青藏高原岩石圈演化与地球动力学过程——亚东—格尔木—额济纳旗地学断面的启示

笔者等完成的亚东—格尔木和格尔木—额济纳旗地学大断面揭示出青藏高原岩石圈的基本结构、组成、演化和地球动力学过程,发现了印度板块在南缘向喜马拉雅山下俯冲、阿拉善地块在北缘向高原下楔入的证据,它们构成了使高原隆升的主要驱动力。多学科研究表明,青藏高原是一个由8个地体拼合的大陆。高原内部地壳20～30km深度附近普遍发育低速高导层,它是构造应力去偶层,其上地壳脆性变形,逆冲叠覆,缩短增厚;其下地壳结构横向变化大,韧性变形。藏南下地壳(50～70km)速度发生逆转;而藏北下地壳速度增高并呈梯度变化,具有双莫霍面特征。高原莫霍面起伏变化大,南北边缘山脉山根特征明显,在高原内部缝合带两侧莫霍面多有断错。虽然高原地壳巨厚,但是岩石圈地幔并没有增厚。高原隆升经历了俯冲碰撞(K_2—E_2)、会聚挤压(E_3—N_1)、及均衡凋整(N_2—Q)3个阶段。青藏高原岩石圈现今处于双向挤压的动力学环境,莫霍面的不稳定变化,岩石圈地幔下沉等因素引起的壳幔之间和岩石圈与软流圈之间的相互作用,地壳的走滑与拉伸作用,是维持高原现今高度和范围的主要动力学因素。     

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。     

青藏高原北部沱沱河—格尔木一带地壳深部结构

本文介绍的是在青藏高原北部进行爆破地震研究的某些结果。爆破地震剖面位于青海省南部沱沱河至格尔木,测线长340km。研究结果表明:沱沱河和楚玛尔地区莫氏界面深度为55km。格尔木地区为47km。下地壳包含一层厚为8km,其层速度为7.2km/s,可能富含玄武岩物质的层。约基台湖—金沙江深大断裂和昆仑南缘板块结合带是延伸到上地幔顶部的岩石圈断裂。其中昆仑南缘板块结合带倾向北,北盘抬升达8km。它表明两个微板块碰撞过程中,柴达木微板块仰冲,而巴颜喀拉微板块俯冲。     

东昆仑大地震的深部构造背景

本文以深地震测深剖面资料揭示的地壳结构形态为切入点 ,探讨东昆仑 8.1级大地震的深部构造背景。沱沱河—小柴旦长 5 0 0km的剖面范围内发现两处大的莫霍面错断 ,分别位于东昆仑 柴达木结合带之下和金沙江断裂之下。青藏高原北部的地壳厚度 6 1～ 75km :莫霍面具有一致南倾 ,逐步加深的产状及弱反射性特征 ;下地壳明显增厚 ,但速度未见明显降低 ;上地壳发育逆冲、走滑断裂 ;地壳中部存在低速层。北邻的柴达木盆地地壳相对刚性 ,厚 5 2± 2km。东昆仑及邻区的壳幔结构有利于强地震孕育。在印度板块向北推挤和柴达木地块的向南插入的区域挤压应力场中 ,青藏高原北部较弱的下地壳缩短增厚 ,变形过程中的蠕滑引起地壳浅部的应力放大。但NE向主压应力的作用不是大地震形成的唯一要素 ,与青藏高原北部各地体侧向运动有关。侧向运动速率和幅度的差异使应力在各地体的边界断裂积累并使其复活。而低速层对形成孕育大地震需要的“立交桥式”的局部应力环境是必不可少的条件。     

青海东部地壳速度结构特征研究

测区的爆破地震测深资料研究结果表明 :自南向北 ,莫霍面呈现为阶梯状展布。羌塘地块具有最厚的地壳 ,厚约 76km ,平均速度为 6.35km/s ,并以金沙江缝合带为界 ,将其同巴颜喀拉地块区别开来。金沙江断裂向北北东方向缓角度插入巴颜喀拉地块之下 ,其莫霍面在玉树以北至清水河一带发生明显的错动 ,地壳减薄至 68km ,平均速度亦减小到 6.30km/s。东昆仑隆起带作为测区一个东西向狭窄的构造块体 ,其下的莫霍面再次抬升。然而 ,在柴达木盆地或其东缘 ,地壳近乎透明 ,地壳厚度减小到 64km ,平均速度也减小为 6.2 6km/s。在祁连南缘 ,地壳厚度又有增大的迹象 ,在东昆仑与祁连相接壤的青海湖南缘断裂一带 ,莫霍面在其南北两侧有明显的落差 ,且南浅 ( 58km)北深 ( 62km) ,反映了祁连构造域同东昆仑构造域之间的深部构造差异特征。同时 ,以东昆仑隆起带为轴 ,南北两侧的速度结构存在着明显的差异 :南部地区的地壳中部 10～ 30km之间存在一个速度为 5.80～ 5.85km/s、厚约 12km的低速层 ;然而在北部地区的柴达木东缘 ,不仅没有低速层出现 ,而且下地壳的地震波速明显偏小。这种速度结构上的明显差异似乎指示着青藏高原的北部边界就是昆仑隆起带的北缘。     

中国西部柴达木—祁连山—北山地区的地壳结构和地体拼合演化史

通过最近完成的格尔木—额济纳旗地学断面的研究,揭示了青藏高原北部(柴达木—祁连山)至中蒙边境北山地区的地壳结构构造、物质组成及其构造演化,提供了大量有关该地区深部构造的信息。确定了在断面内莫霍界面最深处位于南祁连哈拉湖以南的居洪吐地带,深度值为74km,并与祁连山主峰不相对应。柴达木盆地地壳厚度平均55km,盆地中央莫霍界面略有隆起。北山地区莫霍界面较为平缓,平均地壳厚度为45 km。深地震测深资料发现,沿整个断面地壳内20km深度附近存在着一个连续的低速层,厚度一般为5～10km,速度值在5.80～6.05 km/s间变化,一般与上覆层位有0.3～0.5kn/的速度差。大地电磁测深发现的壳内高导层沿断面全线展布,但埋深及厚度均变化较大。壳内高导层的电阻率明显降低,约5～10Ω·m。从横向上来看,不同地体的地壳结构具有明显的不同。 通过对断面走廊域地质构造及发展历史的研究,划分出6个不同的构造-地层地体、由北而南分别为:北山北部地体,北山南部地体,北祁连地体,中—南祁连地体,柴达木—北昆仑地体和南昆仑地体,并提出了它们在古生代及其以前时期,分属哈萨克斯坦—准噶尔、塔里木、华北—柴达木和华南 -扬子等不同板块。到早二叠世末,随着古亚洲洋和阿尔金洋盆的闭     

接收函数方法获得的和田—拜城剖面壳幔图像

利用一个长750 km的宽频地震台阵所采集到的数据和接收函数方法,获得了横穿塔里木盆地的和田—拜城剖面的壳幔图像。和田凹陷、麦盖提斜坡、巴楚隆起、阿瓦提凹陷、塔北隆起、库车凹陷等地块及其边界断裂有清楚显示,各断裂均切穿岩石圈。地壳分为新近系—第四系沉积层、震旦系—古近系沉积层、上地壳结晶基底、中地壳低密度层、下地壳高密度层、下地壳低密度层等6个层。一般而言,各层的密度随深度增加而增加,但有两个层反常。中地壳的密度低于上地壳结晶基底,下地壳下部的密度低于下地壳上部。中地壳低密度层是一不连续的薄层,厚度3～8 km,深度约25 km。下地壳低密度层是一个连续的薄层,厚度5～10 km,深度约45 km。Moho面的深度在盆地北部为40～50 km,巴楚地块为35～55 km,盆地南部为55～60 km。岩石圈底面的深度为70～80 km。塔里木陆块的岩石圈地幔俯冲到西昆仑之下,但地壳并没有俯冲,地壳与地幔发生解耦。吐木休克断裂北侧的北塔里木地块变形微弱,麻札塔格断裂南侧的南塔里木地块变形强烈,两断裂之间的巴楚地块的变形以地壳的弯曲为特征。和田—麦盖提地块是一个整体但变形强烈。在其中识别出5个大的滑脱-推覆断裂面,造成下地壳地层叠覆和缩短,下地壳低密度层以隧道流的方式挤入中地壳。相比之下,沉积盖层几乎没有变形,说明南塔里木的强烈变形发生在震旦纪之前。     

青藏高原地区地壳—上地幔结构与巨厚地壳的形成

基于在青藏高原地区所进行的地壳与上地幔的爆炸地震探测资料;雅鲁藏布江以南和以北两条近东西向纵剖面(长约1000km左右),近南北向纵剖面(长约1200km左右),通过计算与分析,给出了青藏高原地区地壳与上地幔结构、速度分布的综合立体剖面图,发现地壳中存在著两个低速层,雅鲁藏布江是一条近于陡立的略向南倾的深大断裂带。地壳结构不论在纵向与横向都是不均匀的,最后探讨了大陆板块碰撞与巨厚地壳的形成。     

青藏高原岩石圈特征——格尔木—聂拉木岩石圈断面特征

<正> 格尔木—聂拉木断面纵贯青藏高原中部,它与区域构造线直交,穿越了该区主要地质构造单元。格尔木—聂拉木岩石圈断面图是作者参加中法《喜马拉雅地质构造与地壳上地幔的形成和演化》合作研究项目及多年来在青藏高原开展专题研究工作的成果,是在吸收前人资料的基础上综合编制而成的。现以图为例简述其高原岩石圈特征。     

青藏高原东部及周边现时地壳运动

通过1991—2001年期间在青藏高原东部及周边地区的GPS测量,获得该地区不同参考框架下的地壳运动速度场,其测量的速度精度高于2mm／yr。印度板块与华北地块之间的地壳形变分为喜马拉雅及高原南部、高原中部(拉萨—格尔木)和高原北部(格尔木—金塔)三部分,它们分别吸收了印度板块与欧亚板块汇聚速率的43％、24％和32％。在欧亚框架下和相对于成都,印度板块和华南地块之间存在着以东喜马拉雅构造结为轴心的顺时针巨型涡旋构造——滇藏涡旋构造,运动速度分别为26～6mm／yr和24～7mm／yr,总体上从北东方向转变为南东和南西方向,有别于青藏高原中部的北东方向。滇藏涡旋和东喜马拉雅构造结的形成与南迦巴瓦—阿萨姆“犄角”的楔入作用有关。     

康定—渡口南北向构造带爆破地震测深的研究

本文通过对康定-渡口地区的爆破地震测深资料的分析,将该区地壳结构划分为上地壳和下地壳,它们在横向上被若干断裂所切割,而呈断块结构。地壳厚度由北向南减薄,在康定为56km,西昌54km,渡口52km。莫氏面由北向南也逐渐抬升。地壳平均速度为6.2—6.25km/s,Pn速度为7.5—7.6km/s。上地幔顶部出现速度异常。西昌地区壳下存在一厚度为22—28km,层速度为7.5—7.6km/s的壳幔过渡带。区内某些地段近地表处存在有速度为6.1—6.3km/s的高速体。地壳中部9—14km处,存在5.7—5.8km/s的低速层。     

青藏高原各地体的地壳-上地幔结构及其东西向的变化特征

青藏高原是由多个地体拼合而成的,在印度板块向北俯冲的长期作用下,各地体被挤压,地壳缩短,高原隆升。尽管在北北东向挤压作用下发生了高原的近南北向的断裂活动,但各地体本身的结构整体上保持相对稳定,不仅地壳浅部的地层、岩石、古生物保持着各自的特征,而且深部Moho面的变化和岩石圈的特征也是相似的。青藏高原的相距500km以上的2条宽频地震探测剖面的接收函数结果证实:高喜马拉雅地体、特提斯喜马拉雅地体、冈底斯地体、羌塘地体和巴颜喀拉地体在东西方向上保持着相近的速度特征。这充分说明,印度板块向北俯冲与青藏高原碰撞,引发各地体碰撞造山与高原隆升是地壳和岩石圈的整体构造运动,高原各地体,至少高原腹地仍然保持着大致相同的深部结构,Moho面、岩石圈底界面的深度和产状变化不大。     

青藏高原东北缘高原盆地地壳结构与增厚机制探测研究

通过人工地震宽角折射方法对青藏高原东北缘松潘-甘孜、柴达木、陇中等高原盆地与外围鄂尔多斯、四川稳定盆地地壳结构的对比分析,探测研究高原盆地地壳结构、岩性变化及地壳隆升增厚机制。结果显示：相对于外围稳定盆地,东北缘高原盆地结晶地壳增厚10-15km,介质速度相对差值降低5%;壳内介质结构的非均匀性显示了脆性形变的上地壳、低速塑性化的下地壳和脆-塑性转化过渡性质的中地壳构造特征,下地壳的大幅增厚(约10km)和介质低速（相对降低达0.7%）塑性流变性揭示了地壳增厚改造主要发生在下地壳,东北缘地壳显示为整体性的块体运动以及块体间相互作用.以地壳缩短为主要变形增厚机制;GPS 结果显示青藏高原地壳增厚与外围构造应力场-印度板块的运动方向密切相关,高原内部各块体运动方式不同与相应块体的地壳增厚差异揭示了沿羌塘块体与巴颜喀拉块体接触边缘玛尼-玉树-鲜水河褶皱带划分了高原中西部、东北缘以及东南侧等不同构造环境和增厚机制。     

青藏高原东北缘岩石圈密度与磁化强度及动力学含义

利用横贯柴达木盆地南北的格尔木—花海子剖面岩石圈二维P波速度结构以及地震波速度与介质密度之间的关系,建立了该剖面岩石圈二维密度结构与二维磁化强度的初始模型。依据重磁同源原理,在柴达木盆地重、磁异常的二重约束下完成了重磁联合反演,获得了该剖面岩石圈二维密度结构与二维磁化强度分布。结果表明:柴达木盆地地壳厚度沿测线变化较大,平均厚度约60km。在柴达木盆地南缘地壳厚约50km,达布逊湖附近地壳最厚为63km左右,大柴旦附近地壳较薄,为50km左右。柴达木盆地的地壳纵向上可分为三层,即上地壳、中地壳与下地壳。位于盆地中部的中、下地壳分别发育大范围的壳内低密度体,并处于上地幔隆起的背景之上;横向上可将盆地分成南北两个部分,分界在达布逊湖附近。整个剖面结晶基底埋深变化也很大,在达布逊湖附近为12km,在昆仑山北缘基底几乎出露地表。结晶基底的展布形态与地壳底界,即莫霍面呈近似镜像对称。综合研究认为,柴达木盆地的岩石圈结构存在着明显的南北差异,其分界在达布逊湖的北面。在盆地南部,岩石圈介质横向变化较小,各层介质分布正常;在盆地的北侧,岩石圈结构特别在中、下地壳和上地幔顶部横向上发生了变化。壳内低密度体的存在意味着柴达木盆地具有较热的岩石圈和上地幔,加之基底界面与莫霍面的镜像对称分布,形成与准噶尔盆地和塔里木盆地的构造差异。多种地球物理参数所揭示的地壳上地幔结构及其横向变化特点为柴达木盆地构造演化及青藏高原北部边界的地球动力学研究提供了岩石圈尺度的地球物理证据。     

西秦岭深部结构构造特征:对中-晚新生代壳—幔变形机制的启示

西秦岭中-晚新生代发育强烈的与青藏高原扩展有关的构造活动,其壳—幔变形机制对揭示整个青藏高原东北缘扩展变形方式具有很好的启示意义。本文系统收集并分析了西秦岭浅表地质、地壳—上地幔三维结构与深部变形资料。结果显示：西秦岭中-晚新生代地表构造活动呈弥散式分布。西秦岭岩石圈总体表现为低速异常,结合偏低的重力值、较浅的居里面与中-下地壳低阻层,指示该区岩石圈整体较塑性。西秦岭岩石圈广泛发育较强的地震波各向异性,是弱化的岩石圈受青藏高原北东向扩展挤压变形所致。上述变形特征与“块体挤出”模型强调的应力应变集中于深大断裂的特征不符。地震波各向异性揭示的岩石圈地幔和中-下地壳中-晚新生代主体变形方向为NWW-SEE向,与地表构造走向和地表位移方向一致,“垂直连贯变形”模型可以较好地解释该区中-晚新生代耦合的壳—幔变形特征。此外,部分研究发现西秦岭局部地区中-下地壳存在NE-SW向的各向异性,被认为是中-下地壳发生NE向塑性流动导致矿物定向排列造成的,指示了非耦合的壳—幔变形样式,用“中-下地壳流”模型解释似乎更合理。但是目前关于中-下地壳塑性流动是否存在及其分布规模和范围仍存在较大争议。因此,要确定西...     

青藏高原东部壳幔速度结构和地幔变形场的研究

在青藏高原东部地球动力学问题中,笔者在文中主要考虑与地壳上地幔速度结构和地幔变形场有关的问题,它涉及当前流行的下地壳流动模型和壳-幔的耦合-解耦模型。在2000年完成的穿过川西高原和四川盆地的深地震测深剖面,揭示了川西高原的地壳结构具有地壳增厚(主要是下地壳增厚)、地壳平均速度低等特点,显示地壳的缩短与增厚的碰撞变形特征。根据川西高原上设置各爆炸点的记录截面图共同呈现PmP(莫霍界面反射波)弱能量的特点,推断在川西高原的下地壳介质具有强衰减(Qp=100～300)的性质,支持存在下地壳流动的模型。青藏高原东部和川滇西部地区的上地幔各向异性(SKS波快波偏振方向和快慢波延迟时间)的初步结果表明,这两个地区的壳-幔变形特征是不同的,尽管它们在地理位置上属于同一个板块碰撞带。在青藏高原内部的壳幔变形属于垂直连贯变形,它以缩短为主,而高原外部的地壳(或岩石圈)则相对于其下方地幔运动。在高原内部和外部之间存在一个重要的地幔变形过渡带。然而,高原内部的垂直连贯变形与高原内部存在大范围下地壳流动的模型不一致。笔者在该地区开展了近两年的宽频带流动地震观测,试图从地震记录中确定过渡带的位置和探讨它的流变性质。文中扼要回顾已经取得的结果,并介绍正在进行的研究。     

青藏高原东南部地壳导电性结构与断裂构造特征——下察隅-昌都剖面大地电磁探测结果

根据2004年在青藏高原东南部完成的下察隅—昌都(1000线)宽频带大地电磁探测剖面数据研究高原东南部地壳导电性结构及断裂构造特征,这有助于推进印度与亚洲岩石圈碰撞、俯冲构造模式的研究。研究结果表明,沿剖面上地壳大范围分布的是规模不等的高阻体,电阻率大约在90～3000Ω.m,厚度由南向北增加,底界面的深度大约在5～30km变化。高阻层之下发现由不连续高导体构成的中地壳低阻层,其电阻率小于10Ω.m;其结构与青藏高原中、西部的壳幔高导体相似,但规模小得多,底面埋深也浅得多。沿剖面的上地壳存在多组规模不等、产状不同的横向电性梯度带或畸变带,它们反映了沿剖面地区地壳的断裂分布。通过与该区高精度重力资料对比,在重要的电性梯度带上,均存在布格重力低异常和负重力均衡异常。结合区域地质资料分析推断了嘉黎—然乌、班公—怒江和甲桑卡—赤布张错等主要断裂构造带的空间格局。     

青藏高原东北缘六盘山—鄂尔多斯盆地的地壳 速度结构特征

青藏高原东北缘六盘山—鄂尔多斯盆地深地震测深剖面沿近东—西向布设长约420km,跨越鄂尔多斯盆地、六盘山和秦祁地块。本文根据沿测线爆破地震的6炮记录截面图中,6个震相的到时资料,结合地震记录中的振幅信息,确定了沿剖面的二维纵波地壳速度结构。鄂尔多斯盆地的地壳平均速度为6.38~6.40km/s,地壳厚度为41.7~48.2km。六盘山地区的地壳平均速度最高为6.40~6.42km/s,地壳厚度最大为53~54km。六盘山以西秦祁地块的地壳平均速度最低为6.32~6.40km/s,地壳厚度为50.3~53km。整个莫霍面形态东浅西深,明显向西倾斜。鄂尔多斯盆地东侧的莫霍面深度最浅为41.7km,六盘山下方莫霍面的深度最深为54km。莫霍面首波Pn在220km之后出现,速度为7.8~8.1km/s。最后讨论了本区的深部特征和盆山结构关系。     

青藏高原岩石圈演化与地球动力学过程：亚东—格尔木—额济纳旗地学断面的启？

笔者等完成的亚东－格尔木和格尔木－额济纳旗地学大断面揭示出青藏高原岩石圈的本结构,组成,演化和地球动力学过程,发现了印度板块在南缘南鼓马拉雅山下俯冲、阿拉善地块在北缘向高原下楔入的证据。     

青藏高原及其邻区地壳上地幔S波速度结构

利用CDSN、IRIS、GEOSCOPE等台网 33个数字台站及部分数字流动台的长周期面波资料 ,采用改进的Occam网格反演方法 ,在获得中国大陆及其邻近区域 (5°～ 5 5°N ,6 8°～ 15 0°E) 1°× 1°的 7～ 184s周期Rayleigh波群速度频散的基础上 ,进一步反演青藏高原及邻区 (2 0°～ 40°N ,75°～ 10 5°E)内每个经纬度节点介质的S波速度结构 ,获得了 0～ 42 0km深度地壳上地幔的三维速度分布。研究结果显示 :青藏高原不但具有厚壳 (6 0～ 70km)和厚岩石圈 (超过 2 0 0km) ,而且高原深部结构和速度分布存在明显的横向变化和分区特征。