蘇門答臘俯沖帶地區(qū)殼內(nèi)密度結(jié)構(gòu)研究

何慶禹， 郝天珧,3,4*， 邢健， 李雪壘, 李志偉

1 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100029 3 海底科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 自然資源部第二海洋研究所， 杭州 310012 4 中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029 5 國(guó)家海洋局東海海洋環(huán)境調(diào)查勘察中心， 上海 200137 6 湖南工商大學(xué)， 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院， 長(zhǎng)沙 410205 7 中國(guó)科學(xué)院測(cè)量與地球物理研究所， 大地測(cè)量與地球動(dòng)力學(xué)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430077

0 引言

發(fā)生在板塊匯聚邊緣的俯沖帶是板塊構(gòu)造理論中的重要角色，俯沖板片殼內(nèi)結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)俯沖機(jī)制的重要依據(jù).蘇門答臘俯沖帶位于歐亞板塊與印度—澳大利亞板塊之間、巽他陸塊的西南緣.早侏羅紀(jì)(185 Ma)， Karoo熱柱使岡瓦納大陸開始裂解, 印度洋開始張開(馬宗晉，2003).晚侏羅世岡瓦納大陸北緣進(jìn)一步分裂,新特提斯洋開始出現(xiàn).從始新世中期起，印度洋板塊減慢了運(yùn)動(dòng)速度,并與澳大利亞板塊拼合成印—澳板塊一起向北移動(dòng)(徐杰，2005).當(dāng)印澳板塊俯沖到歐亞板塊之下時(shí)，在爪哇地區(qū)為正面的垂向俯沖，但在蘇門答臘地區(qū)則轉(zhuǎn)為斜向俯沖.為什么會(huì)形成俯沖角度的轉(zhuǎn)變？板片深部結(jié)構(gòu)和力學(xué)機(jī)制發(fā)生了什么樣的變化? 深部的地幔活動(dòng)在淺部引發(fā)了何種構(gòu)造形跡？這些問(wèn)題的研究，不僅對(duì)蘇門答臘俯沖帶的演化過(guò)程有重要意義，對(duì)認(rèn)識(shí)整個(gè)東南亞地區(qū)俯沖帶相互關(guān)系也具有重要的參考價(jià)值.

蘇門答臘俯沖帶是研究俯沖過(guò)程與機(jī)制的關(guān)鍵地區(qū)，前人在此作過(guò)很多研究工作，也得到過(guò)很多重要的認(rèn)識(shí).Richards(2007)利用區(qū)域性臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)3D地震層析成像給出了印—澳板塊在深度上的幾何形狀分布，認(rèn)為印澳板塊向北的俯沖在不同部位深度有所不同，在馬來(lái)西亞與蘇門答臘一帶下插深度已達(dá)到了1000 km.根據(jù)他的結(jié)果，200～800 km時(shí)下插板片的角度很大，而后在1000 km左右?guī)缀跗脚P，這顯然與該區(qū)的深部巖漿過(guò)程有密切關(guān)系； Malod等(1995)對(duì)于蘇門答臘俯沖帶的斜向俯沖以及爪哇俯沖帶的垂向俯沖關(guān)系進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)地對(duì)比，分析了蘇門答臘大型走滑斷裂以及變形前緣凹形的原因，同樣認(rèn)為地球動(dòng)力學(xué)條件的改變引發(fā)了構(gòu)造形變并闡述了地表構(gòu)造形變與俯沖之間的關(guān)系.Hall R (2018) 結(jié)合前人建模結(jié)果對(duì)該區(qū)的構(gòu)造演化過(guò)程進(jìn)行了模擬，給出了比較清晰、系統(tǒng)的論述；Widiyantoro和Van Der Hilst(1996)指出了蘇門答臘地區(qū)深部存在著俯沖板片撕裂的現(xiàn)象并進(jìn)行了有關(guān)機(jī)制的探討.眾多的科學(xué)家試圖從俯沖模式、動(dòng)力學(xué)機(jī)制和地幔對(duì)流等多個(gè)方面認(rèn)識(shí)東南亞特別是蘇門答臘俯沖帶，因此多種觀測(cè)手段的地質(zhì)、地球物理研究結(jié)果不斷問(wèn)世( Replumaz et al.，2004； Hoernle et al.，2008；Kennett et al.，1995； Huang et al.，2015等).但是，板片(特別在上覆板片)在俯沖過(guò)程中，所產(chǎn)生的變形特征還有待更為深入的研究.本文選擇蘇門答臘為研究區(qū)(參見圖1)，從空間重力數(shù)據(jù)出發(fā)，通過(guò)研究區(qū)密度結(jié)構(gòu)反演與特征分析，以期關(guān)注以下三個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)研究區(qū)殼內(nèi)密度結(jié)構(gòu)特征，重點(diǎn)討論3D密度結(jié)構(gòu)特征與俯沖之間的關(guān)系；

(2)板間地震震源深度的下傾極限是俯沖板片與陸殼莫霍界面的接觸帶(Hippchen and Hyndman，2008).本文將基于殼內(nèi)3D密度結(jié)構(gòu)分布，討論研究區(qū)下傾極限分布特點(diǎn)；

圖1 研究區(qū)位置與主要斷裂分布底圖為地形，黑色實(shí)線為地形零值線，紅色實(shí)線為研究區(qū)內(nèi)主要斷裂，WAF：West Andaman Fault(西安達(dá)曼斷裂)；SMF：Sumutra Fault(蘇門答臘斷裂)；BF:Barat Fault(巴特?cái)嗔?；MTF：Mindavi Fault (明打威斷裂).Fig.1 Location of study region and distribution of main faultsBase map is terrain map, black solid line is the terrain zero line and red solid lines show the main faults in the study region WAF: West Andaman Fault; SMF: Sumutra Fault ; BF: Barat Fault; MTF: Mindavi Fault.

(3)板片深部撕裂與殼內(nèi)密度異常的關(guān)系.前人研究結(jié)果(Richards et al., 2007；Li et al.,2018；Widiyantoro and Van Der Hilst, 1996)認(rèn)為，在蘇門答臘附近上地幔中存在著板片撕裂的現(xiàn)象.Widiyantoro 和 Van Der Hilst(1996)認(rèn)為，大約在40～45 Ma 和20～15 Ma之間，沿著巽他海溝北東向俯沖的印度—澳大利亞巖石圈和巽他陸塊東南向順時(shí)針的運(yùn)動(dòng)，在蘇門答臘島附近形成了一個(gè)轉(zhuǎn)軸，由于轉(zhuǎn)軸兩側(cè)應(yīng)力不平衡最終導(dǎo)致了板片撕裂(圖2).也有學(xué)者提出，當(dāng)大洋板塊的俯沖角度由緩變陡時(shí).大洋板片地幔受到上覆板塊的擠壓，就會(huì)產(chǎn)生平行于海溝的塑性流動(dòng)(Long and Silver，2009)；本文將針對(duì)板片深部撕裂與淺部殼內(nèi)密度異常的關(guān)系進(jìn)行探討.

1 數(shù)據(jù)

本文利用空間重力異常數(shù)據(jù)完成了2.5D密度剖面及3D殼內(nèi)密度結(jié)構(gòu)反演.同時(shí)用到研究區(qū)地形、沉積物厚度數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)來(lái)源如下所述.

1.1 地形及空間重力異常

空間重力異常及地形數(shù)據(jù)來(lái)自加州大學(xué)圣迭戈分校(University of California San Diego)、Scripps海洋研究所(Scripps Institution Of Oceanography)結(jié)合衛(wèi)星資料和實(shí)測(cè)資料，所建立的精度為1′×1′的全球衛(wèi)星重力數(shù)據(jù)(V20 Global Anomaly)(圖3)和精度為0.5′×0.5′的地形數(shù)據(jù)(圖1)(V15 Global Topography, SRTM30_PLUS)(http:∥topex.ucsd.edu).在以上數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合美國(guó)國(guó)家海洋大氣管理局NOAA的103條單波束測(cè)深剖面與43條重力剖面(表1)(http:∥www.ngdc.noaa.gov/mgg/geodas/trackline.html)，采用了楊金玉等(2014)提出的“三觀測(cè)列STD法”完成了精度評(píng)估.評(píng)估方法是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分解，得到數(shù)據(jù)體自身的標(biāo)準(zhǔn)差，更有利于與其他數(shù)據(jù)體進(jìn)行精準(zhǔn)度對(duì)比.偏差分析結(jié)果如表2所示，其中可知，V20 Global Anomaly水深數(shù)據(jù)與V15 Global Topography, SRTM30_PLUS重力數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差較小，精度較高，故采用二者作為本文的基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù).

圖2 研究區(qū)俯沖板片撕裂示意圖底圖為地形，黑色實(shí)線為地形零值線，據(jù)Widiyantoro 和 van der Hilst, 1996，有修改.Fig.2 Schematic diagram of the slit of the plate in the study regionThe base map is terrain map, black solid line is the terrain zero line. From Widiyantoro and van der Hilst, 1996, modified.

表1 蘇門答臘研究區(qū)空間重力異常及地形數(shù)據(jù)剖面精度評(píng)估結(jié)果Table 1 Accuracy assessment of free-air gravity anomaly and terrain data of profile in the Sumatra study region

表2 重力數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)偏差分析Table 2 Analysis of gravity data and terrain data deviation

由圖3可知，研究區(qū)內(nèi)空間重力異常具有明顯的分區(qū)性.陸區(qū)與島弧區(qū)表現(xiàn)為正值，洋區(qū)為負(fù)值，空間重力異常負(fù)極大值(參見圖3中紅色五星處)位于蘇門答臘俯沖帶處，地形數(shù)據(jù)表明這里也是研究區(qū)水深最大之處.島弧區(qū)以條帶狀異常為主，沿海溝與島弧走向展布；在印度洋區(qū)，正異常條帶走向與印—澳板塊的俯沖方向(NE向)基本一致，形態(tài)與海底地形基本吻合.

1.2 沉積物厚度分布

本文所用沉積物厚度數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心(NGDC)所整編的5弧分的全球沉積物厚度數(shù)據(jù)模型(https:∥www.ngdc.noaa.gov)；研究區(qū)沉積物厚度分布如圖4所示.

沉積物厚度最大值位于研究區(qū)的西北部錫默盧島、尼亞斯島附近及馬來(lái)西亞島的東北部，厚度最大可達(dá)3 km左右；沉積物厚度最小處只有200 m，位于印度洋.沉積物主要集中在錫默盧島一帶的原因可能與印—澳板塊NE向斜向俯沖導(dǎo)致的明打威斷裂(MTF)的右旋走滑有關(guān).馬來(lái)西亞島與蘇門答臘島地區(qū)的沉積厚度變化平緩，厚度在500～900 m之間分布，反映出開闊平緩的弧后區(qū)特征.研究區(qū)東北的巽他陸架處，沉積厚度較厚，達(dá)到3 km左右.

圖3 研究區(qū)空間重力異常，單位mGal圖中黑色實(shí)線為地形的零等值線，紅色實(shí)線為斷層.其他縮寫含義與圖1相同.Fig.3 Free-air gravity anomaly of the study region，unit is mGalIn the figure, black solid line is the terrain zero line and red solid lines show the main faults in the study region. Other abbreviations have the same meaning as Fig.1.

圖4 研究區(qū)沉積物厚度，單位：m黑色實(shí)線為研究區(qū)地形零等值線位置，紅色實(shí)線為研究區(qū)主要斷裂分布.Fig.4 Sediment thickness of the study regionBlack solid line is the terrain zero line and red solid lines show the main faults in the study region.

2 二維密度界面反演

2.1 巖石物性資料

巖石物性是密度界面反演的基礎(chǔ).由于來(lái)自研究區(qū)巖石標(biāo)本的物性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較少，本文參考了前人針對(duì)研究區(qū)的相關(guān)成果(高小衛(wèi)等，2012；王新洋等，2014；徐杰，2005)，其中最新資料來(lái)自Li 等(2018)給出的研究區(qū)S波速度，利用改進(jìn)的Nafe-Drake公式進(jìn)行層速度-密度轉(zhuǎn)換(Brocher，2005)(表3)，此外，劉光鼎(1992)主編的《中國(guó)海區(qū)及鄰域地球物理系列圖》中所采用的密度數(shù)據(jù)(參見表4)也是本文重要的巖石物性參考資料之一.

表3 蘇門答臘區(qū)域s波速度分布(據(jù)Li et al.，2018，有修改)Table 3 S-wave velocity distribution in Sumatra (From Li et al., 2018，modified)

表4 《中國(guó)海區(qū)及鄰域地球物理系列圖》中采用的密度參數(shù)(劉光鼎，1992)Table 4 Density distribution in “Geophysical series map of China Sea and adjacent region” (Liu, 1992)

從表3和表4可以看出，雖然依據(jù)的物性參數(shù)資料不同，但學(xué)者們均對(duì)印尼周邊地區(qū)大陸-島弧型地殼給予了三層結(jié)構(gòu)劃分，如Li等(2018).近年來(lái)，研究區(qū)相關(guān)的各種地球物理研究成果陸續(xù)發(fā)表(Richards et al.，2007；徐杰，2005)，也為本文的研究提供了參考資料.綜合前人研究結(jié)果，本文總結(jié)給出研究區(qū)不同層位的密度分布(表5)，用于深部結(jié)構(gòu)反演與綜合解釋.

表5 研究區(qū)密度分布Table 5 Density Distribution of Study Region

2.2 重力改正

空間重力異常是海水、地形等效應(yīng)的疊加，為提取莫霍面起伏引起的重力異常，除了重力改正外，還需要利用波場(chǎng)分離的方法去除淺部地質(zhì)體引起的重力影響，得到剩余重力異常，用于莫霍界面反演.

本文對(duì)空間重力異常進(jìn)行了完全布格改正和格萊尼改正(圖5)，后者主要是消除166.7 km之外地形與補(bǔ)償質(zhì)量的影響.

圖5 研究區(qū)格萊尼重力異常分布黑色實(shí)線為地形零值線.Fig.5 Glennie gravity anomaly in study regionThe black solid line is the terrain zero line.

2.3 異常場(chǎng)分離

常用的場(chǎng)分離方法很多，如補(bǔ)償圓滑濾波(侯重初，1981)、正則化濾波法、小波分析(侯遵澤和楊文采，1997)等.由于位場(chǎng)異常隨場(chǎng)源深度而變化，淺部與深部相比，地質(zhì)因素所引發(fā)的異常隨觀測(cè)平面高度的變化具有較高的敏感性.因此通過(guò)對(duì)異常的解析延拓可以將地面實(shí)測(cè)的異常換算為另一高度觀測(cè)面上的異常,從而達(dá)到分離出深部重力異常的目的.本文通過(guò)對(duì)兩種場(chǎng)分離結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖6a,b)，認(rèn)為解析延拓濾波結(jié)果(圖6a)區(qū)域背景明顯，局部圈閉少，較好地去除了淺部的重力異常，更適合莫霍界面反演.

2.4 莫霍界面反演

研究區(qū)存在溝-弧-盆系統(tǒng)，莫霍界面埋深變化劇烈，給界面反演帶來(lái)一定困難.Parker-Oldenburg界面反演方法(Parker，1973；Oldenburg，1974)由于適用于地形變化劇烈的區(qū)域，為許多科研人員采用.本文也選擇了這一方法.在反演過(guò)程中，通過(guò)選用不同的反演參數(shù)和將反演結(jié)果與前人研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的方式，最終選取了平均深度20 km、密度差0.3 g·cm-3的參數(shù)用于本文反演(圖7).

2.5 莫霍面深度分布特征

圖7 研究區(qū)莫霍界面埋深分布圖中黑色線為2.5D密度反演時(shí)選擇的剖面PP′位置.Fig.7 Moho depth distribution in study regionBlack line is the location of profile PP′ in 2.5D density inversion.

俯沖帶地區(qū)由于復(fù)雜的地殼結(jié)構(gòu)，莫霍面埋深在短距離內(nèi)快速變化，地殼屬性也迅速過(guò)度與改變.在陸殼屬性的歐亞板塊區(qū)，莫霍深度反映出典型的大陸地殼莫霍面埋深的特點(diǎn)，在25～28 km之間分布.橫向變化較緩，向島弧區(qū)逐漸抬升；西南部印度洋區(qū)具有典型的洋殼特征，莫霍面總體埋深很淺，只有6～9 km (位置見圖8).從印度—澳大利亞板塊向歐亞板塊的方向，莫霍面埋深變化激烈，迅速由洋區(qū)9 km變?yōu)閸u弧區(qū)的16 km.在這個(gè)地區(qū)，有大量火成巖物質(zhì)存在，由于大洋板片向大陸板片俯沖引發(fā)的巖漿活動(dòng)，島弧地殼明顯增厚；大陸板片區(qū)莫霍面埋深總體為28 km左右.從印度洋—明打威島—馬來(lái)西亞島一線莫霍面埋深的變化趨勢(shì)也完全符合印度洋板塊向歐亞板塊俯沖構(gòu)造環(huán)境下莫霍埋深演變的規(guī)律.

(1)印度洋區(qū)

印度洋區(qū)域莫霍面埋深6～10 km，等值線趨勢(shì)寬緩，起伏很小；

(2)海溝與島弧區(qū)

印度洋板片俯沖到歐亞板片之下，俯沖前緣莫霍面埋深分布變化劇烈，由洋殼6 km的平均埋深轉(zhuǎn)變?yōu)閸u弧區(qū)的16 km左右；

(3)弧后地區(qū)

隸屬于巽他塊體的馬來(lái)西亞島等區(qū)域處于大陸地殼伸展環(huán)境，莫霍面埋深分布變化小，25～30 km，極大值在研究區(qū)的西北部馬來(lái)西亞島與蘇門答臘島西側(cè)；

蘇門答臘俯沖帶是印度洋板塊與歐亞板塊之間近NS向匯聚運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物.根據(jù)前人研究結(jié)果可知(Hall R，2018), 始新世沿印度洋—澳大利亞板塊重新開始的北向俯沖是沿俯沖帶東部逐漸向西傳遞發(fā)展的.在爪哇地區(qū)為垂向俯沖，但傳遞到蘇門答臘區(qū)域時(shí)俯沖角度已轉(zhuǎn)為斜向擠壓，壓縮應(yīng)力發(fā)生水平分解，除垂直于海溝的俯沖應(yīng)力外，另一組分量沿蘇門答臘主斷裂、明打威斷裂等向北西方向傳遞，這可能是造成蘇門答臘等斷裂發(fā)生右旋走滑的原因之一.從研究區(qū)莫霍深度分布特征來(lái)看，蘇門答臘等斷裂帶切過(guò)了莫霍面，說(shuō)明其不僅在水平方向上移動(dòng)了較大距離，同時(shí)在深度上也屬于大型的超殼斷裂，很有可能成為熱物質(zhì)上升的通道.

2.6 剖面2.5D密度結(jié)構(gòu)反演

地震學(xué)研究結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，在印度尼西亞爪哇、蘇門答臘一帶的俯沖板片雖然在淺部角度較緩(Hall R，2018；Li et al.，2018)，但當(dāng)大洋板片俯沖到一定深度時(shí)，俯沖角度變大，受到上覆板塊的擠壓負(fù)載，產(chǎn)生平行于海溝的上地幔塑性流動(dòng)，這方面的研究已有很多研究成果發(fā)表(Chen et al., 2013；Hsui et al., 1983，Long, 2013).那么，上覆板片的下地殼密度結(jié)構(gòu)在俯沖作用下會(huì)發(fā)生什么變化？與俯沖過(guò)程及深部地幔活動(dòng)有什么關(guān)系？對(duì)這一問(wèn)題尚需要更深入的分析研究.Hsui等(1983)曾經(jīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果提出俯沖可在俯沖板塊上方產(chǎn)生誘導(dǎo)流，由于誘導(dǎo)流會(huì)不斷地把地幔熱物質(zhì)引入板片表面，所以在上覆板片下方的楔形區(qū)域中會(huì)形成持續(xù)高熱環(huán)境，有可能在淺層融化俯沖的洋殼.當(dāng)部分熔融發(fā)生時(shí)，在板塊負(fù)載與擠壓應(yīng)力作用下，熔融物質(zhì)對(duì)上覆板片的底侵就會(huì)發(fā)生.由此推斷，無(wú)論是誘導(dǎo)流還是板下的地幔對(duì)流都有可能造成洋殼物質(zhì)的熔融并對(duì)上覆板片的下地殼產(chǎn)生侵染與改造.從這一問(wèn)題出發(fā)，本文選擇Li 等(2018)文章中地震層析成像剖面A的同一位置，截取重力剖面PP′，通過(guò)重力數(shù)據(jù)正反演迭代擬合，獲取剖面的2.5D密度結(jié)構(gòu)分布(圖8)，以期從該剖面的密度分布與變化特征來(lái)認(rèn)識(shí)研究區(qū)殼內(nèi)密度結(jié)構(gòu)橫向變化，尋找與俯沖作用相關(guān)的地球物理證據(jù).

本文的2.5D密度反演剖面PP′位置參見圖7，采用的密度參數(shù)見表5.剖面的擬合結(jié)果表明(圖8)，在蘇門答臘島下方，蘇門答臘斷裂帶(SMF)切過(guò)了莫霍界面，此處是研究區(qū)莫霍面埋深最大處，同時(shí)下地殼中存在一個(gè)范圍約為250 km、最大厚度約為2 km的低密度異常，應(yīng)與SMF關(guān)系密切.Wyllie(1993)在利用實(shí)驗(yàn)研究俯沖帶巖漿與巖石的相互作用時(shí)，曾給出過(guò)大洋—大陸匯聚板塊邊界不同部位的巖石相界假設(shè)的熱結(jié)構(gòu)與巖石學(xué)結(jié)構(gòu).其研究成果顯示俯沖的洋殼進(jìn)入上地幔頂部后，在上覆板片的擠壓作用下會(huì)發(fā)生脫水(如綠片巖相條件下產(chǎn)生揮發(fā)組分)，流體在向上運(yùn)移時(shí),在上覆板片莫霍面之上形成局部熔融或巖漿區(qū)，它們集中分布在下地殼莫霍面附近.此外，洋殼榴輝巖化等過(guò)程中的脫水和脆化脫水還會(huì)產(chǎn)生地震，因此研究區(qū)板片下傾極限附近會(huì)有大量的板間地震發(fā)生(li et al., 2018)，它們也是俯沖板片發(fā)生過(guò)脫水等現(xiàn)象的證據(jù)之一.Liu et al., (2018)在該研究區(qū)的地震層析成像研究中，給出多條穿過(guò)本研究區(qū)的地震成像剖面，其中剖面CC′，DD′的東北方向，均可以觀察到深度60～100 km的低速異常分布，與本文給出的低密度異常范圍基本一致.Li et al. (2018)也給出類似的速度異常分析結(jié)果.由此推斷：剖面PP′下地殼中的低密度異常應(yīng)是俯沖板片脫水產(chǎn)生的流體在上覆板片下地殼中侵染的反映.從研究區(qū)>4.5M震源分布結(jié)果來(lái)看，低密度異常附近有大量淺源地震發(fā)生，成為研究區(qū)俯沖板片發(fā)生過(guò)脫水現(xiàn)象的另一佐證(圖9).

通過(guò)對(duì)研究區(qū)的地震震源深度分布的分析.發(fā)現(xiàn)大部分淺源地震都分布在下傾極限附近，表明地震的發(fā)生與下傾極限的關(guān)系密切，應(yīng)是脆性破裂、摩擦滑移所產(chǎn)生.震源深度大于200 km的地震基本分布在研究區(qū)的中部和東南部，震源深度從西北向東南部逐漸加大.這表明東南部地幔深部存在地震發(fā)生的誘導(dǎo)因素，為板片撕裂提供了佐證.

圖8 剖面2.5D重力迭代擬合結(jié)果,藍(lán)色虛線為重力異常觀測(cè)值黑色實(shí)線為重力異常擬合值，紅色實(shí)線為斷裂，BF:巴特?cái)嗔?，SMF：蘇門答臘斷裂,海水層上方淺黃色為空氣,不影響擬合結(jié)果.Fig.8 Profile 2.5D gravity iterative fitting result, the blue dotted line is the gravity anomaly observation valueThe black solid line is the gravity anomaly fitting value, the red solid line is the fault, BF: Bart fault, SMF: Sumatra fault the light yellow above the sea water layer is air, which does not affect the fitting results.

圖9 研究區(qū)地震震源分布(a) 研究區(qū)震源深度3D分布，本圖所用的蘇門答臘區(qū)域地震數(shù)據(jù)來(lái)自美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(https:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes)，其中為綠色圓圈為4.5～5級(jí)地震，紅色圓圈為5～5.5級(jí)地震.藍(lán)色圓圈為大于5.5級(jí)地震; (b) 研究區(qū)震源深度水平分布(底圖為地形，灰色線為地形等值線，不同顏色圓圈代表地震震源深度).Fig.9 Distribution of the depth of earthquake focus in the study region(a) 3D distribution of earthquake focus depth in the study area, The earthquake data used in the diagram is from USGS (https:∥earthquake.usgs.gov/earthquakes), the green circle indicates an earthquake with a magnitude 4.5～5 earthquake. The green circle indicates an earthquake with a magnitude of 5～5.5, and the blue circle indicates an earthquake with a magnitude greater than 5.5. (b) Horizontal distribution of focal depth in the study area (the base map is terrain, the gray line is terrain contour, and different color circles represent earthquake focus depth)

3 3D密度結(jié)構(gòu)反演

以2D密度結(jié)構(gòu)為約束，得到研究區(qū)3D密度結(jié)構(gòu)(圖10)，據(jù)此探討研究區(qū)殼內(nèi)密度宏觀特征、橫向變化及其與板片俯沖之間的關(guān)系.

3.1 方法及初始模型

將水深、沉積物厚度、莫霍界面埋深和5條2.5D剖面(參見圖10C-I)迭代擬合結(jié)果等信息作為約束條件，反演給出研究區(qū)3D密度分布.

初始參考密度模型分為洋殼及陸殼兩部分；為了消除邊界效應(yīng)，對(duì)數(shù)據(jù)體進(jìn)行了適當(dāng)?shù)臄U(kuò)邊，最終確定3D模型的橫向范圍為1200 km1200 km，縱向深度為50 km.由于網(wǎng)格大小及背景密度的選擇對(duì)反演至關(guān)重要，因此在多次試驗(yàn)測(cè)試與優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選用背景密度2.67 g·cm-3、網(wǎng)格大小5 km×5 km×1 km的模型參數(shù)參與最終反演(圖10A-II).

不同層位的密度設(shè)定參考表5，海水層的絕對(duì)密度設(shè)定為1.03 g·cm-3.沉積層的絕對(duì)密度設(shè)定為2.0～2.4 g·cm-3；上地殼層絕對(duì)密度設(shè)定為2.2～2.6 g·cm-3；中地殼層的絕對(duì)密度設(shè)定為2.5～2.9 g·cm-3；下地殼層的絕對(duì)密度設(shè)定2.7～3.1 g·cm-3；大洋層2的絕對(duì)密度設(shè)定2.5～2.9 g·cm-3；大洋層3的絕對(duì)密度設(shè)定2.8～3.2 g·cm-3；地幔層的絕對(duì)密度設(shè)定為3.3 g·cm-3；在反演過(guò)程中，保持模型的密度異常只在限定的范圍內(nèi)變化，同時(shí)將反演結(jié)果與先驗(yàn)信息不斷進(jìn)行對(duì)比反饋，以保證得到最優(yōu)的密度模型.

3.2 反演結(jié)果討論

反演得到研究區(qū)3D密度分布模型(圖10A-III)，選取不同位置的三條密度縱向切片AA′、BB′、CC′，討論密度宏觀分布特征及其隨深度的變化情況(圖10).

圖10b給出了三條剖面的密度特征及橫向變化.(1)從切片AA′到切片CC′，俯沖板片的角度從西北向東南逐漸增加(分別為20°、28°和35°，由于橫縱坐標(biāo)的比例尺不同，文中的俯沖板片角度為真俯沖角度)，下傾極限的深度也隨之加大.總體而言，切片AA′到切片CC′，較低密度的上地殼厚度逐漸增加，在切片CC′處達(dá)到最大值.中地殼橫向變化平緩，局部有起伏，特別是在切片CC′靠近SMF附近，中、下地殼均存在下凹，但中地殼更為明顯，存在相對(duì)于周邊地區(qū)的低密度異常；密度橫向變化最為明顯的是下地殼(圖10c-III,圖10c-IV)，隨著深度加大異常分布范圍也在增加.顯然，俯沖造成的洋殼脫水在上升過(guò)程中，影響最大的就是下地殼，而且集中在莫霍面附近.但是，為什么下地殼密度異?；炯性谘芯繀^(qū)的東南部呢？除了洋殼脫水對(duì)下地殼的影響外，研究區(qū)還有其他什么因素會(huì)引起下地殼的密度異常？根據(jù)前人研究結(jié)果來(lái)看，研究區(qū)東南部存在有活躍的深部地?；顒?dòng).Widiyantoro和Van Der Hilst(1996)曾討論過(guò)俯沖板片在地幔中的撕裂問(wèn)題，Richards 等(2007)也認(rèn)為大約在40～45 Ma 和20～15 Ma之間，沿著巽他海溝NE向俯沖的印度—澳大利亞巖石圈和巽他陸塊東南向順時(shí)針的運(yùn)動(dòng)，在蘇門答臘島導(dǎo)致了板片撕裂并為深部物質(zhì)上涌和產(chǎn)生深源地震提供了通道與條件.Li等(2018)指出南蘇門答臘地區(qū)深部的板片撕裂會(huì)促使板片內(nèi)部冷的物質(zhì)與地幔過(guò)渡帶內(nèi)熱的物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的熱交換和化學(xué)反應(yīng)，加強(qiáng)了局部熔融或流體的上升.由此來(lái)看，這很有可能是研究區(qū)下地殼靠近莫霍面附近的密度異常更為顯著的另一個(gè)原因.

圖10 研究區(qū)3D密度分布模型(a) (I)為研究區(qū)空間重力異常，圖中黑色實(shí)線為切片AA′、BB′、CC′位置；(II)研究區(qū)3D密度反演初始模型(III)研究區(qū)3D密度分布; (b) 沿切片AA′、BB′、CC′的密度分布，密度為相對(duì)于背景值2.67 g·cm-3的相對(duì)密度; (c) 3D密度體水平切片(I)深度8 km； (II) 20 km； (III) 25 km； (IV) 28 km. (黑色實(shí)線為5條2.5D控制剖面位置).Fig.10 3D density model in study region(a) (I)free air gravity anomaly of study region, the black solid lines show the position of 3 density vertical profiles (AA′、BB′、CC′); (II) Initial model of 3D density inversion in study area (III) 3D density distribution in study area; (b) Show the density distribution along 3 vertical profiles of the 3D density model , the density is relative to the background value 2.67 g·cm-3 relative density; (c) The horizontal section of 3D density model; (I) depth of 8 km; (II) 20 km; (III) 25 km; (IV) 28 km. (the black solid line is the position of 2.5D control sections)

從前人的研究結(jié)果可知(Malod，1995)，印度洋與歐亞板塊之間的匯聚導(dǎo)致了蘇門答臘—爪哇的俯沖帶增生楔和弧前地區(qū)出現(xiàn)了明顯的擠壓構(gòu)造特征，但在蘇門答臘一帶俯沖方向已從垂直俯沖變?yōu)樾毕蚋_，俯沖板片總應(yīng)力F分解為俯沖分量Fx和走滑分量Fy(參見圖11)，研究區(qū)中蘇門答臘與明打威斷裂帶均為走滑斷裂的事實(shí)也證實(shí)了這一點(diǎn).

圖10c是3D密度體不同深度的水平切片.在25 km和28 km深度切片上(圖10c的III和IV)靠近海溝處，均存在一個(gè)近圓形的低密度異常，該異常具有沿NE方向延伸跡象.這表明，下地殼靠近莫霍面附近應(yīng)該存在有NE向分布的線性張性構(gòu)造或薄弱帶(與俯沖分量Fx方向一致)，深部上升流體進(jìn)入下地殼后會(huì)沿著這些構(gòu)造運(yùn)移、延伸，引發(fā)下地殼中密度橫向的變化，顯示為對(duì)下地殼的侵染具有一定的方向性.因此，研究區(qū)下地殼低密度異常沿NE定向展布的現(xiàn)象，應(yīng)是俯沖擠壓與板片脫水共同作用的產(chǎn)物.

圖11 研究區(qū)俯沖應(yīng)力分解示意圖底圖來(lái)自Malod(1995),F為研究區(qū)俯沖板片的總應(yīng)力，F(xiàn)x為俯沖分量，F(xiàn)y為走滑分量.Fig.11 Schematic diagram of subduction stress decomposition in the study areaBase map from Malod (1995). F is the total stress of subduction plate in the study area, Fx is the subduction component, Fy is the strike slip component.

4 結(jié)論與討論

在水深、沉積物厚度等數(shù)據(jù)資料的共同約束下，通過(guò)3D密度反演，獲得了研究區(qū)3D密度結(jié)構(gòu)分布并在此基礎(chǔ)上討論了下地殼低密度異常分布特征與俯沖之間的關(guān)系，并分析了震源深度分布特征，得到以下主要認(rèn)識(shí)：

(1)綜合重力界面反演與3D殼內(nèi)密度結(jié)構(gòu)給出了研究區(qū)莫霍面埋深與下傾極限分布.3D密度結(jié)構(gòu)切片揭示出俯沖板片的角度和下傾極限的深度均從研究區(qū)西北向東南方向逐漸增加；

(2)3D密度結(jié)構(gòu)表明研究區(qū)下地殼存在低密度異常，主要集中在東南部，異常分布范圍隨深度而增加，在莫霍面附近最為顯著.分析認(rèn)為：洋殼脫水形成的流體對(duì)上覆板片下地殼發(fā)生侵染，引發(fā)了密度異常；而研究區(qū)東南部地幔存在的板片撕裂會(huì)帶來(lái)更多熱物質(zhì)于流體的上升，這可能是該區(qū)下地殼密度異常更為顯著的另一個(gè)重要原因.此外，3D密度切片揭示出下地殼密度異常具有沿NE方向延伸跡象，應(yīng)與蘇門答臘一帶的斜向俯沖作用有關(guān).當(dāng)上升的流體或熱物質(zhì)沿著與俯沖分量Fx方向一致的線性構(gòu)造運(yùn)移并發(fā)生對(duì)上覆板片下地殼的侵染時(shí)，所引發(fā)的密度異常勢(shì)必會(huì)顯示出與線性構(gòu)造一致的方向性；

(3)地震震源深度分布表明，大部分的淺源地震集中在下傾極限附近，應(yīng)是脆性破裂、摩擦滑移所產(chǎn)生.震源深度大于200 km的地震基本都分布在研究區(qū)中部和東南部，據(jù)有從西北向東南方向震源深度逐漸加大的趨勢(shì)，這也從另一角度為前人關(guān)于東南部地幔中板片發(fā)生撕裂的觀點(diǎn)提供了佐證.

致謝本文完成過(guò)程中得到中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所徐亞、黃松副研究員的大力幫助.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的張健教授、自然資源部第二海洋研究所的高金耀研究員、湖南工商大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院的李雪壘博士、中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的南方舟博士、武雪山博士生、杜南樵碩士生等都為本文的完成提供了幫助，在此一并致謝！同時(shí)感謝國(guó)家自然科學(xué)基金西太重大研究計(jì)劃項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局國(guó)際合作伙伴項(xiàng)目的大力支持！