了福建“東西走向、南北劃分”的基本格局，控制了該地區(qū)“東強(qiáng)西弱、南強(qiáng)北弱”的地震活動(dòng)（圖1）。福建地層具有較明顯的各時(shí)代分區(qū)特性.北部及西北部以晚元古代變質(zhì)巖地層為主,中部及西南部出露震旦紀(jì)至晚白堊世的淺變質(zhì)巖、沉積巖及火山巖地層,政和—海豐斷裂以東的福建東部地區(qū),大面積晚侏羅-早白堊世陸相火山巖地層占主導(dǎo)地位(福建省地質(zhì)礦產(chǎn)局,1985).我國(guó)大陸東南緣(福建)具有特殊的構(gòu)造環(huán)境和較頻繁的強(qiáng)震活動(dòng),是研究陸緣動(dòng)力學(xué)、強(qiáng)震孕育環(huán)境和監(jiān)測(cè)未來(lái)強(qiáng)震危險(xiǎn)區(qū)的理想場(chǎng)所.自20世紀(jì)70年代末以來(lái),以地震部門和中國(guó)科學(xué)院為主的科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)東南沿海地區(qū)實(shí)施了一批被動(dòng)源和主動(dòng)源地震測(cè)深試驗(yàn)與研究(廖其林等,1988,1990;章惠芳,1988;范玉蘭等,1990;熊紹柏等,1991;丘陶興等,1991;邵學(xué)鐘等,1993;王椿鏞等,1995;袁學(xué)誠(chéng),1997;陳祥熊等,2005;Zhangetal.,2005,2008,2009;Zhuetal.,2005;朱金芳等,2006a,2006b;袁麗文和鄭斯華,2009;黃暉等,2010;Huangetal.,2010;Zhengetal.,2013;黃海波等,2014).蔡輝騰等(2014)已就上述前人研究所取得的主要共識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié):1)東南沿海陸上由西向東地殼厚度逐漸變薄,從內(nèi)陸約32km到沿海28km左右;沿海莫霍面深度由南到北呈波浪起伏形態(tài),其深度變化主要受漳州熱田地區(qū)、泉州盆地、福州盆地及其周邊北西向斷裂影響;2)福建地區(qū)地殼速度結(jié)構(gòu)大致可分為三層,即基底層、上地殼和下地殼;3)東南沿海地區(qū)低速層主要分布在福州盆地、泉州盆地和漳州熱田區(qū),低速層方位與地震震中、地?zé)岙惓^(qū)密切相關(guān).這些成果對(duì)于研究東南沿海地區(qū)深部結(jié)構(gòu)構(gòu)造、孕震環(huán)境及區(qū)域地球動(dòng)力學(xué)等問題提供了有力的地球物理佐證,但前人研究主要聚焦于沿海地區(qū),內(nèi)陸特別是福建中部地區(qū)深部探測(cè)研究工作有待進(jìn)一步開展.2012年6—8月實(shí)施的寧化—大田—惠安深地震測(cè)深測(cè)線位于福建中部,它有利于深入了解福建中部的地殼精細(xì)結(jié)構(gòu),并彌補(bǔ)了前人對(duì)該地區(qū)地殼結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)的不足.本文介紹寧化—大田—惠安深地震測(cè)深剖面的觀測(cè)和解釋結(jié)果,建立二維地殼精細(xì)速度模型,并探討其大地構(gòu)造含義.2地震地震波場(chǎng)模擬寧化—大田—惠安深地震測(cè)深測(cè)線西端始于福建寧化(東經(jīng)116.702°,北緯26.413°),往東南經(jīng)永安、大田、永春、終于惠安(東經(jīng)118.948°,北緯24.909°),測(cè)線方位N135E°(圖1).從大地構(gòu)造上看,該測(cè)線穿越了閩西南拗陷帶北段,武夷戴云隆褶帶及閩東火山斷拗帶,近垂直于北東向政和—海豐斷裂、長(zhǎng)樂—詔安斷裂.本剖面資料有利于了解福建中部地區(qū)不同構(gòu)造塊體的速度結(jié)構(gòu)特征及其差異,也有利于揭示政和—海豐斷裂、長(zhǎng)樂—詔安斷裂深部構(gòu)造特征.沿測(cè)線在惠安、南安、大田、永安和寧化布設(shè)5個(gè)炮點(diǎn)(表1),用井下爆炸方式激發(fā)地震波場(chǎng).炸藥為地震探測(cè)專用震源藥柱,藥量從1995kg到2583kg不等.井下采用組合爆破,其中單井深度50~70m.炮點(diǎn)間距50~100km,用于保證波組的連續(xù)追蹤、對(duì)比及對(duì)地下介質(zhì)的多次覆蓋和交叉采樣(圖2).在測(cè)線上布設(shè)了160套PDS-1(2)型數(shù)字地震儀,同時(shí)接收爆破激發(fā)的地震波.接收點(diǎn)間距為1.5~2km.為減輕人為和背景噪聲的干擾,激發(fā)和接收工作均在凌晨時(shí)分進(jìn)行.3sp23炮pc震相分析根據(jù)圖2所示的觀測(cè)系統(tǒng),對(duì)沿剖面5次爆破獲得的觀測(cè)資料進(jìn)行了處理和分析.在各炮用折合速度6.0km·s初至波Pg是來(lái)自結(jié)晶基底的折射波(回折波),大約在距炮點(diǎn)10km之后該震相以清晰可靠的初至波被觀測(cè)到,一般可追蹤至100km以遠(yuǎn).SP21炮Pg波的折合時(shí)間在0.15~0.30s之間,大約在40km附近有一定的變化,總體上視速度比較穩(wěn)定.在70km以內(nèi)Pg波震相初至清楚,隨距離增加仍可以比較可靠地對(duì)比追蹤,一直可追蹤至110km以遠(yuǎn)(圖3a);SP22炮西支震相初至清楚,振幅強(qiáng),可追蹤至測(cè)線末端約65km,東支可追蹤至110km(圖3b);SP23炮東、西兩支其震相特征和視速度顯示出了明顯的不同特點(diǎn),其東側(cè)到時(shí)相對(duì)滯后、震相弱、初至不清.其西側(cè)到時(shí)則相對(duì)超前、視速度穩(wěn)定,初至清楚(圖3c);SP24炮西支其折合時(shí)間為0.15~0.40s,大約在60km附近其折合時(shí)間有一定的變化,該炮Pg波震相初至清楚,振幅強(qiáng),震相可靠,一直可以被連續(xù)可靠地對(duì)比追蹤至140km(圖3d);SP25炮西支的記錄震相視速度比較穩(wěn)定,在110km以內(nèi)Pg波震相初至清楚,震相可靠(圖3e).Pc震相總體上較為連續(xù),其追蹤范圍一般為60~50km,最遠(yuǎn)可追蹤至180km.在局部地段Pc顯示出較強(qiáng)的振幅,例如SP23炮東枝70~110km;SP25炮的西支110~140km.SP24、SP25炮的Pc連續(xù)性較好,自距炮點(diǎn)70km左右可以追蹤至170km以遠(yuǎn).在其他三炮的記錄中該震相的振幅相對(duì)較弱,其追蹤范圍較短.利用Pc震相走時(shí)曲線,通過T2-X2方法得到的上地殼平均速度為5.97~6.07km·sPi波在Pc震相之后1~1.5s左右到達(dá),它是來(lái)自下地殼內(nèi)反射波.該波組能量較弱,在剖面的SP21炮東支、SP22炮東支、SP23炮西支、SP24炮西支的地震記錄截面上可以識(shí)別出.其追蹤區(qū)間一般為60~150km,最遠(yuǎn)可追蹤對(duì)比距炮點(diǎn)150km.Pm波為優(yōu)勢(shì)波組,在5炮記錄中均清晰顯示.該波組的特點(diǎn)是能量強(qiáng)、振幅穩(wěn)定,連續(xù)對(duì)比追蹤的距離遠(yuǎn),可追蹤范圍從65km至200km以遠(yuǎn).SP21、SP25兩炮的記錄,其追蹤距離達(dá)到了230km.在SP21、SP25炮和SP23炮東西兩支的觀測(cè)中,Pm波顯示不同走時(shí)曲線特征,預(yù)示炮點(diǎn)兩側(cè)具有不同地殼結(jié)構(gòu).利用該震相走時(shí)曲線,通過T2-X2方法得到的地殼平均速度為6.12~6.30km·s4二維速度模型的構(gòu)建4.1維速度結(jié)構(gòu)擬合據(jù)對(duì)上述主要震相的分析,拾取了相應(yīng)的走時(shí)數(shù)據(jù),其中Pg、Pc、Pm、Pi、Pn震相數(shù)據(jù)分別有361、157、198、109、60個(gè).通過試錯(cuò)法分別對(duì)5炮記錄分左右支進(jìn)行擬合,得到該剖面分段一維地殼結(jié)構(gòu)模型,并計(jì)算其理論走時(shí),初步檢驗(yàn)一維速度模型合理性(圖4).一維速度深度模型將用于二維初始地殼結(jié)構(gòu)模型的建立.4.2地殼初至波層析成像地殼上部速度結(jié)構(gòu)信息對(duì)于了解淺部地殼變形特征、斷裂空間展布和基底形態(tài)具有重要意義.對(duì)基底折射波進(jìn)行層析成像是獲取地殼上部精細(xì)速度結(jié)構(gòu)信息有效手段之一.為此,利用Hole有限差分走時(shí)層析成像算法(Hole,1992)對(duì)獲得的361個(gè)基底折射波Pg震相走時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像.迭代計(jì)算過程中,正演網(wǎng)格采用0.5km的間距,反演網(wǎng)格則采用1.0km的網(wǎng)格間距.初始模型運(yùn)用圖4中SP23炮西支淺部一維速度模型.經(jīng)過35次迭代反演,走時(shí)均方根誤差降至0.0562s,接近拾取誤差估計(jì)值,迭代收斂良好.剖面地殼上部速度結(jié)構(gòu)初至波層析成像結(jié)果和射線分布如圖5所示.其中射線最大穿透深度約為7km,在4.0km至地表的區(qū)域射線分布比較密集,模型大部分區(qū)域射線數(shù)達(dá)到5以上且基本均勻分布,最大的射線數(shù)約60,反演結(jié)果可靠.4.3rheny模型在對(duì)各炮點(diǎn)觀測(cè)走時(shí)一維速度結(jié)構(gòu)擬合和上地殼初至波層析成像結(jié)果基礎(chǔ)上,并考慮實(shí)際震相特征和前人在周邊區(qū)域深地震測(cè)深探測(cè)成果,設(shè)計(jì)剖面二維地殼結(jié)構(gòu)初始模型.使用SEIS83程序(Cerveny,1979;CervenyandPsencik,1984)對(duì)單炮觀測(cè)資料的深地震測(cè)深震相走時(shí)和振幅進(jìn)行正演擬合.在對(duì)初始二維模型修改過程中,采用“剝皮法”自淺而深依次對(duì)上地殼、中地殼、下地殼逐步調(diào)整模型的速度與界面深度,反復(fù)進(jìn)行理論走時(shí)計(jì)算,使模型的理論走時(shí)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)走時(shí)近乎一致,最終在一定的誤差范圍內(nèi)取得合理的速度模型(圖6).圖7、圖8、圖9分別為SP21炮、SP22炮、SP25炮相應(yīng)的射線路徑、走時(shí)擬合及理論地震圖.由圖可看出,基于二維速度模型計(jì)算得到的理論走時(shí)、各波組振幅特征與觀測(cè)記錄特征均達(dá)到較佳的擬合.5折射波pg、c界面反射波pc對(duì)比上地殼指的是自地表向下至C界面之上的層位,它受到由基底折射波Pg及C界面反射波Pc兩個(gè)地震波組信息的約束.上地殼上部由基底折射波Pg所確定的,它由兩個(gè)較強(qiáng)的速度梯度層組成,上層頂面(地表面)速度為4.90~5.30km·s5.2反射波pm/moho界面由C界面至M界面之間的層位為下地殼.除Pc震相外,它的結(jié)構(gòu)與殼內(nèi)反射波Pi和Moho界面反射波Pm有關(guān).在剖面西段的0~80km樁號(hào)區(qū)段,其下地殼內(nèi)由Ci界面將下地殼分為上下兩層.Ci界面深度為22~23.7km,東淺西深,界面形態(tài)比較平緩.界面上速度為6.21~6.23km·s5.3上地幔頂部結(jié)構(gòu)殼幔分界(莫霍面)是一級(jí)速度不連續(xù)面,界面上方速度值為6.64~6.86km·s6剖面結(jié)構(gòu)及地殼結(jié)構(gòu)通過對(duì)寧化—大田—惠安寬角深地震測(cè)深剖面的探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析解釋和研究,得到了該條剖面界面形態(tài)、地殼深部結(jié)構(gòu)特征(圖6).沿剖面二維速度結(jié)構(gòu)顯示,地殼厚度由西北向東南緩慢減薄,其西北側(cè)地殼厚約31.8km,東南側(cè)地殼厚約28.4km.這一觀測(cè)結(jié)果與已有的人工地震測(cè)深(袁學(xué)誠(chéng),1997;廖其林等,1990)和接收函數(shù)研究(袁麗文和鄭斯華,2009;黃暉等,2010;黃海波等,2014)結(jié)果相一致.該剖面結(jié)果還顯示,上地殼的厚度變化不大,厚度在16~17km左右,政和—海豐斷裂以西下地殼厚度沒有明顯變化,政和—海豐斷裂以東下地殼厚度緩慢減薄.二維速度結(jié)果表明沿剖面莫霍面向沿海逐漸抬升變化趨勢(shì),熊小松等(2009)通過對(duì)華南地區(qū)的深地震探測(cè)研究的總結(jié)和梳理,認(rèn)為該現(xiàn)象可能反映了進(jìn)入瀕太平洋構(gòu)造域以來(lái)該區(qū)域所遭受的巖石圈減薄現(xiàn)象,并在假設(shè)Niu(2005)提出了中生代大洋板塊俯沖脫水,上覆大陸巖石圈地幔楔因水化而熔融減薄的模式是正確的情況下,華南的大陸巖石圈地幔可能也經(jīng)歷了古老巖石圈地幔向年輕大洋巖石圈地幔的轉(zhuǎn)型(徐夕生,2008).剖面淺層速度(圖5)總體較高,呈東部高中西部低的特點(diǎn).其中惠安附近的高速度體對(duì)應(yīng)地表燕山期花崗巖出露區(qū),中部侏羅紀(jì)火山巖分布區(qū)沉積蓋層較厚且速度等值線較密集,意味著該區(qū)是時(shí)代較新的中-新生代沉積.剖面上地殼層內(nèi)速度為5.90~6.20km·s下地殼以政和—海豐斷裂為界,東西兩段具有明顯不同的P波速度結(jié)構(gòu),呈西段速度偏低、東段速度較高特性,且西段在上下地殼分界面下方存在一個(gè)低速層.政和—海豐斷裂為閩東燕山斷拗帶與閩西北隆起帶及閩西南拗陷帶的分區(qū)界線.在燕山活動(dòng)時(shí)期,福建陸域東部地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈斷拗,西部地區(qū)相對(duì)隆起,形成兩個(gè)面貌迥然不同的構(gòu)造和地貌單元.剖面P波速度結(jié)構(gòu)這種截然不同現(xiàn)象初步判斷是因政和—海豐斷裂形成時(shí)所帶來(lái)的地層結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈變化引起的.結(jié)合黃海波等(2014)遠(yuǎn)震接收函數(shù)研究結(jié)果,進(jìn)