南海复蘑菇状地幔低速柱结构及其地幔动力学

运用高分辨率天然地震面波层析成像和体波层析成像技术,研究东亚西太平洋地区及全球地幔三维速度结构时发现南海地区地幔存在深达2000km以上的巨型复蘑菇状地幔低速柱,结合地质、地球化学和地球物理相关标志,将复蘑菇状地幔低速柱称为南海复蘑菇状地幔柱。本文在论述南海复蘑菇状地幔柱的地质地球物理特征基础上,将地幔柱划分为柱头、柱体、柱尾、幔枝和热点等部分,建立起地幔柱三维几何结构模型,探讨了复蘑菇状地幔柱在南海海盆扩张过程中的主导作用以及欧亚板块、菲律宾海板块和印度洋板块相互作用对南海演化过程的影响。     

青藏高原软流圈与特提斯洋板块俯冲

由于缺乏足够的青藏高原内部观测的地震数据,难以对地壳上地幔构造进行准确的地震体波三维层析成像。在中国西部设有412个地方地震台站,2005～2008年观测仪器全部实现了数字化,为解决地震体波层析成像的观测数据问题提供了新的可能性。经过收集和整理这些地方地震台2009～2015年的数字化观测数据,得到了通过青藏高原的足够地震射线和对应的走时数据,处理后在北京和美国进行了三维层析成像计算,取得了一致的结果。利用地方地震台站的数据开展青藏高原地壳地震波速度的三维层析成像研究,得到1°×1°×20 km网格的纵波三维速度结构图像,揭示了青藏高原地壳上地幔波速结构特征。三维层析成像研究结果表明,青藏高原岩石圈地幔的速度变化很不连续,与软流圈没有连续的分界面。青藏高原软流圈内局部的高速和低速异常密集分布,与克拉通地区均匀分布的模式不同。这种软流圈内异常密集分布的模式,是新生代以来特有的大规模能量交换和物质运动的反映。成像结果发现在高原软流圈底部有一个清晰和稳定的高波速异常,它是现今特提斯洋板块的反映,纬度在28°～40°N之间。根据印度板块和特提斯洋板块的推进运动速度的估计,可以把现今特提斯洋板块构造模型沿时间轴反推回50 Ma和100 Ma以前,得到反映特提斯洋板块演化和青藏高原上地幔地质作用过程的模式。此模式说明,在50 Ma前特提斯洋板块已经俯冲到青藏高原软流圈,然后慢慢地下沉到软流圈底部。根据这个新生代青藏高原上地幔地质作用过程的反推模式,对不同时期特提斯洋板块和印度板块陆—陆俯冲前沿进行了定量的定位。这个作用过程的模式对板块构造学说以往的认识有一个重要突破:不认为所有的大洋板块都会俯冲到上地幔底部,宽度较小、俯冲速度较快的特提斯洋板块可能只俯冲到410 km的间断面之上。     

中国边缘海域及其邻区的岩石层结构与构造分析

利用中国边缘海域近年的地震层析成像结果,根据速度异常和各向异性分析东海、黄海和南海北部的岩石层结构和构造,讨论中朝块体和扬子块体在黄海内部的拼合边界(黄海东部断裂带)、东海陆架盆地上地幔异常与岩石层形成演化、南海北部地壳底部高速层的成因及地幔活动等问题。分析表明,黄海东部与朝鲜半岛之间存在一个深部构造界限(大致对应于黄海东部断裂带),分界两侧Pn波速度各向异性存在明显差异,反映不同构造应力和断裂剪切运动作用下的岩石层地幔变形特征。东海陆架下方的低速异常揭示了张裂盆地形成时期的地幔活动痕迹,表明中、新生代期间发生过地幔上涌并造成岩石层减薄,菲律宾海板块向西俯冲引发的地幔活动对东海陆架岩石层的形成、演化产生明显的影响。南海北部岩石层厚度较大并且温度相对偏低,地幔异常仅限于局部地区,估计南海北部大陆边缘的地壳底部高速层形成于张裂发生之前,或者是地壳形成时期壳幔分异时的产物。南海中央海盆的扩张不仅导致地壳拉张,软流层物质上涌,而且也造成岩石层地幔减薄甚至缺失。     

中国东部地区深部结构的层析成像

利用中国国家台网60个宽频带地震台站和国际地震中心(ISC)592个台站分别记录的1996—2007和1990—2004的震相报告,从中提取出可供反演使用的远震事件9806个,共12078个高质量的P波初至走时数据,对中国东部地区进行了远震P波层析成像研究。结果显示,在五大连池火山区和大同火山区有明显的低速异常,大同火山源区较深。另外几个明显的低速区分别分布在广东地区、渤海湾地区和长江中下游地区。四川盆地的高速特征和扬子板块的低速特征在纵剖面图像上也较为明显。中国东南部的软流圈中存在大面积的地幔上涌,认为是由板块之间的碰撞俯冲、引起大尺度地幔横向流动造成的,而太平洋板块的作用局限于其俯冲的"远程效应",为大范围的软流圈物质上涌提供了东侧的深部动力条件。     

华南和南海北部陆缘岩石圈速度结构特征与沉积盆地成因

新近地震层析资料表明, 华南和南海北部陆缘岩石圈及下伏的软流层中存在规模宏大的低速异常带, 它们在研究区新生代演化历史中曾发挥重要的控制作用.其中, 岩石圈底面及内部的巨型NW向异常低速带表明中生代末至新生代早期的神狐运动不仅在华南与南海北部陆缘产生NE向张裂构造体系并催生出内陆-陆架-陆坡沉积盆地, 还导致南海海盆的早期扩张.软流层NNW向的异常低速带则反映岩石圈SSE向的蠕动直接导致南海中央海盆的海底扩张及陆缘地区的持续裂解.研究区深部速度结构特征是历史动力过程所残留的痕迹, 华南陆缘和南海北部新生代沉积盆地的形成和发展, 与岩石圈及软流层的结构和运动方式密切相关.      

残留板块及地幔柱:怀俄明克拉通的上地幔地震图像(英文)

介绍了近年来天然地震体波和面波层析成像以及接收函数在怀俄明克拉通地区的应用。怀俄明克拉通地区的地壳和上地幔结构可以归结为克拉通成型时期的残存高速度异常以及进行中Yellowstone低速地幔柱。在克拉通南部边界缝合带地区以及在中部和北部下地壳中保存着一些高速度结构。南部边界缝合带地区的高速度倾斜上地幔结构与人工地震剖面LithoProbe在北美各个克拉通边界所记录的上地幔倾斜反射体一致。作为一个可能的上地幔消减板块残留体,这个倾斜上地幔结构显示出板块叠加可能是一个普遍的克拉通成型过程。在克拉通缝合带的莫霍面和上地幔深度,人工地震的研究结果显示板块叠加过程形成一个楔形体,体现出克拉通上地幔的较高粘度系数。接收函数的转换波共转换点叠加技术显示出这种楔形体存在于整个怀俄明克拉通的南部边界。接收函数和基于噪声的瑞利波层析成像图像显示出在克拉通地壳增厚地区存在下地壳高速体。作为早期岩石圈分裂过程残留的火成岩侵入体,这种下地壳高速体存在于较早成型的克拉通北部和中部地区,显示出南部克拉通地区不同的形成机制。克拉通的西部地区受到Yellowstone地幔柱的影响。层析成像显示低速的地幔柱从黄石地区向下延伸到至少500km。在消蚀岩石圈的同时,岩浆侵入体沿着hotspottrack在中地壳大量的形成,并引起下地壳岩石的横向流动。     

青藏高原北部新生代火山岩区深部结构特征及其成因探讨

青藏高原北部发育的大量新生代钾质、高钾质火山岩体的成因一直是个谜。利用布置在青藏高原内部及其周缘的305个临时宽频地震台站和固定地震台站记录到的9 649个远震事件,共139 021条P波初至到时资料对青藏高原深部结构特征进行了层析成像反演研究。结果显示,印度岩石圈地幔俯冲前缘已经到达了羌塘地体中部之下,在俯冲前缘存在一个从地幔深处延伸至地表的大规模低速体。该低速体可能是由于印度岩石圈地幔前缘俯冲进入软流圈深处而引起地幔热扰动,造成深部软流圈地幔的热物质向上扩散而形成的深部地幔物质上涌通道;该通道为青藏高原北部的新生代钾质、高钾质火山岩体的形成提供了条件。因此,青藏高原北部新生代火山岩可能是印度岩石圈地幔持续北向俯冲的结果。     

长江中下游地区成矿深部动力学机制：远震层析成像证据

长江中下游成矿带是我国东部重要的矿产资源基地。前人研究认为该地区的成矿作用与中生代大规模岩浆活动密切相关,但关于成矿的深部动力学机制仍存在着分歧。本研究利用远震层析成像方法获得了研究区下方整个上地幔内的三维速度结构,采取以下措施:(1)46个固定台站和67个流动台站记录的678个远震事件的17000余条P波波形;(2)利用改进的多道互相关技术直接从波形数据中提取相对走时残差信息,提高了数据处理的精度和效率;(3)地壳校正消除地壳不均匀性的影响;(4)检测板测试最佳网格间隔,水平方向为0.5°×0.5°,垂向为50~100km,从而可以保证结果的可靠性。最终的层析成像结果表明成矿带地区下方的上地幔内存在"两高一低"的速度异常体,浅部的高速体可解释为现存的岩石圈,深部的高速体则为拆沉的岩石圈,而夹在中间的低速体为上涌的软流圈热物质发源地。我们的成像结果为成矿的拆沉模式提供了有力支持。该模式认为岩石圈的拆沉导致软流圈物质减压熔融,底侵在壳幔边界,最终爆发大规模岩浆活动和成矿作用。结果清楚地显示出拆沉的岩石圈已经下沉至上地幔底部,而且在其上方存在着明显的软流圈热物质。此外,成像结果还显示出深部的高、低速体的走向与成矿带走向基本一致,并且由南至北逐渐变浅。这些特征与成矿带的成矿阶段密切相关。但遗憾的是,成像结果无法提供软流圈物质起源的信息,有待今后进一步研究。     

华夏地块中部宽频地震剖面深部速度结构研究

华夏地块处于欧亚板块、太平洋板块和菲律宾海板块相互作用的前沿。我国著名的南岭成矿带和武夷成矿带均位于华夏地块内。已有的研究认为,南岭和武夷的成矿作用可能与中生代晚期岩浆岩的底侵有关。为研究深部速度结构,本研究在2017年7月至2020年8月期间布设了一条横跨南岭成矿带与武夷成矿带的宽频地震测线。该测线共有81个流动台站组成,台站间距5-8 km,总长度约430 km。从连续波形中截取451个震级大于5.5级的远震事件波形,利用改进的互相关法直接从波形中计算得到7231条相对走时残差数据(误差小于0.1 s)。本研究采用远震走时层析成像方法反演相对走时残差数据,获得了高分辨率的速度结构。初步的成像结果表明:(1)华夏地块中部上地幔内存在一个明显的自西向东逐渐变深的低速异常体;(2)华夏地块岩石圈内速度结构具有很强的横向差异,且与断裂带分布存在一定的空间对应关系;(3)政和-大浦断裂带东侧下方200-300km处存在较明显的高速异常体。结合其它已有成果,本研究认为上地幔内的低速异常可能是上涌的软流圈热物质,抵达岩石圈底部引发岩石圈拆沉,可能继续沿深大断裂侵入地壳,形成金属矿藏;而拆沉的岩石圈冷物质下沉,所留痕迹即为软流圈内的高速异常体。     

东亚西太平洋巨型裂谷体系岩石圈与软流圈结构及动力学

笔者根据地震面波层析成像结果，对欧亚大陆及西太平洋岩石圈和软流圈速度结构进行了研究，发现东亚至西太平洋间存在一巨型低速异常带，结合构造地质学、地幔岩石学、地球化学及其他地球物理特性的研究，确认该区存在巨型裂谷体系。该巨型裂谷体系的岩石圈和软流圈三维Vs速度结构与太平洋洋中脊、大西洋洋中脊和印度洋洋中脊及其邻区的岩石圈和软流圈地震Vs速度结构十分相似，而与东太平洋边缘现代板块俯冲带的岩石圈与软流圈Vs速度结构有显著差异。在进一步论述该区动力学特征后认为，该巨型裂谷体系是中生代中晚期以来岩石圈整体主动伸展变形，大型裂陷盆地形成，岩石圈强烈拆沉减薄，以及软流圈物质上涌加热引起的。边缘海是在大陆裂谷系形成基础上发展起来的，主导扩张期为中渐新世至中中新世（32－13Ma），这些边缘海在17－15Ma后停止扩张，因而未能将所有边缘海和洋中脊联通。据此划分出4期构造变形动力学演化阶段，现今东亚至西太平洋间大陆裂谷、边缘海与沟弧体系是新生代中晚期以来，邻区各板块构造相互作用叠加的结果。     

华南地壳及上地幔三维速度结构成像

利用国家地震科学数据共享中心的地震目录及临时台网资料,挑选出11 113个区域地震的77 093条P波走时和93 541条S波走时,采用1°×1°的经纬度网格划分,反演获得了深至60km的华南南部地区的地壳及上地幔三维P波和S波的速度结构。研究结果表明,纵波速度结构与横波速度结构从整体来看具有较好的一致性,说明该研究获得的深部速度结果具有较高的可信性,但是在50km的深度纵、横波速度结构的一致性较差,可能是由于该深度的纵横波走时数据存在着较大的差异所导致的。本研究显示了研究区域内的速度结构存在着明显的横向不均匀性,东南沿海地区的地壳中出现了大规模的低速异常,可能与该区地幔物质的上涌有关;而在珠江三角洲、雷州半岛、北部湾及海南岛等地区莫霍面下方出现的低速异常,则与该区的热运动有关。经分析认为,华南南部地壳及上地幔的速度不均匀性和华南板块与扬子地块的相互作用有关,因此开展进一步研究能为探索和分析华南再造以及中国南海北部的构造演化提供重要信息。     

Moho depths and three-dimensional velocity structure of the crust and upper mantle beneath the Baikal region,from local tomography

We studied the 3D velocity structure of the crust and uppermost mantle beneath the Baikal region using tomographic inversion of ∼25,000 P and S arrivals from more than 1200 events recorded by 86 stations of three local seismological networks. Simultaneous iterative inversion with a new source location algorithm yielded 3D images of P and S velocity anomalies in the crust and upper mantle, a 2D model of Moho depths, and corrections to source coordinates and origin times. The resolving power of the algorithm, its stability against variations in the starting model, and the reliability of the final results were checked in several tests. The 3D velocity structure shows a well-pronounced low-velocity zone in the crust and uppermost mantle beneath the southwestern flank of the Baikal rift which matches the area of Cenozoic volcanism and a high velocity zone beneath the Siberian craton. The Moho depth pattern fits the surface tectonic elements with thinner crust along Lake Baikal and under the Busiyngol and Tunka basins and thicker crust beneath the East Sayan and Transbaikalian mountains and under the Primorsky ridge on the southern craton border.     

南海东北部及其邻近地区地壳上地幔P波速度结构

利用中国地震台网和ISC台站记录的P波到时数据,采用球坐标系有限差分地震层析成像方法反演了南海东北部及其邻近地区壳幔三维P波速度结构,并分析了不同地质单元的构造差异及其深部特征。结果表明:南海东北部表现出陆架地区的岩石层特性,属于华南大陆向海区的延伸,岩石层厚度较大,现今不存在大规模的地幔热流活动,推测大陆边缘张裂作用仅限于地壳内部而没有延伸进入上地幔,具有非火山型大陆边缘的深部特点。中央海盆附近上地幔P波速度明显降低,与海盆下方地幔热流活动密切相关。不同的速度异常特征表明:华南大陆暨台湾地区属于欧亚大陆的正常地壳或是与菲律宾海板块相互作用产生的增厚型地壳,冲绳海槽则是弧后扩张产生的减薄型地壳。滨海断裂带作为华南大陆高速异常和南海北部高速异常的分界,代表了一定地质时期华南地块和南海地块的拼合边界。断裂附近的上地幔低速异常揭示了闽粤沿海岩浆作用的深层动力机制。吕宋岛弧、马尼拉海沟、东吕宋海槽的速度异常与其所处的特殊构造位置有密切的关系,清晰地反映出岛弧俯冲带的地壳结构差异;台湾南部至吕宋岛弧的上地幔低速异常揭示了两个重要火山链的深部构造特征,北吕宋海脊下方100 km深度的条带状高速异常有可能代表了俯冲下沉的岩石层板片。     

中国兴蒙—吉黑地区岩石圈结构基本特征

兴蒙—吉黑地区岩石圈由额尔古纳、兴安、松嫩和佳木斯4个古陆块及完达山中生代大陆边缘增生杂岩构成。Nd同位素模式年龄显示,佳木斯陆块时代最老,1500～2200Ma;额尔古纳陆块次之,1000～1600Ma;兴安和松嫩陆块具有相同的Nd模式年龄,500～1200Ma。地球化学示踪分析表明,该区古生代时表层地壳的Nd同位素模式年龄以中元古代为主,而中生代花岗岩的Nd同位素模式年龄主要为新元古代,表明该区深部地壳的年龄较表层地壳的年龄年轻,显示出该区地壳具有下新上老的年龄结构。Os同位素分析同时证明,该区岩石圈地幔也多表现为年轻性质。地震(Vp)速度结构显示,该区岩石圈结构在垂向上具有两个明显的特征:一是与传统意义上的地震岩石圈概念明显不同,该区岩石圈地幔的低速带没有稳定连续的顶界面,低速异常顶界面深浅不一,与高速异常体犬齿交错,某些构造单元之下的低速异常直达Moho,但底界面却十分稳定,深度为230～240km;二是“立交式”速度结构,表现为在地壳范围内,速度等值线总体呈北东向展布;岩石圈地幔的速度等值线呈北北西-近南北向展布;低速异常圈层的速度等值线为近东西向展布。     

On Geophysical Background of Superlarge Deposits in the Chinese Continent

Based on the study of tens of geophysical profiles (seismic, geothermal flow and magnetotelluric sounding profiles) and 3-D shear wave velocity structures of the Chinese continent and its neighbouring regions, this paper describes the 3-D crustal and upper mantle structures and discusses briefly the deep geophysical background of superlarge ore deposits in the Chinese continent. Superlarge deposits are usually very few in number, but they are distributed still in certain forms such as "point", "zone" and "area". Most of the large-, medium- and small-sized deposits occur near the margins of different tectonic units; while the superlarge endogenic polymetallic deposits occur mostly in thinned mantle lithosphere, uplifts of the asthenosphere (vertical low-velocity zones) and the transformation zones of lateral inhomogeneity (weak zones) in the upper mantle. The superlarge endogenic polymetallic deposits are almost unevenly distributed in three major ore zones in China, corresponding to the boundaries of in     

Structure of the upper mantle in the Circum-Arctic region from regional seismic tomography

We present a new three-dimensional model of P-velocity anomalies in the upper mantle beneath the Circum-Arctic region based on tomographic inversion of global data from the catalogues of the International Seismological Center (ISC, 2007). We used travel times of seismic waves from events located in the study area which were recorded by the worldwide network, as well as data from remote events registered by stations in the study region. The obtained mantle seismic anomalies clearly correlate with the main lithosphere structures in the Circum-Arctic region. High-velocity anomalies down to 250–300 km depth correspond to Precambrian thick lithosphere plates, such as the East European Platform with the adjacent shelf areas, Siberian Plate, Canadian Shield, and Greenland. It should be noted that lithosphere beneath the central part of Greenland appears to be strongly thinned, which can be explained by the effect of the Iceland plume which passed under Greenland 50–60 million years ago. Beneath Chukotka, Yakutia, and Alaska we observe low-velocity anomalies which represent weak and relatively thin actively deformed lithosphere. Some of these low-velocity areas coincide with manifestations of Cenozoic volcanism. A high-velocity anomaly at 500–700 km depth beneath Chukotka may be a relic of the subduction zone which occurred here about 100 million years ago. In the oceanic areas, the tomography results are strongly inhomogeneous. Beneath the North Atlantic, we observe very strong low-velocity anomalies which indicate an important role of the Iceland plume and active rifting in the opening of the oceanic basin. On the contrary, beneath the central part of the Arctic Ocean, no significant anomalies are observed, which implies a passive character of rifting.     

Local modification of the lithosphere beneath the central and western North China Craton: 3-D constraints from Rayleigh wave tomography

We have imaged the lithospheric structure beneath the central and western North China Craton (NCC) with Rayleigh wave tomography. The Rayleigh waveforms of 100 teleseismic events recorded by 208 broadband stations are used to yield high-resolution phase velocity maps at 13 periods from 20 s to 143 s. A 3-D S-wave velocity model is constructed based on the phase velocity maps. Our S-wave velocity model is broadly consistent with the results of previous tomography studies, but shows more detailed variations within the lithosphere. The Trans-North China Orogen (TNCO) is generally characterized by low-velocity anomalies but exhibits great heterogeneities. Two major low-velocity zones (LVZs) are observed in the north and south, respectively. The northern LVZ laterally coincides with sites of Cenozoic magmatism and extends to depths greater than 200 km. We propose that a small-scale mantle upwelling is present, confined to the north of the TNCO. A high-velocity patch in the uppermost mantle is also observed between the two LVZs adjacent to the narrow transtensional zone of the Cenozoic Shanxi–Shaanxi Rift (SSR). We interpret this as the remnant of a cratonic mantle root. The Ordos Block in the western NCC is associated with high-velocity anomalies, similarly reflecting the existence of cratonic mantle root, but a discernible low-velocity layer is observed at depths of 100–150 km in this location. We interpret that this mid-lithospheric structure was probably formed by metasomatic processes during the early formation of the NCC. Based on the observations from our S-wave velocity model, we conclude that the current highly heterogeneous lithospheric structure beneath the TNCO is the result of multiphase reworking of pre-existing mechanically weak zones since the amalgamation of the craton. The latest Cenozoic lithospheric reworking is dominated by the far-field effects of both Pacific plate subduction and the India–Eurasia collision.     

苏鲁造山带地壳上地幔结构层析成像研究

扬子与华北板块在三叠纪的俯冲碰撞形成了著名的苏鲁超高压造山带,其板块碰撞接触关系一直是热点问题.利用国家台网中心64个省台记录的1 079个近震事件的10 922个P波到时和251个远震事件的11 931个P波到时数据,采用远近震联合反演的层析成像方法对苏鲁地区进行了地壳上地幔速度结构反演.结果显示,研究区内两个低速异常区分别对应山东半岛西部的华北板块地幔上隆区和壳幔相互作用强烈的长江中下游成矿带地区.在地幔300 km深度之下出现的高速异常体可能代表了早中生代扬子与华北板块碰撞之前俯冲拆沉的古特提斯洋板块.传统观点的扬子板块岩石圈向北俯冲不明显,华北板块表现为向东南俯冲的高速特征.华北板块俯冲以苏鲁造山带中部的北纬35°为界,分为南北两种俯冲样式.北部俯冲不明显,华北板块停滞在郯庐断裂带以西;南部则表现华北板块向东南陡倾俯冲到苏鲁造山带之下.      

Upper mantle P-wave tomography across the Longmenshan fault belt from passive-source seismic observations along Aba-Longquanshan profile

A passive seismic experiment across the Longmenshan (LMS) fault belt had been conducted between August 2006 and July 2007 for the understanding of geodynamic process between the Eastern Tibet and Sichuan basin. We herein collected 3677 first P arrival times with high precision from seismograms of 288 teleseismic events so as to reconstruct the upper mantle velocity structure. Our results show that the depth of the Lithosphere–asthenosphere boundary (LAB) changes from 70 km beneath Eastern Tibet to about 110 km beneath Longquanshan, Sichuan Basin, which is consistent with the receiver function imaging results. The very thin mantle part of the lithosphere beneath Eastern Tibet may suggest the lithosphere delamination due to strong interaction between the Tibetan eastward escaping flow and the rigid resisting Sichuan basin, which can be further supported by the existences of two high-velocity anomalies beneath LAB in our imaging result. We also find there are two related low-velocity anomalies beneath the LMS fault belt, which may indicate magmatic upwelling from lithosphere delamination and account for the origin of tremendous energy needed by the devastating Wenchuan earthquake.