Crustal Velocity Structure beneath the Site of Chinese Continental Scientific Drilling Site
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摘要: 为了深入研究大别—苏鲁超高压变质带的深部结构及空间展布特征, 进一步揭示该超高压变质形成的动力学过程, 在中国大陆科学钻探场址区进行了广角反射/折射地震测深调查.根据广角反射/折射地震测深的资料研究, 建立了中国大陆科学钻探场址区的地壳纵波速度结构.从纵向上来看, 研究区域的地壳结构可划分为上、中、下3层: 上地壳的速度小于6.2 0km/s, 厚10余km; 中地壳的速度为6.4 0km/s, 厚亦为10km左右; 下地壳的速度为6.6 0km/s.地壳厚度为31km左右, 且其地壳的平均速度为6.30km/s.上地壳中的速度倒转指示了超高压变质体在地壳内部的空间分布, 且超高压变质体在大陆科学钻探场址及其附近的下部呈现为一隆起形态.Abstract: In order to study the deep structure, spatial tectonic characteristics and the dynamic process for the Dabie-Sulu ultral-high metamorphic belt, a wide-angle reflection/refraction seismic survey was conducted in the Chinese Continental Scientific Drilling (CCSD) site. The crustal velocity structure beneath the CCSD site has been established based on wide-angle seismic reflection/refraction data acquired at the site. According to the results, the crust beneath CCSD is composed of three layers: the upper, middle and lower crust, with velocities of < 6.20 km/s, 6.40 km/s, and 6.60 km/s, and a thickness of ~10 km, ~10 km, and ~12 km respectively. The crust thickness is 31 km around with an average velocity of 6.30 km/s. However, the reversed velocity in the upper crust implies an ultrahigh-pressure metamorphic (UHPM) layer (body) with a shape of uplift beneath or near the CCSD site.
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Key words:
- CCSD /
- deep seismic sounding /
- crustal velocity structure /
- UHPM zone
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近些年来, 随着苏鲁—大别地区含柯石英榴辉岩及蓝闪石片岩的高压—超高压变质带的发现及其与超基性岩体一起作为古俯冲带的观点(Xu, 1987; 张儒媛等, 1993; 丛柏林等, 1994) 的提出, 在中国乃至全球掀起了超高压变质带研究的热潮(杨文采等, 1999; 索书田等, 2003; 欧新功等, 2003).与此同时, 1997年经国务院批准为“九五”国家重大科学工程项目之一(张永康, 1997) 的中国大陆科学钻探工程选取江苏省东海县作为中国第一口科学深钻的钻探场址, 对研究超高压变质带的形成折返、陆-陆碰撞和壳幔作用有着重要的科学意义.该项目的实施, 将全球超高压变质带的研究又推向了一个新的高潮.
中国大陆科学钻探场址所在的苏鲁超高压变质岩带属扬子板块与华北板块碰撞带的北东段组成部分(程裕淇, 1994), 是大别山超高压变质岩带的东延, 并被郯庐断裂错断, 向北平移.变质岩带南界为嘉山-响水断裂, 北界目前尚有争论, 许多学者认为是五莲-烟台断裂.变质岩带自南至北在碰撞作用所影响的范围内形成了由蓝片岩、白片岩及榴辉岩带构成的一套完整的超高压变质带.
为了配合这一世界级的地学研究, 在中国大陆科学钻探场址及其周围地区进行了一系列与之配套的科学研究(杨文采等, 1999; 杨文采和余长青, 2001; 余钦范等, 2001, 2002; 王有学, 2002), 包括广角反射/折射地震调查.根据国土资源部科技司的安排, 中国地质科学院地质研究所于2001年初在科学钻探场址及其周围地区进行了广角反射/折射地震调查, 其主要目的在于研究苏鲁超高压变质带的深部结构及空间展布特征, 为进一步揭示和研究该超高压变质带形成的动力学过程提供更为详实可靠的深部地球物理证据.
1. 观测系统及野外数据采集
中国大陆科学钻探场址区的广角反射/折射地震测深工作由SW-NE向(Ⅰ) 及NW-SE向(Ⅱ) 2条地震测深剖面构成一个十字型测线(图 1).
图 1 中国大陆科学钻探场址及其周边地区地质构造略图及地震测线位置1.超高压变质带; 2.高压变质带; 3.中、新生代沉积; 4.花岗岩; 5.断裂; 6.地震剖面及炮点; WYF.五莲-烟台断裂; JXF.嘉山-响水断裂; TLF.郯城-庐江断裂; XGF.新沂-赣渝断裂Fig. 1. Tectonic sketch map and seismic profiles in the CCSD site and its adjacent area野外地震数据的采集使用50台法国LEAS公司生产的HATHOR型三分量数字地震仪, 其动态范围为120 db, 频带范围为0.01~500 Hz; 采用内置式GPS接收器作为时间服务系统; 使用了150台检波器, 其固有频率为10 Hz, 灵敏度为300 mV·s-1·cm-1.由于地震仪有限, 仅50台, 故将每台地震仪的3个分量同3个垂直检波器用电缆相连, 等同于3个独立的台站使用.
测点按非等间距方式布设, 在主要探测对象(超高压变质岩体) 区段采用小点距(0.2~1 km), 而在外围地区则采用3 km的大间距, 个别地方为4 km.整个野外工作共布设炮位48个, 其中大炮9个(100~350 kg), 小炮39个(24~48 kg); 共用炸药3 000 kg, 炮点距在超高压变质体地区较密(2 km左右), 而在外围地区则逐渐增大, 最大为30余km.
野外数据采集所使用的采样率为0.007 5 s.整个工程共获得高质量地震记录截面图38张, 其中测线Ⅰ上获得20张, 测线Ⅱ上获得48张.
2. 地震波场特征分析
在获得的地震记录截面图上, 可以识别出Pg、P1、P2、P3、P4、P5、Pm等6组震相, 各个震相以其自身的地震场特征为我们研究中国大陆科学钻探场址区的地壳的精细结构提供了充分的依据.
2.1 测线Ⅰ
测线Ⅰ近东西向展布, 并自西向东斜穿苏北超高压变质带与苏北白片岩带的交接部位.Pg震相呈典型的回折波走时曲线特征, 指示其地壳盖层中速度梯度层的存在(图 2).
图 2 测线Ⅰ上W07炮的P波地震记录截面综合速度vr为6.00 km/s, 下同Fig. 2. Seismic record section from shotpoint W07 in Profile Ⅰ反射波P1震相以清晰的波至紧随Pg波之后在临界距离10 km附近出现, 而且具有很强的能量, 其平均速度为5.6 km/s, 埋深为2.4 km (图 2).如此大的反射能量可能即是疏松的地表盖层与其下伏的超高压变质岩体层之间的明显的波阻抗差异反映.随着炮点的东移, 其反射面的埋深变浅.
反射波P2震相是随P1震相之后的又一个强反射, 临界距离为20 km左右, 其平均速度为5.85 km/s, 埋深为5 km (图 2).该强反射可能即是超高压变质岩体层与下伏速度相对较低的地层之间的较高波阻抗差异有关.
震相P3界面埋深为7 km, 其平均速度与震相P2的平均速度相近, 为5.86 km/s.这种现象表明在震相P2与P3之间可能存在一个低速层(图 2).
P4反射波震相为低速层底界面所产生, 在小炮记录中亦可识别(图 2), 其平均速度为5.95 km/s, 埋深为9.7 km, 临界距离在30 km甚至更远.该反射界面向东有加深的趋势, 在大炮E10的记录截面图上(图 3), 其界面埋深增至12.3 km, 平均速度也变为5.98 km/s.P3震相的情况与此相似, 其界面由西部的6.6 km增为东部的8 km左右.
P5震相仅在大炮记录截面上得以反映(图 3).该震相以50 km的临界距离出现, 其平均速度及界面埋深分别为6.15 km/s及18.5 km, 为下地壳顶界面的反射.
莫霍面的反射波Pm在大炮记录中以很强的能量出现在临界反射段50~85 km之间(图 3), 其平均速度为6.32 km/s, 埋深为30.5 km, 且其临界距离为60 km.
2.2 测线Ⅱ
与测线Ⅰ相比, 测线Ⅱ为北北西向展布, 并自南向北穿过苏北蓝片岩带及苏北超高压变质带, 并且在其南部还穿过苏北蓝片岩带中的新生代沉积, 这在Pg震相的变化上得到了充分反映.炮点S09位于新生代沉积的北部边缘(图 4), 其南北两侧的Pg震相表现为明显的差异特征: 南侧的波至延迟很大, 在位于10 km的震中距处, 其波至到时为0.76 s; 而在北侧, 其波至到时仅为0.22 s, 走时差高达0.54 s之多.这种影响波及到更深层次的反射, 图 5中的P4、P5及Pm各震相即是受此影响使得它们均在震中距为55 km以远发生走时延迟.
莫霍面反射波震相Pm在图 5中以很强的能量出现在临界反射段45~70 km之间(图 5), 其平均速度为6.28 km/s, 埋深为30.3 km, 且其临界距离为60 km.
根据对测区的地震波场特征分析, 利用反射率法, 对测区的典型记录(图 3) 进行了一维模型的波场模拟, 其结果如图 6所示.由图可见, 合成理论地震图很好地再现了实际观察记录的主要波场特征.
图 6 测线Ⅰ上E10炮的P波合成地震记录截面Fig. 6. Synthetic seismic record section from shotpoint E10 in Profile Ⅰ3. 二维地壳速度结构及其特征
根据实测资料的波场特征分析, 中国大陆科学钻探场址下部的地壳内部速度结构已初显轮廓.在此基础上, 利用SEIS83程序包(Cerveny and Psencik, 1984) 对测区的地震波场特征进行模拟计算(图 7), 最后建立了测区的二维地壳纵波速度结构, 其结果如图 8所示.其中的地震波速度误差小于3%, 界面埋深的误差小于10% (Mooney, 1989).
图 7 测线Ⅱ上N13炮的P波资料的模拟结果a.地震记录及理论计算走时; b.地壳速度模型其射线路径Fig. 7. Modeling results from shotpoint N13 in Profile Ⅱ
图 8 中国大陆科学钻探场址区的地壳纵波速度结构Fig. 8. Crustal velocity structure beneath the CCSD site and its adjacent area从纵向上来看, 中国大陆科学钻探场址下部的地壳速度结构可以R4、R5及Rm等界面将其划分为上、中、下3层: R4以上为上地壳, 速度小于6.20 km/s, 厚10 km左右; 中地壳由位于R4与R5界面之间的地层构成, 其速度为6.40 km/s, 厚约10 km; 下地壳的速度为6.60 km/s, 厚10余km.地壳厚31 km左右, 平均速度为6.30 km/s.在2条相互交叉的地震剖面上, 上地壳中均存在一个速度倒转.在上地壳顶部存在一纵波速度为6.05~6.10 km/s的高速层.
在横向上, 2条测线的地壳纵波速度结构则表现为截然不同的特征.在测线Ⅰ下部, 总的来说地层变化比较平缓.地表浅部的速度变化较小, 速度在4.8~5.9 km/s之间变化.超高压变质层表现为西深东浅, 并在大陆科学钻探场址向东逐渐变浅, 其下部的埋深为2.4 km, 厚度约为2.1 km.超高压变质层下部的上地壳则存在较大的变化, 厚度由西部的2.0 km向东增至7.0 km, 且中地壳也继承了上地壳底界面的形态, 由西向东加深.然而, 在测线Ⅱ上, 不仅地表浅部存在明显的变化: 在沭阳北侧存在一个低速区, 地表部分仅为2.05 km/s, 其下为速度4.1~5.0 km/s的梯度层, 这与该地段存在的新生代沉积相对应.超高压变质地层在科学钻探场址下部呈现为一隆起形态, 而且除莫霍面以外的所有界面也都具有相似的特征.
4. 结论及讨论
根据对广角反射/折射地震测深资料的研究, 建立了中国大陆科学钻探场址区的地壳纵波速度结构.研究结果表明: (1) 研究区域的地壳结构可以划分为上、中、下3层: 上地壳的速度小于6.20 km/s, 厚10余km; 中地壳的速度为6.40 km/s, 厚亦为10 km左右; 下地壳的速度为6.60 km/s.地壳厚度为31 km左右, 且其地壳的平均速度为6.30 km/s.这一结果同苏鲁超高压变质带的反射地震调查结果(Yang, 1997) 存在较大的差异(图 9), 尤其是在地壳浅部, 这可能主要由于方法的不同造成的. (2) 上地壳中的速度倒转指示了超高压变质体在地壳内部的空间分布, 且超高压变质体在大陆科学钻探场址及其附近的下部呈现为一隆起形态(图 8).地壳浅部存在一速度为6.05~6.10 km/s的高速层, 我们推测该高速层的底界可能与超高压变质岩体(层) 相对应, 但其速度为6.05~6.10 km/s, 远远低于榴辉岩(7.42±0.35) km/s的纵波速度(余钦范等, 2002), 仅略高于上覆地层(< 5.90 km/s), 这可能是由于榴辉岩在超高压变质岩层中只占有较小的规模(高山等, 1997), 且以薄层或透镜体形式存在; 高速层上覆地层可能是榴辉岩或蓝片岩类同其围岩的混杂. (3) 在超高压变质岩体(层) 的底部存在一低速层, 它可能对应于一个剪切带或变质的花岗岩侵入体(Yang and Cheng, 1998), 这与在该深度范围的花岗片麻岩或酸性麻粒岩花岗岩相对应. (4) 中地壳的纵波速度为6.40 km/s, 与中性麻粒岩及闪长岩(6.65±0.43) 相近; 下地壳6.6 km/s左右的速度层, 与基性麻粒岩的速度值((6.74±0.12) km/s) 相当(余钦范等, 2002).
苏鲁超高压和高压变质带是大陆地壳深俯冲到地幔深部, 经受高温高压作用后折返到地壳浅部形成的, 与陆间碰撞的构造演化历史及地壳结构有着密切的关系.作为研究地壳内部结构的有效工具之一, 东海超高压变质带的广角反射/折射地震调查, 为进一步研究苏鲁超高压变质带的深部结构及空间展布特征, 揭示该超高压变质形成的动力学过程提供更为详实有力的地球物理证据, 并对大陆科学钻探的深入研究及对陆间碰撞、超高压变质带的形成及其与之相关的地学前沿科学提供丰富的深部地球物理证据.毫无疑问, 中国大陆科学钻探场址区的地壳速度结构对科学钻探岩石物性和苏鲁超高压变质带的形成机制及演化模式的研究都有非常重要的意义.
致谢: 中国地质科学院薛光琦研究员、宿和平高级工程师、钱辉博士等人参加了野外数据的采集工作; 在资料的处理及解释过程中, 作者曾得到中国科学院滕吉文院士、中国地质科学院杨文采研究员的热情指导, 成文后又得到中国科学院地质地球物理研究所张中杰研究员的宝贵意见与建议, 在此一并表示衷心的感谢! -
图 1 中国大陆科学钻探场址及其周边地区地质构造略图及地震测线位置
1.超高压变质带; 2.高压变质带; 3.中、新生代沉积; 4.花岗岩; 5.断裂; 6.地震剖面及炮点; WYF.五莲-烟台断裂; JXF.嘉山-响水断裂; TLF.郯城-庐江断裂; XGF.新沂-赣渝断裂
Fig. 1. Tectonic sketch map and seismic profiles in the CCSD site and its adjacent area
图 2 测线Ⅰ上W07炮的P波地震记录截面
综合速度vr为6.00 km/s, 下同
Fig. 2. Seismic record section from shotpoint W07 in Profile Ⅰ
图 6 测线Ⅰ上E10炮的P波合成地震记录截面
Fig. 6. Synthetic seismic record section from shotpoint E10 in Profile Ⅰ
图 7 测线Ⅱ上N13炮的P波资料的模拟结果
a.地震记录及理论计算走时; b.地壳速度模型其射线路径
Fig. 7. Modeling results from shotpoint N13 in Profile Ⅱ
图 8 中国大陆科学钻探场址区的地壳纵波速度结构
Fig. 8. Crustal velocity structure beneath the CCSD site and its adjacent area
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