利用深地震反射剖面揭示峨眉山大火成巖省下地殼結(jié)構(gòu)

任彥宗，盧占武，張新彥，薛帥，王光文

自然資源部深地動力學實驗室，中國地質(zhì)科學院地質(zhì)研究所，北京 100037

0 引言

深地震反射探測技術(shù)是國際公認的探測巖石圈結(jié)構(gòu)的高精度技術(shù).自20世紀80年代以來，應用該項技術(shù)在國內(nèi)外已取得諸多成果，常用于研究陸陸碰撞帶深部結(jié)構(gòu)、地球的動力學過程、斷裂系統(tǒng)與地震活動以及下地殼結(jié)構(gòu)與殼幔邊界變化特征等等(Klemperer et al.，1985; Eaton, 2006; Gao et al.，2016; Huang et al.，2021; 劉保金等，2007; 李洪強等，2013; 張興洲等，2015; 劉志偉等，2016; 王海燕等，2014, 2017; 盧占武等，2009, 2016; 酆少英等，2020; 王建民等，2020).深地震反射數(shù)據(jù)的野外采集方法已經(jīng)非常成熟，但是在中國西部，特別是在測線地表起伏、切割劇烈，沿線深切谷的復雜地形條件下，野外的采集施工非常困難.目前主流的深地震反射是使用Sercel 428XL有纜地震儀進行數(shù)據(jù)采集，為了連通整個采集大線，在險峻高山較多的山區(qū)部署測線異常艱巨，往往不得已設(shè)計彎測線，這為數(shù)據(jù)處理帶來一定的難度，并對剖面的解釋造成影響.特別是在遇到測線經(jīng)過大陡崖或大江地區(qū)時，連通采集大線也成為野外施工的一大難點.除此以外，在使用有纜地震儀采集地震數(shù)據(jù)過程中，常常因為某一點的采集站或是交叉站的問題，使得有纜地震儀的數(shù)據(jù)傳輸不完全，出現(xiàn)大量排列數(shù)據(jù)不完整甚至沒有數(shù)據(jù)的情況.節(jié)點地震儀由于每一個儀器只與該點數(shù)據(jù)有關(guān)，不影響其他點的數(shù)據(jù)采集，便能在很大程度上解決上述有纜地震儀存在的問題.

由于節(jié)點地震儀不僅可以持續(xù)地記錄地震數(shù)據(jù)，還可以兼顧被動源方法的信號.近幾年，隨著密集臺陣技術(shù)的迅速發(fā)展，已有許多學者利用節(jié)點式的地震儀開展短周期密集臺陣觀測工作(Lin et al.，2013; Roux et al.，2016; Liu et al.，2017a; Wang et al.，2018; Mordret et al.，2019; Bao et al.，2019)，并采用背景噪聲、接收函數(shù)等方法進行數(shù)據(jù)處理成像.如Lin等(2013)在美國長灘利用Z-land節(jié)點地震儀采集到的背景噪聲數(shù)據(jù)，獲得了地下1 km以下的三維剪切波速度結(jié)構(gòu)，證明了節(jié)點地震儀用來進行被動源的數(shù)據(jù)觀測的可行性.綜上所述，在野外工作中用節(jié)點地震儀進行深反射數(shù)據(jù)采集，可以省去了大量采集大線的重量，極大減少對人力物力的需求，還可以同時采集更多可用的地震數(shù)據(jù).因此，我們在楚雄盆地開展深地震反射剖面探測研究時，等間距地布設(shè)了節(jié)點地震儀，實驗節(jié)點地震儀記錄的深地震反射數(shù)據(jù)揭示楚雄盆地地殼結(jié)構(gòu).

峨眉山大火成巖省(縮寫為ELIP)是我國最早被國際地學界公認的大火成巖省(何冰輝，2016)，也是近20年來被廣泛關(guān)注的研究區(qū)域(Xu et al.，2007; Deng et al.，2014; Liu et al.，2017b; Yang et al.，2020).以往利用噪聲成像、接收函數(shù)、寬角反射與折射等地震方法對該區(qū)域進行了大量的研究(鄭晨等，2016; 張智奇等，2020; Chen et al.，2015; Xu et al.，2015; Liu et al.，2017b;Yang et al.，2020).但鑒于臺站的數(shù)量及間距等問題，較多的研究結(jié)果橫向分辨率大都幾千米甚至幾十千米，分辨率相對較低.還缺少用于地殼結(jié)構(gòu)研究的高分辨率的成像結(jié)果.本研究利用常規(guī)的有纜式地震儀428XL與Zland-3C節(jié)點地震儀共同采集接收的深地震反射信息揭示了峨眉山大火成巖省內(nèi)帶綠汁江斷裂以西的精細地殼結(jié)構(gòu).結(jié)合前人的地質(zhì)研究及地球物理觀測結(jié)果，簡要討論了ELIP內(nèi)帶下地殼變形與地幔柱之間的關(guān)系.

1 地質(zhì)背景

峨眉山大火成巖省位于揚子克拉通西緣，以溢流玄武巖為主，并伴有鐵鎂質(zhì)侵入巖和長英質(zhì)侵入巖等.大量的研究表明峨眉山大火成巖省的形成時代約在259 Ma左右(Zhou et al.，2002; Zhong et al.，2011; Tang et al.，2015)，認為其成因與二疊紀晚期地幔柱作用相關(guān)(何冰輝，2016; Morgan, 1971; White et al.，1989; Coffin and Eldholm, 1994; Xu et al.，2004; Ali et al.，2005).Xu等(2004)認為峨眉山晚期二疊世玄武巖是揚子克拉通西緣一系列大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)所形成的基性巖石侵蝕殘余物.除大規(guī)模的玄武巖外，還伴有超鎂鐵質(zhì)和鎂鐵質(zhì)巖體(徐義剛等，2013).從區(qū)域上看，已有的研究根據(jù)中-晚二疊世碳酸鹽巖組成的茅口組的侵蝕程度把ELIP分為內(nèi)帶、中帶和外帶(Xu et al.，2004, 2007; He et al.，2003, 2006).多種地球物理研究顯示，ELIP內(nèi)帶是高剪切波速度VS、高縱波速度VP、高泊松比(VP/VS)、高密度(ρ)、高強度、低熱流、高電阻率的剛性區(qū)域(張智奇等，2020; Yao et al.，2008; Deng et al.，2014; Xu et al.，2015; Chen et al., 2015; Bao et al.，2015；Li et al.，2020).諸多地震方法成像結(jié)果顯示，在ELIP內(nèi)帶下地殼縱波速度較高，約7.1～7.6 km·s-1(Liu et al.，2001，2017b)，且這種高速下地殼體厚度在20 km左右，與火山裂谷邊緣所揭示的高速下地殼的厚度相似，該火山裂谷也與大火成巖省有關(guān)(Menzies et al.，2002).

2 數(shù)據(jù)采集及處理

2.1 數(shù)據(jù)采集

該條深地震反射剖面測線位于云南省楚雄盆地北部(圖1)，處于峨眉山大火成巖省的內(nèi)帶，測線方向為NW-SE.北西端始于大姚縣新街鄉(xiāng)附近，經(jīng)新華鄉(xiāng)，南東段經(jīng)元謀縣城，終止于縣城外元謀—綠汁江斷裂附近.測線滿覆蓋長度50 km，節(jié)點儀器試驗段長度26 km.測線整體西北高東南低，海拔在1080～2658 m之間，地形起伏相對劇烈.

節(jié)點地震儀的試驗段滿足與常規(guī)檢波器相同的接收條件，即埋置在相同的點位接收相同人工爆破源數(shù)據(jù)，儀器性能由表1展示.野外工作中，常規(guī)有纜式地震儀以40 m的道間距布設(shè)一串12個10 Hz檢波器(型號SM-24)，試驗段用到的主頻5 Hz的Zland-3C節(jié)點地震儀以240 m的道間距布設(shè)，即每隔6道常規(guī)檢波器，布設(shè)1個節(jié)點地震儀(圖1c).兩種采集前放增益均為12 dB.在激發(fā)因素方面，采用高密度硝銨炸藥激發(fā)，為了獲得全地殼的有效反射信息，采取了大、中、小炮結(jié)合的方式兼顧深淺層，分別以24000 m、1200 m和240 m的間距用500 kg、96 kg和36 kg的藥量激發(fā).中炮與大炮的激發(fā)井深均為30 m，小炮井深25 m.中炮和大炮采用組合井的方式激發(fā).深地震反射剖面測線如圖1a所示，紅星點為大炮的位置，試驗段中只含一個大炮.

2.2 數(shù)據(jù)處理

剖面沿線的地表起伏較大、地形切割劇烈，城鄉(xiāng)間人為干擾較多.在這種復雜山地區(qū)，較難出現(xiàn)相對平緩的位置作為最佳激發(fā)點.斜坡的激發(fā)效果將影響向下傳遞的能量，以及斷崖地形等多種因素，都會對地震記錄的質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響.為了得到較高分辨率的疊加成像結(jié)果，對整體低信噪比的資料需要做到針對性的處理技術(shù).

(1)由于研究區(qū)內(nèi)淺層速度變化較為劇烈，并且部分地段高速層直接露出地表，為了解決山區(qū)地表的復雜地形及淺地表速度結(jié)構(gòu)影響而產(chǎn)生的靜校正問題，我們采用了初至層析靜校正的方法獲得比較精確的淺地表模型(圖2)從而計算靜校正量，定義的基準面為2500 m，替換速度4000 m·s-1.(2)針對節(jié)點地震儀較大的道間距，難以對該種數(shù)據(jù)做直接處理.通過對428XL記錄的常規(guī)數(shù)據(jù)獲得的層析靜校正量用于節(jié)點地震儀的對應點位上，以提高疊加前的整體處理效果.(3)測線的高程、出露巖性以及激發(fā)因素變化都比較劇烈，資料的整體信噪比偏低，為了提高地震圖像的垂直分辨率，通過去線性干擾、地表一致性反褶積、隨機噪聲衰減、高能干擾波壓制以及固定頻率(50 Hz工業(yè)干擾)壓制等處理手段對預疊加過程進行噪聲壓制，突出有效反射波信息.從中深層反射信息來看，能量較強，低頻信息豐富.通過1-4-18-22 Hz帶通濾波處理后深層低頻信息更加突出.通過多次迭代速度分析來試圖減少由參考速度模型的偏差帶來的反射向上或向下的異常彎曲.

表1 儀器基本性能參數(shù)對照表Table 1 Comparison of basic performance parameters of instruments

圖2 層析靜校正表層速度模型Fig.2 Surface velocity model of tomographic static correction

圖3為常規(guī)Sercel 428XL記錄的有纜儀器采集的原始大炮數(shù)據(jù)，對應圖1中兩處紅星的位置.原始單炮記錄圖3a、3c中可以看出在雙程走時11～13 s及16～18 s間局部有較強的反射，大號段因靠近元謀縣城城區(qū)，干擾較多，且接收能量較弱.

2.3 節(jié)點地震數(shù)據(jù)與常規(guī)數(shù)據(jù)對比

在節(jié)點單炮記錄中，圖4展示了兩個相對信噪比較高的單炮資料.顯示為處理后的兩個節(jié)點單炮記錄，在深層能清楚看到反射信息，并能與圖3中常規(guī)地震記錄的反射信息出現(xiàn)的時間段和位置對應.

在兩種儀器記錄的大炮記錄中，我們對10～18 s進行了頻譜分析，均顯示深層信息主頻在14～17 Hz，且在8 Hz左右有相對高振幅，表明兩種儀器的頻譜特征相似性.在圖5a中，有纜式地震儀在18 Hz及26 Hz頻率出現(xiàn)異常高振幅，而節(jié)點地震儀對這種異常有很好的抗干擾作用.節(jié)點地震儀所記錄的地震數(shù)據(jù)道間距較大，直接與40 m道間距的常規(guī)數(shù)據(jù)有一定差異.因此，我們將常規(guī)數(shù)據(jù)提取了與節(jié)點地震儀相同的道號和激發(fā)炮進行疊加，從圖7兩個剖面結(jié)果可以看到兩種儀器所記錄的數(shù)據(jù)都能很好得到有效的反射信息.都呈現(xiàn)出下地殼隆起的密集反射特征.將反射軸放大來看，圖7c的連續(xù)性相對較弱于圖7d的.這是由于節(jié)點地震儀擁有更低的主頻，能夠記錄更完整的低頻信息，最終得到的反射同相軸連續(xù)性更好.有纜式地震記錄每一道由12個檢波器組合接收，在疊加剖面顯示節(jié)點地震儀所接收的有效信息更加完整.

3 深地震反射剖面主要特征

由節(jié)點記錄的數(shù)據(jù)與有纜地震儀記錄的數(shù)據(jù)共同疊加處理獲得的50 km剖面如圖8所示，圖中在紅色線段內(nèi)表示兩種儀器記錄數(shù)據(jù)共同參與了疊加，紅色線段兩端為428XL單獨記錄地震數(shù)據(jù)疊加剖面.紅色標識段外覆蓋次數(shù)超70次，紅色覆蓋段內(nèi)覆蓋次數(shù)超100次.我們根據(jù)在剖面CDP號21800～22400及23100～23700段內(nèi)分別計算了頻譜衰減曲線(圖6)，可見在11 s和16 s以及14 s和18 s處出現(xiàn)振幅較大的跳動.剖面中在13～18 s內(nèi)存在一組較強且能夠連續(xù)追蹤的密集反射帶，呈現(xiàn)由西向東逐漸變淺的趨勢.至元謀—綠汁江斷裂附近反射能量減弱，密集反射的頂部從西部13.0 s逐漸抬升至11.0 s處，底部從18.0 s逐漸抬升至16.0 s左右，在整個地震剖面都可追蹤，這個密集反射帶的頂?shù)捉缑媾c圖6中振幅增強的出現(xiàn)時間對應.在共深度點(CDP)21504～23100之間與23100～24000之間的反射特征不一致.在21600～23100之間淺部反射相對較弱，在深部上基本表現(xiàn)為近水平的密集反射.在CDP 23100～24000之間的反射整體較強，淺部也出現(xiàn)較多水平反射，深部呈現(xiàn)向上傾的連續(xù)面的密集反射區(qū).

圖3 處理前后大炮記錄對比(a)和(c)為動校正后兩個大炮的原始記錄；(b)和(d)顯示了原始記錄經(jīng)靜校正、濾波、自動增益、去噪、地表一致性反褶積及動校正后的單炮圖像.Fig.3 Comparison of large shot records before and after processing(a) and (c) show the original records of two large shot; (b) and (d) show processed single shot records. Static correction, bandpass filter, automatic gain, random noise attenuation, surface consistent deconvolution and normal moveout were applied.

圖4 處理后節(jié)點地震儀記錄的單炮數(shù)據(jù)Fig.4 Single shot recorded by node seismograph after processing

圖5 428XL(a)與節(jié)點(b)單炮記錄振幅對比Fig.5 Single shot amplitude. (a) 428XL; (b) node seismograph.

圖6 振幅衰減曲線(箭頭指向位置分別對應圖8剖面中密集反射的頂部及底部時間)Fig.6 Amplitude attenuation curve (the arrow pointing position respectively corresponds to the top and bottom time of strong-reflection area in Fig.8)

圖7 兩種儀器記錄地震資料疊加對比圖：顯示兩種儀器240 m道間距時的疊加剖面(a) 顯示由有纜地震儀428XL記錄的地震數(shù)據(jù); (b) 為節(jié)點地震儀記錄的數(shù)據(jù)； (c)和(d) 分別為(a)和(b)局部放大圖像.Fig.7 Comparison of seismic stack section recorded by two types of seismograph with the 240m trace spacing(a) shows seismic data recorded by cable seismograph 428XL, and (b) shows the data recorded by node seismograph; (c) and (d) respectively show local enlarged images of (a) and (b).

圖8 峨眉山大火成巖省內(nèi)帶深地震反射剖面(a)及下地殼密集反射趨勢(b)紅色線段范圍內(nèi)為增加了節(jié)點地震儀數(shù)據(jù)，提高了該段剖面內(nèi)的覆蓋次數(shù)和精度；圖(b)中紫色實線標識深部密集反射帶，延伸東部虛線假設(shè)這種密集反射帶的趨勢.Fig.8 Deep seismic reflection profiling (a) and trend of dense reflection area (b) of ELIPThe node seismograph data is added in the red arrow range, which improves the folds and accuracy in this section; The purple solid line in (b) identifies the dense reflection zone, and the dotted line extending to the east assumes the trend of this dense reflection zone.

4 峨眉山大火成巖省密集反射下地殼

20世紀80年代末期，大量的深地震反射研究表明，下地殼體的反射體可能是在一次大事件中形成的(Bois et al.，1987)，或者這種反射性質(zhì)代表了一個發(fā)生在長期或多個時期的過程.研究區(qū)包含于整個ELIP的內(nèi)帶，其地殼抬升與剝蝕量也是最大的(He et al.，2003).假設(shè)如Xu等(2015)DSS結(jié)果得到的內(nèi)帶6.3～6.5 km·s-1的平均地殼速度來計算，則出現(xiàn)這種密集的強反射大約從40 km深度左右開始出現(xiàn)(圖8b)，至56.7 km左右結(jié)束.自西向東呈現(xiàn)逐漸變淺的趨勢，東部密集反射的底部約在50 km深度處，這與Airy模型計算預測的內(nèi)帶地殼厚度(50～55 km)趨于一致.參考徐濤等人寬角地震資料的速度模型，則這種密集反射的剛性下地殼體的厚度在17.5 km左右.這與徐義剛等人的綜合研究結(jié)果較一致(徐義剛等，2013)，在東西向50 km剖面長度中隆升幅度超過5 km.由于Xu等(2015)給出的速度結(jié)構(gòu)剖面在本文深反射剖面以北1個緯度左右的位置，速度結(jié)構(gòu)可能存在少許差異.

在對ELIP的研究中，前人已對多種地球物理數(shù)據(jù)做出解釋，認為其形成與古地幔柱有關(guān)(Xu et al.，2004, 2007, 2015; Yang et al.，2020; Li et al.，2020; 張智奇等，2020).Xu等(2004)根據(jù)玄武巖的空間分布特點、下地殼的穹窿形狀及侵蝕程度等特征用地幔柱給出了很好的解釋.Xu等(2015)通過一條穿過ELIP內(nèi)帶、中帶和外帶的寬角地震剖面揭示了大火成巖省內(nèi)帶的局部上隆特征，并呈現(xiàn)出P波的高速異常，這種高速下地殼體的特征與我們深反射剖面的結(jié)果高度一致，但在深反射的精細結(jié)構(gòu)中，靠近元謀—綠汁江斷裂處的上隆特征更為明顯，且幅度更大.值得注意的是，S波高速異常與P波高速異常有一定差異，許多學者在峨眉山大火成巖省的S波速度結(jié)構(gòu)成像結(jié)果只在中上地殼顯示高速異常，而在下地殼是相對低速的(鄭晨等，2016; Bao et al.，2015).

對于這種強反射率的成因，包括地殼和地幔巖性的混合、韌性高應變帶、變質(zhì)分層、充滿流體的裂縫或高孔隙率帶，以及地殼底部玄武巖基的侵入(Klemperer et al.，1986).我們結(jié)合已有地球物理和地球化學的資料，通過計算密集反射下地殼的厚度和深度，將這一套密集反射的帶解釋為剛性物質(zhì)的下地殼體，可能是來自上地幔的巖漿呈席狀大范圍底侵到下地殼的結(jié)果，這可能是觀察到密集反射的重要原因.這與Xu等(2015)和Li等(2020)在此處的地球物理結(jié)果所呈現(xiàn)的下地殼體特征相一致.Xu等(2015)的寬角地震數(shù)據(jù)顯示在綠汁江斷裂以西存在明顯的下地殼隆起和高速異常特征.Li等(2020)的電磁結(jié)果展示了ELIP核心區(qū)下方大規(guī)模的高電阻率區(qū)，即堅硬的大陸巖石圈表現(xiàn).

這種高速異常和密集反射的下地殼體可能是在ELIP形成時，侵入地殼的上地幔鐵鎂質(zhì)物質(zhì)凝固造成的，對應了這種剛性物質(zhì)的強反射率性質(zhì)(Xu et al.，2007; Chen et al.，2015; Li et al.，2020; 張智奇等，2020).殼幔過渡帶的原生巖漿結(jié)晶形成增生下地殼(Chen et al.，2015).在ELIP核心地帶，地殼邊緣巖石圈受到鐵鎂質(zhì)-超鐵鎂質(zhì)巖漿的嚴重改造，其高強度使得巖石圈在隨后的構(gòu)造事件中也得以保存下來，表現(xiàn)出高電阻率特征(Li et al.，2020).只有在ELIP最核心的內(nèi)帶地區(qū)，即這種發(fā)生大范圍地幔熔融的地方，這種改造作用被大部分保留下來，使得晚新生代以來高強度的內(nèi)帶受到的構(gòu)造事件的改造作用弱于青藏高原東南緣的其他地區(qū).這種地幔柱模型能夠很好地解釋揚子地塊西部地區(qū)的地殼厚度遠大于東部地區(qū)的原因.當然，這些局部增厚隆升特征也與后期的區(qū)域構(gòu)造活動有一定關(guān)系，如印度板塊與歐亞板塊碰撞、青藏高原隆升等因素的改造，在剖面中呈現(xiàn)為同相軸密集、連續(xù)性較差的反射特征.

5 結(jié)論

從節(jié)點地震儀與常規(guī)有纜地震儀采集獲得的資料對比看，可以看到二者單炮及剖面呈現(xiàn)非常一致反射面貌，驗證了節(jié)點地震儀在主動源數(shù)據(jù)采集中的有效性.在復雜地表的山區(qū)進行野外工作，利用節(jié)點地震儀采集深地震反射剖面數(shù)據(jù)和天然地震數(shù)據(jù)，不僅具有節(jié)省成本、布設(shè)靈活等優(yōu)點，亦可同時獲取主動源與被動源信息，這種技術(shù)方法將在今后的研究中得以廣泛應用和迅速的發(fā)展.

本文通過深地震反射數(shù)據(jù)對ELIP內(nèi)帶進行了精細地殼結(jié)構(gòu)成像.結(jié)果顯示在ELIP內(nèi)帶的發(fā)現(xiàn)長達5 s雙程走時的密集反射下地殼體，計算厚度在17.5 km左右，局部隆升幅度超5 km.這種密集反射特征與前人研究得到的高速下地殼特征相一致，代表著古地幔柱活動對巖石圈改造的殘余，可能是上地幔的巖漿呈席狀底侵到下地殼多個深度.青藏高原側(cè)向的區(qū)域構(gòu)造作用，推動了地殼的增厚和局部隆升.綜合多種地球物理結(jié)果表明該地區(qū)是高VS和VP、高泊松比(VP/VS)、高密度(ρ)、高強度、低熱流、高電阻率的剛性區(qū)域.本文也為ELIP的古地幔柱解釋提供了新的途徑.但本文數(shù)據(jù)有限，無法完全覆蓋分辨出這種密集反射的下地殼體的面積及最大隆升高度.

致謝感謝中石化石油工程地球物理有限公司華北分公司高效的野外數(shù)據(jù)采集工作；感謝李井元工程師對數(shù)據(jù)處理提出的寶貴意見.感謝兩位匿名審稿人對稿件的誠懇的意見.