興蒙造山帶阿爾山火山群地殼厚度與波速比研究＊

張雅茜吳慶舉張瑞青白蘭淑

1） 中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所

2） 中國北京 100081 中國地震局震源物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

引言

中亞造山帶是全球最大的增生型造山帶（許文良等，2019），位于其東段的興蒙造山帶夾持于華北克拉通與西伯利亞克拉通之間（潘桂棠等，2009），大興安嶺——太行山重力梯度則是其最顯著的地球物理特征之一.自晚中生代開始，中亞造山帶東段受古太平洋板塊俯沖影響，經(jīng)歷了復(fù)雜的形變和巖石圈-軟流圈相互作用及巖漿作用，發(fā)育了大量中新生代板內(nèi)火山，例如阿爾山火山群、科洛火山群、諾敏河火山群、五大連池和長白山火山群等.因此該區(qū)域成為研究板內(nèi)火山活動及其成因機(jī)制的典型場所.

阿爾山火山群地處興蒙造山帶中段，是大興安嶺地區(qū)重要的火山群之一，發(fā)育有一系列北東向斷裂，主要有新林——頭道橋古縫合帶、大興安嶺斷裂帶和二連——黑河古縫合帶（圖1）.自新生代以來，阿爾山火山曾有強(qiáng)烈的玄武巖噴發(fā)（朱勤文等，1997；Liuet al，2001）.火山巖K-Ar測年結(jié)果和區(qū)域地質(zhì)調(diào)查綜合研究表明該火山群包含46座火山，在早、中、晚更新世和全新世均有活動記錄，主要是由第四紀(jì)構(gòu)造活動形成（樊祺誠等，2011）.地球化學(xué)研究表明，阿爾山火山巖為鈉質(zhì)系列堿性玄武巖，主要為堿性橄欖玄武巖，阿爾山第四紀(jì)火山活動與區(qū)域伸展作用背景下軟流圈地幔上涌、新生代大興安嶺造山活動有關(guān)（趙勇偉，樊祺誠，2012）.

圖1 研究區(qū)位置及臺站分布圖Fig.1 Study area and distribution of seismic stations

為揭示大興安嶺構(gòu)造帶與松遼盆地的接觸關(guān)系，在國家深部探測專項(xiàng)的支持下，中國地質(zhì)科學(xué)院于2010——2011年布設(shè)了從海拉爾盆地東緣至松遼盆地西緣的寬角折射地震剖面，獲得了大興安嶺及周邊地區(qū)的殼幔速度結(jié)構(gòu)（李英康等，2014）.該剖面結(jié)果顯示，大興安嶺西部天池鎮(zhèn)——阿爾山地殼底部存在一個明顯的高速異常，且上地幔頂部Pn波速度也偏高.結(jié)合該處高速高密度體的特征，李英康等（2014）推斷高速異常區(qū)是火山噴發(fā)的巖漿通道或巖漿囊.湯吉等（2005）利用大地電磁測深法反演了阿爾山火山區(qū)的電性結(jié)構(gòu)，其結(jié)果顯示該區(qū)地殼內(nèi)部存在低阻異常；梁宏達(dá)等（2016）也通過該方法對大興安嶺及兩側(cè)盆地的電性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了反演，其研究結(jié)果顯示伊爾施——蘑菇氣段下方的電性結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“高阻——相對高阻——低阻”的特點(diǎn)，推斷下地殼高阻體可能是已固結(jié)的巖漿通道.另有研究顯示阿爾山地區(qū)地殼上地幔中存在低速異常（張風(fēng)雪等，2013，2014；潘佳鐵等，2014；Guoet al，2015，2016；Liuet al，2017），但目前各結(jié)果關(guān)于低速異常的深度存有差異.Guo等（2015，2016）基于NECESSArray臺陣和固定臺站波形資料，采用背景噪聲層析成像等方法的研究結(jié)果表明阿爾山火山群下方中下地殼及上地幔中存在低速異常；而Liu等（2017）采用背景噪聲伴隨層析成像方法獲得的三維S波速度結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示阿爾山火山群下方的中下地殼至上地幔存在明顯的低速異常，且在火山群以西約150 km處中下地殼存在低速異常；張風(fēng)雪等（2013，2014）利用P波層析成像得到的結(jié)果顯示阿爾山火山群下方的低速異常深度范圍為60——600 km，S波層析成像顯示該異常的深度范圍為100——400 km，同時(shí)向東與松遼盆地南部的低速異常連通，故推斷火山下方的低速異常區(qū)可能是輸送熱物質(zhì)的通道.另一方面，張廣成（2012）和Tao等（2014）利用中美等國際聯(lián)合項(xiàng)目臺陣NECESSArray、綏滿臺陣和額虎臺陣的數(shù)據(jù)對興蒙造山帶的地殼上地幔結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了接收函數(shù)的研究，其結(jié)果顯示南北重力梯度帶西側(cè)，莫霍面較平緩，東側(cè)地殼厚度變化大，高泊松比區(qū)域零星地分布在阿爾山火山群和長白山火山群的下方.

雖然上述地球物理研究給出了興蒙造山帶不同尺度的殼幔結(jié)構(gòu)，但阿爾山地區(qū)的臺站相對稀疏，所獲殼幔結(jié)構(gòu)對于認(rèn)識阿爾山火山群的成因略顯不足.中國地震局地球物理研究所于2019——2021年在阿爾山火山地區(qū)布設(shè)了29套寬頻帶地震儀進(jìn)行觀測（圖1），為開展阿爾山火山深部結(jié)構(gòu)及火山成因研究提供了地震學(xué)觀測數(shù)據(jù).本文利用阿爾山臺陣AR的遠(yuǎn)震體波數(shù)據(jù)，提取P波接收函數(shù)并使用H-κ疊加方法得到該區(qū)域的地殼厚度和平均波速比，為該火山群形成的動力學(xué)機(jī)制提供地球物理學(xué)證據(jù).

1 數(shù)據(jù)和方法

本文所用數(shù)據(jù)為2019——2020年的阿爾山臺陣的遠(yuǎn)震波形數(shù)據(jù)，從中提取接收函數(shù)的具體步驟為：首先，選取震中距為30°——90°且震級為M＞5.5的遠(yuǎn)震事件，對事件數(shù)據(jù)進(jìn)行去傾斜、去均值、去線性趨勢處理，在0.05——2 Hz頻帶范圍內(nèi)進(jìn)行帶通濾波，并挑選出P波初至震相明顯、三分量事件記錄完整且垂直分量衰減快的地震事件206個（圖2）；然后，截取理論P(yáng)波到時(shí)前10 s與后100 s之間的地震波形數(shù)據(jù)，并將E分量和N分量根據(jù)大圓弧角度旋轉(zhuǎn)至徑向分量和切向分量；最后，將三分量數(shù)據(jù)降采樣為10 Hz，采用時(shí)間域迭代反褶積方法（Kikuchi，Kanamori，1982；Ligorría，Ammon，1999），利用 CPS330 程序（Herrmann，2013）計(jì)算接收函數(shù).在接收函數(shù)的計(jì)算中，選取高斯系數(shù)為2.5，對應(yīng)的截止頻率約為1.25 Hz.最終人工挑選出每個臺站下方Ps震相明顯的高質(zhì)量接收函數(shù)，共計(jì)1 346條，單臺接收函數(shù)平均為58條、最多105條.

圖2 本文所用遠(yuǎn)震事件分布紅色三角形為研究區(qū)域中心，藍(lán)色圓點(diǎn)為地震事件Fig.2 Distribution of teleseismic events used in this studyRed triangle is the center of study area，blue dots are seismic events

當(dāng)遠(yuǎn)震P波到達(dá)速度間斷面時(shí)，會產(chǎn)生轉(zhuǎn)換波或反射波.H-κ疊加方法即利用直達(dá)P波在莫霍界面所產(chǎn)生的Ps轉(zhuǎn)換波及多次轉(zhuǎn)換反射波震相等信息進(jìn)行地殼厚度H和平均波速比κ的計(jì)算.利用給定的每組H和κ值，可以計(jì)算出理論的Ps，PpPs，PpSs＋PsPs震相到時(shí)與直達(dá)P波到時(shí)差，之后基于到時(shí)差，在一定的H和κ范圍內(nèi)，對實(shí)際計(jì)算得到的各臺站下方接收函數(shù)進(jìn)行掃描，可獲得不同射線參數(shù)的接收函數(shù)理論到時(shí)所對應(yīng)的三個震相的振幅值，將振幅按照一定的權(quán)重疊加，則

式中：r為各震相Ps，PpPs，PpSs＋PsPs對應(yīng)的振幅；ω1，ω2和ω3為各震相振幅的疊加加權(quán)系數(shù)；S（H，κ）為疊加后的總振幅，其最大值所對應(yīng)的即為最優(yōu)地殼厚度和平均波速比（Zhu，Kanamori，2000）.根據(jù)李英康等（2014）在該研究區(qū)所得到的人工地震結(jié)果，本文在H-κ疊加掃描中，給定地殼平均P波速度為6.1 km/s，地殼厚度的變化范圍為20——60 km，波速比的變化范圍為1.5——2.0，三個震相Ps，PpPs，PpSs＋PsPs的疊加加權(quán)系數(shù)ω1，ω2和ω3分別為0.7，0.2，0.1.由于提取到的接收函數(shù)Ps震相的一致性比較好，而PpPs和PpSs＋PsPs震相的一致性相對較差，因此賦予Ps震相更大的疊加權(quán)重.在此基礎(chǔ)上計(jì)算H和κ的方差，進(jìn)行相應(yīng)的誤差分析.最終，我們根據(jù)H-κ掃描得到的地殼厚度和波速比以及三個震相的到時(shí)公式（Zhu，Kanamori，2000）

計(jì)算其到時(shí)，并在接收函數(shù)上標(biāo)記.式（2）中的vP為地殼平均P波速度，vP/vS為波速比κ，p為射線參數(shù).

掃描結(jié)果的誤差可通過疊加結(jié)果最大振幅位置的平滑度得到.對疊加函數(shù)進(jìn)行泰勒展開，并忽略高階項(xiàng)，可以得到H和κ的方差和標(biāo)準(zhǔn)差：

式中 σS為目標(biāo)函數(shù)S的估計(jì)方差.

2 結(jié)果

2.1 接收函數(shù)及可靠性

通過H-κ疊加方法，我們得到了25個臺站的地殼厚度和波速比值（表1）.此外，AR01和AR02臺站可能受較厚沉積層的影響，直接使用H-κ疊加計(jì)算出的結(jié)果明顯與該區(qū)域的正常地殼結(jié)構(gòu)不符，故舍棄，其接收函數(shù)結(jié)果見圖3；AR20和AR34臺站所記錄波形的信噪比低，亦舍棄.

表1 各臺站基本信息及相應(yīng)的 H-κ 疊加結(jié)果Table 1 Basic information of each station and corresponding H-κ stacking results

圖3 AR01 和 AR02 臺站的接收函數(shù)波形Fig.3 Receiver functions of the stations AR01 and AR02

對H-κ疊加結(jié)果的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4所示，可見：地殼厚度H的標(biāo)準(zhǔn)差普遍小于3.0 km，平均誤差為2.6 km；波速比κ的標(biāo)準(zhǔn)差普遍小于0.06，平均誤差為0.06.AR05和AR35 （圖5b）兩個臺站附近分布著NECESSArray臺陣的YP.NEA4和YP.NEA2，本文得到的AR05和AR35臺站的地殼厚度和波速比與Tao等（2014）獲得的NECESSArray臺站的結(jié)果非常相近.

圖4 地殼厚度 H （a）和波速比 κ （b）的誤差分布Fig.4 The error distribution of crustal thickness H （a） and vP/vS ratio κ （b）

使用計(jì)算出的25個臺站的地殼厚度和波速比進(jìn)行插值，得到了研究區(qū)內(nèi)地殼厚度和波速比分布圖（圖6）.

2.2 地殼厚度

本研究顯示，阿爾山火山區(qū)莫霍面所產(chǎn)生的Ps轉(zhuǎn)換震相到時(shí)大致為4.4——5.0 s.從圖6a可以看出，地殼最厚處（37.9 km）位于研究區(qū)的北部，最薄處在重力梯度帶以西的哈多河鎮(zhèn)西側(cè)（33.9 km），平均地殼厚度為35.8 km.地殼厚度呈現(xiàn)出由西北向東南減薄的趨勢，在火山帶附近地殼較薄，但整體上變化不大，這一變化趨勢與前人對大興安嶺區(qū)域及東北地區(qū)的研究結(jié)果（高延光，李永華，2014；朱洪翔等，2017）一致.

研究區(qū)內(nèi)地殼厚度以南北重力梯度帶為界，以西地區(qū)，地殼厚度呈塊狀分布.塔爾氣鎮(zhèn)以北，地殼厚度超過36.5 km，并有向NW方向繼續(xù)增厚的趨勢.高占永（2015）利用H-κ疊加得到的本研究區(qū)北部綏滿臺陣SM測線的結(jié)果也表現(xiàn)出地殼厚度向北加厚的趨勢，同時(shí)向東跨過南北重力梯度帶后地殼厚度穩(wěn)定在35 km左右，這一結(jié)果也與研究區(qū)東北側(cè)諾敏河火山群的地殼厚度（謝振新等，2018）相符.南北重力梯度帶以東地區(qū)的地殼厚度整體較薄，小于34.5 km，與張廣成等（2013）得到的松遼盆地西側(cè)的地殼厚度相近.李英康等（2014）利用深地震測深得到的地殼上地幔頂部P波速度顯示，以柴河鎮(zhèn)為界，地殼厚度從（120.8°E，47.6°N）西側(cè)的超過40 km向東迅速減薄至大興安嶺斷裂帶附近的35 km以下.本研究結(jié)果在柴河鎮(zhèn)附近也顯示出這一趨勢，但地殼厚度較李英康等（2014）的結(jié)果約薄4 km.考慮到深地震測深得到的是P波速度結(jié)構(gòu)，而接收函數(shù)對S波速度變化更為敏感（高延光，李永華，2014），兩種方法得到的地殼厚度偏差在4 km范圍內(nèi)，并非不可接受.

值得注意的是，研究區(qū)中部伊敏德仁附近AR19臺站的地殼厚度為34.0 km （圖6a），小于周邊36.5 km以上的地殼厚度.對該臺站接收函數(shù)進(jìn)行檢查后確認(rèn)，接收函數(shù)波形（圖5a）的信噪比較高，H-κ疊加結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.6 km和0.04，相對穩(wěn)定， 分別小于本文獲得的地殼厚度和地殼波速比的平均誤差2.6 km和0.06，因此可以相當(dāng)有把握地確認(rèn)該臺站附近的莫霍面存在局部的小幅隆起.

圖5 AR19 （a）和 AR35 （b）臺站的接收函數(shù)波形（上）和 H-κ疊加結(jié)果（下）Fig.5 Receiver functions （upper panels） and H-κ stacking results （lower panels）of the stations AR19 （a） and AR35 （b）

2.3 波速比分布

阿爾山地區(qū)臺站下方的平均地殼波速比介于1.73——1.83之間，平均值為1.78，與全球大陸平均波速比（Zandt，Ammon，1995）相當(dāng)，但高于東北地區(qū)平均值1.76 （朱洪翔等，2017）.研究區(qū)波速比較大的地方主要集中在火山附近，最大值為1.83；波速比最小值為1.73，位于研究區(qū)北側(cè)的塔爾氣鎮(zhèn)西北，該值與張廣成（2012）得到的SM14和SM15臺站的結(jié)果相似.從圖6b中可以看出，研究區(qū)存在三處高波速比區(qū)（H1，H2，H3），主要位于火山附近，H1區(qū)在南北重力梯度帶西側(cè)明水河鎮(zhèn)以北附近，波速比可達(dá)1.83；H2區(qū)位于研究區(qū)北側(cè)伊敏德仁附近，波速比為1.83；H3區(qū)在中南部天池鎮(zhèn)地區(qū)，波速比為1.80.

圖6 研究區(qū)內(nèi)地殼厚度 H （a）與波速比 κ （b）分布（白色圈為高波速比區(qū)域）Fig.6 Distribution of crustal thickness H （a） and vP/vS ratio κ （b） beneath the stations in the study area （The white circles denote the areas with high vP/vS ratio）

3 地殼厚度與高程、波速比的關(guān)系

3.1 地殼厚度與高程的關(guān)系

研究區(qū)地貌以山地為主，地形變化較大，各臺站海拔從0.45 km到1.25 km不等.對各臺站高程與所得地殼厚度之間的關(guān)系進(jìn)行研究后可知，地殼厚度與地表高程成正相關(guān)關(guān)系（圖7a），對離散的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到如下方程：

圖7 地殼厚度 H 與高程 E （a）、波速比 κ （b）的關(guān)系圖Fig.7 Correlations between crustal thickness H and elevations E （a） and vP/vS ratios κ （b）

式中，H為地殼厚度（km），E為臺站高程（km）.回歸直線的相關(guān)系數(shù)R約為0.6，說明地殼厚度與高程之間呈弱相關(guān)， 可能反映研究區(qū)受到熱物質(zhì)上涌影響，處于相對不均衡的狀態(tài).

3.2 地殼厚度與波速比的關(guān)系

阿爾山火山區(qū)的地殼厚度與波速比之間存在負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖7b），這與前人得到的大興安嶺地區(qū)（高延光，李永華，2014）及北部諾敏河火山群（謝振新等，2018）的結(jié)果相似.嵇少丞等（2009）基于地殼厚度與波速比之間的關(guān)系，提出了可以約束大陸地殼構(gòu)造演化過程的幾種流變形構(gòu)造模式.地殼厚度與波速比之間的負(fù)相關(guān)主要對應(yīng)于兩種模式：一是構(gòu)造擠壓環(huán)境造成地殼增厚失穩(wěn)，進(jìn)而出現(xiàn)下地殼拆沉；二是拉張環(huán)境下基性巖漿對地殼形成底侵（嵇少丞等，2009）.一般來說，酸性花崗巖（硅鋁質(zhì)）的波速比≤1.76，中性巖的波速比為1.76——1.81，基性輝長巖（鐵鎂質(zhì)）的波速比在1.81——1.87之間（Tarkov，Vavakin，1982）.

研究區(qū)以南北重力梯度帶為界，地殼厚度和波速比的分布呈現(xiàn)不同的特點(diǎn).重力梯度帶西側(cè)柴河鎮(zhèn)——明水河鎮(zhèn)北側(cè)存在一個近似三角形的高波速比區(qū)H1，其地殼厚度和平均波速比分別為34.4 km和1.81.過柴河鎮(zhèn)有一條平行于其東側(cè)大興安嶺斷裂帶的NE向地震分布區(qū)，穿過本文接收函數(shù)H-κ掃描得到的高波速比區(qū)H1，說明H1附近存在殼內(nèi)斷裂帶，該殼內(nèi)斷裂帶為地幔巖漿物質(zhì)上涌提供了通道，造成了該區(qū)地殼的減薄和波速比的增高.H1以東地區(qū)（南北重力梯度帶以東）地殼厚度與H1相近，約為34.4 km，但波速比并不高，多在1.75左右.重力梯度帶兩側(cè)相同的地殼厚度、不同的地殼波速比反映出重力梯度帶兩側(cè)雖然均處于構(gòu)造伸展環(huán)境，但其西側(cè)可能受到更為強(qiáng)烈的巖漿作用.韓江濤等（2018）發(fā)現(xiàn)柴河鎮(zhèn)東側(cè)下地殼中存在“拱橋式”的中、低阻異常，并推斷該異常區(qū)為玄武質(zhì)巖漿運(yùn)移的通道.

伊敏德仁北部的高波速比H2區(qū)的地殼厚度為34 km，波速比達(dá)到1.83，明顯有別于周邊地區(qū).根據(jù)伊敏河林場地質(zhì)調(diào)查圖（李衛(wèi)東等，2014），該區(qū)域出露酸性的中生代花崗閃長巖，而本文得到的波速比1.83已處于基性巖的范圍內(nèi)，表明中生代酸性花崗閃長巖之下的地殼存在基性成分.考慮到該區(qū)地殼較薄，我們推測地幔熱物質(zhì)上涌，玄武巖漿底侵并強(qiáng)烈改造了下地殼，但尚未穿透上地殼到達(dá)地表，從而導(dǎo)致該區(qū)域地殼減薄、波速比值顯著增高.

天池鎮(zhèn)周邊存在著另一個高波速比區(qū)H3，該區(qū)內(nèi)AR28和AR29臺站的波速比均為1.80，地殼厚度分別為35.5 km和36.0 km.天池鎮(zhèn)附近出露有火山口，且該地出露有堿性橄欖玄武巖（劉嘉麒，1999），天池林場四方山火山錐的熔巖和火山彈中含較多的超鎂鐵質(zhì)巖包體.因此，本文推斷該區(qū)域經(jīng)歷的多次火山噴發(fā)活動對地殼進(jìn)行了改造，不僅導(dǎo)致地殼減薄，還將地幔中的鎂鐵質(zhì)物質(zhì)帶入地殼并噴發(fā)至地表，證明該處存在巖漿通道.梁宏達(dá)等（2016）的大地電磁測深結(jié)果顯示，此處下地殼存在高阻體，這一高阻體對應(yīng)高速異常（李英康等，2014），并推斷此處存在已固結(jié)的巖漿通道.本文得到的波速比值1.80，略低于H1和H2區(qū)的波速比值，可能與巖漿通道固結(jié)有關(guān).

綜上所述，結(jié)合東北地區(qū)火山和火山巖的分布狀況所反映的大陸裂谷型特點(diǎn)（趙海玲等，1996），我們推斷本研究獲得的阿爾山火山群地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)可能是拉張環(huán)境下基性巖漿底侵作用的結(jié)果.

4 結(jié)論

利用在阿爾山火山群布設(shè)的寬頻帶流動地震觀測臺陣，提取了遠(yuǎn)震P波接收函數(shù)，并通過H-κ疊加方法獲得了火山區(qū)下方的地殼厚度和平均波速比分布.相對于前人基于較為稀疏臺陣數(shù)據(jù)得到的結(jié)果，本文得到了研究區(qū)內(nèi)更為精細(xì)的結(jié)構(gòu).結(jié)果表明：

1） 研究區(qū)的地殼厚度總體介于33.9——37.9 km，南北重力梯度帶以西地殼較厚，以東地殼較薄.火山帶附近地殼呈現(xiàn)出減薄趨勢，地殼最薄處約34.0 km，位于伊敏德仁附近，可能是受到上地幔物質(zhì)上涌影響，進(jìn)而導(dǎo)致莫霍面局部隆起.

2） 研究區(qū)地殼的平均波速比介于1.73——1.83，存在三個明顯的高波速比區(qū)（H1，H2，H3），其內(nèi)地殼均較薄.綜合地殼厚度與波速比的負(fù)相關(guān)關(guān)系以及前人的研究結(jié)果，本文推斷地幔熱物質(zhì)上涌底侵地殼，導(dǎo)致三個局部區(qū)域地殼的減薄和波速比值的增高.

3） 研究區(qū)地殼厚度與高程之間的弱相關(guān)關(guān)系，可能說明其處于相對不均衡的狀態(tài)，具體原因尚待進(jìn)一步探討.

感謝參與臺站儀器布設(shè)和維護(hù)、數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理的全體人員，感謝兩位評審老師提出的寶貴指導(dǎo)意見.本文圖件均由 GMT （Wesselet al，2013）繪制.