华南加泰西亚地块的地壳变形：来自接收函数分析的见解

《Frontiers in Earth Science》：Crustal deformation in the Cathaysia Block, South China: insights from receiver function analysis

本研究综合应用 crustal anisotropy 的 harmonic 分析与改进的 H-κ-c stacking 方法，基于185个地震台站数据，揭示了 Cathaysia Block 的 crustal 厚度（24.5-36.6 km）、 Vp/Vs 比例（1.65-1.84）及各向异性特征的空间异质性。东部沿海 FPD 方向由 NW-SE 逐渐转为 NNW-SSE，指示古太平洋板块 rollback 引发的强拉伸；内陆 E-W 对齐 FPD 保留 flat-slab 俯冲的压缩特征。研究证实板块 rollback 与 crustal 延伸的耦合作用，以及 thermal松弛和花岗岩侵位对内陆脆性变形的强化。

　　该研究聚焦于中国南方的Cathaysia地块，这是一个重要的构造单元，其复杂的地壳结构由多阶段的构造演化所塑造。通过整合地壳各向异性谐波分析与先进的H-κ-c叠方法，研究人员利用185个地震台站记录的远震接收函数，深入探讨了Cathaysia地块的地壳厚度（H）、Vp/Vs比值（κ）以及各向异性特征。研究结果揭示了地壳结构在空间上的显著异质性，不仅为理解该区域的构造演化提供了新的视角，也为地壳变形机制和组成变化的相互作用提供了重要依据。

Cathaysia地块位于中国东部，是南中国地块（由扬子地块和Cathaysia地块组成）的东南部分。在新元古代的江南造山运动中，Cathaysia地块在长江-绍兴断裂带（JSF）下方与扬子地块发生碰撞和俯冲，最终形成了统一的南中国地块。随后，该地块经历了多阶段的构造-岩浆活动再激活，其中中生代的构造活动主要由古太平洋板块在Cathaysia地块下的俯冲所控制，形成了交替的压缩和拉伸构造环境，并伴随广泛的岩浆活动和矿化作用。自晚中生代以来，南中国地块的构造格局基本确立，活动性减弱，地表岩浆活动也逐渐停止。此时，该区域的构造环境主要受到太平洋板块俯冲以及印度-欧亚大陆碰撞远场效应的共同影响。GPS测量显示，Cathaysia地块内部存在一致的表层变形，表明该地块内部几乎没有显著的构造应变。

中生代岩浆活动与古太平洋板块俯冲之间的时间和空间关联性引发了大量研究，这些研究利用岩浆记录来约束俯冲动力学。已提出的机制包括：（1）从浅层俯冲向陡倾俯冲的转变，以解释向海方向年轻的火山序列；（2）从二叠纪开始的平俯冲，以解释大陆内部广泛且宽阔的造山作用和岩浆活动；（3）地壳拉伸与同期地幔上涌的结合。然而，要区分这些模型，需要对地壳变形机制进行高分辨率的量化。地壳各向异性作为有限应变的直接代理，为变形机制提供了关键约束。

尽管全球范围内地壳各向异性已有广泛研究，但在Cathaysia地块的研究中，结果却存在显著分歧。例如，Gao等人（2009）发现，Cathaysia地块东南部的地壳各向异性主要呈东北-西南方向，而Xu等人（2023）则基于更广泛的地震台站数据，指出Cathaysia地块的地壳各向异性主要呈西北-东南方向。然而，Li等人（2023b）使用相似的地震台站网络，发现Cathaysia地块西部的地壳各向异性呈东北-西南方向，而中部则呈现出径向模式。这些结果的不一致可能源于在Pms相分析中未考虑莫霍面倾斜效应。Cathaysia地块内部显著的莫霍面地形表明，忽略界面倾斜会损害Pms相的拟合精度并导致数据丢失。此外，地震台站网络的稀疏分布也限制了对各向异性的连续空间追踪，从而阻碍了对变形模式的全面分析。

为了解决上述问题，本研究采用集成的二维宽频地震台网和密集地震阵列，对Cathaysia地块进行综合研究。这种方法使得同时解析地壳各向异性参数和莫霍面几何结构成为可能，从而获得高分辨率的空间各向异性分布。结合H-κ-c方法得到的地壳厚度和Vp/Vs比值，这些结果为地壳变形过程和Cathaysia地块构造演化提供了前所未有的定量约束。

研究团队分析了148个永久台站和37个临时台站的连续宽频地震数据，时间跨度为2011年至2014年。这些台站覆盖了Cathaysia地块的广泛区域，并提供了用于远震事件选择的连续波形记录。研究人员筛选出符合以下条件的事件：面波震级（M_S）≥5.0，且震中距在30°至90°之间。这些事件的空间分布显示出良好的方位覆盖。

为了量化地壳各向异性，研究采用谐波分析方法，分析Pms相的方位角变化。这一方法借鉴了Li等人（2019）的研究思路，即在进行谐波拟合之前，首先对入射波的走时进行校正，并对方位角进行分组。为了减少由不同射线参数引起的走时变化，研究人员使用全球IASP91参考模型对Pms走时进行了校正，并标准化到参考射线参数0.06 s/km。随后，将校正后的波形在5°的方位角间隔内进行叠，以确保方位角覆盖的均匀性并优化信噪比（SNR）。

通过理论公式和合成建模，研究团队发现不同地壳各向异性条件下的Pms相具有不同的方位角依赖性。例如，水平莫霍面的等向性地壳表现出与方位角无关的Pms相到达时间，而具有水平对称轴的各向异性介质则显示出180°的周期性，而倾斜莫霍面则导致360°的周期性变化。因此，研究采用了一个综合的谐波函数来解析这些效应，从而获得更精确的地壳各向异性参数。

在Cathaysia地块中，地壳各向异性参数的延迟时间（δt）范围为0.06–0.46秒，平均延迟时间为0.28秒。研究团队还通过分析不同区域的地震台站数据，发现该地块的地壳各向异性呈现出显著的空间异质性。例如，北侧地区（区域A）的地壳各向异性方向主要为西北-东南，而南侧地区（区域B）则逐渐转向北西北-南东南方向。这些方向与古太平洋板块的俯冲轨迹具有高度一致性。相比之下，内陆地区（区域C）的地壳各向异性方向主要为近东西向，但在不同子区域中存在显著变化。例如，内陆南部的地壳各向异性方向以近东西向和北西北-南东南方向为主，而内陆北部则转向东北-西南方向。这种方向变化表明，内陆地区受到NW-SE方向的压缩应力影响，与古太平洋板块俯冲的方向形成近似正交关系。

研究团队进一步分析了地壳厚度和Vp/Vs比值的空间分布。结果显示，Cathaysia地块的地壳厚度范围为24.5–36.6公里，显著低于全球平均水平。从东北向西南，地壳呈现出明显的增厚趋势，这与之前的研究结果一致。然而，西南部地区地壳厚度明显减薄，数值低于30公里。Vp/Vs比值的范围为1.65–1.84，其中东南侧的ZDF以东地区比西侧具有更高的Vp/Vs比值。这一现象可能与该区域地壳中富含镁铁质成分有关。然而，研究团队通过多方面的证据反驳了其他可能的解释：（1）该区域的沉积层相对较薄，因此对Vp/Vs比值的影响可以忽略不计；（2）虽然部分熔融可以显著提高Vp/Vs比值，但通常需要地壳S波速度低于约3.4 km/s，而之前研究中记录的高地壳速度（如Bao等人，2015；Han等人，2021；Li等人，2022）表明大规模熔融并未发生；（3）该区域的地壳温度估计约为400°C，不足以单独解释观测到的Vp/Vs异常。因此，高Vp/Vs比值反映了该区域地壳中镁铁质矿物含量等同于或超过长英质成分。相比之下，西北部地区的Vp/Vs比值较低，表明地壳主要由长英质组成。此外，扬子地块的台站数据显示，该区域地壳更厚且Vp/Vs比值更低。

研究还发现，Cathaysia地块内部的各向异性方向与沿海地区存在显著差异。在沿海地区，各向异性方向与古太平洋板块的俯冲轨迹一致，表明该区域经历了强烈的NW-SE方向的拉伸作用。这种拉伸作用可能由板块俯冲后的回撤（slab rollback）引起，导致地幔上涌和地壳下部的岩浆侵入。这种拉伸作用与中生代末期到新生代早期的岩浆活动向东南迁移的时间一致，可能形成于后弧环境，与俯冲板块的回撤密切相关。同时，这种拉伸作用可能促进了该区域铜矿床的形成。

相比之下，Cathaysia地块内部（主要位于ZDF和JSF之间）的地壳各向异性方向主要为近东西向，这与古太平洋板块的俯冲方向形成近似正交关系。这一现象可能与该区域在俯冲阶段形成的横向变形有关。尽管古太平洋板块随后发生了回撤，但在Cathaysia地块西部，由于地幔热流的减少，中下地壳的熔融体逐渐冷却并形成花岗岩。这一过程增强了地壳的强度，使得在拉伸环境下，地壳更倾向于脆性断裂而非塑性流动。因此，Cathaysia地块西部保留了俯冲阶段的横向变形特征。

此外，研究还比较了Cathaysia地块的地壳各向异性结果与SKS分裂测量数据。SKS分裂测量显示，Cathaysia地块的地壳各向异性主要由地幔流引起，其快波偏振方向大致与绝对板块运动方向一致。然而，在Cathaysia地块内部，地壳各向异性方向表现出显著且突然的变化，这与SKS分裂测量结果不一致。因此，研究团队认为，这些地壳各向异性并非由地幔流引起的构造变形所致。

综上所述，Cathaysia地块的地壳结构显示出显著的空间异质性。地壳厚度从24.5公里到36.6公里不等，呈现出向西南方向减薄的趋势。而Vp/Vs比值在1.65到1.84之间，呈现出从内陆向沿海地区逐渐增高的趋势，可能反映了地壳组成从长英质向镁铁质的转变。在东部Cathaysia地块，地壳各向异性表现为从北侧的西北-东南方向逐渐转向南侧的北西北-南东南方向，这与古太平洋板块的俯冲轨迹一致，可能与板块俯冲后的回撤导致的拉伸作用有关。而西部Cathaysia地块的地壳各向异性方向主要为近东西向，这可能与早期的平俯冲阶段形成的横向变形有关。尽管板块随后发生回撤，但西部地壳的热松弛和花岗岩侵入过程增强了地壳强度，使得在拉伸环境下，地壳更倾向于脆性断裂而非塑性流动。因此，Cathaysia地块西部保留了早期平俯冲阶段的构造变形特征。

研究团队的发现表明，古太平洋板块的俯冲与回撤对Cathaysia地块的构造演化产生了深远影响。在早期，古太平洋板块的平俯冲导致了Cathaysia地块的增厚和垂直方向的塑性变形，从而形成了与俯冲方向垂直的地壳各向异性。随后，板块的回撤引发了地幔上涌和地壳拉伸，使得沿海地区的地壳更薄，并且由于高温条件，地壳中长英质矿物的排列更明显，从而导致Vp/Vs比值升高。相比之下，内陆地区的地壳由于热松弛和花岗岩的形成，具有较低的Vp/Vs比值，表明其主要由长英质矿物组成。这些结果不仅揭示了Cathaysia地块内部地壳结构的异质性，也为理解板块俯冲和回撤对地壳变形的控制机制提供了新的证据。