秦岭造山带及邻区上地壳精细速度结构研究

doi:10.13745/j.esf.sf.2021.7.9

摘要/Abstract

摘要：

秦岭造山带是华北板块和扬子板块南北两个大陆边缘长期演化的产物,各部分性质和时代不同,是一个复杂的构造混杂体。由于其所处位置的重要性,演化时间上的长期性、多旋回性,空间上的多样性、变异性,一直是地质和地球物理学研究的热点。为了沟通该区复杂的浅表地质现象与深部结构成像,获取更精细的上地壳结构成为厘定秦岭造山带不同块体之间接触关系,揭示其地球动力学演化过程的关键。本文对一条长450 km、南北向跨越鄂尔多斯地块南缘、渭河地堑、秦岭造山带、大巴山逆冲推覆带和四川盆地北缘的宽角反射与折射地震剖面采集的15个大炮数据进行了层析成像研究。本研究对690个初至走时拾取数据使用有限差分算法,采用变网格尺度及平滑参数的迭代策略,经20次迭代反演,走时均方根误差降至0.105 s,收敛良好。成像结果精细刻画了渭河地堑的低速沉积特征,系一个南深北浅的断陷盆地,最深处可达7 km,其发育主要受秦岭北缘断裂、乾县—富平断裂及渭河断裂控制。秦岭北缘断裂与安康—竹山断裂之间的秦岭造山带上地壳呈高速特征,横向变化剧烈,仅残余若干较浅的山间盆地。与南部四川盆地稳定沉积相比,大巴山逆冲推覆带下方沉积层速度结构不统一,反映了逆冲推覆作用的改造,但整体仍保留了3~6 km的沉积厚度。本文分析认为剖面中部的秦岭地区是古生代—早中生代南北板块汇聚的核心地带,之后造山带两翼的南、北陆缘分别于燕山期和新生代转入逆冲推覆和伸展两种迥异的构造环境,而现今研究区的上地壳构造格局是三次事件叠加的结果。

关键词: 宽角反射与折射, 秦岭造山带, 渭河地堑, 大巴山, 地震层析成像

Abstract:

The geologic framework of the Qinling Orogen and adjacent region is developed as a result of the convergence of the North China Craton and Yangtze Craton during a long and complex evolutionary history. Detailed upper crustal structure connecting the superposed surface geological phenomena with geophysical images is a key for understanding the geodynamics of the convergence process. The Qinling wide angle reflection and refraction seismic profile extends from the Ordos basin, across the Weihe graben, Qinling orogeny, Dabashan thrusting nappe, to the Sichuan basin. The seismic waves from 15 explosions were recorded on 281 DFZ recorders, of which 690 arrivals of refracted waves from sediments and basement (Pg) were typically picked, and finite-difference tomography algorithm was used to obtain the upper crustal velocity structure. After 20 iteration, the RMSD for the resulting arrival time was 0.105 s, with good convergence. The final P-wave velocity model contains the following features of tectonic significance: (1) The Weihe graben is a typical down-faulted basin with the deepest sediments, as deep as 7 m, in the south, and its formation is controlled by the Qinling northern border fault, Weihe fault and Qianxian-Fuping fault. (2) The upper crustal structure of the Qinling orogen varies significantly with generally high velocity. (3) Sediments of 3-6 km thick beneath the Dabashan Mountain are preserved, but the velocity structure is not uniform, which reflects the thrusting induced reformation.

Key words: wide angle reflection and refraction, Qinling orogen, Weihe graben, Dabashan Mountain, seismic tomography

中图分类号:

P315.23

李文辉, 王海燕, 高锐, 卢占武, 李洪强, 侯贺晟, 熊小松, 叶卓. 秦岭造山带及邻区上地壳精细速度结构研究[J]. 地学前缘, 2022, 29(2): 198-209.

LI Wenhui, WANG Haiyan, GAO Rui, LU Zhanwu, LI Hongqiang, HOU Hesheng, XIONG Xiaosong, YE Zhuo. Detailed upper crustal velocity structure beneath the Qinling Orogen and adjacent region[J]. Earth Science Frontiers, 2022, 29(2): 198-209.

图/表 9

图1 秦岭宽角反射与折射剖面位置图(构造信息据文献[47]修改) 黑色实线为测线位置,红色五角星为炮点位置,点线代表断裂。F1—乾县—富平断裂,F2—渭河断裂,F3—秦岭北缘断裂,F4—临潭—板岩断裂,F5—宁陕断裂,F6—安康—竹山断裂,F7—红椿—紫阳断裂,F8—城口断裂,F9—巫溪—铁溪断裂,S1—商丹缝合带,S2—勉略缝合带。

Fig.1 Tectonic map of the Qinling orogen and adjacent area. Tectonic information modified after 47.

表1 秦岭宽角反射与折射剖面炮点参数

Table 1 Locations and parameters of shot points

炮点编号	纬度/(°)	经度/(°)	高程/m	药量/kg	井深/m	组合井数	炮点激发时间/(UTM+8)
Shot1	35.253 10	108.531 04	1 528	2 000	50	8	2013:8:18:00:28:17.5496
Shot2	35.006 43	108.533 24	1 583	1 500	50	7	2013:8:18:04:03:18.2848
Shot3	34.640 60	108.564 60	522	1 500	75	5	2013:8:07:23:28:23.9992
Shot4	34.384 13	108.536 81	508	500	50	2	2013:8:05:23:29:54.2802
Shot5	34.130 05	108.498 28	412	500	50	5	2013:8:03:06:02:40.4062
Shot6	33.829 24	108.536 83	1 474	1 500	75	2	2013:8:02:23:28:22.9672
Shot7	33.635 56	108.564 41	1 033	500	75	2	2013:7:27:00:30:01.2686
Shot8	33.468 66	108.578 00	1 805	1 500	75	5	2013:7:10:23:30:49.0281
Shot9	33.182 51	108.479 31	705	1 500	75	5	2013:8:22:04:05:05.5588
Shot10	32.896 61	108.435 10	543	500	75	2	2013:6:30:23:30:16.0581
Shot11	32.743 44	108.427 85	588	1 500	75	5	2013:6:29:23:30:27.1856
Shot12	32.583 65	108.347 64	543	500	75	2	2013:6:20:23:37:38.9606
Shot13	32.135 31	108.030 41	765	1 500	75	5	2013:6:21:23:35:11.5150
Shot14	31.836 16	108.044 83	724	1 500	75	5	2013:8:23:00:40:06.5553
Shot15	31.402 12	107.594 05	475	2 400	75	6	2013:8:23:00:29:57.8943

图2 秦岭宽角反射与折射剖面观测系统图图中黑色五角星代表2 t药量大炮,灰色五角星代表0.5 t药量大炮。

Fig.2 Geometry of the Qinling wide-angle reflection and refraction seismic profile

图3 Shot5单炮记录及其震相图折合速度6.0 km/s,带通滤波1~15 Hz。粉色虚线代表来自鄂尔多斯盆地的Pg波;绿色虚线代表来自渭河地堑的Pg波;红色虚线代表来自秦岭造山带的Pg波;Pmp为来自Moho界面的反射波。

Fig.3 Trace normalized record section for Shot5 from the Moho

图4 Shot13单炮记录及其震相图折合速度6.0 km/s,带通滤波1~15 Hz。红色虚线代表来自秦岭造山带的Pg波;橙色虚线代表来自大巴山的Pg波;蓝色虚线代表来自四川盆地北缘的Pg波;Pmp为来自Moho界面的反射波。

Fig.4 Trace normalized record section for Shot13

图5 Pg波走时数据沿剖面分布特征(折合速度6.0 km/s)

Fig.5 Distribution of the Pg travel times along the profile (reduce velocity at 6.0 km/s)

图6 层析成像迭代反演收敛曲线(A)及一维初始速度模型(B)

Fig.6 Convergent curve of iterative inversions (A) and 1D initial velocity model (B)

图7 上地壳初至层析成像结果

Fig.7 Upper crustal velocity model derived from the first arrival tomography

图8 层析成像网格射线密度

Fig.8 Number of rays in tomography cells

参考文献 55

[1]	张国伟, 孟庆任, 赖绍聪. 秦岭造山带的结构构造[J]. 中国科学: B辑, 1995, 25(9):994-1003.
[2]	许志琴, 李源, 梁凤华, 等. “秦岭—大别—苏鲁”造山带中“古特提斯缝合带”的连接[J]. 地质学报, 2015, 89(4):671-680.
[3]	董树文, 张岳桥, 李秋生. 论大巴山陆内造山带[M]. 北京: 地质出版社, 2014: 322-325.
[4]	任纪舜, 朱俊宾, 李崇, 等. 秦岭造山带是印支碰撞造山带吗?[J]. 地球科学, 2019, 44(5):1476-1486.
[5]	张国伟, 郭安林, 董云鹏, 等. 关于秦岭造山带[J]. 地质力学学报, 2019, 25(5):746-768.
[6]	张先康, 杨卓欣, 徐朝繁, 等. 阿尼玛卿缝合带东段上地壳结构: 马尔康—碌曲—古浪深地震测深剖面结果[J]. 地震学报, 2007, 29(6):592-604.
[7]	陈小斌, 臧绍先, 魏荣强. 稳定的鄂尔多斯地块在整体运动吗?[J]. 地球物理学报, 2011, 54(7):1750-1757.
[8]	朱日祥. “华北克拉通破坏”重大研究计划结题综述[J]. 中国科学基金, 2018, 32(3):282-290.
[9]	李克勤. 鄂尔多斯盆地大地构造发展对油气的控制作用[M]. 北京: 石油工业出版社, 2002, 426-439.
[10]	张岳桥, 廖昌珍, 施炜, 等. 鄂尔多斯盆地周边地带新构造演化及其区域动力学背景[J]. 高校地质学报, 2006, 12(3):285-297.
[11]	车自成, 罗金海, 刘良. 中国及其邻区区域大地构造学[M]. 北京: 科学出版社, 2011: 284-296.
[12]	张岳桥, 廖昌珍. 晚中生代—新生代构造体制转换与鄂尔多斯盆地改造[J]. 中国地质, 2006, 33(1):28-40.
[13]	邓起东, 程绍平, 闵伟, 等. 鄂尔多斯块体新生代构造活动和动力学的讨论[J]. 地质力学学报, 1999, 5(3):13-21.
[14]	张岳桥, VERGELY P, MERCIER J L. 华北地区上新世至第四纪断裂作用型式与左旋扩展[J]. 地质力学学报, 1999, 5(3):40-46.
[15]	陈小斌, 臧绍先, 刘永岗, 等. 鄂尔多斯地块的现今水平运动状态及其与周缘地块的相互作用[J]. 中国科学院研究生院学报, 2005, 22(3):309-314.
[16]	FAN J X, MA J, GAN W J. Movement of Ordos block and alternation of activity along its boundaries[J]. Science in China: Earth Sciences, 2003, 46(2):168-180.
[17]	徐锡伟, 程国良, 马杏垣, 等. 华北及其邻区块体转动模式和动力来源[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 1994, 19(2):129-138.
[18]	李智超, 李文厚, 李永项, 等. 渭河盆地新生代沉积相研究[J]. 古地理学报, 2015, 17(4):529-540.
[19]	韩恒悦, 张逸, 袁志祥. 渭河断陷盆地带的形成演化及断块运动[J]. 地震研究, 2002, 25(4):362-368.
[20]	张国伟, 孟庆任, 于在平, 等. 秦岭造山带的造山过程及其动力学特征[J]. 中国科学D辑: 地球科学, 1996, 26(3):193-200.
[21]	李春昱, 刘仰文, 朱宝清, 等. 秦岭及祁连山构造发展史[M]. 北京: 地质出版社, 1978: 174-187.
[22]	董云鹏, 张国伟, 赵霞, 等. 北秦岭元古代构造格架与演化[J]. 大地构造与成矿学, 2003, 27(2):115-124.
[23]	DONG Y P, ZHANG G W, NEUBAUER F, et al. Tectonic evolution of the Qinling orogen, China: review and synjournal[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2011, 41(3):213-237. DOI URL
[24]	闫臻, 王宗起, 王涛, 等. 秦岭造山带泥盆系形成构造环境: 来自碎屑岩组成和地球化学方面的约束[J]. 岩石学报, 2007, 23(5):1023-1042.
[25]	王宗起, 闫全人, 闫臻, 等. 秦岭造山带主要大地构造单元的新划分[J]. 地质学报, 2009, 83(11):1527-1546.
[26]	张国伟, 董云鹏, 赖绍聪, 等. 秦岭—大别造山带南缘勉略构造带与勉略缝合带[J]. 中国科学D辑: 地球科学, 2003, 33(12):1121-1135.
[27]	董树文, 施炜, 张岳桥, 等. 大巴山晚中生代陆内造山构造应力场[J]. 地球学报, 2010, 31(6):769-780.
[28]	张艳妮, 李荣西, 刘海青, 等. 四川盆地北缘大巴山前陆构造中—新生代构造隆升史[J]. 地球科学与环境学报, 2014, 36(1):230-238.
[29]	贾承造, 魏国齐, 李本亮, 等. 中国中西部两期前陆盆地的形成及其控气作用[J]. 石油学报, 2003, 24(2):13-17.
[30]	DONG S, GAO R, YIN A, et al. What drove continued continent-continent convergence after ocean closure? Insights from high-resolution seismic-reflection profiling across the Daba Shan incentral China[J]. Geology, 2013, 41(6):671-674. DOI URL
[31]	张岳桥, 董树文, 李建华, 等. 中生代多向挤压构造作用与四川盆地的形成和改造[J]. 中国地质, 2011, 38(2):233-250.
[32]	刘树根, 邓宾, 李智武, 等. 盆山结构与油气分布: 以四川盆地为例[J]. 岩石学报, 2011, 27(3):621-635.
[33]	LI H Q, GAO R, XIONG X S, et al. Moho fabrics of North Qinling Belt, Weihe Graben and Ordos Block in China constrained from large dynamite shots[J]. Geophysical Journal International, 2017, 209(2):643-653. DOI URL
[34]	任隽, 冯希杰, 王夫运, 等. 深地震反射剖面揭示的渭河盆地西安坳陷的地壳精细结构[J]. 地球物理学报, 2013, 56(2):513-521.
[35]	任隽, 彭建兵, 王夫运, 等. 渭河盆地及邻区地壳深部结构特征研究[J]. 地球物理学报, 2012, 55(9):2939-2947.
[36]	滕吉文, 李松岭, 张永谦, 等. 秦岭造山带与沉积盆地和结晶基底地震波场及动力学响应[J]. 地球物理学报, 2014, 57(3):770-788.
[37]	滕吉文, 李松岭, 张永谦, 等. 秦岭造山带与邻域华北克拉通和扬子克拉通的壳、幔精细速度结构与深层过程[J]. 地球物理学报, 2014, 57(10):3154-3175.
[38]	司芗, 滕吉文, 刘有山, 等. 秦岭造山带与南北相邻地带远震接收函数与地壳结构[J]. 地球物理学报, 2016, 59(4):1321-1334.
[39]	王谦身, 滕吉文, 张永谦, 等. 陕渝黔桂1 800 km超长探测剖面重力异常场特征及深部地壳结构探榷[J]. 地球物理学报, 2016, 59(11):4139-4152.
[40]	王谦身, 滕吉文, 张永谦, 等. 中秦岭地带重力异常特征及地壳结构的探榷[J]. 地球物理学报, 2013, 56(12):3999-4008.
[41]	冯红武, 颜文华, 郭瑛霞, 等. 利用背景噪声成像技术反演陕西及邻区地壳剪切波速度结构[J]. 地震工程学报, 2019, 41(4):978-990.
[42]	刘庚, 高原, 石玉涛. 秦岭造山带及其两侧区域地壳剪切波分裂[J]. 地球物理学报, 2017, 60(6):2326-2337.
[43]	常利军, 丁志峰, 王椿镛. 华北中西部和青藏高原东北缘上地幔各向异性变形特征[J]. 地球物理学报, 2021, 64(1):114-130.
[44]	胡国泽, 滕吉文, 阮小敏, 等. 秦岭造山带和邻域磁异常特征及结晶基底变异分析[J]. 地球物理学报, 2014, 57(2):556-571.
[45]	程顺有, 张国伟, 李立. 秦岭造山带岩石圈电性结构及其地球动力学意义[J]. 地球物理学报, 2003, 46(3):390-397.
[46]	吕宏斌, 叶高峰, 金胜, 等. 鄂尔多斯地块—扬子地块深部电性结构特征及其动力学意义[J]. 地质论评, 2020, 66(4):813-828.
[47]	张国伟, 陈家义. 秦岭造山带大地构造图[M]. 北京: 科学出版社, 1996.
[48]	ZELT C A. ZPLOT: an interactive plotting and picking program for seismic data [EB/OL]. Cambridge: Bullard Lab, University of Cambridge, 1994.[2020-08-15]. http://www.soest.hawaii.edu/users/bzelt/zp/zp.html .
[49]	VIDALE J E. Finite-difference calculation of traveltimes in three dimensions[J]. GEOPHYSICS, 1990, 55(5):521-526. DOI URL
[50]	HOLE J A. Nonlinear high-resolution three-dimensional seismic travel time tomography[J]. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 1992, 97(B5):6553-6562.
[51]	任战利, 崔军平, 郭科, 等. 鄂尔多斯盆地渭北隆起抬升期次及过程的裂变径迹分析[J]. 科学通报, 2015, 60(14):1298-1309.
[52]	孟庆任. 秦岭的由来[J]. 中国科学: 地球科学, 2017, 47(4):412-420.
[53]	刘春花, 吴才来, 郜源红, 等. 南秦岭东江口、柞水和梨园堂花岗岩类锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学与锆石Lu-Hf同位素组成[J]. 岩石学报, 2014, 30(8):2402-2420.
[54]	胡健民, 孟庆任, 陈虹, 等. 秦岭造山带内宁陕断裂带构造演化及其意义[J]. 岩石学报, 2011, 27(3):657-671.
[55]	李建华, 张岳桥, 徐先兵, 等. 北大巴山凤凰山岩体锆石U-Pb LA-ICP-MS年龄及其构造意义[J]. 地质论评, 2012, 58(3):581-593.