鄂尔多斯地块地壳上地幔速度结构及构造意义

基于鄂尔多斯地块及周缘地区稠密分布的地震台站所记录的远震波形资料,采用FMTOMO走时层析成像方法获得了深至400 km的高分辨率地壳上地幔P波速度结构,并分析和探讨了研究区的深部构造与火山、强震活动及克拉通破坏等相关的地球动力学问题.地壳上地幔速度结构横向变化和纵向差异的构造含义如下:鄂尔多斯地块下方正异常速度的巨厚岩石圈是鄂尔多斯地块缺乏克拉通大规模破坏的证据;大同火山群下方深至400km的柱状低速异常表明大同火山的岩浆作用起源于地幔过渡带,由太平洋板块俯冲作用引起熔融的玄武质岩浆上涌造成;鄂尔多斯地块与四川盆地之间呈东西向分布的上地幔低速异常带,可能是青藏高原东北缘软流圈流出的通道;鄂尔多斯周缘地区深至上地幔的低速异常分布表明,青藏高原北东向推挤和太平洋板块西向俯冲的共同作用,促使鄂尔多斯地块整体的抬升和周缘拉张断陷带的形成,为强震的孕育和发生提供了良好的应力环境,导致鄂尔多斯地块周缘地区地震频繁发生.     

超慢速扩张洋中脊NTD的蛇纹石化地幔:海底广角地震探测

非转换断层不连续(NTD)在超慢速扩张洋中脊高频度出现,其地壳速度结构与相邻的岩浆扩张中心(NVR)差别明显.结合表层断层多和减薄的地壳,说明NTD在超慢速洋中脊扩张理论、热液活动甚至矿产资源方面有十分重要的意义.本文使用2条海底广角地震测线的数据,使用射线追踪正反演的方法,获得了西南印度洋中脊28~29扩张段之间NTD下方的地壳及上地幔速度结构.结果表明:(1)NTD下方地壳较薄(3.2~4.5 km),洋壳层2厚约2.0 km,洋壳层3较薄(1.0 km)甚至缺失;(2)洋壳层2表层速度横向差异大,表明存在较多断裂;(3)洋壳层3出现低速区,成因可能是受浅部大断裂或地幔蛇纹石化作用影响;(4)上地幔顶部速度存在低速异常(7.2 km/s),结合NTD地壳较薄(5 km)和表层断裂多的特征,认为是上地幔发生大规模蛇纹石化作用导致低速,为进一步理解和区分莫霍面与蛇纹石化前缘(Serpentinization Front)提供了一个很好的例证.     

青藏高原羌塘西部上地幔SH波速度结构的研究

利用INDEPTH-Ⅲ台阵记录到震中距14°~19°之间的一个中深源地震事件(~220 km深), 采用三重震相波形模拟方法, 得到了青藏高原羌塘西部地区上地幔一维S波速度结构模型. 所得的上地幔SH波速度模型(ATIP)显示在上地幔190~270 km深度范围内有一速度变化达-4%左右的明显低速异常. 同时ATIP模型显示上地幔过渡带上方速度梯度小, 与前人结果一致. 结合其他地球物理研究结果, 认为羌塘西部地区软流圈顶部埋深约190 km, 岩石层不存在大规模减薄现象, 其上地幔结构与稳定欧亚大陆地幔类型相类似.     

塔里木盆地北缘的深部结构

拜城-大柴旦人工地震宽角反射/折射剖面穿过了塔里木盆地北缘的库车坳陷和塔北隆起两个构造单元. 利用该剖面上的拜城、库车、轮台和库尔勒4个爆炸点的地震资料, 通过二维横向非均匀介质条件下的射线追踪与理论地震图计算, 获得了塔里木盆地北缘地壳与上地幔顶部的二维速度结构与构造. 结果表明, 库车坳陷与塔北隆起的地壳分层具有统一性, 但界面深度、地壳厚度以及速度分布沿剖面变化明显, 其中地壳厚度的变化主要体现在中地壳与下地壳. 在库车坳陷的拜城以及塔北隆起的轮台爆炸点附近莫霍面抬升, 使地壳分别减薄为42和47 km. 地壳最厚处是库车坳陷与塔北隆起的转换部位, 地壳厚度达52 km. 此处的上、下地壳内分别发育壳内速度异常体, 其中上地壳表现为高速异常, 下地壳发育低速异常体, 它们几乎分布在同一垂线上, 相应位置的盖层较厚. 根据地壳的速度结构与构造, 可将剖面划分为库车坳陷、塔北隆起和两者之间的过渡带3个部分, 每一部分都有自己独特的速度变化特点、基底结构形式和深浅部构造关系. 塔里木盆地北缘地壳与上地幔顶部速度结构与构造在东西向的差异可能意味着塔里木盆地向天山造山带俯冲消减的速度和强度的不同, 引起天山造山带的构造分段.     

青藏高原东部P波速度结构及其对高原隆升的启示

利用青藏高原东部的高密度流动台站数据和位于研究区范围内固定台站的同期数据,采用远震体波走时层析成像的方法,反演获得了青藏高原东部及其周边高分辨的壳幔P波速度异常结构,结果显示:研究区的速度异常主要集中在地壳及上地幔顶部.高原内部强烈变形的区域存在深达200 km左右的低速异常,而高原周边克拉通性质的块体下方存在深达200~300 km的高速异常,高、低速异常和构造块体有较好的对应关系.在400 km以下区域,速度异常的幅值和范围都很小,可认为其速度值与全球平均模型一致,不存在明显的高速俯冲物质和低速地幔上涌物质.青藏高原东部的隆升成因主要由浅部的低强度岩石圈变形所导致,由于同时受到印度板块推挤和周边刚性块体的制约,青藏高原下方低强度岩石圈的水平缩短吸收印度板块的推挤作用,垂直向伸展导致高原隆升.     

渤海海域郯庐断裂带的地震层析成像特征

渤海是连接郯庐断裂带辽宁段和山东段的重要区域,利用地震层析成像方法重建三维P波速度模型,展示了渤海海域地壳和上地幔结构的变化,揭示出郯庐断裂带的深部构造特征以及与构造活动的关系.分析表明,渤海海域的地壳结构存在明显的横向非均匀性:在辽东湾及渤海中部,郯庐断裂带附近的地壳具有双层结构,浅部为低速沉积层,地壳中、下部速度偏高,未见壳内低速层,显示了相对稳定的地壳结构特征,与现今较弱的地震活动相吻合.在渤海南部及莱州湾,郯庐断裂带受张家口-蓬莱断裂带的影响较大,全新世以来的构造活动使得这一地区的地壳结构极为复杂,成为地震活动频繁发生的重要原因之一.此外,渤海海域地壳中、下部和上地幔平均速度偏低,推测与华北克拉通破坏及地幔上涌存在一定的联系.地幔热流物质有可能沿郯庐断裂带形成的通道向上侵入,在地壳底部冷却后形成高速薄层,对于强化壳幔边界、减缓断裂带的构造活动起到了一定作用.     

天山和塔里木盆山接合部地壳上地幔速度结构研究

通过在天山地区布设宽频带数字流动台阵, 利用观测获得的远震体波波形资料, 采用接收函数方法, 得到天山造山带和塔里木盆地北缘结合部0~80 km深度范围的二维S波速度剖面. 研究结果表明: 研究区域的地壳上地幔速度结构存在显著的垂向和横向变化, 垂向速度结构存在4个速度界面, 其中结晶地壳可分为上中下三部分, 中上地壳内普遍存在低速层. Moho界面深度变化范围在42~52 km, 在剖面北端存在4~6 km错动, 北深南浅, 显示出向北俯冲的态势, 推测为塔里木向天山下俯冲的前沿. Moho界面在塔里木盆地北缘表现为一级速度间断面, 库尔勒以北主要表现为速度梯度带. 通过地壳上地幔精细速度结构和深部盆山接触变形关系研究, 揭示了天山-塔里木盆山接合部南北向挤压变形增厚的动力学特征, 为建立盆山耦合大陆动力学模型提供基础依据.     

滇西南地区地壳速度结构的区域波形反演

利用中国地震局地壳应力研究所于2010~2011年在滇西南地区布设的宽频带流动地震台所记录的三分量高质量波形资料,采用小生境遗传算法通过波形反演,获得了研究区P波速度模型.结果显示,滇西南地区地壳厚度为38~43 km,上地幔顶部平均速度为7.9 km/s,地壳速度存在明显的横向不均匀性.思茅地块的上地壳和下地壳厚度均呈现出明显的由南向北、自东向西增厚趋势,说明该地块地壳增厚由上地壳和下地壳共同增厚形成.腾冲地块中地壳和下地壳的平均厚度及速度均小于保山地块和思茅地块,思茅地块部分路径上的下地壳和上地幔速度均较低,可能与印度板块东向俯冲引起地幔热物质上涌等动力过程密切相关.这些结果对于认识青藏高原形成与演化动力过程提供重要地震学约束.     

西藏东部地区层析成像及东南部裂谷成因讨论

利用西藏东部南迦巴瓦地区的51个临时地震台站所记录的169个远震事件, 从中提取出4767条P波射线, 通过反演计算得到了西藏东部地壳和上地幔的P波速度结构. 水平剖面显示, 在西藏东南部裂谷附近从近地表到250 km的深度范围均表现为低速异常; 从纵剖面结果看, 这个低速异常非垂直地向下延伸到约400 km深度. 综合分析认为, 此低速异常可能意味着地幔高温物质上涌, 从而为该区裂谷成因的探讨提供了地震学的证据; 在此低速异常的东侧出现明显的高速异常, 深度从40 km延伸到200 km, 该高速异常可能是大陆闭合遗留的产物, 并非俯冲的印度板块; 在250~400 km的深度范围内, 嘉黎断裂以北为低速异常区, 以南为高速异常区. 该高速异常可能反映了印度板块的北部边界, 并在此发生了拆沉. 同时表明, 在西藏东部印度板块的俯冲未超过嘉黎断裂.     

华北克拉通上地幔顶部构造特征: 来自台站间Pn 波到时差成像的约束

上地幔顶部是地壳和岩石圈地幔能量传递和物质交换的关键区域, 华北克拉通破坏与岩石圈减薄在空间分布和破坏机制上的差异势必会造成克拉通不同区域在岩石圈地幔顶部地震波速度的不同. 使用华北及周边地区固定地震台站记录的Pn 波到时数据, 采用台站间Pn 波到时差成像方法, 反演得到了华北克拉通及周边地区上地幔顶部Pn 波速度结构. 结果显示: 华北克拉通东部、中部和西部块体上地幔顶部表现出明显不同的速度异常结构, 暗示着克拉通不同块体岩石圈在古生代以来可能经历了不同的构造演化和深部动力学过程, 并在现今上地幔顶部留下作用的痕迹. 华北克拉通东部块体渤海湾盆地地区上地幔顶部的明显高速异常可能代表了太古代岩石圈地幔的残留; 郯庐断裂带和渤海海域上地幔顶部的低速异常可能归因于岩石圈的强烈减薄和软流圈热物质的上涌; 而燕山地区下地壳和岩石圈地幔拆沉后形成的新生岩石圈地幔可能是这里上地幔顶部低速异常的原因. 华北克拉通中部块体的太行山一带上地幔顶部显示为显著的低速异常, 这一低速异常特征一直延伸到鄂尔多斯地块北缘的银川-河套裂陷和阴山造山带, 可能与软流圈热物质沿克拉通西部块体周缘岩石圈构造薄弱带上涌有关, 上涌形成的岩浆底侵或热侵蚀作用造成了岩石圈的减薄, 并显著降低了上地幔顶部的速度. 华北克拉通西部块体上地幔顶部为明显的高速异常, 反映出尚未破坏的太古代克拉通古老岩石圈的性质.     

接收函数CCP-PWS偏移方法探测中国东北地区620 km深处低速层

利用中国东北地区CCDSN台网4个台站和PASSCAL 19个台站的802条远震接收函数, 以三维地壳上地幔速度模型为背景, 用共转换点相位加权叠加(CCP-PWS)偏移技术, 对研究区(120°~132°E, 38°~48°N)上地幔间断面进行了成像. 结果表明: 在深度620 km附近存在一个明显的低速层, 而且在更靠近研究区西太平洋俯冲带东部较浅, 深度约600 km. 经与前人研究结果对比, 认为该低速层很可能是由西太平洋俯冲板块中的洋壳从俯冲板块分离并滞留堆积而形成. 另外, 受西太平洋俯冲板块的影响, 660 km间断面深度在研究区明显增大, 最深达到700 km, 而且在其东北角明显呈现为多级间断面.     

远震P波层析成像研究羌塘中央隆起带深部结构

利用在青藏高原羌塘中部(TITAN-I项目)部署的54套流动地震台站于2008年9月至2010年11月期间所记录的506个远震事件,共9532个高质量的P波初至走时数据运用FMTT方法进行层析成像反演,获得了羌塘中央隆起带下200km的深的地壳和上地幔三维P波速度结构.结果表明:羌塘中央隆起带的南北两侧块体的岩石圈速度结构明显不同.E-W向剖面(33°和33.5°N)显示,其两侧的岩石圈结构尺度整体上存在明显差异,南北羌塘地壳整体上呈E-W向高速异常,但北羌塘的高速异常已经延伸到岩石圈地幔,且本研究区内北羌塘盆地的东部有明显的低速异常块体.而沿N-S向的两条剖面(88.5°和89.5°E)显示,羌塘中央隆起带为一明显的边界构造断裂带.     

广角反射地震探测得到的中国东部地壳三维P波速度结构

利用人工地震探查所取得的广角反射及折射地震资料, 探讨研究了中国东部区域地壳三维P波速度结构的区域特征. 结果表明, 研究地域的西部地区Moho面埋深较深, 深度为35~48 km, 反映了西部厚地壳特征. 中部的苏鲁-大别造山带地区, 20 km以上的上地壳波速明显呈高速异常分布; 而下地壳30 km处的速度结构却显示为低速度异常特征. 苏鲁-大别山区的Moho面深于其周围邻区, 苏鲁地区达到32~33 km; 大别地区其Moho面深达36~38 km. 苏鲁-大别地区上地壳P波高速异常结构特征, 可能与这些地区存在的高压、超高压变质带构造演化有关. 大别-苏鲁地区在下地壳深处存在地壳山根, 因此与周围邻区相比P波速度呈现为低速结构. 这些P波速度高速和低速区带在大别地区都位于郯庐断裂的南端西侧, 在苏鲁地区异常区则都位于郯庐断裂的北段东侧, 似乎是被郯庐断裂错断所致. 且错动从地表延伸到30 km深处. 上述结果, 可为岩石圈地壳构造与郯庐断裂演化分析提供地震学新证据.     

下扬子地壳P波速度结构: 符离集-奉贤地震测深剖面再解释

利用适于地壳速度结构重建的有限差分反演技术和RayInvr技术, 解释了下扬子地区符离集-奉贤地震测深剖面密集的宽角反射/折射地震资料, 重建研究区地壳上地幔顶部P波速度结构. 该剖面速度模型在纵向上大致可分上地壳、中地壳和下地壳三部分, 横向上可划分为6个块体. 研究区速度分布符合稳定地台的速度结构特征. 上地壳总厚度10.5~13.0 km, 速度横向变化剧烈, 底部速度可达到6.2 km·s^-1. 中地壳下部及下地壳上部速度分布横向不均匀性显著. 中地壳上部和下部、下地壳及上地幔顶部的P波速度值度值分别在5.9~6.2, 6.3~6.4, 6.6~7.0和8.06~8.30 km·s^-1左右. 莫霍界面深度为30~36 km. 郯庐断裂带域两侧中上地壳速度结构明显不同, 而下地壳未见明显的速度异常和界面形态异常显示. 推测郯庐断裂嘉山段在中生代曾经切割整个地壳, 后由于造山带伸展及壳内均衡作用等, 使得断裂特征在弹性中上地壳中得以保留, 而在粘塑性下地壳中的断裂迹象则逐渐消失. 镇江附近5级以上地震与延伸至下地壳的深大断裂有关, 其地震成因可能是来自岩石圈的能量容易沿深大断裂传输至中上地壳, 在构造有利的位置积聚, 最终诱发地震.     

采用地震背景噪音成像技术反演天山及周边区域地壳剪切波速度结构

采用地震背景噪声成像技术获得了天山及周边区域的地壳剪切波速度结构, 数据取自中亚地区50个宽频带数字地震台站的连续噪音记录, 通过互相关计算共获取了约748个高信噪比瑞雷面波经验格林函数: 利用可视化方法测量了周期为6~50 s的瑞雷面波相速度频散, 据此反演了相速度分布模型和剪切波速度结构. 结果表明, 短周期(6~20 s)相速度分布与地质构造存在一定的相关性, 高速区域对应于山脉, 低速区域对应于沉积盆地, 天山造山带下部存在双向俯冲高速异常, 其中天山南部的高速异常从塔里木中上地壳向北俯冲, 天山北部的高速异常则从中地壳向南俯冲; 另外天山造山带中下地壳存在低速通道, 该通道为地幔热流的上涌或侵入提供了途径. 研究表明, 塔里木盆地地壳的向北俯冲和哈萨克地台地壳的向南俯冲作用, 以及天山下方的地幔热流上涌共同为天山造山带的活化提供了主要动力.     

腾冲火山区S波速度结构与岩浆活动特征

腾冲位于青藏高原东南缘印度与欧亚大陆碰撞边界,是中国最年轻的火山区之一.全新世以来的火山主要分布在腾冲盆地的中央,由北向南形成一个串珠状的火山链.为了研究这一地区的壳内岩浆活动以及与火山分布的对应关系,我们在腾冲盆地开展了为期一年的流动地震观测,利用记录的远震波形和接收函数方法反演了台站下方的S波速度结构.结果表明,打鹰山、大-小空山、黑空山存在一个相互联通的岩浆囊,它的深度为6~15 km,南北方向宽约16 km;火山湖具有一个相对独立的岩浆囊,它的深度为9~16 km,南北方向小于8 km,上述两个岩浆囊的深部热流通道位于黑空山与火山湖之间.在测线南端,老龟坡火山下方的低速特征十分突出,岩浆活动集中在10~25 km深度之间,有可能受到大盈江断裂与腾冲火山断裂相互交汇的影响,它与邻近的马鞍山属于另一个岩浆存储系统.火山区的莫霍面深度在38~41 km之间,在大-小空山下方出现局部抬升,部分台站的壳幔边界具有过渡带性质并呈开放状,有可能成为热流物质由地幔进入地壳的上升通道.     

陆壳的生成: 与赞歧岩类的联系

陆壳的平均成分为中性, 而某些典型岛弧岩浆岩也具中性的化学组成, 因而, 人们认为陆壳应产生于古老的会聚板块边界. 中性陆壳形成的一个可能机制是直接产生于上地幔的安山质熔体. 产于日本西南Setouchi火山岩带的赞歧岩类包括高镁安山岩(HMA), 是俯冲板片熔融及其后的熔体-地幔相互作用的结果. 该岩类形成于特殊构造环境(例如, 热的岩石圈俯冲进入异常热的上地幔), 这种环境可能在太古代时业已存在. 富水的高镁安山岩岩浆很可能在地壳内固结形成高镁安山质岩体, 然后这些岩体重熔产生了分异的赞歧岩类. 目前, 高镁安山岩岩浆的形成和分异可能正发生于Izu-Bonin-Mariana (IBM)弧-沟系. 这是因为: (1) IBM演化初始阶段以高镁安山岩岩浆作用为特征; (2) IBM中地壳的波速VP与总体陆壳的波速一致. 对具高镁安山质深成岩的VP估计也支持了这一点, 但也不能排除英云闪长质岩在该岛弧中部地壳的存在. 因此, 陆壳的形成也有可能由幔源玄武质岩浆分异而产生.     

华南地壳结构与构造边界特征:来自地震背景噪声和重力联合成像模型的约束

查明华南板块的地壳精细结构,厘清不同块体的地壳物质属性和构造边界特征,对研究华南成矿带的深部动力学成因以及华南板块的形成演化具有重要意义.随着新方法的发展和对多类型数据的深入挖掘,对壳内精细结构的分辨率逐渐提高,有鉴于此,本研究通过收集华南地区地震台站的波形数据,利用背景噪声面波和布格重力异常联合反演华南板块的地壳S波速度结构.结果表明:联合反演模型获取的布格重力异常与观测重力值拟合较好,印证了新方法的可靠性;上地壳内主要沉积盆地呈现明显的低速特征,地壳厚度由西到东呈现减薄的趋势,且在中地壳内,江南造山带南段的地壳结构呈现北东向的高低速带状穿插分布,在南北重力梯度带和江山-绍兴-萍乡-永州一线存在“蘑菇云”形状的中地壳隆升;随着深度的增加,在21～30 km下地壳,速度的横向变化不再与地壳浅层主要构造相对应,整个区域的速度分布呈现东高西低的趋势,且随着深度的增加这一特征越发明显;在30～40 km深度上,速度变化的东西分界与南北的布格重力异常梯度带近似重合.据此推测,江南造山带与扬子和华夏地块的构造边界分别沿着九江-常德-吉首-铜仁-百色一线和江山-绍兴-萍乡-永州-柳州-钦州一线;区...     

地幔通道流:青藏高原大规模生长的深部机制

地处喜马拉雅造山带后陆区的青藏高原,其成因与生长一直存在争议.基于前人资料和我们的综合研究发现,西起西昆仑,东经北羌塘和昆仑山口,向南折向芒康-大理,直抵红河-哀牢山,发育一条跨越青藏高原不同构造单元的长达数千公里的巨型高热流带,并显示由高原内部向东北部边缘迁移之势.沿此巨型高热流带,岩石圈地幔部分熔融产生的钾质镁铁质岩-煌斑岩群(42～32 Ma)和钾质碱性岩-碳酸岩(27～7 Ma)、软流圈减压熔融产生的洋岛玄武岩(ocean island basalts, OIB)(16～1 Ma),以及中下地壳熔融产生的钾质长英质岩(40～0.3 Ma)呈群聚式断续展布;以峰期麻粒岩相变质为特征的高温深变质带与大型走滑断裂带(40～17 Ma)相伴发育;下地壳麻粒岩包体具有高达800°C的变质温度,地幔橄榄岩包体显示地幔垂直流动特征;地球物理探测所揭示的6个大型低速异常体呈群聚式、等间距、断续式展布.我们提出:印度大陆岩石圈地幔俯冲触发了亚洲大陆软流圈涌动,后者沿后陆区若干地幔通道垂直上涌,热蚀并吞噬地幔岩石圈,直抵地壳底部.这些"地幔通道流"源于400 km深处,形成于晚(硬)碰撞以来(≤40 Ma),不仅为维持青藏高原隆升提供了深部热能,而且为高原地壳生长输送了新生幔源物质,同时引发中下地壳塑性流变和侧向流动,并驱动青藏高原向北东方向侧向生长.     

对中国东部苏浙皖区壳-幔结构的新认识

苏浙皖区地壳结构的深部轮廓笔者曾作过专题研究。滕吉文等根据爆炸地震资料解释马鞍山—启东剖面由五层介质组成.本文以N层变密度法将该区地壳-上地幔顶部进一步区分为“七面八层”。根据重力资料初次发现了与壳内低速层一致的中地壳低密层、上地