秦岭造山带深地震测深剖面地壳速度结构

秦岭造山带深地震测深剖面地壳速度结构

0中新生代造山作用与构造格架秦岭山脉是重要的造山带，西起齐连、阿尔金、昆仑，东起东伏、苏吉至临津，形成西方的斯台，东至朝鲜半岛，西起东距东亚中部5000公里以上。李春玉等（1978年和1982年）建立了商南-达峰板块的适应带，并提出了丰县-印支那河地区的印支时期的班煤调整带。该缝煤带连接了西北秦岭和南方秦岭的两个构造带。南北秦岭造山带北临南北秦岭造山带，南临扬子板块南缘被动陆缘（huetal.1987；王楚光等，1989）。张国伟等（1995、1996、2001）、周文戈等（1999）认为，秦岭造山带可以用三种不同的组合来描述。南商-达峰适应带以北为华北板块，南阳-甘达康县-文县为杨子板块，西连秦岭微带。这条适应带位于秦岭造山带、扬子地块和松潘甘孜造山带的结合区。从东到西，由于西秦岭造山带和东秦岭造山带的挤压结构，以及东西山脉的拉张构造带的形成和发展（0.8.06ga）。（3）中、金、古、元、古、东、良光此后，由于西秦岭造山带和东秦岭造山带的挤压结构，形成了中、东秦岭造山带的三个不同结构区。杨景绥等人（2000、2001、2002）根据东、西秦岭-文盆纪、东秦岭-东秦岭-东龙山带的特征，以及东西山脉的构造带，杨景绥等人（2000、2001、2002），杨继华（1995、1996、1997、1999），杨继华（1995、1996、1997、1999），杨景绥等人（2000、2001、2002），杨继华（1995、1996、1997、1999），杨继华（1995、1996、1997、1999）。根据东、西秦岭-法尔茨古代-上、，无论东西山脉的形成和形成，西秦岭-大别造山带的构造带都有南北山脉的构造带，南北山脉的构造带是从东到西的古生。基于地球物理方法对秦岭造山带的地壳结构、构造研究主要集中在秦岭造山带的东部、西部地区,多数剖面沿近南北方向布置(周国藩等,1992;袁学诚等,1994,2002,2008;曹家敏等,1994;曾融生等,1995;何建坤等,1998;徐明才等,2000;陈学波等,2001;李文勇等,2004;周民都,2006;高锐等,2001,2006,2006b,2011;王海燕等,2007;张季生等,2007;张先康等,2008;任隽等,2012、2013;DongSW,etal.2013;滕吉文等,2014;姚志祥等,2014;李洪强等,2014),总体特征表明秦岭造山带的地壳厚度具有自东向西逐渐增厚的特点.羌塘块体地壳厚度为72km,西秦岭构造带的地壳厚度为42~56km,渭河盆地附近为39km.凤凰山下55~57km,大巴山下46~48km,柞水附近约45km,方城附近约35km.十堰市、郧县附近为38~40km左右,向东约为35~32km,最浅处29km.秦岭构造带及邻区的地壳结构、地壳厚度变化特点反映了自晚海西-印支期华北板块与扬子板块的陆-陆碰撞与缝合、陆内造山、青藏高原隆升以及向东北方向扩张等作用对秦岭造山带的强烈改造后的地壳结构、构造变形特征.总之,横亘在华北与扬子板块之间的秦岭造山带,无论是大地构造位置,还是独特的构造演化特点,均受到了地球科学界的关注.为此,2013年中国地质科学院地质研究所和国土资源实物地质资料中心等单位,在“中央造山带与南北构造带交汇区地壳深部地质调查”项目和“深部探测技术与集成项目(Sinoprobe-02)”的资助下,联合开展了秦岭深地震反射与宽角反射、折射联合探测技术实验.本文对沿秦岭东西测线(图1),采集的6炮宽角反射、折射地震资料,进行了分析、处理和解释,获得了二维地壳速度结构,对探讨秦岭造山带东西方向的地壳结构和地质构造演化具有重要意义.1野外观测系统设计秦岭造山带内的宽角反射与折射地震测深剖面沿东-西向布设,长度约560km,经过西秦岭造山带、扬子板块北部边缘带和东秦岭造山带.西起甘肃省陇南市附近的安化镇、向东依次经过康县、略阳县、陕西省勉县、汉中市北、西乡县、石泉县、汉阴县、安康市、旬阳县、白河县,东端延至湖北十堰西柏林镇(图1).在秦岭造山带内560km的地震测线上布设6个炮点,自西向东分别是康县东炮(2000kg)、勉县东炮(1500kg)、黄安镇炮(1500kg)音河乡炮(1500kg)、旬阳县北炮(1500kg)、白河县西炮(2000kg),炮间距60~90km.每炮采用6~8口深井组合爆炸激发地震波,炮点参数见表1.测区内地壳平均厚度为42~54km,由此可估算Moho反射临界位置大约在110~130km,采用图2所示的追逐、相遇观测系统,进行地震数据采集,能够保证地壳内有效波的追踪和Moho面的连续性.2013年8月12日-26日开展了野外观测工作,投入国产DZS-1型数字深层地震仪260台,按台站间距2~3km布设,覆盖整个地震测线或每炮的有效接收段,完成6个大炮观测,获得了较高质量的地震资料.但因地震测线沿公路布置、炸药量小激发能量弱和汽车干扰,造成了地震记录的背景噪声较大.2折射波pn和pn首波在2013年9~11月进行了秦岭造山带剖面的地震资料处理工作,采用最高8Hz的频率滤波,折合速度为6.0km/s,-3秒~7秒的时窗绘制了折合时地震记录截面图,见图3.在秦岭造山带内的地震记录截面上,可识别出6个震相,分别是Pg基底界面之上的回折波,P2震相为上地壳底面的宽角反射波,P3震相为中地壳底面宽角反射波,P4震相为下地壳内界面的宽角反射波,Pm震相为莫霍面(Moho)的宽角反射波和Pn首波(图3a),在图3b中三炮地震记录中没有识别出Pn首波.2.1基底界面速度特征Pg波震相的特点表明:剖面西部勉县以西S1炮、S2炮左支的Pg波走时较小,尾部时间较小,说明基底界面浅、浅层速度大,平均视速度为5.6~6.1km/s.剖面中部勉县以东的汉中市、西乡县至石泉县西,S2炮右支、S3炮、S4炮左支Pg波走时较大、尾部时间大,说明基底界面深、浅层速度小,平均视速度为4.6~6.2km/s;石泉县东至汉阴县的S4炮右支Pg波走时较大、尾部时间变小,说明基底界面深、浅层速度较大,平均视速度为5.0~6.1km/s;安康市、旬阳县西S5炮左支Pg波走时和尾部时间变大,说明基底界面变深、浅层速度小,平均视速度为4.7~6.1km/s.剖面东部旬阳县东、白河县至十堰市S5炮右支、S6炮Pg波走时和尾部时间的明显变小,说明基底界面深度变小、浅层速度变大,平均视速度为5.6~6.2km/s.此外,S5炮右支、S6炮的横波Sg发育,能量最强(图3c).2.2下地壳平均速度P2震相为上地壳底面的宽角反射波,在近距离是续至波,70~90km之后为初至波,可以有效追踪、识别.大于100~110km后,震相出现在折合零线之下为负值,表明平均速度较大.P2震相的特点表明:秦岭造山带地区的上地壳平均速度明显偏高为5.92~6.05km/s.两侧的平均速度较大为6.0~6.05km/s.中部勉县、汉中市、西乡县的平均速度低于两侧为5.92~6.0km/s.2.3震相的识别与速度P3震相为中地壳底面的宽角反射波,在近距离是续至波,120~130km之后为初至波,可以有效追踪、识别.大于140~150km后,震相出现在折合零线之下为负值,表明平均速度较大.P3震相的特点表明:秦岭造山带中地壳之上的平均速度偏高为6.14~6.22km/s,西部的平均速度6.14~6.20km/s小于东部的平均速度6.16~6.22km/s.2.4震相p4震相P4震相为下地壳内界面的宽角反射波,在近距离是续至波,150~170km之后为初至波,可以有效追踪、识别.大于180~190km后,震相出现在折合零线之下为负值,表明平均速度较大.P4震相的特点表明:秦岭造山带下地壳上层以上的平均速度偏高为6.33~6.38km/s,两侧的平均速度略高于中部的平均速度.2.5地壳平均速度特征Pm震相为莫霍面(Moho)的宽角反射波,Pm震相的临界反射位置在120~140km左右.在近距离是续至波,200km之后为初至波,可以有效追踪、识别.大于210~220km后,震相出现在折合零线之下为负值,表明整个地壳平均速度较大.Pn震相为莫霍面的首波,在210km之后出现.Pm震相的特点表明:秦岭造山带地壳平均速度较高为6.44~6.48km/s,总体上变化不大.莫霍面的首波Pn出现在210~220km之后,速度为7.85~8.0km/s.2.6地壳平均速度震相分析中发现了沿整个剖面的地震记录中Pg震相的最大视速度明显偏大,达到6.1~6.2km/s.P2震相在100~110km后出现在折合零线之下,走时为负值,表明平均速度偏大,最小为5.93km/s,最大达到6.05km/s.正常地壳的平均速度值为5.7~5.9km/s左右.P3震相在140~150km后出现在折合零线之下,走时为负值,表明平均速度偏大,最小为6.14km/s,最大达到6.22km/s.正常地壳的平均速度值为5.9~6.1km/s,最大不超过6.1km/s.P4震相在180~190km后出现在折合零线之下,走时为负值,表明平均速度偏大,最小为6.33km/s,最大达到6.38km/s.正常地壳的平均速度值为6.2~6.3km/s.Pm震相在210~220km后出现在折合零线之下,走时为负值,表明平均速度偏大,最小为6.44km/s,最大达到6.48km/s,基本上达到地壳平均速度的最大值6.45~6.5km/s.明显大于正常的地壳平均速度.据此反演秦岭造山带的地壳各层速度将大于正常地壳的速度.对于P2、P3、P4震相出现在折合零线之下,走时为负值的情况,在以往的震相分析中很少见,大多数情况下是Pm、Pn震相在远距离出现在折合零线之下,走时为负值.这表明中、下地壳的平均速度较大是存在的.这是因为地震波走时曲线的平方接近于直线,其斜率与平均速度平方的倒数相关(1/V3震相到速度和震相到时长秦岭造山带内的二维地壳速度结构是在震相识别的基础上建立的,并以测线通过地形最高点的高程约2000m为模型零点,构制了剖面的初始二维地壳模型.正演拟合计算采用基于地震波的渐近射线理论方法(CervenyV,etal.,1982,1984),对各炮拾取的到时进行拟合,通过不断修改反射界面深度和层速度,逐步改进初始二维速度结构.并在同一二维速度结构模型中,逐步完成6炮、每炮5个震相的地震波到时拟合,达到满意的程度,限制模型的多解性见图4~图5.图5是综合射线(a)、到时图(b)和简化的地壳速度模型(c),通常由反演得到Pn波的速度值.图4~图5中的三角表示拾取的震相到时,方框表示理论计算的震相到时.射线追踪正演拟合精度为时间误差多数小于0.05秒,最大不超过0.1秒.速度误差控制在0.05km/s之内,莫霍面深度误差小于1km.图5结果表明在秦岭造山带内,莫霍面的地震波到时在汉中市西部大,东部小.说明西侧造山带的地壳厚度大,为52~54km;东侧造山带的地壳厚度小,为43~50km,在白河县东为43~44km.另一个特点是整个秦岭造山带内的上地壳下层的层速度6.25~6.4km/s和中地壳的层速度6.42~6.56km/s明显大于横穿其他地区盆山结构的速度.原因可能是在板块碰撞、造山过程中,下地壳的物质上升进入中地壳,造成了地壳的速度偏高.也可能是地壳介质的速度各向异性引起的.即沿造山带方向的地震波速大,垂直造山带方向的地震波速度小,也就是说沿着造山带方向地震波穿过的裂隙带、破裂带比垂直造山带方向少.图6为康县东(S1)炮的实测地震记录、理论地震图和射线追踪图.经过射线追踪正演,获得了秦岭造山带的地壳速度-深度结构见图7.图7a为沿地震测线的地名、炮点位置和高程.图7b为基底界面之上的速度结构和图7c为整个地壳的速度结构,均由Seis88程序计算得到.图7c显示的固结地壳为5层结构,其中第1个界面为Pg波终止位置界面(基底界面),下面4个界面,分别是震相分析中P2、P3、P4、Pm宽角反射震相的反射界面.整个地壳分为三个构造单元,勉县以西为西秦岭,石泉县以东为东秦岭,勉县-石泉县的中间区域为扬子板块北部边缘带(图1).莫霍面呈现自东向西逐渐增深的特点,在勉县和略阳县之间的莫霍面最深为53~54公里,白河县以东的莫霍面最浅为42~43公里.地表高程、基底界面与莫霍面呈镜像.依据S1、S3、S6炮的莫霍面首波Pn,反演获得的地幔顶部速度为7.85~8.0km/s.3.1地表速度随地表速度变化上地壳分为2层,第1层的底面为基底界面(图7b).略阳县(勉-略缝合带)以西,基底界面深度为4.4~5.0km,地表速度较大达到5.7km/s,底部速度为6.1km/s.在勉略缝合带附近基底深度为5.6~6.8km,地表速度为5.4km/s,底部速度达到最大为6.2km/s.汉中盆地的地表速度最小为4.7km/s,底部速度为6.1km/s,基底界面深度最大为7.0~7.3km.从西乡县西侧至石泉县到汉阴县东侧,地表速度逐渐变大,由4.8km/s变到5.3km/s;底部速度为6.1~6.2km/s,基底界面深度为6.7~7.3km.安康盆地的速度最低为4.65km/s,底部速度较大为6.2km/s,基底界面深度为6.8~7.2km.旬阳县东侧至十堰市的地表速度较大为5.65~5.7km/s,基底界面深度为6.1~7.1km.第2层的底面是上地壳底面,即所谓的康拉德界面(图7c).略阳县以西,界面深度为12~13.1km,速度为6.25~6.34km/s.在勉-略缝合带附近界面下凹为15.5~16km,速度达到最大为6.34~6.4km/s.汉中盆地周围的界面上隆,深度最小为11.8~13.3km,速度为6.28~6.37km/s.从西乡县西侧至石泉县到汉阴县东侧,界面逐渐变深,深度为13.8~16.9km,速度为6.25~6.35km/s.安康盆地附近的界面上隆,深度为14.8~15.9km,速度为6.26~6.35km/s.旬阳县东侧至白河县东界面深度为15.3~16.1km,速度为6.3~6.36km/s.十堰市的界面深度变浅为13.8~14km,速度为6.25~6.32km/s.3.2下地壳的速度结构特征中地壳为1层,反射界面为中地壳的底面,总体特征呈现中间凹,两侧升态势,并且界面剧烈起伏,速度变化明显(图7c).略阳县以西界面深度为21~21.8km,速度为6.42~6.48km/s.略阳县东、汉中市至西乡县西界面起伏明显,深度明显增深为24.8~26.1km,速度为6.45~6.54km/s.西乡县、安康市至旬阳县西界面明显起伏,深度由26km增加到29km,速度为6.47~6.56km/s.旬阳县、白河县至十堰市的界面呈现一个向西倾斜的陡坡,深度由东部的20.9km增加到西部的28.5km,速度为6.47~6.54km/s.值得注意的是在西乡县以东至白河县,速度等值线明显上隆,层速度明显偏大为6.47~6.56km/s.并在深度19.5~20km达到6.5km/s,比正常中地壳的速度值大0.08~0.12km/s.通常国际上用速度值6.50km/s来确定下地壳的顶界面.而在秦岭造山带速度6.5km/s出现在中地壳,说明沿造山带方向的地壳速度较大,在中地壳存在高于正常中地壳的速度值.这是因为以往深地震测深剖面多垂直地质构造、造山带方向布设,来自垂直地质构造方向的探测结果形成的一般认识,可能会造成沿造山带方向地壳速度结构解释上的困难.沿秦岭造山带的地壳结构的高速度特点,对认识造山带内部的地壳结构特征提供了一个具有重要意义的窗口.此外,如果是震相判别有误,对同一个震相(P3)、多炮(S2、S3、S4、S5、S6)到时数据,在同一个模型中难于拟合.3.3界面和界面特征下地壳分为2层,第1层的底面为下地壳内的反射界面,总体特征呈现两侧向中间倾斜,并伴有明显的起伏,在石泉县下方达到最深为40.5km.速度呈现随界面深度增加而增大的特点.勉县以西呈现向东倾斜的缓坡,深度为34.9~38.5km,速度为6.6~6.65km/s.勉县东至石泉县界面深度变深达到39~40.5km,速度为6.63~6.7km/s.石泉县东至十堰市的界面呈现向西倾斜、剧烈起伏的形态,深度由东部的32.2km变到西部的40.5km.速度由东部的6.62~6.65km/s变到西部的6.65~6.7km/s.第2层的底面是为莫霍面,呈现西深东浅起伏的向西倾斜的斜坡.深度为42~54km,在勉县至略阳县达到最深54km.速度由东边的6.73~6.82km/s变到6.76~6.84km/s.勉-略缝合带以西界面起伏不大,深度为52~53km,速度为6.75~6.85km/s.此外,莫霍面与高程、基底界面成镜像,在汉中盆地、安康盆地略有抬升(图7c).3.4上地禾顶部的速度基于测线上的S1、S3、S6炮获得的莫霍面首波Pn,反演了上地幔顶部的速度.勉-略缝合带以西上地幔顶部的速度为7.9~7.93km/s,中部为7.95~8.0km/s,东部为7.85~7.9km/s,正演拟合结果见图4a、图6.3.5地壳二维速度结构沿地震测线穿过西秦岭造山带、扬子板块北部边缘和东秦岭造山带三个构造单元,分界位置大致在勉县西和石泉西(图7),在勉县-略阳、西乡-石泉缝合带经过的区域,界面明显下凹,速度等值线起伏变化剧烈.东秦岭造山带在安康盆地地表速度最小为4.7km/s,旬阳县以东地表速度达到5.6km/s,在石泉东至白河县之间,中地壳19.5~20km出现了6.5km/s的高速度,比正常中地壳的速度值大0.08~0.12km/s.下地壳的速度比较均匀为6.6~6.83km/s,地壳厚度最小为42~49km,界面起伏,明显向西倾斜.扬子板块北部边缘位于勉县西至石泉西之间,其两侧的地壳界面明显下凹,并伴随速度等值线的起伏.在汉中盆地地表速度最小为4.6~4.7km/s,上、中地壳的速度低于东秦岭造山带,高于西秦岭造山带,上地壳底面明显上隆,其他界面起伏相对平缓,莫霍面深度为48~49km,中下地壳的速度相对均匀,速度等值线起伏不大.勉略缝合带以西为西秦岭造山带,地壳厚度明显增厚为52~54km,地壳内速度变化小于东部的速度,界面起伏相对平缓.4地壳结构及构造意义4.1秦岭造山带地处中国大陆东、西过渡的重要位置,受到两个不同的地球动力学环境的控制.中国西部地区受印度欧亚板块碰撞及印度板块的持续挤入的影响,以地壳缩短、增厚、陆内造山作用和强烈地震活动等为主要特征.而中国东部地区受新生代期间西太平洋板块向欧亚大陆俯冲作用的影响,形成裂谷盆地和弧后微型扩展,并伴有强烈火山活动,造成青藏高原东北缘、秦岭造山带的地壳强烈变形,成为复杂构造活动强烈区(丁志峰,1999;高锐等,2001,2006,2011;王海燕等,2007;张先康等,2008;).在南北方向上,南秦岭(扬子块体)向北拆离俯冲,北秦岭地壳向华北仰冲,华北岩石圈呈楔状插入秦岭造山带,拆离面约在中、下地壳之间,南秦岭俯冲岩片延伸的范围在平面上有可能达到400km(路凤香等,2003).李洪强等(2014)给出的深反射图象也表明扬子板块向北俯冲.从而,导致秦岭造山带沿东-西方向的地壳结构复杂性和分区明显.4.2陇南东-汉中-十堰西宽角反射、折射地震剖面的P波速度结构图像(图7),揭示出整个秦岭造山带的地壳结构在东-西方向具有明显的反射界面起伏和速度不均的分区特征.在西秦岭造山带、扬子板块北部边缘、东秦岭造山带和缝合带通过的位置(勉县-略阳、石泉西-西乡东),地壳结构变化特征明显.主要特征是:(1)西秦岭的地壳厚度变化较大,莫霍面深度为52~54km,最深处在略阳-勉县地区为54km.勉县西至石泉西的扬子板块北部边缘带,在汉中盆地地表速度最小为4.6~4.7km/s,上地壳底面明显上隆,其他界面相对平缓,莫霍面深度为48~49km.上、中地壳的速度低于