羅 凡 , 嚴(yán)加永 , 張 沖 , 鐘任富 , 謝學(xué)華

1)東華理工大學(xué)地球物理與測(cè)控技術(shù)學(xué)院, 江西 南昌 330013; 2)中國地質(zhì)科學(xué)院, 北京 100037;3)中國地質(zhì)調(diào)查局中國地質(zhì)科學(xué)院地球深部探測(cè)中心, 北京 100037

巖石圈有效彈性厚度(Te, effective elastic thickness of the lithosphere)并不代表巖石圈的實(shí)際深度, 而是在地質(zhì)時(shí)間尺度(＞1 Ma)上確定巖石圈力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)(Burov and Diament, 1995;Watts and Burov, 2003; 陳石等, 2014)。該參數(shù)表征著巖石圈力學(xué)強(qiáng)度, 反映了地形、板塊相互作用力及巖石圈結(jié)構(gòu)之間的動(dòng)態(tài)平衡(Audet, 2014)。Te在海、陸不同區(qū)域的巖石圈分別受不同因素所控制。在海洋巖石圈區(qū)域, Te主要受海山、洋脊、海溝等加載時(shí)的巖石圈熱結(jié)構(gòu)所控制, 近似地等于板塊冷卻模型(450±150)℃的等溫線深度(Watts, 1978;Watts and Burov, 2003)。而在具有多層流變學(xué)結(jié)構(gòu)的大陸巖石圈區(qū)域, Te主要與溫度和其他因素(如地殼厚度、殼幔耦合或解耦、應(yīng)力狀態(tài)及巖石圈組分等)相關(guān)(Burov and Diament, 1995; Watts and Burov,2003; Audet and Bürgmann 2011)。因此, 在海洋巖石圈, 若已知Te和海底年齡情況下, 可以推測(cè)海山、洋脊、海溝等加載形成洋殼的年齡; 而在大陸巖石圈, 通過定量分析Te的大小和分布狀態(tài), 能深化對(duì)構(gòu)造演化、地震分布和巖石圈流變學(xué)之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)(Lowry and Smith, 1995)。

計(jì)算 Te的方法主要有空間域直接計(jì)算法和頻率域譜分析法?？臻g域中的直接計(jì)算法采用數(shù)值解法求解巖石圈在地形荷載作用下發(fā)生撓曲形變的偏微分方程, 但該類方法的計(jì)算效率低, 求解難度大(Van Wees and Cloetingh, 1994)。頻率域譜分析法(相關(guān)函數(shù)法和導(dǎo)納法)在計(jì)算過程中引入了傅里葉變換和 Fan小波, 改善了頻譜泄露問題, 提高了計(jì)算效率和降低了求解難度(Forsyth, 1985; Audet,2014)。導(dǎo)納法直接利用重力異常譜和地形譜之間的導(dǎo)納關(guān)系, 物理意義明確、易于理解和實(shí)現(xiàn); 相關(guān)函數(shù)法是利用重力異常數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)的互功率譜和自功率譜之間的導(dǎo)納關(guān)系, 對(duì)不同均衡響應(yīng)模式的轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)更為敏感, 計(jì)算精度更高(侍文等,2021)。Audet(2014)聯(lián)合導(dǎo)納法和相關(guān)函數(shù)法的優(yōu)點(diǎn),提出了同時(shí)利用兩種方法的導(dǎo)納和相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法。這種聯(lián)合方法被廣泛應(yīng)用于估算 Te(Lu et al.,2020; 侍文等, 2021)。

1 研究區(qū)概況

華南陸塊位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度板塊的交接部位, 其西與青藏高原東緣相鄰, 北與華北板塊相連, 南與印支板塊相接, 東南與西北方向分別與菲律賓板塊和歐亞板塊相接觸, 是全球構(gòu)造的重要組成部分(張國偉等, 2013)。華南陸塊地表出露有元古代至第四系不同時(shí)期地層, 及火山巖、侵入巖等不同類型巖石, 斷裂構(gòu)造方向以NE和SE為主(圖 1, 據(jù) Steinshouer et al., 1999; Xu et al., 2007;舒良樹, 2012; 張國偉等, 2013; Shi et al., 2015等地質(zhì)年代和斷裂構(gòu)造數(shù)據(jù))。前人研究表明華南陸塊受多階段的超大陸聚合、裂解, 碰撞、陸內(nèi)造山, 及伸展等作用影響, 導(dǎo)致其既是歐亞板塊東南緣地殼生長(zhǎng)和大陸增生最活躍的大陸邊緣, 又是陸-洋過渡帶、核-幔質(zhì)量傳遞強(qiáng)烈構(gòu)造帶、側(cè)向不連續(xù)地區(qū),以及幕式災(zāi)變和殼幔物質(zhì)遷移、深部熱物質(zhì)上涌、巖漿活動(dòng)劇烈區(qū)域(王光杰等, 2000; 嚴(yán)加永等,2022a)。Te中蘊(yùn)含著巖石圈力學(xué)性質(zhì)和熱力學(xué)狀態(tài)等重要信息(Audet, 2014)。因此, 研究華南陸塊的Te分布能為深入認(rèn)識(shí)巖石圈結(jié)構(gòu)提供重要參考。

圖1 華南陸塊地質(zhì)構(gòu)造圖Fig. 1 Map showing the geological structure in the South China block

眾多學(xué)者利用不同方法和數(shù)據(jù)對(duì)華南陸塊的Te進(jìn)行計(jì)算, 并對(duì)Te所反映的地質(zhì)含義進(jìn)行解譯。如Mao et al.(2012)采用小波變換的相關(guān)函數(shù)法對(duì)華南陸塊的布格重力異常和地形數(shù)據(jù)獲得 Te及其各向異性, 并結(jié)合大地?zé)崃骱偷卣鸱植紨?shù)據(jù), 分析華南陸塊的構(gòu)造體系特征。Deng et al.(2014)通過功率譜方法對(duì)華南陸塊布格重力異常與地形之間的相關(guān)性得到 Te, 并與地?zé)?、地震資料相結(jié)合, 對(duì)華南陸塊內(nèi)部形變進(jìn)行研究。Guan et al.(2019)基于空間域卷積方法和地形、重力數(shù)據(jù), 對(duì)華南陸塊、南海、東海、渤海等區(qū)域的Te進(jìn)行估算, 分析了Te、地表荷載分布與殼幔界面起伏之間的關(guān)系。Lu et al.(2020)和侍文等(2021)基于導(dǎo)納和相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法采用WGM2012布格重力異常、ETOPO1地形數(shù)據(jù)和全球地殼模型Crust1.0的莫霍面深度、地殼密度數(shù)據(jù)計(jì)算Te, 分別對(duì)中國大陸巖石圈的強(qiáng)震構(gòu)造區(qū)力學(xué)特征和影響巖石圈力學(xué)強(qiáng)度變化的因素進(jìn)行研究。但由于前人研究華南陸塊Te時(shí)采用的計(jì)算方法和數(shù)據(jù)存在差異, 導(dǎo)致最終的Te計(jì)算結(jié)果不盡相同。例如Mao et al.(2012)在計(jì)算Te過程中未考慮地殼密度的橫向變化差異; Mao et al.(2012)、Deng et al.(2014)、Lu et al.(2020)及侍文等(2021)在 Te 計(jì)算過程中, 利用的是未對(duì)沉積層校正的布格重力異常,造成Te在沉積層過厚區(qū)域呈現(xiàn)高值(于傳海, 2017)。因此, 上述因素導(dǎo)致前人對(duì)華南陸塊計(jì)算的Te存在著諸多不足, 不利于與地?zé)釄?chǎng)參數(shù)、地震活動(dòng)性等進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析, 影響著對(duì)華南陸塊巖石圈力學(xué)特性變化蘊(yùn)含的構(gòu)造意義理解。

鑒于此, 本文利用沉積層校正后的地殼布格重力異常數(shù)據(jù), 采用導(dǎo)納和相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法, 獲得華南陸塊的Te分布, 并對(duì)華南陸塊內(nèi)部不同構(gòu)造單元Te和荷載比蘊(yùn)含的構(gòu)造意義進(jìn)行解譯。然后, 分別分析地?zé)釋W(xué)參數(shù)、地震與巖石圈力學(xué)強(qiáng)度之間的關(guān)系。最后, 對(duì)地?zé)釋W(xué)參數(shù)異常區(qū)及地震頻發(fā)與否的深部原因進(jìn)行探討。

2 方法與數(shù)據(jù)

2.1 導(dǎo)納與相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法

本文采用導(dǎo)納和相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法對(duì)華南陸塊的 Te空間變化進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)納(1)和相關(guān)函數(shù)(2)的公式分別如下:

公式(1)中, Δg(k)為重力異常頻譜, H(k)為地形頻譜, Z(k)代表重力導(dǎo)納。公式(2)中, ＜ ＞代表平均譜。公式(1)和(2)中的k為平面上的二維波數(shù), kx和ky分別代表x和y方向上的波數(shù)。

如圖2所示, Zt為地殼厚度, Hi和Wi分別為變形前板上和等效板下地形, Ht表示變形后由于板上加載剩余地形, Wt表示變形后板上加載引起的等效板下變形, Wb表示變形后由于板下加載的等效剩余變形, Hb為變形后板下加載引起的板上地形。通過圖2可知, 板上和板下加載的變化均會(huì)對(duì)地殼撓曲變形發(fā)揮作用。Forsyth(1985)通過荷載模型試驗(yàn)指出,在Te估算過程中, 如果忽略地下荷載情況, 估算出的Te值將會(huì)被大大低估。因此, 在估算Te過程中，需同時(shí)考慮地表荷載和地下荷載情況。莫霍面是巖石圈內(nèi)部密度差異最大的界面, 其起伏變化會(huì)對(duì)巖石圈產(chǎn)生巨大的垂向加載(楊亭等, 2012)。在計(jì)算Te時(shí), 通常將莫霍面起伏造成的質(zhì)量加載認(rèn)為是巖石圈內(nèi)部的唯一垂向加載, 代表著地下荷載分布(Forsyth, 1985)。

圖2 基于復(fù)合模型的有效彈性厚度計(jì)算示意圖(Watts, 2001)Fig. 2 Diagram of the composite model used for calculating effective elastic thickness (Watts, 2001)

在同時(shí)考慮地表荷載和地下荷載情況下, 為判斷地下荷載和地表荷載對(duì)撓曲變形的貢獻(xiàn)程度,Forsyth(1985)提出衡量地下荷載和地表荷載對(duì)撓曲變形貢獻(xiàn)程度的參數(shù) f, 其表達(dá)式如公式(3)所示,ρc和ρm分別為地殼與地幔密度。當(dāng)加載完全來自于地下加載時(shí), Hb為極大值, 而 Ht為極小值, 則荷載比f為無窮大。為簡(jiǎn)化地下和地表荷載的關(guān)系,Kirby and Swain(2009)用參數(shù) F(公式(4))代表荷載比, 當(dāng)F=1時(shí), 反映f為無窮大, 加載完全來自于地下; 當(dāng)F=0時(shí), 反映f為無窮小, 表示加載完全來自地表; 而當(dāng) F=0.5時(shí), 反映地表與地下的加載大致相等。

由地表荷載和地下荷載共同造成的界面起伏H與重力異常之間的關(guān)系可通過 Parker公式(Parker,1973)獲得。由于Te主要代表著長(zhǎng)波長(zhǎng)信號(hào)信息, 故在計(jì)算過程中，將Parker公式的泰勒級(jí)數(shù)展開僅保留第一項(xiàng), 則界面起伏與重力異常之間的近似關(guān)系如公式(5)所示:

公式(5)中, d代表平均界面起伏深度, G為萬有引力常量, Δρ為界面密度差。在給定不同Te情況下,通過公式(1)—(5)可獲得同時(shí)考慮地表荷載和地下荷載情況的理論導(dǎo)納 Z(k)all公式和理論相關(guān)函數(shù)γl(Forsyth, 1985):

公式(6)和(7)中, ρc和 ρm分別代表地殼、地幔密度; Zt為地殼平均厚度值, k為二維波數(shù); Φe(k)為撓曲響應(yīng)函數(shù); Δρ為地殼與上覆介質(zhì)的密度差, g為重力加速度。E=1011N/m2為楊氏彈性模量, v=0.25是泊松比, Te代表有效彈性厚度。在假設(shè)楊氏彈性模量E和泊松比v固定不變的情況下, Te反映了巖石圈的撓曲強(qiáng)度。

在給定一系列初始Te和F參數(shù)的情況下, 通過巖石圈的撓曲強(qiáng)度(公式(1))、初始荷載比(公式(4))、理論導(dǎo)納表達(dá)式(公式(6))及理論相關(guān)函數(shù)表達(dá)式(公式(7)), 分別計(jì)算出理論導(dǎo)納和理論相關(guān)函數(shù)。然后使用非線性最小二乘法搜索與實(shí)測(cè)導(dǎo)納(公式(1))或?qū)崪y(cè)相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)(公式(2))擬合最佳的 Te和F數(shù)據(jù)。貝葉斯推斷(Sambridge, 1999)方法在每個(gè)采樣網(wǎng)格對(duì)導(dǎo)納法或相關(guān)函數(shù)法獲得的 Te和 F數(shù)據(jù)計(jì)算的模型M(θ)進(jìn)行評(píng)估, 確定出該網(wǎng)格最優(yōu)的由{Te, F}組成的模型參數(shù)。貝葉斯推斷方法的公式如下:

公式(8)中, x代表采樣網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的集合{x1, x2,···, xn}; θ 為采樣網(wǎng)格數(shù)據(jù)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型參數(shù), 由{Te, F}組成; P(θ|x)為給定一組數(shù)據(jù) x, 獲得模型參數(shù)θ的概率, 又稱為后驗(yàn)概率; P(θ)是模型參數(shù)θ分布, 與數(shù)據(jù)x不相關(guān), 稱為先驗(yàn)信息; P(x)為歸一化因子, 保證在整個(gè)模型參數(shù)空間上評(píng)估的后驗(yàn)概率為1。

理論與實(shí)測(cè)導(dǎo)納或相關(guān)函數(shù)誤差使用卡方函數(shù)(Chi-squared function)進(jìn)行計(jì)算(Audet, 2014), 卡方函數(shù)的表達(dá)式如下:

公式(9)中的j=1表示實(shí)際導(dǎo)納, j=2表示實(shí)測(cè)相關(guān)性函數(shù)數(shù)據(jù), d代表實(shí)測(cè)的導(dǎo)納或相關(guān)函數(shù), s為公式(5)對(duì)Te和F進(jìn)行正演獲得的模型結(jié)果, σ為實(shí)測(cè)與理論導(dǎo)納或相關(guān)性函數(shù)之間的方差, N代表采樣網(wǎng)格的總數(shù)量。

2.2 數(shù)據(jù)

基于導(dǎo)納和相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法原理可知, 用于計(jì)算Te的數(shù)據(jù)包括重力異常、地形、地殼密度、地幔密度及地殼厚度數(shù)據(jù)。

衛(wèi)星重力觀測(cè)以低軌衛(wèi)星(如GOCE、CHAMP、GRACE)作為地球重力場(chǎng)的探測(cè)器, 測(cè)量的衛(wèi)星重力觀測(cè)數(shù)據(jù)具有覆蓋范圍廣、更新周期快、精度逐步提高等特點(diǎn), 為全球或大尺度區(qū)域的重力場(chǎng)研究奠定基礎(chǔ)。超高階地球重力場(chǎng)模型 EIGEN-6C4(下文簡(jiǎn)稱EIGEN-6C4模型)解算的數(shù)據(jù)精度和最大空間分辨率分別為 2.73 mGal和 9 km(萬曉云等,2017)。固體地球物理領(lǐng)域?qū)χ亓?chǎng)精度和空間分辨率的要求分別是1～2 mGal和100 km(王正濤, 2005),EIGEN-6C4模型的數(shù)據(jù)精度和空間分辨率接近于固體地球物理領(lǐng)域重力場(chǎng)精度和空間分辨率要求。因此, 本文采用 EIGEN-6C4模型自由空氣重力異常的球諧函數(shù)計(jì)算公式(Barthelmes, 2009)獲得華南陸塊的自由空氣重力異常(圖3a)。

由于譜分析法在計(jì)算過程中, 需要重力異常和地形數(shù)據(jù)在長(zhǎng)波長(zhǎng)方面具有較好的相關(guān)性。但短波長(zhǎng)的地形剝蝕作用和沉積層會(huì)降低地形的長(zhǎng)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)成分, 致使重力異常與地形數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性減弱, 從而在估算Te過程中引入過大的噪聲, 導(dǎo)致Te偏厚(于傳海, 2017)。故本文應(yīng)用球坐標(biāo)系下的Tesseroid單元體正演方法(Heck and Seitz, 2007)分別對(duì) ETOPO1地形數(shù)據(jù)(Amante and Eakins,2009)(圖 3b)和全球地殼模型 Crust1.0(Laske et al.,2012)中的沉積層厚度數(shù)據(jù)(圖3c)進(jìn)行正演, 然后將在自由空氣重力異常中去除地形和沉積層重力異常影響的地殼布格重力異常(圖3d)作為計(jì)算Te的重力異常數(shù)據(jù)。計(jì)算 Te的其他所需數(shù)據(jù)具體選用如下:地形數(shù)據(jù)選用ETOPO1地形數(shù)據(jù)(圖3a); 地殼密度考慮地殼的橫向變化情況, 使用對(duì)全球地殼模型Crust1.0上、中、下三層地殼密度數(shù)據(jù)的加權(quán)平均計(jì)算結(jié)果(圖 3f); 地幔密度使用地幔平均密度3200 kg/m3; 地殼厚度數(shù)據(jù)采用莫霍面深度數(shù)據(jù)(圖3e)。

圖3 華南陸塊自由空氣重力異常(a)、地形(b)、沉積層(c)、地殼布格重力異常(d)、莫霍面深度(e)、地殼密度(f)Fig. 3 Free-air gravity anomaly (a), topography (b), sediment thickness (c), crustal Bouguer gravity anomaly (d),moho depth (e), and crustal density (f) of South China block

3 計(jì)算結(jié)果

基于 Audet(2014)所提出的導(dǎo)納和相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法和文章 2.2節(jié)中所述數(shù)據(jù), 將窗口設(shè)置為400 km2, 獲得華南陸塊及鄰區(qū)范圍內(nèi)的 Te(圖 4a)和F(圖4b)分布結(jié)果。如圖4a所示, 華南陸塊及鄰區(qū)的Te分布介于0～40 km之間, 不同構(gòu)造單元之間的Te差異明顯。華夏地塊、秦嶺—大別造山帶、大陸邊緣位置處呈現(xiàn)相對(duì)較淺的 Te(0～20 km), 在四川盆地和周邊區(qū)域呈現(xiàn)相對(duì)較深的Te(20～40 km)分布。研究區(qū)范圍內(nèi)的 F(圖 4b)分布結(jié)果顯示, 松潘—甘孜地塊、昌都—思茅地塊、華夏地塊、揚(yáng)子地塊東部的 F較高(＞0.5), 而四川盆地區(qū)域的 F較低(＜0.5)。通過對(duì)比Te和F分布可知, Te與F近似呈現(xiàn)出鏡像關(guān)系。

圖4 華南陸塊的Te(a)和F(b)Fig. 4 Map of Te (a), and F (b) in South China block

通常而言, 鄂爾多斯和四川盆地所代表的剛性塊體Te較大, 但在華北板塊東北部和松潘—甘孜地塊區(qū)域的Te值大于鄂爾多斯、四川盆地的Te值。根據(jù)研究區(qū)沉積層厚度分布(圖 3c)可知, 鄂爾多斯盆地、四川盆地及華北板塊局部區(qū)域的沉積層厚度較厚。雖然本文采用正演校正方法去除了由沉積層引起的重力異常, 但受限于全球地殼模型 Crust1.0中沉積層厚度數(shù)據(jù)的分辨率不高。故在上述區(qū)域可能并未完全將沉積層重力異常分離, 造成地形與重力異常之間的相關(guān)性下降, 導(dǎo)致計(jì)算的華北板塊和松潘—甘孜地塊局部區(qū)域的 Te值大于剛性塊體(鄂爾多斯、四川盆地)區(qū)域的Te值。

研究區(qū)范圍內(nèi) Te誤差(圖 5a)和 F誤差(圖 5b)的分布結(jié)果顯示, 兩者的誤差值整體分別介于 0～7 km和 0～0.15之間, 且大部分區(qū)域的誤差分別為0～2 km和0～0.07, 僅在松潘—甘孜地塊、華南陸塊東北部的海域等周邊或局部區(qū)域誤差略大。說明本文所獲得的華南陸塊Te和F分布在宏觀上能較好的反映巖石圈力學(xué)強(qiáng)度, 以及確定影響巖石圈力學(xué)強(qiáng)度的荷載來源。

圖5 華南陸塊的Te誤差(a)和F誤差(b)Fig. 5 Map of Te error (a) and F error (b) in South China block

4 討論

4.1 不同構(gòu)造單元的Te和F

巖石圈有效彈性厚度(Te)作為反映巖石圈綜合強(qiáng)度的物理量, 厚度越厚, 代表巖石圈的力學(xué)強(qiáng)度越強(qiáng), 反之則越弱。巖石圈荷載比(F)反映了巖石圈在發(fā)生撓曲變形之前內(nèi)部不同密度界面的加載比例關(guān)系。即通過F的大小可以判斷巖石圈主要是受地表(＜0.5)還是地下(＞0.5)荷載作用影響導(dǎo)致巖石圈力學(xué)強(qiáng)度的變化(Forsyth, 1985; Kirby and Swain,2009)。引起地下荷載作用的因素可能為基性巖入侵、下地幔增生、熱異常與成分變化等導(dǎo)致的深部物質(zhì)密度橫向變化(Forsyth, 1985); 造成地表荷載作用的因素可能是地形和大尺度淺部地殼密度變化(Jiménez-Díaz et al., 2014)。

根據(jù)Te分布(圖4a)可知, 華南陸塊Te總體變化趨勢(shì)為西厚東薄, 變化范圍為 1～40 km。中國大陸東部在燕山期發(fā)生巖石圈減薄, 華南陸塊東部沿海地區(qū)在新生代時(shí)巖石圈發(fā)生伸展減薄(王明明和吳健生, 2017)。說明華南陸塊東部的薄Te分布, 可能受巖石圈伸展減薄作用所致。華南陸塊由華夏、揚(yáng)子及兩者拼合而成的江南造山帶所組成(陳昌昕等,2022)。下面與其他相關(guān)信息結(jié)合, 探討上述地塊Te和F變化所蘊(yùn)含的構(gòu)造含義。

4.1.1 華夏地塊

華夏地塊整體的Te較薄(＜20 km), 但在華夏地塊的東部福州、溫州、臺(tái)州一帶區(qū)域的Te突然增厚至30 km以上, F介于0～0.3之間。Kudo et al.(2001)在研究日本島弧 Te時(shí)發(fā)現(xiàn), 西南日本島弧 Te的突然增厚與菲律賓板塊俯沖造成雙板片疊加導(dǎo)致的彈性應(yīng)力狀態(tài)相關(guān)。故華夏地塊東部Te出現(xiàn)的局部增厚, 可能是由于華夏地塊受菲律賓海板塊或歐亞板塊的側(cè)向擠壓, 造成該區(qū)域的地殼處于彈性應(yīng)力狀態(tài)所致。華夏地塊的Te較薄(圖4a)、F大于0.5(圖4b), 且莫霍面(圖 3e)和居里面(圖 7a)分布均呈現(xiàn)隆起特征, 指示華夏地塊的薄Te可能與軟流圈的深部熱物質(zhì)上涌相關(guān)。

4.1.2 揚(yáng)子地塊

揚(yáng)子地塊的四川盆地及周邊區(qū)域的 Te較厚(20～40 km)、F小于0.5, 指示該區(qū)的巖石圈力學(xué)強(qiáng)度較強(qiáng), 且?guī)r石圈力學(xué)強(qiáng)度變化主要受地表荷載作用影響。根據(jù)四川盆地的Te分布, 其西側(cè)的Te小于東側(cè), 推測(cè)四川盆地西側(cè)的巖石圈受龍門山斷裂帶擠壓和揚(yáng)子地塊西向俯沖的雙重作用影響, 導(dǎo)致西側(cè)的巖石圈力學(xué)強(qiáng)度較東側(cè)而言, 可能受到一定程度的破壞。另外, 前期構(gòu)造事件造成巖石圈力學(xué)強(qiáng)度減弱區(qū)域會(huì)成為后期巖石圈演化過程的構(gòu)造薄弱區(qū)(鄭勇等, 2012)。四川盆地淺部存在巨厚沉積層,且西側(cè)區(qū)域的沉積層厚度大于東側(cè)(圖 3c), 說明東、西不均勻分布的巨厚沉積層可能是引起四川盆地巖石圈力學(xué)強(qiáng)度變化的重要因素。

4.1.3 江南造山帶

江南造山帶的東界以江紹斷裂(F2)和郴州—臨武斷裂(F3)為限(洪大衛(wèi)等, 2002; 張國偉等, 2013),西界大致沿?fù)P州—九江—咸寧—益陽—常德—銅仁一線展布(嚴(yán)加永等, 2022b)。該區(qū)域的 Te較薄(＜20 km); F均大于0.5, 呈現(xiàn)北高南低分布; 且居里面深度和莫霍面深度均呈現(xiàn)出北段相對(duì)隆升, 南段相對(duì)坳陷的分布特征。層析成像結(jié)果顯示, 在該區(qū)域的地幔過渡帶下方存在著一個(gè)被認(rèn)為是太平洋板塊殘留體的高速異常(Huang and Zhao, 2006)。上述現(xiàn)象指示受太平洋板塊俯沖及其引起的深部巖漿作用導(dǎo)致該區(qū)域的巖石圈力學(xué)強(qiáng)度較弱, 且北段的殼幔改造作用要大于南段。

4.2 Te 與地?zé)釄?chǎng)

地?zé)釄?chǎng)參數(shù)主要有地表熱流數(shù)據(jù)和居里面深度等。地表熱流數(shù)據(jù)反映了巖石圈淺部熱狀態(tài)和能量均衡信息。前人大量的研究表明, 高地表熱流與薄Te分布代表著較為活躍的構(gòu)造活動(dòng)區(qū)域, 而低地表熱流與厚 Te反映了構(gòu)造活動(dòng)較為穩(wěn)定區(qū)域(Pollack et al., 1993)。本文從IHFC全球地表熱流數(shù)據(jù)庫(http://ihfc-iugg.org/)和中國陸域區(qū)域地表熱流數(shù)據(jù)庫(Jiang et al., 2019)中收集研究區(qū)范圍內(nèi)的1114個(gè)地表熱流觀測(cè)點(diǎn)(圖6a中紅色三角形)。如圖6a中紅色三角形分布所示, 實(shí)測(cè)的地表熱流數(shù)據(jù)空間分布較為稀疏, 且分布極不均勻。此外, 地表熱流數(shù)據(jù)的大小不僅與深部高溫的垂向熱傳導(dǎo)作用相關(guān), 還與地層的熱導(dǎo)率、放射性熱和局部熱對(duì)流等因素相關(guān), 數(shù)值上存在較大的不確定性(Audet and Gosselin, 2019)。居里面深度代表著巖石圈磁性層底界面深度, 大約與 550 ℃等溫面相重合(Li and Wang, 2016), 是反映地?zé)釄?chǎng)的另一重要參數(shù)。通過磁異常數(shù)據(jù)計(jì)算方法獲得的均勻且分辨率較高的居里面深度, 可較好的反映巖石圈深部的熱結(jié)構(gòu)信息。故將地表熱流與居里面深度結(jié)合, 能更為全面地反映地?zé)釄?chǎng)信息。因此, 本文從地表熱流、居里面深度兩個(gè)參數(shù)所代表的地?zé)釄?chǎng)信息出發(fā), 探討Te與地?zé)釄?chǎng)之間的關(guān)系。

首先利用克里金插值將地表熱流數(shù)據(jù)插值成與Te數(shù)據(jù)分辨率一致。其次, 對(duì)華南陸塊的地表熱流數(shù)據(jù)(圖 6a)與 Te(圖 4a)進(jìn)行互相關(guān)分析計(jì)算, 獲得研究區(qū)范圍內(nèi)的互相關(guān)系數(shù)(圖6b)。然后對(duì)化極后的EMAG2V3磁異常數(shù)據(jù)(Meyer et al., 2017)采用徑向功率譜方法, 將滑動(dòng)窗口設(shè)置為160 km, 步長(zhǎng)為40 km, 計(jì)算獲得華南陸塊的居里面深度分布(圖7a)。并將研究區(qū)的居里面深度與Te(圖4a)進(jìn)行互相關(guān)分析計(jì)算, 獲得兩者之間的互相關(guān)系數(shù)。通過對(duì)比地表熱流數(shù)據(jù)與居里面深度之間的分布特征, 發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如華夏地塊、江南造山帶的北東段部分及四川盆地西南角的地表熱流高值區(qū)域, 與較淺的居里面深度相對(duì)應(yīng), 可能反映了上述區(qū)域受熱活動(dòng)劇烈導(dǎo)致居里面抬升, 說明該區(qū)域的殼幔活動(dòng)性較強(qiáng); 四川盆地整體呈現(xiàn)為地表熱流低值區(qū)域, 與較深的居里面深度對(duì)應(yīng), 反映熱流梯度值較小, 指示該區(qū)域的巖石圈內(nèi)部熱活動(dòng)平靜,殼幔較為穩(wěn)定。

通常而言, 地表熱流高值和居里面深度淺部區(qū)域反映的巖石圈熱活動(dòng)較為劇烈, 代表巖石圈力學(xué)強(qiáng)度較弱, 即Te與地表熱流值呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系, Te與居里面深度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。通過地表熱流數(shù)據(jù)(圖 6a)、居里面深度(圖 7a)與 Te(圖 4a)的對(duì)比, 及其互相關(guān)系數(shù)(圖6b)分布可知, 華南陸塊內(nèi)的Te與地表熱流數(shù)據(jù)、居里面深度分布的總體對(duì)應(yīng)關(guān)系較好。例如高地表熱流值、淺居里面深度與地殼年齡較為年輕(≥1.4 Ga, Li et al., 1995)、地表出露有不同時(shí)期巖漿巖的薄Te華夏地塊相對(duì)應(yīng), 說明該區(qū)域的構(gòu)造活動(dòng)較為活躍; 低地表熱流和深居里面深度與地殼年齡較為古老(≥1.7 Ga, Li, 1994)、構(gòu)造活動(dòng)較為穩(wěn)定的厚Te揚(yáng)子地塊相對(duì)應(yīng), 代表古老且穩(wěn)定的克拉通區(qū)域。但在華南陸塊內(nèi)部塊體拼接區(qū)域, 及其與周邊板塊接觸區(qū)域(如慈利—張家界—保靖斷裂(F7)的東南部、龍門山斷裂帶(F10)至華鎣山斷裂(F9)區(qū)域)的 Te數(shù)值與地表熱流值或居里面深度呈現(xiàn)出相反的相關(guān)關(guān)系。但是何種原因?qū)е律鲜鰠^(qū)域Te數(shù)值大小與地表熱流值或居里面深度出現(xiàn)相反的相關(guān)關(guān)系仍不清楚。下面結(jié)合其他資料, 分析上述異?，F(xiàn)象所蘊(yùn)含的構(gòu)造含義。

龍門山斷裂帶(F10)是華南陸塊內(nèi)揚(yáng)子地塊與青藏高原東緣松潘—甘孜地塊的分界線。系列地球物理及巖石圈研究成果表明, 青藏高原中下地殼存在部分熔融或含水物質(zhì)的流體(Brown et al., 1996;Klemperer, 2006), 且中下地殼流體向東部的揚(yáng)子地塊方向運(yùn)移(朱介壽等, 2017)。龍門山斷裂帶西北方向的松潘—甘孜地塊區(qū)域呈現(xiàn)為莫霍面陡然下降,厚Te, 淺居里面深度、高地表熱流值分布特征。地震與地球動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果表明, 典型中地殼深度(～15 km)巖石的固相線約為 900～1200 ℃, 若在流體參與情況下, 固相線溫度將降低至 700～800 ℃(Hacker et al., 2000)。大地電磁數(shù)據(jù)反演的電性模型模擬的松潘—甘孜塊體上地幔溫度介于1300～1500 ℃, 熔融百分比高達(dá) 10%(李寶春等,2020)。故在青藏高原中下地殼流體和松潘—甘孜地塊深部熱物質(zhì)上涌的作用下, 松潘—甘孜地塊的中下地殼區(qū)域極有可能發(fā)生部分熔融, 導(dǎo)致居里面深度隆起及地表熱流呈現(xiàn)高值特征。龍門山斷裂帶東南方向的揚(yáng)子地塊區(qū)域具有厚Te、較深居里面深度的穩(wěn)定克拉通性質(zhì)。因此, 本文認(rèn)為造成龍門山斷裂帶(F10)至華鎣山斷裂(F9)區(qū)域的Te較厚(約為30 km,圖4a)、居里面深度較深(約為40 km, 圖7a), 而地表熱流值較高(約為60～80 mW/m2, 圖6a)的異常分布原因可能是龍門山斷裂帶的地殼深部仍具有克拉通巖石圈性質(zhì); 而在其地殼淺部, 受中下地殼流體的熱侵蝕作用, 導(dǎo)致龍門山斷裂帶(F10)至華鎣山斷裂(F9)區(qū)域的地表熱流值較高, 即龍門山斷裂帶區(qū)域可能僅為揚(yáng)子地塊與松潘—甘孜地塊的巖石圈淺部分界線。此外, 在華鎣山斷裂(F9)出現(xiàn)局部較高的地表熱流值異常, 可能反映出該斷裂是一條為巖漿熱活動(dòng)提供通道的深大斷裂。

圖6 大地?zé)崃鞣植紙D(a)和Te與熱流的互相關(guān)系數(shù)(b)Fig. 6 Map of heat flow (a) and cross correlation coefficient between Te and heat flow (b)

圖7 居里面深度Zb分布圖(a)和Te與Zb的互相關(guān)系數(shù)(b)Fig. 7 Map of Curie surface depth (Zb) (a) and cross correlation coefficient between Te and Zb (b)

江南造山帶西邊界(揚(yáng)州—九江—咸寧—益陽—常德—銅仁一線)與慈利—張家界—保靖斷裂(F7)位置相近。故慈利—張家界—保靖斷裂(F7)東南部區(qū)域的Te較薄與居里面深度較深、大地?zé)崃髦递^低的異常區(qū)域?qū)儆诮显焐綆?。西?cè)區(qū)域的Te急劇減薄、F整體減小、居里面坳陷、大地?zé)崃髦禍p小, 反映出該區(qū)域來自深部的熱改造作用減弱。故西側(cè)區(qū)域的地殼被嚴(yán)重破壞, 可能是導(dǎo)致巖石圈力學(xué)強(qiáng)度驟然降低的重要原因。江南造山帶由新元古代時(shí)期華夏地塊與揚(yáng)子地塊碰撞拼合而成(陳昌昕等,2022)。云南省東南部地表出露前寒武紀(jì)地層屏邊組沉積巖的地球化學(xué)、巖石學(xué)特征、形成時(shí)代與揚(yáng)子地塊南部的沉積巖相似, 暗示該區(qū)域?qū)儆趽P(yáng)子地塊(Zhu et al., 2019)。因此, 本文推測(cè)慈利—張家界—保靖斷裂(F7)東南部的Te急劇減薄區(qū)域可能是新元古代時(shí)期華夏地塊與揚(yáng)子地塊碰撞拼合的直接作用區(qū)域, 且華夏地塊與揚(yáng)子地塊僅在該區(qū)域的中上地殼深度碰撞拼合形成江南造山帶, 而其地殼深部仍具有克拉通型巖石圈性質(zhì)。

4.3 Te與地震

Te代表著巖石圈的綜合強(qiáng)度, 其數(shù)值大小與地殼和地震活動(dòng)密切相關(guān)(Cloetingh et al., 2005)。從中國地震臺(tái)網(wǎng)中心(http://www.ceic.ac.cn/history)和前人研究成果(Chen and Molnar, 1977; Molnar and Chen, 1983; Molnar and Deng, 1984; Dain et al., 1984;Holt et al., 1991)中獲取華南陸塊1900—2022年大于4級(jí)的強(qiáng)震分布和震源深度數(shù)據(jù)。將震級(jí)分布數(shù)據(jù)投影至 Te圖中(圖 8)發(fā)現(xiàn), 研究區(qū)范圍內(nèi)大于 4級(jí)的強(qiáng)震頻發(fā)于 Te較薄和變化劇烈的構(gòu)造斷裂帶區(qū)域, 如龍門山斷裂帶和臺(tái)灣造山帶等。揚(yáng)子地塊的 Te較厚, 地震發(fā)生較少, 僅在齊岳山斷裂(F8)、華鎣山斷裂(F9)等斷裂附近發(fā)生地震。華夏地塊區(qū)域的Te雖然較薄, 但地震發(fā)生較少, 且地震發(fā)生區(qū)域與斷裂未有明顯的相關(guān)關(guān)系。故華南陸塊內(nèi)地震發(fā)生與Te的薄厚關(guān)系復(fù)雜, Te較薄區(qū)域并不代表著地震頻發(fā)區(qū)域。地震是構(gòu)造應(yīng)力長(zhǎng)期積累和突然釋放的結(jié)果, 受深部動(dòng)力學(xué)環(huán)境所影響(陳兆輝等,2020)。下文以華南陸塊不同區(qū)域的 Te分布特征為主, 結(jié)合其他資料, 探討龍門山斷裂帶強(qiáng)震頻發(fā)和華南陸塊地震較少發(fā)生的原因。

圖8 Te與1900—2022年地震(M≥4)分布(地震數(shù)據(jù)源自中國地震臺(tái)網(wǎng)中心)Fig. 8 Correlation of the Te map with the distribution of earthquakes between 1900 and 2022 (M≥4)

龍門山斷裂帶是我國地震活動(dòng)最為頻繁的地區(qū)之一(馬國慶等, 2012), 亦是華南陸塊內(nèi)揚(yáng)子地塊與青藏高原東緣松潘—甘孜地塊的交接部位。根據(jù)前文的分析表明, 與松潘—甘孜地塊相交的揚(yáng)子地塊區(qū)域具有剛性巖石圈的克拉通性質(zhì); 而松潘—甘孜地塊的上地幔發(fā)生部分熔融, 中下地殼存在著軟弱的地殼流體。但松潘—甘孜地塊區(qū)域的Te值出現(xiàn)局部高值, F值大于0.5。在松潘—甘孜地塊所布設(shè)的深地震反射剖面結(jié)果顯示該區(qū)域曾經(jīng)存在著穩(wěn)定的剛性大陸地塊(高銳等, 2009)。龍門山斷裂帶兩側(cè)的GPS同震位移記錄數(shù)據(jù)顯示, 揚(yáng)子地塊與松潘—甘孜地塊呈現(xiàn)出相向運(yùn)動(dòng)。通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū) 1900年至今地震發(fā)生的震源深度, 將其與平均莫霍面深度(約為 35 km)進(jìn)行對(duì)比可知, 地震震源主要介于中上地殼(＜22.5 km)(圖9)深度范圍內(nèi), 在下地殼及更深深度的區(qū)域地震發(fā)生較少。綜合上述證據(jù)及大地構(gòu)造背景, 本文認(rèn)為受太平洋板塊西向俯沖遠(yuǎn)程效應(yīng)影響, 以及印度板塊向亞洲板塊的俯沖作用下,松潘—甘孜地塊中上地殼的剛性塊體與剛性的揚(yáng)子地塊發(fā)生碰撞, 在地殼淺部發(fā)生塑性形變形成龍門山斷裂帶, 應(yīng)力在中上地殼所代表的脆性介質(zhì)中積累; 而下地殼的地層屬性存在流體, 地層較為軟弱,受應(yīng)力作用, 容易發(fā)生變形、滑脫, 不易積累能量。綜上, 龍門山斷裂帶區(qū)域在揚(yáng)子地塊與松潘—甘孜地塊的長(zhǎng)期持續(xù)夾持作用下, 中上地殼的構(gòu)造應(yīng)力和能量積蓄至一定程度便會(huì)釋放, 從而頻繁引發(fā)地震。

圖9 華南陸塊1900—2022年地震震源深度(M≥4)統(tǒng)計(jì)直方圖Fig. 9 Statistical histogram of seismic (M≥4) source depths in South China Block from 1900 to 2022

雖然華南陸塊內(nèi)地震發(fā)生較少, 但不同地塊發(fā)生地震較少的深部原因存在差異。揚(yáng)子地塊區(qū)域的Te值較厚, 反映巖石圈力學(xué)強(qiáng)度高, 地震活動(dòng)性較弱。華夏地塊的Te值較薄, 居里面和莫霍面分布均呈現(xiàn)隆起狀態(tài), 地表熱流值為高值分布, 且地表廣泛出露有大量的花崗巖(Huang et al., 2002; Li and Li, 2007)。結(jié)合白堊紀(jì)—古新世時(shí)期, 華南陸塊整體的構(gòu)造應(yīng)力方向由擠壓轉(zhuǎn)換為伸展(He and Santosh, 2016), 伸展環(huán)境引發(fā)巖石圈伸展和大量的火山-巖漿活動(dòng), 引起陸內(nèi)地殼物質(zhì)重建(于津海等,2006)。說明華夏地塊巖石圈力學(xué)強(qiáng)度降低的主要因素是深部熱物質(zhì)上涌, 且在上涌的過程中, 發(fā)生了強(qiáng)烈的殼幔改造作用, 造成引發(fā)地震所需的能量被殼幔改造作用釋放。此外, 橫跨華夏地塊不同區(qū)域的大地電磁剖面探測(cè)結(jié)果顯示, 華夏地塊地殼中廣泛分布著橫向不均勻的高電導(dǎo)率層(韓松等, 2016;胡祥云等, 2017; Zhang et al., 2020), 暗示由多個(gè)微板塊(于津海等, 2006)相互作用產(chǎn)生的應(yīng)力易被高電導(dǎo)率層代表的軟弱地層吸收, 難以為地震形成提供條件。

5 結(jié)論

本文采用導(dǎo)納和相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法, 利用去除沉積層重力影響的EIGEN-6C4地殼布格重力異常、ETOPO1地形數(shù)據(jù)及全球地殼模型Crust1.0的相關(guān)數(shù)據(jù), 計(jì)算了華南陸塊的巖石圈有效彈性厚度(Te)和荷載比(F)分布。首先分析了華南陸塊不同構(gòu)造單元Te和F分布所代表的構(gòu)造含義。其次, 分別討論了Te與地?zé)釄?chǎng)(地表熱流和居里面深度)、地震活動(dòng)之間的相關(guān)性, 并探討異常區(qū)及地震活動(dòng)形成的原因。具體的結(jié)論如下:

(1)本文的計(jì)算結(jié)果揭示了華南陸塊Te和F的空間變化特征, 并與其他資料結(jié)合, 分析其所蘊(yùn)含的構(gòu)造意義。華南陸塊的Te整體變化呈現(xiàn)為西厚東薄, 變化范圍介于 1～40 km。華夏地塊東部沿海的Te陡然增厚區(qū)域(＞30 km), 代表地殼可能處于彈性應(yīng)力狀態(tài); 而華夏地塊的 Te較薄(＜20 km), F＞0.5,暗示該區(qū)可能受深部熱物質(zhì)上涌作用影響。揚(yáng)子地塊內(nèi)的四川盆地區(qū)域, Te較厚(＞20 km), F＜0.5, 反映了克拉通性質(zhì)。江南造山帶的 Te較薄(＜20 km),且F呈現(xiàn)北高南低分布, 指示北段的殼幔改造作用要大于南段。此外, 松潘—甘孜地塊與揚(yáng)子地塊之間的相互作用, 及東、西部不均勻分布的巨厚沉積層可能是導(dǎo)致四川盆地區(qū)域 Te呈現(xiàn)東厚西薄分布特征的重要因素。

(2)Te數(shù)值大小與地?zé)釄?chǎng)(地表熱流數(shù)據(jù)、居里面深度)之間的總體對(duì)應(yīng)關(guān)系較好, 但在龍門山斷裂帶和江南造山帶區(qū)域, Te數(shù)值大小與地表熱流值或居里面深度呈現(xiàn)相反的相關(guān)關(guān)系。結(jié)合已知資料,認(rèn)為出現(xiàn)上述現(xiàn)象的深部原因是龍門山斷裂帶和江南造山帶區(qū)域的淺部地殼被破壞, 而深部具有克拉通型地殼。

(3)地震活動(dòng)與Te的薄厚關(guān)系復(fù)雜, Te較薄區(qū)域并不代表著地震頻發(fā)區(qū)域, 地震活動(dòng)性與其所處的深部環(huán)境相關(guān)。龍門山斷裂帶地震頻發(fā)的深部原因是松潘—甘孜地塊中上地殼剛性塊體與剛性揚(yáng)子塊體碰撞, 中上地殼的剛性地層受長(zhǎng)期能量和應(yīng)力積累, 易滿足地震發(fā)生條件。華夏地塊較少發(fā)生地震的原因是深部熱物質(zhì)上涌對(duì)華夏地塊的殼-幔進(jìn)行強(qiáng)烈改造, 大量能量被釋放, 且應(yīng)力易被地殼中廣泛存在的橫向不均勻分布的軟弱地層吸收。揚(yáng)子地塊由于巖石圈力學(xué)強(qiáng)度較高, 較少發(fā)生地震。

致謝: 渥太華大學(xué)地球和環(huán)境科學(xué)系的 Audet P教授提供了導(dǎo)納和相關(guān)函數(shù)聯(lián)合方法; 兩位匿名審稿人對(duì)文章的完善提供了建設(shè)性意見和建議; 本文大部分圖件由GMT繪制; 謹(jǐn)此致謝。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. DD20190012, DD20221643, and DD20190016), and National Natural Science Foundation of China (Nos. 92062108, 42074099, and 41630320).