中国及邻区瑞利面波高分辨率层析成像及其地球动力学意义

用分布于欧亚大陆及西太平洋地区106个宽频带数字地震台站约2万多个长周期波形记录,挑选出沿10600条大圆路径传播的瑞利面波,采用频散分析及波形拟合反演方法,对中国及相邻地区地壳上地幔进行高分辨率三维层析成像。瑞利面波高分辨率速度成像表明,从上地壳到70km深,在东亚东部及西太平洋边缘海地区均为高速分布,西部以青藏高原为中心呈极低速分布。从100～250km深,在东亚东部及西太平洋边缘海,自北向南显示出一条宽2500～4000km,长约8000km的巨型低速异常带。在深度300～400km的平面图上,速度差异幅度不大,塔里木—扬子地块仍然显示为高速分布。东西两部分岩石圈与软流圈的结构有着巨大的差异。西部主要是印度板块与欧亚板块碰撞引起的岩石圈汇聚增厚区,东部则主要是由于软流圈上涌(地幔热物质上升)引起的岩石圈拉张减薄区。古新世印度与欧亚大陆的碰撞汇聚,岩石圈板片以低角度下插到青藏高原之下,引起高原隆起和地壳增厚,西部地区成为岩石圈汇聚区。中生代中晚期东亚大陆东缘岩石圈解体,软流圈物质上涌,岩石圈减薄张裂,形成巨型低速带,并演化为东亚裂谷系。现今的西太平洋边缘海、沟弧盆体系是新生代中晚期太平洋板块、澳大利亚板块与欧亚板块相互作用形成的。     

中国西部及邻区岩石圈热状态与流变学强度特征

根据均衡原理制约的地热计算得到中国西部及邻区岩石圈的温度分布状态,以40、100km和莫霍面深度等温线图的形式表示,同时计算了以1 350℃等温面深度表示的中国西部及邻区的热岩石圈厚度。结果显示:中国大陆西北部地区、哈萨克斯坦东部地区以及上扬子地块、蒙古中西部地区和青藏高原中部的深部地温较低,青藏高原北部、东部以及天山褶皱带中部的深部地温高。在中国西部及邻区范围内,岩石圈厚度在180km以上的地区包括准噶尔盆地,塔里木盆地核心部位,西藏东部、中部以及祁连山地区。上扬子地块(四川盆地)岩石圈厚度为160km或更多,蒙古中西部地区以及哈萨克斯坦东部地区的岩石圈厚度为140～180km。青藏高原东部边缘和藏北地区以及天山中部吉尔吉斯伊塞克湖地区的岩石圈厚度较薄(<140km)。地热计算得到的结果与地震层析成像研究结果之间相互吻合。采用湿的上地幔流变学模型的计算结果表明,青藏高原及其东部边缘、天山褶皱带中部和蒙古中西部地区的岩石圈流变学强度模型为"奶油蛋糕(crèmebrlée)"型,其强度剖面显示强地壳而弱地幔的特点;上扬子地块(四川盆地)、准噶尔盆地、塔里木盆地和哈萨克斯坦东部地区岩石圈流变学强度模型为"果冻三明治(jelly sandwich)"型。     

用瑞利面波研究东亚及西太平洋地壳上地幔三维结构

用分布于欧亚大陆及西太平洋地区106个宽频带数字地震台站约20000多个长周期波形记录,挑选出沿10600条大圆路径传播的瑞利面波,采用频散分析及波形拟合反演方法,对东亚及西太平洋边缘海地区地壳上地幔进行高分辨率三维层析成像。高分辨率速度成像表明,从上地壳到70km深,在东亚东部及西太平洋边缘海地区均为高速分布,西部以青藏高原为中心呈极低速分布。从100km至250km深,在东亚东部及西太平洋边缘海,自北向南显示出一条宽约2500km~4000km,长约8000km的巨型低速异常带。深度为300km~400km的平面图上,速度差异幅度不大,塔里木至扬子地块仍然显示为高速分布。东、西两部份岩石圈与软流圈的结构有着巨大的差异。西部主要是印度板块与欧亚板块碰撞引起的岩石圈汇聚增厚区;东部则主要是由于软流圈上涌(地幔热物质上升)引起的岩石圈拉张减薄区。古新世印度板块与欧亚板块的碰撞,岩石圈板片以低角度下插到青藏高原之下,引起高原隆起和地壳增厚,西部地区成为岩石圈汇聚区。中生代中晚期东亚大陆东缘岩石圈解体,软流圈物质上涌,岩石圈减薄张裂,形成巨型低速带,并演化为东亚裂谷系。现今的西太平洋边缘海、沟弧盆体系,是新生代中晚期太平洋板块、澳大利亚板块与欧亚板块相互作用形成的。     

中国西部地壳上地幔速度和Qβ结构

从穿越中国西部地区所有双台大圆路径中,选出Ｒａｙｌｅｉｇｈ波记录比较清晰且焦散效应相对较弱的３条双台大圆路径,计算出双台间地震面波相速度频散,群速度频散和随周期变化的衰减因子,进而反演出３条路径下地壳下地幔的平均Ｓ波速度和Ｑβ结构,对应于兰州－高和径,在约７２ｋｍ深度的上是幔中开始出现低速和Ｑβ层,在深度为６ｋｍ－２０ｋｍ的地壳中,存在一低Ｑβ层,而在其下２０ｋｍ～３４ｋｍ深度的地壳中存在一高Ｑβ夹层,对应于成都－乌鲁木齐路径,在约８６ｋｍ深度的上地幔中开始出现低速Ｑβ层,在１２１ｋｍ深度开始出现明显的低Ｑβ层,在深度为１９ｋｍ～３４ｋｍ的地壳中,存在一显著的高Ｑβ层,对应于高台一拉萨路径,在约８４ｋｍ深度的上地幔中开始出现低速和低Ｑβ层,在１５ｋｍ～２９ｋｍ深度的地壳中,存在一高Ｑβ夹层。     

青藏高原地壳与上地幔成层速度结构与深部层间物质的运移轨迹

在印度洋板块与欧亚板块碰撞、挤压作用下,促使深部物质重新分异、调整和运移,并导致了地壳的短缩增厚,而且造成了高原的整体隆升和深部壳、幔物质的侧向流展。基于青藏高原腹地和周边地域地壳与上地幔的成层速度结构,特别是其特异层序的展布研究表明,青藏高原地壳巨厚,但岩石圈却相对较薄;地壳中于深20±5km处存在一低速层,层速度为5.7±0.1km/s,厚度为8±2km;上地幔软流圈顶部深度为110±10km;下地壳与上地幔盖层物质以地壳低速层为上滑移面,以岩石圈漂曳的上地幔软流圈顶面为下滑移面,在印度洋板块N-NNE向力源作用下在同步运移,即形成了青藏高原腹地和周边地域特异的大陆地球动力学环境。     

岩石圈—软流圈物质循环促进大陆增生的新方式

大陆动力学研究地球内能量和物质的运动和伴随的信息传播,上地幔中的软流圈是地球内部的物质运动的关键部位之一。由于观测的技术方法少,人类对软流圈内部的地质作用过程所知甚少。在青藏高原,过去地震波三维层析成像的分辨率不高,难以对地壳上地幔构造进行准确的定位。我们收集和整理了地方地震台的数字化观测数据,使地震体波三维层析成像的准确度大大提高,为解决软流圈的地质构造准确成像提供了新的可能性。根据地震体波三维层析的成像结果,在古特提斯洋和特提斯洋俯冲板块前沿的软流圈底部410 km间断面上方,存在反映古大洋俯冲板块的高速体,它们在青藏高原、苏鲁和伊朗都有出现。清晰和稳定的高波速异常的位置表明,特提斯洋俯冲板块现在已经拆沉在软流圈的底部,古特提斯洋俯冲板块也可能曾经拆沉在软流圈的底部。对比青藏高原和苏鲁的地壳上地幔波速结构推测,拆沉造成软流圈中的轻元素物质上涌,进入大陆岩石圈,造成岩浆活动。上涌还使碰撞造山带地壳厚度减小,而岩石圈厚度增加。大约100 Ma后,俯冲下去的大洋残块会被软流圈物质磨蚀交代,使岩石圈厚度增加, 形成大陆下方的大陆根,造成大陆克拉通化和体积增生。大洋板块俯冲后在软流圈拆沉是岩石圈—软流圈物质循环的一种重要方式,对软流圈中物质均衡和体积稳定也起重要作用。     

青藏高原东部地块的属性与演化

利用大量地方地震台站的数据获得了青藏高原地壳上地幔0.5°×0.5°×10 km的高精度三维速度结构,揭示了青藏高原地壳上地幔结构的大量细节,为了解大陆碰撞与高原演化的动力学作用提供了新的证据。根据地震层析成像三维波速数据,计算取得了青藏高原岩石圈底界面深度的三维图,由此发现青藏高原东、西两部属性有本质区别：东部以高波速、较高电阻率和密度的厚岩石圈为主,厚度在150～180 km范围变化;西部以低波速、较低电阻率和密度的薄岩石圈为主,厚度在130～155 km范围变化。上述表明高原东部没有大规模软流圈上涌,而西部发生了大规模软流圈上涌,上涌幅度在20～30 km左右。高原东西部分界线的两个端点坐标分别为(85°E,20°N)和(98°E,40°N)。结合古地磁数据可知,青藏高原东部地块在空间上是40 Ma以来西部陆-陆俯冲作用与东南亚洋-陆俯冲作用之间的作用力转变的过渡带。     

侏罗纪地壳转动与中国东部岩石圈转型

对中国东部侏罗纪时期地壳增厚和岩石圈显著变薄的现象,提出一个新的形成机制假说.基于古地磁和地质学的证据认为,鄂霍次克板块朝西和伊佐奈岐板块朝西北方向运移、俯冲和碰撞,造成西伯利亚东部边缘的强烈构造变形,使东亚大陆地壳产生20°～30°的逆时针转动,形成东亚大陆北部地壳朝西运移,而东亚大陆南部(中国东部)地壳相对向东运移.这种滑移作用使中国东部发生强烈的构造-岩浆活动、地壳增厚,同时也使中国大陆东部的上地壳从大陆型岩石圈地幔滑移到大洋型岩石圈地幔之上,出现岩石圈类型的转变和厚度显著变薄的现象.看来,中国东部岩石圈变薄并不是深部地幔羽或大陆伸展作用的结果.     

从高分辨率地震层析成像看青藏高原软流圈的物质运动

通过分辨率达到0.5°×0.5°×10 km的青藏高原地壳与上地幔三维成像,为研究青藏高原在新生代的动力学作用提供了新的认识.软流圈的波速扰动数据证实,特提斯大洋板块在拆沉后只俯冲到410 km的间断面之上,并不是所有的大洋板块都会俯冲到上地幔底部.这种大洋板块在软流圈拆沉后激发的热流体上涌,造成高原中部大规模的火山喷发,是青藏高原隆升的主要动力来源之一.根据上地幔三维地震层析成像结果定量计算了岩石圈-软流圈界面（LAB）的深度,揭示了软流圈地幔物质的上涌或者岩石圈地块下沉的作用布局,表明青藏高原的东部在新生代动力学作用过程中是一个相对独立的岩石圈地幔块体.      

大陆岩石圈有效弹性厚度与有关地球物理参数的关系--以泉州-黑水地学断面为例

大陆岩石圈有效弹性厚度(Te)是反映岩石圈综合强度的参数,它反映了岩石圈的整体特征。分析岩石圈有效样性厚度与反映深部地质特征的有关地球物理参数之间的关系,对研究控制Te的因素、各因素之间的关系以及探索大陆构造与大陆动力学等具有重要意义。泉州一黑水地学断面Te与地壳厚度、热岩石圈厚度、均衡重力异常、磁性构造层底面深度、上地幔低速层顶界面深度、上地幔低阻层顶面深度之间的关系研究表明：Te与大地热流关系密切的“热”地球物理参数磁性构造层底面深度、热岩石圈厚度相关性好;与地壳厚度有一定的相关性;上地幔低速层顶界面深度和上地幔低阻层顶面深度与大陆岩石圈Te相关性均较差。     

Heat Flow Pattern in the Mainland of China and Its Geodynamic Significance

On the basis of 723 heat flow measurements in the mainland of China and over 2000 data from the global heat flow data set, the authors compiled the heat flow map of the mainland of China and its adjacent areas to exhibit the overall variation of the heat flow pattern in the mainland. The heat flow pattern of the mainland is complex, and can not be simply summarized as "low in the north and west and high in the south and east". Significant difference exists between eastern and western China in the spatial pattern of heat flow. Divided by the 105°E meridian, heat flow values in eastern China show a westward-decreasing trend; and a northward variation is observed in western China. The high-heat flow regions correspond to tectonically active belts such as Cenozoic orogens and extensional basins, where mantle heat flow is high; and the low-heat flow regions correspond to stable units such as the Tarim and Yangtze platforms. This heat flow pattern is controlled by India-Asia collision in the west and Pacific     

华北盆地Lg波衰减及台站场地响应特征

华北盆地是中国大陆地震活跃区之一,通过地震波衰减及场地响应参数研究该区构造介质属性及台基属性对地震预测预报、灾害评估具有重要意义.基于Lg波谱比的联合反演方法是获得地震波衰减参数及场地响应的有效方法,通过随机重采样方法可以检验解的稳定性.使用华北盆地68个台站记录的2004—2008年的149次地震,震级M_L为1.7~5.3的震中距为100~600 km,按信噪比大于2的标准挑选有效垂向记录1 000多条,地震射线较好地覆盖了华北盆地38°N~41°N、114°E~120°E区域.采用2.60~3.65 km/s的速度窗截取Lg波形并转化为频谱,研究频率范围为1~7 Hz,频率间隔0.2 Hz.计算得到的地震波衰减品质因子Q(f)与频率f的关系可表示为Q(f)=125±4.4f0.86±0.03,研究区为低Q₀(对应频率1 Hz),高频率依赖性的构造活跃区.基岩台站对地震波没有表现出明显放大作用,黄土沉积台站低频端比高频端明显放大;场地响应波动较大台站其解的标准偏差也大,说明场地响应的不稳定性体现了台基属性的非稳定性特征.      

Structure of the Upper Mantle and Transition Zone Beneath the South China Block Imaged by Finite Frequency Tomography

We applied the finite frequency tomography method to S wave data recorded by 350 broadband stations beneath the South China Block(SCB) and its surroundings from earthquakes occurring between July 2007 and July 2010,to better understand upper mantle deformation.Differential travel-times in the pair of stations with appropriate weighting for each station are used in the inversion.Our results are consistent with previous tomography that show a high velocity anomaly beneath the Sichuan basin and a high velocity anomaly in the transition zone beneath the Yangtze Craton.However,the resolution of mantle heterogeneity provides new insight into the tectonic framework of subduction of Burmese lithosphere in the west part of the study region and subduction of oceanic lithosphere in the east.In the subduction realm,west of 107°E,a significant fast S-wave anomaly is located on the southeast of Sichuan Basin.East of 107°E,and two narrow and discontinuous fast S-wave anomalies occur at a depth of 400-600 km beneath the middle of the South China block overlain by the pronounced low S-wave anomalies at a depth of 100 and 400 km.If the fast anomalies located in the mantle transition zone represent stagnant slabs,their fragmented nature may suggest that they could be produced by different episodes of subduction beneath western Pacific island and the above slow velocity anomaly may associated with the back-arc regions of ongoing subduction.In addition,tomography also reveals an anomalously high S-wave velocity continental root extends eastward to a depth 400 km beneath the eastern Sichuan Basin.This anomaly may be related to eastern extrusion of Indian lithosphere associated with the collision of India and Eurasia.Moreover,our results also show large slow anomalies beneath the Red River fault region connected to deeper anomalies beneath the South China Fold Belt and South China Sea.AH these observations are consistent with the scenario that the South China block has been built by both of subduction of Paleopacific plate and eastward subduction of Burma microplate.     

中国大陆壳内与上地幔高导层成因及唐山地震机理研究

文中首先给出了中国大陆上地幔高导层埋深图 ,对其物理成因作了解释。然后给出了中国大陆壳内高导层分布埋深图 ,因人们对壳内高导层的成因有多种看法 ,所以文中进行了讨论 ,并认为卤水成因说更有说服力。文中对壳内与上地幔高导层构造成因作了简要阐述。最后 ,由于壳内和上地幔高导层分布埋深与强地震的分布有密切的关系 ,所以作为实例 ,文中给出了唐山地区地壳结构 ,阐述了地壳内深部流体在地震中的作用 ,并给出了主要证据。     

Lateral variations of attenuation coefficients, group and phase velocities of rayleigh waves in Europe

Rayleigh wave group and phase velocities and attenuation coefficients are investigated in the 15–60-s period range for earthquakes occurring in the European area and registered at European stations. Observed group and phase velocities show clear differences in the period range 20–40 s, whereas attenuation coefficients are differentiated from 45 s to larger periods. From the shape of dispersion and attenuation curves, two broad zones have been isolated and designated as Western Europe and Southeastern Europe. Although some scatter is present, specially for attenuation, the data suggest that in general the shear velocity and Q_β values are higher for Southeastern Europe than for Western Europe. For Southeastern Europe there is a channel of low velocity and low Q_β, apparently correlated, located at the lower crust: in both regions there is a channel of low velocity and low Q_β values located at the uppermost mantle. In each case there also exists a channel of high Q_β values located at the lower crust but at slightly different depths.     

Application of spectral analysis technique on ground magnetic data to calculate the Curie depth point of the eastern shore of the Gulf of Suez,Egypt

The bottom of the magnetized crust determined from the spectral analysis of magnetic anomaly is interpreted as a level of the Curie point isotherm. A spectral analysis technique was used to estimate the depth of the magnetic anomalies sources (Curie point depth analysis) of the eastern shore of the Gulf of Suez, Egypt. The depth to the tops and centers of the magnetic anomalies are calculated by azimuthally averaged power spectrum method for the whole area. The results obtained suggests from this study showed that the average depth to the top of the crustal block ranges between 1.15 and 1.9 km, whereas the average depth to the center of the deepest crustal block ranges between 9.1 and 12.7 km. Curie point depths in the study area range between 14.5 km in the northwestern part of the study area and 26 km in the southeastern part of the study area. The results imply a high geothermal gradient (34.7 °C/km) and corresponding high heat flow value (72.87 mW/m²) in the northwestern part of the study area. The southeastern part of the study area displays a low geothermal gradient (24.26 °C/km) and low heat flow value (50.9 mW/m²). These results are consistent with the existence of the possible promising geothermal reservoir in the eastern shore of the Gulf of Suez especially at Hammam Faraun area.     

中国大陆及其邻区强震活动与活动地块关系研究

从活动地块假说出发 ,在活动地块研究的基础上 ,探讨了中国大陆及邻区活动地块与强震活动的关系。研究指出 ,主要构造变形和强烈地震大都发生在活动地块边界。在占总面积 17%的活动地块边界上 ,集中了全部的 8级以上巨大地震和 86 %的 7级以上大地震 ,其释放能量占全部总能量的 95 %以上 ,表明中国大陆及其邻区活动地块边界带控制了绝大部分的强地震。从活动地块的整体来看 ,强震活动不仅显示出显著的韵律性特征 ,而且其高、低起伏基本上与中国大陆地区一致 ,只是强震活跃时段有时稍长于中国大陆。各轮回强震活动都有各自活动的主体地区 ,反映了不同活跃期内地块的不同活动方式。文中还从现今地壳运动角度 ,讨论了活动地块运动速率与强地震活动水平之间的可能联系。     

Geophysical properties and seismotectonics of the Tohoku forearc region

We investigated the detailed three-dimensional (3-D) isotropic and anisotropic structures of the crust and upper mantle under the NE Japan forearc region using a large number of P and S wave arrival-time data from onshore and offshore earthquakes. The suboceanic earthquakes used in this study are well relocated using the sP depth phases. We also determined the 3-D distribution of Poisson’s ratio, crack density and saturation rate using the 3-D P and S wave velocity model obtained by this study. The relatively complex anisotropic structures in the megathrust zone may reflect the complex geological structures, lithological variations and fluids in the accretional prism under the forearc region. The tomographic images reflect strong lateral heterogeneities in the megathrust zone under the Tohoku forearc. Areas with low velocity, high Poisson’s ratio, high crack density and high saturation rate may be due to entrapment of fluid-filled, unsolidated sediments on the plate interface close to the Japan Trench. Most of the large megathrust earthquakes since 1900 (M ⩾ 6.0) and the large 2011 Tohoku-oki earthquakes (M 6.0–9.0) are located in areas with high velocity, high Poisson’s ratio, low crack density and high saturation rate, which may represent strongly-coupled asperities in the megathrust zone resulting from the subducted oceanic ridges and/or seamounts. In contrast, the areas with high Poisson’s ratio may indicate that the fluids have infiltrated into the strongly coupled patches. We think that the great Tohoku-oki earthquakes were caused by not only the stress concentration but also the in situ structural heterogeneities in the megathrust zone.     

GPS技术应用于中国地壳运动研究的方法及初步结果

文中主要就中国利用GPS等空间测地资料研究地壳运动、构造变形 ,以及用于地震预测探索方面 ,从方法技术和近年来取得的一些初步结果进行了概要性论述。介绍了利用GPS技术资料研究地壳水平运动速度场、水平应变场、建立地壳运动模型等方法研究的进展。由GPS观测给出的地壳水平运动初步结果表明 :中国大陆现时水平运动在全球参考系中为整体向东 ,并兼有顺时针扭转运动。西部地区构造形变强烈 ,整个青藏块体及其边界带 ,以及新疆西部是应变值最高的区域 ,水平应变场主压应变优势分布方向为近NE向 ,空间差异显著 ,反映了印度板块碰撞推挤和青藏块体强烈构造运动的影响。中国大陆东部水平运动的差异性不显著。强震分布于地壳运动的大小、方向显著变化的区域 ,大地震通常发生在水平剪应变高值区或其边缘 ,尤其是与区域主干断裂的构造活动背景相一致的剪应变率高值区。     

对中国大陆壳体的放射性生热元素丰度的大地热流检验

本文作者据《中国大陆壳体的区域元素丰度》一文给出的壳体放射性生热元素铀、钍、钾的丰度，计算出中国大陆三个主要壳体的平均热流值，将其与实测大地热流平均值进行对比。结果表明计算值不满足实测大地热流值的约束，这意味着该文给出的铀、钍、钾的丰度值偏高。我们认为，根据区域地震剖面地震波速推断岩性，再利用出露地表的相应岩石的成分估计地壳或地幔放射性生热元素丰度的方法，缺乏十分可靠的理论或实验基础。同时该文给出的中国大陆壳体的其他强不相容元素的丰度值是否可靠也值得商榷。