鄂尔多斯块体及周边区域地壳结构的接收函数研究

鄂尔多斯块体及周边区域的深部构造研究对于了解华北克拉通与其周边地带形成、发展和克拉通破坏具有怎样的壳、幔结构和深层动力学过程具有重要的意义.本文利用北京大学和中国地震局在华北克拉通西部地区布设的共32台宽频带地震仪记录的远震体波资料,组成一条近南北向的观测剖面,由北至南依次穿过阴山造山带、河套盆地、鄂尔多斯块体、渭河盆地、秦岭造山带和大巴山系.计算各台站的P波接收函数,利用倾斜叠加(H-κ)方法得到了研究区域地壳厚度和泊松比;利用Kirchhoff偏移成像方法得到了研究区域下方Moho面的形态.研究结果表明,阴山造山带地壳厚度为42~44km,地壳结构稳定,泊松比约为0.27,推测该区域的造山运动是深部物质上涌导致.河套盆地内Moho面抬升,可认为是岩石圈物质上涌导致.鄂尔多斯块体内平均地壳厚度41.2km,泊松比0.27,Moho面从北至南平缓有平缓抬升的趋势,从最北端的43.5km到最南端的39km.鄂尔多斯块体北部在20km深度处存在低速层,块体内部36°N~37°N区域内出现Moho面小规模下沉,这对鄂尔多斯块体地壳结构单一、完整、未遭到破坏的观点提出了挑战.渭河盆地内Moho面隆起,最浅达到30km,推测是青藏高原地壳上地幔物质向东挤出并上涌所造成的.秦岭造山带地壳厚度约38.5km,Moho面平稳.位于扬子板块北缘的大巴山系地壳厚度达到54.5km,明显大于华北克拉通的地壳厚度.     

华北克拉通东部地壳和上地幔结构的接收函数研究

利用北京大学和早期中国科学院地质与地球物理研究所在华北克拉通东部地区布设的共34台宽频带地震仪记录的远震体波资料,获取P波接收函数和S波接收函数,再分别通过偏移成像和共转换点叠加(CCP)和倾斜叠加得到了华北克拉通东部横跨郯庐断裂带地区沿剖面的地壳和上地幔速度间断面分布.研究结果表明,鲁西隆起下方的莫霍面的深度要比华北盆地和青岛地区浅约5 km,形成类似屋顶状的莫霍面隆起.郯庐断裂带和聊考断裂带下方的莫霍面有明显的错断.岩石圈与软流圈的分界面(以下简称LAB)的深度从太行山山前的约100 km深度上升到鲁西隆起下方约60 km深,向东在青岛地区下方LAB深度进一步变浅.我们利用倾斜叠加计算台站下方波速比得到地壳内的泊松比变化,结果显示鲁西隆起泊松比值分布相对均匀,而青岛地区内泊松比变化剧烈,可能反应了该地区作为苏鲁大别超高压变质带的北缘经历了较为复杂的地质演化过程.     

利用P波接收函数方法研究华北克拉通西部地壳和上地幔间断面

本文利用北京大学在华北克拉通西部布设的一条东西方向流动地震观测台阵记录的远震资料,提取各台站P波接收函数,然后通过倾斜叠加(H|κ)、共转换点叠加(CCP)和偏移成像获得了横跨华北克拉通西部鄂尔多斯块体和祁连块体下方地壳和上地幔速度间断面的形态分布.研究结果显示,Moho面从东向西逐渐加深,与地形大致呈镜像关系,东部华北克拉通内部(鄂尔多斯地块)的地壳厚度为~40km,而最西部青藏高原内部(柴达木盆地)的地壳厚度为~65km.在祁连块体下方出现了剧烈地Moho面阶跃,我们推断这是因为柴达木盆地受到南北方向印度板块对欧亚板块的挤压,从而导致垂直方向上厚度的增加.对于上地幔660km速度间断面的成像显示,在30°~32°N|100~102°E范围内出现了加深,这可能与存在低温物质有关.通过对比其他学者利用体波成像和接收函数所获得的结果,我们推测660km速度间断面的加深可能是受印度板块在对应深度上的残留俯冲块体的影响所致.     

远震P波接收函数揭示的张家口(怀来)—中蒙边境(巴音温多尔)剖面地壳厚度与泊松比

本文使用时间域迭代反褶积算法,从张家口(怀来)—巴音温多尔一线布设的41个宽频地震台站、1年期间记录的连续三分量数据中提取到高质量的P波接收函数1844个.用H-κ扫描方法获得了测线下方Moho深度与波速比值(VP/VS)进而计算出泊松比,用共转换点(CCP)叠加方法获得了沿测线Moho面起伏图像.结果显示:(1)测线下方Moho深度平均40km,仅各块体边界处出现Moho深度小尺度急剧变化.整体上,Moho面产状相对于索伦缝合带大致对称,在缝合带南侧的温都尔庙带和白乃庙带下方呈南倾趋势,在缝合带北侧的宝力道带、贺根山杂岩带下方呈北倾趋势.(2)华北克拉通北缘泊松比总体较高,兴蒙造山带整体较低;各次级块体内部泊松比分布相对稳定,块体分界带附近往往存在泊松比值的升降扰动.(3)整条测线地壳厚度和泊松比之间存在弱的负相关关系,表明存在构造作用的影响.(4)整条测线泊松比呈现以索伦缝合带南缘为对称轴的非线性分布.本文所获得的地壳上地幔结构以及泊松比分布特征,支持古亚洲(索伦)洋(南北)双向俯冲,最终沿林西断裂闭合的动力学模式.     

华北克拉通西部块体北缘及邻区地壳厚度与泊松比分布特征

收集了2010—2011年华北克拉通西部块体北缘及邻区布设的36个流动地震台和2009—2016年内蒙古自治区数字地震台网17个宽频带固定地震台站的远震事件波形数据, 采用接收函数H-κ算法分析获得了53个基岩台站下方的地壳厚度和泊松比结果。 此外, 结合已有的81个台站的研究成果, 给出华北克拉通西部块体北缘及邻区地壳厚度与泊松比分布特征。 综合分析认为, 研究区地壳厚度在整体上呈现自东向西渐变的特征, 最厚的地方出现在华北克拉通西端的阿拉善地块(～48.7±3.0 km)。 研究区平均泊松比为0.27, 泊松比高值异常出现在河套断陷带, 意味着可能具有较高的地壳温度或者存在壳内部分熔融。 研究区内不同构造单元呈现出显著的地壳厚度和泊松比分布特征的差异性, 意味着在华北克拉通构造演化过程中, 不同地区经历了不同的地壳改造过程。     

利用远震接收函数研究华北克拉通北部造山带地壳厚度及泊松比

对2006年10月—2009年9月华北克拉通北部太行山—燕山造山带及相邻区域115套宽频带流动台和6套甚宽频流动台的接收函数数据,使用预测反褶积方法进行处理,消除沉积层的影响;然后利用谐波校正的H-κ-c叠加方法,得到了华北克拉通北部造山带及邻近区域消除地壳S波方位各向异性及倾斜界面影响的地壳厚度及泊松比。研究结果表明,研究区地壳厚度呈现西厚东薄的整体特征,地壳厚度与地形存在高度相关性,且基本符合艾里（Airy）均衡理论。西部陆块泊松比较低,表明其相对稳定,中部造山带和东部陆块的泊松比分布不均匀,可能遭受过复杂的改造过程。结合前人的研究结果,推测怀来—延庆盆地及唐山南部存在地壳部分熔融和上地幔物质的上侵,石家庄北部存在下地壳拆沉,保定—房山一带下地壳拆沉后,受伸展作用影响遭遇地幔物质底侵。不同区域地壳结构的差异性导致了谐波矫正前后研究区地壳厚度及平均泊松比变化的分布不同。      

华北克拉通中西部岩石圈结构研究

本文选择华北中、西部两条宽频带密集流动地震台阵NCISP7和PKU作为研究对象,对南北向A-A"(NCISP7)剖面64个地震台站和东西向B-B"(PKU)剖面50个地震台站记录的远震记录提取P波和S波接收函数,然后通过共转换点叠加(CCP叠加)和偏移成像,得到了华北克拉通中西部岩石圈的精细结构.结果表明,华北克拉通西部地壳较厚,约44 km,莫霍面(Moho)起伏十分平缓,克拉通中部地壳厚度介于36~42 km,表现为西部厚,东部薄,北部厚,南部薄的特点.华北克拉通西部岩石圈厚度100~130 km,克拉通中部岩石圈厚度100~150 km与克拉通东部60~100 km普遍减薄的岩石圈相比,克拉通中西部岩石圈较厚;但与古老稳定克拉通200 km厚度的岩石圈相比,中西部华北克拉通显然也发生了岩石圈减薄现象.无论是在A-A"剖面南北方向上,还是B-B"剖面东西方向上,岩石圈厚度都存在急剧变化,岩石圈结构表现为显著的横向不均匀性.     

华北不同构造块体地壳结构及其对比研究

华北古大陆块体经多期构造运动的改造使地壳构造具有明显的分块特征. 利用华北地区近30条、共约两万公里的深地震测深资料及成果,进一步研究华北各次级块体内部地壳细结构,对比分析各块体的结构差异. 根据不同的地壳结构特征,华北地壳可分为三大类：西部鄂尔多斯盆地地壳结构简单,基底结构完整,为稳定古大陆地壳;华北中部隆起区太行山及北部阴山、燕山隆起区地壳结构相对简单,中部地壳和下地壳局部区域轻微速度逆转,可能与该区域地壳增厚隆升的壳内介质解耦形变有关;华北东部裂陷盆地地壳结构复杂, 基底下陷、破碎,壳内介质松散、速度低,Moho上隆、地壳减薄,横向结构差异明显,显示了新生地壳构造特征. 在此基础上,综合研究、探讨了华北地壳分块构造以及与之相关的动力学演化.     

华北东北部裂陷盆地与燕山隆起地壳结构

天津—北京—赤城深地震测深剖面采用密集炮点和接收点距设计构成了较为完整的观测系统,利用该剖面地震测深资料研究华北东部裂陷盆地与燕山隆起地壳结构及构造耦合.结合该区域已有研究成果,进一步分析了张渤地震带东段的地震构造环境.结果显示,华北克拉通东部裂陷盆地结晶基底构造形态和界面结构性质与新生代以来的地壳构造运动密切相关,北侧燕山隆起区高速稳定和南侧裂陷盆地低速松散截然不同的地壳结构,使宝坻－桐柏、宁河－昌黎断裂构造分区线和燕山隆起之间的中间过渡带为张渤地震带东部平原区地震的孕发提供了良好的构造环境.     

藏北羌塘盆地中部莫霍面形态及其动力学成因

本文通过对羌塘盆地内49个临时宽频带地震观测台阵数据的接收函数分析,采用H-κ叠加和CCP 叠加成像两种方法,获得到了藏北羌塘中部莫霍面深度以及泊松比分布.作为羌塘盆地构造单元的南缘边界,班公湖-怒江缝合带下的Moho存在一个南深北浅、断距约10 km的台阶;把羌塘盆地分为两部分的羌塘中央隆起带下存在一个3 km的Moho台阶;北羌塘盆地下的Moho 平均深度约为60 km,而南羌塘约为63 km.羌塘高原下的近水平Moho结构可能是受到印度大陆北向俯冲作用下的青藏高原隆升过程中Moho再均衡所致或者与其构造演化有关.泊松比值具有明显的构造分区特征,如南羌塘下的泊松比平均为0.31,双湖缝合带下的泊松比接近正常值,为0.265,而北羌塘的泊松比平均为0.285.     

华北克拉通地壳结构及动力学机制分析

本文对布设在华北克拉通三个陆块的199个宽频带台站记录的远震数据进行了接收函数计算.利用H-κ迭代方法获得了该区域基岩地区的地壳结构,平滑处理后作为背景结构模型中的基岩地区地壳结构;利用相邻算法对沉积层地区的接收函数进行了波形拟合计算,获得了沉积层结构,平滑后作为背景结构模型中的沉积层结构;结合前人的研究成果,完善了研究区域的背景结构模型.以此模型为基础,对接收函数进行了CCP（Common Conversion Point,共转换点）叠加成像,获得了Moho面成像结果,对比沉积层的成像结果发现：西部陆块中鄂尔多斯块体东部地区地壳厚度较大,约为42 km,泊松比较低,小于0.24,为长英质含量较多的地壳层;位于中部陆块的山西地堑地壳厚度小于鄂尔多斯块体,且变化较大,西侧地壳厚度约为40 km,东侧重力梯度带附近地壳厚度迅速减薄至36 km左右,张家口-怀来-大同一带出现了地壳的局部抬升,地壳厚度等值线基本以北北东方向为主,与构造带方向基本一致,地堑内泊松比约为0.26~0.28,前人对此区域的层析成像研究结果表明太行山隆起和阴山隆起存在壳内低速层,推测为地壳部分熔融以及上地幔物质上涌造成的;东部陆块中渤海湾盆地的地壳厚度较薄,约为32 km,部分地区小于30 km,其中冀中坳陷带地壳厚度最薄,约为28 km,沉积层基底分布与Moho面分布呈镜像对称趋势,沉积层较厚地区的地壳较薄,推测东部陆块在太平洋板块俯冲作用下,存在北西-南东向的拉张作用,使其内发育了大量断陷盆地.     

基于背景噪声和地震面波联合反演华北克拉通中部岩石圈结构

基于ChinArray三期项目布设于华北克拉通中部的流动台阵观测数据,利用背景噪声互相关和地震面波层析成像获取了研究区内6—140 s周期的瑞雷面波频散,使用蒙特卡罗非线性反演方法获得了华北克拉通中部岩石圈的高分辨率三维S波速度结构。结果显示华北克拉通不同地块的岩石圈速度结构存在显著的横向差异:其中鄂尔多斯盆地腹地整体表现为高速特征,延伸至200 km以下,但其东南缘存在小范围的低速异常;东部的华北盆地整体表现为低速特征,具有较薄的地壳和岩石圈厚度;中部造山带南北两端以及南北重力梯度线下方存在相连接的低速区域,在深处延伸至华北盆地下方;在下地壳和上地幔顶部,大同火山群区域的低速体逐渐向西偏移至鄂尔多斯盆地东北角下方;而在上地幔中,该区域的低速异常随深度增加而逐渐减弱,低速体延伸至东南方向的华北盆地下方。基于本研究获得的S波速度模型,我们认为:鄂尔多斯盆地腹地保持了克拉通特性,但其东南缘存在局部的岩石圈改造作用;华北盆地发生了强烈的岩石圈破坏减薄和地壳伸展变形;中部造山带南北端以及南北重力梯度线下方的岩石圈发生了局部的改造减薄,其机制可能都来源于华北盆地下方地幔热物质的上涌;大同火山群下方上涌的热物质从鄂尔多斯盆地东北角下方侵入下地壳,在地壳内上升过程中受到上地壳的阻挡,向东流动至大同火山群下方,形成了大同火山群的岩浆活动,其深部来源可能与西向俯冲的太平洋停滞板块有关。      

用接收函数方法研究华北克拉通中部造山带及其邻域地壳方位各向异性

华北克拉通是中国东部的重要组成部分,近年来众多研究结果表明,华北克拉通东部在中生代以来发生了明显的岩石圈减薄和破坏.深部岩石圈破坏过程必然伴随地壳构造变形.因此,详细的地壳变形信息可为认识华北克拉通东部的破坏过程和方式提供基本观测依据.文章采用远震接收函数集约束地壳方位各向异性结构的方法,对华北克拉通198个流动地震台站的莫霍面Ps转换波进行谐波分析,获得了其中23个台站下方稳定可靠的地壳平均方位各向异性结构信息,并进一步分析判断了这些台站所在的渤海湾盆地边缘、阴山-燕山造山带及太行山地区的地壳变形特征.研究结果显示,华北克拉通中部造山带邻域台站下方地壳的S波快慢波分裂时间从0.05到0.68s不等,平均值为0.23s,说明在研究区域存在明显的地壳方位各向异性.分析认为,华北克拉通破坏峰期中国东部强烈的NW-SE向伸展变形事件对该区域地壳方位各向异性的贡献很大.除此以外,渤海湾盆地边缘台站下方近E-W向的快波方向,说明该区域可能还受到ENE-WSW方向的现今地壳最大水平主压应力场的作用;阴山-燕山构造带附近地壳各向异性特征还受到侏罗纪到早白垩世多期主要为N-S向的缩短变形运动的影响;太行山地区的台站分裂时间较大,快波方向呈现一致的NW-SE向,与远震SKS波分裂方法得到的快波方向的一致性较好,推测该区域地壳变形可能主要与晚中生代到新生代以来的岩石圈改造和上地幔物质底侵有关.     

中国南北地震带北段及其周缘地壳厚度与泊松比研究

本文利用中国地震科学探测台阵2013-2015年在南北地震带北段及其周缘架设的673个台站所记录到的远震波形所提取到的接收函数并应用H-κ扫描方法获取了南北地震带北段及其周缘的地壳厚度和泊松比,结果显示研究区地壳厚度从青藏高原东北缘向鄂尔多斯块体逐渐减小,从65 km逐渐减薄至40 km,不同块体之间地壳厚度存在明显差异.祁连造山带西部地壳厚度超过60 km,而东部地壳厚度仅为约50 km左右,表明祁连造山带东、西部地壳增厚变形存在着明显差异.西秦岭造山带地壳厚度从60 km减薄到40 km,其东部具有较薄的地壳厚度可能经历了拆沉.阿拉善块体作为华北克拉通西部块体的一部分,西部地壳厚度约50 km,而东部约45 km,表明阿拉善块体西部由于印度一欧亚板块碰撞也受到了活化改造,其克拉通性质只在其中东部残留.研究区泊松比变化范围为0.20~0.31,平均泊松比约0.25,表明地壳主要由长英质矿物组成,较高的泊松比主要分布在六盘山断裂带和银川一河套地堑.研究结果显示地壳厚度与高程之间具有较好的相关性,表明地壳整体上处于相对均衡的状态,而西秦岭造山带和祁连造山带东部的部分区域地壳可能处于不均衡状态.     

联合多种资料确定华北岩石圈三维热-流变结构:对裂陷形成的意义

中生代以来,华北克拉通岩石圈发生了显著破坏和变形,变形的一个显著特征是广泛存在的拉张构造和华北东部的岩石圈减薄,而岩石圈的热-流变结构是控制这些动力过程的主要因素之一.文章基于地球物理学-岩石物理学方法,综合利用多种资料构建华北地区现今岩石圈三维热-流变结构模型,进而探讨其与拉张构造和裂陷形成的关系.结果表明,西部岩石圈较厚、莫霍面温度低(T_(Moho)600℃),岩石圈强度和幔-壳强度比(S_m/S_c1)均较高.西部窄裂陷的变形方式符合这种地幔强度为主导的局部集中变形.华北东部岩石圈表现为大范围减薄(岩石圈厚度80～110km),但其强度并未整体降低,在局部地区(如渤海湾盆地和河淮盆地)表现出较高的强度(10×10~(12)Pam).东部的大部分地区岩石圈表现为较高T_(Moho)(600～750℃)和低S_m/S_c(1),这与东部现今岩石圈大范围的分布式拉张构造不符.结合古地热及岩石学等研究结果,构建华北克拉通演化历史上的岩石圈热-流变结构,推断东部裂陷形成初期曾具有显著薄弱的岩石圈,其变形方式为以地壳强度为主导的区域性弥散拉张变形,并进而演化形成广泛的宽裂陷.但后期岩石圈冷却增生使强度明显增加,导致现今岩石圈的热-流变状态与经历的拉张构造演化过程的不一致.     

利用接收函数方法研究中国东北东南部地区不同构造体的地壳特征

基于我们布设的探测深俯冲的中国东北地震台阵NECsaids台阵和固定地震台长时段的观测记录及NECESSArray流动台阵共计152个台站数据提取得到的33752条P波接收函数,采用H-κ叠加分析和共转换点（CCP）叠加成像等方法进行统一分析处理,并汇集他人接收函数研究结果得到中国东北东南部地区迄今为止最高分辨率的地壳厚度和平均波速比分布图像.对中国东北东南部地区不同构造体的地壳特征综合分析研究表明：研究区不同陆块的地壳属性存在明显差别,张广才岭地块中南部的地壳厚度和波速比与华北克拉通东北缘相当,地壳厚度同地表地形之间显示有明显的正相关关系;松辽地块东南缘地壳最薄、波速比最高,地壳厚度同壳内波速比之间显示出明显的负相关关系;兴凯地块西部地区的地壳结构表现为稍厚的地壳厚度和研究区内最低的壳内波速比,其地壳厚度同壳内波速比之间亦显示出明显的负相关关系;佳木斯地块西南缘在具有"正常"的壳内波速比同时地壳最厚.研究区内的郯庐断裂带北延段在切穿其下Moho面的同时表现出南北分段的特征：北段（44.4°N—47°N）两分支之下的Moho面整体下凹,而南段（41.5°N—43.3°N）两分支之下的Moho面则整体上隆.长白山天池火山下方表现为Moho面下凹沉落及高壳内波速比特征,推测其壳内岩浆囊很可能存在于火山口东北隅至少10 km的范围内.     

华北东部晚中生代伸展构造作用

本文在对华北东部晚中生代变质核杂岩、原型裂陷盆地群分布特征研究的基础上，结合区域地壳和上地幔的地球物理场特征，分析了变质核杂岩构造、裂陷盆地群的主要控制因素和岩石圈巨大减薄作用的形成机理，阐明了华北东部晚中生代的构造演化受太平洋板块俯冲效应、扬子板块碰撞挤压和软流圈大规模上涌联合作用的控制，而地表、中－上地壳分界和Moho界面是深部地质过程和浅部地质构造之间耦合的关键界面.     

华北克拉通中西部地区地壳厚度与波速比研究

本文使用华北科学台阵和中国国家地震台网164个地震台站记录的远震波形资料,用最大反褶积方法提取接收函数,采用接收函数H-k叠加方法得到了各台站下方的地壳厚度和波速比.研究结果表明,华北克拉通中西部地区的地壳厚度由东向西加深,其中东部的华北平原地区地壳厚度介于30～33 km,中部的燕山—太行地区地壳厚度介于33～40 ...     

利用接收函数方法研究喜马拉雅东构造结地区地壳结构

本文使用位于喜马拉雅东构造结地区布置的24个宽频带地震台站记录的远震波形数据,利用P波接收函数的方法研究了台站下方的Moho面深度、泊松比和地壳速度结构.结果表明,东构造结内Moho面深度呈现出自南西向北东方向逐渐变深的趋势,地壳厚度在54~60 km范围内,其中东久一米林走滑断裂带附近Moho面最浅,东构造结周围拉萨地块的Moho面深度在60 km以上.东构造结西部东久一米林走滑断裂带附近地壳泊松比较高.嘉黎断裂带南北两侧的泊松比差别较大,说明该断裂带两侧地壳结构存在显著差异.东构造结周边拉萨地块地壳内普遍存在低速层,分布在20~40 km深度范围内,厚度约为5~15 km.     

华北克拉通中东部地壳三维速度结构模型(HBCrust1.0)

华北克拉通中东部岩石圈减薄研究已经成为近年固体地球科学研究的热点,同时该区域也是中国强震的多发区.在华北及邻近地区已完成了二维人工地震宽角反射/折射探测(简称DSS剖面探测)剖面42条,文章收集了这些二维探测剖面的研究成果,在对二维剖面速度结构和界面结构进行网格化处理的基础上,采用克里金(Kriging)插值方法构建了华北克拉通中东部地壳三维速度结构模型HBCrust1.0.采用走时拟合的办法对模型进行了检验,结果表明,用HBCrust1.0地壳模型计算得到的初至波走时与实际台站观测到的初至波走时之间拟合良好.研究结果表明,上地壳是主要的孕震层,C界面(上、下地壳分界面)附近区域是地壳内部的脆韧转换带.唐山地震震源区下方Moho面深度有明显的变化,其低速结构一直延续到下地壳,推断唐山地震的应力积累与地幔物质运移和变形密切相关.克拉通东部华北盆地中心区域的下地壳平均速度明显要高于周围地区,可能是地幔岩浆长期底侵作用的结果.