华南大陆东部壳幔结构的宽频带地震学探测

张永谦 , 石玉涛, 张洪双, 徐 峣 , 江国明, 韩如冰,严加永 , 张大魏

1)中国地质科学院, 北京 100037;2)中国地质调查局中国地质科学院地球深部探测中心, 北京 100037;3)中国地震局地震预测研究所地震预测重点实验室, 北京 100036; 4)中国地质科学院地质研究所, 北京 100037;5)中国地质大学(北京)地球物理与信息技术学院, 北京 100083; 6)清华大学数学科学系, 北京 100084

华南大陆位于欧亚大陆东南端, 其北侧以秦岭—大别造山带和郯庐断裂带为界与华北克拉通相邻,西侧以龙门山断裂和红河断裂为界与青藏高原相邻,东南侧濒临太平洋。华南地区是全球新元古代以来地质演化历史最复杂的地区之一, 经历了多阶段超大陆的聚合和裂解, 以及古生代、中生代复杂的碰撞和陆内造山及随后的伸展过程, 产生了陆内构造的多期复合演变和叠加复合型的构造样式, 并最终形成了现今的基本面貌(舒良树, 2012; 张岳桥等,2012; 张国伟等, 2013; 毛建仁等, 2014)。华南地区也是欧亚板块东南缘地壳生长和大陆增生最活跃的地带、陆-洋过渡带、核-幔物质和能量交换最强烈的构造带、地球上最显著的侧向不连续地区和地幔柱生长最明显的地带(谢窦克和张禹慎, 1995; 冯向阳等, 2003), 记录了地壳生长和大陆增生的几乎全部过程, 为深化及创新性认识大陆演化过程提供了天然实验场。尤其是中生代以来, 华南地区经历了从特提斯构造域向滨太平洋构造域动力体制的转换,主要大地构造格局相应地由东西向为主转变为北东向为主, 并在此过程中发育了大规模的构造变形、大面积的火成岩出露及爆发式的多金属成矿作用(图1)(舒良树, 2012; 张岳桥等, 2012; Wang et al.,2013; 毛建仁等, 2014; Shu et al., 2021; 罗凡等,2022; 严加永等, 2022)。要阐明造成华南地区现今构造与岩浆活动和成矿作用的机制与过程, 离不开对深部结构的研究, 关键在于对地壳与岩石圈尺度的深部结构及其变形与演化过程的认识。

图1 华南大陆东部地区简明地质与构造格架图(修改自张岳桥等, 2012)Fig. 1 Simplified geological and tectonic framework of the eastern part of the South China Block(modified from ZHANG et al., 2012)

宽频带地震学是开展地球深部探测的重要手段, 通过密集的流动地震台站与长期固定地震台站相结合可对典型构造区域的深部结构开展高分辨率探测, 其研究结果可在认识地球内部结构、物质组成、性质、状态和动力学过程等方面提供重要资料和科学依据, 已发展成为最重要的深部探测方法之一, 也是现代地震学发展的标志(李秋生等, 2020)。近二十年来, 我国学者们在华南地区开展了大量的深部结构宽频带地震学探测研究工作, 对理解华南地区的深部构造与动力学过程和成矿背景起到了积极的促进作用。然而, 在已有工作中, 区域性的面积工作多以中国地震台网数据为基础开展, 台站分布不均匀且较为稀疏, 限制了研究结果的空间分辨率。而流动地震台站多为线性或小区域分布, 尽管可提供更高分辨率的结果, 但多针对个别具体的科学问题, 对大区域宏观构造的讨论较少, 对于该区深部结构的整体性认识有待进一步加强。为此, 本文以华南大陆东部地区(范围为109°E以东, 33°N以南地区)为研究区, 尽可能全面地收集汇总了目前在该区已布设的宽频带流动地震台站, 并联合固定地震台站数据, 通过远震接收函数方法构建了该区的地壳厚度与 Vp/Vs比值分布模型。此外, 结合近年来其他研究成果, 对岩石圈厚度和上地幔地震波速度与各向异性特征也进行了讨论。在本文中, 我们尽量把重点放在探测工作本身和所得到的壳幔结构方面, 而减少对研究结果的讨论与解释。目的一方面是总结华南地区现有台站分布情况, 为将来在该区新布设地震探测台站时作为参考, 另一方面也简要介绍目前华南地区壳幔结构研究的现状, 希望能对后续深入研究该区的深部结构与成矿过程提供一些信息。

1 华南大陆宽频带地震台站布设情况

华南地区的宽频带地震台站主要包括中国地震局建设的中国地震台网(CSN, China Seismic Network)和各单位根据具体科研目标需要而在特定位置布设的流动地震台站两类。其中, 中国地震台网包括 300多个固定地震台站, 以宽频带观测系统为主, 部分台站为井下地震观测系统。所使用的宽频带地震计主要包括: 英国 Guralp公司生产的CMG-3ESPB(频带范围 60 s～50 Hz)和 CMG-3ESPC(频带范围 60 s～50 Hz和 120 s～50 Hz), 美国 GeoTek公司生产的 KS(频带范围 120 s～50 Hz), 北京港震仪器设备有限公司生产的 BBVS(频带范围 60 s～50 Hz和120 s～50 Hz), 武汉地震科学仪器研究院生产的 CTS-1(频带范围 120 s～50 Hz)和 JCZ-1(频带范围 360 s～20 Hz)、GL-60(频带范围 120 s～50 Hz)等。短周期地震计包括: CMG-40T(频带范围2 s～50 Hz)和北京港震仪器设备有限公司生产的FSS-3(频带范围1 s～60 Hz)等。地震数据采集器包括英国Guralp公司生产的CMG-DM、北京港震仪器设备有限公司生产的EDAS系列采集器和珠海泰德企业有限公司生产的TDE采集器等类型。

华南大陆东部地区的宽频带流动地震台站探测始于中国地震局地质研究所于 2001—2002年间在大别造山带所布设的宽频带流动地震台站探测剖面(刘启元等, 2005; Sodoudi et al., 2006), 该剖面长约500 km, 共布设34个台站, 呈近NS走向跨过大别山区, 所用仪器为 EDAS-24型数字采集器和BKD 地震计, 频带范围为 20 s～20 Hz。刘启元等(2005)和Sodoudi et al.(2006)通过P波和S波接收函数方法研究了大别山及其南北邻域的地壳几何结构,提出大别造山带地壳具有非对称且横向分块的碰撞结构, 地壳最大厚度为 42 km, 岩石圈厚度最大为72 km, 壳内存在S波低速体等特征, 并提出扬子陆块应为其与中朝陆块(华北陆块)碰撞过程中的主动地块等认识。深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe)项目(董树文等, 2010)启动后, 华南地区的宽频带地震探测进入迅速发展阶段。近十五年来,在 SinoProbe专项、地质大调查项目、国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等相关项目的支持下, 不同单位在华南地区开展了广泛的宽频带流动地震探测。我们按照台站布设单位和数据采集时间对华南地区的宽频带流动地震台站进行了统计, 概述如下:

自 2007年以来, 中国地质科学院所属研究所在华南地区开展了大量宽频带流动地震台站探测工作, 是目前在华南地区开展宽频带流动地震台站探测面积最广泛, 布设流动地震台站最多的单位。(1)在 SinoProbe项目执行期间, 中国地质科学院地质研究所于 2007—2011年间在东南沿海地带布设了2条NE走向的宽频带流动地震探测剖面(叶卓等,2013, 2014; Li et al., 2013), 其一为福建东山—三沙剖面, 其二为福建安溪—屏南剖面。每条剖面均由20个地震台站组成, 使用的地震计为 Guralp CMG-3ESP(频带范围 30 s～50 Hz)和 Guralp CMG-3T (频带范围 120 s～50 Hz), 数字采集器为RefTek-130。(2)随后, 在深部地质调查和国家自然科学基金等项目的联合支持下, 以中国地质科学院地质研究所为主导, 联合中国地质科学院地质力学研究所、中国地震局地震预测研究所、北京大学、南京大学等单位, 于 2014—2018年间在华南地区又分阶段开展了“面状+线状”相结合的大规模宽频带流动地震观测(王晓冉, 2018; 王晓冉等, 2018;韩如冰等, 2019; Ye et al., 2019; 韩如冰, 2020; 叶卓等, 2020; 曲平等, 2020; 石玉涛和高原, 2022; Han et al., 2020, 2022)。先期布设台站200个, 台站间距约 40 km, 形成对东秦岭—大别山、下扬子地块和华南褶皱带东南部的较密集覆盖。之后中国地质科学院地质研究所又补充布设台站71个, 合计271个,对华南大陆东部核心区形成了～40 km网格间距的面积性覆盖。其中包括在关键构造区带的3条线性密集台阵(韩如冰, 2020), 分别是闽西北—赣南—桂林剖面(33个台站)、跨越赣江断裂的近东西向剖面(24个台站)和跨越江南造山带的NW向剖面(22个台站)(Ye et al., 2019; 叶卓等, 2020; Han et al.,2022), 台站间距为15～20 km。使用的地震计型号包括 Guralp CMG-3ESP(频带范围 60 s～50 Hz)、Guralp CMG-3T (120 s～50 Hz)、STS-2.5(120 s～50 Hz)、Trillium120PA (120 s～100 Hz)以及 CZS-II(30 s～50 Hz)等, 数字采集器包括 Reftek-130、Q330S+、Taurus等型号。(3)中国地质科学院矿产资源研究所和地球深部探测中心布设了 3条剖面, 其一为安徽淮南—浙江安吉剖面(史大年等, 2012; Shi et al.,2013; Li et al., 2015), 该剖面于2009—2011年期间布设, 剖面跨越长江中下游成矿带, 主要目标是揭示成矿带下方的地壳岩石圈结构与成矿背景, 共布设 66个台站, 点距为～5 km, 所用设备为 Guralp CMG-3ESPCD (60 s～50 Hz)一体式地震仪。其二为江西寻乌—赣州—吉安—萍乡剖面(李秋生等,2020), 该剖面野外工作由中国地质科学院矿产资源研究所与南京大学合作开展, 于 2012—2013年期间分南、北两期各15个台站布设, 共30个台站,台站间距约 15 km, 所用设备为 Nanometrics Trillium-120p地震计和 Taurus数字采集器。其三为湖南长沙—福建莆田剖面(Zhang et al., 2021a, b; 徐峣等, 2022; 张永谦等, 2022; Xu et al., 2022), 该剖面为在国家重点研发计划“华南陆内成矿系统的深部过程与物质响应”项目支持下于2017—2019年期间布设, 共布设70个台站, 点距为～10 km, 所用设备包括 21 台 Guralp CMG-3ESPCD (60 s～50 Hz)一体式地震仪和49台Guralp CMG-3TDE(120 s～50 Hz)一体式地震仪。

2007年至 2011年期间, 南京大学在华南地区布设了2条NW向地震测线。其一为福建厦门—江西宜丰剖面(黄晖等, 2010; Huang et al., 2010; 于大勇等, 2016), 该剖面包括26个地震台; 其二为安徽阜阳—浙江台州剖面(黄晖, 2013; Huang et al., 2013,2014; 于大勇等, 2016), 由28个地震台组成。所用仪器主要由 Guralp CMG-40T三分量地震计搭配RefTek-130和RefTek-72A数字采集器组成。

2008年至 2012年期间, 中国科学院地质与地球物理研究所在华南地区布设了两条 NW 向长剖面。其一为安徽—浙江剖面(Zhao et al., 2013; Zheng et al., 2014; Wei et al., 2016; 吴珊珊等, 2018; 张耀阳等, 2019; Li et al., 2020), 该剖面于2008—2010年间完成数据采集, 共布设55个台站, 由一条主干剖面(41个台站)和东、西两条辅助剖面(各7个台站)组成, 所用仪器主要为 Guralp CMG-3ESP (30/60 s～50 Hz)和RefTek 130型数字采集器。其二为泉州—铜仁—成都—青海海南州剖面(Zhao et al., 2013;Wei et al., 2016; 张耀阳等, 2018), 该剖面于2009—2012年期间分阶段布设并完成数据采集, 长度超过2500 km, 共布设186个台站, 剖面基本沿阿尔泰—黑水—泉州地学断面布设。其中泉州—龙门山断裂段共 130个台站, 所用地震计以 Guralp CMG-3ESP(30/60 s～50 Hz)地震计为主, 少量为CMG-3T(120 s～50 Hz)地震计, 使用的数字采集器包括RefTek130和RefTek72A两种。

2012年至 2014年期间, 中国地震局地球物理勘探中心布设了江西九江—福建宁化宽频带流动地震台站(赵延娜, 2015; 赵延娜等, 2015, 2017; 檀玉娟等, 2021), 该剖面由35个地震台站组成; 随后又将该测线延长到了福建泉州, 宁化—泉州段由11个地震台站组成, 全测线共计46个台站。所用地震计包括 Guralp CMG-3ESPC(60 s～50 Hz)和 Guralp CMG-3T(120 s～50 Hz)两种类型, 使用的数据采集器型号为RefTek-130B。

2013年至今, 中国地质大学(北京)在华南地区开展了“面状+线状”相结合的宽频带流动地震观测。(1)面状台站主要于 2013—2016年间布设在长江中下游及周边地区(Jiang et al., 2013, 2015, 2021;江国明等, 2014; Ouyang et al., 2014; Li et al., 2015,2018; 张昌榕等, 2018), 共 72个流动地震台站。(2)线状台站为 2017—2020年间布设的江西崇义—福建厦门剖面(席家骥等, 2021; Zhang et al., 2021),共81个流动地震台站。使用的地震仪器设备主要为Guralp CMG-3ESPCDE(60 s～50 Hz)一体式地震仪,分体式设备中的地震计有 Guralp CMG-3ESPC(60 s～50 Hz)、 NanoMetrics Trillium120(120 s～50 Hz)、俄罗斯生产的CME-4311ND(120 s～50 Hz)等, 分别搭配使用的数字采集器为 RefTek-130,Centaur和美国生产的OSO-N等。

2013—2014年和 2017—2018年期间, 中国地质大学(武汉)在鄂西地区分两期开展了宽频带流动地震观测, 其中第一期布设28个台站, 第二期布设19个台站, 两期合计共布设47个流动台站(任凤茹等, 2020), 使用的设备主要是 NanoMetrics Trillium120(120 s～50 Hz)型号地震计和 Taurus与Centaur型号数字采集器。

表1简要总结了上述在华南地区开展的宽频带流动地震探测工作, 尽量引用正式公开发表的参考文献, 并将各台站位置标绘于图2中以便读者参考。

图2 华南大陆东部地区主要成矿带与宽频带地震台站位置图Fig. 2 Geographic locations of the metallogenic belts and broadband seismic stations in the eastern part of the South China Block

表1 华南大陆东部地区宽频带地震台站信息Table 1 Information on the broad-band seismic stations in eastern South China

2 Moho 界面起伏、地壳结构与物性变化特征

地壳作为地球最表层的圈层结构, 其结构、性质、变形等直接影响了火山、地震等活动, 也为人类提供了丰富的矿产资源。地壳速度结构与 Vp/Vs特征是地球在漫长的地质演化过程中所遗留下来的地震学痕迹, 可借此反推其演化过程的动力学机制和变形过程(Wong et al., 2011; Lü et al., 2013, 2015,2021)。针对Moho界面和地壳Vp/Vs分布特征的研究一直是地球科学界研究的重点之一, 通过地球物理方法探测研究区 Moho界面的起伏形态与地壳Vp/Vs分布特征, 则可对研究区深部地壳的岩浆活动及成矿过程提供进一步约束和探讨。

接收函数方法(Langston, 1979)是研究地壳厚度和结构的有效方法之一, 主要通过远震射线穿过接收区介质时在速度间断面处产生的转换波 Ps及相应多次波与直达P波之间的到时差来获取接收区地下介质的几何结构与物性信息。通过对接收函数进行H-κ扫描分析(Zhu and Kanamor, 2000), 可以定量获得台站附近下方的地壳厚度与地壳平均 Vp/Vs值; 对台阵的接收函数进行共转换点叠加(CCP,Common Conversion Point)成像, 可以获得台阵下方的Moho界面、岩石圈底界以及其它主要速度间断面的起伏特征; 对接收函数进行反演则可以获得地壳内部的S波速度分布情况等。在华南大陆及周边地区, 不同学者依据中国地震台网数据已开展了大量接收函数研究工作(如He et al., 2013; Li et al.,2014; Huang et al., 2015; Song et al., 2017; Guo et al.,2019; 张永谦等, 2019; 杨晓瑜和李永华, 2021;Cheng et al., 2022), 其中Guo et al.(2019)在传统接收函数 H-κ扫描的基础上加入了重力学约束, 进一步改善了H-κ扫描所得地壳厚度和Vp/Vs比值的置信区间。Wei et al.(2016)和韩如冰(2020)在中国地震台网数据的基础上加入了各自流动地震台站的数据,进一步丰富了研究成果。此外, 众多线性流动地震测线也开展了包括接收函数等方法在内的相关地震学研究(e.g. 刘启元等, 2005; Huang et al., 2010,2013, 2014; 黄晖等, 2010; 史大年等, 2012; Shi et al., 2013; Li et al., 2013, 2020; 叶卓等, 2013, 2014;Zheng et al., 2014; 赵延娜等, 2015, 2017; 吴珊珊等,2018; 张耀阳等, 2018, 2019; Ye et al., 2019; Zhang et al., 2021b, c; 张永谦等, 2022), 获得了相应研究区带的地壳厚度和 Vp/Vs比值等信息。Zhang et al.(2021a)在收集固定台站和多单位流动台站数据的基础上重构了华南地区的地壳厚度和Vp/Vs比值分布特征。在本工作中, 我们尽可能全面地收集资料, 对于能收集到原始数据的台站(主要是固定地震台站和部分流动地震测线台站), 我们采用时间域迭代反褶积方法(Ammon, 1991)计算了相应台站远震事件的接收函数并开展H-κ扫描分析以获取其地壳厚度和 Vp/Vs值; 对于未收集到原始数据的台站, 则尽可能收集已公开发表的地壳厚度和 Vp/Vs值研究结果。最后将所有台站数据汇总形成华南大陆东部地区的地壳厚度(图 3)与地壳平均 Vp/Vs值(图4)特征分布图。

从图3和图4可见, 我们所获得的地壳厚度和地壳平均Vp/Vs值分布特征与华南地区主要地质特征和前人研究结果(e.g. He et al., 2013; Li et al.,2014; Huang et al., 2015; Wei et al., 2016; Song et al.,2017; Guo et al., 2019)在整体上是一致的。总体上呈现出扬子块体厚地壳而华夏块体地壳较薄的特征,Vp/Vs值也与相应构造单元位置密切相关。相对于过去主要基于固定台站所得的结果, 本结果在有密集流动地震台站分布的区域提供了更为丰富的细节信息。从图 3可见, 研究区地壳厚度从沿海地区的28 km左右向北西方向逐渐增加, 在西部陆内的扬子块体地区的地壳厚度可超过40 km。

图3 华南大陆东部地区地壳厚度分布图(修改自Zhang et al., 2021a)Fig. 3 Distribution map of the crustal thickness in the eastern part of the South China Block(modified from Zhang et al., 2021a)

图4 华南大陆东部地区地壳整体Vp/Vs波速比分布图(修改自Zhang et al., 2021a)Fig. 4 Distribution map of the crustal bulk Vp/Vs ratio in the eastern part of the South China Block(modified from Zhang et al., 2021a)

扬子块体: 本研究区内的扬子块体包括两部分,一部分为襄樊—广济断裂(图 1中 F10)以南的中扬子地区, 一部分为郯庐断裂(图 1中 F8)以东的下扬子地区。中扬子地区以较厚的地壳(～40 km)分布特征为主, 与全球大陆地壳的平均值(41 km, Mooney,2015)相当, 仅在江汉盆地处略薄。中扬子地区的Vp/Vs比值在1.65～1.81之间变化, 平均值为1.74。下扬子地区的宽频带地震台站分布较为密集, 有 4条密集宽频带流动地震测线穿过本区, 为获得该区更高分辨率的地壳结构与物性特征提供了可能。从图3可见, 下扬子地区的地壳厚度在30～35 km之间变化, 总体上比其两侧的华北块体和江南造山带地域略薄, 沿着长江方向, 其地壳厚度分布在面积上呈现为“幔隆”特征, 在南京—芜湖一带为地壳最薄的区域。下扬子地区的 Vp/Vs比值较高, 多在1.72～1.84之间, 与呈现“幔隆”特征的壳幔结构特征相匹配。

华夏块体: 在华夏块体内部, 地壳厚度明显小于扬子块体, 且整体比较均一, 起伏较小, 在28～33 km之间变化, 平均地壳厚度在31 km左右,较之全球大陆地壳的平均厚度偏薄。整体上, 从东西方向来看, 在研究区南部(25°N 以南)地区, 地壳厚度普遍小于 30 km, 明显薄于北部地区。沿赣江断裂沿线呈现为明显的地壳减薄区域。华夏块体的平均 Vp/Vs比值为 1.72, 在东南沿海地域的 Vp/Vs较高, 与地表火成岩分布存在较好的空间相关性。

江南造山带: 江南造山带作为扬子块体与华夏块体之间的碰撞过渡带, 其地壳厚度总体呈现为由其南东侧华夏块体较薄地壳向其北西侧扬子块体较厚地壳变化的不均匀过渡带。在江南造山带内部,其地壳厚度变化也存在明显的分段性特征。在江南造山带内的几处古老地体(怀玉、樟公、九岭、桂北地体等)所处位置, 地壳厚度相对较厚, 而在其它部位则比较薄。在江南造山带的中段地域, 以九岭地体为界, 其两侧与南侧华夏块体区域构成了一处“V”形状的薄地壳区域, 西侧大致沿着湘中—江汉盆地一带分布, 东侧大致沿赣江断裂分布, 向北可至南昌盆地附近。江南造山带的Vp/Vs比值相对较低(平均～1.68), 整体上呈现为本研究区 Vp/Vs比值最低的部分, 但在其东北部的怀玉、樟公地体和北西端的桂北地体区域, Vp/Vs比值相对较高(＞1.72),其中怀玉地体处Vp/Vs比值最高可达～1.78。

3 岩石圈厚度研究

岩石圈底界(岩石圈-软流圈边界, LAB, Lithosphere-Asthenosphere-Boundary)是板块运动的主要垂向圈层单元, 其几何特征与空间形态是理解板块运动与变形、动力学机制及地球演化过程的关键。接收函数方法目前被认为是研究 LAB最可靠的方法之一, 然而在P波接收函数中来自LAB的Ps转换震相到时较晚, 常会受到来自 Moho界面和地壳内部间断面所产生的多次波的混叠干扰, 导致难以分离出可靠的LAB震相。而在S波接收函数中, 由于转换Sp波先于S波到达地震台站, 而S波的多次波均滞后于S波到达, Sp震相不会受到壳内多次波和传播路径上的介质各向异性的影响。因此, 利用Sp震相(即S波接收函数)研究岩石圈结构受其它震相干扰相对较小, 可以更有效地反映 LAB的起伏特征, 得到更为可靠的岩石圈厚度信息(Kumar et al., 2005; Yuan et al., 2006; Zhang et al., 2018)。但是,由于地震记录中的S波资料信噪比往往较差, 难以获得足够多高质量的有效接收函数, 导致目前尚未见到用大范围面积性台站的S波接收函数研究华南LAB区域性分布的报道。

近几年在华南地区布设的密集宽频带流动地震台阵在一定程度上提升了对该区岩石圈结构的认识。如大别山剖面(刘启元等, 2005)的S波接收函数研究结果(Sodoudi et al., 2006)显示大别山及其南缘扬子地区的岩石圈厚度约70 km。而在大别东侧下扬子地区的密集宽频带地震剖面(史大年等, 2012;Shi et al., 2013; Zheng et al., 2014; Ye et al., 2019)也呈现出类似的特征, 指示华夏块体东北部和下扬子地区的岩石圈厚度平均为～60 km, 在长江中下游成矿带下方则更薄, 与Moho界面上隆同步呈现出“幔隆”特征。东南沿海地带的岩石圈厚度在 60～70 km 之间(Li et al., 2013; 叶卓等, 2014)。呈NW-SE向横贯华南大陆的泉州—龙门山剖面的 S波接收函数研究(张耀阳等, 2018)则指出扬子块体四川盆地下方的岩石圈厚度最厚可达190 km, 且存在岩石圈内部间断面, 自雪峰山向东岩石圈明显减薄20～30 km, 在华夏块体内部则不足100 km。此外,基于其它多种方法, 如地震波速度结构、热结构、密度结构、热化学结构等对华南或者更大区域范围内的岩石圈厚度也开展了相关研究(e.g. An and Shi,2006; Zhou et al., 2012; Shan et al., 2014, 2016; Deng and Tesauro, 2016; Deng and Levandowski, 2018; Li et al., 2018; Yang et al., 2021)。不同方法和数据的研究结果从整体上看是一致的, 共性的认识是岩石圈的厚度变化呈现西部厚而东部薄的特征(图 5), 上扬子块体的岩石圈厚度可达 150 km以上, 而在东部华夏块体的岩石圈厚度多在 60～80 km 之间, 而雪峰山一线则为岩石圈厚度的陡变地带。这与地壳厚度变化趋势在整体上是相同的(图6)。根据地球化学和年代学研究, 华南大陆在中生代以前应以厚地壳(＞45 km)和厚岩石圈(～110～230 km)为主(Zhang et al., 2001; Zheng et al., 2015; Zhu et al., 2017), 而我们目前观测到的华南大陆东部地区地壳和岩石圈厚度分别仅为～30 km和60～80 km之间, 也就是说现今地壳和岩石圈相对于曾经至少减少了～15 km和＞40 km。岩石圈厚度自西向东的减薄与地壳厚度减薄是宏观一致的, 但其减薄量更大。由于华南大陆上地幔结构本身的复杂性和研究方法的局限性,目前仍缺乏较高分辨率的 LAB深度研究结果, 对华南地区 LAB形态的空间分布和许多关键细节仍不清楚。有待于进一步对数据进行精细处理、以及采用新方法从不同角度刻画较高可信度和分辨率的LAB形态和岩石圈地幔结构特征, 加深对华南岩石圈伸展变形机制和深部动力学过程的理解。

图5 华南大陆东部地区岩石圈厚度分布图(数据源自Yang et al., 2021)Fig. 5 Distribution map of the lithospheric thickness in the eastern part of the South China Block(data from Yang et al., 2021)

图6 华南大陆东部地区Moho界面与LAB起伏三维展布图Fig. 6 Three dimensional view of the Moho discontinuity and lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) topography in the eastern part of the South China Block

4 上地幔速度结构与各向异性

上地幔的速度结构和形变信息主要利用远震波形资料获得。远震体波层析成像结果主要反映上地幔和地幔过渡带内的速度异常信息, 远震接收函数则可提供地幔过渡带界面的形态变化信息, 而远震 SKS分量和远震各向异性层析成像结果则反映上地幔的地震波速各向异性方向和强度。

总体上, 中国东部地区的上地幔以广泛分布低速异常为主要特征(e.g. Huang and Zhao, 2006;Huang et al., 2010, 2021; Li and Vander Hilster, 2010;Tao et al., 2018; Xu et al., 2022), 与东部岩石圈减薄和拆沉的过程是可以对应的。此外, 扬子块体的上地幔速度总体要高于华夏块体, 说明华南沿海地区下方的上地幔物质比内陆地区要偏“热”和“软”,与华南东部广泛分布的多金属成矿带有一定关联。地幔过渡带(～410～660 km 深度区间)的速度异常以～27°N 为界, 其南北两侧呈现明显差异: 北侧呈现高速异常特征, 而南侧则表现为低速异常。远震 P波接收函数研究表明, 在～28°N以北, 410 km间断面较为平坦, 660 km间断面加深, 使得该区呈现为“厚”地幔过渡带形态, 反映较“冷”或相对高速物质的存在(Huang et al., 2014; Han et al., 2020); 而在～28°N以南, 410 km间断面略深, 660 km间断面平坦, 呈现“薄”地幔过渡带形态, 反映较“热”或相对低速物质的存在(Ai et al., 2007; Han et al.,2020)。这与层析成像所得结果是一致的, 多数学者认为这种地幔转换带内部的高速异常主要是由古太平洋板块俯冲作用滞留的大洋板片所引起。

地震各向异性能够直接反映地壳与上地幔形变过程。一般认为, 地震各向异性是研究岩石圈变形及其动力学特征的重要参数。中上地壳中, 定向排列的充液微裂隙形成的各向异性反映区域构造应力环境(Crampin, 1987; Boness and Zoback, 2006); 中下地壳中, 岩石中的微裂隙关闭, 富含云母和角闪石的岩石矿物的晶格优选方位支配中下地壳介质的各向异性(Frederiksen and Bostock, 2000; Liu and Niu, 2012;Ji et al., 2013); 上地幔中, 地幔物质形变导致α-橄榄岩的晶格优选方位是产生各向异性主要成因, 与板块运动和构造作用密切相关(Silver and Chan, 1991;Zhang and Karato, 1995; 王良书等, 2005; 王椿镛等,2014)。远震XKS(SKS, SKKS, PKS)分裂测量研究结果(常利军等, 2009; Zhao et al., 2013; 王椿镛等,2014; Li et al., 2018; Yang et al., 2019)表明, 华南大陆东部地区的快波偏振方向主要为 EW 向和NWW-SEE方向, 与绝对板块运动方向(NWW-SEE)较为一致。而在江南造山带地区, 其快波方向则以NE-SW方向为主, 与造山带构造走向接近。近震剪切波分裂的研究则在华南地区上地壳部分呈现出更为复杂的各向异性特征(石玉涛和高原, 2022), 但上地壳部分产生的快慢波时差在0.1 s左右, 与地幔部分各向异性的快慢波时差(～1.0 s左右)相比很小。接收函数各向异性研究显示华南块体北部中下地壳各向异性时间延迟0.2～0.6 s(刘云昌等, 2019), 明显小于上地幔介质各向异性时间延迟, 因此, 地壳介质变形产生的各向异性并不改变对上地幔各向异性来源与深部物质变形过程的认识。

除了基于地震学研究的常规方法之外, 近年来越来越多的学者在以宽频带地震学数据为主的基础上, 利用新方法或融入更多其它数据开展联合反演或综合研究与分析。如Guo et al.(2019)在接收函数研究中加入重力数据的约束, 改善了H-κ扫描的置信区间; Jiang et al.(2021)将P波各向异性层析成像应用于华南东部地区; Shan et al.(2014)和 Yang et al.(2021)利用瑞雷面波频散、大地水准面、地形、大地热流等多种参数联合反演构建华南地区的地震波速度、温度、密度和主要元素组成等多参数模型。这些新的研究为进一步理解华南大陆地区的深部结构和动力学过程以及岩浆活动和成矿作用等提供了更多参考和约束。

5 发展趋势与研究展望

华南大陆是新元古代以来全球地质演化历史最复杂的地区之一, 记录了地壳生长和大陆增生的几乎全部过程, 是深化及创新性认识大陆演化过程的天然实验场。近二十年来, 在华南大陆东部地区开展了大规模的宽频带地震台站观测, 不仅中国地震台网所属的固定地震台站更为丰富, 各科研院所和相关高校也布设了大量密集的流动宽频带地震台阵, 为深入研究华南大陆下方地壳与上地幔结构提供了良好条件。基于这些丰富的宽频带地震学数据,目前已基本刻画出地壳-岩石圈-上地幔不同深度和尺度的宏观深部结构, 为深入理解研究区的深部构造、动力学过程、岩浆活动与成矿作用提供了有效约束。然而, 在地壳与岩石圈精细结构与物性模型、分层各向异性与形变痕迹, 以及多学科深度融合与分析解释等方面仍有许多未解决的关键问题。概略提出以下几点认识:

(1)在华南大陆东部地区的宽频带地震台站目前已经较为密集。整体上已实现台站间距为～40 km的面积性覆盖, 在关键构造带骨干剖面的流动宽频带地震台站平均间距为 10～15 km, 最密集处可达5 km。未来若在该区开展新的数据采集, 已不宜继续开展大范围的“撒面式”探测工作, 而应针对具体研究目标在局部地区开展密集台阵数据采集。

(2)在地壳厚度与物质属性研究方面, 现有研究已清晰刻画华南大陆东部地区的地壳厚度与 Vp/Vs比值的宏观分布特征, 且不同研究结果一致性好。但对壳内精细结构与物性的研究尚不足, 有待于新方法的发展和对现有数据的深入挖掘, 以获得更高分辨率的壳内精细结构特征。

(3)华南大陆东部地区的岩石圈厚度与结构研究至关重要, 但目前研究程度尚较为薄弱, 有必要继续深入挖掘现有数据或在结合其他方法的基础上综合研究以获得业内广泛认可的结果。

(4)尽管目前已在华南地区开展了地球物理与地质、地球化学等不同学科的大量研究, 但对该区的动力学机制与演化过程等核心问题的认识仍存在较大争议。其根本原因一方面是由于研究区本身深部结构与动力学过程的复杂性, 另一方面也是由于不同学科之间深度融合与相互约束研究的薄弱。学科间的深度交叉与集成研究可基于不同观测现象、从不同角度认识深部结构、物性特征与物质组成,有助于从根本上回答一些深部结构与构造和动力学问题。

致谢: 中国地质科学院吕庆田研究员、史大年研究员、李秋生研究员对本工作进行了长期指导和支持。在写作过程中, 曾向中国地震局段永红研究员、张雪梅研究员、南京大学于大勇老师、中国地质大学黄荣老师等咨询与请教。良好数据的获取离不开所有野外工作人员的辛勤劳动和付出。在此特致以诚挚感谢！限于作者认识水平有限, 文中难免存在疏漏和错误之处, 欢迎大家来信指正讨论, 特别感谢！

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (Nos. 42074099,41774113 and 41574083), China Geological Survey(Nos. DD20190012 and DD20221643), and National Key Research and Development Program of China(No. 2016YFC0600201).