重震反演中國(guó)東北地殼上地幔三維密度結(jié)構(gòu)

索奎， 張貴賓， 江國(guó)明， 徐峣

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083

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重震反演中國(guó)東北地殼上地幔三維密度結(jié)構(gòu)

索奎， 張貴賓*， 江國(guó)明， 徐峣

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 100083

本文利用重力和地震P波到時(shí)數(shù)據(jù)反演得到了中國(guó)東北地區(qū)地殼上地幔三維密度結(jié)構(gòu).與單一的重力或地震反演相比，重震反演一方面有效地克服了重力反演結(jié)果垂向分辨率低的問(wèn)題，另一方面也提高了地震反演結(jié)果的可靠性.結(jié)果顯示：中國(guó)東北地區(qū)的地殼及上地幔剩余密度異常分布與構(gòu)造單元具有明顯的相關(guān)性，造山帶對(duì)應(yīng)低密度異常，盆地對(duì)應(yīng)高密度異常；區(qū)域內(nèi)火山下方有明顯的低密度體存在，可能是由于太平洋板塊俯沖進(jìn)入上地幔并部分滯留，在滯留板塊深部脫水和軟流圈熱物質(zhì)共同作用下產(chǎn)生了上涌巖漿，噴發(fā)后形成了火山.

聯(lián)合反演； 重力數(shù)據(jù)； 地震層析成像； 密度結(jié)構(gòu)； 中國(guó)東北

1 引言

中國(guó)東北地區(qū)構(gòu)造發(fā)育，固體礦產(chǎn)和油氣資源豐富，一直以來(lái)是地學(xué)研究的熱點(diǎn)地區(qū),很多學(xué)者針對(duì)該區(qū)域做了大量研究工作.張鳳旭等利用改進(jìn)的三方向小子域?yàn)V波方法對(duì)東北地區(qū)的重力場(chǎng)進(jìn)行了研究，劃分了基本的構(gòu)造單元(張鳳旭等，2010)；杜曉娟等根據(jù)布格重力異常劃分了東北地區(qū)的三大主要重力分區(qū)(杜曉娟等，2009)；吳詠敬等利用小波多尺度分解技術(shù)對(duì)東北地區(qū)的重力場(chǎng)進(jìn)行了1至4階分解，通過(guò)對(duì)12條深斷裂的研究重新劃分了構(gòu)造分區(qū)(吳詠敬等，2012)；楊寶俊等對(duì)橫穿東北地區(qū)、寬度為100 km的滿洲里—綏芬河地學(xué)斷面做了綜合地球物理研究，討論了松遼盆地基底、莫霍面的性質(zhì)和斷面地塊的拼合過(guò)程(楊寶俊等，1996)；張風(fēng)雪等利用234個(gè)臺(tái)站的57251條遠(yuǎn)震走時(shí)數(shù)據(jù)反演得到了東北地區(qū)0～840 km深度范圍內(nèi)的P波速度結(jié)構(gòu)，討論了區(qū)域內(nèi)火山和松遼盆地的速度異常結(jié)構(gòu)情況(張風(fēng)雪等，2013)；田有等同時(shí)利用近震和遠(yuǎn)震到時(shí)數(shù)據(jù)反演得到了東北地區(qū)0～600 km深度范圍內(nèi)的P波速度結(jié)構(gòu)，研究了深部構(gòu)造模型，并討論了巖漿活動(dòng)在礦產(chǎn)和能源形成中的作用(田有等，2011)；趙大鵬等通過(guò)綜合分析全球和區(qū)域的地震層析成像結(jié)果，探討了長(zhǎng)白山火山的起源問(wèn)題(趙大鵬等，2004)；徐峣等利用地震層析成像獲得了東北地區(qū)P波三維速度結(jié)構(gòu)，研究了東北火山起源的深部機(jī)制(徐峣等，2014).這些的研究成果使人們對(duì)東北地區(qū)的構(gòu)造單元?jiǎng)澐?、地下速度結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)白山火山起源等問(wèn)題有了基本認(rèn)識(shí)，但是，目前對(duì)東北地區(qū)地殼上地幔的密度結(jié)構(gòu)研究較少，而三維密度結(jié)構(gòu)能反映地下密度分布情況，對(duì)于構(gòu)造單元的劃分、動(dòng)力學(xué)和構(gòu)造演化等研究有較大意義.僅利用重力數(shù)據(jù)反演三維密度結(jié)構(gòu)存在著垂向分辨率低的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過(guò)利用地震反演結(jié)果來(lái)提高重力反演的垂向分辨率.方劍等將S波轉(zhuǎn)換為密度作為初始模型，利用剩余重力異常反演得到了青藏高原及鄰域不同深度的三維密度結(jié)構(gòu)(方劍和許厚澤，1997)；Sun等、Paasche等和Lelièvre等研究了利用模糊C均值(Fuzzy C-Means)和其他統(tǒng)計(jì)關(guān)系將不同物性結(jié)合起來(lái)的方法，從而實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)框架內(nèi)進(jìn)行聯(lián)合反演，取得了良好的反演效果(Sun and Li，2012；Paasche and Tronicke，2007；Lelièvre et al.，2012).

本次研究區(qū)域(39°N—51°N，119°E—135°E)主要包括中國(guó)東北地區(qū)及日本海部分海域(圖1).中國(guó)東北地區(qū)是由多個(gè)微板塊拼合形成的一個(gè)復(fù)合板塊，自東向西依次為額爾古納地塊、興安地塊、松嫩地塊、張廣才嶺地塊、佳木斯地塊及興凱地塊等，南部有華北板塊及其增生帶，各個(gè)微板塊之間發(fā)育有縫合帶或俯沖帶(張興洲等，2006).東北地區(qū)北部受到蒙古—鄂霍茨克洋的南向擠壓，東部受到太平洋板塊的向西俯沖影響，經(jīng)歷過(guò)多期的構(gòu)造，區(qū)域內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造錯(cuò)綜復(fù)雜，主要構(gòu)造走向?yàn)楸睎|向和北北東向，如大興安嶺—太行山—武陵山重力梯度帶，嫩江斷裂、佳伊(佳木斯—伊通)斷裂、敦密(敦化—密山)斷裂；同時(shí)區(qū)域內(nèi)也分布有長(zhǎng)白山、鏡泊湖、五大連池和阿爾山等著名的火山以及多個(gè)盆地.

圖1 中國(guó)東北地區(qū)構(gòu)造單元示意圖(張興洲等，2006) F1蒙古—鄂霍茨克縫合帶；F2塔河—東烏珠穆沁旗斷裂帶；F3嫩江—扎賴特—賀根山拼合帶；F4嫩江—開(kāi)魯斷裂帶；F5佳木斯—伊通斷裂帶； F6牡丹江拼合帶； F7錫霍特阿林拼合帶； F8敦化—密山斷裂帶； F9錫霍特阿林中央構(gòu)造帶； F10西拉木倫—延吉縫合帶.Fig.1 Simplified tectonic map of Northeast China (Zhang et al., 2006) F1 Mongolia-Okhotsk suture zone; F2 Tahe-Dong Ujimqin fault belt; F3 Nenjiang-Zalait-Hergenshan assembly belt; F4 Nenjiang-Kailu fault belt; F5 Jiamusi-Yitong fault belt; F6 Mudanjiang assembly belt; F7 Sihkote-Alin assembly belt; F8 Dunhua-Mishan fault belt; F9 Sihkote-Alin Central tectonic belt; F10 Xar Moron-Yanji suture zone.

本文以天然地震層析成像得到的P波速度結(jié)構(gòu)為初始模型，利用去除沉積層底界和莫霍面起伏產(chǎn)生的重力場(chǎng)以及深源場(chǎng)之后的剩余布格重力異常數(shù)據(jù)，反演得到了中國(guó)東北地區(qū)的地殼上地幔三維密度結(jié)構(gòu).該結(jié)果是地震到時(shí)信息和地表重力場(chǎng)信息的綜合反映，可靠性高于單一的地震反演或重力反演.與常規(guī)利用分離不同深度重力場(chǎng)的方法反演得到密度結(jié)構(gòu)的結(jié)果相比，本文三維密度分布結(jié)果的深度信息更可靠、準(zhǔn)確，能夠更加精細(xì)地刻畫(huà)地下各種構(gòu)造的幾何形態(tài)，可以為東北地區(qū)的構(gòu)造單元?jiǎng)澐?、?dòng)力學(xué)和構(gòu)造演化等問(wèn)題的研究提供依據(jù).

2 數(shù)據(jù)與方法

本次研究使用了重力、地震相結(jié)合的反演方法，重力反演得到的是密度結(jié)果，在橫向上具有較強(qiáng)的分辨能力，而縱向分辨力較差；地震反演得到的是速度結(jié)果，縱向分辨率較高，但由于地震臺(tái)站分布和數(shù)據(jù)限制，其橫向分辨率相對(duì)較低.由于速度與密度有相關(guān)性，因而兩種反演方法結(jié)合在一起是可行的，反演結(jié)果集中了兩種方法優(yōu)勢(shì)，即較高的縱向和橫向分辨率.首先利用地震層析成像方法得到研究區(qū)域速度結(jié)構(gòu)，根據(jù)速度—密度關(guān)系式將速度轉(zhuǎn)換為密度，使用該密度結(jié)構(gòu)作為初始模型進(jìn)行三維重力反演，得到剩余密度結(jié)構(gòu)，再轉(zhuǎn)換成速度作為初始值進(jìn)行地震反演，如此循環(huán)往復(fù)，直至最后兩次三維重力反演得到的密度結(jié)構(gòu)之間的差異小于設(shè)定值為止.

2.1 地震與重力反演的關(guān)系

2.1.1 地下網(wǎng)格剖分關(guān)系

為了進(jìn)行重力和地震三維反演，需要將目標(biāo)區(qū)域地下均勻剖分為若干棱柱體，每一個(gè)棱柱體內(nèi)物性參數(shù)設(shè)為常數(shù).由于地震臺(tái)站分布及地震數(shù)據(jù)的限制，地震反演時(shí)水平方向網(wǎng)格大小為1°×1°，垂向分為9層，各層的中心深度分別為10、30、60、100、150、210、300、400 km和500 km.與地震數(shù)據(jù)相比，重力數(shù)據(jù)比例尺更大，能夠滿足更高分辨率反演的需求，因此重力三維反演時(shí)將水平方向網(wǎng)格大小設(shè)定為0.5°×0.5°，垂向剖分與地震一致，各層中心深度也相同.采用該網(wǎng)格剖分方案，既能夠達(dá)到研究所需分辨率，同時(shí)兼顧了速度和密度之間的轉(zhuǎn)換便利性，也減少了因?yàn)槎啻尾逯祹?lái)的誤差.

2.1.2 速度—密度關(guān)系

反演得到研究區(qū)域P波速度結(jié)構(gòu)后，需要利用速度-密度關(guān)系式

(1)

將P波速度轉(zhuǎn)換為密度,式中ρ表示密度，單位為g·cm-3；VP表示縱波速度，單位為km·s-1.雖然地震波傳播速度與密度密切相關(guān)，但由于地下介質(zhì)的不均勻性以及壓力、溫度等因素的影響，二者的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是一種復(fù)雜的近似關(guān)系，并且在不同的區(qū)域有不同的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式.長(zhǎng)久以來(lái)國(guó)內(nèi)外多位學(xué)者提出了各種速度-密度關(guān)系，主要分為五類：線性關(guān)系，分段線性關(guān)系，指數(shù)關(guān)系，拋物關(guān)系和多項(xiàng)式關(guān)系.

馮銳在Nafe-Drake分段線性關(guān)系的基礎(chǔ)上，根據(jù)地震波縱波速度的實(shí)測(cè)值和全國(guó)多處密度數(shù)據(jù)，擬合得到了適合中國(guó)區(qū)域的速度-密度關(guān)系式(1)(馮銳，1985)，我國(guó)學(xué)者在重震聯(lián)合反演中多采用該關(guān)系式，取得了良好的效果，本文也采用了該關(guān)系式.

2.2 地震層析成像

首先利用地震層析成像方法獲得研究區(qū)域的三維速度結(jié)構(gòu).本文采用Zhao等提出的體波走時(shí)層析成像方法(Zhao et al.，1992，1994)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以對(duì)近震和遠(yuǎn)震到時(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行反演.研究中所用到的原始數(shù)據(jù)均為P波到時(shí)數(shù)據(jù)，來(lái)源于國(guó)家數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)備份中心(鄭秀芬等，2009)和國(guó)際IRIS數(shù)據(jù)中心.數(shù)據(jù)篩選原則如下：

(1) 近震事件的震級(jí)在3級(jí)以上，且震源位于研究區(qū)域以內(nèi)；

(2) 遠(yuǎn)震事件的震級(jí)在5級(jí)以上，且震中距位于30°～90°(1°=111.2 km)范圍內(nèi)；

(3) 記錄波形數(shù)據(jù)的臺(tái)站位于研究區(qū)域范圍內(nèi)，并且保證每個(gè)臺(tái)站接收到的事件數(shù)不少于5個(gè)；

(4) 所有震源參數(shù)根據(jù)Engdahl等(Engdahl et al.，1998)提供的信息進(jìn)行校正.

數(shù)據(jù)篩選完成后，再對(duì)所用的波形資料進(jìn)行帶通濾波(0.1～1.0 Hz)，并分別利用手動(dòng)的方法和波形互相關(guān)技術(shù)拾取近震數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)震數(shù)據(jù).最終，本研究共保留了107個(gè)臺(tái)站記錄到的67個(gè)近震事件(含21個(gè)深震事件)和245個(gè)遠(yuǎn)震事件，共12429條P波到時(shí)數(shù)據(jù).其中近震數(shù)據(jù)3022條，數(shù)據(jù)精度在0.1～0.15 s之間；遠(yuǎn)震數(shù)據(jù)9407條，數(shù)據(jù)精度可達(dá)到0.01 s.

地震層析成像采用LSQR(Paige and Saunders，1982)算法進(jìn)行反演計(jì)算，最終得到了研究區(qū)域的P波速度擾動(dòng)結(jié)果.

2.3 三維重力反演

2.3.1 重力數(shù)據(jù)

本文使用的原始數(shù)據(jù)是5′×5′的布格重力異常數(shù)據(jù)(圖2a)，其包含了地下不均勻體和密度界面起伏產(chǎn)生的重力異常.由于本次研究目標(biāo)是地下0～560 km深度范圍內(nèi)密度不均勻體分布特征，因此需要去除560 km深度以下的深源重力場(chǎng)影響以及沉積底界和莫霍面兩個(gè)顯著密度差界面起伏引起的重力場(chǎng)影響.

由于無(wú)法直接從布格重力異常中準(zhǔn)確地分離出560 km深度以下的重力場(chǎng)，但可以由衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)計(jì)算得到，本文利用Carl Bowin等提出的利用點(diǎn)質(zhì)量源法建立的場(chǎng)源深度與衛(wèi)星重力位系數(shù)階數(shù)關(guān)系式(2)(Bowin et al.，1986)計(jì)算深源場(chǎng)，采用的是EGM 2008全球重力場(chǎng)模型，關(guān)系式如下：

(2)

式中，R為地球半徑，Z為場(chǎng)源深度，單位均為km，n為球諧函數(shù)階數(shù).

沉積界面和莫霍面是兩個(gè)較為明顯的密度差界面，當(dāng)界面起伏時(shí)由于形成了橫向的密度不均勻，因此在地表產(chǎn)生了重力異常.本文利用Parker提出的頻率域正演公式計(jì)算該重力異常，已知上下界面的密度差異和界面的平均深度，即可快速求出地表測(cè)得的由界面起伏引起的重力場(chǎng).本次研究使用的沉積層厚度數(shù)據(jù)從地震測(cè)深、石油勘探和地震面波等資料中獲取，莫霍面深度數(shù)據(jù)根據(jù)研究區(qū)域內(nèi)地震測(cè)深剖面整理計(jì)算得到，還參考了地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定的莫霍面深度值(馮銳等，2007).

圖2 中國(guó)東北布格重力異常(a)和剩余布格重力異常(b)Fig.2 The Bouguer gravity anomaly (a) and residual gravity anomaly (b) of Northeast China

布格重力異常去除了莫霍面和沉積界面起伏產(chǎn)生的重力場(chǎng)和深源場(chǎng)之后，得到了剩余布格重力異常(圖2b)，其反映的主要是0～560km深度范圍內(nèi)的密度異常分布情況，是本次重力反演的依據(jù).

2.3.2 反演計(jì)算

地球物理反演問(wèn)題是不適定問(wèn)題，其核心是求解奇異矩陣和病態(tài)方程，需要耗費(fèi)大量的計(jì)算資源，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)，為了縮短反演時(shí)間，本文采用了ART算法(駱循和朱介壽，1987)求解重力反演問(wèn)題.ART算法又稱代數(shù)重建法，在20世紀(jì)80年代引入到地球物理領(lǐng)域中，其基本思想是：首先把目標(biāo)區(qū)域分成規(guī)則的矩形塊體，給被重建的塊體一個(gè)初始值(任意值)，計(jì)算出每個(gè)方向上所有塊體的累加值；然后將計(jì)算的投影值殘差沿著該方向反投影回去；與此同時(shí)，不斷地對(duì)重建區(qū)域進(jìn)行校正，直到滿足需求為止.該方法最大的優(yōu)點(diǎn)是每次迭代步驟僅利用一個(gè)方向上塊體的信息，不涉及到其余塊體，因而節(jié)約了大量?jī)?nèi)存；同時(shí)由于能夠?qū)⒄`差均勻地反投影，避免了誤差集中造成的畸變.ART算法公式如式(3)所示，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定迭代終止條件：

(3)

式中，m表示待求密度，單位為g·cm-3；d表示剩余重力異常，單位為mGal；G為系數(shù)矩陣；k為迭代次數(shù)；λ為松弛因子.

圖3 三次重力反演的收斂情況Fig.3 The convergence of three times of gravity inversion

地震-重力反演計(jì)算循環(huán)進(jìn)行了三次，三次重力反演均方根誤差收斂情況如圖3所示.從圖中可以看出，三次重力反演誤差收斂穩(wěn)定且快速，表明重力反演計(jì)算使用ART算法具有良好效果.第二次重力反演誤差收斂曲線在第一次重力反演誤差收斂曲線之下，第三次曲線在第二次曲線之下，表明地震-重力反演循環(huán)計(jì)算對(duì)于重力反演結(jié)果有明顯改善，其中第二次和第三次重力反演誤差收斂曲線趨勢(shì)幾乎一致，兩次反演得到的密度結(jié)構(gòu)差異在設(shè)定值范圍之內(nèi)，因此地震重力反演循環(huán)進(jìn)行了三次，最終得到了研究區(qū)域地下三維密度結(jié)構(gòu).

3 結(jié)果與討論

反演得到了中國(guó)東北地區(qū)0～560km深度范圍內(nèi)的三維密度結(jié)構(gòu)，橫向分辨率為0.5°×0.5°，與地震層析成像結(jié)果1°×1°的分辨率相比明顯提高，各個(gè)深度的剩余密度如圖4所示.為了更好地展現(xiàn)幾個(gè)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域剩余密度的垂向變化，選取了五條不同的剖面成圖，各剖面剩余密度分布以及剖面位置如圖5所示.

3.1 盆山構(gòu)造

根據(jù)圖4顯示，總體上研究區(qū)域的剩余密度分布特征如下：(1)每個(gè)深度上的剩余密度在橫向上均有較強(qiáng)的不均勻性，說(shuō)明各個(gè)構(gòu)造單元在深部依然有差異，并沒(méi)有隨著深度的增加融合為一個(gè)整體；(2)剩余密度異常與造山帶、斷裂帶和盆地的分布(圖1)有較明顯的相關(guān)性.

根據(jù)剩余布格重力異常圖(圖2b)可知，造山帶和板塊結(jié)合部的活動(dòng)帶對(duì)應(yīng)著負(fù)剩余重力異常，除了地勢(shì)較高、地殼厚度大的原因，還可能是由于巖漿巖(低密度)的侵入引起的；而盆地等構(gòu)造單元主要對(duì)應(yīng)正剩余重力異常，推測(cè)可能是由于盆地地殼厚度較薄、深部的高密度塊體等引起的.

本次反演結(jié)果(圖4)表明，研究區(qū)域內(nèi)造山帶和板塊結(jié)合部的活動(dòng)帶主要是低密低速異常，以大興安嶺和張廣才嶺區(qū)域的300～400 km深度的低密低速異常最明顯.在淺部(10～100 km)松遼盆地對(duì)應(yīng)著較弱的高密高速異常，并且混合分布有部分的低密低速異常區(qū)域，這與前人得到的結(jié)果(張風(fēng)雪等，2013)類似，表明松遼盆地在淺部并非完整的塊體；在深部(150～500 km)松遼盆地仍是以高密高速異常為主，異常主要分布在盆地東部和北部，南部分布了部分低密低速異常；此外該深度上微板塊之間的斷裂帶與剩余密度異常分布吻合的也較好.圖4i顯示，在500 km深度低密低速異常區(qū)域和高密高速異常區(qū)域面積也較淺部增大，有些在淺部不相連的區(qū)域連在了一起，顯示出融合的趨勢(shì).

3.2 火山

東北地區(qū)長(zhǎng)白山、鏡泊湖及五大連池等火山的起源一直以來(lái)是研究熱點(diǎn)，有學(xué)者認(rèn)為該區(qū)域內(nèi)的火山與夏威夷火山類似，屬于板內(nèi)熱點(diǎn)火山(England，1983)；趙大鵬等則根據(jù)地震層析成像結(jié)果推斷長(zhǎng)白山火山的起源是太平洋板塊的深俯沖作用和滯留板塊的脫水作用，認(rèn)為長(zhǎng)白山屬于弧后板內(nèi)火山(趙大鵬等，2004).

研究結(jié)果(圖4，圖5 AA′和EE′剖面)顯示，長(zhǎng)白山及鏡泊湖火山區(qū)域下方10 ～210 km深度層段內(nèi)存在明顯的低密異常，表明該區(qū)域的巖石密度小于圍巖的密度，這可以解釋為火山下方可能由于軟流圈熱物質(zhì)上涌，存在著高溫的巖漿囊，其密度相對(duì)圍巖較低.長(zhǎng)白山正下方在300～500 km深度顯示為高密度異常，同時(shí)在長(zhǎng)白山西北方向300～500 km深度存在一個(gè)很大的低密度異常體，其與淺部(10～100 km)的低密度異常有連接，可能是淺部的低密度物質(zhì)的來(lái)源，表明長(zhǎng)白山下的熱液通道可能并非垂直的.圖5中BB′和DD′剖面均表明鏡泊湖區(qū)域下210～500 km深度范圍內(nèi)有大片的低密度異常，100 km以上則有較為顯著低速異常，應(yīng)該為熱物質(zhì)上涌.五大連池區(qū)域在0～60 km深度范圍內(nèi)顯示了較弱的高密度異常，60～300 km則為明顯低密度異常，比前人得到的低速異常(張風(fēng)雪等，2013)深度要深，與長(zhǎng)白山火山相比，五大連池火山并非深源火山.但是由于在該區(qū)域的地震臺(tái)站分布較少，射線交叉程度較差，故該區(qū)域的分辨率較低，沒(méi)有形成有效的約束，該結(jié)論尚待更多的證據(jù)證明.

根據(jù)前人得到的地震層析成像結(jié)果(徐峣等，2014)顯示，長(zhǎng)白山、鏡泊湖及五大連池火山下方600 km及以下深度顯示出明顯的高速異常，高速異常體向西水平延伸，且在600 km深度上的高速低速體交界處有深源地震發(fā)生，推測(cè)可能是由于來(lái)自太平洋板塊的高速體與圍巖摩擦導(dǎo)致的，表明太平洋板塊可能已深俯沖至東北地區(qū)火山區(qū)域下方.

綜合前人的研究成果(趙大鵬等，2004；徐峣等，2014)和本次反演結(jié)果，可認(rèn)為東北地區(qū)火山起源的動(dòng)力學(xué)機(jī)制可能是：西太平洋板塊自日本海溝俯沖進(jìn)入上地幔，到達(dá)地幔過(guò)渡帶內(nèi)轉(zhuǎn)為水平延伸并部分滯留，在滯留板塊深部脫水和軟流圈熱物質(zhì)共同作用下產(chǎn)生了上涌巖漿，噴發(fā)后形成了火山.

3.3 斷裂帶

嫩江斷裂位于興安地塊和松嫩地塊之間，大致呈北北東走向.在10～60 km范圍內(nèi)嫩江斷裂有較弱的低密度異常，在100～300 km范圍內(nèi)則是明顯的高密度異常，在400～500 km范圍內(nèi)是低密度異常.從圖5 AA′剖面中可以看出，嫩江斷裂下部的高密度異常在100～350 km.佳伊斷裂位于松嫩地塊和張廣才嶺地塊之間，是郯廬斷裂在東北的分支之一，呈北東走向.從反演結(jié)果中(圖4)可以看出，與嫩江斷裂類似，佳伊斷裂在10～60 km范圍內(nèi)有明顯的低密度異常，在100～210 km范圍內(nèi)則是明顯的高密度異常.在300～500 km范圍內(nèi)，斷裂南部顯示出了高密度異常，北部則是低密度異常，說(shuō)明佳伊斷裂在210 km以上是一個(gè)整體，在300 km以下已經(jīng)不再存在.從圖5 AA′、BB′和CC′剖面同樣可以看出，佳伊斷裂下的高密度體面積在AA′和BB′剖面通過(guò)的部分較大，在CC′剖面通過(guò)的部分則明顯變小，深度變淺.綜合前人的研究成果(張鳳旭等，2010；杜曉娟等，2009；楊寶俊等，1996；盧造勛和夏懷寬，1993；韓國(guó)卿等，2009；米曉楠等，2013)和本次的反演結(jié)果可知，嫩江斷裂和佳伊斷裂下方的淺部地層顯示為低密低速異常，而在深部則為明顯的高密高速異常.這可能是由于太平洋的俯沖作用和蒙古—鄂霍茨克洋的南向擠壓作用，造成了該地區(qū)構(gòu)造以擴(kuò)張為主，形成了向兩端擴(kuò)張的松遼盆地，同時(shí)大量物質(zhì)向兩側(cè)運(yùn)移，堆積在100～300 km深度地層內(nèi)，導(dǎo)致了以上異常分布特征.敦密斷裂整體呈北東走向，與佳伊斷裂同為郯廬斷裂的分支.該斷裂下部無(wú)明顯的異常密度體，但在10～60 km深度范圍內(nèi)分割兩側(cè)的低密度體，在100～210 km深度范圍內(nèi)分割兩側(cè)的高密度體，在300 km以下深度不再連續(xù).西拉木倫河斷裂是華北板塊和西伯利亞板塊的縫合線，大致呈東西走向，本次研究區(qū)域中包含該斷裂的東部.在10～30 km深度上無(wú)明顯特征，在60～300 km深度范圍上則能看出把嫩江斷裂與華北板塊北緣明顯地分為兩個(gè)部分，說(shuō)明該斷裂在該深度范圍內(nèi)連續(xù)存在.

圖4 中國(guó)東北地區(qū)剩余密度異常 (a)10 km；(b)30 km；(c)60 km；(d)100 km；(e)150 km；(f)210 km；(g)300 km；(h)400 km；(i)500 km.Fig.4 Density distribution of the crust and the upper mantle beneath Northeast China

圖5 剩余密度剖面及位置示意圖Fig.5 The position and density perturbation of five profiles

4 結(jié)論

本文利用重震反演的方法得到了中國(guó)東北地區(qū)地殼上地幔的密度結(jié)構(gòu)，研究了密度結(jié)構(gòu)與斷裂構(gòu)造的關(guān)系，探討了東北地區(qū)火山的起源，主要得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)重震反演方法能夠有效地克服重力反演垂向分辨率不高的問(wèn)題，由于加入了地震反演結(jié)果，先驗(yàn)信息大大增加，對(duì)三維重力反演起到了良好約束作用，有效減少了反演的非唯一性，使得反演結(jié)果更加可靠；同時(shí)由于重力信息的加入，使得地震反演結(jié)果也有較大改善，顯著地提高了橫向分辨率.

(2)東北地區(qū)的地殼及上地幔剩余密度異常分布與構(gòu)造單元具有明顯的相關(guān)性，造山帶和板塊結(jié)合處的斷裂帶主要是低密度異常，可能是由于巖漿巖的存在引起的；盆地區(qū)域的高密度異常主要是由其下方的高密度體引起的.

(3)東北地區(qū)的火山可能是由于太平洋板塊俯沖進(jìn)入上地幔并部分滯留，在滯留板塊深部脫水和軟流圈熱物質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的上涌巖漿噴發(fā)后形成的.

致謝 本次研究過(guò)程中與中國(guó)地震局地球物理研究所馮銳、王新勝就相關(guān)學(xué)術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了討論與交流，在此表示感謝.同時(shí)感謝兩位審稿專家提出的寶貴意見(jiàn).

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(本文編輯 胡素芳)

3-D density distribution of the crust and upper mantle beneath Northeast China by joint inversion of gravity and seismic data

SUO Kui, ZHANG Gui-Bin*, JIANG Guo-Ming, XU Yao

SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China

The Northeast China plate is composed of multiple micro-plates, so its geological structure is very complicated and there exist lots of fault zones. Although some investigations have been done in this area, less effort has been devoted to its three-dimensional (3-D) density structure that plays an important role in dividing tectonic unit and studying the evolution of this plate.In this study, considering the high lateral resolution of the gravity data and the vertical resolution of seismic tomography, we used both the gravity data and P-wave arrival time data to obtain the three-dimensional density structure of the crust and the upper mantle beneath the Northeast China area. We firstly obtained a 3-D P-wave velocity model at depths between 0 and 560 km by using the seismic tomography method and 12429 P-wave arrival time data. Based on the relationship between seismic velocity and density, the obtained velocity model is then converted to a density model that can be used as the initial model in the gravity inversion. Then we calculate the anomaly field generated by the lower boundary of deposition, the Moho and the deep formation. When these calculated fields are removed from the Bouguer gravity anomaly, the 5′× 5′ residual gravity anomaly field can be used to invert for the 3-D residual density distribution. The density structure is finally converted to the velocity structure that is used as the initial model for the next seismic tomography. This process is repeated for several times until the density changes are small enough. As a result, we get the distribution of residual density at 9 different depths of 10 km, 30 km, 60 km, 100 km, 150 km, 210 km, 300 km, 400 km, and 500 km.The results show that (1) the joint inversion effectively not only improves the vertical resolution of gravity inversion but also stabilizes the seismic inversion results relative to the independent inversions by using only gravity or seismic data; and (2) the distribution of residual density anomalies in the crust and the upper mantle beneath the Northeast China area seems to be correlated with the tectonic units, in which the lower density anomalies correspond well to the orogenic belts while high density anomalies are related to the basins; and (3) a distinct lower density body exists beneath the volcanoes in this study area.Due to the seismic inversion result as the prior information, the vertical resolution of the density distribution is enhanced largely. The lower density anomalies associated with the orogenic belts and faults zones may be caused by the presence of magmatic rocks, and the higher ones associated with basin may be caused by the high density geologic structures underneath. In addition, combining with other previous results, we consider that the formation of volcanoes may be closely related to the stagnant Pacific slab in the mantle transition zone beneath Northeast China.

Joint inversion; Gravity data； Seismic tomography; Density distribution； Northeast China

10.6038/cjg20150720.

國(guó)家高技術(shù)發(fā)展研究“863計(jì)劃”課題(2011AA060501)，國(guó)土資源部專項(xiàng)“深部探測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)與集成”(SinoProbe-02-05)聯(lián)合資助.

索奎，男，1987年生，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)博士研究生，主要從事地球物理反演研究.E-mail:suokui@cugb.edu.cn

*通訊作者 張貴賓，男，1958年生，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事地球物理反演、重磁電勘探等研究. E-mail:gbzhang@cugb.edu.cn

10.6038/cjg20150720

P312, P313

2015-01-09，2015-03-11收修定稿

索奎， 張貴賓， 江國(guó)明等. 2015. 重震反演中國(guó)東北地殼上地幔三維密度結(jié)構(gòu).地球物理學(xué)報(bào)，58(7):2436-2444,

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