折射Pg波层析成像揭示兴蒙造山带及其邻区上地壳结构

doi:10.13745/j.esf.sf.2023.9.29

地学前缘 ›› 2025, Vol. 32 ›› Issue (2): 346-356.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2023.9.29

折射Pg波层析成像揭示兴蒙造山带及其邻区上地壳结构

曹力夫¹(), 王海燕¹^,²^,^*(), 李文辉¹^,², 侯贺晟²^,³, 王光文¹, 庞永香⁴

1.中国地质科学院地质研究所, 北京 100037
2.中国地质科学院自然资源部深地科学与探测技术实验室, 北京 100037
3.中国地质科学院, 北京 100037
4.中国石油集团测井有限公司天津分公司, 天津 300280

收稿日期:2023-09-04 修回日期:2024-06-17 出版日期:2025-03-25 发布日期:2025-03-25
通信作者: *王海燕(1975—),女,研究员,主要从事深地震反射与深部构造研究工作。E-mail:hyanwhy@126.com
作者简介:曹力夫(1999—),男,硕士研究生,主要从事宽角反射与背景噪声反演研究工作。E-mail:737358386@qq.com
基金资助:
国家自然科学基金项目(42074115);中国地质调查项目(DD20230217);中国地质调查项目(DD20221647);国家重点研发计划项目(2107YFC0601301)

Refraction Pg tomographic imaging reveals the upper crustal structure of the Xing-Meng Orogenic Belt and its adjacent areas

CAO Lifu¹(), WANG Haiyan¹^,²^,^*(), LI Wenhui¹^,², HOU Hesheng²^,³, WANG Guangwen¹, PANG Yongxiang⁴

1. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
2. SinoProbe Laboratory of Ministry of Natural Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
3. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China
4. Tianjin Branch, CNPC Logging Company Limited, Tianjin 300280, China

Received:2023-09-04 Revised:2024-06-17 Online:2025-03-25 Published:2025-03-25

摘要/Abstract

摘要：

兴蒙造山带是由众多微陆块、岛弧、增生楔和蛇绿岩(洋壳残片)等构成,经历了复杂的构造演化历史,记录了古亚洲洋俯冲、西伯利亚和华北板块最终拼合等重要信息,其演化一直是国内外地学界研究的热点。研究兴蒙造山带及邻区各地质体之间的联系对其构造演化有着重要意义,获取精细的上地壳结构成为厘定兴蒙造山带不同块体之间接触关系和揭示中新生代构造演化过程的关键。本文对一条南北向跨越松辽盆地、兴蒙造山带和二连盆地总长为503 km的宽角反射和折射地震剖面数据进行了初至波层析成像研究。本研究使用有限差分算法对16个大炮数据693个初至走时拾取数据进行计算,采用变网格尺度和平滑参数的反演策略,经40次迭代反演,将RMS降至0.103 s,获得上地壳(7 km以上)精细速度结构。成像结果精细刻画了研究区地下的速度结构:北部二连盆地存在低速特征,是一个南深北浅的断陷盆地,最深处可达5.1 km,其发育主要由两侧倾向相背的正断层控制;中部兴蒙造山带(嫩江断裂与贺根山缝合带之间)上地壳呈高速特征,横向变化剧烈,存在3个山间盆地,因其多为中新生代沉积少有第四系沉积,导致其沉积层速度较造山带两侧盆地高;南部松辽盆地为典型箕状断陷盆地,受后期NWW-SEE向水平挤压引起的正断层逆向运动致使结晶基底顶界面与沉积层褶皱变形基本一致,沿测线盆地最深处可达5.5 km。基于速度异常厘定出研究区断裂带的位置和上地壳展布形态。多数断裂、断层浅处为大角度陡立状,在向深部延展过程中倾角逐渐减小,演变为铲式。

关键词: 宽角反射与折射, 兴蒙造山带, 松辽盆地, 二连盆地, 地震层析成像

Abstract:

The Xing-Meng Orogenic Belt is composed of many microcontinents, island arcs, accretionary wedges and ophiolite (oceanic crust fragments). It has experienced a complex tectonic evolution history and recorded important information such as the subduction of the Paleo-Asian Ocean and the final assembly of the Siberian and North China Plates. Its evolution has always been a hot topic in the field of geosciences at home and abroad. It is of great significance to study the relationship between the geological bodies in the Xing-Meng Orogenic Belt and its adjacent areas for its tectonic evolution. Obtaining fine upper crustal structure is the key to determine the contact relationship between different blocks in the Xing-Meng Orogenic Belt and reveal the Mesozoic-Cenozoic tectonic evolution process. In this paper, a wide-angle reflection and refraction seismic profile data with a total length of 503 km across Songliao Basin, Xing-Meng Orogenic Belt and Erlian Basin is studied by first-arrival wave tomography. In this study, the finite difference algorithm is used to calculate 693 first arrival traveltime picking data of 16 artillery data. The inversion strategy of variable grid scale and smoothing parameters is adopted. After 40 iterations of inversion, the RMS is reduced to 0.103 s, and the fine velocity structure of the upper crust (more than 7 km) is obtained. The imaging results describe the underground velocity structure of the study area in detail: the northern Erlian Basin has low velocity characteristics, which is a deep south and shallow north fault basin, with a maximum depth of 5.5 km, and its development is mainly controlled by normal faults with opposite tendencies on both sides. The upper crust of the Xing-Meng Orogenic Belt (between the Nenjiang Fault and the Hegenshan Suture Zone) is characterized by high velocity and dramatic lateral changes. There are three mountain basins, most of which are Mesozoic-Cenozoic sediments with few Quaternary sediments, the velocity of the sedimentary layer is higher than that of the basins on both sides of the orogenic belt. The southern Songliao Basin is a typical half-graben rift basin. The reverse movement of normal faults caused by the later NWW-SEE horizontal compression caused the top interface of the crystalline basement to be basically consistent with the fold deformation of the sedimentary layer. The deepest part of the basin along the survey line can reach 5.5 km. The location of the fault zone and the distribution of the upper crust in the study area are determined based on the velocity anomaly. Most of the faults and shallow faults are steep with large angles, and the dip angle gradually decreases and evolves into a shovel type during the extension to the deep.

Key words: wide angle reflection and refraction, Xing-Meng Orogenic Belt, Songliao Basin, Erlian Basin, seismic tomography imaging

中图分类号:

P315

曹力夫, 王海燕, 李文辉, 侯贺晟, 王光文, 庞永香. 折射Pg波层析成像揭示兴蒙造山带及其邻区上地壳结构[J]. 地学前缘, 2025, 32(2): 346-356.

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图/表 11

图1 奈曼旗南—东乌旗北宽角反射和折射剖面(图中位置信息据文献[55],构造信息据文献[1],盆地边界信息据文献[39,56]) a—研究区位置;b—宽角反射地震剖面位置。

Fig.1 Wide-angle reflection and refraction profile from south Naiman Banner to north Dongwu Banner. Modified from [1,39,55-56]. a—Location of the study area; b—the location of wide-angle reflection seismic profile.

表1 接收炮点参数

Table 1 Reception of seismic source parameters

炮点编号	类型	药量/kg	经度/(°)	纬度/(°)	高程/m
A1	超级大炮	2 000	121.079 5	42.879 45	344.8
A2	超级大炮	2 000	120.468 8	43.410 83	317.8
A3	超级大炮	2 000	119.896 8	43.804 93	480.6
A4	超级大炮	2 000	119.287 5	44.358 15	838.5
A5	超级大炮	2 000	118.728	44.765 07	1 050.4
A6	超级大炮	2 000	118.137 2	45.285 52	870.843
A7	超级大炮	2 000	117.299 1	46.072 28	1 003.145
B1	大炮	480	119.642 4	44.067 19	825.7
B2	大炮	480	119.430 5	44.234 45	802.0
B3	大炮	480	119.239 1	44.384 66	854.3
B4	大炮	480	119.046 4	44.534 09	1 010.0
B5	大炮	480	118.354 3	45.021 04	987.641 2
B6	大炮	480	118.148	45.249 28	873.825 4
B7	大炮	480	118.022 4	45.380 95	838.371 2
B8	大炮	480	117.822 3	45.573 06	830.414 3
B9	大炮	480	117.625 3	45.773 42	1 002.713

图2 A1单炮的地震记录及其震相走时拾取

Fig.2 The seismic record of A1 single shot and its seismic phase travel time picking

图3 A2炮地震记录截面图(短线为拾取的Pg震相)

Fig.3 A2 shot seismic record cross section (short line is picked Pg seismic phase)

图4 A5炮地震记录截面图(短线为拾取的Pg震相)

Fig.4 A5 shot seismic record cross section(short line is picked Pg seismic phase)

图5 B7炮地震记录截面图(短线为拾取的Pg震相)

Fig.5 B7 shot seismic record cross section (short line is picked Pg seismic phase)

图6 Pg波走时数据沿剖面分布特征(折合速度 6.0 km/s)

Fig.6 The distribution characteristics of Pg wave travel time data along the profile (reduced velocity at 6.0 km/s)

图7 正反演计算流程(引自文献[57-58])

Fig.7 Forward and inversion calculation process. Adapted from [57-58].

图8 层析成像迭代反演收敛曲线(A)和一维初始速度模型(B)(据文献[9])

Fig.8 Convergent curve of iterative inversions (A) and 1D initial velocity model (B). Adapted from [9].

图9 上地壳初至层析成像结果图中:虚线—推测的断层,红色—新生代断层,蓝色—晚古生代断裂。SCS—西拉木伦缝合带;F1—嫩江断裂;F2—大兴安岭主断裂;F3—达清牧场南断裂;HHS—贺根山缝合带;F4—贺根山断裂带。

Fig.9 Upper crustal velocity model derived from first arrival tomography. The dotted line is the presumed fault, red represents the Cenozoic normal fault, blue represents the late Paleozoic fault, and the arrow represents the direction of movement of the hanging wall of the fault. SCS—Xar Moron suture zone; F1—Nenjiang fault; F2—Daxing’anling main fault; F3—Daqing ranch south fault; HHS—Hegenshan suture zone; F4—Hegenshan fault zone.

图10 层析成像网格射线密度

Fig.10 Number of rays in tomography cells

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折射Pg波层析成像揭示兴蒙造山带及其邻区上地壳结构

Refraction Pg tomographic imaging reveals the upper crustal structure of the Xing-Meng Orogenic Belt and its adjacent areas

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[1]	王斌, 孙东生, 李阿伟, 杨跃辉, 陈群策. 松辽盆地深部基底地应力状态:来自松科2井地应力实测数据的证据[J]. 地学前缘, 2024, 31(2): 377-390.
[2]	王成善, 高远, 王璞珺, 吴怀春, 吕庆田, 朱永宜, 万晓樵, 邹长春, 黄永建, 高有峰, 席党鹏, 王稳石, 贺怀宇, 冯子辉, 杨光, 邓成龙, 张来明, 王天天, 胡滨, 崔立伟, 彭诚, 余恩晓, 黄何, 杨柳, 毋正轩. 松辽盆地国际大陆科学钻探:白垩纪恐龙时代陆相地质记录[J]. 地学前缘, 2024, 31(1): 412-430.
[3]	吴怀春, 李山, 王成善, 褚润健, 王璞珺, 高远, 万晓樵, 贺怀宇, 邓成龙, 杨光, 黄永建, 高有峰, 席党鹏, 王天天, 房强, 杨天水, 张世红. 松辽盆地白垩纪综合年代地层格架[J]. 地学前缘, 2024, 31(1): 431-445.
[4]	项鑫, 黄传炎, 曹兰柱, 曹强, 江涛, 张宇飞, 宋宇, 徐婕. 二连盆地洼槽区非常规油气富集模式及勘探潜力[J]. 地学前缘, 2023, 30(6): 462-472.
[5]	李瑞磊, 杨立英, 朱建峰, 刘玉虎, 徐文, 李忠博, 樊薛沛, 冷庆磊, 张婷婷. 松辽盆地南部断陷层火山岩储层特征及油气成藏主控因素[J]. 地学前缘, 2023, 30(4): 100-111.
[6]	刘晓宇, 杨文采, 陈召曦, 瞿辰, 于常青. 青藏高原东部地块的属性与演化[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 233-241.
[7]	高航, 王璞珺, 高有峰, 万晓樵, 杨光, 户景松, 吴怀春. 松辽盆地南部上、下白垩统界线研究:以松辽盆地国际大陆科学钻探松科3井为例[J]. 地学前缘, 2023, 30(3): 425-440.
[8]	郭知鑫, 杨永太, 任祎, 王正庆, 冯志刚, 陈亮, 唐振平. 二连盆地吉尔嘎朗图凹陷南部基底花岗岩形成演化及其大地构造背景研究[J]. 地学前缘, 2023, 30(2): 259-271.
[9]	高福建, 邹志辉, 王永红. 基于地震层析速度模型分析海滩地下结构:以青岛石老人海水浴场为例[J]. 地学前缘, 2022, 29(5): 275-284.
[10]	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.
[11]	韩双彪, 唐致远, 白松涛, 万磊, 芮宇润, 高远, 黄永建, 王成善. 元素俘获能谱在深层致密储层评价中的应用:以松科2井为例[J]. 地学前缘, 2022, 29(1): 449-458.
[12]	瞿雪姣, 高有峰, 林志成, 王璞珺, 吴康军. 松辽盆地及周缘地区侏罗系/白垩系界线区域对比特征探讨[J]. 地学前缘, 2021, 28(4): 299-315.
[13]	魏巍, 朱筱敏, 朱世发, 何明薇, 孙书洋, 王名巍. 二连盆地额仁淖尔凹陷下白垩统湖相云质岩优质储层特征及控制因素[J]. 地学前缘, 2021, 28(1): 214-224.
[14]	杜书恒, 梁耀欢, 师永民, 关平. 围压-孔压改变条件下致密砂岩及泥页岩泊松比变化特征及机制[J]. 地学前缘, 2021, 28(1): 411-419.
[15]	牛花朋，王贵文，鲜本忠，付健伟，焦小芹，李洪娟. 深层火山碎屑熔岩形成机理及其指相意义研究：以松辽盆地庆深气田为例 [J]. 地学前缘, 2019, 26(6): 281-288.