切穿兴蒙造山带的深断面——岩石圈电性结构及改造模式

兴蒙造山带自早古生代形成稳定的佳蒙地块以来,受到古亚洲洋闭合、蒙古—鄂霍茨克洋闭合,尤其是太平洋板块俯冲构造事件的影响.为了揭示兴蒙造山带岩石圈电性结构及改造模式,本文基于横切额尔古纳地块、兴安地块、松辽地块及佳木斯地块约1300 km的大地电磁测深剖面,对81个长周期测点进行非线性共轭梯度二维反演,获得了兴蒙造山带东西向完整的电性结构模型.结果显示：对于岩石圈尺度的结构,不同构造单元具有明显的横向差异性,额尔古纳地块岩石圈整体呈低阻特征;兴安地块岩石圈呈高阻特征;松辽地块的松辽盆地和小兴安岭岩石圈分别呈低阻-高阻特征;佳木斯地块岩石圈呈高、低阻交替的特征.在软流圈尺度,兴安地块和松辽地块存在大规模高导异常C2、C3,呈“U”型状与上方岩石圈相连,连接处对应东北地区盆山结合部位或主要的缝合带.研究表明兴蒙造山带岩石圈遭受了强烈的改造作用,结合区域构造背景,本文提出“自下而上”的岩石圈改造模式：在地幔转换带处水平滞留的太平洋板块持续扰动兴蒙造山带下方的软流圈,导致软流圈物质的上涌以及古缝合线的活化,形成的薄弱带为软流圈物质的侵入提供了有利通道,太平洋板块的俯冲深刻影响着兴蒙造山带岩石圈的...     

华北克拉通东北边界带岩石圈电性结构及其深部流体分布定量研究

正华北克拉通东北边界带由北部的中亚造山带与南部的华北克拉通构成,该区域属于古亚洲洋与太平洋域的叠合部位。显生宙以来,中亚造山带与华北克拉通经历了多阶段的构造演化,尤为显著的是,在晚中生代到新生代时期内,华北克拉通经历了广泛而强烈的岩石圈构造活化,其东部岩石圈发生了大规模的减薄。为了更好地理解华北克拉通与中亚造山带的构造演化过程,在国家自然科学基金的支持下,本文利用大地电磁测深法沿一条起于中亚造山     

西伯利亚板块与华北克拉通碰撞带地电结构及对深部缝合边界的讨论

西伯利亚板块与华北克拉通碰撞导致古亚洲洋闭合,形成了幅员辽阔的中亚造山带,该带内记录了丰富的板块碰撞信息,揭示深部缝合边界对于研究洋-陆俯冲到陆-陆碰撞的深部动力学过程具有重要的科学意义.本文对查干敖包—化德410km大地电磁测深(MT)剖面数据进行反演,获得二维电性结构,为研究西伯利亚板块与华北克拉通碰撞带深部构造形迹、碰撞边界问题提供地电结构的依据.结合人工反射地震及地质资料获得以下认识:(1)西伯利亚板块与华北克拉通碰撞带地壳存在多组"U"型低阻异常,多对应弧型、倾斜或"鳄鱼嘴"状反射界面.莫霍面存在两处错断现象,并与深部电性梯度带对应.岩石圈地幔除白乃庙岛弧呈低阻块体外,均为高阻块体,这些电性结构特征反映了南北汇聚所形成的构造形迹.(2)碰撞带可分为二连—贺根山和索伦—西拉木伦河两个不同时期的汇聚体系,晚泥盆世—晚石炭世早期形成的二连—贺根山汇聚体系由二连—贺根山增生杂岩带、宝力岛弧地体及断裂带组成,深部缝合边界位于二连浩特.而晚二叠—早三叠的索伦—西拉木伦河汇聚体系由二道井子增生杂岩带和温都尔庙增生杂岩带及断裂带组成,深部缝合边界位于苏尼特右旗.(3)在锡林浩特地区软流圈内部存在高阻异常,可能为俯冲消失的洋壳或碰撞造山后拆离的岩石圈残片.     

西准噶尔克拉玛依增生楔形成机制

增生楔是板块俯冲过程中的特征性产物.确定增生楔的产出部位、物质组成及形成机制,对揭示与板块俯冲有关的构造过程具有重要指示意义.中亚造山带是世界上最大的增生型造山带之一,它记录了古亚洲洋从产生到闭合的整个演化历程,伴随着多期次、多类型的壳幔相互作用.地处中亚造山带腹地的西准噶尔地区在古生代处于洋内弧演化阶段,是研究中亚造山带的关键地区.西准噶尔东部地区发育泥盆-石炭纪海相沉积岩、达尔布特及克拉玛依蛇绿混杂岩、碱性洋岛玄武岩、岛弧火山岩及逆冲推覆构造,具有典型的增生楔特征.本文在详细的岩石岩相学、构造地质学和火山岩地球化学研究基础上,结合大洋俯冲隧道过程,深入剖析克拉玛依增生楔的形成机制,发现西准噶尔克拉玛依增生楔是多阶段、多成因混杂堆积体.大洋俯冲隧道模型在西准噶尔克拉玛依增生楔的应用将为中亚造山带的陆壳增生及造山作用研究提供新的思路.     

基于重力数据特征的东北地区深部动力机制解析

中国东北地区处于古亚洲构造域、蒙古—鄂霍茨克构造域和环太平洋构造域叠加作用最为显著的地区,是地学研究的热点区域.为了探析欧亚大陆下西太平洋板片的俯冲形态以及揭示该区域深部地球动力学机制,利用卫星重力数据通过预处理共轭梯度快速密度反演算法获得了包含东北地区、华北部分地区及日本海海域在内的研究区域上地幔三维密度结构,结合天然地震三维层析成像结果共同揭示太平洋板片的俯冲形态和深部动力机制.俯冲的太平洋板片在日本海沟处呈高密度异常,向西横向持续扩张,深度方向上有逐渐增加趋势.不连续的高密度体俯冲至地幔转换带(410～660km)后继续水平西向俯冲,部分滞留板片可能进入下地幔;在大兴安岭断裂带下面转换带中同样发现水平分布的高密度体,推断是大兴安岭断裂带下方地幔岩石圈拆沉的结果,横向不均匀分布的俯冲板片边缘已抵至大兴安岭造山带附近,这对于研究东北地区深部动力学机制具有重要的意义.     

华北克拉通东北边界带深部电性结构特征

在华北克拉通东北边界带,完成了1条NW-SE走向长约900km的大地电磁测深剖面工作;该剖面西北始于中亚造山带内部的贺根山杂岩带,向SE依次穿过宝力道弧、索伦-林西缝合带、温都尔庙杂岩带、白乃庙弧、内蒙地轴、燕山造山带、最后终止于华北克拉通内部的辽河坳陷。采用大地电磁阻抗张量分解技术对所有测点的维性、区域地电走向进行了分析,沿剖面的数据具有较好的二维性。利用NLCG二维反演方法,得到了沿剖面地下二维电阻率结构。从电性结构上看,沿剖面电阻率结构具有横向分块的特征,大致可以分为3个主要的电性区,呈现高阻—低阻—高阻的变化;中亚造山带与华北克拉通显示出不同的电阻率变化特征,前者变化剧烈,后者变化相对平缓;索伦-林西缝合带和内蒙地轴中下地壳分别存在1个大范围的低阻体,可能是由深部流体以及部分熔融所致。基于研究区的深部电性结构及其他地质与地球物理观测资料,我们推测:1)西伯利亚板块与华北板块的最终缝合位置可能在锡林浩特断裂与西拉木伦河断裂之间的区域;2)燕山造山带下较厚的高阻体可能起到了构造屏障的作用,使克拉通内外的上地幔顶部具有不同的对流模式,从而减弱了中亚造山带构造演化对华北克拉通东部破坏的影响作用。     

鄂尔多斯地块北部至阴山造山带深部电性结构特征研究

在SinoProbe-01项目的资助下,完成了一条跨越鄂尔多斯地块北部、河套断陷盆地和阴山造山带的大地电磁剖面,剖面长约440 km,共包括24个宽频测点和4个宽频一长周期联合测点.采用NLCG算法对TE和TM模式数据进行了二维反演,获得了该剖面的二维电性结构模型.结果表明:鄂尔多斯地块北部由浅至深电性结构比较简单,成层性较好,大体可分为低阻沉积盖层-高阻上地壳-低阻下地壳和上地幔顶部三层;河套断陷盆地和阴山造山带电性结构相对复杂,电阻率高低相间.鄂尔多斯地块北缘、河套断陷盆地以及阴山造山带区域的壳幔高导体可能与硫化物和部分熔融作用有关,而鄂尔多斯地块内部大规模的壳幔高导层可能是由高导矿物引起的.河套断陷盆地的沉降、阴山造山带的地势抬升和鄂尔多斯地块北缘东胜一杭锦旗一带的的隆起之间有着紧密的关系,它们的形成可能与区域伸展构造环境条件下的软流圈物质上涌有关.     

乐昌—霞葛MT剖面深部电性结构研究

为研究华南地区的壳幔电性结构,完成了华南地区乐昌—霞葛大地电磁测深剖面的探测,获得了该剖面的地电模型,并结合倾子、极化图和感应矢量等信息对地电模型进行了研究,对华南的电性结构、断裂特征和壳幔结构有了新的认识.研究结果表明:剖面上地壳西厚东薄,表面被大量的花岗岩高阻体所覆盖,6条断裂沿剖面展布.剖面两端岩石圈增厚,厚度超过100km,推测剖面西段岩石圈增厚是由于陆内挤压造山或陆内碰撞汇聚造山作用,而剖面东端的岩石圈增厚形成于大洋板块的俯冲;中部岩石圈减薄,厚度在60～80km之间,可能是与软流圈物质上侵有关.     

西太平洋俯冲板块对中国东北构造演化的影响及其动力学意义

中国东北地区在古生代期间以众多微陆块的拼合以及古亚洲洋的闭合为特征,其后又经历了中-新生代太平洋构造域及中生代蒙古—鄂霍茨克构造域的叠加与改造,以致东北地区的构造行迹显得极为复杂,而大兴安岭重力梯级带及其西部地区构造演化是否与西太平洋俯冲有关仍然存在争议.本研究利用分布于中国东北、华北地区以及韩国、日本等部分台网所接收的近震与远震走时数据获得了中国东北地区壳幔精细的三维P波速度结构.成像结果显示,太平洋板块持续西向俯冲,俯冲板片的前缘停滞在大兴安岭—太行山重力梯度带以东区域的地幔转换带之中;长白山火山区上地幔存在着显著的低速异常体,推测西太平洋板块的深俯冲脱水导致了上地幔底部岩石的熔点降低,从而形成了大范围的部分熔融物质上涌.通过分析上地幔的速度结构,我们认为由于太平洋板块的大规模西向深俯冲,在大地幔楔中发生板片脱水、低速热物质上涌等复杂的地球动力学过程;俯冲板片前缘带动上地幔中不均匀分布的地幔流强烈作用于上部的岩石圈,这对东北地区深部壳幔结构乃至大兴安岭重力梯级带的形成、演化有着重要的影响.     

松辽盆地岩石圈减薄的深部动力学过程

松辽盆地作为东亚裂谷系的一部分,与华北克拉通一起经历了中生代岩石圈减薄的重大地质事件.对大陆岩石圈-软流圈状态和构造的整体认识,是研究大陆岩石圈减薄深部动力学过程的关键.在获得过松辽盆地的106个宽频和30个长周期大地电磁测深数据的基础上,完成测点数据二维偏离度、构造走向等计算与分析,进一步采用非线性共轭梯度算法,对TE和TM模式数据进行二维联合反演,获得了沿剖面的壳-幔电性结构,并依此构建了松辽盆地壳-幔结构模型.研究结果表明：（1）大兴安岭地区岩石圈厚度约为160 km,松辽盆地岩石圈厚度约为45 km,张广才岭岩石圈厚度在70~100 km之间,莫霍面与岩石圈底界面不呈镜像关系.软流圈整体表现为中、低阻异常,电阻率值在30 Ωm左右,其形态呈西倾约30°的蘑菇状异常,指示了软流圈物质上涌的形式,有别于软流圈垂直上涌的传统认识.（2）松辽盆地深部存在双层高导异常（电阻率小于5 Ωm）,上层为壳内高导层,呈"蛇"状分布,推断为岩浆底侵区,下层为幔内高导层,呈"哑铃"状,为软流圈上涌区.软流圈内存在两个"哑铃"状中、高阻异常,推断为拆沉的岩石圈地幔.具有冷的、高密度的下降物质流的堆积以及拆沉块体下插到两侧山岭是促使大兴安岭与张广才岭在中生代伸展环境中快速隆升重要原因;（3）松辽盆地经历了岩石圈减薄事件,与大兴安岭岩石圈厚度相比,松辽盆地岩石圈厚度减薄了近100 km,与东侧张广才岭相比减薄了70 km,而与中生代华北地台100 km的岩石圈厚度相比,减薄了近50 km,其经历了岩石圈伸展期、裂解期、拆沉期和增长期的动力学过程.     

华南东部吉安—福州剖面岩石圈电性结构研究

为了研究华南东部地区岩浆活动的深部构造背景,对吉安一福州宽频大地电磁测深剖面数据进行了系统的分析和处理,并利用非线性共轭梯度法进行二维反演,得到了武夷隆起带及周缘地区的岩石圈电性结构;结合区域重磁资料,详细分析了研究区内地壳、上地幔电性结构特征及地质含义.结果表明:华南东部地区岩石圈电性结构存在明显的分区性,并且壳内普遍发育不同成因的高导层,揭示出华南东部地区不同构造单元内的岩浆活动具有不同的成岩构造背景.其中,东南沿海褶皱带深部热侵蚀活跃,岩石圈物质和结构被强烈改造,电阻率普遍较低,软流圈上涌并伴随玄武岩浆底侵,导致岩石圈、地壳剧烈减薄;而武夷隆起带岩石圈电阻率相对较高,印支-燕山早期陆内挤压变形的构造形迹明显,晚中生代岩石圈拉张伸展作用对该地区岩石圈的物质结构有一定的改造.     

华北地区地壳上地幔三维P波速度结构

利用华北地震科学台阵和首都圈地震台网记录的4511次近震和625次远震的P波到时数据,采用纬度和经度方向分别为0.5°×0.5°的网格划分,反演得到了华北北部地区(111°E—120°E,37°N—42°N)深至400km的地壳上地幔三维P波速度结构.层析成像结果表明,研究区的速度存在明显的横向不均匀性,随着深度增加横向不均匀性总体呈现减弱趋势.燕山隆起带在60—120km深度内存在明显的高速异常,这与较大的岩石圈厚度有关;山西裂陷盆地、华北平原下方60km深度存在明显低速异常,与软流圈的出现有关.燕山隆起带岩石圈厚度在120km以上,明显比太行山隆起的岩石圈厚度大,与稳定大陆地区的岩石圈厚度一致.太行山山前断裂已切穿莫霍面,贯入岩石圈.研究区上地幔顶部大范围的低速异常反映了软流圈上隆的特点.在华北平原及燕山隆起下方200—300km存在高速异常可能与太古代大陆板块岩石圈的残留体有关.     

利用接收函数方法研究华北克拉通中西部及其邻区地幔转换带结构

通过处理ChinArray计划二期和三期台阵中823个台站的远震波形数据,共获得174 562个高质量的P波接收函数,采用接收函数共转换点（CCP）叠加方法开展华北克拉通中西部及其邻区的地幔转换带结构研究,获得了研究区地幔转换带的厚度分布。结果表明:研究区内地幔转换带厚度变化幅值在235—280 km范围内,具有分区特征;阿尔金断裂带东部和汉诺坝火山以北厚的转换带异常可能与冷的岩石圈拆沉有关;河套盆地和阴山造山带附近分布着相对薄的地幔转换带,这可能暗示了该地区存在热的地幔物质上涌或岩浆活动;渤海湾盆地下方厚的地幔转换带异常可能是冷的太平洋板片西向俯冲并滞留于地幔转换带所致。      

华北地区深部地幔剪切波速度结构研究

本文分析了华北地区近50个台站下方800 km深度内的剪切波速度结构.结果发现华北地区不同构造单元之间速度结构差异很大,稳定地块速度随深度稳定增加,构造带内速度结构复杂,而且即使在同一构造单元内,不同区段之间速度结构也明显不同,如太行山构造带,反映了不同构造单元或各区段经历了各自不同的地质演化历史.环渤海地区及相关区域多个台站的速度结构显示,华北东部地区地幔软流层埋深浅、厚度大、速度低,反映了地幔上涌的特点;而在软流层或更深层次的地幔中没有发现埋深或厚度比较统一的高速或低速体,因此可能没有岩石圈或下地壳介质曾经拆沉进入地幔,这为东部岩石圈减薄的动力学机制提供了一定的深部地球物理约束.     

Crustal growth and tectonic evolution of the Tianshan orogenic belt,NW China: A receiver function analysis

The Central Asian Orogenic Belt (CAOB) represents the world's largest Phanerozoic accretionary orogen, the major phase of which was built during the closure of the Paleo-Asian Ocean. The Tianshan orogenic belt forms the southwestern segment of the CAOB and has been the focus of investigations related to the evolution of the CAOB. Here we present results from an analysis of the crustal structure and upper mantle discontinuity beneath the Chinese Tianshan by employing H-k stacking technique as well as depth domain and synthetic receiver functions. Our results identify a double peak of Moho Ps in the Tianshan orogenic belt, suggesting the possibility of insertion of the lower crust of the Tarim Basin into this belt, with the latter retaining its initial crustal architecture. Our results provide insights into the dynamics of northward extrusion and the N–S trending crustal shortening of the Tianshan orogen during the convergence of the India and Eurasia blocks.     

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.     

大别—苏鲁及邻区上地幔的各向异性

大别—苏鲁是扬子与华北的碰撞造山带,对该地区上地幔各向异性的研究有助于了解该区的地幔动力学机制.本文选用了中国数字化地震台网和区域数字地震台网(山东、安徽、江苏、河南、湖北)三分量宽频带的远震地震波形数据,分别采用最小能量法和旋转相关法,对大别—苏鲁及邻区进行剪切波偏振分析,计算了研究区台站下方介质的各向异性分裂参数:快波偏振方向(Φ)和快慢波延迟时间(δt).本文研究结果发现,研究区内快、慢波延迟时间0.5~1.63 s,推测各向异性层深度为57.5~187.6 km,由软流圈和岩石圈地幔的各向异性共同作用引起.快波偏振方向在4个不同构造区表现出不同的特点:华北板块快波偏振方向为近E-W向,根据地质资料,我们分析认为华北板块的各向异性受地幔软流圈流动的影响明显;大别造山带各向异性平行于大别主构造,反映造山过程中岩石圈物质沿大别造山轴部NW-SE向迁移的特点; 在大别南侧和东侧的扬子板块快波偏振方向分别表现为近垂直于造山带走向和NEE-SWW,苏鲁造山带各向异性结果为NEE-SWW,与地表构造有一定的夹角,同时与板块运动方向相差较大,分析认为扬子板块和苏鲁造山带各向异性是由地幔软流圈流动和印支—燕山期构造运动残留在岩石圈地幔的"化石各向异性"共同作用的结果.     

东秦岭造山带的流变学及动力学分析

通过地质、地球物理和地球化学资料分析,建立了东秦岭地学断面带地壳二维深度-强度剖面,揭示了该造山带的地壳结构和流变学分层性．脆性的上地壳南薄北厚;中、下地壳包括莫霍面呈现水平流变状态,南端蠕变特征更明显;上地幔流变强度较大其地壳类型是栾川以南为H型地壳,构成中、新生代造山带的核部,具有伸展构造和走滑构造的特征,栾川以北为C型地壳,中、新生代的大陆汇聚带．东秦岭地学断面带整体上看为C-H型地壳,反映了后造山期陆内造山的构造特征．地壳物质为长英质-石英闪长质壳内软层具有低速、高热、强网状反射和低强度蠕变的地球物理特征,是后造山期经过调整的水平流变层.     

阴山造山带—鄂尔多斯盆地岩石圈层、块速度结构与深层动力过程

阴山造山带位于鄂尔多斯盆地的北缘,这一地带不仅是构造活动强、弱的变异地域,且为盆、山的耦合地带,故在造山带与盆地地域具有各异的深层动力过程.本文基于高精度人工源地震宽角反射、折射探测和高分辨率的数据采集,通过反演求得了满都拉—鄂尔多斯—榆林—延川长达650 km剖面辖区的岩石圈精细层、块结构.研究结果表明：①沿该剖面由南向北地壳厚度为40~45 km;在不同构造单元其介质、结构均不相同;速度分布、空间结构形态和界面起伏及属性亦存在着明显差异;上地幔顶部速度为8.0~8.1 km/s;②沿剖面存在5条深、大断裂,且将该区切割成为壳、幔结构明显差异的4个构造单元,即鄂尔多斯盆地、盆山耦合地带、阴山造山带、内蒙构造带,它们各自具有固有的深层过程和动力学响应.同时厘定了阴山造山带与内蒙构造带之间的白云鄂博深、大断裂带是古亚洲洋的南界.在这里不仅导致了阴山造山带的形成,而且聚集了诸多的金属矿产资源,地震亦频繁活动.基于上述研究表明,阴山造山带—鄂尔多斯盆地耦合地带的壳、幔结构复杂、呈现出速度结构各异的层、块状展布.显然,在这一错综的成山、成盆、成岩、成矿和成灾地带,有着特异的深层过程和动力机制.