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.     

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.     

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.     

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.     

青藏高原西部大地电磁测深探测结果

青藏高原西部吉隆-三个湖剖面大地电磁测深(MT)研究表明,研究区被雅鲁藏布缝合带、班公湖-怒江缝合带和鲁谷北断裂分为四个构造区,其中冈底斯块体和羌塘块体南缘壳内双高导层与壳内单高导层交替存在,且由南到北呈叠瓦状分布。冈底斯块体的软流圈平缓,平均埋深100km;羌塘块体南部软流圈埋深急剧增加,最深处达230km。     

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.     

东喜马拉雅构造结上新世以来快速抬升的裂变径迹证据

研究区位于东喜马拉雅构造结的东北侧,近东西向喜马拉雅山与北东向念青唐古拉山、近南北向横断山的交汇地段.这里是印度板块与欧亚板块碰撞的前缘部位,壳层的挤压变形十分强烈,无论是地质边界,还是地形都围绕此构造结发生了最急剧的转折,塑造了世界上著名的高山峡谷地形,其平均切割深度达5000m左右,是探讨青藏高原隆升历史最有利的典型地区.研究区地质上属于冈底斯岛弧的东延部分,其南部主要由一套角闪岩相的变质岩组成,可能是岛弧或拉萨地块的基底,北部主要为古生代的沉积盖层,在基底和盖层中有大量花岗岩     

天然地震形成的一种机制:地壳结构不稳定性

对于天然地震的成因研究多关注于板块相互作用以及流体、断裂等因素.震区地壳结构本身的不稳定性是发生地震的重要因素.伽师地区位于塔里木盆地西端,为塔里木地块、天山造山带、西昆仑造山带、帕米尔构造结的交接部位,具有典型的地壳结构不稳定性,地震频发.地震宽角反射/折射、近垂直反射等地震资料显示伽师地区地壳结构具有特殊的不稳定性.地震宽角反射/折射资料提供了盆地约75 km以上的二维速度结构剖面,地壳速度结构较为复杂,可以识别出高速块体和低速块体相间与堆叠的形态.近垂直地震反射剖面展示了20 s双程到时深度以上更为精细的结构特征,盆地盖层为成层性较好的反射,反射事件C,D构成了地壳之下的稳定带,而反射事件A,B,E则为地壳不稳定结构.建立了伽师地区地壳结构不稳定性的模型,地壳高速块、低速块(即刚性强、弱)相间并堆叠构成的不稳定带置于反射事件C,D构成的稳定带之上,挤压作用与近垂直的隐伏断裂加剧了这种不稳定性.地壳结构不稳定是导致天然地震的重要因素,同样表现存在于日本列岛以及鄂尔多斯盆地等地.     

鄂尔多斯东南缘地区的地壳结构

利用布置在鄂尔多斯东南缘地区的地震台阵记录的远震资料数据, 采用接收函数方法研究这一地区的地壳厚度和地壳结构. 研究结果显示, 各台站下方的Moho 震相可以被清楚地识别,Moho 深度向东南方向逐渐变浅, 从鄂尔多斯块体内部的43 km 一直减小到邻近秦岭北缘的30km 左右. 地壳结构和Moho 形态特征在横向上表现出明显的差异性, 在研究区可以分为4 个部分: (Ⅰ) 在鄂尔多斯块体内部, Moho 平缓连续, 深度在40 km左右, 具有稳定克拉通地壳的特征;(Ⅱ) 渭河-山西地堑, Moho 出现上隆, 上隆幅度3 km 左右, 地壳减薄, 可能是由上地幔物质上涌引起的; (Ⅲ) 熊耳-伏牛山地区, Moho 平缓连续, 深度在36~33 km 之间, 往东南方向逐渐变浅,地壳结构相对简单; (Ⅳ) 邻近秦岭北缘的的河淮盆地, Moho 呈现出强烈的不连续特征, 横向结构差异明显, 平均深度约31 km. 另外, 位于构造边界的两个台站(st11 和st18)的下方, Moho 呈现明显的不连续现象, 可能受到边界断裂的影响. 研究结果表明鄂尔多斯东南缘地区地壳结构在横向上有很大的差异和变化, 对研究鄂尔多斯东南缘地区不同块体间的相互关系具有重要的意义.     

海底地震仪(OBS)广角地震记录中二次震相的识别及应用

在海底地震仪(OBS)记录的广角地震剖面中,经常可识别出能量强,连续性好的多次波震相.在常规OBS数据处理过程中,多次波被作为无效信号剔除,但是作为地下界面的真实反射,多次波同样蕴含着地下构造的重要信息.通过对南海海盆OBS2013-ZN测线地震数据的多次波震相进行处理分析,对多个台站Pg,Pm P和Pn震相的二次震相进行识别.以OBS06和OBS07台站为例,详细阐述了二次震相的辨别和确认过程,准确拾取了二次Pg,Pm P和Pn震相的走时数据.并通过射线追踪模拟,确定其传播路径.最后,在原有P波速度模型基础上,利用走时反演方法将初至震相和二次震相进行联合成像获得新的局部速度结构.结果显示,与初至震相结果相比,浅部沉积层和中深部的壳幔速度结构都有一定程度的变化.该研究有助于充分利用OBS数据,挖掘多次波震相特征,提高地壳结构的成像精细度.     

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.     

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...     

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.     

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.     

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.     

青藏高原东边缘地壳“管流”层的电磁探测证据

通过对青藏高原东边缘及其附近地区石棉-乐山剖面大地电磁资料的研究发现, 青藏高原东边缘带和四川地块的电性结构有明显差别, 东部的四川地块地壳总体电阻率大, 西部的青藏高原东边缘带地壳总体电阻率小. 西部地壳分为上中下3层, 中地壳为厚约10~15 km的低阻层, 电阻率最小达3~10 Ωm, 推测它含有较低黏滞度的部分熔融和(或)含盐流体, 易于变形和流动, 是青藏高原东边缘带向东南方向挤出作用下形成的“管流”层. 它使上地壳和下地壳解耦, 上地壳高阻的脆性层以左旋走滑和逆冲的断层运动为主, 地表抬升, 地震主要发生在上地壳内. 低阻层把鲜水河-安宁河深大断裂带截成上下两段. 地壳上、中、下层各自厚度的横向变化, 综合产生了青藏高原东边缘带地壳厚度西部厚、东部薄、地形西部高、东部低的过渡带.     

青藏高原班公湖-怒江缝合带中部的Moho错断

通过分析横跨班公湖-怒江缝合带中部的Hi-Climb剖面的53个宽频带台站记录的196个远震事件, 总共获得了4764个接收函数. 利用接收函数包含的Moho的Ps和PpPs的走时信息, 获取了每个台站下方的地壳厚度和泊松比. 接收函数CCP时深偏移的方法也被用来研究地壳和上地幔间断面的横向变化. 研究结果显示: (1) 拉萨地体和羌塘地体的Moho在班公湖-怒江缝合带附近叠置和存在约10 km的错断, 其构造的几何形态表现为拉萨地体的Moho向北抬升, 而羌塘地体的Moho具有向南加深的趋势, 推断和新生代以来班公湖-怒江缝合带构造活动的重新活跃有关; (2) 泊松比沿整个剖面的变化为0.237~0.280, 表明地壳物质主要为中酸性岩石. 获得的所有台站的地壳厚度和泊松比呈现反相关关系, 意味着羌塘地体南部地壳的增厚和拉萨地体的中酸性岩石逆冲插入羌塘地体有关; (3) 地幔过渡带的厚度沿剖面维持在255 km左右, 说明印度板块和欧亚板块的碰撞所引起的构造活动局限在410 km深度范围内.     

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.     

中国西南地区地壳运动的GPS监测

通过１９９１￣１９９７年期间对中国西南地区ＧＰＳ（全球定位系统）载波相位测量,建立了青藏高原东部及相邻地区现代地壳运动的速度场,相对于成都,川滇地块及其以西的速度大多为５￣１０ｍｍ／ａ,鲜水河－小江断裂以东的川青地块和扬子地块运动微弱,约为０￣７ｍｍ／ａ,２个地区都表现为顺时钟的涡旋运动,而没有明显的地壳物质向东挤出或逃逸,地壳变形主要型式为顺时针旋卷构造和块体边界断裂的非均一滑动。