面波反演苏北—南黄海盆地地壳三维S波速度结构

2023-02-13温燕林于海英方国庆

地震工程学报 2023年1期

温燕林, 于海英, 陈飞, 方国庆, 刘芳

(1. 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站, 上海 200062;2. 同济大学海洋与地球科学学院同济, 上海 200092;3. 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 安徽合肥 230026)

0 引言

黄海位于中国大陆与朝鲜半岛之间,为半封闭的内陆海。地理分布上以山东半岛成山角至朝鲜半岛的瓮津连线为北界,崇明岛至济州岛连线为南界的海域部分称为南黄海,海域面积约3×105km2。南黄海属于陆架海,平均水深46 m,从西北向东南加深,最大水深可达106 m。南黄海盆地是下扬子准地台的主体部分,属于夭亡衰退的裂谷盆地,其地壳为陆壳性质。南黄海盆地是一个在下扬子地台(元古界形成)基底上发育的中新生代裂陷盆地,呈北东向展布,按盆地内部基底起伏分为三隆两坳的构造单元,由北向南分别为:千里岩隆起、烟台坳陷、崂山隆起、青岛坳陷和勿南沙隆起五个次级构造单元(图1)。青岛坳陷往西与江苏省陆域的苏北盆地相连接。南黄海盆地与苏北盆地相连,从白垩纪开始形成统一的裂谷盆地区,总面积约180 000 km2。地球物理和钻井资料表明,南黄海盆地自古生代以来的沉积厚度达11 000 m以上,其中古近纪断陷沉积厚达6 000 m 以上,新近纪坳陷沉积厚约1 000～1 300 m[1]。从1961年开始,我国在南黄海海域持续开展了区域地质和油气地质调查,积累了大量地质地球物理资料,对南黄海的地形、地貌、沉积、断裂、岩浆岩、地壳结构、大地构造、形成演化历史和含油气性等地质状况有了基本认识,查明了该区域矿产资源和地震地质灾害的基本情况[2-3]。

图1 下扬子地台主要构造单元简图[12] Fig.1 Schematic diagram of main structural units of the Lower Yangtze Platform

在南黄海地壳深部结构和地震活动构造的研究方面,深部探测、重磁和地震反演研究都取得了大量成果。据历史资料整理分析和现代地震台网记录,其中发生在南黄海海域的震级在6～7级的强震已达15次[4-5],同时现代地震台网亦监测到该区每年有丰富的小震活动,这为开展海域地震层析成像和地震活动规律研究积累了大量资料。地震层析成像,无论是体波层析成像还是噪声面波成像,都是研究地壳不同尺度结构特征的有效方法。关于下扬子地区的地壳结构,至今已有不少用传统体波层析成像方法得到了陆上研究成果[6-9],而海域部分的研究工作较少。李志伟等[10]对黄海邻近中国一侧的部分区域进行过研究,但研究区域却未能覆盖整个南黄海海域;郝天珧等[11]对中国整个东部海域进行了层析成像研究,但他们得到的结果分辨率较低。因此,关于南黄海地区地壳三维高分辨率结构与深部发震构造的关系还需开展更多研究工作。

为了获得更好的苏北—南黄海盆地的地壳速度结构,我们利用收集到的瑞利面波相速度数据,对南黄海及邻近地区的地壳与上地幔顶部S波速度结构进行了深度反演,得到了该地区地壳新的高分辨率三维横波速度模型,探讨了苏北—南黄海盆地地质结构与地震构造的关系。

1 数据与方法

本研究收集了苏鲁—南黄海区域范围内8～40 s周期的瑞利波相速度数据,该组面波频散数据来自Shen等[13]最新的面波层析成像研究结果。该结果是利用中国多个密集台阵(CEArray,China Array,NECESS,PASSCAL,GSN)及中国周边地区(Korean Seismic Network,F-Net,KNET)总共2000多个地震台站的波形数据,对其进行背景噪声层析成像所得到的中国及邻区8～70 s的瑞利波相速度和群速度分布模型。本研究所用台站分布及射线覆盖情况如图2(a)。图2(b)为利用收集的数据得到的苏鲁—南黄海区域内10～40 s周期的瑞利波相速度水平分布。由于瑞利面波相速度对S波速度结构变化最为敏感,短周期(10～20 s)的相速度分布反映了上中地壳S波速度的平均变化情况,其低速异常区与沉积盆地的分布密切相关,高速区与隆起构造相关;中等周期(30～40 s)的相速度分布主要反映了研究区下地壳到壳幔过渡带S波速度的变化情况。这一特征在图2(b)的瑞利波相速度分布中有很好地体现。

由于瑞利波相速度反映的是地壳和上地幔结构的综合信息,要得到不同深度上的直接构造信息还需要从相速度反演出剪切波速度。反演的初始模型设置为:水平网格大小为0.5°×0.5°,深度范围为0～50 km,每2.5 km划分为一层。基于不同周期瑞利波相速度在水平面上各网格节点的频散数据,以Sun等[14]得到的中国大陆地区地壳S波速度模型作为初始速度模型。我们利用Herrmann提出的最小二乘线性反演程序Surf96反演每个网格点下方的一维S波速度结构[15],最后将所有网格点的一维速度组合起来构成苏北—南黄海盆地地壳三维S波速度模型。

2 恢复度测试

为了验证联合反演的可靠性,我们进行了模型的恢复度测试,用相似度来定量描述模型的恢复度情况。每个网格点相似度的计算公式为:

式中：DVr是反演恢复出来的速度异常；DVt是真实的速度异常。从上面公式可知,如果模型百分之百被恢复出来,则S值为1;如果恢复出来的模型与真实模型完全相反,则S值为0。即S越接近1,模型的恢复度测试越好,越接近0,模型的恢复度越差。

测试的输入模型为联合反演模型,图2为5 km、15 km、30 km深度处的模型恢复度情况。从图3可以看出,联合反演的模型分辨率在苏北—南黄海大部分区域都较好,但在构造单元边界断裂附近的分辨率较差,这是由于采用了平滑反演策略,在反演中加入了平滑正则化项约束所导致的。

3 反演结果及讨论

3.1 水平速度图像

反演成像结果的水平分层速度图像如图4所示(注:速度水平切片图中标示的深度5 km代表5～7.5 km的层速度,余下类推)。该速度模型刻画出了苏北—南黄海地区深浅构造特征,高低速异常分布与该区大地构造单元(沉积盆地、造山带、活动断层)的分布形态有很好的相关性。S波速度结构分布显示该区域地壳浅部速度分布与地表构造单元吻合较好,即低速异常区与沉积盆地分布有良好的对应性,高速区与造山带对应一致。

图2 研究区台站分布及地震射线覆盖图和下扬子区及邻区不同周期的二维瑞利波相速度分布图Fig.2 Distribution of stations and seismic ray coverage map in the study area and phase velocity distribution map of two-dimensional Rayleigh wave in different periods in the lower Yangtze region and adjacent areas

深度5 km以上S波速度主要受地貌和浅层沉积物影响,仅在苏北平原和东海陆架边缘表现为低速异常,这也反映了新生界沉积物的分布。在胶东半岛和朝鲜半岛表现为高速区,这与该区山区地貌特征一致。

从10 km深度水平切片的地震波速度分布所反映的上地壳速度结构特征来看,苏北—南黄海沉积盆地表现为一个低速异常区,S波波速小于3.5 km/s,变化平缓;S波速度为3.6 km/s的高速异常中心区与苏鲁造山带的超高压变质区分布范围基本吻合,苏胶—临津造山带存在明显的高速异常分布。

图3 不同深度反演成像的恢复度测试Fig.3 Recoverability test of seismic inversion imaging at different depths

15 km层速度图的低速分布区清晰刻画出了苏北—南黄海沉积盆地的基底范围,即以响水—千里岩断裂为北界,舟山—济州岛隆起为南界,东界为朝鲜半岛西缘断裂带,西界大致到高邮湖—洪泽湖一线。从10～15 km深度(中地壳)的速度分布图中明显可看出,苏鲁造山带与南黄海盆地边界断裂带(响水—千里岩断裂)两侧存在明显速度差异,这证实了扬子地块与华北地块在此带发生接触碰撞形成千里岩隆起。据郝天珧等(2003)的研究结果可知,在黄海有一条南北向的朝鲜半岛西缘断裂带(南黄海东缘断裂带),这是黄海中一条重要的断裂带,北端起自西朝鲜湾,向南至大黑山群岛附近海域后略向西偏,南端可达33°N附近。该断裂带在36°～37°N附近有所错动,断裂表现出右行走滑的特点。据我们反演成像结果图可证实上述黄海东部断裂的存在,走向由NNW转向SW,止于济州岛南缘断裂。黄海东缘断裂带是扬子块体向中朝块体俯冲嵌入过程中形成的,深达上地幔,为扬子块体的东边界带。面波速度成像为该分界带位置提供了较好的约束。

从20～25 km深度所反映的中下地壳S波速度结构特征来看,南黄海地区的S波波速为3.6～3.9 km/s,接近于正常中地壳波速,但高低速异常分布复杂,极低异常波速主要集中在南黄海盆地北部坳陷和南部坳陷。苏北—南黄海盆地低速异常区与南黄海地震活动分布区完全吻合,该区强震(包括1846年7级,1852年6.5级,1846—1853年6次6～7级强震,1910年6.7级,1921年6.5级,1984年6.2、6.4级等[4])发生在该低速区内部或其边缘位置(120°～123°E,32°～34°N)。

30～35 km深度是玄武岩质壳幔过渡带,从速度变化可以看出该区莫霍面略有起伏——以舟山—济州岛隆起为界,东南侧的东海陆架地区莫霍面比西北侧的苏鲁—南黄海地区莫霍面埋深较浅。舟山-济州岛隆起构造带上的江绍断裂带作为南黄海盆地与东海陆架盆地的分界断裂,两侧的地壳速度结构存在明显差异,表明这两个构造单元的地壳结构具有不同的物质组成,这是经由不同的深部地质演化过程形成的。下扬子块体与华南块体边界两侧速度在莫霍面附近(30～35 km)呈现出明显差异,反映了不同构造块体的形成和组成上的差别。

40 km的水平速度切片显示,研究区莫霍面以下显著的低速异常仅限于郯庐断裂带附近,表明深部地幔熔融物质沿该断裂带向上运移至此深度。郯庐断裂带是华北克拉通与下扬子块体的边界断裂,深部低速异常也证明郯庐断裂带切穿了地壳,是一条超壳深大断裂带。

3.2 垂向速度剖面

沿着纬向在研究区域深度方向切出31°N、33°N、36°N三条垂直速度剖面。从图5可以看出南黄海盆地的沉积基底埋深及起伏,基底最深已达15 km以下。苏北—南黄海的中上地壳内存在一显著的较两侧速度低的S波速异常体,位于地壳中10～20 km深度,最大厚度约10 km,延伸长度超400 km,相比上覆和下伏地壳物质其最大速度差异约为0.3 km/s,低速层厚度最大和低速异常幅度最大处均在南黄海南部坳陷地区。由于S波对流体和热物质敏感,推测低速层是深部物质部分熔融造成的(呈韧性)。

3.3 讨论

2021年11月17日江苏盐城近海的南黄海区域(33.50°N,121.19°E)发生了M5.0地震,我们采用基于体波和面波波形的“裁剪-粘贴”(CAP)方法反演了此次地震的震源机制解和最佳矩心震源深度。反演结果表明最佳震源深度为12.7 km,正好处于该区低速层顶部。这再次证明,中强地震常常发生在地壳内低速层边界附近,与前人研究结论一致[16-19]。

图4 面波反演的苏北—南黄海地壳不同深度vS切片Fig.4 vS slices at different depths of Northern Jiangsu-South Yellow Sea from surface wave inversion

图5 沿着纬度31°、33°、36°方向的南黄海vS结构模型剖面图(红线为莫霍面)Fig.5 Three vS profiles along the direction of 31°N,33°N,36°N from the vS model of South Yellow Sea

图6 2021-11-17南黄海地区(盐城近海)M5.0地震CAP反演结果Fig.6 Inversion results of 2021-11-17 M5.0 earthquake in South Yellow Sea area using CAP method

南黄海的中上地壳内存在显著的低速层,其范围与苏北—南黄海盆地基本一致,低速层厚度最大处位于南黄海南部坳陷地区,这与南黄海历史强震集中分布区(图7)非常一致。往两侧低速层厚逐渐减薄幅度降低,地震强度和活动性也减弱。这说明地壳内存在的低速层与浅源强震的孕育发生密切相关。

研究发现,南黄海盆地、华北盆地、柴达木盆地、鄂尔多斯地台周缘断陷盆地等中新生代盆地中地壳中均存在低速高导层,而四川盆地、江汉盆地内地壳不存在低速层[17-21]。地震活动表明,下扬子克拉通上的南黄海盆地内强震较多较强,而中上扬子克拉通内的四川、江汉盆地内则几无强震发生。这也表明强震孕育和发生的深部环境与地壳中存在低速层密切相关。众多研究表明,低速层本身为无震的韧性层,强震大多发生在高低速异常体的过渡带(脆-韧转换边界)[22-24]。高低速交界带往往是介质非均匀性和物性变化大的地方,是构造应力的集中处,强震将首先在这些相对脆弱的部位发生初始破裂。地壳低速层可能是深部物质部分熔融形成的,这使得该处地壳内介质富含流体,流体的存在又导致附近断层强度弱化,使其容易活动。因此在区域构造应力的作用下更易在低速区发生地震。