引用本文
谭皓原, 王志. 南菲律宾深部速度结构及其构造意义[J]. 地震地质, 2019,41(6): 1366-1379.
TAN Hao-yuan, WANG Zhi. DEEP VELOCITY STRUCTURE AND ITS TECTONIC IMPLICATIONS IN SOUTHERN PHILIPPINES[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2019,41(6): 1366-1379.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2019.06.004
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南菲律宾深部速度结构及其构造意义
谭皓原1,2), 王志1)
1)中国科学院南海海洋研究所, 边缘海地质与大洋重点实验室, 广州 510301
2)中国科学院大学, 北京 100049

〔作者简介〕 谭皓原, 男, 1988年生, 中国科学院南海海洋研究所海洋地质专业在读博士研究生, 研究方向为地震层析成像, 电话: 020-89023705, E-mail: tangle_L@163.com。

收稿日期: 2019-01-21
基金项目: 国家海洋局全球变化与海气相互作用国际合作项目(GASI-GEOGE-05-02)、 国家自然科学基金(41572201, 41372229)和中国科学院百人计划(17314059)共同资助
摘要

文中搜集整理了国际地震中心1960—2017年公开的地震数据, 使用地震层析成像的方法反演了南菲律宾地区0~100km的P波和S波三维速度结构, 成像结果揭示了南菲律宾地区地壳及上地幔速度结构的横向变化: 1)棉兰老岛中西部—保和岛一带在地壳浅部出现的P波和S波高速异常特征很有可能是巨量的岩浆活动及蛇绿岩在下地壳增生共同作用的结果; 2)棉兰老岛西部在地幔中出现的低速异常同地表出露的火山位置十分吻合, 推测该低速异常与岩浆活动密切相关; 3)菲律宾海板块在棉兰老岛的东北部和东南部活动性较强, 板块边缘在100km的深度仍然有着较为密集的地震分布; 4)苏拉威西海盆在棉兰老岛西南侧的活动性较弱, 其俯冲活动主要集中在地壳及上地幔顶部。

关键词: 地震层析成像; P波和S波; 菲律宾海板块; 苏拉威西海盆
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2019)06-1366-14
DEEP VELOCITY STRUCTURE AND ITS TECTONIC IMPLICATIONS IN SOUTHERN PHILIPPINES
TAN Hao-yuan1,2), WANG Zhi1)
1)Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
2)University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract

3-D VP and VS images of southern Philippines at the 0~100km depths are generated by inverting a large number of travel-time data from the International Seismological Centre(1960—2017)through seismic tomography method. The results show lateral variation exists in the crust and upper mantle: High VP and VS anomalies emerge in mid-west Mindanao and Bohol Island, which might be caused by the combined action of huge magmatism and ophiolite accretion in the lower crust; low velocity anomalies of the upper mantle in the west of Mindanao are consistent with locations of volcanoes on the surface. It, thus, could be inferred that the low velocity anomaly is closely related to magmatic activity. The dense earthquake distribution along plate margin extending to 100km coincides with the strong activity of the Philippine Sea Plate which is located in the northeast and southeast of Mindanao. Relative weak activity of Sulawesi Sea Basin is presented simultaneously. The subduction of the Philippine Sea Plate is mostly concentrated in the crust and the top of the uppermost mantle.
Our tomographic images show that lateral heterogeneities exist in the crust and uppermost mantle of the southern Philippines. Low VP and VS anomalies emerge in Philippine Trench and Cotabato Trench, in contrast, high VP and VS anomalies appear in shallow crust of land area where a large number of earthquakes and magmatic activities develop. This may reflect strong tectonic processes between the Philippine Sea Plate and Philippine Mobile Belt. Low VP and VS anomalies in the crust of eastern Mindanao coinciding with the location of volcanoes on the surface may show partial melting of crust material caused by dehydration of the subducting Philippine Sea Plate. Such a similar phenomenon can be also seen in the south of Negros Island and Cotabato Trench. Thus we infer that active tectonic behaviors are constrained within the crust of the Philippine Sea Plate, Sulu Sea Basin and Sulawesi Basin.
Low VP and VS anomalies of the mantle in the mid-west of Mindanao island are associated with magmatic activity which may be caused by a collision between the east and west part of Mindanao at 5Ma. The fracture system in the west of Mindanao provides the possible passage ways of mantle hot material upwelling, coinciding with the model of geothermal distribution in this area. According to the geochemical analysis, ophiolite observed in Sanbaoyan and the western part of Mindanao could indicate material composition from crust to upper mantle on Eurasian continental margin which may show the evidence of rapid expansion environment of mid-ocean ridge. High VP and VS anomalies in the mantle of northeast and southeast of Mindanao coinciding with the distribution of massive earthquake along boundaries show a well agreement with the shape of the Philippine Sea Plate. Dense earthquake distribution in south Mindanao at 100km shows the Philippine Sea Plate has strong activity and stress accumulation in the upper mantle. On the contrary, the seismicity in southwest Mindanao and Cotabato Trench reduces rapidly at the depth from 50km to 100km, revealing weak subduciton and stress release of Sulawesi Basin in the mantle.

Keyword: seismic tomography; P-and S-wave; Philippine Sea Plate; Sulawesi Sea Basin
0 引言

南菲律宾地区位于欧亚板块的东南侧(图1), 主要包括菲律宾群岛南部的棉兰老岛、 维萨亚斯群岛南部的内格罗斯岛和保和岛, 是菲律宾海板块、 印度-澳大利亚板块和欧亚板块之间的碰撞接触地带。 其东侧的菲律宾海板块沿着菲律宾海沟向NW俯冲, 西南侧的苏拉威西海盆沿着哥打巴托海沟向N— NE俯冲, 西北侧的苏禄海盆沿着苏禄海沟向E俯冲, 此外三宝颜-苏禄微块体在棉兰老岛西北部还和菲律宾活动带发生碰撞。 在周边三大板块的共同作用下, 该地区长期处于非常复杂的应力环境之中, 既有板块俯冲所造成的地震活动, 又广泛发育岛弧岩浆活动, 还有非常明显的断裂活动迹象, 因此该地区成为研究板块俯冲、 地壳增生以及岩石圈变形等重大科学问题的理想场所。

图 1 南菲律宾地区的大地构造图
SCSB 南海块体; PSP 菲律宾海板块; SB 苏拉威西海盆; MT 马尼拉海沟; NT 内格罗斯海沟; ST 苏禄海沟; CT 哥打巴托海沟; PT 菲律宾海沟; NI 内格罗斯岛; BI 保和岛; MI 棉兰老岛。 黑色三角形和线段分别为火山和断层的分布位置Fig. 1 Geotectonic map of the southern Philippines.

然而到目前为止, 由于观测手段、 观测资料、 技术方法等方面的原因, 关于南菲律宾地区的地质及地球物理方面的资料十分稀缺, 相应的大地构造演化过程及地球动力学研究也相对稀少, 近年来只有少数科学家对该地区展开了相应的研究工作。 Gripp等(1990)基于全球板块运动模型HS2-NUVEL1的计算结果显示, 在棉兰老岛的东南部, 菲律宾海板块以90mm/a的速率向NW运动并与欧亚板块发生碰撞, 两大板块碰撞会聚的大部分能量被环绕着菲律宾群岛的俯冲系统所吸收, 剩余的部分则被菲律宾大断裂所调解(Aurelio, 2000); Yumul等(1997, 2010)通过地球化学调查指出三宝颜-苏禄半岛一带的地壳物质具有非常明显的俯冲带地球化学特征, 其中少数还包括洋中脊的成分, 由此可以说明该地区曾经位于洋盆快速扩张的中心; 胥颐等(2007)的成像结果显示南菲律宾地区在上地幔顶部具有非常明显的Pn波低速异常特征, 反映出该地区具有构造活动性强、 大地热流值高的特点; 李志伟等(2009)的P波成像结果表明南菲律宾地区在地壳中浅部呈现出高速异常的特征, 而在莫霍面及上地幔中存在明显的低速异常, 反映该地区的地壳及上地幔有着非常强烈的大地构造活动; 此外, 关于该地区重力势能的研究则指出南菲律宾地区两侧的海沟系统存在很强的构造应力, 由此造成棉兰老岛的地壳物质也处在较强的挤压环境之中(Lin et al., 2013)。

尽管前人在南菲律宾地区开展了一些工作并且取得了一定的研究成果, 但由于技术方法、 数据资料等方面的局限性, 这些研究成果也存在着较为明显的不足, 尤其是对南菲律宾地区深部的地质构造缺乏详细的讨论。 本文通过地震层析成像方法获得了该地区从地表至深100km的P波和S波的速度结构, 据此分析了南菲律宾地区深部的构造特征, 从而为讨论该地区及其周边各大板块的构造演化过程提供参考和依据。

1 数据和方法
1.1 地震数据

本研究所使用的地震数据来自于国际地震中心(International Seismological Centre, ISC), 选取的时间为1960— 2017年, 范围为5.5° ~10.5° N, 122.5° ~126.5° E, 共使用地震台站30个, 地震和台站的分布如图 2所示。 为了保证地震层析成像的可靠性, 在挑选地震事件时遵循了以下原则: 1)震源深度< 100km, 每一个地震事件至少被3个地震台站接收到; 2)参与反演的P波震相的走时残差< 2.5s, S波震相的走时残差< 3.5s。 最终得到满足条件的P波事件7 658个, P波震相24 995条, S波事件5 804个, S波震相14 827条。 图 3是反演前后地震走时残差的分布图, 从图中可以看出地震资料的走时残差在反演之后得到了明显的收敛, 其中P波震相的平均走时残差从1.189s减小至0.953s, 幅度为19.85%; 而S波震相的平均走时残差从1.332s减小至1.155s, 幅度为13.29%, 由此可以保证成像反演的可靠性。

图 2 本研究所使用的地震和台站分布图
黑色圆点和方框分别表示地震和台站的位置, 地震的深度分布如色标所示Fig. 2 Distribution of earthquakes and seismic stations in this study.

图 3 反演前后的走时残差分布图
a、 b 分别为P波反演前后的走时残差; c、 d 分别为S波反演前后的走时残差Fig. 3 Travel-time residuals distribution before and after inversion.

1.2 成像方法

本研究使用了日本东北大学赵大鹏教授提出的三维地震层析成像方法(Zhao et al., 1992, 1994)。 该方法在初始模型中引入速度不连续面, 能够有效地提高地震射线的计算精度及层析成像的计算效率。 根据研究需要, 我们将研究区域的地壳划分为上、 下2层, 上地壳厚13km, P波的平均速度为5.6km/s, S波的平均速度为3.3km/s; 下地壳厚20km, P波的平均速度为6.3km/s, S波的平均速度为3.8km/s。 此外, 在初始模型中引入了康拉德面和莫霍面2个速度不连续面, 其深度分布参考CRUST1.0全球地壳模型, 莫霍面以下的地幔速度结构参考IASP91全球速度模型。 初始模型所使用的网格设置为: 水平间距为0.5° × 0.5° , 在深度方向共划分为9层, 其深度分别为0km、 5km、 10km、 20km、 30km、 40km、 50km、 70km和100km。

2 成像结果
2.1 检测板分辨率测试

为了确保本研究所用成像方法及地震数据的可靠性, 在对地震资料进行最终反演之前首先进行检测板分辨率测试(Checker board resolution test, CRT), 测试结果如图 4和图 5所示。 从图中可以看出P波和S波的检测板恢复效果在深度为10km和20km的切片上稍有欠缺, 有可能是这一深度范围内的地震射线数量较少所致。 从地震射线的覆盖图(图6)中也可以看出, 深度为10km和20km的切片中地震射线的密度小于5km和30km深处的切片, 同样也能说明该深度较差的检测板测试效果与地震射线的不足有关。 而在30~100km的速度切片上, P波和S波的检测板恢复效果都比较理想, 说明地震射线在研究区域的上地幔中交会程度较好, 其恢复效果能够满足本次地震层析成像的要求, 从地震射线的覆盖图(图6)上也能看到研究区域在30km和40km深处的切片上有着很高的射线密度。 随着深度的增加, 射线密度逐渐降低, 在100km深处的切片上地震射线主要覆盖了棉兰老岛的大部分地区, 因此地震射线的覆盖范围能够满足对该地区深部速度结构开展研究的要求。 整体而言, S波检测板的恢复效果比P波差, 这是很可能是S波作为后至震相, 其拾取精度较低所致。

图 4 P波的检测板分辨率测试结果Fig. 4 Results of checkerboard resolution test for P-wave.

图 5 S波的检测板分辨率测试结果Fig. 5 Results of checkerboard resolution test for S-wave.

图 6 各深度切片上的射线覆盖图Fig. 6 Seismic ray coverage of slices at different depths.

2.2 成像结果

本研究最终的成像结果如图 7和图 8所示, 可以看出棉兰老岛的中西部— 保和岛一带在地壳浅部出现了非常明显的P波和S波高速异常特征, 这与李志伟等(2009)的P波成像结果非常一致, 该高速异常的幅值随着深度的增加而逐渐降低, 在30km深的切片上仅在保和岛及其南侧海域有高速异常的出现。 棉兰老岛西部的高速异常从30km深处开始转变为低速异常, 在P波的成像结果中该低速异常一直延续到70km的深度, 在S波的成像结果中则可延续到100km深处, 其分布同地表出露的火山群有着非常良好的对应关系, 因此可以推测该低速异常与该地区上地幔的岩浆活动有关。 在成像结果的AA’ 剖面(图9)中也能看到棉兰老岛西北部的地幔中存在着大范围的低速异常, 该异常的分布范围从20km深处向下一直延伸至100km。 棉兰老岛东部地区在地壳浅部(5~10km)的S波速度切片中呈现出明显的低速异常, 而P波的成像结果则显示出高速异常, 该现象可能反映出P波和S波的成像结果在速度结构的响应上存在着差异: 由于S波对于流体介质更为敏感, 因此当流体介质引发低速异常时, S波的低速异常往往要比P波更为明显。 随着深度的增加, 棉兰老岛东部的低速异常逐渐呈现, 在30~70km深处的P波和S波切片中都能清晰地观察到地震波的低速异常特征。 从深度40km开始, 棉兰老岛东南侧的P波和S波由浅部的低速异常逐渐转变为高速异常, 在P波成像100km深处的速度切片上仍然有着非常清晰的轮廓, 很有可能是向W俯冲的菲律宾海板块在这一深度的体现。 在BB'剖面中可以看到从棉兰老岛东南部— 南部一带地震活动的深度逐渐减小, 说明菲律宾海板块俯冲的构造应力在向W传播的过程中逐渐减弱, 该地区在地壳及上地幔中出现的低速异常与地表出露的火山位置较为一致, 体现出典型的俯冲-岩浆构造系统。 棉兰老岛东北部在5~40km深处的P波和S波成像切片中表现为明显的低速异常特征, 从深50km处起该低速异常逐渐转变为高速异常, 其分布同该深度范围内的地震分布一致, 同样反映了菲律宾海板块沿着菲律宾海沟俯冲的构造活动。 棉兰老岛西南侧的哥打巴托海沟在5~30km深处的切片上呈现出明显的P波和S波低速异常的特征, 同时伴有大量地震沿着海沟分布, 可能是苏拉威西海盆在浅部发生了脱水反应的体现。 从40km开始该低速异常逐渐转变为高速异常, 然而高速异常的幅值并不大, 且从70km的深度开始沿着海沟分布的地震活动迅速减少, 在100km的深度上几乎没有地震发生。 在BB’ 剖面中也能看到发生在哥打巴托海沟的地震深度基本< 60km, 由此说明苏拉威西海盆沿着哥打巴托海沟的俯冲活动并不强烈, 其北端的俯冲深度应该< 60km。

图 7 P波的成像结果
紫色三角形和白色圆点分别代表火山和地震的分布位置Fig. 7 Results of P-wave tomographic imaging.

图 8 S波的成像结果
紫色三角形和白色圆点分别代表火山和地震的分布位置Fig. 8 Results of S-wave tomographic imagin.

图 9 成像结果的垂直剖面图
紫色三角形和白色圆点分别代表火山和地震的分布位置Fig. 9 The vertical profiles of the tomographic imaging results.

3 讨论

南菲律宾地区同时受到东、 西两侧的菲律宾海板块和苏拉威西海盆的俯冲和挤压, 其地壳和上地幔的速度结构在横向上具有明显的不匀一性, 在地壳浅部表现为棉兰老岛中西部— 保和岛一带呈现出明显的P波和S波高速异常, 而围绕南菲律宾地区的海沟体系, 即菲律宾海沟和哥打巴托海沟则表现为P波和S波的低速异常。 根据前人的研究, 沿着菲律宾大断裂自南向北展布的棉兰老岛、 马斯巴特岛、 比科尔地区都有着较厚的地壳厚度, 这一地区位于菲律宾活动带的东侧, 直接受到菲律宾海板块俯冲的影响, 具有非常活跃的地震及岩浆活动, 因此该地区较厚的地壳很有可能是巨量的岩浆活动及蛇绿岩在下地壳增生共同作用的结果(Dimalanta et al., 2004, 2006)。 本研究在棉兰老岛中西部地区— 保和岛一带观测到的P波和S波高速异常很有可能是该地区地壳增厚的体现, 反映出菲律宾海板块与上覆的菲律宾活动带之间存在着强烈的构造活动, 这与李志伟等(2009)给出的该地区的P波成像结果一致。 棉兰老岛东侧在地壳中出现的P波和S波低速异常与地表出露的火山有很好的对应关系, 可能反映了菲律宾海板块在俯冲的过程中由于板块脱水而造成地壳物质部分熔融, 与之类似的还有内格罗斯岛南端以及哥打巴托海沟附近出现的低速异常。 根据胥颐等(2007)的研究, 南菲律宾地区在上地幔顶部呈现出较强的Pn波低速异常, 反映了该地区具有构造活动性强、 大地热流值高的特点, 因此可以推测菲律宾海板块、 苏禄海盆及苏拉威西海盆在地壳中具有较强的活动性。

随着深度的增加, 棉兰老岛中西部出现的P波和S波高速异常在地幔中逐步转变为低速异常, 其位置与地表出露的火山群非常吻合, 由此可以推测该低速异常同岩浆活动密切相关, 其深部岩浆的成因与棉兰老岛东西部约5MaiBP发生的碰撞有着密切的联系(Pubellier et al., 1991; Castillo et al., 1999), 且棉兰老岛西部的断裂系统还为深部热流物质提供了上涌的通道, 塑造了该地区如今的地热分布状态(Yumul et al., 2008)。 根据地球化学分析结果, 三宝颜— 棉兰老岛西部一带出现的蛇绿岩有着欧亚大陆边缘地壳— 上地幔的物质成分, 其很有可能产生于洋中脊快速扩张的环境之中(Yumul et al., 1997, 2010; Dimalanta et al., 2006)。 在棉兰老岛东北部和东南部出现的P波和S波低速异常从深40km处开始逐渐转变为高速异常, 大量地震沿着高速异常及其边界展布, 展现出菲律宾海板块较为清晰的俯冲形态。 根据Bautista等(2001)给出的全球板块运动模型, 菲律宾海板块在菲律宾海沟的南端具有最大的运动速率(约90mm/a), 因此可以推测菲律宾海板块在棉兰老岛的东南侧有很强的活动性。 从成像结果上来看, 该地区100km深处仍有地震密集分布, 说明菲律宾海板块在深部同上覆的棉兰老岛之间有着很强的应力积累; 与之对应的是, 发生在棉兰老岛西南侧— 哥打巴托海沟一带的地震在上地幔顶部有着较为密集的分布, 然而地震的数量从70km深处开始迅速减少, 说明苏拉威西海盆的俯冲活动仅在深度< 50km的范围有着较为活跃的表现, 其深部的俯冲活动并不明显, 相应的应力释放也非常微弱。

4 结论

本研究通过地震层析成像的方法同时反演了P波和S波震相, 得到了南菲律宾地区从地表至100km深处的三维速度结构。 成像结果显示研究区的速度结构具有很强的横向不均一性, 岩浆活动及蛇绿岩的增生很有可能导致菲律宾活动带东部出现地壳增厚的现象, 菲律宾中西部地区在深部出现的低速异常很有可能与深部的岩浆活动有关, 菲律宾海板块在棉兰老岛的东北部和东南部的俯冲活动较为活跃, 同上覆的块体有着很强的应力积累, 苏拉威西海盆的俯冲活动仅在上地幔顶部有所表现。

致谢 国际地震中心(International Seismological Centre, ISC)提供了地震事件资料和台站数据。 本研究中的图件均由GMT(the Generic Mapping Tools)软件绘制。 在此一并表示感谢!

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