歐陽龍斌， 李紅誼， 呂慶田， 李信富， 江國明，張貴賓， 史大年， 鄭丹， 張冰， 李佳鵬

1 地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點實驗室（中國地質(zhì)大學(xué)，北京）， 北京 1000832 廣東省地震局， 廣州 5100703 中國地質(zhì)大學(xué)（北京），地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 1000834 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，國土資源部成礦作用和資源評價重點實驗室， 北京 100037

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長江中下游成礦帶及鄰區(qū)地殼剪切波速度結(jié)構(gòu)和徑向各向異性

歐陽龍斌1,2， 李紅誼1,3*， 呂慶田4， 李信富3， 江國明3，張貴賓3， 史大年4， 鄭丹3， 張冰3， 李佳鵬3

1 地下信息探測技術(shù)與儀器教育部重點實驗室（中國地質(zhì)大學(xué)，北京）， 北京 1000832 廣東省地震局， 廣州 5100703 中國地質(zhì)大學(xué)（北京），地球物理與信息技術(shù)學(xué)院， 北京 1000834 中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，國土資源部成礦作用和資源評價重點實驗室， 北京 100037

收集了安徽、江西、浙江、江蘇、湖北和河南6個省的區(qū)域地震臺網(wǎng)138個寬頻地震臺站以及中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在長江中下游成礦帶布設(shè)的19個流動寬頻地震臺站的三分量背景噪聲數(shù)據(jù)，利用背景噪聲面波層析成像方法，獲得了長江中下游成礦帶及其鄰區(qū)地殼三維剪切波速度結(jié)構(gòu)和徑向各向異性特征.首先獲得了5～38 s周期的瑞利波和勒夫波相速度，結(jié)果顯示短周期（<16 s）的瑞利波和勒夫波相速度與研究區(qū)內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造單元具有良好的相關(guān)性，但在中長周期（20～30 s）瑞利波相速度顯示大別造山帶東部為明顯低速特征，而勒夫波相速度并未表現(xiàn)出異常特征.研究區(qū)域地殼三維有效剪切波速度和徑向各向異性結(jié)果顯示：蘇北盆地和江漢盆地上地殼都表現(xiàn)為低速和正徑向各向異性特征，華北克拉通東南部也表現(xiàn)為正徑向各向異性，這可能與盆地淺部沉積層的水平層理結(jié)構(gòu)相關(guān).大別造山帶中地殼顯示為弱的正徑向各向異性，同時其東部下地殼顯示為低剪切波速度和強的正徑向各向特征，可能是由于其在造山后發(fā)生了中下地殼的流變變形，引起各向異性礦物近水平排列所導(dǎo)致的.長江中下游成礦帶內(nèi)的鄂東南和安慶—貴池礦集區(qū)中地殼弱的負(fù)徑向各向異性可能是由于深部巖漿向上滲透時所產(chǎn)生的有限應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)晶各向異性礦物的垂直排列所引起的.整個長江中下游成礦帶下地殼都表現(xiàn)出正徑向各向異性特征，可能是由于在伸展拉張的構(gòu)造作用力下，下地殼礦物的晶格優(yōu)勢水平排列所引起的.

長江中下游成礦帶； 背景噪聲層析成像； 徑向各向異性

1 引言

長江中下游成礦帶及鄰區(qū)位于中國東部，構(gòu)造上主要包括華北克拉通東南部、大別—蘇魯造山帶以及揚子克拉通的東北部.從地質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境來看，該地區(qū)是中國東部最重要的古構(gòu)造活動區(qū)之一，在印支-早燕山期，華北克拉通和揚子克拉通的碰撞，導(dǎo)致了近東西走向的大別—蘇魯造山帶和東北-南西走向的郯廬斷裂的形成；一系列特殊的構(gòu)造和地質(zhì)現(xiàn)象，比如碰撞過程中地殼物質(zhì)深俯沖和折返以及形成的大別—蘇魯高壓和超高壓變質(zhì)帶，使其成為國際研究的熱點（Wang, 2006；Zhang et al., 2009）.同時，該地區(qū)也是我國東部重要的油氣資源基地，江漢盆地、蘇北盆地和南陽盆地都具有較豐富的油氣資源.位于研究區(qū)域中心的長江中下游成礦帶是我國東部最重要的多金屬礦物資源基地，該成礦帶西起江漢盆地東緣，東達(dá)太湖東岸和蘇北盆地，中部為皖贛山地，南抵贛北九嶺，北與大別造山帶及合肥盆地相連，跨湖北、江西、安徽和江蘇四省，區(qū)域上呈狹窄的帶狀分布（圖1）.在燕山期，由于強烈的構(gòu)造-巖漿-成礦活動，導(dǎo)致了在長江中下游成礦帶形成了豐富的鐵、銅、金、錳和鋅等多金屬礦床（董樹文等，2011）.目前已發(fā)現(xiàn)鄂東南、九瑞、安慶—貴池、廬樅、銅陵、寧蕪和寧鎮(zhèn)等7個礦集區(qū)和200多個多金屬礦床（常印佛等，1991；Mao et al., 2006）.為什么在長江中下游成礦帶如此狹窄的空間范圍內(nèi)發(fā)生大規(guī)模的金屬富集，一直以來學(xué)術(shù)界對成礦帶的深部過程及成礦巖漿形成機制爭論不休，地質(zhì)、地球化學(xué)和地球物理學(xué)家們從各自的專業(yè)視角出發(fā)提出了許多不同的地球動力學(xué)模型（Lü et al., 2005; Hou et al., 2007; Ling et al., 2009; Li et al., 2013）.探測成礦帶深部殼幔結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成，對理解成礦帶形成的深部地球動力學(xué)過程和預(yù)測新的礦集區(qū)至關(guān)重要（呂慶田等，2014）.

近年來開展的綜合地球物理探測為揭示長江中下游成礦帶深部結(jié)構(gòu)提供了一些直觀的證據(jù)（呂慶田等，2014）：比如深地震反射剖面顯示出成礦帶下巖漿底侵作用的范圍，同時也表明成礦帶的地殼曾發(fā)生強烈擠壓拆離變形（Lü et al., 2005；呂慶田等，2014）；接收函數(shù)結(jié)果表明在寧蕪礦集區(qū)下方莫霍面深度變淺（Shi et al., 2013）;遠(yuǎn)震P波層析成像結(jié)果顯示出其上地幔內(nèi)存在著低速異常和高速異常相間的“三明治”結(jié)構(gòu)（Jiang et al., 2013）；背景噪聲和雙平面波聯(lián)合層析成像結(jié)果顯示在成礦帶下方100～200 km深度范圍內(nèi)存在一個明顯的剪切波速度低速區(qū)（Ouyang et al., 2014）.這些研究主要都關(guān)注于成礦帶下方的殼幔速度結(jié)構(gòu)，而對長江中下游成礦帶及其周邊地區(qū)地震各向異性的研究相對較少.其中李永華等（2009）分析了上揚子地區(qū)的各向異性特征，Luo等（2013）用背景噪聲方法獲得大別造山帶的徑向各向異性結(jié)構(gòu).但是這些各向異性研究受限于其資料的數(shù)量和精度，難以獲得長江中下游及其鄰區(qū)地殼尺度的精細(xì)各向異性結(jié)構(gòu).地震波速度結(jié)構(gòu)主要反映巖石的溫度和成分，地球介質(zhì)的各向異性能夠反映地球內(nèi)部物質(zhì)的形變特征，被譽為反映地球內(nèi)部物質(zhì)形變機制的“化石”.地震各向異性不僅與地球介質(zhì)的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)構(gòu)造有關(guān)，而且還可以反映過去和現(xiàn)今的應(yīng)力場狀態(tài)，因而它在地球動力學(xué)研究中占據(jù)非常重要的地位，是地震學(xué)和地球動力學(xué)之間的橋梁.因此通過背景噪聲層析成像獲得長江中下游及其周邊地區(qū)高分辨率的地殼速度結(jié)構(gòu)和精細(xì)的各向異性特征，有助于揭示長江中下游成礦帶及其周邊地區(qū)地殼物質(zhì)分布特征以及變形機制，理解該區(qū)域的構(gòu)造運動和巖漿活動等地球動力學(xué)過程.

圖1 研究區(qū)位置及寬頻地震臺站分布（a）及主要構(gòu)造及礦集區(qū)位置示意（b）

地震波在地球介質(zhì)中傳播時，其傳播速度和質(zhì)點偏振方向等特性隨波的傳播方向而變化，這種現(xiàn)象稱為地震各向異性.大量的地震學(xué)觀測和研究表明，地球內(nèi)部從地殼到上地幔乃至核幔邊界均存在著不同程度的各向異性，反映了地球內(nèi)部不同層次的形變特征（如：彭艷菊等，2007；李永華等，2009；易桂喜等，2010；郭飚等，2012）.地震各向異性可以引起不同的影響，包括Pn波速度的方位變化，橫波分裂以及瑞利波和勒夫面波所確定的同一路徑上橫波速度結(jié)構(gòu)的不同（張忠杰和許忠淮，2013）.橫波分裂和面波方法是探測深部各向異性的兩種主要手段.最近，Shi等（2013）在長江中下游成礦帶東北部進行了SKS和SKKS橫波分裂各向異性研究.橫波分裂方法具有較好的橫向分辨率，對臺站下方的短波長各向異性比較敏感，但是垂向分辨率很低，不易處理多層各向異性，且不能應(yīng)用于無地震臺站的地區(qū).面波方法的橫向分辨非常低，但在可以定位各向異性的深度，而且能對所有地區(qū)進行采樣（彭艷菊等，2007）.

Anderson（1961）分析橫向各向同性介質(zhì)中瑞利波和勒夫波的頻散時，發(fā)現(xiàn)各向異性對頻散曲線的形狀和范圍有很大的影響.由于瑞利波是P和SV波的耦合波，對SV波速度最為敏感，而勒夫波只對SH波速度敏感，因此出現(xiàn)這種現(xiàn)象的根源VSV是與VSH的傳播速度不一致，這種不一致稱為徑向各向異性（Shapiro et al., 2004）.例如一個具有垂直對稱軸的六方對稱介質(zhì)，存在兩個剪切波速度：Vsv和Vsh.在這種介質(zhì)中，水平傳播，垂直極化偏振或者垂直傳播，但水平極化偏振的剪切波將以Vsv的速度傳播.相反，以水平方向傳播并水平極化偏振的剪切波會以Vsh的速度傳播.因此把這兩個速度差異的百分比定義為徑向各向異性γ:

γ=（Vsh-Vsv）/Vs×100%,

（1）

其中Vs稱為均勻或者是有效剪切波速度，它是通過（2）式

Vs=（Vsh+Vsv）/2

（2）

計算而來的（Huangetal.，2010）.通常認(rèn)為，當(dāng)γ>0，即Vsh>Vsv時，表明該介質(zhì)具有正的各向異性，而γ<0，即Vsh

最近由于背景噪聲層析成像技術(shù)的發(fā)展，可以在那些地震活動性比較弱的地方利用背景噪聲互相關(guān)法獲得中短周期的瑞利波和勒夫波相速度，然后構(gòu)建這個區(qū)域地殼徑向各向異性結(jié)構(gòu)（例如：Huang et al，2010; Moschetti et al., 2010a; Lin et al., 2011; Xie et al., 2013; Luo et al., 2013）.長江中下游成礦帶位于中國東部地震活動性非常低的區(qū)域，同時在成礦帶及其周邊地區(qū)地震臺站分布比較密集，因此，本研究利用長江中下游成礦帶及其周邊地區(qū)的密集地震臺站的背景噪聲數(shù)據(jù)進行互相關(guān)，提取了該區(qū)域中短周期的瑞利波和勒夫波面波頻散，然后利用獲得的面波頻散來反演剪切波速度從而分析該區(qū)域的地震徑向各向異性結(jié)構(gòu)，從而為更深入了解研究區(qū)域地殼的結(jié)構(gòu)變形機制提供地震學(xué)的依據(jù).

2 數(shù)據(jù)處理和面波頻散測量

本文所使用的數(shù)據(jù)包括中國地震局所屬的湖北、安徽、江西、江蘇、浙江和河南6個省地震臺網(wǎng)138個寬頻地震臺站以及中國地質(zhì)大學(xué)（北京）在該地區(qū)布設(shè)的19個流動寬頻地震臺站（圖1a），共157個寬頻臺站記錄到的14個月（2012-07—2013-08）連續(xù)的三分量噪聲數(shù)據(jù).Ouyang等（2014）使用了這些臺站的垂直分量的噪聲數(shù)據(jù)進行了瑞利波背景噪聲層析成像和雙平面波層析成像研究，而本次研究對這些臺站的三分量噪聲數(shù)據(jù)進行了瑞利波和勒夫波背景噪聲層析成像研究.首先，對所有臺站的水平分量背景噪聲數(shù)據(jù)進行了去均值、去趨勢、去儀器響應(yīng)，帶通濾波（0.02～0.2 Hz）和重采樣（1個數(shù)據(jù)點每秒）處理.然后把每個臺站14個月的連續(xù)數(shù)據(jù)截成長度為1 h的數(shù)據(jù)段.如果任何一段一小時數(shù)據(jù)的峰值幅度大于10倍這段數(shù)據(jù)的均方根值，這樣的數(shù)據(jù)段將會被去掉，通過這種方式去除了一些大地震的信號和儀器的不規(guī)則信號.在時間域歸一化和譜白化處理后，然后將其中一個臺站看作虛擬震源，另一個臺站看作接收臺站，將所有臺站對的北向和東向分量旋轉(zhuǎn)到徑向（R）和切向（T）分量（Lin et al., 2008a；Li et al., 2012）.然后對每個臺站對旋轉(zhuǎn)后的數(shù)據(jù)進行了互相關(guān)和疊加處理，獲得了所有臺站徑向（R-R）和切向（T-T）上的互相關(guān).

為了提高信噪比，將互相關(guān)的正負(fù)半軸進行了反轉(zhuǎn)疊加.然后，計算了互相關(guān)的信噪比，其定義是指在一定長度的面波信號窗口和噪聲窗口內(nèi)，面波信號窗口中最大振幅與噪聲窗口內(nèi)的均方差的比值.因此，為了保證最后可以用來提取面波相速度頻散的數(shù)目以及準(zhǔn)確性，測試幾個不同的信噪比臨界值.在本次研究中，我們只保留性噪比大于8，且臺間距大于100 km的互相關(guān).最后，通過利用時頻分析技術(shù)和相位匹配方法（Bensen et al., 2007；Yang et al., 2007）從徑向（R）和切向（T）互相關(guān)中分別自動提取了瑞利波和勒夫波相速度頻散.圖2a顯示最終獲得的各個周期（5～38 s）三分量相速度頻散的數(shù)目.從圖2a可以看出垂向上的混合路徑頻散數(shù)目最多，因為垂向上的瑞利波信噪比比較高.由于臺站比較密集且分布較均勻，所以在中周期（10～20 s）三分量的混合路徑頻散數(shù)目都超過了4000條.通過對整個研究區(qū)域所有不同臺站對路徑的瑞利波和勒夫波相速度頻散進行平均，得到了三個分量各個周期的平均相速度（圖2b）.從圖2b中可以看出在垂向和徑向上各個周期的平均瑞利波相速度基本一致.

3 面波層析成像和剪切波速度反演

利用背景噪聲面波頻散研究地殼三維剪切波速度結(jié)構(gòu)一般分為兩步：首先，通過面波層析成像從混合路徑頻散中提取各個周期面波相速度在水平面的分布；然后提取每個網(wǎng)格點的純路徑頻散，反演每一個網(wǎng)格點下方的一維的剪切波速度結(jié)構(gòu)，將這些點組合起來從而得到三維剪切波速度結(jié)構(gòu).

圖2 不同周期的相速度混合路徑頻散數(shù)目圖（a）；研究區(qū)域內(nèi)三個分量的平均瑞利波或勒夫波相速度（b）；不同周期垂向與徑向上瑞利波相速度差異值（c）；瑞利波和勒夫波在各個周期的純路徑頻散誤差值（d）

首先，采用Occam反演方法來進行面波反演（Constable et al., 1987），這種方法最先是在大地電磁測深資料反演中提出來的，它的目標(biāo)是找到一個盡量擬合觀測數(shù)據(jù)的光滑模型，后來，這個方法也運用于天然地震面波層析成像（Huang et al., 2003；Li et al., 2009, 2012）.在該方法中，假定地震面波是沿著大圓路徑傳播，然后通過引入對模型光滑程度的約束，從而可以有效的改善路徑覆蓋的缺陷.在相速度層析成像反演之前，為了確定面波成像的橫向分辨率，進行了檢測板測試.在進行檢測板測試時，各個周期的平均相速度（圖2b）作為初始速度，設(shè)定網(wǎng)格點的速度擾動為±5%.通過測試不同的網(wǎng)格大小劃分，最終測試結(jié)果顯示研究區(qū)的橫向分辨率大約為0.5°.從24 s的徑向（R）和切向（T）檢測板恢復(fù)結(jié)果來看（如圖3所示），在黑色八邊形區(qū)域內(nèi)，也就是長江中下游成礦帶及其鄰近區(qū)域，瑞利波和勒夫波的相速度都能夠達(dá)到0.5°的分辨率.

基于上述檢測板測試結(jié)果，將研究區(qū)域劃分為0.5°×0.5°的網(wǎng)格，用Occam方法反演了各個周期（5～38 s）的頻散.然后，比較了了垂向（Z）和徑向（R）所獲得的瑞利波相速度層析成像結(jié)果，圖2c顯示的是各個周期垂向與徑向上的瑞利波相速度差異值在整個研究區(qū)域內(nèi)的均方根值，它們基本在16～26 m·s-1范圍內(nèi)變化，其中在10～20 s內(nèi)最低，大概為17 m·s-1，這與Luo等（2013）在大別造山帶用背景噪聲層析成像所得到的垂向與徑向上瑞利波相速度差異值的均方根值為15 m·s-1的結(jié)果比較相近.垂向與徑向上瑞利波相速度的差異可能是由于一些臺站在水平方向上存在方位角偏差，以至于影響了徑向上所獲的瑞利波頻散的測量.同時比較圖2a和圖2c可以發(fā)現(xiàn)在10～20 s，密集的射線覆蓋對應(yīng)較小的瑞利波相速度差異值，而當(dāng)周期<8 s和>25 s時，測量得到的混合路徑頻散數(shù)目比較少，因此對應(yīng)著相對較大的瑞利波相速度差異值.本文將垂向和徑向的瑞利波相速度進行平均得到了瑞利波的相速度.

圖4顯示的是6 s, 24 s的瑞利波和勒夫相速度分布圖.從6 s的瑞利波和勒夫波相速度分布圖（圖4a，4c），可以看到河淮盆地、蘇北盆地和江漢盆地都顯示出非常明顯的低速特征，同時合肥盆地、南陽盆地以及長江中下游成礦帶也顯示出低速特征，而大別造山帶以及揚子克拉通都顯示高速特征；這些速度特征與Ouyang等（2014 ）所獲得的8 s瑞利波波群速度的結(jié)果比較一致，同時也與Luo等（2013）在大別造山帶及其周邊地區(qū)所獲得的10 s的瑞利波和勒夫波結(jié)果一致.周期為24 s時，瑞利波相速度主要受下地殼剪切波速度的影響，在大別造山帶東邊以及郯廬斷裂西側(cè)瑞利波表現(xiàn)為低速（圖4b），而在24 s的勒夫波（圖4d）結(jié)果中，并未觀測到低速特征.這主要是因為瑞利波和勒夫波有著不同的敏感核,勒夫波對淺部地下介質(zhì)比較敏感，而瑞利波最大采樣深度約是其波長的1/3.

接著使用Herrmann和Ammon（2004）開發(fā)的最小二乘線性反演程序Surf96來反演一維剪切波速度.Cheng等（2013）進行了一系列測試，發(fā)現(xiàn)不同的初始模型對瑞利波反演結(jié)果影響并不大.本研究對瑞利波反演的測試也得到類似的結(jié)論.因此本文使用Ouyang等（2014）所獲得的三維剪切波速度模型作為初始模型，其莫霍面深度是根據(jù)Laske等（2013）（文獻表中沒有）的全球1°×1°的Crust 1.0模型，莫霍面以上每2 km作為一層，莫霍面到50 km作為單獨的一層.在反演中，Vp/Vs值設(shè)定為1.74（Zheng et al., 2014），縱波速度隨著剪切波速度的改變而改變.

圖3 24 s面波相速度在徑向（a）和切向（b）上的檢測板測試結(jié)果

圖4 6 s（a,c）和24s（b,d）瑞利波（a, b）和勒夫波（c, d）相速度分布圖

4 徑向各向異性

本文利用瑞利波和勒夫波頻散數(shù)據(jù)反演得到了每個網(wǎng)格點下的Vsv和Vsh速度，然后通過公式（1）和（2）計算得到徑向各向異性和有效剪切波速度值，從而獲得研究區(qū)域的三維徑向各向異性和有效剪切波速度結(jié)構(gòu).

（3）

其中，n代表獲得的面波頻散離散周期的數(shù)目，在本次研究中使用的周期是5～38 s，其中以1 s為間距，所以n=34.其中di和pi分別代表各周期（5～38 s）觀測頻散值和根據(jù)模型計算理論頻散值，而σi表示的是各個周期純路徑頻散測量的誤差.2值越小表示該速度模型越接近實際的頻散數(shù)據(jù).類似于Luo等（2012； 2013）的做法，通過計算Occam反演純路徑頻散與從剪切波反演的速度模型正演頻散的擬合差來近似的評估純路徑頻散的誤差σi，其計算公式如下：

（4）

其中，m代表圖3中黑色八邊形所在區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格點的數(shù)目（以0.5°×0.5°來劃分網(wǎng)格），dji代表第j個網(wǎng)格點第i個周期的純路徑頻散值，pji代表第j個網(wǎng)格點第i個周期從剪切波反演的速度模型正演計算的頻散值.圖2d顯示的是用誤差公式計算的瑞利波和勒夫波在各個周期的純路徑頻散誤差值.從中可以看出估算的瑞利波頻散測量的誤差大致在8～18 m·s-1之間，這個結(jié)果與Luo等（2012）所估算的結(jié)果10～20 m·s-1比較接近；勒夫波頻散測量的誤差在15～28 m·s-1之間，可能是因為勒夫波的信噪比比較低，混合路徑頻散的數(shù)目比較少導(dǎo)致了其誤差比瑞利波要大.

圖5 （a）、（b）、（c）和（d）分別給出（e）中A、B、C和D點的純路徑頻散曲線和反演擬合的頻散曲線以及反演得到的剪切波速度模型.（e）用一個單一均勻剪切波速度模型去擬合瑞利波和勒夫波頻散所得到的卡方參數(shù)分布圖

圖6顯示的是8、18 km和28 km深度的有效剪切波速度和徑向各向異性值的分布圖.8 km深度的剪切波速度分布特征與6 s的相速度的分布特征比較類似，在蘇北、河淮和江漢盆地等盆地地區(qū)表現(xiàn)為低速特征，而在大別造山帶以及下?lián)P子克拉通表現(xiàn)為高速特征.而從8 km深度的徑向各向異性分布圖中可以看到蘇北盆地、江漢盆地、華北克拉通東南部以及在九瑞礦集區(qū)和安慶—貴池礦集區(qū)之間都表現(xiàn)出較大的正徑向各向異性.而在18 km深度，剪切波速度比較低的區(qū)域剛好對應(yīng)著徑向各向異性比較弱的地方.28 km深度的剪切波速度和徑向各向異性結(jié)果顯示大別造山帶的東部存在一個低速區(qū)，且大的正徑向各向異性.同時也注意到研究區(qū)域整個下地殼總的來說都表現(xiàn)為正的各向異性，其中大別造山帶西部以及下?lián)P子板塊中部的正各向異性值相對其他區(qū)域比較小.

圖7展示的是兩條剪切波速度和徑向各向異性剖面圖.其中剖面AA′沿著西南-東北走向始于揚子克拉通、穿過長江中下游成礦帶（其中包括九瑞礦集區(qū)、安慶—貴池礦集區(qū)、廬樅礦集區(qū)以及寧蕪礦集區(qū)等）和蘇北盆地.從圖7b中可以看出整個成礦帶基本上都為正的徑向各向異性，其中下地殼正各向異性值最大，在安慶和陽新—常州斷裂之間，也就是九瑞礦集區(qū)和安慶—貴池礦集區(qū)之間的整個地殼都表現(xiàn)出較大的正徑向各向異性，同時該區(qū)域上地殼速度偏低，中地殼剪切波速度比較高；蘇北盆地顯示的是上地殼和下地殼的徑向各向異性值比較大，而中地殼比較弱，同時其剪切波速度顯示其具有一個低速的上地殼（圖7a）.而剖面BB′與成礦帶的走向相垂直，該剖面沿著北西-南東方向始于南陽盆地、穿過大別造山帶、長江中下游成礦帶的安慶—貴池礦集區(qū)以及下?lián)P子克拉通的中部.在大別造山帶的東部以及安慶貴池礦集區(qū)下地殼顯示為非常強的正的徑向各向異性（圖7d）.

5 討論

地球介質(zhì)的徑向各向異性特征能夠反映地球內(nèi)部物質(zhì)的形變特征.在研究區(qū)域的上地殼，一個顯著的特征就是蘇北盆地、江漢盆地和華北克拉通東南部都表現(xiàn)為大的正徑向各向異性（>2%）.其中華北克拉通東南部所觀察到的正徑向各向異性與Luo等（2013）的結(jié)果一致.然而Luo等 （2013）在江漢盆地卻觀察到了負(fù)的徑向各向異性，這與江漢盆地內(nèi)正徑向各向異性結(jié)果不一致.江漢盆地是位于揚子克拉通中部的白堊-新近系盆地，由于在多期不同應(yīng)力場背景控制下，其內(nèi)部產(chǎn)生了多次不同性質(zhì)和特點的構(gòu)造變形（楊攀新等，2009）.Luo 等（2013）認(rèn)為江漢盆地負(fù)的各向異性是由于在早第三紀(jì)，其受到擠壓、隆升和剝蝕，形成化石微裂隙和變質(zhì)面理而導(dǎo)致的.然而江漢盆地自白堊紀(jì)以來基本上都處于拉張應(yīng)力環(huán)境，其內(nèi)部地層保存完好，沉積中心還是延續(xù)白堊紀(jì)的格局（王必金，2006），因此我們認(rèn)為江漢盆地表現(xiàn)出正的各向異性可能是由于其一直保存著白堊紀(jì)沉積特征.蘇北盆地位于下?lián)P子克拉通東北部，地球物理和鉆井資料證實其沉積層厚度約為10 km，其自形成后經(jīng)歷了多期構(gòu)造運動的改造，然而其形成和演化的主流觀點仍然是“拉張作用”和“裂谷盆地”，即板塊俯沖引起地幔物質(zhì)上拱，導(dǎo)致地殼內(nèi)拉張斷陷等一系列連鎖反應(yīng)，因此其內(nèi)部的沉積層主要受伸展拉張的作用力的影響而顯示為正的各向異性（邱海峻等，2006）.剪切波速度結(jié)果顯示蘇北盆地和江漢盆地為低速特征，這也是由于它們具有非常厚的沉積層，同時沉積層在沉積的過程中形成的平行層理結(jié)構(gòu)通常具有正的各向異性特征，因此在這兩個盆地都觀察到了正的徑向各向異性而不是負(fù)的徑向各向異性.在長江中下游成礦帶的內(nèi)部，也就是九瑞礦集區(qū)與安慶—貴池礦集區(qū)之間的洪鎮(zhèn)變質(zhì)核雜巖體，也觀察到比較大的正徑向各向異性.該變質(zhì)核雜巖是在北東-南西向的伸展作用下形成的，其上部是由未變質(zhì)的沉積蓋層所覆蓋（Zhu et al., 2010），因此其表現(xiàn)出正的徑向各向異性.

徑向各向異性結(jié)果顯示大別造山帶中地殼為弱的正徑向各向異性特征.這與Luo等（2013）的結(jié)果有一些差別，其結(jié)果觀察到大別造山帶的中地殼為負(fù)的徑向各向異性，認(rèn)為這個負(fù)的徑向各向異性可能是由于深部巖漿垂直侵入時所產(chǎn)生的有限應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)晶各向異性礦物的垂直排列所引起的.最近對地殼巖石所進行的巖石物理實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各向異性礦物從水平方向排列轉(zhuǎn)到垂向排列的過程中，旋轉(zhuǎn)角度超過50°時，才表現(xiàn)為負(fù)的徑向各向異性，同時垂直排列所達(dá)到最大的負(fù)徑向各向異性值的絕對值要小于水平排列所能達(dá)到正的徑向各向異性值，最大負(fù)徑向各向異性值大約為最大正徑向各向異性值的一半,而且最大負(fù)徑向各向異性大約只有2%（Xie et al., 2013）.然而Luo等（2013）在大別造山帶卻觀察到大約為4%的負(fù)徑向各向異性值.另外Luo等（2013）給出大別造山帶中部一個點（115.7°，30.8°）的各向異性結(jié)果顯示該點下方整個地殼都表現(xiàn)為正徑向各向異性特征，然而其周圍地區(qū)中地殼卻顯示為負(fù)徑向各向異性特征（Luo et al., 2013, Fig.6a,6b,7d）.最近葉慶東（2014）在大別和蘇魯?shù)貐^(qū)也進行了背景噪聲瑞利波和勒夫波層析成像研究，發(fā)現(xiàn)大別造山帶的瑞利波頻散和全球標(biāo)準(zhǔn)模型AK135（Kennett et al., 1995）的頻散相類似，但勒夫波頻散均高于AK135模型計算出的頻散，也就是說大別造山帶地殼總體都表現(xiàn)為正的徑向各向異性.大別造山帶出露大面積的超高壓變質(zhì)巖，大量的研究認(rèn)為這些超高壓變質(zhì)巖是在多階段俯沖折返過程中形成的（Eide and Liou, 2000; Faure et al., 2003; Zheng et al., 2003; Zhang et al., 2009），在深部物質(zhì)折返剝蝕的過程中，殼內(nèi)物質(zhì)會受到深部巖漿垂直侵入時所產(chǎn)生的有限應(yīng)力的影響而表現(xiàn)為負(fù)的徑向各向異性（Montager, 1998），然而大別造山帶卻表現(xiàn)為弱的正徑向各向異性特征.大別造山帶在早白堊紀(jì)主要受到伸展作用，造山帶內(nèi)侵位時間早于132 Ma的巖體均表現(xiàn)出片麻理化特征，同時混合巖化片麻巖表現(xiàn)出強烈的構(gòu)造變形現(xiàn)象，這些都表明其在早白堊紀(jì)可能經(jīng)歷了中下地殼的流變變形（王勇生等，2014）.Huang 等（2010）在青藏高原東南緣中下地殼觀察到低剪切波速度和正徑向各向異性，認(rèn)為該特征可能是由于中下地殼的物質(zhì)的水平流動變形引起的（Clark and Royden, 2000; Xie et al., 2013; Hacker et al., 2014）.大別造山帶東部的中下地殼顯示為低速特征，而具有低速特征的中下地殼的物質(zhì)強度比較低，易于發(fā)生流變變形（Xie et al., 2013）.因此大別造山帶沒有顯示負(fù)的徑向各向異性，而是正的徑向各向異性可能是由于其在造山后發(fā)生了中下地殼的流變變形引起的各向異性礦物近水平排列所導(dǎo)致的.在長江中下游成礦帶的鄂東南和安慶—貴池礦集區(qū)可以觀察到比較弱的負(fù)徑向各向異性（圖6d）.這兩個礦集區(qū)剛好位于洪鎮(zhèn)變質(zhì)核雜巖體的兩側(cè)拆離斷層所在的位置（Zhu et al., 2010）.燕山期大規(guī)模構(gòu)造-巖漿活動，在長江中下游成礦帶形成了一套鈣堿性火山巖、火山碎屑巖，指示該區(qū)進入了伸展構(gòu)造環(huán)境（Pan and Dong, 1999; Mao et al.,2006）.該成礦帶的成礦作用呈現(xiàn) “層控”和“多位一體”的規(guī)律，脆性上地殼在伸展背景的區(qū)域變形作用下形成張性斷裂和相對下地殼壓力較低的區(qū)域，來源于深部的巖漿物質(zhì)會經(jīng)過中地殼向上滲透運移，而剛好變質(zhì)核雜巖體兩側(cè)的拆離斷層有利于含礦流體和巖漿的聚集（呂慶田等，2007；張岳橋等，2012；Lü et al., 2013）.因此這兩個區(qū)域中地殼弱的負(fù)徑向各向異性可能是由于深部巖漿向上滲透時所產(chǎn)生的有限應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)晶各向異性礦物的垂直排列所引起的.

圖6 8、18 km和28 km深度的有效剪切波速度分布（a,c,e）和徑向各向異性分布（b,d,f）

圖7 圖6中AA′和BB′剖面的剪切波速度（a, c）和徑向各向異性結(jié)構(gòu)（b, d）.（a）—（d）上的黑色區(qū)域表示剖面上的地形

在下地殼，徑向各向異性結(jié)果一個顯著特征就是整個長江中下游成礦帶、大別造山帶的東部和華北克拉通東南部都表現(xiàn)為大的正徑向各向異性.華北克拉通東南部中下地殼正各向異性特征與Luo 等 （2013）在華北克拉通東南端以及Cheng等（2013）在東華北克拉通中部的結(jié)果都一致，大別造山帶東部下地殼正的各向異性也與Luo等（2013）的結(jié)果相同.他們認(rèn)為華北克拉通的正徑向各向異性可能由于在拉張背景下有限應(yīng)力引起各向異性礦物的近水平排列而導(dǎo)致的.長江中下游成礦帶東北部的SKS和SKKS橫波分裂各向異性研究表明成礦帶下地殼存在明顯的地震各向異性，同時還發(fā)現(xiàn)地震波各向異性總體快波方向在水平向上與成礦帶走向方向大體平行（Shi et al., 2013）.徑向各向異性結(jié)果不能給出快波方向，但是通過徑向各向異性分析發(fā)現(xiàn)整個長江中下游成礦帶下地殼都為大的正徑向各向異性特征.從晚中生代到新生代以來，由于古太平洋板塊的西向俯沖，中國大陸東部受到了廣泛的伸展拉張作用的影響（Ren et al., 2002；Wu et al., 2005）.中國東部發(fā)育的同時代的拉張型盆地和正斷層也都認(rèn)為是在該伸展構(gòu)造背景下形成的（Meng, 2003； Lin et al., 2008b）.同樣的在其他伸展構(gòu)造區(qū)域，比如美國西部的盆山地區(qū)，Moschetti 等（2010b）也觀察都了比較大的正徑向各向異性.實驗測量和數(shù)值計算發(fā)現(xiàn)中下地殼的地震各向異性是由于巖石韌性變形所引起的，主要由云母和角閃石等主要礦物的晶格優(yōu)勢排列所決定（Weiss et al., 1999; Nishizawa and Yoshitno,2001）.長江中下游成礦帶在伸展拉張的構(gòu)造作用力下，上涌產(chǎn)生的幔源玄武質(zhì)熔融物侵入到殼幔邊界附近的下地殼底部形成低侵作用，然后引起下地殼熔融并沿著成礦帶走向水平流動導(dǎo)致礦物晶體定向排列（Shi et al., 2013; 張永謙等，2014）.因此下地殼的地震各向異性礦物的晶格優(yōu)勢水平排列不僅導(dǎo)致了長江中下游成礦帶總體快波方向在水平向上與成礦帶走向方向大體平行，同時還導(dǎo)致了整個成礦帶下方正的徑向各向異性結(jié)果.

6 結(jié)論

本次研究首先通過背景噪聲層析成像方法獲得了長江中下游成礦帶及其鄰區(qū)的瑞利波和勒夫波相速度，在短周期瑞利波和勒夫波的相速度分布都與地表構(gòu)造單元吻合較好，低速異常區(qū)與沉積層分布有良好的對應(yīng)性，包括蘇北盆地、河淮盆地、江漢盆地等區(qū)域，速度都比較低；面波速度高的區(qū)域主要集中在山地，包括大別—蘇魯造山帶和揚子克拉通的中東部，這些區(qū)域由于沉積層很薄，基巖出露，所以短周期呈現(xiàn)高速分布.然后構(gòu)建了該區(qū)域的地殼三維剪切波速度以及徑向各向異性模型.在上地殼，蘇北盆地、江漢盆地和華北克拉通東南部都表現(xiàn)為正徑向各向異性，它們都具有非常厚的沉積層，江漢盆地一直保存著白堊紀(jì)沉積特征，蘇北盆地由于其內(nèi)部的沉積層受到了伸展拉張的作用力的影響而具有水平的層狀結(jié)構(gòu)，這些區(qū)域的正各向異性可能是由于淺部沉積層的平行層理結(jié)構(gòu).在中下地殼，大別造山帶沒有顯示負(fù)的徑向各向異性，而是正的徑向各向異性和低速特征可能是由于其在造山后發(fā)生了中下地殼的流變變形引起的各向異性礦物近水平排列所導(dǎo)致的.長江中下游成礦帶的鄂東南和安慶—貴池礦集區(qū)中地殼的弱的負(fù)徑向各向異性可能是由于深部巖漿向上滲透時所產(chǎn)生的有限應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)晶各向異性礦物的垂直排列所引起的.整個長江中下游成礦帶下地殼都表現(xiàn)出正徑向各向異性可能是由于在伸展拉張的構(gòu)造作用力下，上涌的幔源巖漿在下地殼發(fā)生熔融并沿著成礦帶走向水平流動導(dǎo)致地震各向異性礦物的晶格優(yōu)勢水平排列所導(dǎo)致的.

致謝 感謝中國地震局地震臺網(wǎng)中心為本研究提供地震波形數(shù)據(jù).本文研究得到財政部中國深部礦產(chǎn)資源立體探測技術(shù)及實驗研究專項（SinoProbe-03）、國家自然科學(xué)基金項目（41374057）、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”、中國地質(zhì)調(diào)查局地調(diào)項目（1212011220244）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金共同資助，特此致謝.兩位評審專家為本文提供了寶貴的意見，在此表示衷心感謝.

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（本文編輯 汪海英）

Crustal shear wave velocity structure and radial anisotropy beneath the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt and surrounding areas from seismic ambient noise tomography

OUYANG Long-Bin1,2, LI Hong-Yi1,3*, Lü Qing-Tian4, LI Xin-Fu3, JIANG Guo-Ming3,ZHANG Gui-Bin3, SHI Da-Nian4, ZHENG Dan3, ZHANG Bing3, LI Jia-Peng3

1KeyLaboratoryofGeo-detection（ChinaUniversityofGeosciences,Beijing）,MinistryofEducation,Beijing100083,China2EarthquakeAdministrationofGuangdongProvince,Guangzhou510070,China3SchoolofGeophysicsandInformationTechnology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China4MLRKeyLaboratoryofMetallogenyandMineralAssessment,InstituteofMineralResources,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100037,China

The crustal anisotropy of the Middle-Lower Yangtze River region is critical for observation of crustal deformation and understanding its deep geodynamic process. In this paper, through analysis of Rayleigh waves and Love waves using empirical Green′s functions estimated from ambient noise tomography, we continue our previous work of imaging isotropic shear velocity to study the crustal radial anisotropy beneath the Middle-Lower Yangtze River Metallogenic belt and its surrounding areas. The data include 14 months （from July 2012 to August 2013） three-component continuous ambient noise data recorded at 138 seismic stations of newly upgraded China Provincial Digital Seismic Networks （Anhui, Jiangxi, Zhejiang, Jiangsu, Hubei and Henan） and 19 temporary seismic stations deployed by China University of Geosciences （Beijing）. Firstly, these phase velocity dispersion curves between 5 and 38 s periods are measured from those three-component cross-correlation functions for each interstation path by using the automatic time-frequency analysis method with phase-matched processing. Then the study area is divided into a 0.5°×0.5° grid to invert the Rayleigh and Love wave phase velocity distributions with the Occam inversion method. At short periods （<16 s）, the Rayleigh and Love wave phase velocity maps both show clear lateral variations which correlate well with major geological structures and tectonic units in the study region. The basins show low velocities, including the Jianghan, Hehuai, Subei, Hefei and Nanyang basins, but the Dabie orogenic belt and the Lower Yangtze Craton show high velocity. At intermediate-to-long periods （20～30 s）, it is noticeable that the eastern Dabie orogenic belt is featured with low velocity only on the Rayleigh wave phase velocity map. Finally, we determine the crustal shear wave velocity and radial anisotropy by inverting the local phase velocity dispersion curves of Rayleigh and Love waves. In the upper crust, strong positive radial anisotropy and low shear wave velocity are imaged in the southeast of the North China Craton, Subei and Jianghan basins. Due to thick sedimentary cover in these areas, this strong positive radial anisotropy at shallow depths can be interpreted in terms of the horizontally layered sedimentary with larger velocity in the horizontal than in the vertical direction. In the Dabie orogenic belt, the radial anisotropy is weakly positive in the middle crust. Meanwhile strong radial anisotropy and low velocity in the lower crust beneath the eastern Dabie orogenic belt is imaged. The anisotropy could be caused by sub-horizontal mica fabric due to rheological deformation in the deep crustal zones. In the middle crust of southeastern Hubei and Anqing-Guichi ore districts of the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt, the negative radial anisotropy may result from crystalized anisotropic minerals aligned vertically induced by finite strain associated with the vertical intrusion of deep magma. The most striking feature of our crustal radial anisotropy model is the strong positive radial anisotropy observed in the lower crust beneath the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt and southeastern North China Craton. We consider that the strong positive radial anisotropy beneath the metallogenic belt may mainly result from the sub-horizontal alignment of seismically anisotropic crustal minerals induced by the finite strain accompanying extension.

Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt； Ambient noise tomography； Radial anisotropy

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項目（1212011220243，1212011220244）和國家深部探測專項第3項目（SinoProbe-03），國家自然科學(xué)基金項目（41374057），教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃”和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助.

歐陽龍斌，男，1989年生，碩士研究生，主要從事背景噪聲和遠(yuǎn)震面波層析成像研究.E-mail：ouyang10108326@126.com

*通訊作者 李紅誼，教授，主要從事地震波傳播和地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究.E-mail：lih@cugb.edu.cn

10.6038/cjg20151205.

10.6038/cjg20151205

P315

2015-05-16，2015-10-22收修定稿

歐陽龍斌， 李紅誼， 呂慶田等. 2015. 長江中下游成礦帶及鄰區(qū)地殼剪切波速度結(jié)構(gòu)和徑向各向異性.地球物理學(xué)報，58（12）:4388-4402,

Ouyang L B, Li H Y, Lü Q T, et al. 2015. Crustal shear wave velocity structure and radial anisotropy beneath the Middle-Lower Yangtze River metallogenic belt and surrounding areas from seismic ambient noise tomography.ChineseJ.Geophys. （in Chinese）,58（12）:4388-4402,doi:10.6038/cjg20151205.