利用深地震反射剖面揭示峨眉山大火成岩省下地壳结构

任彦宗，卢占武，张新彦，薛帅，王光文

自然资源部深地动力学实验室，中国地质科学院地质研究所，北京 100037

0 引言

深地震反射探测技术是国际公认的探测岩石圈结构的高精度技术.自20世纪80年代以来，应用该项技术在国内外已取得诸多成果，常用于研究陆陆碰撞带深部结构、地球的动力学过程、断裂系统与地震活动以及下地壳结构与壳幔边界变化特征等等(Klemperer et al.，1985; Eaton, 2006; Gao et al.，2016; Huang et al.，2021; 刘保金等，2007; 李洪强等，2013; 张兴洲等，2015; 刘志伟等，2016; 王海燕等，2014, 2017; 卢占武等，2009, 2016; 酆少英等，2020; 王建民等，2020).深地震反射数据的野外采集方法已经非常成熟，但是在中国西部，特别是在测线地表起伏、切割剧烈，沿线深切谷的复杂地形条件下，野外的采集施工非常困难.目前主流的深地震反射是使用Sercel 428XL有缆地震仪进行数据采集，为了连通整个采集大线，在险峻高山较多的山区部署测线异常艰巨，往往不得已设计弯测线，这为数据处理带来一定的难度，并对剖面的解释造成影响.特别是在遇到测线经过大陡崖或大江地区时，连通采集大线也成为野外施工的一大难点.除此以外，在使用有缆地震仪采集地震数据过程中，常常因为某一点的采集站或是交叉站的问题，使得有缆地震仪的数据传输不完全，出现大量排列数据不完整甚至没有数据的情况.节点地震仪由于每一个仪器只与该点数据有关，不影响其他点的数据采集，便能在很大程度上解决上述有缆地震仪存在的问题.

由于节点地震仪不仅可以持续地记录地震数据，还可以兼顾被动源方法的信号.近几年，随着密集台阵技术的迅速发展，已有许多学者利用节点式的地震仪开展短周期密集台阵观测工作(Lin et al.，2013; Roux et al.，2016; Liu et al.，2017a; Wang et al.，2018; Mordret et al.，2019; Bao et al.，2019)，并采用背景噪声、接收函数等方法进行数据处理成像.如Lin等(2013)在美国长滩利用Z-land节点地震仪采集到的背景噪声数据，获得了地下1 km以下的三维剪切波速度结构，证明了节点地震仪用来进行被动源的数据观测的可行性.综上所述，在野外工作中用节点地震仪进行深反射数据采集，可以省去了大量采集大线的重量，极大减少对人力物力的需求，还可以同时采集更多可用的地震数据.因此，我们在楚雄盆地开展深地震反射剖面探测研究时，等间距地布设了节点地震仪，实验节点地震仪记录的深地震反射数据揭示楚雄盆地地壳结构.

峨眉山大火成岩省(缩写为ELIP)是我国最早被国际地学界公认的大火成岩省(何冰辉，2016)，也是近20年来被广泛关注的研究区域(Xu et al.，2007; Deng et al.，2014; Liu et al.，2017b; Yang et al.，2020).以往利用噪声成像、接收函数、宽角反射与折射等地震方法对该区域进行了大量的研究(郑晨等，2016; 张智奇等，2020; Chen et al.，2015; Xu et al.，2015; Liu et al.，2017b;Yang et al.，2020).但鉴于台站的数量及间距等问题，较多的研究结果横向分辨率大都几千米甚至几十千米，分辨率相对较低.还缺少用于地壳结构研究的高分辨率的成像结果.本研究利用常规的有缆式地震仪428XL与Zland-3C节点地震仪共同采集接收的深地震反射信息揭示了峨眉山大火成岩省内带绿汁江断裂以西的精细地壳结构.结合前人的地质研究及地球物理观测结果，简要讨论了ELIP内带下地壳变形与地幔柱之间的关系.

1 地质背景

峨眉山大火成岩省位于扬子克拉通西缘，以溢流玄武岩为主，并伴有铁镁质侵入岩和长英质侵入岩等.大量的研究表明峨眉山大火成岩省的形成时代约在259 Ma左右(Zhou et al.，2002; Zhong et al.，2011; Tang et al.，2015)，认为其成因与二叠纪晚期地幔柱作用相关(何冰辉，2016; Morgan, 1971; White et al.，1989; Coffin and Eldholm, 1994; Xu et al.，2004; Ali et al.，2005).Xu等(2004)认为峨眉山晚期二叠世玄武岩是扬子克拉通西缘一系列大规模火山喷发所形成的基性岩石侵蚀残余物.除大规模的玄武岩外，还伴有超镁铁质和镁铁质岩体(徐义刚等，2013).从区域上看，已有的研究根据中-晚二叠世碳酸盐岩组成的茅口组的侵蚀程度把ELIP分为内带、中带和外带(Xu et al.，2004, 2007; He et al.，2003, 2006).多种地球物理研究显示，ELIP内带是高剪切波速度VS、高纵波速度VP、高泊松比(VP/VS)、高密度(ρ)、高强度、低热流、高电阻率的刚性区域(张智奇等，2020; Yao et al.，2008; Deng et al.，2014; Xu et al.，2015; Chen et al., 2015; Bao et al.，2015；Li et al.，2020).诸多地震方法成像结果显示，在ELIP内带下地壳纵波速度较高，约7.1～7.6 km·s-1(Liu et al.，2001，2017b)，且这种高速下地壳体厚度在20 km左右，与火山裂谷边缘所揭示的高速下地壳的厚度相似，该火山裂谷也与大火成岩省有关(Menzies et al.，2002).

2 数据采集及处理

2.1 数据采集

该条深地震反射剖面测线位于云南省楚雄盆地北部(图1)，处于峨眉山大火成岩省的内带，测线方向为NW-SE.北西端始于大姚县新街乡附近，经新华乡，南东段经元谋县城，终止于县城外元谋—绿汁江断裂附近.测线满覆盖长度50 km，节点仪器试验段长度26 km.测线整体西北高东南低，海拔在1080～2658 m之间，地形起伏相对剧烈.

节点地震仪的试验段满足与常规检波器相同的接收条件，即埋置在相同的点位接收相同人工爆破源数据，仪器性能由表1展示.野外工作中，常规有缆式地震仪以40 m的道间距布设一串12个10 Hz检波器(型号SM-24)，试验段用到的主频5 Hz的Zland-3C节点地震仪以240 m的道间距布设，即每隔6道常规检波器，布设1个节点地震仪(图1c).两种采集前放增益均为12 dB.在激发因素方面，采用高密度硝铵炸药激发，为了获得全地壳的有效反射信息，采取了大、中、小炮结合的方式兼顾深浅层，分别以24000 m、1200 m和240 m的间距用500 kg、96 kg和36 kg的药量激发.中炮与大炮的激发井深均为30 m，小炮井深25 m.中炮和大炮采用组合井的方式激发.深地震反射剖面测线如图1a所示，红星点为大炮的位置，试验段中只含一个大炮.

2.2 数据处理

剖面沿线的地表起伏较大、地形切割剧烈，城乡间人为干扰较多.在这种复杂山地区，较难出现相对平缓的位置作为最佳激发点.斜坡的激发效果将影响向下传递的能量，以及断崖地形等多种因素，都会对地震记录的质量产生一定的影响.为了得到较高分辨率的叠加成像结果，对整体低信噪比的资料需要做到针对性的处理技术.

(1)由于研究区内浅层速度变化较为剧烈，并且部分地段高速层直接露出地表，为了解决山区地表的复杂地形及浅地表速度结构影响而产生的静校正问题，我们采用了初至层析静校正的方法获得比较精确的浅地表模型(图2)从而计算静校正量，定义的基准面为2500 m，替换速度4000 m·s-1.(2)针对节点地震仪较大的道间距，难以对该种数据做直接处理.通过对428XL记录的常规数据获得的层析静校正量用于节点地震仪的对应点位上，以提高叠加前的整体处理效果.(3)测线的高程、出露岩性以及激发因素变化都比较剧烈，资料的整体信噪比偏低，为了提高地震图像的垂直分辨率，通过去线性干扰、地表一致性反褶积、随机噪声衰减、高能干扰波压制以及固定频率(50 Hz工业干扰)压制等处理手段对预叠加过程进行噪声压制，突出有效反射波信息.从中深层反射信息来看，能量较强，低频信息丰富.通过1-4-18-22 Hz带通滤波处理后深层低频信息更加突出.通过多次迭代速度分析来试图减少由参考速度模型的偏差带来的反射向上或向下的异常弯曲.

表1 仪器基本性能参数对照表Table 1 Comparison of basic performance parameters of instruments

图2 层析静校正表层速度模型Fig.2 Surface velocity model of tomographic static correction

图3为常规Sercel 428XL记录的有缆仪器采集的原始大炮数据，对应图1中两处红星的位置.原始单炮记录图3a、3c中可以看出在双程走时11～13 s及16～18 s间局部有较强的反射，大号段因靠近元谋县城城区，干扰较多，且接收能量较弱.

2.3 节点地震数据与常规数据对比

在节点单炮记录中，图4展示了两个相对信噪比较高的单炮资料.显示为处理后的两个节点单炮记录，在深层能清楚看到反射信息，并能与图3中常规地震记录的反射信息出现的时间段和位置对应.

在两种仪器记录的大炮记录中，我们对10～18 s进行了频谱分析，均显示深层信息主频在14～17 Hz，且在8 Hz左右有相对高振幅，表明两种仪器的频谱特征相似性.在图5a中，有缆式地震仪在18 Hz及26 Hz频率出现异常高振幅，而节点地震仪对这种异常有很好的抗干扰作用.节点地震仪所记录的地震数据道间距较大，直接与40 m道间距的常规数据有一定差异.因此，我们将常规数据提取了与节点地震仪相同的道号和激发炮进行叠加，从图7两个剖面结果可以看到两种仪器所记录的数据都能很好得到有效的反射信息.都呈现出下地壳隆起的密集反射特征.将反射轴放大来看，图7c的连续性相对较弱于图7d的.这是由于节点地震仪拥有更低的主频，能够记录更完整的低频信息，最终得到的反射同相轴连续性更好.有缆式地震记录每一道由12个检波器组合接收，在叠加剖面显示节点地震仪所接收的有效信息更加完整.

3 深地震反射剖面主要特征

由节点记录的数据与有缆地震仪记录的数据共同叠加处理获得的50 km剖面如图8所示，图中在红色线段内表示两种仪器记录数据共同参与了叠加，红色线段两端为428XL单独记录地震数据叠加剖面.红色标识段外覆盖次数超70次，红色覆盖段内覆盖次数超100次.我们根据在剖面CDP号21800～22400及23100～23700段内分别计算了频谱衰减曲线(图6)，可见在11 s和16 s以及14 s和18 s处出现振幅较大的跳动.剖面中在13～18 s内存在一组较强且能够连续追踪的密集反射带，呈现由西向东逐渐变浅的趋势.至元谋—绿汁江断裂附近反射能量减弱，密集反射的顶部从西部13.0 s逐渐抬升至11.0 s处，底部从18.0 s逐渐抬升至16.0 s左右，在整个地震剖面都可追踪，这个密集反射带的顶底界面与图6中振幅增强的出现时间对应.在共深度点(CDP)21504～23100之间与23100～24000之间的反射特征不一致.在21600～23100之间浅部反射相对较弱，在深部上基本表现为近水平的密集反射.在CDP 23100～24000之间的反射整体较强，浅部也出现较多水平反射，深部呈现向上倾的连续面的密集反射区.

图3 处理前后大炮记录对比(a)和(c)为动校正后两个大炮的原始记录；(b)和(d)显示了原始记录经静校正、滤波、自动增益、去噪、地表一致性反褶积及动校正后的单炮图像.Fig.3 Comparison of large shot records before and after processing(a) and (c) show the original records of two large shot; (b) and (d) show processed single shot records. Static correction, bandpass filter, automatic gain, random noise attenuation, surface consistent deconvolution and normal moveout were applied.

图4 处理后节点地震仪记录的单炮数据Fig.4 Single shot recorded by node seismograph after processing

图5 428XL(a)与节点(b)单炮记录振幅对比Fig.5 Single shot amplitude. (a) 428XL; (b) node seismograph.

图6 振幅衰减曲线(箭头指向位置分别对应图8剖面中密集反射的顶部及底部时间)Fig.6 Amplitude attenuation curve (the arrow pointing position respectively corresponds to the top and bottom time of strong-reflection area in Fig.8)

图7 两种仪器记录地震资料叠加对比图：显示两种仪器240 m道间距时的叠加剖面(a) 显示由有缆地震仪428XL记录的地震数据; (b) 为节点地震仪记录的数据； (c)和(d) 分别为(a)和(b)局部放大图像.Fig.7 Comparison of seismic stack section recorded by two types of seismograph with the 240m trace spacing(a) shows seismic data recorded by cable seismograph 428XL, and (b) shows the data recorded by node seismograph; (c) and (d) respectively show local enlarged images of (a) and (b).

图8 峨眉山大火成岩省内带深地震反射剖面(a)及下地壳密集反射趋势(b)红色线段范围内为增加了节点地震仪数据，提高了该段剖面内的覆盖次数和精度；图(b)中紫色实线标识深部密集反射带，延伸东部虚线假设这种密集反射带的趋势.Fig.8 Deep seismic reflection profiling (a) and trend of dense reflection area (b) of ELIPThe node seismograph data is added in the red arrow range, which improves the folds and accuracy in this section; The purple solid line in (b) identifies the dense reflection zone, and the dotted line extending to the east assumes the trend of this dense reflection zone.

4 峨眉山大火成岩省密集反射下地壳

20世纪80年代末期，大量的深地震反射研究表明，下地壳体的反射体可能是在一次大事件中形成的(Bois et al.，1987)，或者这种反射性质代表了一个发生在长期或多个时期的过程.研究区包含于整个ELIP的内带，其地壳抬升与剥蚀量也是最大的(He et al.，2003).假设如Xu等(2015)DSS结果得到的内带6.3～6.5 km·s-1的平均地壳速度来计算，则出现这种密集的强反射大约从40 km深度左右开始出现(图8b)，至56.7 km左右结束.自西向东呈现逐渐变浅的趋势，东部密集反射的底部约在50 km深度处，这与Airy模型计算预测的内带地壳厚度(50～55 km)趋于一致.参考徐涛等人宽角地震资料的速度模型，则这种密集反射的刚性下地壳体的厚度在17.5 km左右.这与徐义刚等人的综合研究结果较一致(徐义刚等，2013)，在东西向50 km剖面长度中隆升幅度超过5 km.由于Xu等(2015)给出的速度结构剖面在本文深反射剖面以北1个纬度左右的位置，速度结构可能存在少许差异.

在对ELIP的研究中，前人已对多种地球物理数据做出解释，认为其形成与古地幔柱有关(Xu et al.，2004, 2007, 2015; Yang et al.，2020; Li et al.，2020; 张智奇等，2020).Xu等(2004)根据玄武岩的空间分布特点、下地壳的穹窿形状及侵蚀程度等特征用地幔柱给出了很好的解释.Xu等(2015)通过一条穿过ELIP内带、中带和外带的宽角地震剖面揭示了大火成岩省内带的局部上隆特征，并呈现出P波的高速异常，这种高速下地壳体的特征与我们深反射剖面的结果高度一致，但在深反射的精细结构中，靠近元谋—绿汁江断裂处的上隆特征更为明显，且幅度更大.值得注意的是，S波高速异常与P波高速异常有一定差异，许多学者在峨眉山大火成岩省的S波速度结构成像结果只在中上地壳显示高速异常，而在下地壳是相对低速的(郑晨等，2016; Bao et al.，2015).

对于这种强反射率的成因，包括地壳和地幔岩性的混合、韧性高应变带、变质分层、充满流体的裂缝或高孔隙率带，以及地壳底部玄武岩基的侵入(Klemperer et al.，1986).我们结合已有地球物理和地球化学的资料，通过计算密集反射下地壳的厚度和深度，将这一套密集反射的带解释为刚性物质的下地壳体，可能是来自上地幔的岩浆呈席状大范围底侵到下地壳的结果，这可能是观察到密集反射的重要原因.这与Xu等(2015)和Li等(2020)在此处的地球物理结果所呈现的下地壳体特征相一致.Xu等(2015)的宽角地震数据显示在绿汁江断裂以西存在明显的下地壳隆起和高速异常特征.Li等(2020)的电磁结果展示了ELIP核心区下方大规模的高电阻率区，即坚硬的大陆岩石圈表现.

这种高速异常和密集反射的下地壳体可能是在ELIP形成时，侵入地壳的上地幔铁镁质物质凝固造成的，对应了这种刚性物质的强反射率性质(Xu et al.，2007; Chen et al.，2015; Li et al.，2020; 张智奇等，2020).壳幔过渡带的原生岩浆结晶形成增生下地壳(Chen et al.，2015).在ELIP核心地带，地壳边缘岩石圈受到铁镁质-超铁镁质岩浆的严重改造，其高强度使得岩石圈在随后的构造事件中也得以保存下来，表现出高电阻率特征(Li et al.，2020).只有在ELIP最核心的内带地区，即这种发生大范围地幔熔融的地方，这种改造作用被大部分保留下来，使得晚新生代以来高强度的内带受到的构造事件的改造作用弱于青藏高原东南缘的其他地区.这种地幔柱模型能够很好地解释扬子地块西部地区的地壳厚度远大于东部地区的原因.当然，这些局部增厚隆升特征也与后期的区域构造活动有一定关系，如印度板块与欧亚板块碰撞、青藏高原隆升等因素的改造，在剖面中呈现为同相轴密集、连续性较差的反射特征.

5 结论

从节点地震仪与常规有缆地震仪采集获得的资料对比看，可以看到二者单炮及剖面呈现非常一致反射面貌，验证了节点地震仪在主动源数据采集中的有效性.在复杂地表的山区进行野外工作，利用节点地震仪采集深地震反射剖面数据和天然地震数据，不仅具有节省成本、布设灵活等优点，亦可同时获取主动源与被动源信息，这种技术方法将在今后的研究中得以广泛应用和迅速的发展.

本文通过深地震反射数据对ELIP内带进行了精细地壳结构成像.结果显示在ELIP内带的发现长达5 s双程走时的密集反射下地壳体，计算厚度在17.5 km左右，局部隆升幅度超5 km.这种密集反射特征与前人研究得到的高速下地壳特征相一致，代表着古地幔柱活动对岩石圈改造的残余，可能是上地幔的岩浆呈席状底侵到下地壳多个深度.青藏高原侧向的区域构造作用，推动了地壳的增厚和局部隆升.综合多种地球物理结果表明该地区是高VS和VP、高泊松比(VP/VS)、高密度(ρ)、高强度、低热流、高电阻率的刚性区域.本文也为ELIP的古地幔柱解释提供了新的途径.但本文数据有限，无法完全覆盖分辨出这种密集反射的下地壳体的面积及最大隆升高度.

致谢感谢中石化石油工程地球物理有限公司华北分公司高效的野外数据采集工作；感谢李井元工程师对数据处理提出的宝贵意见.感谢两位匿名审稿人对稿件的诚恳的意见.