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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

青藏高原及其邻区地壳、岩石圈和软流层厚度研究

基于由瑞利面波层析成像所得的青藏高原及其邻区的群速度纯频散，以线性的深度反演获取的s波速度分布为非线性反演的初始模型，用快速模拟退火方法进行速度和层厚度的联合反演．根据非线性反演结果求得研究区地壳、岩石圈和软流层的厚度分布．结果表明，青藏高原内部具有巨厚的地壳，厚度为60～80km，其岩石圈相对邻区较薄，厚度在130～160km之间，且在内部呈现出以90°E～92°E北北东向为界的东、西分块图像．高原的软流层厚度较周边地区要厚（150～230km），其内部羌塘块体西部的软流层最厚．在区域上的分布特点为，印度的地壳厚度较薄即32～38km，岩石圈厚度可达190km，软流层厚度相当薄仅60km左右；四川盆地和塔里木盆地的地壳厚度均小于50km，其岩石圈厚度要比高原内部厚，而软流层厚度则相对于高原内部要薄．文中还讨论了羌塘块体西部的典型壳一幔过渡带特征和其形成机制．     

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.     

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.     

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.     

爆破地震揭示的华北西部高分辨基底速度结构

利用在华北克拉通西部完成的两条高分辨折射探测剖面获得的21炮Pg波资料,在对不同构造区Pg波的运动学与动力学特征分析对比的基础上、采用有限差分反演方法构建了两剖面的基底结构模型.研究结果不仅清晰地标定了主要断裂的位置及形态,还反映出不同构造区基底埋深和速度结构的差异.鄂尔多斯地块的基底埋深在4.5~5.5 km间、起伏变化不大,且速度梯度横向变化不甚明显,结合Pg波走时平稳、追踪远等地震学现象,揭示出鄂尔多斯地块浅表沉积和基底结构比较稳定;贺兰山和银川盆地两者不仅在地形地貌上差异显著,其基底埋深从2.0~4.0 km的较大变化以及速度结构显著的横向非均匀性足以表明两者之间垂直差异运动及变形的强烈程度.银川盆地Pg波走时趋势与速度结构图像基本反映了基底局部坳陷的形态特征和新生代沉积厚、速度低的客观现象;弧形构造区地处祁连、阿拉善、鄂尔多斯三者相互作用的复杂构造环境之中,基底埋深6.0 km的巨厚坳陷与相邻仅2.0 km厚的基底隆起形成较大反差,这与印度板块和欧亚板块强烈的碰撞推挤致使在青藏高原东北缘多个构造块体交汇复合部位呈现变形强烈、极度不稳定的基底结构密切相关.鄂尔多斯块体基底呈现西深东浅特征及周缘基底强烈的横向不均匀性、挤压褶皱变形及断裂带的发育,均反映了青藏高原NE向的持续挤压运动遭到了鄂尔多斯块体的阻挡.     

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.     

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.     

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.     

首都圈地区地壳三维P波速度细结构与强震孕育的深部构造环境

利用首都圈密集数字地震台网123个台站记录的2973个区域地震48750个精确P波到时数据, 采用地震层析成像方法反演得到研究区内详细的三维P波地壳速度结构模型. 其空间分辨率在水平方向为25~50 km, 在深度方向为4~17 km. 该模型提供了区域地质结构和复杂地壳构造的新信息. 华北平原、太行山和燕山隆起区内展现出明显不同的速度结构变化特征. 在上地壳层位上, 速度图像与地表地质、地形和岩性密切相关; 隆凹相间的华北盆地呈现出地震波速度快慢交替的东北-西南向异常带, 速度异常方向与区域断裂和构造的走向相同; 基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区, 在速度图上呈现出大面积的高速异常; 而分布在山间的第四纪沉积盆地显示出小范围的低速异常. 多数大地震(M≥6.0级, 如1976年唐山7.8级地震、1679年三河平谷8.0级地震)都发生在高速块体的边侧, 而在这些强震的下面存在明显的低速和高导岩层. 我们认为这与1995年日本神户7.2级地震和2001年印度普杰(Bhuj)7.8级地震的情况类似. 这些低速和高导异常与流体有关, 下地壳中的流体容易引起中上地壳中发震层的弱化, 使孕震断层易于破裂, 从而发生大震.     

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.     

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.     

伊豆-小笠原地区岩石圈软流圈边界地震学证据

岩石圈软流圈边界(lithosphere-asthenosphere boundary,LAB)是上地幔内具有负速度梯度的地震间断面.开展对俯冲带区域LAB的地震学探测有助于进一步理解岩石圈与软流圈的相互作用以及与板块俯冲相关的地球动力学过程.本文收集了2002~2014年发生于伊豆-小笠原地区的3个深源地震(400~600 km)的垂向宽频带波形资料,利用线性倾斜叠加方法对波形数据进行处理后获得了相对走时-慢度域的灰度图和叠加波形图,并成功提取了s_P震相在LAB反射的前驱震相s_(LAB)P,该震相的极性与s_P相反,幅度比为0.17~0.21.基于改进的一维速度模型IASP91-IB计算获得了近源区6个s_(LAB)P震相反射点的分布.研究表明伊豆-小笠原岛弧下方LAB深度位于58~65 km,平均深度为62 km,起伏变化较小(7 km).与菲律宾海构造稳定地区研究结果相比,伊豆-小笠原岛弧地区海洋岩石圈出现了明显减薄的现象,其应与西太平洋俯冲板块在地球深部持续释放的挥发分物质导致了软流圈出现部分熔融以及弧后地幔楔内小尺度对流的强侵蚀作用密切相关.     

太行山中南段早白垩世岩石圈地幔的水含量:对华北克拉通破坏的动力因素的制约

已有的研究表明,华北克拉通东部的岩石圈地幔在克拉通破坏峰期(早白垩世)时是高度富水的,水化造成的岩石圈强度的显著降低为克拉通破坏提供了前提.古生代以来华北克拉通经历的大洋板块南向、北向和西向的俯冲都可能造成其水化.为了查明造成水化的主导过程,本文对太行山中南段符山早白垩世高镁闪长岩中的橄榄岩包体进行了水含量的测定.数据显示,太行山早白垩世岩石圈地幔的含水量(~40 ppm)远低于华北东部同期的岩石圈地幔(1000ppm).这些结果直观地表明,华北东部早白垩世岩石圈地幔的高水含量主要是由西向俯冲的太平洋板块造成的.从这个角度来说,华北克拉通破坏的主要动力因素可能是太平洋板块俯冲.