天山造山带岩石圈密度与磁性结构研究及其动力学分析

库尔勒—吉木萨尔剖面横跨塔里木盆地北缘、天山造山带和准噶尔盆地南缘.沿剖面完成了重磁联合反演,获得了岩石圈二维密度结构与二维磁性结构.结果发现,塔里木盆地与准噶尔盆地向天山造山带对冲.在地壳范围内,塔里木盆地北缘与准噶尔盆地南缘的平均密度较高,天山造山带的地壳平均密度较低.天山造山带具有较高的磁化强度,尤其表现在准噶尔盆地南缘至天山造山带中部的整个地壳范围内,预示着天山南北可能具有不同的构造演化历史、构造运动方式以及构造运动强度.在塔里木盆地与天山造山带以及准噶尔盆地与天山造山带的接触部位的上地幔顶部分别发现了低密度体,推测在塔里木盆地由南而北向天山造山带“层间插入与俯冲消减”,以及准噶尔盆地由北而南向天山造山带俯冲的过程中塔里木盆地北缘和准噶尔盆地南缘下地壳物质被带进天山造山带上地幔顶部.库尔勒—吉木萨尔剖面岩石圈二维密度结构与磁性结构为天山造山带的构造分段提供了岩石圈尺度的依据.     

库尔勒-吉木萨尔剖面Q值结构及其动力学意义

介绍了二维横向非均匀介质Q值结构反演方法, 利用横跨天山造山带的库尔勒-吉木萨尔剖面人工地震宽角反射/折射资料实现了二维Q值结构反演, 获得了库尔勒-吉木萨尔剖面岩石圈二维Q值结构. 结果表明, 库尔勒-吉木萨尔剖面的岩石圈二维Q值结构具纵向分层、横向分区的特点. 纵向上可分为上、中、下地壳, Q值分布有规律地递增; 横向上, 剖面大体可分为塔里木盆地北缘、天山造山带和准噶尔盆地南缘. 在塔里木盆地北缘, Q值由南向北逐渐增加, 意味着塔里木盆地在向天山造山带的深部俯冲; 天山造山带内部Q值在库米什附近发生跳跃, 形成台阶状系统差异; 准噶尔盆地南缘的Q值分布给出了准噶尔盆地向博格达山下俯冲的图像. 库尔勒-吉木萨尔剖面所揭示的塔里木盆地与准噶尔盆地向天山造山带的对冲与沙雅-布尔津剖面所揭示的塔里木盆地向天山造山带"层间插入与俯冲消减"、准噶尔盆地与天山造山带主要以走滑接触形成明显的差异, 为东西天山的分段提供了岩石圈尺度的动力学依据.     

库尔勒-吉木萨尔剖面Q值结构及其动力学意义

介绍了二维横向非均匀介质Q值结构反演方法, 利用横跨天山造山带的库尔勒-吉木萨尔剖面人工地震宽角反射/折射资料实现了二维Q值结构反演, 获得了库尔 勒-吉木萨尔剖面岩石圈二维Q值结构. 结果表明, 库尔勒-吉木萨尔剖面的岩石圈二维Q值结构具纵向分层、横向分区的特点. 纵向上可分为上、中、下地壳, Q值分布有规律地递增; 横向上, 剖面大体可分为塔里木盆地北缘、天山造山带和准噶尔盆地南缘. 在塔里木盆地北缘, Q值由南向北逐渐增加, 意味着塔里木盆地在向天山造山带的深部俯冲; 天山造山带内部Q值在库米什附近发生跳跃, 形成台阶状系统差异; 准噶尔盆地南缘的Q值分布给出了准噶尔盆地向博格达山下俯冲的图像. 库尔勒-吉木萨尔剖面所揭示的塔里木盆地与准噶尔盆地向天山造山带的对冲与沙雅-布尔津剖面所揭示的塔里木盆地向天山造山带“层间插入与俯冲消减”、准噶尔盆地与天山造山带主要以走滑接触形成明显的差异, 为东西天山的分段提供了岩石圈尺度的动力学依据.     

青藏高原北缘基底结构的有限差分研究

拜城-大柴旦综合地球物理剖面横跨了塔里木盆地、阿尔金追山带和柴达木盆地.沿剖面进行了10次各2吨级TNT炸药的人工地震探测工作.本文利用沿剖面的Pg震相,使用有限差分方法对塔里木盆地、阿尔金造山带和柴迭木盆地的基底顶界面埋深及盖层的速度结构进行了反演,结果表明,不同的地质构造单元具有不同的基底结构形态与速度分布特点.塔里木盆地的基底及盖层速度分布相对平稳,表现出整体变形特征,但在库车与轮台之间,盆地的基底埋深及速度分布发生了明显的变化,深度差约2 km,速度差高达0.5 km/s.这种明显的、系统的速度差异,加之其它地质学与深部地球物理学证据表明,塔里木盆地的基底可能由构造特点不同的东西两个部分构成;阿尔金造山带的基底埋深与盖层速度分布变化较大,与造山带的强烈构造变形相联系1;在阿尔金造山带与塔里木盆地和柴达木盆地的接触部位基底及盖层介质均表现为高速异常,可能与深部高密度物质沿断裂向地壳内部迁移有关;柴达木盆地的基底与盖层呈"U"形分布,表现出强烈的内部变形特征.     

天山造山带与准噶尔盆地壳幔过渡带 及其动力学含义

利用小波分析方法对天山造山带与准噶尔盆地壳幔过渡带的反射波进行处理,获得了来自各个爆炸点壳幔过渡带反射波走时曲线.计算结果表明,沙雅-布尔津地学断面的壳幔过渡带根据其特点可以分为三段塔里木盆地北缘、天山造山带与准噶尔盆地.塔里木盆地北缘的壳幔过渡带比较简单,主要由一级间断面构成;准噶尔盆地的壳幔过渡带也比较简单,除个别地段外皆以一级速度间断面过渡;天山造山带(尤其是北天山)的壳幔过渡带十分复杂,它由7~8个薄层叠合而成,层厚度2~3km不等,层速度高低相间,总厚度近20km.天山造山带与准噶尔盆地壳幔过渡带的结构特点及其两者之间的差异特征是天山造山带地球动力学"层间插入消减"模型建立的重要依据之一.     

新疆天山中段地壳和上地幔顶部P波速度结构研究

天山造山带一直以来是研究盆山耦合作用的理想场所,深入理解这一地区的壳幔结构对认识天山造山带深部动力学过程具有重要意义.本研究基于2009—2020年新疆区域数字地震台网固定台站、震后架设应急流动台站以及部分宽频带流动地震台站记录到的M_S≥1.5地震到时资料,采用双差地震层析成像方法反演获得了新疆天山中段精细的地壳和上地幔顶部三维P波速度结构和地震震源参数.结果显示：新疆天山中段具有复杂的深浅构造关系,地壳浅部及上地壳P波速度结构与地表地质构造密切相关,高速异常区对应于天山造山带,低速异常区对应于沉积盆地.研究区中东段中地壳和下地壳存在较大范围低速区,与两侧准噶尔盆地和塔里木盆地上地壳和中地壳低速区相连,且准噶尔盆地和塔里木盆地下地壳及上地幔顶部双向均向新疆天山中段下方倾斜.结合前人诸多研究成果推测,在南北向构造挤压作用下,塔里木盆地与准噶尔盆地双向向天山造山带壳幔岩石圈发生“层间插入与俯冲削减”.重定位后地震分布显示,地震震源深度优势范围为0～25 km,主要沿断裂带、盆山结合部以及不同块体接触部位分布,且与壳内低速体有较好的相关性.这些结果可能为研究新疆天山中段...     

基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳S波速度结构

天山造山带是新生代以来复活隆升的陆内造山带,强烈的地震活动性使得理解和认识天山造山带深部结构及盆山耦合关系尤为重要。文章中使用天山造山带及邻区(40°～49°N,79°～93°E)85个台站2017—2019年的背景噪声资料,结合背景噪声互相关方法获得了6～52 s瑞利波相速度频散曲线,利用基于射线追踪的面波直接反演法对天山中段地壳三维S波速度结构及盆山耦合关系进行研究。结果显示：地壳浅层S波速度分布与构造单元中沉积层厚度相关,塔里木盆地北缘、准噶尔盆地南缘表现为低速,天山造山带表现为高速;到了中下地壳,天山造山带下方存在被高速异常包裹的低速体;莫霍面附近,天山造山带表现出相对低速;准噶尔盆地南缘和天山造山带的地壳厚度分别在45～50 km、50～62 km之间,沿南北向,天山造山带莫霍面呈现较为宽缓的形态;在82°～86.5°E之间,塔里木盆地和准噶尔盆地向天山下方双向俯冲,86.5°～88°E之间,准噶尔盆地向天山南向俯冲,由西向东,不同盆山耦合关系揭示了新生代以来天山中段不同区域构造运动差异,为进一步探讨造山动力过程提供参考。     

小波变换在地震宽角反折射资料处理中的应用

小波分析方法用于地震宽角反折射资料处理 ,它可将地震信号的分辨率由传统的1 /2- 1 /4λ（波长 ）提高到优于 1 /6λ .利用小波分析方法对沙雅-布尔津地震宽角反折射剖面资料进行处理 ,发现天山造山带的壳幔过渡带由 7- 8个高低速相间的薄层构成 ,平均速度较低 ,总厚度约 2 0km .而塔里木盆地北缘与准噶尔盆地的壳幔过渡带不具有这一特点 ,壳幔间主要以一级间断面实现过渡 .天山造山带与准噶尔盆地壳幔过渡带详细结构及其二者之间的差异特征为天山造山带地球动力学“层间插入消减模型”的建立提供了重要依据     

地质观测、地震剖面和重力测量的综合方法在前陆褶皱冲断带的应用：以天山北麓呼图壁河剖面为例

褶皱逆冲带的几何学研究是造山带研究的热点,但是无论是传统构造地质学方法还是地球物理学方法都在研究褶皱逆冲带几何特征时存在多解性.为了制约这种多解性,本文以天山北麓的呼图壁河剖面为列,介绍一种地质与地球物理相结合的研究方法.该方法首先沿呼图壁河剖面进行详细的地表观测,获取地表的构造地质数据形成初步的地质模型,其次结合地表构造和钻井分层数据,对收集到的石油地震剖面进行重新解释.然而,地震反射数据只分布在盆地内部,在盆山结合带缺失或者不清晰,因此对该剖面进行了重力测量并计算出布格重力异常.结合盆地各沉积地层和基底密度值,用重力正演方法模拟呼图壁河剖面的密度结构.研究结果显示沿呼图壁河剖面并不存在天山北缘断裂,盆地的沉积盖层可以从准噶尔盆地连续过度到天山内部并不整合覆盖在天山古生代基底之上.这一结果与西段金钩河剖面的天山基底逆冲到准噶尔盆地显然不同,说明了天山北缘盆山结合带构造的多样性.利用平衡剖面技术,恢复的呼图壁河平衡剖面缩短量约为4.8 km,对比前人研究,说明了天山北缘的缩短量沿东西方向存在显著的不均一性.本研究也说明这种构造地质与地震及非震地球物理相结合的方法可以广泛地被应用于褶皱逆冲带.     

地质观测、地震剖面和重力测量的综合方法在前陆褶皱冲断带的应用:以天山北麓呼图壁河剖面为例

褶皱逆冲带的几何学研究是造山带研究的热点,但是无论是传统构造地质学方法还是地球物理学方法都在研究褶皱逆冲带几何特征时存在多解性.为了制约这种多解性,本文以天山北麓的呼图壁河剖面为列,介绍一种地质与地球物理相结合的研究方法.该方法首先沿呼图壁河剖面进行详细的地表观测,获取地表的构造地质数据形成初步的地质模型,其次结合地表构造和钻井分层数据,对收集到的石油地震剖面进行重新解释.然而,地震反射数据只分布在盆地内部,在盆山结合带缺失或者不清晰,因此对该剖面进行了重力测量并计算出布格重力异常.结合盆地各沉积地层和基底密度值,用重力正演方法模拟呼图壁河剖面的密度结构.研究结果显示沿呼图壁河剖面并不存在天山北缘断裂,盆地的沉积盖层可以从准噶尔盆地连续过度到天山内部并不整合覆盖在天山古生代基底之上.这一结果与西段金钩河剖面的天山基底逆冲到准噶尔盆地显然不同,说明了天山北缘盆山结合带构造的多样性.利用平衡剖面技术,恢复的呼图壁河平衡剖面缩短量约为4.8km,对比前人研究,说明了天山北缘的缩短量沿东西方向存在显著的不均一性.本研究也说明这种构造地质与地震及非震地球物理相结合的方法可以广泛地被应用于褶皱逆冲带.     

伽师强震群的深部动力学条件

根据天山造山带及其两侧的塔里木盆地和准噶尔盆地的岩石圈二维速度结构、二维密度结构、二维电性结构、壳幔过渡带的详细结构以及大地热流和震源深度的分布，再结合对新疆西北部的蛇绿岩带、高压变质带和岩浆岩分布的综合分析，建立了天山造山带的地球动力学“层间插入消减”模型。该模型认为，塔里木板块的中上地壳在库尔勒断裂附近向天山造山带的中下地壳层间插入；而下地壳连同岩石圈地幔向天山造山带的上地幔俯冲消减。在天山的西段（哈萨克斯坦境内），费尔干纳地块由北向南插入到南天山之下约180km的深处，在其东段（中国境内），塔里木盆地由南向北插入南天山之下。这两个具有不同方向的下降板片的接触部位为费尔干纳走滑断裂。我国的伽师、喀什、乌恰地震区均落在这两个具有不同俯冲方向板块的结合部位附近，有着特殊的深部构造背景。南、北两大板块的双向挤压必定产生强大的应力，在地震区附近，这种应力的积累与释放具有4个显著的特点：（1）板片的俯冲消减速度约高达每年22mm左右；（2）应力的积累与释放速率加快；（3）应力释放较容易；（4）应力释放较为集中。这4个特点可能是伽师地区在较短的时间内连续发生数次强震的构造因素。     

利用层析成像研究青藏高原叶城-狮泉河地区深部构造

位于青藏高原西部的叶城-狮泉河地震探测剖面, 始于塔里木盆地南缘, 穿越西昆仑造山带, 终止于喀喇昆仑山东侧. 本文作者利用天然地震体波完成了该区的三维走时残差反演, 勾划出了青藏高原西北部的深部构造格局. 获取了塔里木岩石圈以约40°倾角向南俯冲到西昆仑造山带之下约280 km的层析图像; 地表出露的地体边界在层析图中均有显示, 并能追踪到其向深部延续的清晰图像. 尤其是发现了空喀山断裂与康西瓦断裂在200 km深度下有相交的趋势. 该区段也正是地震活动的主要地带.     

拜城—大柴旦剖面的上地壳Q值结构

利用横跨塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地的拜城—大柴旦综合地球物理剖面的人工地震宽角反射/折射资料，对拜城—大柴旦剖面研究区上地壳的Q值结构进行了反演. 结果表明，研究区上地壳的Q值结构具有明显的分层性，Q值随深度的加大而增大；横向对应的不同地质构造单元的Q值具有不同的分布特点. 塔里木盆地的上地壳具有稳定的Q值结构，但盆地北缘（特别是库车坳陷）的Q值比南缘的低，表明北缘的介质比较破碎. 这可能与盆地北缘活跃的构造特征与巨大的沉积厚度有关，是引起盆地南北两侧地震活动性差异（北缘强，南缘弱）的重要原因之一. 阿尔金造山带上地壳的平均Q值较高（约500），这可能由于结晶基底埋藏较浅，基岩出露，因此地震波在此处传播能量衰减较慢所致. 柴达木盆地西半部分上地壳的Q值除了表层的（厚1.0～2.0km）较高外，其余各层的Q值与塔里木盆地中部的相当（平均约400），显示了与塔里木盆地相似的稳定构造.     

塔里木盆地阿图什-八盘水磨反冲构造系统研究

通过大量野外地质调查和深部物探 (地震剖面、MT和重力 )综合构造解释 ,在位于东起八盘水磨 ,西至乌鲁克恰特以西的南天山前陆冲断带中 ,确定了阿图什 -八盘水磨反冲构造系统及其三角带构造 ;该反冲系统由小阿图什 -八盘水磨和乌尔 -喀拉套山反冲构造系统及小阿图什 -乌鲁克恰特被变形的反冲构造系统组成 ;即在以往认为南天山向塔里木盆地大规模逆冲推覆的地区 ,塔里木盆地盖层第四纪以来沿多组滑脱面向天山新生代造山带反冲推覆。塔里木盆地反冲构造系统发育的区域基底埋深往往大于 10km ,对应麦盖提基底构造下凹区 ,而相邻柯坪塔格薄皮推覆构造系统发育的区域基底埋深一般小于 10km ,对应巴楚基底构造上隆区 ;逆冲和反冲构造转换带基底埋深约10km ,平衡剖面恢复表明弧形逆冲和反冲构造顶部分别为逆冲和反冲位移量最大位置     

塔里木盆地阿图什—八盘水磨反冲构造系统研究

通过大量野外地质调查和深部物探（地震剖面、MT和重力）综合构造解释，在位于东起八盘水磨，西对乌鲁克恰特以西的南天山前陆冲断带中，确定了阿图什－八盘水磨反冲构造系统及其三角带构造；该反冲系统由小阿图什－八盘水磨和乌尔－喀拉套山反冲构造系统及小阿图什－乌鲁克恰特被变形的反冲构造系统组成；即在以往认为南天山向塔里木盆地大规模中推覆的地区，塔里木盆地美国层第四纪以来沿多组滑脱面向天山新生代造山带反冲推覆。塔里木盆地反冲构造系统发育的区域基底埋深往往大于10km，对应麦盖提基底构造下凹区，而相邻柯坪塔格薄皮推覆构造系统发育的区域基底埋深一般小于10km,对应巴楚基底构造上隆区；逆冲和反冲构造转换带基底埋深约10km,平衡剖面恢复表明弧形逆冲和反冲构造顶部分别为逆冲和反冲位移量最大位置。     

中国境内天山地壳上地幔结构的地震层析成像

根据横跨中国境内天山的库车—奎屯宽频带流动地震台阵和区域地震台网记录的近震和远震P波走时数据，利用地震层析成像方法重建了沿该地震台阵剖面下方400 km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构.结果表明：沿新疆库车—奎屯剖面，天山地壳具有明显的横向分块结构，且南、北天山地壳显示了较为强烈的横向变形特征，表明塔里木地块对天山地壳具有强烈的侧向挤压作用；在塔里木和准噶尔地块上地幔顶部有厚度约60～90 km的高速异常体，塔里木—南天山下方的高速异常体产生了较为明显的弯曲变形，而准噶尔—北天山下方的高速异常体向南一直俯冲到中天山南侧边界下方300 km的深度，两者形成了不对称对冲构造；在塔里木和准噶尔地块下方150～400 km深度存在上地幔低速体，其中塔里木地块一侧的上地幔低速物质上涌到南天山地块的下方；在塔里木—南天山200～300 km深度范围的上地幔存在高速异常体，它可能是地幔热物质向上迁移过程融断的塔里木岩石圈的拆离体. 上述结果表明，塔里木地块的俯冲可能涉及整个岩石圈深度，但其前缘仅限于南天山的北缘；青藏高原隆升的远程效应可能不但驱动塔里木岩石圈向北俯冲，同时还造成天山造山带南侧上地幔物质的涌入；天山造山带上地幔广泛存在的低速异常有助于其上地幔的变形，而上地幔物质的强烈非均匀性应有助于推动天山造山带上地幔小尺度地幔对流的形成；根据研究区地壳上地幔速度结构特征推断，新近纪以来天山快速隆升的主要力源来自青藏高原快速隆升的远程效应，相对软弱的上地幔为加速天山造山带的变形和隆升创造了必要条件.     

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.     

大别造山带上部地壳结构的有限差分层析成像

将有限差分层析反演方法用于大别造山带人工地震测深剖面上部地壳初至波的走时层析成像，得到这一剖面上部地壳横向不均匀结构图像表明，在南大别地区的超高压变质带发现榴辉岩相岩石，其下方3km深度以内的基底仍具有大陆地壳构造中正常的结晶基底速度（6．00km／s左右）；北大别地区在整个上地壳保持正常的速度，而在超高压带下方3km深度以下为6．20-630km／s的相对高速异常区，这一现象可能与超高压变质岩的含量增大有关．同时还表明，南大别和北大别之间至少在上地壳已有明显差异，它们之间的水吼一五河断裂可能是大别造山带内部的主要构造分界线．     

天山地壳上地幔的S波速度结构

2003年4月—2004年9月，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室横跨天山布设了由60个观测台站组成的流动宽频带地震台阵。其中，沿奎屯-库车横跨天山的观测剖面共有51个台站，剖面长度近500 km。利用接收函数方法（刘启元等，1996，2005），得到了沿该剖面的接收函数和100 km深度范围内的地壳上地幔Ｓ波速度结构。与前人的探测结果相比，本文的结果进一步揭示了横跨中国境内天山造山带地壳结构的横向变化，给出了天山地壳变形和盆山耦合关系的新证据。结果表明     

若尔盖与西秦岭地震反射岩石圈结构和盆山耦合

松潘地块北缘的若尔盖盆地与西秦岭造山带相接触，构成青藏高原东北缘典型的新生代盆山构造.其岩石圈结构与深部构造关系，记录了青藏高原东北缘板块碰撞的深部过程，同时又关联着若尔盖盆地油气远景的评价.2004年秋冬季，我们完成了第一条跨越若尔盖盆地和西秦岭造山带的深地震反射剖面.整个剖面全长254 km，分5段完成，其中第2段剖面（简称SP04_2）横过盆山结合部位.SP04_2剖面首次揭示若尔盖盆地－西秦岭造山带盆山结合部位的岩石圈结构，发现了若尔盖盆地和西秦岭造山带下地壳均以北倾为主的强反射特征，提供出若尔盖盆地下地壳整体向西秦岭造山带俯冲的地震学证据，揭示了若尔盖盆地和西秦岭造山带在挤压构造体系下形成的深部构造关系.而近于平的Moho反射特征又反映出两者在造山后期经历了强烈的伸展作用.