长江断裂带安徽段上地壳速度结构及基底特征
邓晓果, 田晓峰*, 杨卓欣, 王夫运, 刘宝峰, 高占永, 郑成龙
中国地震局地球物理勘探中心, 郑州 450003
*通讯作者: 田晓峰, 男, 1979年生, 研究员, 主要从事深部探测与构造地质的相关研究, E-mail: tianxf@gec.ac.cn

〔作者简介〕 邓晓果, 女, 1987年生, 2011年于防灾科技学院获地球物理专业学士学位, 工程师, 主要从事深地震测深研究, E-mail: dengyisai@163.com

摘要

长江断裂带是中国东部构造体制转换的典型地区, 具有断隆相间、 “一盖多底”的构造特征, 发育了大量金属矿区, 精细的上地壳速度结构和基底图像对该区的成矿作用和构造演化研究具有较为重要的意义。 文中以在长江航道内激发的大容量气枪作为震源获得的密集观测数据为基础, 综合利用初至波走时成像、 时间项和射线反演等方法, 构建了长江断裂带安庆—马鞍山段的上地壳精细速度结构和基底结构。 综合分析研究结果可知, 长江断裂带的上地壳精细速度结构和结晶基底特征显示该区具有断隆相间的构造特征。 怀宁盆地是该段上地壳最厚的区域, 其基底埋深约4.5km。 庐枞盆地的结晶基底埋深约为4.1km, 沉积盖层呈明显的坳陷盆地形态, 结晶基底及其下方存在相对高速的速度特征。 长江断裂带在跨江处的上地壳存在明显的速度横向变化, 显示了长江断裂带切断基底的断裂特征。 长江断裂带安徽段基底最浅的区域为铜陵隆起区, 埋深仅为2.2km, 表明铜陵隆起区新生代以来经历了强烈的挤压作用。

关键词: 长江断裂带; 大容量气枪; 上地壳速度结构; 结晶基底
中图分类号:P315.2 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2020)05-1109-20
COMPREHENSIVE INTERPRETATION OF THE UPPER CRUSTAL VELOCITY STRUCTURE AND CRYSTALLINE BASEMENT OF THE CENTRAL YANGTZE FAULT ZONE FROM AIR-GUN SOURCE DATA
DENG Xiao-guo, TIAN Xiao-feng, YANG Zhuo-xin, WANG Fu-yun, LIU Bao-feng, GAO Zhan-yong, ZHENG Cheng-long
Geophysical Exploration Center of CEA, Zhengzhou 450003, China
Abstract

The Yangtze fault zone is a typical tectonic regime transition zone of the eastern China. Tectonically, it is characterized by alternated rifts and uplifts and “several crystalline basements with one sediment cover”. Abundant metal metallogenic deposits are developed. Improvement of the velocity model and basement structure will benefit our understanding and knowledge about the regional tectonics. Large volume airgun sources have been broadly applied to seismic surveys due to significant advantages. For instance, they are environmentally friendly, use lower frequencies, and are repeatable. Several seismic and geological research institutions, such as China Earthquake Administration, carried out a three-dimensional comprehensive sounding using the large volume airgun as the seismic source which was fired at the channel of the Yangtze River in 2015. The source-receiver geometry of this seismic experiment covered the whole Anhui Province which locates at the Middle-Lower Yangtze River. The densest observational area is in the Middle-Lower Yangtze River Metallogenic Belt which is a narrow area along the Yangtze River and consists of the Luzong, Tongling, Ningwu, and Anqing-Guichi ore deposits. The Tanlu fault zone, a giant strike-slip fault of more than 2 000km long, passes through the northwestern margin of this area. Geophysical studies have demonstrated copious geological evidences for the Yangtze fault zone, which is approximately 450km long and crosses central China, extending to the eastern coastal area. The present fault and fold systems are the consequences of the repeated tectonic events since the Mesozoic. We collected and analyzed the seismic data of 20 fixed airgun shot points, then utilized tomography, time term method and head wave traveltime inversion based on ray tracing techniques to model the upper crustal velocity and crystalline basement structure of the Anqing-Maanshan segment beneath the Yangtze fault zone. The profile along the Yangtze River consists of 100 PDS-2 seismometers with a spacing of 2km. We applied the linear and phase weighted stack methods to improve the signal-to-noise ratio of the weak seismic phases from the airgun source. According to the comparison between the linear and phase weighted stack results, the phase weighted stack method significantly improves the quality of the stacked data. We applied the band-pass filter to the stacked data to improve the onset of the first arrival, then picked up the seismic phases and assessed the errors of the picked traveltime. The comprehensive results reveal that the upper crust velocity structure and crystalline basement images show a tectonic feature of alternating rifts and uplifts. The upper crust of the Huaining Basin is the thickest area along the Yangtze River. The basement of the Huaining Basin is around 4.5km and there are Mesozoic lacustrine sedimentary layers whose thickness is about 2km. The crystalline basement depth of the Luzong Basin is 4.1km and the consolidated basin shows clear depression basin shape. This feature of the Luzong Basin reveals that it experienced extensional depression. There is a high-velocity zone beneath the crystalline basement of the Luzong Basin, and the velocity is higher than other areas along the Yangtze River. This high velocity zone shows an arc shape, which agrees with the Paleozoic reflection images by the seismic reflection survey. The profile crosses the Yangtze River in Tongling area and there are obvious velocity differences between the two sides of the Yangtze River. The velocity differences show that the Yangtze faults cut the crystalline basement in Tongling. The upper crust velocity structure of the Tongling area shows clear uplift features and its crystalline basement depth is about 2.2km, which agrees with the arc-reflection structures of the upper crust from the seismic reflection data. This uplift image reveals that the upper crust of the Tongling area has experienced extrusion deformations. The consistency of the seismic reflection imaging results with the near surface geology demonstrates that the large volume air-gun source is applicable to land-based seismic survey.

Keyword: Yangtze fault zone; large-volume airgun; upper crustal velocity structure; crystalline basement
0 引言

长江断裂带位于大别碰撞造山带的前陆, 在燕山运动时期经历的火山活动和岩浆侵入等被认为与该区域大量金属成矿作用密切相关(董树文等, 2007, 2010; 吕庆田等, 2014)。 关于长江断裂带的构造性质及基底特征, 目前仍存在较多争议。 秦大正等(1983)对长江断裂带和世界上其它大裂谷进行了综合对比, 认为前者具有大陆裂谷属性; 常印佛等(1991, 1996, 2012)认为长江断裂带是经过多期构造事件后最终在中生代形成的破碎带; 刘湘培等(1988)认为长江断裂带是古老的基底剪切带。 此外, 作为规模非常庞大的断裂带, 长江断裂带新生代以来的活动及其地壳稳定性也受到了关注(宋方敏等, 2008)。 2009年以来, 研究者在长江中下游的成矿带开展了大量的深部探测, 获得了该区域主要成矿区的深部构造及横穿长江断裂带若干重要部位的构造图像(董树文等, 2009, 2010, 2011; 史大年等, 2012; 徐涛等, 2013; 吕庆田等, 2014, 2015; 张明辉等, 2015)。

近年来, 在陆上水体中激发大容量气枪震源(Chen et al., 2007; Wang et al., 2011, 2012; Yang et al., 2014)及微弱信号处理提取(Schimmel et al., 2007; Zeng et al., 2016)等技术得到了快速发展, 在内河航道内利用大容量气枪激发地震信号可为获取地下精细结构提供新的途径(陈颙等, 2017)。 2015年, 以大容量气枪作为主要新型震源, 并结合低频可控震源等新型震源, 在长江流域安徽段开展了相关探测工作, 形成了覆盖安徽全省的三维综合探测系统。 大容量气枪震源固定激发的信号经叠加后的有效传播距离> 200km, 为获取长江断裂带的精细结构提供了全新的观测数据。 田晓峰等(2016)采用线性叠加方法, 基于长江航道内大容量气枪定点激发数据获得了可追踪至60km以远的Pg震相, 并开展了上地壳走时成像的初步研究。 She等(2018)利用主动源激发的面波信号, 获得了沿江主要成矿带浅部的S波波速异常。 Tian等(2018)利用走时成像方法, 构建了区域尺度的上地壳三维精细结构。 然而, 长江断裂带安庆— 马鞍山段位于长江腹地, 断陷带内发育了大量断层, 构造复杂, 处于武当— 随县— 张八岭、 崆岭— 董岭和江南基底的交会处, 目前尚缺乏完整的基底深部结构图像。

此外, 由于长江两岸沉积层较厚, 并存在较强的人文干扰, 大容量气枪激发的弱信号经线性叠加后信噪比较低, Pg波信号的拾取误差较大, 导致上地壳特别是结晶基底的成像精度不足。 本研究使用基于相位加权的叠加方法(Schimmel et al., 2007; Zeng et al., 2016)对气枪信号进行叠加分析, 大大提升了叠后信号的信噪比, 获得了更加可靠的Pg走时数据, 从而可综合利用Pg波走时成像、 滑行波射线反演和时间项等方法对长江流域大容量气枪试验观测到的数据进行反演分析, 最终获得了长江断裂带安庆— 马鞍山段的上地壳精细结构和结晶基底特征, 为长江断裂带的研究提供了新的地震学图像。

1 测线位置与地质概况

长江流域大容量气枪探测试验是首次在中国大陆内河航道开展的三维地震综合探测。 该试验以大容量气枪为主要震源, 结合低频可控震源等新型震源, 以长江航道为中心布设了超过700台流动地震仪, 形成了9条平行于长江、 2条横跨长江、 覆盖安徽全境的三维观测系统。 本研究以沿长江布设的密集测线记录到的20次定点激发的地震记录作为研究对象, 观测系统如图 1 所示。 沿江布设的测线共包括流动地震仪100台, 观测点距平均为2km, 地震仪连续采样间隔为50ms。

图 1 高分辨折射/反射测线位置图Fig. 1 Location map of high-resolution refraction/wide-angle reflection profile.

长江断裂带安庆— 马鞍山段位于长江中游腹地, 是华北块体、 秦岭大别造山带与扬子块体的交会带, 属于秦岭大别造山带的前陆区域(图 2)。 该区域以郯庐断裂(TFZ)为NW界, 以阳新-常州断裂(YCF)为SE界, 长江穿过其中线, 形成了一个南北100~200km的 “ V” 字型狭长构造带。 该条带内发育了安庆— 贵池、 庐枞、 铜陵和宁芜等矿集区, 被称为长江中下游成矿带(董树文等, 2011)。 该区北部的郯庐断裂带附近属于武当— 随县— 张八岭式基底, 沿江的长江断裂带两侧主要为崆岭— 董岭式基底, 阳新-常州断裂SE侧为江南式基底(图2a)(刘刚等, 2016)。 这几种不同的基底在该区内均被相同的沉积盖层所覆盖, 形成了 “ 一盖多底” 的构造格局(常印佛等, 1996)。 新生代以来, 该区的新构造运动主要表现为弱隆升和垂直差异这2种类型, 且以弱隆升为主。 该区的历史地震活动较弱, 以浅源地震为主, 晚更新世以来没有断裂活动(宋方敏等, 2008)。

图 2 区域构造图(据常印佛等, 1991修改)及基底分布(据刘刚等, 2016修改)Fig. 2 Tectonic map(modified according to CHANG Yin-fo et al., 1991)and distribution of crystalline basement (modified according to LIU Gang et al., 2016)of the Yangtze fault zone and nearby region.

2 数据处理方法与过程
2.1 数据预处理

本研究利用的数据为20个固定激发点激发的气枪信号在沿长江布设的地震测线上的记录。 该测线上共布设PDS-2型数字地震仪100台, 平均观测点距为2km。 由于长江沿岸具有较厚的沉积盖层, 且人文干扰较强, 大容量气枪激发的单枪信号被淹没在噪声中, 极难识别(图3a)。 利用大容量气枪信号重复性好的特点, 通过多次叠加可大大提升其信噪比(陈颙等, 2017)。 为获得地壳深部的地震信号, 对20个固定激发点产生的数据进行线性叠加(图3b)(Wang et al., 2012)和相位加权叠加(图3c)(Schimmel et al., 2007; Zeng et al., 2016), 以提取微弱信号, 最终获得20张共2 000道叠加记录。

图 3 为固定激发点S3的地震记录。 其中, 图3a为单枪记录, 从中无法识别有效信号; 图3b为经100次线性叠加获得的记录截面, 从中可明显识别出振幅较强的PmP震相, Pg震相在40km范围内可识别, 经仔细辨认可追踪至60km, 但信噪比较低; 图3c为经215次相位加权叠加获得的记录截面, 其中PmP震相可清晰追踪到150km之外, Pg信号可追踪至超过90km, 且信噪比大大提升。 对经相位加权叠加的记录截面进行2~8Hz带通滤波后发现, Pg震相可追踪的距离为80~96km, 与线性叠加方法(田晓峰等, 2016)相比可追踪距离大大提升。 最终拾取了上地壳初至波Pg震相912个, 比此前初步研究(田晓峰等, 2016)中的628个Pg震相数量增加了284个。 利用互相关方法获取震相的拾取误差(Zelt et al., 1994), 得到震相拾取误差的均值为90~120ms, 与初步研究中采用经验性走时的误差赋值(田晓峰等, 2016)相比, 提升了震相拾取误差的精确度。

图 3 固定激发点S3激发产生的地震记录
a 单枪记录; b 100次线性叠加的结果; c 215次相位加权叠加的结果
Fig. 3 Observed seismic data from the fixed shot S3.

2.2 初至波走时成像方法

本研究首先采用正则化反演的走时成像方法(Zelt et al., 1998), 对Pg走时进行初至波走时反演, 获取上地壳速度结构模型。 在该方法中, 目标函数定义为

Φm=δtTCd-1δt+λ[mTCh-1m+szmTCv-1m](1)

其中, m是模型矢量, δ t是数据残差, Cd是数据协方差矩阵, ChCv分别是水平和垂向平滑度矩阵, λ 是阻尼因子, sz是水平向与垂向平滑度的权重因子。 反演中, 数据协方差矩阵Cd是一个对角矩阵, 其对角元素为Pg震相的到时拾取误差的平方值(Zelt et al., 1998)。 水平平滑/粗糙度矩阵Ch每行包含5个非零元素, 分别是1/Sj、 1/Sj、 -4/Sj、 1/Sj和1/Sj的二阶差分值, 这5个元素分别对应第j个反演分块及其在xy方向相邻的4个分块, Sj为中央分块的先验慢度。 在实际反演中, 给定初始速度模型后, 先将该速度模型从正演网格参数化模型转换为反演参数化分块模型, 并将格点速度换算为分块慢度, 即给出了每个反演分块处的先验慢度SjCv的定义和操作类似, 详见Zelt等(1998)的原文。

该方法数据所拟合的满意度采用统计量χ 2来判断, 其定义为(Bevington, 1969)

χ2=1Ni=1Ntoi-tpiσi2(2)

式中, N是观测数据的总量, toitpi是分别是第i个观测走时和计算走时, σ i是第i个观测到时的观测误差, 此处相应为震相拾取误差。 根据式(2), 当χ 2> 1时, 表明反演结果未能满足数据拟合条件, 为数据拟合不足; 当χ 2< 1时, 表明反演结果过度拟合, 包含了超过数据分辨能力的细结构; 当χ 2=1时, 表明反演结果符合观测误差。

2.3 反演过程及分辨测试

2.3.1 初始模型的选取

不同于传统的经验性选取初始模型的办法(田晓峰等, 2016), 本研究采用Malinowski等(2008)提出的多尺度反演网格迭代选取初始模型的方法。 首先, 对优质记录进行视速度分析, 建立一个基于少量炮集的一维模型, 本研究最终所选的一维模型如图4a中的虚线所示。 然后, 通过网格尺度不断缩小的非线性迭代反演获得符合数据拟合条件(χ 2=1)的模型后, 对该模型进行一维平均或大尺度平滑成为一维模型, 以此作为反演的初始模型(Malinowski et al., 2008)。

图 4 a 初始模型的选取; b 初始模型计算的走时曲线与观测走时分布(误差棒为观测走时, 圆点为计算走时); c 初始模型的走时残差直方分布; d 最终速度模型的走时残差直方分布Fig. 4 Initial model for tomography(a), calculated traveltimes(dots)for the initial model and the observed data(error bars)(b), histogram of the traveltime residual for the initial model(c), histogram of the traveltime residual for the final model(d).

本研究在选择初始模型的过程中, 将反演网格分别设置为50km× 10km、 25km× 5km、 10km× 2km、 5km× 2km和2km× 1km, 对每种反演网格均进行5次非线性迭代, 并将第5次迭代产生的模型作为下一种反演网格的初始模型。 共经过25次迭代后, χ 2从38.81降低到了1.23。 之后, 再对该模型进行一维平均。 在平均过程中, 扣除了射线覆盖范围以外的速度值, 最终获得了反演所需的初始模型, 如图4a中黑色实线所示。 图4b展示了初始模型计算所得的走时曲线与观测数据的关系。 该曲线从观测走时簇中部穿过, 表明该模型与全体观测数据的残差最小, 不会陷入局部极小。

2.3.2 参数选择及反演过程

本研究的模型参数化范围为: 自起始桩号80km至终点桩号350km, 横向全长270km; 垂向为0~20km。 该试验探测的平均观测点距为2km, 最小观测点距约为1km, 正演模型适度加密, 采用0.5km× 0.5km的网格进行正演计算, 最终构建了541× 41个正演格点。 反演网格采用2km× 1km尺寸, 反演的方块数为270× 20。 根据初始模型选取过程中的非线性迭代反演尝试, 将水平向与垂向平滑权重因子sz设为0.15。 在正则化走时反演中, 由于阻尼因子和平滑参数共同约束反演, 一般采用L曲线法选取阻尼因子和平滑参数(Zhang et al., 2003)。 然而, 由于地震宽角反射/折射数据反演具有强烈的非线性, 每一步迭代过程中的阻尼因子均不同, 本文所用的初至波走时成像方法在选择阻尼因子时一般采用尝试法(Zelt et al., 1998)。 在本研究的反演过程中, 第1次迭代的阻尼因子设为1 000, 通过多次尝试, 每次迭代的阻尼因子值为上次迭代过程中的阻尼因子除以1.08。

最终, 通过31次非线性迭代, 全部912个走时的均方根残差从410.67ms减小到103.37ms, χ 2从23.62降低为1.01。 图4c为初始模型走时残差直方分布图, 图4d为最终模型走时残差直方分布图。 从图中可以看出, 通过反演, 走时残差从初始模型的大部分残差落在± 300ms收敛至± 100ms以内, 与初始模型相比, 最终模型的反演结果较好地实现了数据拟合。

2.3.3 多尺度检测板分辨测试

为检验反演结果的稳定性和分辨能力, 本研究利用Zelt(1998)Tian等(2014)提出的多尺度检测板相似度分析方法对结果进行稳定性检验和分辨分析。 为了将检测板恢复试验的结果量化, Zelt(1998)提出以检测板恢复相似度R作为模型分辨的参考, 相似度R的定义为

R=j=1M(Dntj+Dnrj)22j=1M(Dntj2+Dnrj2)(3)

其中, D ntjD nrj分别是第j个节点处检测板速度异常的真实值和速度异常的恢复值。 M为一个棋盘格内包含的速度节点总数。 该分辨率的定义中, Zelt(1998)指出单个棋盘格内的检测板相似度为0.7, 即为检测板恢复情况良好。 该阈值在已开展的走时成像研究中被多次应用(Zelt et al., 2006; Magnani et al., 2009; Tian et al., 2014)。 本研究也以0.7作为检测板恢复情况的判断阈值。 需要注意的是, 此处的检测板相似度给出的分辨R并非基于反演理论意义上的分辨率定义, 而是基于检测板恢复试验的检测板相似度。

利用前述31次非线性迭代反演得到的模型作为背景模型, 加入± 5%的速度扰动后, 对获得的走时加入± 5%的随机噪音进行反演。 在检测板试验的反演过程中, 正、 反演参数与前述反演过程参数完全一致, 初始模型为前述第31次迭代的反演结果, 并最终通过31次非线性迭代得到了检测板恢复结果。

图 5 为3个不同尺度检测板的恢复试验结果。 图5a、 5c和5e分别为2km× 1km、 5km× 1km和10km× 1km的检测板输入模型, 图5b、 5d和5f分别为相应的恢复结果。 利用上述3个检测板恢复结果与检测板输入模型计算每个棋盘格内的相似度, 最终给出了如图6b所示的检测板相似度为0.7的分辨结果。 结合射线覆盖(图6c)情况进行分析可知, 在模型所覆盖的大部分范围内, 深度6km以浅的区域成像分辨优于7km, 深度5km以浅的区域成像分辨优于6km。 由此, 即获得了长江断裂带较为精细的上地壳速度结构(图6a)。

图 5 多尺度检测板恢复试验Fig. 5 Multi-scale checkerboard simulation test.

图 6 长江断裂带安徽段的上地壳速度模型(a)、 模型分辨(b)及射线覆盖(c)Fig. 6 The final tomographic velocity model(a), the resolution for the velocity model according to the multi-scale checkerboard test(b)and the raypath coverage along the profile(c).

2.4 基底滑行波的射线反演

长江断裂带所在区域主要为崆岭— 董岭式基底(刘刚等, 2016), 是新太古代— 古元古代变质核杂岩。 大地电磁的相关结果显示, 基底的电阻明显高于盖层(刘博等, 2018)。 基于正则化反演的初至波走时成像能够获得盖层的精细结构, 但由于正、 反演方法的特点, 所获得的模型是基于正则化平滑约束的结果, 无法勾画出基底面作为尖锐界面的形态(刘刚等, 2016)。 而基于射线追踪的正演试错方法无法计算滑行波, 通常给出的是折射界面(Cerveny et al., 1988)。 时间项方法是传统上用来确定基底深度的一种有效方法, 能够利用首波走时反演沿界面的首波滑行速度和滑行界面的深度(Scheidegger et al., 1957; 陈颙等, 1974; 段永红等, 2002; 吴怡等, 2006; 杨卓欣等, 2011)。 本研究利用时间项方法反演了沿基底滑行波的走时, 获得了滑行界面的埋深。 图7c中的蓝色圆点为时间项反演所获得的基底埋深, 时间项反演所得的滑行波的速度为5.89km/s。 利用传统的时间项方法计算时, 通常采用上覆盖层的平均速度, 对于研究区盖层横向变化较大的情况则难以精确约束基底深度(陈颙等, 1974; 段永红等, 2002; 吴怡等, 2006; 杨卓欣等, 2011)。 Hearn等(1986)提出可增加水平分层以更好地约束上覆速度, 利用直达波约束上覆层速度来约束时间项反演的建议。 Valenta等(2007)指出, 为了保持反演过程的稳定, 正则化方法最终获得的模型受一定的平滑约束, 对于某些特殊构造难以精确成像, 同时提出了一种基于先验信息的三维时间项方法, 该方法能够快速地确定滑行界面的埋深。 然而, Valenta等(2007)仍然建议研究中应结合包含首波因子算法(Hole et al., 1992)的成像方法综合研究并获取基底结构。

由于部分Pg波为沿着基底界面滑行产生的首波, 这种滑行波对界面形态十分敏感(Cerveny et al., 1971), 因此利用滑行波能够较好地约束基底界面形态。 本研究借鉴上述研究的经验和建议, 利用前述层析成像的结果(图6a)给出精确的基底上覆盖层的速度, 并利用基于射线反演的方法, 将初至波到时中的372个基底滑行波单独选出, 利用能够实现滑行波射线追踪和阻尼最小二乘反演方法的RAYINVR软件包进行反演(Zelt et al., 1992), 构建了基底界面的形态及其上覆点的速度, 并结合Pg走时成像、 传统时间项和射线反演结果对长江断裂带的基底结构进行综合分析。

射线反演方法(RAYINVR)可采用不规则的网格进行参数化(Zelt et al., 1992)。 由于滑行波仅对界面形态和界面处的速度值敏感(Cerveny et al., 1971; Zelt et al., 1992), 为确保基底以上较厚覆盖层速度的准确性, 在反演过程中, 首先将前述初至波走时成像获得的速度模型(图6a)中5.5km/s速度等值线以上的介质视为不能被滑行波走时数据约束的盖层(Valenta et al., 2007)。 将初至波走时成像速度模型(图6a)在水平向以10km为网格间距、 在垂向将从地表到5.5km/s的速度等值线处平均细分成5层, 所得的模型参数化方案如图7b所示。

图 7b中, 虚线为基于初至波成像模型重采样的界面, 红色方格为界面深度控制节点, 蓝色圆点为速度控制节点, 红色方格和蓝色圆点均基于初至波成像结果重新采样获取, 不参与反演。 黑色实线为初始的基底界面位置, 黑色方格和绿色圆点分别为基底界面埋深和速度控制节点, 在反演过程中全部参与反演。

图 7 结晶基底上地壳反演结果、 初始模型及与成像方法和时间项结果的对比
a 基于射线反演的上地壳速度及基底结构; b 初始模型参数化展示; c 与走时成像方法和时间项方法的结果对比
Fig. 7 Results of the head wave inversion and assessment.

结晶基底界面的初始模型深度取前述初至波成像结果中5.7km/s速度等值线(图7b中的黑色实线)的深度, 设基底面上覆初始速度为5.7km/s, 基底面底部的初始速度为5.9km/s, 横向每5km设定1个速度和深度节点。 在反演过程中, 设界面深度的不确定性为1km, 速度的不确定性为0.1km/s, 5次反演迭代的阻尼因子均为100。 由于射线反演缺乏平滑约束, 每次反演后均对反演获得的界面进行线性平滑, 如果反演结果出现界面交叉的情况, 则将交叉的节点分开。

反演得到的最终模型如图7a所示, 即结晶基底为不连续面的上地壳速度结构。 最终模型的均方根走时残差为116ms, χ 2值为1.16。 最后, 根据反演的参数给出了速度和界面深度节点的分辨, 如图8c和8d所示, 每个节点的分辨值见表1。 一般而言, 反演结果的分辨值> 0.5则可视为已获得了足够的分辨(Zelt et al., 1992; 杨卓欣等, 2011)。

图 8 射线反演最终模型的评估
a 滑行波射线覆盖; b 滑行波走时拟合; c 结晶基底上覆速度的反演分辨; d 结晶基底界面反演分辨
Fig. 8 Assessment for the inversion model.

表1 滑行波的反演分辨 Table1 Resolution for head wave travel time inversion
3 结果分析和讨论

本研究利用前述Pg走时成像、 时间项方法和射线反演方法获得了长江断裂带安庆— 马鞍山段的上地壳精细结构和基底界面形态。 Pg走时成像结果显示, 安庆以南的怀宁盆地到安庆一带的火山盆地是研究区上地壳平均速度最低的区域, 该区域存在厚度> 2km、 速度为5.0~5.5km/s的沉积层, 地表速度最低(3.5km/s)的区域位于安庆一带、 长江以北的火山盆地内。 庐枞盆地是研究区内另一个较厚的沉积集中区域, 盆地中心近地表的速度约为3.5km/s, 5.5km/s速度层以上的沉积厚度> 4km。 铜陵以北到芜湖之间为隆起区, 近地表速度> 4.2km/s, 沉积层的水平分层良好, 5.5km/s速度层以浅的沉积层厚度约为2km。 芜湖以北到马鞍山为宁芜盆地, 向NE上地壳整体厚度增加, 近地表速度约为4.0km/s, 5.5km/s速度层以上的沉积层厚约5km。

射线反演基于滑行波走时数据, 使用界面和上、 下侧速度同时反演的方法, 获得了结晶基底的深度和速度。 由于该反演过程中5.5km/s速度层以上的上地壳速度结构均为Pg走时成像结果重新采样获得, 在此不再赘述。 射线反演结果显示, 研究区基底埋深最深的区域位于安庆以南的怀宁盆地和安庆一带的火山盆地, 最深为4.48km, 其中结晶基底底部的速度为5.82~5.92km/s, 怀宁盆地一带结晶基底底部的速度最低, 为5.82~5.87km/s, 安庆一带结晶基底底部的速度较高, 为5.88~5.92km/s。 庐枞盆地是研究区结晶基底埋深仅次于怀宁盆地的区域, 盆地沉积中心(桩号约210km处)的结晶基底埋深约3.78km, 该区结晶基底底部的速度为研究区内最高, 达5.97km/s。 铜陵以北到芜湖为铜陵隆起区, 隆起的中心位置在桩号285km处, 该处的结晶基底埋深约为2.27km, 结晶基底底部的速度为5.90km/s。 本研究所获得的观测数据未能覆盖宁芜盆地全部, 反演分辨> 0.5(表1和图 8)的最北区域约位于桩号310km处, 即宁芜盆地的边缘, 该处的结晶基底埋深为2.43km, 结晶基底底部的速度为5.90km/s。 图7c对Pg走时成像、 时间项方法和射线反演获得的结晶基底结构进行了对比。 对比图显示, 通过射线反演和时间项方法获得的结晶基底埋深范围全部位于Pg走时成像速度等值线5.5~5.9km/s范围内, 时间项反演计算所得的范围略大于射线反演分辨> 0.5的范围。 同时, 时间项的结果与射线反演结果的一致性较好, 桩号310km以外的基底深度约为3.5km。

研究区最西部的怀宁盆地紧邻大别造山带, 为继承式火山岩盆地, 是长江中下游地区形成最晚的火山盆地(周涛发等, 2011; 薛怀民等, 2016), 该区具有全段最深的基底, 可达约4.5km。 坳陷盆地的沉积层序研究显示, 怀宁盆地存在厚度可达2km的中— 晚三叠世湖相沉积, 上覆早中侏罗世河湖相沉积(周涛发等, 2011; 薛怀民等, 2016)。 岩浆地球化学研究显示, 怀宁盆地内的火山岩组成呈复合型, 即早期的火山岩属橄榄玄粗岩系列, 晚期的火山岩含钾钙量较高, 属于碱性系列(周涛发等, 2011; 薛怀民等, 2016)。

研究区的另一个坳陷区是庐枞盆地。 庐枞盆地结晶基底的埋深呈明显的坳陷盆地形态, 显示了中生代以来经历的伸展坳陷过程(汤家富等, 2010; 周涛发等, 2011)。 从庐枞盆地的沉积中心向N, 桩号210km附近的结晶基底上、 下侧存在较大的速度差, 且基底面上方的介质速度明显低于周缘。 根据SinoProbe在庐枞盆地开展的深地震反射结果(董树文等, 2010; 吕庆田等, 2014)可知, 庐枞盆地内白垩系火山岩盆地底部的双程走时可达2s, 加上处理基准面, 估算其深度约为4.1km, 与本研究射线反演获得结晶基底埋深结果完全一致(董树文等, 2010; 吕庆田等, 2014)。 深地震反射的探测结果还显示, 在庐枞盆地的SE界、 长江北岸下方存在一系列弧形强反射轴(董树文等, 2010; 吕庆田等, 2014)。 该区与本研究所涉及的庐枞盆地位置一致, 射线反演的结果显示, 庐枞盆地结晶基底下方存在速度比其它区域都高的介质属性, Pg走时成像结果也显示出庐枞盆地下方的上隆结构特征。 这种弧形的上隆结构与该区古生界的反射特征一致(董树文等, 2010; 吕庆田等, 2014)

观测测线在铜陵跨过长江, 在铜陵以东观测仪器埋置于长江南岸, 位于铜陵矿集区内。 Pg走时成像结果显示, 在观测点跨江处近地表存在明显的速度横向变化, 显示出长江断裂带与长江航道的密切关系。 测线跨江后, 地表速度迅速提升, 约为4.2km/s, 沉积盖层明显上隆, 基底埋深约为2.2km。 铜陵以东至芜湖段为铜陵隆起区, 上地壳的沉积盖层呈明显的隆升特征, 在该区域开展的深地震反射结果显示, 在该区上地壳的透明反射区之上存在明显的弧形上拱反射组合 (吕庆田等, 2003), 这与本研究成像结果一致, 暗示了该区域的上地壳经历了强烈的挤压变形过程。 物探和航磁资料均支持该区域存在巨大酸性岩基的推测 (常印佛等, 1991)。 本研究获得的成像结果为沿长江的基底构造, 该段的成像结果体现的仍是崆岭— 董岭基底特征, 其上隆的速度构造特征和地下1~3km的速度等值线变化(图6a)显示出 “ 两隆夹一坳” 的特征。

4 结论

本研究在长江航道内利用大容量气枪激发的地震信号, 通过微弱信号的相位加权叠加方法, 获得了信噪比较线性叠加方法更高的Pg和PmP等震相记录, 并综合利用初至波走时成像、 时间项和射线反演等方法, 构建了长江断裂带安庆— 马鞍山段的上地壳精细结构和基底结构, 获得的上地壳速度结构与在庐枞盆地和铜陵矿集区开展的深地震反射结果形成了良好的一致性印证。 研究显示:

(1)对于大容量气枪震源激发的微弱信号, 与线性叠加方法相比, 相位加权叠加方法能够大大提升叠后信号的信噪比, 为地震成像提供更优质的数据。

(2)怀宁盆地是该区域上地壳最厚的区域, 基底埋深为4.5km, 存在厚度可达2km的中生代湖相沉积分层。

(3)庐枞盆地结晶基底的埋深约为4.1km, 沉积盖层呈明显的坳陷盆地形态, 显示出中生代以来经历的伸展坳陷过程。 庐枞盆地结晶基底下方存在相对其它区域更为高速的介质属性, 该弧形上隆结构与该区开展的深反射探测获得的古生界的反射特征一致(董树文等, 2010; 吕庆田等, 2014)。

(4)测线在铜陵跨过长江, 观测点所在跨江处的上地壳存在明显的速度横向变化, 显示了长江断裂带是切断基底的断裂。

(5)铜陵隆起区上地壳呈明显的隆升特征, 基底埋深仅2.2km, 与该区域开展的深地震反射显示的上地壳复杂的弧形反射相一致(吕庆田等, 2003), 暗示了铜陵隆起区的上地壳经历了强烈的挤压变形。

致谢 本文依托陈颙院士领导和组织的长江安徽段试验探测工作开展相关研究; 陈涛博士对长江安徽实验及主动源探测提出了建议; Colin Zelt教授为本研究提供了软件包并针对数据处理方面提出了建议; 审稿专家为本文提出了宝贵的修改意见。 在此一并表示感谢!

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