福建地区地壳上地幔顶部三维速度结构及构造意义

引用本文

李细兵, 熊振, 范小平, 陶小三, 彭小波. 福建地区地壳上地幔顶部三维速度结构及构造意义[J]. 地震地质, 2019,41(5): 1206-1222.
LI Xi-bing, XIONG Zhen, FAN Xiao-ping, TAO Xiao-san, PENG Xiao-bo. THE 3-D VELOCITY STRUCTURE OF CRUST AND UPPERMOST MANTLE AND ITS TECTONIC IMPLICATIONS IN FUJIAN PROVINCE[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(5): 1206-1222. 复制到剪切板

DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.05.009
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福建地区地壳上地幔顶部三维速度结构及构造意义

李细兵¹, 熊振¹, 范小平², 陶小三¹, 彭小波¹

1)江苏省地震局, 南京 210014

2)南京工业大学, 南京 210019

〔作者简介〕李细兵, 男, 1982年生, 2018年于南京大学获地质学博士学位, 工程师, 现主要从事地球物理方面的研究, 电话: 025-84285622, E-mail: lixib_2005@163.com。

收稿日期: 2018-12-05

基金项目: 国家自然科学基金(41874051)、江苏省地震局青年基金(16028)和江苏省人才计划(BRA2017501)共同资助

摘要

地壳介质的非均一性对反演上地幔顶部速度和地壳厚度具有重要影响。文中对福建地区地壳上地幔顶部的速度结构进行联合反演, 结果显示福建地区地壳浅层主要以高速异常特征为主, 与区域内山脉特征相对应, 而在中下地壳主要以低速异常为主, 区域内速度异常与区域断裂构造密切相关。该结论进一步证实沿政和-大埔断裂带存在低速带, 但低速异常主要出现在深20~30km的中下地壳部分, 与前人所得的低速异常区相比范围更大, 出现深度更深。联合反演结果显示福建陆域地壳厚度为28~35km, 地壳在沿海地区偏薄, 向内陆逐渐变厚, 与接收函数的结果较为一致, 且发现沿永安-晋江断裂东侧存在显著的地壳减薄特征。上地幔顶部速度结果显示在政和-大埔断裂带西侧以高速异常为主, 在福州盆地及沿海区域表现为低速异常。

关键词: 福建地区; 联合反演; 三维速度结构; 地壳厚度

中图分类号:P315.3⁺1 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)05-1206-17

THE 3-D VELOCITY STRUCTURE OF CRUST AND UPPERMOST MANTLE AND ITS TECTONIC IMPLICATIONS IN FUJIAN PROVINCE

LI Xi-bing¹, XIONG Zhen¹, FAN Xiao-ping², TAO Xiao-san¹, PENG Xiao-bo¹

1)Jiangsu Earthquake Agency, Nanjing 210014, China

2)Nanjing Tech University, Nanjing 210019, China

Abstract

It is important to detect the fine velocity structures of the crust and uppermost mantle to understand the regional tectonic evolution, earthquake generation processes, and to conduct earthquake risk assessment. The inversion of uppermost mantle velocity and Moho depth are strongly influenced by crustal velocity heterogeneity. In this study, we collected first arrivals of Pg and Pn and secondary arrivals of Pg wave from the seismograms recorded at Fujian provincial seismic network stations. New 3-D P-wave velocities were inverted by multi-phase joint inversion method in Fujian Province. Our results show that the fault zones in Fujian Province have various velocity patterns. The shallow crust is characterized by high velocity that represents mountains, while the mid-lower crust shows low velocities. The anomalous velocities are correlated closely with tectonic faults in Fujian Province. Velocity anomalies mainly show NE-trending distribution, especially in the mid-lower crust and uppermost mantle, which is consistent with the NE-trending of the regional main fault zones. Meanwhile, a part of velocity patterns show NW trending, which is related to the secondary NW-oriented faults. Such velocity distribution also shows a geological structural pattern of “zoning in east-west direction and blocking in north-south direction”in Fujian area.
In the crust, a low velocity zone is found along Zhenghe-Dapu fault zone as mentioned by previous study, however our result shows the low velocity exists at depth of 20~30km in mid-lower crust. Compared with previous study, this low velocity zone is larger and deeper both in range and depth.
The crustal thickness of 28~35km from our joint inversion is similar to the results from the receiver functions of previous studies. The thinnest crust(28km)is observed at offshore in the north of Quanzhou; while the thickest crust(35km)is located west of Zhangzhou near the Zhenghe-Dapu fault zone. Generally, thinner crustal thickness is found in offshore of Fujian Province, and thicker crustal thickness is in the mainland. However, we also found that crustal thickness becomes thinner along the east side of Yongan-Jinjiang Fault.
The values of Pn velocities in the region vary from 7.71 to 8.26km/s. The velocity distribution of the uppermost mantle presents a large inhomogeneity, which is correlated with the distribution of the fault zone. High Pn velocity anomalies are found mainly along the west side of the Zhenghe-Dapu fault zone(F₂), and the east side of the Shaowu-Heyuan fault zone(F₁), which is strip-shaped throughout the central part of Fujian. Low Pn velocity anomalies are observed along the coast and Taiwan Straits, including the Changle-Zhaoan fault zone, the coastal fault zone, and the Fuzhou Basin. We also found a low Pn velocity anomaly zone, which extends to the coast, in the Shaowu-Heyuan fault zone at the junction of the Fujian, Guangdong and Jiangxi Provinces. In the west of Taiwan Straits, both high and low Pn velocity anomalies are observed.
Our results show that the historical strong earthquakes(larger than magnitude 6.0) are mainly distributed between positive and negative anomaly zones at different depth profiles of the crust, and similar anomalies distribution also exists at the uppermost mantle, suggesting that the occurrence of strong earthquakes in the region is not only related to the anomalous crustal velocity structure, but also affected by the velocity anomaly structure from the uppermost mantle.

Keyword: Fujian Province; joint inversion; 3-D P-wave velocity structure; crustal thickness

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0 引言

福建位于中国东南沿海地区, 由于菲律宾海板块在台湾北部的琉球海沟沿NE向俯冲于欧亚板块, 而欧亚板块在台湾南部的马尼拉海沟俯冲于菲律宾海板块, 这种复杂双向俯冲系统是台湾岛地震频发、地震灾害不断的根源。同样, 由于背靠台湾俯冲带, 与台湾岛隔海峡相望的福建地区也记录了大量的历史和近代地震。历史上较为著名的有1604年泉州海外7.5级地震(张志中等, 2009), 该地震造成了大量的人员伤亡和财产损失; 1994年在台湾海峡发生的7级地震, 在整个东南沿海及台湾岛均造成较强震感, 引起了较大的社会恐慌。绝大多数破坏性地震发生在地壳内, 地壳的速度结构能在一定程度上反映断裂构造的位置和地壳介质之间的强弱关系(通过速度的高低异常来判断), 从而分析出一定范围内发生地震的可能性及其震级大小, 这对于强震发生的构造机制和区域动力学研究具有十分重要的意义。

目前, 针对福建地区地壳及上地幔速度结构的探测已经有了大量的分析研究, 所用方法包括深地震反射技术(廖其林等, 1988; 朱金芳等, 2005; 李培等, 2015)、天然地震技术(Ai et al., 2007; 袁丽文等, 2009; 黄晖等, 2010; 叶卓等, 2013)以及噪声成像等技术(李军等, 2011; 梁富华等, 2012; Zhou et al., 2012)等。 Cai等(2015)利用爆破和天然地震的初至走时反演了福建地区三维P波和S波的速度结构, 结果显示福建中部的政和-大埔断裂带区域地壳呈现出显著的低速特征, 认为该断裂的活动性较强; Kuo等(2016)通过联合解析台湾海峡两岸的爆破地震剖面同样揭示了政和-大埔断裂带区域的地壳结构低速异常特征, 且面积呈现向N逐渐扩大的趋势, 推测为古生代时期闭合的裂谷盆地。前人得到的福建地区三维速度结构大多是基于初至走时成像而建立的, 由于射线分布的原因, 对中下地壳结构的约束有一定的不足, 且目前地震目录中含有大量后续地壳Pg震相并未得到利用。本文将联合初至和续至P波走时对福建地区地壳及上地幔顶部的速度结构进行解析。

联合Pg和Pn波震相走时进行速度结构反演的方法在中国南北地震带的川滇地区已得到应用(Xu et al., 2010), 并取得了较好效果。该方法主要的优点包括: 1)可有效利用传统层析成像不予考虑的续至波走时, 不仅提高了数据利用率, 同时续至波的加入能有效增加中下地壳的射线覆盖, 进一步提高中下地壳的速度反演精度; 2)联合Pg和Pn震相走时反演同时考虑了地壳非均一性对求解上地幔顶部速度和地壳厚度的影响, 以及传统Pn波走时成像研究并未考虑到的地壳的横向非均一性(Wang et al., 2002, 2013; Liang et al., 2004; Pei et al., 2007)。实际上一些地区, 尤其是地质构造较为复杂的俯冲带和造山带等地区(Li et al., 2017)地壳速度的非均一性结构可使地壳厚度反演产生较大误差。

1 数据与方法

本研究收集了福建省地震台网近8a(2008年10月— 2016年8月)的地震震相数据, 本文中所使用的为其中的P波数据。 2008年各省地震台网与国家地震台网合并后, 地震的定位精度较以前有了进一步提升, 并可提供所有地震震源的深度信息, 这对提高地壳速度结构的反演精度具有重要作用。为了进一步提高数据的可靠性, 对所有地震数据进行了筛选, 只选取福建陆域和部分台湾海峡区域的地震。每个地震的记录台站数至少为5个, 且震源深度在30km以内。根据以上条件总共筛选出2 561个地震, 使用台站数为185个, 其中属于福建省地震台网的台站占总数的85%。筛选后获取了约40 000条走时射线, 其中来自地壳的Pg波(包括初至和续至震相)射线占70%, 来自上地幔顶部的Pn波射线占30%。从图1a中可以看出这些地震主要分布在福建沿海地区, 内陆地区地震较少, 靠近福建沿海的台湾海峡也有大量地震分布。地震的震源主要分布在深度为20km以内的中上地壳(图1d), 其中70%的地震发生在5~15km的深度范围内。图 2 为图 1 中福建地震台网所记录的地震走时分布, 可以看出走时数据呈现出显著的线性趋势, 说明经过筛选后的走时数据质量较高, 除了近距离初至Pg和远距离初至Pn震相外, 数据中还有大量的续至Pg震相, 当震中距> 300km时来自地壳的Pg震相和上地幔顶部的Pn震相出现明显的分离。

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	图 1 研究区地貌与断裂分布 a 台站与地震的分布; b 沿经度的震源深度分布; c 沿纬度的震源深度分布; d震源深度统计。蓝色实线为板块边界, 黄色三角形为台站, 白色圆形为地震, 红色线段为断层Fig. 1 Topography and fault distribution of the study area.

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	图 2 福建地区记录地震P波走时分布Fig. 2 P-wave traveltime distribution.

使用Xu等(2010)提出的联合多震相走时反演地壳上地幔顶部速度结构的方法进行反演, 该方法可用于包括初至Pg波、续至Pg波以及Pn波在内的走时进行多次迭代联合反演地壳及上地幔顶部的三维速度结构, 其对地壳Pg波和上地幔顶部Pn波的走时进行反演计算时采用的算法并不相同, 追踪Pg波时直接利用球面坐标系下伪弯曲射线追踪方法(Koketsu et al., 1998), 同时不考虑莫霍面及下方地幔而将地壳结构向深部延深, 由此即可充分利用续至波数据; 对Pn波走时则进行分段计算, 然后再判断震相。本文在计算中使用了李细兵等(2019)利用爆破地震数据构建的福建地区一维速度新模型作为三维速度结构反演的初始模型。

对于地壳Pg波震相射线, 从第j个震源到第k个台站的走时残差可表示为

$r_{jk} = t_{jk}^{obs} - t_{jk}^{pre} = \sum_{r}^{=} (- \frac{d l}{v}) (\frac{Δ v}{v})$ (1)

其中, $r_{jk} 为走时残差, t_{jk}^{obs}$ 为观测走时, $t_{jk}^{pre}$ 为理论走时, Δ v为速度扰动, v为参考速度, dl为网格单元长度。

对于Pn波震相射线的走时, 采用传统Pn波成像方法(Liang et al., 2004; Pei et al., 2007)可将其分为3部分, 即从震源到上地幔顶部的走时、沿上地幔顶部滑行的走时和从上地幔顶部到台站的走时。

r_jk= $t_{jk}^{obs} - t_{jk}^{pre} = \sum_{m}^{=} (- \frac{d l}{v}) {(\frac{Δ v}{v})}_{m} + \sum_{e}^{=} (- \frac{d l}{v}) {(\frac{Δ v}{v})}_{e} + \sum_{r}^{=} (- \frac{d l}{v}) {(\frac{Δ v}{v})}_{r} + Δ u k + Δ t k$ (2)

Δ u_k= $\sqrt[]{\frac{1}{v_{c}^{2}} - \frac{1}{v_{m}^{2}}}$ × Δ h_{k (3)}

式(2)和式(3)中, $Δ u_{k}$ 为莫霍面深度变化引起的走时变化, $Δ t_{k}$ 为震源延迟项, $Δ h_{k}$ 为莫霍面深度的变化量 $, v_{c} 和 v_{m}$ 分别为相应网格位置下的地壳速度和上地幔顶部速度。与传统Pn波走时层析成像中将地壳速度取为常数相比, 式(2)通过地壳速度变化进一步约束上地幔顶部速度和台站延迟, 从而提高速度结构的求解精度。

利用阻尼最小平方(LSQR)方法对式(1)和式(2)组成的联合方程进行求解(Paige et al., 1982a, b), 使ε (式(4))达到最小从而获取地壳和上地幔顶部的速度结构和地壳厚度信息, 在计算过程中添加了阻尼因子λ 和平滑因子μ (Lees et al., 1989)以保证求解方程的稳定性和可靠性。本文所反演的地壳速度模型是连续变化的, 因此对所有地壳速度采用相同的阻尼因子和平滑因子。所有参数的选取与苏道磊等(2016)所用的过程类似, 采用先确定阻尼因子后确定平滑因子的方法, 主要根据走时残差均方根值与速度扰动确定阻尼因子。经过多次试算, 最终选取的地壳速度阻尼和平滑因子分别为15和30, 上地幔顶部速度的阻尼和平滑因子分别为20和30, 莫霍面深度的阻尼和平滑因子为3和10。

$ε = ‖ Am - d ‖^{2} + λ^{2} ‖ m ‖^{2} + μ^{2} ‖ Lm ‖^{2}$ (4)

在反演过程中, 按照一维速度模型的分层结果分别给出不同深度下地壳和上地幔顶部速度的初始模型以及莫霍面深度模型, 各深度下水平地壳速度网格均为0.5° × 0.5° , 研究区上地幔顶部速度和莫霍面深度的网格也同样设为0.5° × 0.5° 。反演过程中将残差的阈值设定为4s, 即残差的绝对值超过4s的射线不参与反演; 同时将判断Pg和Pn震相的走时残差阈值设为1.5s; 经过6次迭代反演, 走时残差主要沿零值线上下均匀分布(图3a); 反演后Pg震相和Pn震相的走时区分明显(图3b), 走时残差的均方根由0.61s降为0.34s, 减小了近45%, 幅度显著(图3c)。

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	图 3 反演后残差分布与直方图对比 a 反演后不同震中距下的残差分布; b 反演后的折合走时(T-X/7), 反演后的Pg和Pn震相区分明显, 灰色点为Pg震相, 红色点为Pn震相, T为走时, X为震中距; c 反演前后残差的直方图分布Fig. 3 Residuals distribution after inversion.

射线密度是反演所用的走时射线经过网格点的数量。射线密度越高, 在一定程度上说明解的可靠性越高。射线密度分布如图4a— c所示, 在0~10km范围内, 随着深度的增加, 射线密度也随之增加, 深度> 15km后射线密度开始下降, 这与绝大多数的地震都发生在中上地壳范围的实际情况相吻合。震源深度> 20km的地震数量较少, 该范围的射线主要是由来自上地幔顶部的Pn波和来自下地壳的续至Pg波射线组成。此外, 图4h显示整个福建地区上地幔顶部穿过各速度网格点的射线数量均超过50条, 即射线密度> 50, 特别是在福建东南区域分布了近300条射线, 表明本文所使用的地震波射线具有很好的覆盖能力。台湾海峡区域地震分布较多, 不同深度下的射线分布也较为密集, 尤其是上地幔顶部射线的覆盖较好, 这可能与该区域主要由Pn波经过有关。

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	图 4 不同深度下射线密度分布Fig. 4 Ray density distribution at different depths.

2 结果

2.1 反演分辨率测试

LSQR反演方法无法提供解的分辨率信息, 因此需要采用其它方法来检验数据反演的精度。目前常用的方法包括检测板(Checkboard)方法(Lé vě que et al., 1993)和重复采样(Bootstrap)方法(Hearn, 1996), 本文采用前者测试反演结果的分辨率。其中, 用于计算理论走时(即正演)的数据来自于最后一次迭代后实际使用的数据, 即实际参与反演的走时数据, 这样可以真实地测试出所用数据的精度, 进而有效地评估反演结果的精度。首先, 为初始模型施加一定幅度的速度扰动, 然后进行正演计算获取该扰动模型下的理论走时, 最后利用未加扰动的初始模型进行迭代反演, 检验经过扰动后速度模型的恢复情况。对初始三维速度模型进行速度振幅± 5%的正弦速度扰动, 尽管反演中初始速度模型采用0.5° × 0.5° 的网格, 但数据的覆盖以及射线的交叉程度并不能使该网格的检测结果得到恢复。多次调整网格的大小后发现, 0.5° × 0.5° 的网格恢复程度较差, 而0.7° × 0.7° 的网格分辨率较好(图 5), 在0~25km的深度范围内基本得到恢复, 在30km时恢复程度较差。对于上地幔顶部的速度模型, 0.7° × 0.7° 的网格很难得到恢复, 因此反演上地幔顶部速度时输入1.0° × 1.0° 的网格, 此时速度模型的恢复较为理想(图 6)。总体而言, 在福建地区不同大小的网格均能得到恢复, 而在浙江、江西、广东等射线覆盖较差的边缘区域恢复能力较差。由此可知, 研究区数据的分辨率与射线分布密度具有很高的一致性。

	Figure Option View Download New Window
	图 5 检测板试验输入模型地壳0~30km深度范围内采用0.7° × 0.7° 的网格, 上地幔顶部采用1.0° × 1.0° 的网格Fig. 5 Input model of checkboard test.

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	图 6 检测板试验恢复结果地壳0~30km深度范围内采用的0.7° × 0.7° 的网格, 上地幔顶部采用1.0° × 1.0° 的网格Fig. 6 Output model in checkboard test.

2.2 不同深度下P波的速度结构

图7 为各深度下的P波速度分布图。深度为0~3km时速度成像结果主要揭示了上地壳顶部的构造特征(图7a, b), 速度分布范围分别为5.30~5.90km/s(0km)和5.5~6.3km/s(3km), 该深度下整个福建陆域主要以高速异常为主, 其中沿NE向邵武-河源断裂带(F₁)的区域显示出显著的高速异常特征, 沿NW向上杭-云霄断裂(F₅)和闽江断裂(F₇)的区域也呈现高速异常特征, 这些高速异常与福建地区存在众多山脉的特征相对应, 台湾海峡中的澎湖岛在浅部也表现出高速异常特征(图7b)。同时, 沿永安-晋江断裂(F₆)、福建北部的宁德与浙江南部接壤区域、泉州和漳州盆地靠近海岸区域以及台湾海峡中靠近滨海断裂带(F₄)的区域也有低速异常区分布。位于沿海区域的长乐-诏安断裂带(F₃)主要呈现出间断性的高速分布特征, 而政和-大埔断裂带(F₂)则表现为较为复杂的速度异常特征。深度10km的P波速度(5.70~6.30km/s)主要反映了上地壳下部的速度结构(图7c), 其分布特征与深度为3km时有所不同, 在邵武-河源断裂带北段开始出现低速和高速异常; 政和-大埔断裂带在上地壳范围内没有表现出速度异常, 而位于海岸附近的长乐-诏安断裂带(F₃)则显示出较强的高速异常, 同时泉州— 漳州盆地一带由浅部出现的低速异常转变为该深度下的高速异常, 滨海断裂带的低速异常范围进一步收缩。深度为15km的P波速度范围与上地壳相比变化不大, 但速度分布情况出现较大变化(图7d)。沿邵武-河源断裂带(F₁)开始出现部分低速异常区, 并延伸至广东、江西、福建三省交界处。刘大任(2000)认为该断裂带主要由3条活动性不同的断裂带组成, 由北向南, 这3条断裂带的活动性逐渐增强。深度为20km的结果代表中地壳的速度结构特征(图7e), 可以看出该深度主要以条带状低速特征为主, 这些低速异常分别沿NE向的政和-大埔断裂带(F₂)边缘、 NW向的上杭-云霄断裂(F₅)和闽江断裂(F₇)的边缘分布。此外, 沿滨海断裂带也分布有低速特征区域, 异常速度为5.80~6.10km/s。滨海断裂带和政和-大埔断裂带沿NE向的低速异常分布说明这2条断裂可能已切穿了中地壳。深度为25~30km的剖面中下地壳速度异常的特征相似(图7f, g), 同样是以低速异常为主, 且低速区的范围进一步扩大, 除了在永安-晋江断裂(F₆)附近的泉州晋江区域无明显低速异常外, 福建地区下地壳基本都呈现低速异常特征, 这些低速异常基本以断裂带为界, 被断裂带切割, 呈块状分布。

2.3 上地幔顶部Pn波速度与地壳厚度

强烈的地壳速度非均一性能造成较大的地壳厚度偏差。相较于常规的上地幔顶部速度和地壳厚度反演, 同时反演地壳和上地幔顶部速度结构及莫霍面深度可充分考虑来自地壳的横向非均一性特征, 可有效减小地壳速度非均一性所带来的影响。检测板测试的结果显示, 福建地区上地幔顶部速度在1.0° × 1.0° 网格下基本能得到恢复(图 6)。从图7h中可以看出福建地区上地幔顶部的Pn波速度为7.71~8.26km/s, 波速分布具有较大的不均匀性, 与断裂带具有较好的对应关系; 高速异常主要沿政和-大埔断裂带(F₂)的西侧和邵武-河源断裂带(F₁)的东侧分布, 呈条带状贯穿福建中部地区。此外, 沿上杭-云霄断裂以及福建、广东两省交界的沿海区域也呈现出高速异常特征。低速异常主要出现在政和-大埔断裂带东侧的海岸及海峡区域, 包括长乐-诏安断裂带和滨海断裂带; 在三省交界的邵武-河源断裂带有1条低速异常带延伸至海岸带附近; 台湾海峡区域同时存在Pn波高速和低速异常特征。反演获得的地壳厚度为28~35km(图 8), 泉州以北的海岸区域地壳最薄, 为28km; 漳州以西的政和-大埔断裂带附近地壳最厚, 为35km, 该地壳厚度结果与前人利用接收函数获取的结果具有较好的一致性(Ai et al., 2007; 袁丽文等, 2009; 黄晖等, 2010; 叶卓等, 2013; 黄海波等, 2014)。总体而言, 地壳沿陆地至海洋的方向逐渐减薄, 而沿海区域的地壳厚度在SN向存在一定差异。福州向N沿海岸线地壳厚度增大, 而从福州到诏安方向地壳较薄, 厚度为28~32km。沿闽江断裂带(F₇)两侧的区域地壳厚度变化十分明显, 该结果与利用接收函数得到的结果相似(叶卓等, 2013)。除此以外, 通过本文的反演结果还可发现沿永安-晋江断裂(F₆)从三明到泉州附近也存在显著的地壳减薄特征。

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	图 7 不同深度的P波速度结构 F₁邵武-河源断裂带; F₂政和-大埔断裂带; F₃长乐-诏安断裂带; F₄滨海断裂带; F₅上杭-云霄断裂带; F₆永安-晋江断裂带; F₇闽江断裂带。红色圆形为历史强震震中Fig. 7 P-wave velocity distribution at different depths.

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	图 8 联合反演福建区域莫霍面深度分布Fig. 8 Distribution of Moho depth in Fujian Province from joint inversion.

3 讨论

3.1 速度结构与断裂分布

区域内发育NE向和NW向2组断裂带, 其中NE向断裂带自广东起横穿福建并延伸至浙江省境内, 是福建地区主要的断裂带, 同时也是整个华南沿海地区主要的断裂带。这3条断裂带(F₁、 F₂和F₃)被NW向断裂所切割, 形成了福建地区“ 东西分带、南北分块” 的大地构造格局(韦德光等, 1997)。

图7所示的水平深度剖面上, 邵武-河源断裂带(F₁)在浅部(0~10km)具高速异常特征, 与区域地表山脉特征相对应, 而在下地壳范围则表现出低速异常特征。政和-大埔断裂带(F₂)附近区域在深度< 15km的范围内没有出现明显的速度异常, 直至20km深的中下地壳内才表现出低速异常特征, 而Cai等(2015)的研究揭示在深度< 12km的范围内, 该断裂带就已显示出显著低速异常分布, 比本研究所得的深度更浅。利用爆破资料获得的二维速度结构表明该断裂带是一条断至下地壳23km深处的深大断裂(李培等, 2015), 同时有研究认为该断裂带是一条古俯冲带, 断裂带两侧具有不同的地质构造属性, 是基底隆起与火山盆地的分界线(舒良树等, 2002)。本文的研究结果进一步揭示该断裂切割地壳的深度> 30km, 可能已经切穿至上地幔顶部, 且在水平方向上延伸较长, 向N可延伸至福建浙江两省交界处, 向S一直延伸至广东省境内。长乐-诏安断裂带(F₃)自地壳浅部至深部显示出高速与低速异常相互交替出现的特征, 速度结构较为复杂。此外, 由于反演中使用了来自台湾海峡的地震数据, 所得结果对滨海断裂带的速度结构有一定的解析能力。从地震活动性来看, 滨海断裂带(F₄)中台湾海峡段是福建近岸海域内最大的一条晚第四纪或全新世活动断裂(黄昭等, 2006)。滨海断裂带在水平剖面上显示厦门外海可分成2个速度异常区(图7b, c), 其中北段在整个地壳内均呈现出低速异常, 断裂带从低速异常带中穿过, 而南段则较为复杂, 在中上地壳中表现出高速异常, 随着深度增加在中下地壳表现出低速异常特征。

水平剖面速度分布显示研究区内的速度异常与区域断裂构造密切相关, 速度异常主要呈NE向分布, 尤其是在中下地壳与上地幔顶部, 与区域主要断裂带呈NE向一致; 同时部分速度异常呈NW向, 与NW向次级断裂的空间分布相关, 在速度分布形态上同样体现出福建地区“ 东西分带、南北分块” 的构造格局。

3.2 速度结构与地震分布

众所周知, 地震的发生需要特定地质构造条件, 如在活动断裂带、地壳低速层附近等, 其与特定的地震构造及区域地球动力环境等密不可分, 绝大多数地震发生在地壳中的构造异常区(黄金莉等, 2005)。

福建位于欧亚板块与太平洋板块俯冲碰撞作用的前缘位置, 由于地壳介质大多是脆性的, 很容易在横向挤压的构造应力场作用下发生破裂而产生地震(王椿镛等, 2002)。从地震空间分布来看, 2008— 2016年间绝大多数地震都发生在断裂带附近, 属构造地震; 在陆地上震中主要沿政和-大埔断裂带和长乐-诏安断裂带分布, 在海洋区域震中则主要分布于滨海断裂带的两侧, 这些地震分布具有较强的集丛性。为了研究福建地区地震活动性与P波速度异常之间的关系, 从986— 1940年间发生的历史地震中筛选出6级以上的历史强震7次(傅再扬等, 2011), 将其震源投影在相应的剖面上, 结果显示这些历史强震基本分布在东南沿海区域。图7a— e中, 历史强震在地壳不同深度的剖面中主要分布在速度正、负异常的过渡区域, 而且在上地幔顶部也有相似分布(图7h), 在一定程度上说明该区域强震的发生不仅与地壳速度结构异常有关, 更受到来自深部上地幔顶部速度结构异常的影响。

4 结论

本文首次对福建地区采用多震相三维P波速度结构成像方法, 获取了不同深度的速度结构分布, 并结合福建地区断裂带构造、地震活动性、地质构造属性等特征, 得到以下几点认识:

(1)福建地区地壳浅层主要以高速异常特征为主, 与区域内山脉特征相对应, 而在中下地壳主要以低速异常为主。区域内的速度异常区与区域断裂构造密切相关, 速度异常主要呈NE向分布, 尤其是在中下地壳与上地幔区域, 与区域主要断裂带呈NE向一致; 同时部分速度异常呈NW向, 与NW向次级断裂的分布相关, 沿上杭-云霄断裂和闽江断裂一侧分布有近平行的低速异常带; 在速度异常上显示出福建地区“ 东西分带、南北分块” 的构造格局。

(2)进一步证实了福建地区沿政和-大埔断裂带存在低速带, 低速异常主要出现在20~30km以下的中下地壳区域, 比前人给出的低速区范围更大、深度更深。

(3)联合反演获得的莫霍面深度为28~35km, 与接收函数结果较为一致, 同样揭示出地壳厚度在沿海地区偏薄, 向内陆方向变厚的特征, 但发现沿永安-晋江断裂(F₆)从三明到泉州附近也存在显著的地壳减薄特征。上地幔顶部速度结果显示在政和-大埔断裂带西侧以高速异常为主, 在福州盆地及沿海区域则显示出低速异常。

致谢审稿专家为本文提出了宝贵的修改意见; 文中图件使用GMT(Wessel et al., 1998)制作生成。在此一并表示感谢!

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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[1]	傅再扬, 黄宏生, 危福泉, 等. 2011. 福建历史地震与地震灾害特征史料分析[J]. 地震地磁观测与研究, 32(5): 172—179. [本文引用:1]
[2]	FU Zai-yang, HUANG Hong-sheng, WEI Fu-quan, et al. 2011. Analysis of the historical data about Fujian historical earthquake records and the characteristics of earthquake disaster[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 32(5): 172—179(in Chinese). [本文引用:1]
[3]	黄海波, 郭兴伟, 夏少红, 等. 2014. 华南沿海地区地壳厚度与泊松比研究[J]. 地球物理学报, 57(12): 3896—3906. [本文引用:1]
[4]	HUANG Hai-bo, GUO Xing-wei, XIA Shao-hong, et al. 2014. Crustal thickness and Poisson’s ratio in the coastal areas of South China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 57(12): 3896—3906(in Chinese). [本文引用:1]
[5]	黄晖, 米宁, 徐鸣洁, 等. 2010. 福建地区地壳上地幔S波速度结构与泊松比[J]. 高校地质学报, 16(4): 465—474. [本文引用:2]
[6]	HUANG Hui, MI Ning, XU Ming-jie, et al. 2010. S-wave velocity structures of the crust and uppermost mantle, and Poisson’s ratios in Fujian Province[J]. Geological Journal of China Universities, 16(4): 465—474(in Chinese). [本文引用:1]
[7]	黄昭, 王善雄. 2006. 台湾海峡滨海断裂带的构造特征与活动性[J]. 大地测量与地球动力学, 26(3): 16—22. [本文引用:1]
[8]	HUANG Zhao, WANG Shan-xiong. 2006. Tectonic features and activity of Binhai fault zone in Taiwan Straits[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 26(3): 16—22(in Chinese). [本文引用:1]
[9]	黄金莉, 赵大鹏. 2005. 首都圈地区地壳三维P波速度细结构与强震孕育的深部构造环境[J]. 科学通报, 50(4): 348—355. [本文引用:1]
[10]	HUANG Jin-li, ZHAO Da-peng. 2005. 3-D P-wave velocity structure and seismotectonics of the region around Beijing, China[J]. Chinese Science Bulletin, 50(4): 348—355(in Chinese). [本文引用:1]
[11]	李军, 鲍挺, 林树, 等. 2011. 利用噪声记录估计福建地区中上地壳体波速度结构[J]. 中国地震, 27(3): 226—234. [本文引用:1]
[12]	LI Jun, BAO Ting, LIN Shu, et al. 2011. The wave velocity structure of upper shell in Fujian estimated by the noise records[J]. Earthquake Research in China, 27(3): 226—234(in Chinese). [本文引用:1]
[13]	李培, 金星, 王善雄, 等. 2015. 福建邵武—南平—平潭深地震测深剖面的地壳速度结构及其构造意义[J]. 中国科学(D辑), 45(11): 1757—1767. [本文引用:2]
[14]	LI Pei, JIN Xing, WANG Shan-xiong, et al. 2015. Crustal velocity structure of the Shaowu-Nanping-Pingtan transect through Fujian from deep seismic sounding: Tectonic implications[J]. Science China(Ser D), 45(11): 1757—1767(in Chinese). [本文引用:1]
[15]	李细兵, 宋晓东, 郑斯华, 等. 2019. 利用人工爆破资料研究福建一维P波速度结构和地震定位[J]. 地球物理学报, 62(5): 1716—1733. [本文引用:1]
[16]	LI Xi-bing, SONG Xiao-dong, ZHENG Si-hua, et al. 2019. A 1-D P-wave velocity model of Fujian Province, China and earthquake locations from controlled explosions[J]. Chinese Journal of Geophysics, 62(5): 1716—1733(in Chinese). [本文引用:1]
[17]	梁富华, 金星, 李军, 等. 2012. 福建地区环境噪声瑞利波群速度层析成像[J]. 中国地震, 28(1): 22—32. [本文引用:1]
[18]	LIANG Fu-hua, JIN Xing, LI Jun, et al. 2012. Surface wave tomography of ambient seismic noise correlation in Fujian Province[J]. Earthquake Research in China, 28(1): 22—32(in Chinese). [本文引用:1]
[19]	廖其林, 王振明, 王屏路, 等. 1988. 福州—泉州—汕头地区地壳结构的爆炸地震研究[J]. 地球物理学报, 31(3): 270—280. [本文引用:1]
[20]	LIAO Qi-lin, WANG Zhen-ming, WANG Ping-lu, et al. 1988. Explosion seismic study of the crustal structure in Fuzhou-Quanzhou-Shantou region[J]. Chinese Journal of Geophysics, 31(3): 270—280(in Chinese). [本文引用:1]
[21]	刘大任. 2000. 初论邵武-河源断裂带的活动性[J]. 江西地质, 14(2): 81—87. [本文引用:1]
[22]	LIU Da-ren. 2000. On the activity of the Shaowu-Heyuan faulted belt[J]. Jiangxi Geology, 14(2): 81—87(in Chinese). [本文引用:1]
[23]	舒良树, 周新民. 2002. 中国东南部晚中生代构造作用[J]. 地质论评, 48(3): 249—260. [本文引用:1]
[24]	SHU Liang-shu, ZHOU Xin-min. 2002. Late Mesozoic tectonism of southeast China[J]. Geological Review, 48(3): 249—260(in Chinese). [本文引用:1]
[25]	苏道磊, 范建柯, 吴时国, 等. 2016. 山东地区地壳P波三维速度结构及其与地震活动的关系[J]. 地球物理学报, 59(4): 1335—1349. [本文引用:1]
[26]	SU Dao-lei, FAN Jian-ke, WU Shi-guo, et al. 2016. 3-D P-wave velocity structures of crust and their relationship with earthquakes in Shand ong area[J]. Chinese Journal of Geophysics, 59(4): 1335—1349(in Chinese). [本文引用:1]
[27]	王椿镛, Mooney W D, 王溪莉, 等. 2002. 川滇地区地壳上地幔三维速度结构研究[J]. 地震学报, 24(1): 1—16. [本文引用:1]
[28]	WANG Chun-yong, Mooney W D, WANG Xi-li, et al. 2002. Study on 3-D velocity structure of crust and upper mantle in Sichuan-Yunnan region, China[J]. Acta Seismologica Sinica, 24(1): 1—16(in Chinese). [本文引用:1]
[29]	韦德光, 揭育金, 黄廷淦. 1997. 福建省区域地质构造特征[J]. 地质通报, 16(2): 162—170. [本文引用:1]
[30]	WEI De-guang, JIE Yu-jin, HUANG Ting-gan. 1997. Regional geological structure of Fujian[J]. Geological Bulletin of China, 16(2): 162—170(in Chinese). [本文引用:1]
[31]	叶卓, 李秋生, 高锐, 等. 2013. 中国大陆东南缘地震接收函数与地壳和上地幔结构[J]. 地球物理学报, 56(9): 2947—2958. [本文引用:3]
[32]	YE Zhuo, LI Qiu-sheng, GAO Rui, et al. 2013. Seismic receiver functions revealing crust and upper mantle structure beneath the continental margin of southeastern China[J]. Chinese Journal of Geophysics, 56(9): 2947—2958(in Chinese). [本文引用:1]
[33]	袁丽文, 郑斯华. 2009. 用远震接收函数反演福建地区宽频带台站下方莫霍界面深度[J]. 华南地震, 29(3): 85—97. [本文引用:2]
[34]	YUAN Li-wen, ZHENG Si-hua. 2009. Moho depths beneath broad-band stations in Fujian area inversed by teleseismic receiver function[J]. South China Seismological Journal, 29(3): 85—97(in Chinese). [本文引用:1]
[35]	张志中, 潘华, 黄昭, 等. 2009. 台湾及台湾海峡地震活动对大陆地区的影响[J]. 地震学报, 31(3): 319—332. [本文引用:1]
[36]	ZHANG Zhi-zhong, PAN Hua, HUANG Zhao, et al. 2009. Impacts of the Taiwan and Taiwan Strait earthquakes in China mainland [J]. Acta Seismologica Sinica, 31(3): 319—332(in Chinese). [本文引用:1]
[37]	朱金芳, 徐锡伟, 张先康, 等. 2005. 福州盆地及邻区地壳精细结构的深地震反射与高分辨率折射及宽角反射/折射联合探测研究[J]. 中国科学(D辑), 35(8): 738—749. [本文引用:1]
[38]	ZHU Jin-fang, XU Xi-wei, ZHANG Xian-kang, et al. 2005. Joint exploration of crustal structure in Fuzhou Basin and its vicinities by deep seismic reflection and high-resolution refraction as well as wide-angle reflection/refraction[J]. Science in China(Ser D), 35(8): 738—749(in Chinese). [本文引用:1]
[39]	Ai Y S, Chen Q F, Zeng F, et al. 2007. The crust and upper mantle structure beneath southeastern China[J]. Earth and Planetary Science Letters, 260(3): 549—563. [本文引用:2]
[40]	Cai H T, Hao K C, Jin X, et al. 2015. A three-dimensional V_P, V_S, and V_P/ V_S crustal structure in Fujian, southeast China, from active and passive source experiments[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 111: 517—527. [本文引用:1]
[41]	Hearn T M. 1996. Anisotropic Pn tomography in the western United States[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 101(B4): 8403—8414. [本文引用:1]
[42]	Koketsu K, Sekine S. 1998. Pseudo-bending method for three-dimensional seismic ray tracing in a spherical earth with discontinuities[J]. Geophysical Journal International, 132(2): 339—346. [本文引用:1]
[43]	Kuo Y W, Wang C Y, Hao K C, et al. 2016. Crustal structures from the Wuyi-Yunkai orogen to the Taiwan orogen: The onshore-offshore wide-angle seismic experiments of the Taiger and Atsee projects[J]. Tectonophysics, 692(B), 164—180. [本文引用:1]
[44]	Lees J M, Crosson R S. 1989. Tomographic inversion for three-dimensional velocity structure at Mount St Helens using earthquake data[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 94(B5): 5716—5728. [本文引用:1]
[45]	Lévěque J J, Rivera L, Wittlinger G. 1993. On the use of the checker-board test to assess the resolution of tomographic inversions[J]. Geophysical Journal International, 115(1): 313—318. [本文引用:1]
[46]	Li X B, Song X D, Li J T. 2017. Pn tomography of South China Sea, Taiwan Island , Philippine archipelago, and adjacent regions[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122(2): 1350—1366. [本文引用:1]
[47]	Liang C T, Song X D, Huang J L. 2004. Tomographic inversion of Pn travel times in China[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 109(B11304): 1—19. [本文引用:2]
[48]	Paige C C, Saunders M A. 1982 a. LSQR: Sparse linear equations and least squares problems[J]. ACM Transactions on Mathematical Software, 8(2): 195—209. [本文引用:1]
[49]	Paige C C, Saunders M A. 1982 b. LSQR: An algorithm for sparse linear equations and sparse least squares[J]. ACM Transactions on Mathematical Software, 8(1): 43—71. [本文引用:1]
[50]	Pei S P, Zhao J F, Sun Y, et al. 2007. Upper mantle seismic velocities and anisotropy in China determined through Pn and Sn tomography[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 112(B5): B05312. [本文引用:2]
[51]	Wang S Y, Hearn T M, Xu Z H, et al. 2002. Velocity structure of uppermost mantle beneath China continent from Pn tomography[J]. Science in China(Ser D), 45(2): 143—150. [本文引用:1]
[52]	Wang S, Niu F, Zhang G. 2013. Velocity structure of the uppermost mantle beneath East Asia from Pn tomography and its dynamic implications[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 118(1): 290—301. [本文引用:1]
[53]	Wessel P, Smith W H F. 1998. New, improved version of the generic mapping tools released[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union, 79(47): 579. [本文引用:1]
[54]	Xu Z J, Song X D. 2010. Joint inversion for crustal and Pn velocities and Moho depth in eastern margin of the Tibetan plateau[J]. Tectonophysics, 491(1-4): 185—193. [本文引用:1]
[55]	Zhou L, Xie J, Shen W, et al. 2012. The structure of the crust and uppermost mantle beneath South China from ambient noise and earthquake tomography[J]. Geophysical Journal International, 189(3): 1565—1583. [本文引用:]