青藏高原向东挤出与向北扩展——高原隆升深部过程之探讨

青藏高原下方的软弱物质在印度-欧亚大陆的汇聚挤压作用下,从增厚、抬升的高原中部向东部逃逸挤出.本文基于一条宽频地震密集台站剖面观测给出的青藏高原-秦岭构造转换带地壳和上地幔顶部结构断面,结合前人的地质和地球物理学研究成果,探讨了青藏高原物质向东的挤出,揭示秦岭作为一个可能的通道,将如何协调青藏高原物质的挤出,进而探讨上述地球动力学过程如何影响高原东缘的隆升和扩展,并对比了青藏高原东缘和北缘的地壳变形增厚机制以及地幔岩石圈行为模式之差异.研究结果揭示了,受区域大型断裂带控制的中下地壳软弱物质挤出和由软流圈地幔流触发的岩石圈底部拆沉导致的重力均衡,可能同时在青藏高原东缘下方发生,断裂和块体控制的壳内软弱物质挤出可能是青藏高原东缘边界带上大地震发生的一个重要深部孕震机制.上述两个机制的共同作用导致了青藏高原东缘与秦岭以及四川盆地构造转换带区域的高原隆升和扩展.青藏高原东缘物质挤出的深部过程与处于青藏高原北缘的青藏高原-阿拉善构造转换带区域的高原向北扩展之深部机制存在差异,而造成高原北缘与东缘差异隆升模式的根本动力学原因,可能是从青藏高原中东部(青藏高原内部)到高原北缘岩石圈性质的横向变化.     

青藏高原GPS位移绕喜马拉雅东构造结顺时针旋转成因的数值模拟

GPS测量结果表明青藏高原水平位移场在其东部绕喜马拉雅东构造结呈顺时针转动, 其地球动力学成因难以在二维模型中模拟. 由于青藏高原地壳巨厚、下地壳温度高, 岩石层流变性质可能会呈现脆性的上地壳、柔性的下地壳和黏滞系数较大的岩石圈上地幔, 在岩石圈下又存在黏滞系数较低的软流层的复杂分层流变结构. 在上述研究成果的基础上, 利用三维球坐标系下的Maxwell体有限元模型模拟了青藏高原在印度板块推挤下的变形. 模拟结果显示, 柔软下地壳的存在使整个青藏高原在印度板块的推挤下表现为整体抬升, 高原南缘和喜马拉雅东构造结抬升迅速, 而由于周边地块下地壳相对较硬而封闭、仅高原东南部存在高温柔软的通道, 青藏高原软的下地壳的存在还使得高原整体隆起达到一定高度后, 下地壳和软流层的物质向东、东南流动, 并拖曳上地壳作类似运动, 形成绕喜马拉雅东构造结的顺时针转动.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

横过西昆仑造山带与塔里木盆地结合带的深地震反射剖面

横过西昆仑造山带与塔里木盆地结合地带的深地震反射剖面，揭示出青藏高原西北缘山－盆结合地带地壳与上地幔顶部的精细结构，发现了青藏高原西北缘岩石圈向北俯冲，并与向南俯冲的塔里木岩石圈在西昆仑山下相碰撞的证据。这种大陆岩石圈相向俯冲碰撞图像，确定了西昆仑山与塔里木盆地岩石圈尺度的耦合关系，反映出陆内大陆－大陆的碰撞过程。     

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.     

我国华南沿海地区地壳与上地幔速度结构特征

我国华南沿海地区地处欧亚板块、太平洋板块、印度洋板块交界处的舌状突出部位。受这三大板块的碰撞,俯冲,挤压,拉伸及上地幔物质上涌的综合作用,使得该区有着奇特的地壳与上地幔运动,发展,演化历史和地球动力学过程。前人曾用工业爆破观测方法得到某些有意义的成果。我们首次在该区开展了人工地震测深方法,对该区地壳与上地幔速度结构进行了较系统的研究与探索,得到了该区地壳深部速度结构模型。     

中国东北长白山火山的起源: 地震层析成像证据

利用中国东北长白山附近的19个临时地震台站和中国数字化地震台网的3个台站所记录到的高精度远震P波到时资料, 对长白山及邻近地区的地壳上地幔三维速度结构进行了详细研究. 结果表明, 长白山火山区的地壳上地幔中存在显著的低速异常, 而且该低速异常深达400 km左右、宽约200 km; 在地幔转换带及下地幔中存在高速异常. 这一结构特征与全球地震层析成像结果相同. 本文认为, 长白山火山并非如夏威夷那样的板内热点火山, 而是与太平洋板块的深俯冲及其在东亚地幔转换带中的滞留、脱水等过程密切相关的一种弧后板内火山.     

华北克拉通破坏机制与古元古代板块构造体系

在对华北克拉通岩石圈地幔性质发生变化的物理、化学过程和时空范围深入研究的基础上, 探寻其动力学作用, 需要对华北克拉通岩石圈及其周围的地幔状态和构造有整体的认识. 从地震学研究构建的华北克拉通地壳、上地幔速度结构出发, 分析研究了岩石圈厚度、壳-幔边界性质、上地幔结构和变形的构造特征和变化规律; 结合岩石地球化学研究结果, 提出了华北克拉通上地幔流动模型. 我们认为: 主要是太平洋板块俯冲使东亚大陆下方地幔流动呈现快速和不稳定的特点. 这一独特的区域地幔流动体系促进了华北克拉通上地幔中熔流体含量的增加和岩石圈软化, 导致了华北克拉通不同地区分别以拆沉和热侵蚀为主的不同方式被破坏. 同时, 根据华北克拉通地壳记录的东-西块体碰撞拼合、古洋壳消减以及古陆壳残留的证据, 揭示了地球在古元古代已经进入与现今相似的板块构造体系.     

大别造山带深部地缝合线与地表地缝合线的解耦及大陆碰撞岩石圈楔入模型: 中生代幔源岩浆岩Sr-Nd-Pb同位素证据

中国东部华北和华南陆块的中生代镁铁质岩浆岩的Nd-Pb同位素存在显著差异 华北陆块中生代幔源岩浆岩的εNd值可低至-15～-21, 206Pb/204Pb<17.9, 而华南陆块的εNd值>-10, 206Pb/204Pb>18.3. 大别造山带北部发育的中生代辉石-辉长岩的εNd值可低至-19, 206Pb/204Pb<17.3. 这说明北大别带深部岩石圈的地球化学特征与华北陆块岩石圈类似, 而不同于华南陆块. 因此, 虽然大别造山带华北与华南陆块地表地缝合线位于北大别带北侧, 但是切割中国东部的中生代深部岩石圈Nd同位素剖面显示其深部地缝合线应位于北大别带以南. 这与前人建议的郯庐断裂以东深部地缝合线南移现象是一致的, 但与华南陆块地壳向北俯冲相矛盾. 这一深部地缝合线与地表地缝合线的解耦现象可以用大陆碰撞岩石圈楔入模型来解释. 俯冲板片断离后, 两陆块的持续会聚可形成缝合带的强挤压环境, 从而导致已折返的俯冲陆壳与未折返的镁铁质下地壳及岩石圈地幔分离, 并使华北陆块下地壳及岩石圈楔入扬子陆块北缘俯冲陆壳和岩石圈地幔之间. 这一构造作用导致华南陆块原俯冲陆壳向北仰冲, 而华南陆块深部岩石圈向华北陆块下俯冲. 它是导致大别山侏罗纪超高压变质岩的第2次快速抬升和岩石圈拆离(delamination)及相应岩浆作用的重要构造机制. 大别-苏鲁造山带深部地缝合线南移也为早白垩纪沿长江中下游一带发生的大规模中生代岩浆-成矿作用创造了深部构造条件.     

中国煤矿第一爆对华北克拉通岩石圈结构研究的启示

利用贺兰山中中国煤矿历史上最大的一次矿山大爆破, 以爆破点为起点向南东方向穿过银川盆地和鄂尔多斯块体布置了一条超长地震观测剖面, 在中国大陆地震探测研究中获得了观测距离超过1300 km来自上地幔上部反映不同深度的地震波信息. 上地幔顶部折射波Pn明显的特点是可以有效的对比追踪至500 km以远, 其稳定的动力学与运动学特征预示着鄂尔多斯地块的上地幔顶部是一个构造变化不大、比较弱的正梯度层结构; 如果认为Pm1和Pm2两波组是来自上地幔的波组, 则在上地幔结构中有着发育的构造层面, 其平均速度分别为7.70~7.80和8.10~8.20 km/s. 根据Pm1和Pm2波组的走时特征推测其反映的界面M1与M2之间可能存在着一定厚度的速度逆转层, 它们所反映的深度范围约为110~120和200~220 km, 这些现象基本上反映了该地区上地幔岩石圈的结构特征. 由此得到的信息可对华北克拉通岩石圈构造探测研究、认识地球内部上地幔不同圈层的形状、结构与相互作用关系提供有意义的借鉴.     

我国东部几个上地幔流变学参数推导初试

近年来,在超镁铁质包体的矿物学、岩石学和地球化学深入研究的基础上,通过对变形构造特征及固态流动机制的实验研究综合出了推导上地幔动力学条件新的方法。这对深入探讨岩石圈板块的驱动机制及上地幔对流具有重要意义,也是对由单纯地球物理方法获得的深部信息的重要补充和印证。     

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.     

青藏高原西部综合地球物理剖面和岩石圈结构与动力学

应用青藏高原吉隆－三个湖综合地球物理剖面提供的重力，地磁，大地电磁和人工地震资料，对该区岩石圈速度结构、电性结构，密度与磁性结构进行了综合性研究，给出了各地体、缝合带，断裂带的深度及浅部结构特征，同时，依据青藏高原已有的地球物理资料，对比分析研究了高原东，西部的岩石圈结构，并探讨了高原深部构造及其动力学模型。     

超高压变质与大陆碰撞研究进展: 以大别-苏鲁造山带为例

大陆深俯冲研究已经成为21世纪发展板块构造理论的前沿和核心课题. 大别-苏鲁造山带出露有世界上最大的超高压变质构造单元, 地球科学家以此作为天然实验室, 在超高压变质和大陆碰撞的一些重要领域取得了国际上有影响力的系列成果. 本文概括了其中12个方面的突出进展, 主要包括超高压变质岩的空间分布范围、超高压变质作用的年龄、超高压变质作用的持续时间、深俯冲陆壳的原岩性质、大陆碰撞过程中的俯冲侵蚀和地壳拆离、大陆地壳俯冲的可能深度、大陆俯冲带深部流体活动、大陆碰撞过程中的部分熔融、大陆俯冲带深部元素活动性、俯冲大陆地壳物质再循环、碰撞后岩浆作用的地球动力学机制、碰撞造山带岩石圈结构等. 对今后研究的问题和方向也提出了建议.     

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.     

壳-幔过渡带及其在岩石圈构造演化中的地质意义

经典的地球物理学把地壳和上地幔之间的界面叫做莫霍面,是根据地震波的速度在地壳(V_P=5.8～6.5km/s)和上地幔(V_P=8.0～8.3 km/s)之间的不连续来定义的。由于大陆岩石圈结构的横向不均匀性,并不是所有地方的莫霍界面都十分清晰。在一些地区的下地壳与上地幔之间存在着一个P波速度的“递变层”或“过渡带”,其V_P大约为6.8～7.8 km/s。因此,莫霍界面不是那么清楚,这是地震学家在岩石圈速度结构剖面研究中经常感到困惑的问题。