胡衛(wèi)劍，郝天珧，秦靜欣，2，李志偉，江為為，姜迪迪，邢健，胡立天，徐亞，雷受旻

1中國科學院地質與地球物理研究所，中國科學院油氣資源研究重點實驗室，北京 100029

2中國科學院遙感與數(shù)字地球研究所，北京 100101

3中國科學院測量與地球物理研究所大地測量與地球動力學國家重點實驗室，武漢 430077

4國土資源部青島海洋地質研究所，青島 266071

1 引言

中國海陸莫霍面及深部地殼結構特征研究是東亞地區(qū)宏觀構造格架和動力學研究中的重點內(nèi)容之一.近年來，有關地殼厚度分布的研究成果不斷發(fā)表，獲得了許多重要結果和新的認識（Meissner et al.，1987；Chulick and Mooney，2002；Grad et al.，2009；Molinari et al.，2012）.中國大陸及海域位于歐亞、印度與太平洋三大板塊的交匯處，是東亞地球動力學研究的核心地區(qū)，為此，中國海陸莫霍面深度分布特征已有不少學者編制了各種圖件（劉光鼎，1992，1993；曾融生等，1995；Li and Mooney，1998；滕吉文等，2002；高星等，2005；Li et al.，2006；黃建平等，2006；秦靜欣等，2011）.劉光鼎等（1992，1993）首次將中國海、陸置于統(tǒng)一構造演化體系中進行研究編繪了1∶1000萬的莫霍面深度分布圖.曾融生等（1995）利用90年代以前的地震測深結果，編制了中國大陸莫霍面深度圖.Li和Mooney（1998）以及Li等（2006）根據(jù)1958年以來約90條深地震探測剖面繪制了中國大陸地殼結構圖.滕吉文等（2002）對東亞大陸及周邊海域莫霍面深度分布開展了研究并編繪了1∶2500萬的地殼厚度圖.這些工作為我國地殼深部結構的研究打下了堅實的基礎.但由于這些研究大多局限在中國大陸內(nèi)部或向海域延伸有限，對于探索中國大陸宏觀構造格架的延伸以及海陸相互作用關系等問題存在一定的局限.因此，本文在近年來一系列研究成果的基礎上，聚焦歐亞板塊、太平洋板塊以及印度洋板塊之間的相互作用及其在中國大陸與海域所引發(fā)的構造效應為重點，以地震測深等資料為約束信息，根據(jù)重力數(shù)據(jù)，通過分區(qū)計算，反演了中國海陸莫霍面深度.分析了中國海陸莫霍面深度分布與梯度帶特征.并選取阿爾泰—巴士海峽典型剖面進行了重、震反演，建立了密度結構，討論典型地區(qū)的莫霍面深度，深部地殼結構特征.

2 數(shù)據(jù)與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)范圍為0°—55°N，（71.5°E，40°N）—（135°E，40°N），采用蘭伯特投影，大地基準面：WGS84，原點經(jīng)緯度：105°E，0°，標準緯度：15°N，40°N.研究中用于反演莫霍面深度的原始重力數(shù)據(jù)分別為：中國大陸地區(qū)重力數(shù)據(jù)來自中國地質調(diào)查局《全國區(qū)域重力數(shù)據(jù)庫》，其精度為±2.0×10－5m·s－2，比例尺為1∶200萬；研究區(qū)其他鄰國陸地區(qū)的網(wǎng)格化重力數(shù)據(jù)來自中國地質調(diào)查局發(fā)展研究中心收集的Leeds大學東南亞重力項目數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)網(wǎng)格密度為5′×5′1）；海域采用美國Scripps研究所發(fā)布的全球衛(wèi)星測高重力數(shù)據(jù)（Sandwell and Smith，2009），經(jīng)緯度網(wǎng)格2′×2′，數(shù)據(jù)精度（±4～6）×10－5m／s2.

2.2 研究方法

研究中以“區(qū)域約束局部、深層制約淺層”為指導思想，遵循“一種指導、兩個環(huán)節(jié)、三項結合、多次反饋”的綜合地球物理方法原則（劉光鼎和陳潔，2005；劉光鼎，2007）.在深地震探測結果的約束下，重點依據(jù)重力資料，分區(qū)反演了中國海陸莫霍面深度，結合典型剖面擬合反演及其解釋，分析中國海陸莫霍面深度及深部地殼結構特征.研究技術路線如圖1所示.

圖1 研究技術路線圖Fig.1 Flow chart of technical approaches

1）張明華，喬計花.2013.中國海及鄰域布格重力異常圖（項目報告）.中國地質調(diào)查局發(fā)展研究中心.

3 中國海陸莫霍面深度特征

3.1 莫霍面深度反演

研究區(qū)范圍較大，從大陸到大洋，地形起伏劇烈，跨越了多個構造單元，構造復雜，若整個研究區(qū)均采用單一的反演方法和相同的反演系數(shù)，往往顧此失彼，很難獲得最佳的反演效果.因此，在莫霍面深度反演時，根據(jù)重力異常特征和構造特征，對研究區(qū)進行了分區(qū)，將陸區(qū)分為10個分區(qū)，海區(qū)分為6個分區(qū)（圖2），并對各分區(qū)進行了重力場分離、界面反演方法和相應的反演參數(shù)優(yōu)選.

根據(jù)各分區(qū)地形、構造等特征及已知控制點信息，進行各種場分離方法結果的功率譜計算（李成立等，1998），界面反演方法結果和已知控制點的偏差計算分析，選擇適合該區(qū)的重力場分離、界面反演方法和相應的反演參數(shù).重力場分離方法的優(yōu)選結果：正則化濾波法（管志寧和安玉林，1991）（L3、L6、L7、S3、S4、S6分區(qū)）；補償圓滑濾波法（侯重初，1981）（L1、L2、L8、L9、S1、S2分區(qū)）；小波分析法（楊文采等，2001；徐亞和郝天珧，2004）（L4、L5、L10、S5分區(qū)）.不同的界面反演方法適用性不同，在控制點信息較多的分區(qū)選擇帶控制點的三維界面反演法（秦靜欣等，2011），而缺少甚至沒有相應約束信息的區(qū)域選擇自適應模擬退火（姚姚，1995）或Parker界面反演法（Parker，1973；Oldenburg，1974）.莫霍面深度反演方法優(yōu)選結果：帶控制點的三維界面反演法（L1、L3—L8、S1—S3分區(qū)）；Parker界面反演法（L2、L10、S4—S6分區(qū)）；自適應模擬退火界面反演法（L9分區(qū)）.各分區(qū)反演結果利用Geosoft軟件的混合法或縫合法網(wǎng)格拼接后得到中國海陸莫霍面深度（圖3）.

圖2 莫霍面深度反演分區(qū)及已知控制點位置圖L1：哈薩克斯坦—中國西北部分區(qū)；L2：貝加爾湖—蒙古高原分區(qū)；L3：中國東北—庫頁島分區(qū)；L4：中國西北部分區(qū)；L5：青藏高原分區(qū)；L6：鄂爾多斯—汾渭裂谷分區(qū)；L7：四川盆地—云貴高原分區(qū)；L8：中國東部分區(qū)；L9：印度次大陸分區(qū)；L10：中南半島及其鄰域分區(qū).S1：渤海—黃海分區(qū)；S2：黃海—東海分區(qū)；S3：南海分區(qū)；S4：菲律賓海分區(qū)；S5：安達曼?！仙橙簫u分區(qū)；S6：印度洋分區(qū).Fig.2 Positions of controlling points of known Moho depth and sub－regions for Moho inversion L1：Kazakhstan—Northwest China；L2：Lake Baikal—Mongolian Plateau；L3：Northeast China—Sakhalin Island；L4：Northwest China；L5：Tibetan Plateau；L6：Ordos—Fenwei rift；L7：Sichuan Basin—Yungui Plateau；L8：East China；L9：India sub－continent；L10：Indochina and neighboring area.S1：Bohai Sea—Yellow Sea；S2：Yellow Sea—East China Sea；S3：South China Sea；S4：Philippine Sea；S5：Andaman Sea—Nansha Islands；S6：Indian Ocean.

圖3 中國海陸莫霍面深度、梯級帶及特征分區(qū)圖（黑色粗實線為典型剖面AA′位置）Fig.3 Moho depth contours，gravity gradient belts and sub－regions（Black thick solid line is the location of typical profile AA′）

為了提高重力異常反演莫霍面深度的精確度，減少反演的多解性，研究中收集、整理了研究區(qū)人工地震測深、地學斷面、海底地震儀測深等各種實測剖面共120條（圖2）（王椿鏞等，1995；胥頤等，1996；Qiu et al.，2001；Yan，et al.，2001；高銳等，2002；劉福田等，2003；陳俊湘和陳景亮，2003；王有學等，2004，2005；Mcintosh，et al.，2005；Zhang，et al.，2009；秦靜欣，2012），得到了以人工地震等實測剖面數(shù)據(jù)為主的控制點數(shù)據(jù)8948個作為反演先驗信息.其中精度高的剖面（人工地震測深、海陸聯(lián)測剖面、OBS／OBH剖面、綜合探測剖面、雙船折射）71條，占120條剖面的59.17%，數(shù)據(jù)點4602個；精度較高的剖面（天然地震、聲吶浮標）10條，占8.33%，數(shù)據(jù)點638個；精度中等的剖面（MT剖面、重磁剖面）17條，占14.17%，數(shù)據(jù)點1895個；精度低的剖面（地震層析成像）22條，占18.33%，數(shù)據(jù)點1813個.

3.2 莫霍面深度特征

以地殼性質為基礎，結合莫霍面深度分布特征、重力異常特征以及塊體差異等，本文共劃分了12個莫霍面深度梯級帶，6個一級分區(qū)和24個二級分區(qū)（圖3）.其中一級分區(qū)主要以地殼性質的不同為基礎將研究區(qū)劃分為增厚型地殼區(qū)、正常型地殼區(qū)、減薄型地殼區(qū)、溝－?。梵w系地殼異常區(qū)、過渡型地殼區(qū)和大洋型地殼區(qū)；二級分區(qū)更側重于莫霍面深度分布特征，并結合重力異常及塊體構造差異等（圖3、表1和表2）.

4 典型剖面研究

為了認識研究區(qū)深部結構特征并對莫霍面深度反演提供約束，本文選取了一條典型剖面進行重、震反演（剖面位置見圖3中黑色粗實線），根據(jù)格萊尼重力異常進行2.5D剖面反演，結合層析成像結果，分析其莫霍面深度及深部結構特征.阿爾泰—巴士海峽剖面（以下簡稱AA′剖面）總長4604km，整體上呈NW—SE走向.起始點A位于阿爾泰山，終點A′位于巴士海峽的加拉鄢島（屬于巴布延群島），橫穿了阿爾泰山、博格達山、祁連山、阿尼瑪卿山、巴顏喀拉山、龍門山、雪峰山和武夷山等山脈，經(jīng)過的盆地有準噶爾盆地、吐哈盆地、柴達木盆地和四川盆地，主要的構造單元有準噶爾地塊、中朝地臺、祁連地塊、柴達木地塊、松潘—甘孜地塊、揚子地塊、華南褶皺帶、武夷地塊和南海陸架.剖面四個角點的地理坐標如表3所示.

表1 中國海陸莫霍面深度梯級帶及其特征Table 1 Features of Moho depth gradient belts in the land and seas of China and adjacent areas

反演初始模型建立主要參考前人沿臺灣—阿爾泰地學斷面進行的地殼縱波、面波速度結構，熱結構和重磁解釋等研究（王懋基，1994；胡圣標等，1994；蔡學林等，2004；王有學等，2004，2005）.巖石密度參數(shù)收集并整理前人研究成果統(tǒng)計見表4（部分是由地震波速度轉換的密度參數(shù)）.通過人機交互二度半剖面重力擬合反演，得到了剖面的密度結構及其地質解釋，反演均方差為3.24mGal（圖4）.

剖面阿爾泰山—龍門山段（A1—A2）：阿爾泰山南緣莫霍面深度為56km，準噶爾盆地的地殼厚度最薄為45km.準噶爾盆地和吐哈盆地均有較厚的沉積層，其中吐哈盆地最厚約8km.下地殼的平均厚度約20km，阿爾泰山地區(qū)下地殼厚達30km，與準噶爾盆地薄的下地殼（約15km厚）形成明顯對比.祁連山—龍門山的莫霍面深度呈“W”型起伏，且起伏較大，中朝地臺莫霍面深度約為50km，而其南側的祁連地塊莫霍面加深至68km，在柴達木盆地莫霍面又抬升至58km，繼續(xù)向南，松潘—甘孜地塊莫霍面降至68km，莫霍面向南逐漸抬升，在龍門山抬升至56km，四川盆地抬升至44km.該段剖面主要的深大斷裂有博格達斷裂（F1）、阿爾金斷裂（F2）、南祁連斷裂（F3）、昆侖斷裂（F4）、瑪沁斷裂（F5）和龍門山斷裂（F6）（王有學等，2004，2005）.F2斷裂位于阿爾金山一帶，在F2斷裂南側祁連地塊莫霍面陡然加深，落差高達20km，且下地殼厚度急劇增大.祁連地塊的南部邊界受南祁連斷裂（F3）所限，其南側相鄰的柴達木地塊，與祁連山地塊形成明顯對比的是柴達木地塊的莫霍面在F3斷裂南側抬升近12km.松潘—甘孜兩側為昆侖斷裂和龍門山斷裂，莫霍面整體上呈現(xiàn)為凹陷形態(tài)，地殼沿剖面從西北向東南逐漸變薄.

一個比較明顯的深部地殼結構特征是在青藏高原東北緣的中朝地臺—祁連地塊—柴達木地塊下存在一個中、下地殼低速、低密度體.王有學等（2004，2005）根據(jù)地震縱、橫波資料建立的阿爾泰—龍門山地學斷面的地殼速度及泊松比結構也顯示該地區(qū)中地殼下部存在一低速層.崔作舟等（1995）的格爾木—額濟納旗地學斷面地殼結構研究也發(fā)現(xiàn)在祁連山—柴達木盆地的中地殼存在一低速層，并推測其可能是結構疏松或強度較小的軟弱層.青藏高原東北緣的中下地殼存在地震P波和S波速度的低速層，暗示了青藏高原下地殼流的分布.同時，這一區(qū)域在上地幔頂部的P波低速異?？赡芊从沉藴囟容^高，有助于下地殼流的產(chǎn)生（Li，et al.，2012，2014）.本文的反演結果發(fā)現(xiàn)其為低密度體，埋深大約30km，推測其可能是受印度板塊的碰撞擠壓和

上地幔熱物質的作用，深部礦物由于高溫高壓的影響而發(fā)生變化，脫水產(chǎn)生部分熔融，形成地殼流，可能是青藏高原東北緣殼內(nèi)物質流動的通道.

表2 中國海陸莫霍面深度分區(qū)及其特征Table 2 Regional division of Moho depths in the land and seas of China and adjacent areas

表3 剖面各角點位置Table 3 Locations of profile corners

表4 剖面反演密度參數(shù)選擇Table 4 Densities for profile inversion

圖4 AA′剖面反演密度結構及其地質解釋（a）剖面重力異常；（b）剖面地形；（c）密度結構；（d）地質解釋；（e）層析成像P波速度結構.Fig.4 Density structure from inversion and geological interpretation of profile AA′（a）Gravity Anomalies；（b）Topography；（c）Density structure；（d）Geological interpretation；（e）P－wave velocity structure of tomography.

剖面龍門山—武夷山段（A2—A3）：莫霍面深度整體呈臺階式抬升，從四川盆地的44km抬升至武夷山的32km.四川盆地的莫霍面呈上凸形態(tài)，盆地邊緣莫霍面深度大，中心深度小（盆地西北側邊緣莫霍面深度46km，盆地中心約40km）.四川盆地有較厚的沉積層，約8km.與龍門山斷裂（F6）西北側的松潘—甘孜地塊相比，較為明顯的是四川盆地下地殼厚度急劇減薄，減薄程度達15km.該段剖面的華南褶皺帶莫霍面特征以紹興—萍鄉(xiāng)—懷集深斷裂（F8）為界，F(xiàn)8斷裂西北側的雪峰山地區(qū)莫霍面抬升較陡，F(xiàn)8斷裂東南側莫霍面呈緩慢平穩(wěn)抬升.華南褶皺帶構造格局變形較復雜，從西北向東南方向發(fā)育有雪峰山推覆構造，羅霄山推覆構造及武夷山推覆構造.雪峰山造山帶及其以西地區(qū)以擠壓變形為主，發(fā)育碰撞造山帶；以東地區(qū)晚中生代以來，以伸展變形為主，發(fā)育伸展環(huán)境下的巨型S型花崗巖帶（蔡學林等，2004）.

剖面南海段（A3—A4）：南海北部陸架區(qū)莫霍面深度從30km抬升至18km.剖面最東南端有明顯的俯沖帶存在，莫霍面形態(tài)較復雜.結合震源深度分布（圖5）和地震層析成像研究（范建柯，2013），發(fā)現(xiàn)該俯沖帶是南海海盆沿馬尼拉海溝向東俯沖至菲律賓海板塊下，俯沖帶兩側的地殼和上地幔密度結構有明顯的差異.

剖面上莫霍面深度和深部結構能夠清晰地反映中國大陸“三橫、兩豎、兩三角”構造格架（劉光鼎，2007）中的兩橫和兩豎，在昆侖—秦嶺—大別這一橫以北的準噶爾地塊和中朝地臺莫霍面深度45～50km，而其以南至賀蘭山—龍門山之間的祁連、柴達木至松潘—甘孜的莫霍面呈“W”型起伏，莫霍面深度由祁連地塊北部的50km，加深至68km，在柴達木盆地抬升至58km，在阿尼瑪卿山莫霍面降至68km，向南逐漸抬升至四川盆地的44km，經(jīng)大興安嶺—太行山—武陵山這一豎臺階式抬升至華南褶皺帶的35km，在江紹—南嶺以南緩慢抬升至南海北部陸架區(qū)的20～25km.

對比密度反演結果與地震層析成像結果，會發(fā)現(xiàn)殼內(nèi)結構，尤其是莫霍面的起伏十分一致.這反映出對于莫霍面這樣無論密度還是速度都有較大變化的界面而言，反演結果的可信度和可靠性較高.

5 結論與認識

（1）將中國海、陸置于統(tǒng)一構造演化體系來研究莫霍面深度及深部地殼結構能更好地探索中國大陸宏觀構造格架的延伸以及海陸相互作用關系等問題.從中國海陸及鄰區(qū)莫霍面深度和梯級帶展布可以得知其總體特征為：“東西分帶，南北分塊”.在整體宏觀構造格架上，劉光鼎（2007）提出的“三橫、兩豎、兩三角”宏觀構造格架在深部構造上有較明顯的體現(xiàn).

圖5 俯沖帶震源分布及剖面圖（USGS，2013）（a）震源分布及剖面位置；（b）EP1剖面，俯沖帶寬度340km，俯沖深度220km；（c）EP2剖面，俯沖帶寬度370km，俯沖深度200km.Fig.5 Earthquake distribution in the subduction zone（USGS，2013）（a）Seismic source distribution and profile locations；（b）EP1profile，subduction zone width 340km，depth 220km；（c）EP2profile，subduction zone width 370km，depth 200km.

（2）阿爾泰—巴士海峽剖面上莫霍面深度和深部結構能夠清晰地反映中國大陸“三橫、兩豎、兩三角”宏觀構造格架中的兩橫和兩豎.在昆侖—秦嶺—大別至賀蘭山—龍門山之間的祁連、柴達木至松潘—甘孜的莫霍面呈“W”型起伏，起伏較大，落差能達到20km.從四川盆地到華南褶皺帶，莫霍面經(jīng)大興安嶺—太行山—武陵山臺階式抬升，在江紹—南嶺至南海北部陸架區(qū)莫霍面緩慢抬升.同時莫霍面深度和深部結構受深大斷裂的控制.

（3）在俯沖帶等海－陸和洋－洋相互作用地區(qū)，莫霍面不僅起伏劇烈，而且構造復雜，應結合俯沖工廠（金性春和于開平，2003）的研究來綜合分析深部結構及其海－陸和洋－洋相互作用的過程.

（4）在青藏高原的東北緣的祁連地塊—柴達木地塊下存在一個中、下地殼低速、低密度體.推測其可能是受印度板塊的碰撞擠壓和上地幔熱物質的作用，形成地殼流，可能是青藏高原東北緣殼內(nèi)物質流動的通道.

致謝 本文得益于劉光鼎院士提出的“一、二、三、多”的綜合地球物理研究方法和“三橫、兩豎、兩三角”的中國宏觀構造格架理論，在此表示衷心感謝！中國地質調(diào)查局青島海洋地質研究所張訓華研究員、溫珍河研究員，中國地質調(diào)查局發(fā)展研究中心張明華教授、喬計花高級工程師，對本文給予了大量的幫助和提供了十分珍貴的數(shù)據(jù)資料，在此一并致謝！

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