中国地震  2018, Vol. 34 Issue (3): 473-483
中国台湾地区-菲律宾群岛深部纵横波结构成像及其构造意义
谭皓原, 王志     
中国科学院南海海洋研究所(边缘海地质与大洋重点实验室), 广州市新港西路164号 510301
摘要:使用地震层析成像方法反演了中国台湾地区-菲律宾群岛的1197126条P波震相和1217821条S波震相,首次同时得到了该地区从地表到100km的纵横波速度结构。成像结果揭示了沿着马尼拉海沟向东俯冲的欧亚板块从中国台湾西南部到吕宋岛南端构造形态上的变化;中国台湾中央山脉由于受到造山运动的影响,地壳厚度可达55~60km,而山脉两侧的地壳厚度多为20~35km;此外,成像结果还提供了菲律宾海板块在中国台湾东北部及琉球海沟下方北向俯冲的地球物理学证据;研究区域南部的菲律宾群岛由于同时受到两侧欧亚板块和菲律宾海板块的双向俯冲,使得岛内的岩石圈变形严重,岛弧岩浆和地震活动十分发育;群岛东侧的菲律宾海板块在东吕宋海槽的活动性较弱,很可能是本哈姆海台的碰撞和俯冲所造成的,而菲律宾海板块在菲律宾海沟的俯冲活动则十分强烈,随着深度的增加逐渐向南发展。研究表明,板块俯冲造成了中国台湾地区-菲律宾群岛的地壳及上地幔具有较强的不均一性,这不仅孕育了大量的地震和火山活动,同时也对该地区的地质构造产生了深远的影响。
关键词中国台湾地区-菲律宾群岛    地震层析成像    纵横波速度结构    岛弧岩浆活动    
The vP and vS Tomography of the Taiwan, China-Philippine Archipelago and Its Tectonic Implications
Tan Haoyuan, Wang Zhi     
Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
Abstract: We, for the first time, inverted the VP and VS velocity structure simultaneously in the Taiwan, China-Philippine archipelago subducting system from surface to 100km depth using 43933 P-wave events and 44667 S-wave events. Our tomographic results demonstrate the pattern of Eurasian Plate which subducts eastward from southwest of Taiwan, China to south of Luzon Islreas which reduces to 20~35km depth on its flanks. Our results could provide the evidence of the Philippine Plate subducts northwestward beneath northeast of Taiwan, China and Ryukyu Trench. Beneath Philippine archipelago, severe lithosphere deformation leading to an intensive magmatism and seismic activity can be seen in crust which can be ascribed to the bidirectional subduction of Eurasian Plate and Phillipine Sea Plate. Relative weak activity of the Philippine Sea Plate on East Luzon Trough which may be due to the collision and subduction of Benham Rise, in a sharp contrast that strong subduction occurs at the Philippine Trench which shifts southward with the depth increases. Our study suggests that structural heterogeneities in the crust and upper mantle along the Taiwan, China-Philippine archipelago subducting system play a crucial role in not only generations of earthquake and magmatism but also formation of the distinct tectonic framework.
Key words: Taiwan, China-Philippine archipelago     Seismic tomography     vP and vS velocity structure     Island arc magma activity    
0 引言

中国台湾地区-菲律宾群岛位于欧亚板块和菲律宾海板块之间的碰撞汇聚地带(图 1),2大板块运动速率的差异,使得板块间的俯冲和碰撞成为这一地区最重要的构造活动特征,其中板块的俯冲活动尤为活跃:菲律宾海板块在中国台湾东北部向北俯冲到欧亚板块下方,而在中国台湾东南部则变为欧亚板块向东俯冲到菲律宾海板块下方,2大板块在中国台湾及其附近海域的接触由北向南发生了俯冲-碰撞-俯冲的转变;在菲律宾北部,菲律宾海板块和南海块体分别沿着东吕宋海槽和马尼拉海沟俯冲于吕宋岛的东西两侧;而菲律宾中部和南部则同时受到苏禄海盆、苏拉威西海盆和菲律宾海板块的双向俯冲。板块的俯冲是中国台湾地区-菲律宾群岛最重要的构造形式,塑造了该地区最基本的构造形态,伴随着板块的俯冲,区内广泛发育有地震、岛弧岩浆活动;而除了俯冲活动之外,各个块体之间的碰撞也是该地区一个重要的构造运动方式:中国台湾南部有吕宋岛弧同欧亚板块之间的碰撞,菲律宾吕宋岛的东部和西南部分别有本哈姆海台和巴拉望微块体同吕宋岛之间的碰撞,而在南菲律宾地区则有三宝颜-苏禄微块体同棉兰老岛之间的碰撞。这些板块之间的碰撞和俯冲一起塑造了中国台湾地区-菲律宾群岛复杂的地质环境,使之成为研究板块俯冲、岛弧岩浆、造山运动、地震地质等重大科学问题的理想场所,这些年来随着南海科学问题的逐渐升温而得到了越来越多的重视和研究。

图 1 研究区域地质背景 红色三角代表火山;(b)中红色方框为本次研究的研究区域

地震层析成像是研究板块构造的一种有效方法,它能够反映出研究区域内部速度结构的变化情况,为研究该区域的构造演化过程提供可靠的依据。而关于中国台湾地区-菲律宾群岛的层析成像研究,前人已经做了很多工作并且取得了丰硕的成果,这些成果揭示了欧亚板块与菲律宾板块的相互作用及构造形态的变化(Wang et al,20062009);同时,大量证据证明中国台湾的地壳厚度在中央造山带可达55~60km,向东西两侧迅速减薄(Rau et al,1995Kim et al,2005李志伟等,2009);中国台湾西南部由于沉积环境的影响导致该地区地壳波速降低,而中国台湾东南部由于受到吕宋岛弧的碰撞导致其壳幔速度及波速比明显提高,中国台湾东北部则因菲律宾海板块的俯冲而出现强烈拉张的弧后扩张作用(Huang et al,20122014李志伟等,2009)。此外,南海块体沿着马尼拉海沟的俯冲角度从北到南有着较大的差异,在北吕宋岛弧还发现有浮力高原俯冲的证据,并由此推测浮力高原的部分俯冲导致了南海块体在该区域俯冲活动的减弱以及火山岛链的消亡和东移,而在吕宋岛中部则发现南海块体沿着古南海洋中脊发生撕裂的证据,在中菲律宾地区的地震层析成像研究则揭示了菲律宾海板块的初始俯冲位置及年代(Yang et al,1996Bautista et al,2001刘再峰等,2007范建柯等,2014Fan et al,2015)。

然而现有的研究结果在很大程度上受到台网分布的影响,中国台湾地区由于台网密度高,数据质量好,因此对中国台湾地区-菲律宾群岛的研究结果绝大多数都集中于中国台湾及其邻近海区,而对于菲律宾地区的成像研究则十分薄弱(李志伟等,2009范建柯等,2014Fan et al,20152017)且相关研究又主要集中在菲律宾北部的吕宋岛,对整个菲律宾地区的讨论则十分稀少,这不利于我们探讨欧亚板块和菲律宾板块之间的动力演化过程。因此本文通过对中国台湾地区-菲律宾群岛进行层析成像分析,首次同时获取了该地区的纵横波速度结构,由此统一讨论了整个欧亚板块东南缘同菲律宾海板块之间的碰撞接触关系,为探讨和研究2大板块之间的构造演化历史提供了依据。

1 数据和方法 1.1 地震数据

本文所使用的地震数据来自国际地震中心(International Seismological Centre,ISC),时间从1960~2015年,区域地震的选取范围为4°~26°N,118°~128°E,共使用地震台站362个。由于中国台湾地区和菲律宾群岛的地震事件、台网密度差异较大,为了保证最终反演的效率和可靠性,我们在挑选地震事件时在这两个地区使用了不同的挑选原则:①对中国台湾地区,每一个P波事件至少要被40个地震台站接收到,而每一个S波事件至少要被25个地震台站接受到;②对菲律宾群岛的每一个P波和S波地震事件至少要被4个地震台站接收到;③所有参与反演的P波地震射线的走时残差要小于3.5s,S波地震射线的走时残差要小于4s。经过挑选,我们最终得到满足条件的43993个P波和44667个S波地震事件,从中分别挑选了1197126条P波震相和1217821条S波震相,通过反演,P波震相的平均走时残差从1.198s减小到0.912s,下降了23.87%,S波震相的平均走时残差从1.465s减小到1.241s,下降了15.29%,本文所使用的地震事件和台站的分布如图 2所示。

图 2 本文使用的地震事件和台站分布 蓝色十字代表地震事件;红色方块代表地震台站
2.2 反演方法

本文使用的地震层析成像方法是由赵大鹏等(Zhao et al,19921994)提出的三维反演方法,该方法通过在初始模型中引入速度不连续面,从而有效地降低正演计算时的走时残差,提高计算速度和精度。本文使用了Conrad面和Moho面2个速度不连续面,参考的是CRUST1.0全球地壳模型,其深度分布如图 3所示,从图 3中可以看到中国台湾海峡和中国台湾岛的Conrad面和Moho面都比较深,中国台湾岛中部的Moho面深度可达50km左右,反映出中国台湾中央造山带的构造特征;而菲律宾群岛的Conrad面和Moho面比周围的洋壳要深,反映出俯冲岛弧的构造特征。此外,在初始模型的设置上,我们使用的是0.5°×0.5°的水平网格,在深度方向上共设置了9层,分别为0、8、20、35、50、70、100、150、200km。

图 3 研究区域康拉德面(a)和莫霍面(b)的深度分布
3 成像结果及分析 3.1 分辨率测试结果

为了保证最终的成像效果,我们在对地震数据进行反演之前首先作了棋盘格分辨率测试,测试结果(图 4)表明研究区域内部P波和S波的分辨率都较为良好,在地震射线覆盖密集的区域都能满足分辨要求,而S波的分辨率在20、70、100km的切片中有所欠缺,这很有可能是S波地震射线在该深度上较少或是射线的交叉效果欠佳所导致的。整体而言,P波成像的分辨率要高于S波成像,这可能是P波震相数据在挑选和正演计算时具有更高的精度造成的。

图 4 各深度切片的棋盘格测试结果 (a)P波的棋盘格测试结果;(b)S波的棋盘格测试结果
切片对应的深度在右上角;速度扰动值在正下方
3.2 成像效果分析

本文最终的成像结果如图 5所示,从图 5可以看到,P波和S波的成像结果具有较高的吻合度,特别对于俯冲板块的轮廓勾画得十分清晰,下面我们就成像结果展开讨论。

图 5 本研究最终的成像结果 (a)研究区域的P波成像结果;(b)研究区域的S波成像结果
白点代表该深度5km范围内MW>4.0的地震;色标为速度扰动值
3.2.1 中国台湾地区

从成像结果上看,中国台湾西南部滨海平原在8、20km的速度切片上显示出P波和S波的低速异常,反映出中国台湾西南滨海平原的沉积环境,大量的沉积物质及孔隙流体会降低地震波速,在该地区地壳浅部形成低速异常;而在中国台湾中部的中央山脉则出现了高速异常,这可能与当地大量出露地表的基岩有关,这一观测与前人的结论相一致(李志伟等,20072009Huang et al,2014);中国台湾东部的海岸山脉一带同样出现了高速异常,反映出菲律宾海板块洋壳的速度结构特征,大约从6.5Ma开始,隶属于菲律宾海板块的吕宋岛弧这一带向欧亚大陆发生了斜向碰撞,随后岛弧逆冲上岸形成了如今的海岸山脉(Suppe,1981耿威等,2014);从地震的分布上看,中国台湾地区在中上地壳发生的MW>4.0地震主要集中于岛屿内部和中国台湾东部沿海地区,反映出菲律宾海板块同欧亚板块的碰撞以及中国台湾岛内地壳的脆性破裂特征(李志伟等,2009Kim et al,2005)。在35、50km切片中,中国台湾西部出现的高速异常描绘出欧亚板块向菲律宾海板块俯冲的构造形态,而在中国台湾中部地区出现的低速异常则很有可能是中国台湾中央造山带增厚山根的体现,根据前人的研究,中国台湾中央山脉的地壳厚度可达55~60km,中央山脉两侧的地壳厚度为20~35km左右,向海区迅速减薄(Rau et al,1995Kim et al,2005李志伟等,2009),这同我们的成像结果相吻合;在这个深度区间发生的地震逐渐向东北方向迁移,反映出中国台湾地区下地壳至上地幔的塑形特征以及菲律宾海板块在中国台湾东北部的俯冲活动;中国台湾东北部至琉球海沟一代,北向俯冲的菲律宾海板块在地壳浅部的成像效果并不明显,随着深度的增加,在35~100km的切片中出现的高速异常很有可能反映的是菲律宾海板块岩石圈的俯冲形态;而在中国台湾西南部海域出现的高速异常很有可能是南海北部陆缘沿着马尼拉海沟俯冲的体现,从8~100km的成像切片上都可以看到南海块体沿着马尼拉海沟向东俯冲的迹象,从地震的分布上来看,绝大多数地震都发生在吕宋岛西侧至巴士海峡一带,而在100km的深度上,沿着马尼拉海沟展布的地震主要集中于海沟的最南端,即民都洛岛附近,说明南海块体在马尼拉海沟南段的俯冲活动要强于北段。

3.2.2 菲律宾群岛

在P波的成像结果中可以看到,从地壳浅部(8km)到上地幔(100km)表征南海块体的高速异常从中国台湾西南部沿着马尼拉海沟一直延伸至菲律宾吕宋岛的南部,这与S波的成像结果相吻合,只是S波的高速异常较为分散,异常的幅度也比P波成像小,这可能是含水的陆缘碎屑物质或沉积物沿着马尼拉海沟俯冲所导致的,由于S波对于流体的反应比P波更为敏感,因此在俯冲板片含水时其高速异常的幅值要明显小于P波。此外,在P波和S波的成像结果中,菲律宾群岛的地壳浅部(8~20km)在群岛边缘及周边海域出现了明显的低速异常,伴随着地壳内部大量的地震活动,体现出菲律宾群岛两侧俯冲系统强烈的构造活动特征,由于菲律宾群岛被东西两侧双向的俯冲系统所围绕,在欧亚板块和菲律宾海板块的俯冲作用下,俯冲板块的前缘会出现岩石圈的强烈变形,同时发育有大量的地震和岩浆活动(胥颐等,2007)。此外,在吕宋岛、民都洛岛、维萨亚斯群岛和棉兰老岛出现的低速异常同地表出露的火山分布十分一致,反映了欧亚板块和菲律宾海板块在俯冲过程中由于发生脱水作用而产生的岛弧岩浆活动(Wang et al,2005陈爱华等,2014郑永飞等,2016),另外,由菲律宾群岛内地震的分布可以看到,在吕宋岛和棉兰老岛地壳浅部发生的MW>4.0地震主要集中于低速异常的内部或高低速异常的边界,这也反映了当地菲律宾海板块的俯冲作用以及由此造成的岩浆活动和地壳的变形破裂特征;而在中菲律宾地区沿着菲律宾大断裂展布的地震则很有可能同菲律宾海板块的斜向俯冲有关,由于菲律宾大断裂调节了大部分菲律宾海板块的俯冲应力,因此断裂带上的构造应力非常集中,由此引发了大量的走滑型地震。

随着深度的增加,菲律宾群岛的地震活动逐渐向俯冲板片的边界发展,在35、50km的切片上能观察到沿着东吕宋海槽展布的高速异常伴随着地震事件的发生,而在70km和100km的切片上能够看到高速异常在逐渐减弱,同时在该处发生的地震事件迅速减少,这说明菲律宾海板块在东吕宋海槽70km以上深度的俯冲活动很弱,这很有可能与本哈姆海台的碰撞和部分俯冲有关,由于水深高点会影响板块的俯冲活动,加上本哈姆海台自身轻物质的影响,导致菲律宾海板块在东吕宋海槽的俯冲活动受到阻碍(范建柯等,2014)。与之相对应,菲律宾海板块在菲律宾海沟的俯冲作用却要强烈得多,从成像结果的8~100km切片上都能清晰辨别出其构造形态,随着深度的增加,菲律宾海板块的俯冲活动逐渐向南发展,在100km的切片上能明显看到伴随着板块俯冲的贝尼奥夫带主要集中在棉兰老岛的东北部和南部,根据全球板块运动模型的计算结果,菲律宾海板块在棉兰老岛东南端的运动速率约为90mm/a(Gripp et al,1990),体现出菲律宾海板块同欧亚板块之间强烈的汇聚特征。

4 结论

通过反演中国台湾地区-菲律宾群岛的区域纵横波地震数据,首次同时得到了该地区从地表至100km深度的纵横波速度结构,成像结果表明从中国台湾西南部到吕宋岛南端,欧亚板块沿着马尼拉海沟向东俯冲,俯冲活动在马尼拉海沟南段要强于北段;中国台湾中央山脉地区由于受到两大板块碰撞造山作用的影响,其下方的地壳厚度可达55~60km,岛内地壳厚度从中央山脉向两侧逐渐递减;在中国台湾东北部及琉球海沟发现了菲律宾海板块北向俯冲的证据。菲律宾群岛由于受到菲律宾海板块和欧亚板块双向俯冲作用的影响,群岛下方岩石圈变形严重,岩浆和地震活动十分发育;菲律宾海板块在东吕宋海槽的俯冲并不活跃,很有可能同本哈姆海台的碰撞和俯冲有关,菲律宾海板块在菲律宾海沟的俯冲活动十分强烈,且随着深度的增加逐渐向南发展。

致谢: 感谢赵大鹏教授提供的三维反演程序,感谢国际地震中心提供的地震事件和台站数据,本文涉及到的图件均由GMT软件绘制。
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