華南及南海北部地區(qū)瑞利面波層析成像

王敏玲， 陳赟， 梁曉峰， 徐逸鶴，范宇婷， 徐滕吉文

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室， 北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 中國海洋石油總公司， 北京 100010

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華南及南海北部地區(qū)瑞利面波層析成像

1 中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化國家重點實驗室， 北京 100029 2 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049 3 中國海洋石油總公司， 北京 100010

基于華南及周邊地區(qū)106個寬頻帶地震臺站多年記錄的MS≥5.0中淺源地震事件，開展瑞利面波層析成像和速度結(jié)構(gòu)特征研究，獲得了華南大陸及南海北部地區(qū)10～100 s瑞利波群速度分布圖像和典型剖面下方地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)，為理解該地區(qū)構(gòu)造演化和深部過程提供約束.考慮到實際地震射線的覆蓋情況以及華南地區(qū)主要構(gòu)造的主體展布特征，本文同時采用傳統(tǒng)的規(guī)則網(wǎng)格剖分和平行主要構(gòu)造走向的非規(guī)則網(wǎng)格剖分方法，分別進行分格頻散反演，開展了不同參數(shù)化方案對反演結(jié)果影響的對比分析研究.基于瑞利面波層析成像結(jié)果，進行了典型剖面橫波速度結(jié)構(gòu)反演，重建了華南地區(qū)由內(nèi)陸至南海海域主要構(gòu)造單元的殼幔橫波速度結(jié)構(gòu).研究結(jié)果表明,揚子和華夏塊體地殼上地幔結(jié)構(gòu)特征差異顯著，揚子塊體地殼和巖石圈厚度均大于華夏地塊，且揚子塊體上地幔頂部速度較華夏塊體低，巖石圈厚度在雪峰山造山帶下方發(fā)生過渡和轉(zhuǎn)換；南海北部陸緣和南海海盆上地幔速度較高且形態(tài)相對完整，表現(xiàn)為非火山型大陸邊緣和已停止擴張海盆的殼幔結(jié)構(gòu)特征.

面波層析成像； 非規(guī)則參數(shù)化； 地殼和上地幔結(jié)構(gòu)； 雪峰山造山帶； 華南； 南海

1 引言

華南地區(qū)位于歐亞大陸東南部，北以秦嶺—蘇魯—大別造山帶為界與華北克拉通分隔，南以哀牢山—松馬縫合帶與印支塊體分隔，西以龍門山斷裂與松潘—甘孜塊體相鄰，東南臨太平洋，主體由揚子和華夏兩個地塊組成(張國偉等, 2013)(圖1).新元古代早期(約900 Ma)，揚子和華夏地塊完成了兩個古陸的拼合，最終拼貼成現(xiàn)在的華南大陸(Chu et al., 2012).華南地區(qū)在早前寒武紀(jì)多塊體構(gòu)造演化的基礎(chǔ)上，自中、新元古代以來，長期處于全球超大陸聚散與南北大陸離散拼合的交接轉(zhuǎn)換地帶；在現(xiàn)代全球板塊構(gòu)造演化格局中，自中新生代以來該區(qū)處在全球現(xiàn)今三大重要板塊的匯聚拼合部位，遭遇到太平洋板塊西向俯沖、青藏高原形成，以及印-澳板塊北向差異運動的夾持(張國偉等, 2013).南海北部大陸邊緣作為歐亞大陸向海域的延伸，歷經(jīng)多幕裂陷期、區(qū)域熱沉降期和晚中新世以來的新構(gòu)造期等構(gòu)造演化階段(Taylor and Hayes, 1983).自瓊東南至臺東南發(fā)育了一系列陸緣裂陷盆地，巖石圈發(fā)生強烈拉伸，地殼厚度由大陸向海洋一側(cè)逐漸減薄(Ru and Pigott, 1986; Hayes and Nissen, 2005; 張中杰等, 2009; 2010).由于構(gòu)造演化歷史復(fù)雜，迄今對揚子和華夏地塊的西南段分界、雪峰山造山帶(或江南造山帶)的構(gòu)造屬性(Wang et al., 2003; 饒家榮等, 2012; 張國偉等, 2013; Zhao, 2015)，以及南海北部大陸邊緣的張裂類型(Ru and Pigott, 1986)等尚存在較大爭議，地震學(xué)成像結(jié)果可為上述基本科學(xué)問題提供相對可靠的深部約束.

圖1 研究區(qū)域大地構(gòu)造背景及臺站位置分布圖上角紅色方框表示研究區(qū)在東亞地區(qū)的位置.地質(zhì)構(gòu)造信息參考Zhou等(1995); Wang等(2003); Chu等(2012).A-A′為圖9所示剖面位置.紅色半圓: 華南地區(qū)區(qū)域數(shù)字地震臺站; 黃色半圓：IRIS固定地震臺站.SCB: 四川盆地; YJB: 右江盆地; QO: 秦嶺造山帶; XFS-JLO: 雪峰山—九嶺造山帶; YB: 揚子塊體; CB: 華夏塊體; PB: 菲律賓海板塊; MT: 馬尼拉海溝; RT: 琉球海溝; JSF: 江山—紹興斷裂帶; CLF: 郴州—臨武斷裂帶; CBF: 慈利—保靖斷裂; ZDF: 政和—大浦?jǐn)嗔褞? CNF: 長樂—南澳斷裂帶;RRFZ: 紅河斷裂帶; YGHB: 鶯歌海盆地; BBWB: 北部灣盆地; QDNB: 瓊東南盆地; PRMB：珠江口盆地; SWTB: 臺西南海盆;SCSB: 南海海盆.Fig.1 Topographic map showing the regional geologic features in South China and the location of the seismic stations used in this study Geological features are from Zhou et al. (1995); Wang et al. (2003); and Chu et al. (2012). The upper-right inset is a map of the East Asia where the study area is shown by a red rectangle. Line A-A′ indicates the location of the profile shown in Fig.9. Red semicircles indicate the regional digital seismic stations, and yellow semicircles indicate the IRIS seismic stations used in this study. Abbreviations: SCB, Sichuan Basin; YJB, Youjiang Basin; QO, Qinling Orogen; XFS-JLO, Xuefengshan-Jiuling Orogen; YB, Yangtze Block; CB, Cathaysia Block; PB, Philippine Block; MT, Manila Trench; RT, Ryukyu Trench; JSF, Jiangshan-Shaoxing Fault; CLF, Chenzhou-Linwu Fault; CBF, Cili-Baojing Fault; ZDF, Zhenghe-Dapu Fault; CNF, Changle-Nan′ao Fault; RRFZ, Red River Fault Zone; YGHB, Yinggehai Basin; BBWB, Beibuwan Basin; QDNB, Qiongdongnan Basin; PRMB, Pearl River Mouth Basin; SWTB, Southwest Taiwan Basin; SCSB, South China Sea Basin.

面波通常是遠(yuǎn)震記錄中能量最強的部分，其攜帶著豐富的地殼上地幔結(jié)構(gòu)信息.面波具有頻散特性，不同周期的面波具有不同的穿透深度；同時，面波可在全球任何大陸或洋底傳播，可以有效克服高山、沙漠、海域等特殊地區(qū)布設(shè)地震臺站的困難.因此，利用面波資料研究大陸和海域的殼幔速度結(jié)構(gòu)和分層特征具有獨特優(yōu)勢.迄今為止，已有眾多學(xué)者利用面波資料重建華南地區(qū)地殼上地幔結(jié)構(gòu)(劉建華等, 1996; 鄭月軍等, 2000; 滕吉文等, 2001; 朱良保等, 2002; Huang et al., 2003; Zhou et al., 2012)，這些研究工作促進和加深了我們對華南殼幔結(jié)構(gòu)及動力學(xué)過程的認(rèn)識.但由于早期地震臺站分布稀疏，且多為模擬地震記錄，可供利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)量與質(zhì)量有限；另外，基于當(dāng)時條件下的數(shù)據(jù)積累程度、科學(xué)目標(biāo)和研究區(qū)范圍、乃至不同研究結(jié)果之間均存在不同程度的差異.近年來，隨著我國區(qū)域地震臺網(wǎng)的不斷建設(shè)和完善(劉瑞豐等, 2008)，以及大量寬頻帶臨時臺陣的布設(shè)，從根本上提高了可供利用的地震資料的數(shù)量和質(zhì)量，為進一步聚焦某些基本科學(xué)問題，開展相應(yīng)的面波成像研究提供了有利條件.

為此，在綜合利用廣東、福建、臺灣和南海周邊(菲律賓、越南)固定地震臺站數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，我們開展了華南大陸及南海北部地區(qū)瑞利面波層析成像研究，通過重建典型剖面下方地殼上地幔速度結(jié)構(gòu)，為認(rèn)識和理解華南地區(qū)深部結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)造演化提供地震學(xué)依據(jù).

2 數(shù)據(jù)和方法

2.1 基本數(shù)據(jù)

本文所利用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)涉及106個寬頻帶數(shù)據(jù)地震臺站(圖1)，其中包括華南地區(qū)94個區(qū)域數(shù)字地震臺站記錄的2007年1月至2010年12月的波形數(shù)據(jù)，以及21個IRIS固定地震臺站記錄的1992年1月至2012年4月的波形數(shù)據(jù).

圖2 不同周期對應(yīng)的射線路徑數(shù)目Fig.2 Number of ray path for different periods

為了獲得信噪比較高、發(fā)育良好的面波信號，經(jīng)篩選的1421個地震事件均滿足MS≥5.0、震源深度<100 km等基本條件.研究區(qū)射線路徑覆蓋密度較高，絕大部分周期(10～80 s)射線路徑數(shù)目超過1200條，20～30 s周期對應(yīng)的射線路徑數(shù)目達到～4500條(圖2)，為研究地殼上地幔結(jié)構(gòu)提供了基本數(shù)據(jù)保障.所選事件對應(yīng)震中距范圍為500～3500 km，平均射線路徑長度約2000 km，與選定的研究區(qū)(105°E—123°E，16.5°N—30°N)尺度相當(dāng)(圖3).華南區(qū)域數(shù)字地震臺網(wǎng)所記錄到的事件，震源參數(shù)來自中國地震臺網(wǎng)中心(CDSN)發(fā)布的地震目錄；而IRIS臺站記錄到的事件，震源參數(shù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局/國家地震信息中心(USGS/NEIC)發(fā)布的地震目錄.部分周期(14 s、25 s、40 s、60 s)對應(yīng)的瑞利面波射線覆蓋情況如圖3所示.

2.2 混合路徑頻散拾取

我們采用時頻分析(FTAN)方法獲得混合路徑頻散曲線(即特定射線路徑對應(yīng)的、不同周期面波的傳播速度).具體利用美國圣路易斯大學(xué)Herrmann(2002)教授開發(fā)的地震學(xué)代碼(CPS)中包含的時頻分析軟件(DO_MFT)逐一進行每條路徑群速度頻散曲線拾取.圖4展示的是廣州臺(GZH)記錄的某個遠(yuǎn)震事件對應(yīng)的基階瑞利波群速度頻散曲線.

2.3 純路徑頻散反演

如果把研究區(qū)分成具有一定幾何形狀的網(wǎng)格單元，則面波路徑是由地震射線在一系列網(wǎng)格單元內(nèi)的截距組成，分格頻散反演的目的就是由混合路徑頻散反演獲得每個網(wǎng)格單元的頻散，即純路徑頻散.本文利用基于阻尼最小二乘算法的分格頻散反演方法進行瑞利波群速度層析成像(Chen et al., 2010).考慮到各周期射線覆蓋的總體情況，并通過檢測板測試，選定1.5°×1.5°作為網(wǎng)格劃分的單元尺寸；阻尼因子為0.3左右，迭代收斂殘差小于0.01 km·s-1.

3 不同網(wǎng)格劃分方法的影響

分格頻散反演過程中，一般采用平行于地球經(jīng)緯線的方式將研究區(qū)劃分為均勻大小的網(wǎng)格單元；還可根據(jù)地震射線對不同網(wǎng)格單元的實際覆蓋情況，進一步對射線覆蓋稀疏的相鄰網(wǎng)格單元進行合并，以保證網(wǎng)格單元內(nèi)部的射線覆蓋密度，從而保證反演結(jié)果的可靠性.平行經(jīng)緯網(wǎng)的規(guī)則網(wǎng)格劃分方法，與地球經(jīng)緯度坐標(biāo)系保持一致，可以帶來諸多計算和處理上的方便；但在實際數(shù)據(jù)處理過程中，可能因為人為對研究區(qū)的大尺度均勻分格，造成不同塊體速度和結(jié)構(gòu)特征差異上的人為平均.這種參數(shù)化過程中人為引入的平均效應(yīng)在重要的塊體邊界或塊體內(nèi)部主要構(gòu)造分界部位影響會更加明顯.在先驗地質(zhì)構(gòu)造信息的指導(dǎo)下，采用一定形式的非規(guī)則參數(shù)化方法，可以在一定程度上克服這種參數(shù)化過程中人為引入的平均效應(yīng)，從而有利于對塊體邊界或主要構(gòu)造邊界的辨識.我國華南地區(qū)，特別是華夏塊體內(nèi)部的主要構(gòu)造形跡，總體呈現(xiàn)NNE-SSW走向(圖1).為此，本文在模型參數(shù)化過程中采用兩種網(wǎng)格剖分方案，即傳統(tǒng)的平行經(jīng)緯網(wǎng)的規(guī)則網(wǎng)格、平行于NNE-SSW向主要構(gòu)造線走向的非規(guī)則網(wǎng)格(斜網(wǎng)格)，分別對研究區(qū)進行網(wǎng)格剖分；在此基礎(chǔ)上，進行了不同周期的分格頻散反演，最終獲得不同參數(shù)化方案下的瑞利波群速度圖像.

圖3 部分周期對應(yīng)的面波射線路徑覆蓋情況(白色三角代表地震臺站，黑色圓圈代表地震事件)(a)周期14 s, 3846條路徑;(b) 周期25 s, 4474條路徑;(c)周期40 s, 3737條路徑; (d)周期60 s, 2388條路徑.Fig.3 Ray-path coverage at several periods (a) 3846 paths at period of 14 s; (b) 4474 paths at period of 25 s; (c) 3737 paths at period of 40 s; (d) 2388 paths at period 60 s.

圖4 廣州臺(GZH)記錄到的某個遠(yuǎn)震事件對應(yīng)的瑞利波頻散(基階)(a)臺站-震源位置(震源位于東經(jīng)140.305°E，北緯35.579°N，震源深度為43 km，發(fā)震時間為國際標(biāo)準(zhǔn)時間2011年4月21日13∶37∶03.300，震中距為2886 km)；(b)基階瑞利波群速度頻散曲線.Fig.4 An example of the fundamental mode Rayleigh-wave group velocity measurement(a) Station-epicenter location (The earthquake location is 35.579°N, 140.305°E, and the focal depth is 43 km. The epicentral distance is 2886 km. The earthquake initiated at 13 h∶37 m∶03.300 s GMT on 21 April 2011); (b) Relative energy contour map as derived from the spectral amplitude-display obtained by the multiple filter technique. The vertical-component waveform recorded at station GZH is shown at the top.

3.1 非規(guī)則網(wǎng)格參數(shù)化方法

考慮到華南地區(qū)主要構(gòu)造的展布特征，我們采用平行于主構(gòu)造走向的模型參數(shù)化方案.為計算方便起見，只需采用坐標(biāo)變換的方法，將經(jīng)緯度坐標(biāo)系下的非規(guī)則網(wǎng)格(斜網(wǎng)格)變換為新坐標(biāo)系下的規(guī)則網(wǎng)格，在新坐標(biāo)系下進行規(guī)則網(wǎng)格反演，之后再把每個網(wǎng)格節(jié)點反變換回原坐標(biāo)系即可.

坐標(biāo)變換步驟如下：

(1)球坐標(biāo)系變換為直角坐標(biāo)系

假定A為原球坐標(biāo)系下某傾斜網(wǎng)格的中心點，(r,θ,φ)、(x,y,z)分別是A點的球坐標(biāo)和直角坐標(biāo)表示，利用公式(1)將球坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系：

(1)

(2)直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)

首先是繞z軸的旋轉(zhuǎn)，即

(2)

然后是繞y軸的旋轉(zhuǎn)，公式如下：

(3)

(3)直角坐標(biāo)系反變換為球坐標(biāo)系

將旋轉(zhuǎn)后的直角坐標(biāo)系，再變換為新的球坐標(biāo)，公式如下：

(4)

其中A″是A變換到新球坐標(biāo)系的點，(r″,θ″,φ″)、(x″,y″,z″)分別是A″的球坐標(biāo)、直角坐標(biāo)表示.假設(shè)原坐標(biāo)系下的北極點為N1(r0,0,90)，經(jīng)過上述兩次坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，得到了以N2(r0,θ0,φ0)為北極點的新的球坐標(biāo)系，在新坐標(biāo)系下原來的非規(guī)則網(wǎng)格已退化為規(guī)則網(wǎng)格.

3.2 不同網(wǎng)格參數(shù)化方法的影響

理論上，在射線覆蓋密度足夠密集、方位足夠均勻的情況下，只要網(wǎng)格單元大小合適，反演的結(jié)果并不會依賴于網(wǎng)格剖分的規(guī)則性.但在實際研究工作中，射線覆蓋往往不夠密集、射線方位也遠(yuǎn)不夠均勻；這種情況下，不同的網(wǎng)格剖分方案不僅會在形式上表現(xiàn)出網(wǎng)格單元內(nèi)部射線覆蓋密度的變化，而且也會影響到數(shù)據(jù)對模型的分辨能力.

根據(jù)地震射線對研究區(qū)的實際覆蓋情況，以及研究區(qū)本身的幾何尺度、射線路徑的長度(陳赟，2007)，采用1.5°×1.5°網(wǎng)格大小對研究區(qū)進行剖分.為了檢驗基于當(dāng)前射線覆蓋條件下，基本數(shù)據(jù)和反演方法對模型的分辨能力，進行了相應(yīng)的檢測板測試.

圖5展示了兩種不同網(wǎng)格劃分方案對應(yīng)的部分周期瑞利波射線路徑在網(wǎng)格單元內(nèi)部的覆蓋情況.從圖中可以直觀看出，華南陸緣地帶射線覆蓋密度相對較高(25 s周期單個網(wǎng)格單元覆蓋次數(shù)可平均達到～700次，50 s周期單個網(wǎng)格單元覆蓋次數(shù)可平均達到～500次)；且兩種不同的網(wǎng)格剖分方案，對單個網(wǎng)格單元射線覆蓋次數(shù)的影響并不明顯，間接反映了本文所選用網(wǎng)格單元尺寸的適用性.

圖6給出了兩種不同網(wǎng)格劃分方案對應(yīng)的檢測板測試結(jié)果(周期為40 s).所給理論模型的平均速度為3.45 km·s-1，異常幅度范圍為±7%.從圖中可以直觀看出，無論采用哪種網(wǎng)格劃分方案，整個研究區(qū)均能得到較好的分辨；但采用非規(guī)則劃分方案反演所得到的結(jié)果，在東南陸緣地帶的分辨能力更強，且具較高分辨能力的網(wǎng)格分布面積更大，基本涵蓋了整個華南陸緣地帶.上述測試結(jié)果，不僅進一步說明了本文所選用網(wǎng)格單元尺寸的適用性，也說明了采用平行主構(gòu)造線走向的網(wǎng)格劃分方案，在減小參數(shù)化過程中人為引入的平均效應(yīng)、提高主要構(gòu)造邊界分辨能力方面具有一定的實際效果.

4 華南地區(qū)群速度圖像

本文利用分格頻散反演方法計算獲得每個網(wǎng)格單元的純路徑頻散后，對同一周期面波頻散在不同網(wǎng)格單元的群速度進行插值，最終得到研究區(qū)不同周期的群速度圖像(圖7).純路徑頻散是基于混合路徑頻散直接反演得到的結(jié)果，是利用面波資料重建地球殼幔結(jié)構(gòu)的首要環(huán)節(jié)；相對后續(xù)的速度結(jié)構(gòu)反演而言，是所謂“二步法”反演中的第一步，因而具有較高的可靠性(朱良保等，2002).某一周期的群速度圖像反映的是某一深度范圍內(nèi)地球介質(zhì)物性(主要包括波速、密度)和結(jié)構(gòu)(主要包括界面)的橫向變化響應(yīng)，它所呈現(xiàn)的橫向不均勻性以及隨周期變化所呈現(xiàn)的縱向變化特征，對主要構(gòu)造邊界分布和塊體深部結(jié)構(gòu)構(gòu)造研究有著重要的參考價值.

圖5 周期為25 s、50 s的射線覆蓋密度(a,b對應(yīng)規(guī)則網(wǎng)格，c,d對應(yīng)非規(guī)則網(wǎng)格)Fig.5 Ray coverage at periods of 25 s and 50 s for Rayleigh waves propagating along the great-circle paths across the study area. At the top, maps show the hit-counts of the ray paths at periods of 25 s (a) and 50 s (b) within regular cells with size of 1.5°×1.5°. At the bottom, maps show the hit-counts at period of 25 s (c) and 50 s (d) within irregular cells.

圖6 周期40 s射線覆蓋條件下的檢測板試驗結(jié)果(左側(cè)為輸入模型，右側(cè)為反演結(jié)果; a, b對應(yīng)規(guī)則網(wǎng)格, c, d對應(yīng)非規(guī)則網(wǎng)格. 理論模型的平均速度為3.45 km·s-1，異常幅度范圍為±7%)Fig.6 Checkerboard tests performed for ray paths crossing the study area. The model is gridded by 1.5°×1.5°-size cells with ±7% velocity perturbations based on a mean velocity 3.45 km·s-1 for 40 s Rayleigh waves. At the left, maps show the initial models for regular (a) and irregular (c) cells. At the right, maps show the inverted models for regular (b) and irregular (d) cells

圖7 兩種不同參數(shù)化方案對應(yīng)的瑞利波群速度分布圖像(左列對應(yīng)規(guī)則網(wǎng)格，右列對應(yīng)傾斜網(wǎng)格)Fig.7 Rayleigh wave group velocity maps at several periods. In all cases the reference period and the mean velocity are given in the bottom-left conrner of each plot. At the left, maps indicate the group velocity inverted with regular cells. At the right, maps indicate that with irregular cells

圖8 華南地區(qū)基階瑞利面波群速度敏感核函數(shù) (圖a為華南地區(qū)平均速度模型, 圖b為敏感核函數(shù))Fig.8 Sensitivity kernels (b) of Rayleigh-wave group velocity based on the averaged velocity model (a) for South China

圖9 華南地區(qū)內(nèi)陸至海域地殼上地幔結(jié)構(gòu)特征(a)群速度; (b)橫波速度結(jié)構(gòu). 其中, A點坐標(biāo)為(107.25°E, 29.25°N);A′點坐標(biāo)為(119.25°E, 17.25°N), 具體剖面位置參見圖1. CBF: 慈利—保靖斷裂; CLF: 郴州—臨武斷裂; XFSO: 雪峰山造山帶; CM: 南海北部大陸邊緣; SCSB: 南海海盆.Moho: 殼幔邊界; LAB: 巖石層-軟流層邊界.Fig.9 The crustal and upper mantle structure along the profile A-A′ in South China(a) Group velocity; (b) Shear wave velocity. The location of the profile A-A′ is shown in Fig.1. Abbreviations: CBF, Cili-Baojing Fault; CLF, Chenzhou-Linwu Fault; XFSO, Xuefengshan orogenic belt; CM, Continental margin of South China Sea;SCSB, South China Sea Basin; Moho, Crust-Mantle boundary; LAB, Lithosphere-Asthenosphere boundary.

4.1 敏感核函數(shù)的計算

某一周期的群速度所對應(yīng)物性與結(jié)構(gòu)變化響應(yīng)的深度范圍，可以通過計算該地區(qū)的敏感核函數(shù)(sensitivity kernel)得到評估.基于華南地區(qū)的平均速度模型(圖8a所示)(黃忠賢和胥頤，2011)，本文計算了基階瑞利面波的群速度敏感核函數(shù)(如圖8b所示).由圖8b可知，不同周期面波群速度頻散對不同深度范圍的橫波速度結(jié)構(gòu)反應(yīng)敏感.就本文所利用的周期范圍(10～100 s)而言，小于40 s周期頻散即可保證對于整個地殼的良好分辨；最長周期100 s的敏感范圍可達到200 km深度，可靠分辨接近180 km深度，從而總體上可保證對華南地區(qū)地殼和巖石圈尺度結(jié)構(gòu)的較好分辨.

4.2 不同網(wǎng)格化方法對群速度圖像的影響

對比兩種不同網(wǎng)格化方法所對應(yīng)的群速度圖像(圖7)，可以發(fā)現(xiàn)不同的網(wǎng)格化方法對最終的反演結(jié)果產(chǎn)生了一定的影響.特別是中短周期圖像所對應(yīng)的海陸過渡部位，通過對比14 s周期圖像(圖7a, f)中的低速異常形態(tài)，以及25 s周期圖像(圖7b, g)中的高速異常的形態(tài)，可以發(fā)現(xiàn)兩種網(wǎng)格化方法反演的結(jié)果之間存在較明顯的差異.其中，傾斜網(wǎng)格劃分對應(yīng)的反演圖像異常的形態(tài)相對連續(xù)，且與淺表地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)較為一致.因此，對比結(jié)果表明：一方面，在本文所能利用的射線覆蓋條件下，采用平行主要構(gòu)造走向的網(wǎng)格劃分方法對反演結(jié)果能夠起到一定的改善作用；另一方面，在射線覆蓋不盡理想、網(wǎng)格劃分尺寸較大的情況下，應(yīng)當(dāng)注意不同的模型參數(shù)化方案對反演結(jié)果可能帶來的潛在影響，關(guān)于異常體形態(tài)的討論需謹(jǐn)慎對待.

4.3 群速度分布特征

短周期(14 s)瑞利波群速度圖像(圖7a, f)主要受中上地殼，尤其是沉積層的影響，反映的主要是地殼淺部的速度結(jié)構(gòu)特征.南海北部陸緣盆地(如鶯歌海盆地、北部灣盆地、珠江口盆地等)均表現(xiàn)為明顯的低速異常，四川盆地南緣也顯示為低速異常，而位于揚子塊體西南緣的右江盆地卻沒有明顯異常顯示，意味著上述顯示為明顯低速異常的陸緣盆地和陸內(nèi)盆地沉積層厚度很大，而右江盆地的沉積層厚度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這些顯示低速異常的盆地.除上述陸緣盆地外，整個陸緣地帶也整體顯示較低速度，而揚子塊體和南海海盆對應(yīng)明顯的高速異常.

中等周期(25 s)的群速度圖像(圖7b, g)主要受中下地殼橫波速度和地殼厚度的影響，其主要特征表現(xiàn)為揚子塊體低速、華夏塊體速度中等、陸緣地帶及南海海盆高速；揚子塊體內(nèi)部，西側(cè)較東側(cè)速度低.總體上體現(xiàn)了自北西向東南由內(nèi)陸向深海區(qū)過渡，不同構(gòu)造單元地殼厚度對中等周期群速度的影響特征(Huang et al., 2003；Zhou et al., 2012).

40 s周期的群速度圖像(圖7c, h)，主要受下地殼和上地幔頂部速度的影響，圖中的揚子塊體西南緣仍顯示明顯的低速，指示揚子塊體西南緣地殼厚度相對較厚，群速度響應(yīng)仍主要局限于中下地殼層次；而南海北部高速區(qū)不斷向北延伸，意味著該周期群速度響應(yīng)已來自上地幔頂部.

大于60 s周期的群速度圖像，主要受巖石圈地幔速度的影響.其中，60 s周期的圖像(圖7d, i)，大部分地區(qū)均顯示高速，尤其是南海海盆的高速仍清晰可辨; 但80 s周期的圖像(圖7e, j)，僅揚子和華夏部分地區(qū)顯示高速，意味著顯示高速的地區(qū)巖石圈厚度相對較厚.

5 華南地區(qū)殼幔結(jié)構(gòu)特征

為便于系統(tǒng)揭示華南地區(qū)內(nèi)陸-大陸邊緣-南海海盆的地殼上地幔結(jié)構(gòu)特征，本文在研究區(qū)主體部位沿北西-南東向(A-A′，如圖1所示)，依次跨揚子、華夏地塊及南海海盆截取群速度剖面(如圖9a所示)；基于迭代最小二乘反演方法(Herrmann, 2002; Chen et al., 2010)進行了速度結(jié)構(gòu)反演，獲得了沿剖面地殼上地幔橫波速度結(jié)構(gòu)(如圖9b所示).在具體反演過程中，參考CRUST 1.0(Laske et al., 2013)給定地殼初始速度模型；而上地幔初始速度模型，則參考PREM模型(Dziewonski and Anderson, 1981)給出.

沿A-A′剖面，群速度分布呈現(xiàn)明顯的層次性(如圖9a所示).自北西至南東，較低速度(<3.4 km·s-1)持續(xù)的周期長度逐漸減小，揚子塊體內(nèi)部對應(yīng)50 s，華夏塊體內(nèi)部對應(yīng)約30 s，南海海盆對應(yīng)約10 s.較高速度(>3.6 km·s-1)持續(xù)的周期長度卻呈現(xiàn)相反的變化趨勢，揚子塊體內(nèi)部對應(yīng)60～80 s，華夏塊體內(nèi)部對應(yīng)40～70 s，而在南海海盆對應(yīng)30～80 s.總體上，南海海盆對應(yīng)的群速度最高，華夏塊體次之，揚子塊體對應(yīng)的群速度最低.

與群速度分布特征相適應(yīng)，橫波速度結(jié)構(gòu)進一步揭示了不同塊體殼幔結(jié)構(gòu)特征之間的差異性.考慮到本文所拾取的群速度頻散的周期范圍以及分辨核函數(shù)所揭示的相應(yīng)分辨能力(圖8b所示)，本文顯示速度結(jié)構(gòu)剖面深度僅至200 km，且主要討論～180 km以淺的主要速度結(jié)構(gòu)特征，并依此勾勒出沿剖面地殼和巖石圈厚度變化(如圖9b所示).自北西至南東，由內(nèi)陸向深海區(qū)過渡，主要特征如下：

(1)地殼厚度減?。簱P子塊體近50 km—華夏塊體約30 km—南海海盆約15 km.

(2)巖石圈-軟流層邊界(LAB)的深度總體變淺：揚子塊體大于150 km—華夏塊體80～100 km—南海海盆90～50 km.在雪峰山造山帶(XFSO)下方，巖石圈厚度發(fā)生過渡和轉(zhuǎn)換.

(3)揚子塊體上地幔頂部速度較低，華夏塊體上地幔速度較高，南海海盆上地幔速度最高.

揚子和華夏地塊是構(gòu)成華南大陸主體的一級構(gòu)造單元.Zhao(2015)認(rèn)為，新元古代早期(825～750 Ma)，在揚子和華夏古板塊碰撞和拼合過程中，兩個古板塊之間的大洋板塊發(fā)生雙向離散俯沖，最終形成雪峰山造山帶(江南造山帶).張國偉等(2013)認(rèn)為，華南大陸構(gòu)造中最為引入注目特征之一是早古生代華南大陸東部的陸內(nèi)造山和西部克拉通的并行演化體制，而雪峰山造山帶恰恰位于這兩種體制發(fā)生過渡和轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位.揚子和華夏塊體的地殼上地幔結(jié)構(gòu)特征，特別是巖石圈/軟流層邊界(LAB)在雪峰山造山帶下方發(fā)生過渡和轉(zhuǎn)換，正是上述兩種演化體制相互作用的結(jié)果.

此外，南海北部陸緣盆地和南海海盆下方上地幔頂部速度較高，且異常形態(tài)相對完整，說明上述陸緣裂陷盆地下方不存在深部物質(zhì)上涌的跡象，張裂作用僅限于地殼淺部，體現(xiàn)了非火山型大陸邊緣和已停止擴張的洋盆的特點(Taylor and Hayes, 1983; 胥頤等, 2007; Li et al., 2009).

值得說明的是，盡管在華夏塊體及南海海盆下方還存在較明顯的高速區(qū)域，但由于本文資料對該深度結(jié)構(gòu)分辨能力有限，為避免過度解釋，故對該特征及可能的動力學(xué)意義不做解讀.

6 結(jié)論

本文基于華南及周邊地區(qū)寬頻帶數(shù)字地震臺站，開展了面波層析成像和殼幔速度結(jié)構(gòu)特征研究.根據(jù)華南地區(qū)主要構(gòu)造的走向特征，提出了一種平行主要構(gòu)造走向的模型參數(shù)化方案.對比基于兩種不同網(wǎng)格化方案獲得的華南地區(qū)瑞利波群速度成像結(jié)果，表明在本文所利用的射線覆蓋條件下，不同的模型參數(shù)化方案對總體的速度異常分布特征影響不大，但是對異常的具體形態(tài)會有影響.因此，在射線覆蓋有限、網(wǎng)格剖分尺寸較大的情況下，針對某些異常體形態(tài)的討論過程中，需考慮到不同模型參數(shù)化方案對反演結(jié)果帶來的潛在影響.

瑞利波群速度圖像及橫波速度結(jié)構(gòu)反演結(jié)果揭示了揚子、華夏、南海北部陸緣及南海海盆等典型構(gòu)造部位殼幔速度結(jié)構(gòu)與分層特征之間的差異.揚子和華夏塊體殼幔結(jié)構(gòu)特征差異顯著，揚子塊體地殼和巖石圈厚度均大于華夏地塊，揚子地塊上地幔頂部速度較低，且在雪峰山造山帶下方巖石圈厚度發(fā)生過渡和轉(zhuǎn)換；南海北部陸緣地帶和南海海盆上地幔速度較高且形態(tài)相對完整，表現(xiàn)為非火山型大陸邊緣和已停止擴張海盆的殼幔結(jié)構(gòu)特征.

致謝 感謝云南大學(xué)胡家富教授、廣東省地震局，以及IRIS數(shù)據(jù)中心在基本數(shù)據(jù)收集、整理方面提供的幫助，以及褚楊博士在華南區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景方面提供的支持和討論.感謝兩位匿名評審專家提供的建設(shè)性修改意見.

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(本文編輯 胡素芳)

Surface wave tomography for South China and the northern South China Sea area

WANG Min-Ling1,2， CHEN Yun1*， LIANG Xiao-Feng1， XU Yi-He1,2，

1StateKeyLaboratoryofLithosphericEvolution,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China3ChinaNationalOffshoreOilCorporation,Beijing100010,China

South China is located at the southeastern part of the Eurasia plate, which consists of South China Continent and South China Sea. In tectonics, it mainly includes the Yangtze and Cathaysia blocks, and the South China Sea Basin. Since the Mesoproterozoic, South China has evolved in the dynamic settings of assembly and break-up of the supercontinent, the Southern and Northern continents for a long time. During the Meso-Cenozoic, it suffered influences from the westward subduction of the Pacific plate and the uplift of the Qinghai-Tibet plateau. Due to the complicated history of its geological evolution, some fundamental questions, such as the location of the convergence boundary between Yangtze and Cathaysia blocks, the origin of the Xuefengshan Orogenic belt, and the rifting type of the northern margin of the South China Sea, etc, are still controversial. Seismic investigations can provide reliable constraints on the tectonic evolution and the deep process.We carried out a study of surface wave tomography based on seismic waveform data, which were triggered by events ofMS≥5.0 with a shallow or moderate focal depth, and recorded by 106 broadband digital stations in South China and surrounding areas. Rayleigh wave group velocity maps at periods from 10 s to 100 s were derived, and a typical profile of S-wave velocity structures, down to a depth of ～200 km, was determined.Considering the actual ray-path coverage and the major tectonic features in South China, we developed an irregular parameterization scheme with slant grid-lines paralleling to the strike of the major tectonic features based on a method of coordinate transformation, besides the traditional gridding scheme with regular gird-lines paralleling to the latitude and longitude. Using the Frequency-Time Analysis method, the group velocity dispersion was firstly measured for ray paths across the study area. And then, the pure dispersion in a grid of 1.5°×1.5° was obtained using a damped least-squares approach. The comparison of the group velocity maps, derived from the regular-gridding and slant-gridding schemes, demonstrates that gridding scheme has certain effects on the detailed shapes of the anomalies in the case of the ray-path coverage of this study.We extracted the group velocity dispersion and inverted for the S-wave velocity along a typical NW-SE trending profile, which crosses the Yangtze and Cathaysia blocks, and the South China Sea Basin progressively. Both the Rayleigh wave group velocity and the S-wave velocity sections reveal distinct differences of the crust and upper mantle among the major tectonic units in South China. From the mainland to the deep sea in South China, both the crustal and lithospheric thicknesses decrease gradually along the profile, and the lithosphere-asthenosphere boundary depth is sharply changed beneath the Xuefengshan orogenic belt. The velocity at the top of the upper mantle beneath the Cathaysia Block and South China Sea Basin is higher and more intact than that of Yangtze Block, which indicates the tectonic nature of a passive non-volcanic continental margin for the northern margin of South China Sea, and an inactive marginal basin of the South China Sea Basin.

Surface wave tomography; Irregular parameterization; Crustal and upper mantle structure; Xuefengshan orogenic belt; South China; South China Sea

10.6038/cjg20150612.

科技部973項目(2014CB440905),國家自然科學(xué)基金(41340040,41404051)和礦床地球化學(xué)國家重點實驗室(SKLODG-ZY125-01)共同資助.

王敏玲,女,在讀博士生,主要從事地震面波和體波成像研究工作.E-mail:wangml0807@gmail.com

*通訊作者 陳赟,男,副研究員,主要從事地球殼幔結(jié)構(gòu)成像與動力學(xué)研究.E-mail:yunchen@mail.iggcas.ac.cn

10.6038/cjg20150612

P315

2015-03-15，2015-04-08收修定稿

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Wang M L, Chen Y, Liang X F, et al. Surface wave tomography for South China and the northern South China Sea area.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(6):1963-1975,doi:10.6038/cjg20150612.