love and rayleigh wave tomography of crustal structure in southern

第 2 卷第 1 期地球科学期刊 Vol.2 No.1 2012 年 3 月 Scientific Journal of Earth Science [SJES] Mar. 2012

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瑞雷波和勒夫波联合成像华南地区壳幔结构1 张智，任亮，张艳瑾，熊彬

桂林理工大学地球科学学院，广西桂林 541004

摘要：根据布置于华南地区周边 13 个地震台站所记录的 1990 年至 2010 年中长周期数字地震资料，用适配滤波频时分析技

术获取了穿过华南大陆及周边地区的 470 条路径的瑞雷波和勒夫波频散。通过分格频散反演方法，从混合路径频散中提取了华

南造山带 1º×1º 网格的纯路径频散，频散的周期在 10s~100s 之间，共计 31 个中心周期。并由网格内的纯路径频散反演得到 S

波速度结构，重建了华南造山带壳幔的 S 波速度结构。所得结果表明：华南地区莫霍面深度为 29-36km，自西向东、从北往南

缓慢变薄；整个研究区存在横向非均匀性，且在不同的块体内同样存在横向非均匀性；瑞雷波和勒夫波联合成像可以看出研究

区存在各向异性的特征，这说明了研究区内岩石圈和地壳的岩石在板块碰撞过程中发生过不同程度的伸展变形；瑞雷波和勒夫

波资料的联合约束能在一定程度上减少反演问题解的多解性。

关键词：华南地区；适配滤波频时分析；非均匀性；伸展变形

Love and Rayleigh Wave Tomography of Crustal Structure in Southern China Area

Zhi Zhang, Liang Ren, Yan Jin Zhang, Bin Xiong

Guilin University of technology, Guilin, China, 541004

Abstract: Based on the data of events of magnitude Ms ≥ 5.0 and shallow or moderate focal depth occurred between 1990 and 2010,

which is collected by 13 broadband digital stations deployed in Southern China area and surrounding areas, 470 generated Rayleigh

waves and Love waves can be accessed by applying the technique of matches filter frequency time analysis. We apply the technique of

matched filter frequency time analysis to process long period surface wave data, and then obtain the surface wave group velocity

dispersion in the period range 10-100s, then we use the grid inversion method to extract pure path dispersion in the grid of 1° × 1° after

getting the distance and time in the grid of the study area by ray tracing, at the same time, we employ the damped least square method to

obtain a quantitative model of the S-wave velocity structure of the crust, and the mantle in Southern China orogenic belt can be obtained

with using the grid inversion method to extract pure path dispersion in the grid of 1° × 1° after getting the distance and time in the grid

of the study area by ray tracing while employing the damped least square method. Our results show that Moho interface is located at

29-36km, and thickness gets thinner from west to east and from north to south in Southern China area; the characters of lateral

heterogeneity and anisotropy are in different blocks, which prove that it takes different levels of stretching deformation in the collision

among plates; Joint tomography reduced Multiple solution in the inversion.

Key words: Southern China Area; Matched Filter Frequency Time Analysis; Heterogeneity; Stretching Deformation

引言一直以来，华南地区壳幔结构的研究倍受关注，其源自于华南大陆及陆缘由华夏和扬子两大板块于晋宁期拼贴

而成的联合大陆[1]

华南地区处于三大板块的交汇地带，北面为欧亚板块，东靠菲律宾海板块，西边受印度板块的碰撞和挤压。中

(见图 1)，具有异常的深层过程，对该区地壳-岩石圈深部结构与构造的研究对阐明华南大陆的内

外部构造形态及其构造演化有着关键性的意义。

1基金资助：国家自然科学基金(40804017、40974077 和 41164004)，国家科技专项项目(SinoProbe-02-02-02)联合资助。

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国大地构造分区图显示，华南地区为古陆台和年轻褶皱系的共同体，区内主要分布有华南褶皱系、东南沿海褶皱系

以及扬子准地台的一部分三个大的构造区域。经过多期次的构造运动，形成研究区现今复杂的构造面貌，断裂纵横

发育，北北东向、北东向与南北向、北西向断裂系交织，矿产资源异常丰富，使得该区成为一个研究构造演化、岩

浆活动、地震孕育和发生、成矿规律的天然实验室。

Yangtze Block

Cathaysia Block

South China Sea

F1F2

F3

F4F5

F6

F7

suture belt

F1:吴川-四会断裂；F2:恩平-新丰断裂；F3:河源-增城断裂

F4:紫金-博罗断裂；F5:莲花山断裂；F6:政和大浦断裂

F7:长乐-诏安断裂图 1 研究区地质构造示意图图 2 各种震级地震事件分布

对华南地区的研究工作可以追溯到 20 世纪 70 年代国家地震局通过在永平、随州和柳州以矿山爆破方式布设的

多条深地震测深剖面，为华南地区地壳精细结构，尤其是莫霍面深度、壳内速度的横向变化和低速带分布特征研究

提供了丰富的资料。遗憾的是，由于爆破点只有一炮，相遇、追逐、多重完整的观测系统受到限制，导致后续的处

理结果和解释方法略显粗糙。20 世纪 80 年代，中国地震局、中国科学院和原地矿部[2-5]分别在攀枝花-西昌地区、

东秦岭地区以及福建沿海地区开展了自西向东贯穿华南大陆的“阿尔泰-台湾”地学断面、云南地学断面[6]；90 年

代，原地矿部及中国地震局在大别山地区实施了数条深地震测深剖面，如“庄墓-安义”、“大冶-六安”深地震测深

与深地震反射联测剖面、东大别深地震测深剖面等；本世纪为了探测孕震构造环境，福建地震局[7-8]在福州及漳州

盘地完成了 2 条剖面。此外，在华南地区也进行了深地震反射剖面探测，深地震反射资料能更好地重建地壳地幔的

精细结构，在该地区最早开展工作的奉贤到灵壁剖面[9]（HQ-13 测线）；1987 年，在实施阿尔泰-台湾地学断面的同

时，在湖南怀化地区的雪峰山上试验了测线长约 101km的深反射剖面。随着大陆科学钻探选址的需要，在安徽横中、

郯城-涟水段的东大别及苏鲁造山带地区实施了各长约 140km及 26km的深地震反射剖面[10-12]

自 20 世纪 70 年代以来，在利用体波研究与华南地区有关的地壳上地幔结构方面，尽管已有大量的论文发

表

。截止到目前，华南地

区共完成 14 条深地震反射剖面，剖面长度合计为 2200 多km。随着数字化观测技术的迅速发展，近年来广泛采用

了宽频带地震仪进行观测，通过对宽频带地震资料的处理得到地震观测台站下方地壳和地幔结构。据作者统计，相

对于深地震测深和深反射地震剖面来说，宽频带地震观测主要集中在华南周边少数地区和东南海沿海地区，研究区

内布置的台站涉及不多。

[13-27]。然而，面波方面的成果并不多，究其原因，主要是由于早期实施的地震探测采用的是垂直向单分量观测，

不利于横波资料利用；更主要的因素是观测的径向和切向分量横波地震资料信噪比太低，其中包括地震面波信息的

干扰，S波资料品质较差，无法开展后续诸如岩石结构推断等后续处理与解释。大量的研究表明，人工源和天然源

地震资料中均广泛发育了瑞雷面波和勒夫面波信息，这些面波信息可以用来重建地壳横波速度结构。为此，本文作

者利用布置于华南地区周边 13 个地震台站所记录的 1990 年至 2010 年中长周期数字地震面波信息反演得到华南地

张智，等瑞雷波和勒夫波联合成像华南地区壳幔结构

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区地壳结构，进而讨论其地球动力学意义。

1 资料情况资料主要为从 IRIS 地震数据库下载的宽频带数据，时间跨度为 1990 年 01 月 01 日至 2010 年 12 月 30 日，震

级均为 5.0 以上的远震波形，震源深度限定在不超过 100km 的范围内，远震波形的周期范围为 10s-105s，经过逐一

筛选，最终选取了 13 个分布于研究区内及周边地区的地震台(见表 1)的记录数据，震源深度均选定为中、浅源地震，

瑞雷波地震波形 259 个，勒夫面波波形 248 个，这些事件主要集中在华南大陆内(东经 110°-120°，北纬 20°-30°)及

周边临近地区(见图 2)，且选取的地震事件具有良好的信噪比。总的来说，地震事件数和事件的方位选取满足研究

的需要。

表 1 台站分布台站编号台站代码纬度(北纬) 经度(东经)

01 XAN 34.0313 108.9237

02 KMI 25.1233 102.7400

03 ENH 30.2762 109.4944

04 QIZ 19.0291 109.8445

05 SSE 31.0948 121.1908

06 TATO 24.9735 121.4971

07 SSLB 23.7909 120.9510

08 NACB 24.1755 121.5867

09 KMNB 24.4638 118.3884

10 TWGB 22.8207 121.0717

11 YULB 23.3964 121.2972

12 TPUB 23.3038 120.6270

13 YHNB 24.6698 121.3748

图 3 震源参数变化对应的瑞雷波和勒夫波频散曲线及标准误差

2 数据处理及结果分析 2.1 资料预处理

在资料处理之前，采用振幅均一化方法用来消除仪器响应的影响；并通过求解震源时间函数，利用初始模型为

PREM 模型并借助于 HERRMANN 的计算软件模拟了一个地震事件(震级为 5.3，震中距离 2014km，震源位于 35km

深度处)的震中和震源深度存在扰动时的频散曲线(见图 3)，我们可以从图中看到，震中距的扰动将引起瑞雷波和勒

夫波速度的变化，但速度变化均不会超过 0.028km/s；另一方面，震源深度的改变将导致瑞雷波的速度出现 0.05km/s



的误差，勒夫波速度误差为 0.015km/s。

2.2 混合路径群速度频散曲线拾取

在利用面波反演地壳和上地幔结构研究中，反演解的可靠性和分辨率同样是一个不容忽视的问题，这主要依赖

于面波的周期范围和所拾取的频散数据精确度。在拾取混合路径群速度频散曲线时，我们利用了多重滤波和适配滤

波的频时分析方法。图 4 为利用适配滤波频时分析方法得到混合路径群速度频散曲线，反映了面波所经过的地壳和

上地幔介质的平均速度结构，不同的频散曲线对应了面波所经过的不同构造单元的速度信息。

2.3 网格划分及纯路径群速度

在一定程度上来说，混合路径群速度可以从整体上刻画射线路径内的地球内部的平均速度结构，但是往往不能

满足精细结构的要求；为了了解研究区内横向不均匀情况，求取射线范围内每一构造体的内部结构信息显得尤为重

要。结合射线覆盖密度及地震仪器的频带范围，以 1°*1°的网格尺度对研究区域进行划分，共计网格数 100 个(见图

5)，假设每个格子内是均匀的，运用射线追踪方法获得了研究区域内 100 个网格不同周期瑞雷波和勒夫波的纯路径

群速度频散曲线。图 6 和图 7 分别为不同周期的瑞雷波和勒夫波群速度分布图，其对应的地壳和上地幔速度异常特

征很清晰地表现出来，揭示了该区地壳上地幔结构的复杂性。

图4 混合路径群速度频散曲线

图 5 网格反演分格号



(a) 19.9s Rayleigh wave (b) 31.5s Rayleigh wave

(c) 41.6s Rayleigh wave (d) 60.2s Rayleigh wave

图 6 不同周期瑞雷波的群速度分布图

2.3.1 地壳尺度特征

综合考察瑞雷波和勒夫波群速度分布图，不难看到，瑞雷波在较短周期(20s)能比较敏感地反应出沉积层的内部

结构；而勒夫波在周期为 30s 时也能较好地分辨出沉积层内部结构；而对于中长周期，瑞雷波和勒夫波分别在 30-40s，

50-70s 周期内清晰地呈现了地壳尺度范围的内部情况。对于周期不大于 20s 的瑞雷波和勒夫波来说，我们可以看到

研究区的东北部均出现一条非常明显的北西向低速条带，同时还可以发现周期小于 20s 瑞雷波的群速度分布图上有

一条近东西方向的低速条带横穿武川-四会断裂、恩平-新丰断裂、河源-增城断裂、紫金-博罗断裂和莲花山断裂；

低速条带有向东南方向倾斜的趋势；而对于周期为 30-40s 的瑞雷波和周期为 50-70s 的勒夫波低速条带出现在研究

区的西南部，走向为北北东向。勒夫波图像同时伴随出现近东西向的低速条带，作者认为这些低速异常现象的显示

均是研究区错综复杂的断裂在群速度分布图上的综合反映。

2.3.2 地幔尺度特征

对于周期为 50s-90s 瑞雷波和 70s-90s 的勒夫波群速度分布图，瑞雷波反映出上地幔的异常区域缩小，仅在研究

区西南部见到低速异常，较之地壳异常范围大大缩小；但是相比瑞雷波图像，勒夫波图上出现很明显的低速度结构，

主要特征为低速条带出现在研究区的中部偏西，并向东南方向倾斜，这些特征与地表星罗密布的小断裂分布形成了

很好的对应关系。



111 112 113 114 115 116 117 118 119

19.9s love

21

22

23

24

25

26

27

28

29

3.262 3.267 3.272 3.277 3.282 3.287 3.292 3.297 111 112 113 114 115 116 117 118 119

31.5s love

21

22

23

24

25

26

27

28

29

3.614 3.617 3.62 3.623 3.626 3.629 3.632

111 112 113 114 115 116 117 118 119

41.6s love

21

22

23

24

25

26

27

28

29

3.831 3.834 3.837 3.84 3.843 3.846 3.849 111 112 113 114 115 116 117 118 119

60.2s love

21

22

23

24

25

26

27

28

29

3.978 3.98 3.982 3.984 3.986 3.988 3.99 图 7 不同周期勒夫波的群速度分布图

2.4 横波速度反演

在获得研究区域每个网格的纯路径群速度后，进行了每个格子下方不同深度 SV 波和 SH 波速度反演，给出了

地壳上地幔深度范围的 SV 波和 SH 波速度结构图像(见图 8)，同时给出了穿过不同构造单元的南北、东西向剖面(见

图 9)。

2.4.1 水平切片

为了了解研究区不同深度的横向非均匀性，分别给出了不同深度的切片图，这些切片很好地反映了该区横向上

存在非常强的不均匀性。其中对于深度小于 8km范围内，研究区北端普遍呈现低速特征，尤其呈现一条北西向低速

条带和一条近东西向的低速条带，相对北端，除了东南端出现低速的迹象外，研究区南端速度基本上处于中高速状

态；对于 8km-25km深度处，低速区域出现在研究区南端，形成于断裂带走向相对应的低速条带，虽然局部区域深

处出现低速区的程度不一，但总体上可以反映断裂在速度图上的对应关系；深度为 35km的切片上，从SV波速度切

片可以看到研究区北端的北西向低速条带变得更加明显，以及研究区的西南端也有低速的显示，而在SH波速度切

片上看到一条向东南倾斜的东西走向的低速带，并未见到研究区北端的北西向低速条带，这可能与介质的各向异性

有关的缘故；深度 45km切片，北西向低速条带消失，近似于东西走向的低速条带重新出现，几乎贯穿整个研究区，

向东南沿海延伸，并与呈东北走向的低速条带相交。根据该研究区的地热分布资料[27 ]显示，华南造山带、闽西南

前陆褶冲带和浙闽造山带的热流值较之研究区的西部偏高。

华南造山带为 61-96mW/m2，平均值位于 72.6±8.3mW/m2；闽西南前陆褶冲带内热流值在 63-94mW/m2范围内

变化，均值为 73.6±7.5mW/m2；浙闽造山带的背景热流值变化范围为 65.9-86mW/m2，均值为 74.4mW/m2。对照热

流值分布图和切片图可以发现，研究区北端的北西向的低速条带和研究区南端北东走向的低速条带以及近似于东西

走向的低速条带与地热分布图上的高热流分布相对应。



图 8 不同深度的横波速度切片

2.4.2 垂直切片

下图所示切片穿过研究区的吴川-四会断裂(F1)、恩平 -新丰断裂(F2)、河源 -增城断裂(F3)以及紫金-博罗断裂(F4)

和莲花山断裂(F5)，并且深地震测深剖面连县-港口、随县-马鞍山、惠来-长乐三条剖面与切片的不同部位交汇。其

中随县-马鞍山剖面结果显示切片交汇处莫霍界面横波速度为 4.05km/s，埋深为 33km；连县 -港口剖面得到切片交汇

处(即切片上 113°.3′E处)莫霍界面纵波速度为 7.0km/s(按照泊松介质换算出横波速度为 4.04km/s)，埋深为 30km；惠

来-长乐剖面给出与切片相交处莫霍界面纵波速度为 7.1km/s(按照泊松介质换算出横波速度为 4.09km/s)，深度为

29km的结论。然而我们通过对天然地震资料中面波信息的处理，可以看出，地壳可以分为上地壳(12km)、中地壳

(18-21km)、下地壳三层；另外，莫霍界面总体上从西往东起伏不平，深度在 35-29km范围内变化，剖面中部地段有

稍微隆起现象，主要集中于F2-F4 地段；同时地壳厚度呈现由西向东逐渐减薄的趋势；并且莫霍界面下方的地幔盖

层得到了很好的成像，地幔盖层平均厚度为 5km，最薄处位于剖面的西端，厚度为 3km左右，然后向东段逐渐变厚，



厚度变化幅度保持在 1-2km。

111 112 113 114 115 116 117 118 119longitude/degree

-60

-50

-40

-30

-20

-10

depth/km (b)

111 112 113 114 115 116 117 118 119

depth/km (a)

3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

slice along latitude of 24 degree (a) rayleigh wave (b)love wave

0

300

600

900

1200

F1F2

F3F4 F5

111 112 113 114 115 116 117 118 119-60

-50

-40

-30

-20

-10

depth/km (c)

3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4

slice along latitude of 26 degree (c) rayleigh wave (d)love wave

111 112 113 114 115 116 117 118 119longitude/degree

-60

-50

-40

-30

-20

-10

depth/km (d)

0400800

120016002000

F1F1 Cathaysian BlockF6

elev

atio

n/km

21 22 23 24 25 26 27 28 29-60

-50

-40

-30

-20

-10

depth/km (e)

slice along longitude of 110 degree (e) rayleigh wave (f) love wave

0

400

800

1200

1600

21 22 23 24 25 26 27 28 29latitude/degree

-60

-50

-40

-30

-20

-10

depth/km (f)

3.75 3.85 3.95 4.05 4.15 4.25 4.35 4.45 4.55

F1Yangtze block Cathaysian Block

surture belt

Elev

ation

/km

21 22 23 24 25 26 27 28 29-60

-50

-40

-30

-20

-10

depth/km (g)

0

400

800

1200

1600

2000

21 22 23 24 25 26 27 28 29latitude/degree

-60

-50

-40

-30

-20

-10

depth/km (h)

3.75 3.85 3.95 4.05 4.15 4.25 4.35 4.45 4.55slice along longitude of 114 degree (g) rayleigh wave (h) love wave

F1F4

F5F3 F2 Yangtze blockCathaysian Block

surture belt

Elev

ation

/km

图 9 不同深度的横波速度切片

2.4.3 反演解的评价——分辨核测试

我们计算了每个参考格子下方不同深度分辨矩阵的核，以此作为反演结果的一个衡量标准。图 10 画出了节点

(N22.5°E 114.5°)SV 波和 SH 波速度模型的分辨核，用以描述不同深度反演解的质量。评价的标准为：在每一深度

相对于基线来说，核的峰值越尖锐，说明最终的反演模型和真实模型匹配的越好，也就是说，反演结果越可靠。从

图中可以看出，对于瑞雷波来说，深达约 210km 的结构能可靠地被分辨出来，而勒夫波由于长周期测量质量的降

低只能分辨 170km 深的异常结构。



0 100 200 300Layer Depth(km)

a

Laye

r Dep

th(k

m)

38

131825354555657590

110130150170190210235275

0 100 200 300Layer Depth(km)

b

Laye

r Dep

th(k

m)

38131825354555657590

110130150170190210235275

图 10 分辨核检测 (a) SV 波 (b) SH 波

2.5 讨论

华南地区在前震旦纪的剧烈变动下，主要经历了早期强烈的加里东运动、印支运动和强烈的燕山—喜马拉雅运

动而形成现今复杂的地表形态和深部结构特征。由于晚元古代至早古生代加里东的强烈构造运动，华南地区产生褶

皱并形成地台的雏形；随后印支运动起到地壳压实固结成块；中生代的燕山—喜马拉雅构造运动主要在大陆活动边

缘带的褶皱系通过断块作用形成了一系列不同规模的断裂隆起带和断陷盆地。从上述结果可以看出，整个研究区的

莫霍面深度在 29-38km 范围内逐渐变化，呈现西深东浅的趋势，这种分布特征可能暗示了研究区不同区域所经历的

岩石圈和地壳不同的演化过程。

根据该地区的地质资料得知，华南地区地表可见广泛分布的早中侏罗世具伸展构造特征的A型和双峰式的火山

岩，以及北北东向褶皱大量展布于整个研究地区，推断莫霍面的深度由东向西逐渐减薄是由于濒临太平洋构造域时

所遭受的岩石圈减薄现象。结合 2005 年Niu[28]提出的板块俯冲脱水，上覆大陆岩石圈地幔鍥水化而造成部分岩石熔

融减薄的模型，那么可以推测华南地区岩石圈同样也是经历了古老岩石圈地幔向年轻大洋岩石圈地幔转型的过程。

此外，从成像结果揭示出研究区莫霍面的深度由南向北缓慢变深，这可能是由于扬子块体向北俯冲而造成的。

对于研究区东部靠近南海的边缘和临近东海的边缘莫霍面的厚度差异，Taylor、Hayes和Briais[29]解释为华南地

区边缘，地壳厚度由于缓慢变薄，最后下陷成东海和南海；而在接近南海的边缘地区，由于中生代中期的张裂活动

把大陆边缘地壳拉断形成被动大陆边缘，同时引起海底扩张，以至于南海具有大洋型和洋陆过渡型的地壳；但是东

海地区在产生裂谷时，并没有发生海底扩张现象，其大陆边缘一直保持着其原来的活动状态，这种解释很好地说明

了本研究中垂直剖面中南海和东海之间莫霍面的深度差异成因。

3 结论通过对所获得的层析成像研究结果的分析，取得了如下一些结果：

（一）华南地区地壳主要分为三层，上地壳（深度为~12km）、中地壳（位于 18-21km 深度处）、下地壳。莫霍

面的深度维持在 29-36km 范围内，总体上呈现由西向东逐渐减薄、由南向北缓慢增厚的趋势。

（二）从群速度图像上看到，研究区存在比较明显的横向非均匀性，这种不均匀性不仅出现在研究区的不同块

体，而且同一块体内部同样也存在着这种现象，很好地反映了该地区在地质构造运动中岩石圈及地壳所受到的演化

程度和方式的差异。

（三）从瑞雷波和勒夫波成像结果可以看出，研究区存在一定程度的各向异性特征，这是由于岩石圈及地壳内

的岩石在块体碰撞过程中伸展变形而造成的。

（四）瑞雷波和勒夫波的联合成像有效地约束了反演结果的多解性。



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【作者简介】

张智（1975-），男，副教授。2007 年毕业于吉林大学固体地球物理学专业，获博士学位。主要从

事深部地球物理场正反演研究以及高信噪比和高分辨率地震资料处理技术及地质地球物理综合

解释技术的研究，已公开发表学术论文 18 篇，被 SCI 收录 8 篇。现主持国家自然科学基金项目、

省部级基金项目各 1 项。

love and rayleigh wave tomography of crustal structure in southern

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