西藏新生代裂谷系成因的探讨

通过区域重力场的三维密度扰动成像和地震层析成像研究,我们确定西藏新生代裂谷系反映为上中地壳低密度带,延深可达到42 km;同时,青藏高原下地壳也有低密度和低地震波速的物质蠕动流。和东非大裂谷等其他裂谷带不同,西藏新生代裂谷通常是多条平行裂谷组成的裂谷系,它的形成机制也是特殊的,可称为陆—陆俯冲型裂谷系。印度板块的陆—陆俯冲造成的正交方向拉张与西藏新生代裂谷系形成密切相关。地震变形空白区和陆—陆俯冲型裂谷带空间分布之间有一定的对应关系,即裂谷带的源头指向地震变形空白区。陆—陆俯冲型裂谷系的发育过程可分为以下四个环节:①陆—陆俯冲造成前沿带的地壳破裂和地震;②地震变形空白区地应力集中;③挤压地应力向俯冲带前方发散并且转化为張应力,造成前沿带正交方向的地壳破裂和地震;④大地震后应力释放,产生的回跳继续使地壳变形,每一次地震都促使裂谷的进一步发育。青藏高原的下地壳物质蠕动流对中上地壳产生的底辟作用,也促进了西藏新生代裂谷系的形成。地壳拆离面前端上中地壳的成倍加厚使温度升高,造成下地壳流向上挤出,从而使上中地壳張裂。特提斯大洋板块俯冲下去的残块在软流圈下沉也使软流圈上涌,也导致下地壳物质蠕动和西藏新生代裂谷系的形成。     

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。     

三维成像揭示的青藏高原地壳流体层分布

应用三维地球物理成像技术可以揭示陆域地壳的流体分布。在青藏高原,高分辨率的地震波速度三维图像是揭示高原地壳流体层分布的主要方法。从取得的三维波速、密度和电阻率图象可见,低波速、低密度和低电阻率异常指示了地壳流体层的位置和范围。同时,高波速高密度异常也揭示上方发育的屏蔽盖层。据此,划分出高原地壳的多个流体发育层的分布范围。根据地壳高分辨率地震层析成像的结果还发现,青藏高原地壳流体发育层分布,与其下面的软流圈上涌有密切关联。     

新疆可可托海—四川简阳地学断面岩石圈与软流圈结构

运用现代构造解析理论和方法,对新疆可可托海—四川简阳人工地震测深剖面与天然地震面波层析成像进行构造解析基础上,综合地质学、深源岩石包体构造岩石学和地球化学以及其他地球物理学标志等多学科综合研究显示,高速块体或幔块构造的几何结构型式是控制该区岩石圈构造格局和岩石圈表层构造变形基本条件之一。本文建立起该地学断面地壳及岩石圈与软流圈速度结构模型和物质组成结构模型,划分出岩石圈3种几何结构模式:克拉通陆根状结构、造山带楔状结构和高原陆根状结构,以及岩石圈二类构造演化类型:克拉通型岩石圈和增厚型岩石圈。在系统论述断面地壳及岩石圈结构构造类型特征基础上,探讨了该断面软流圈结构特征,岩石圈与软流圈相互作用及其地幔动力学模式。     

中国岩石圈的基本特征

中国及邻区岩石圈结构构造十分复杂,并具有若干明显的特点:中国大陆地壳西厚东薄、南厚北薄,青藏高原地壳平均厚度为60~65 km,最厚达80 km;东部地区一般为30~35 km,南中国海中央海盆平均只有5 km;中国大陆地壳平均厚度为476 km,大大超过全球地壳392 km的平均厚度。中国大陆及邻区岩石圈亦呈西厚东薄、南厚北薄的变化趋势,青藏高原及西北地区岩石圈平均厚度为165 km,塔里木盆地中东部、帕米尔与昌都地区岩石圈厚度可达180~200 km。大兴安岭-太行山-武陵山以东,包括边缘海为岩石圈减薄区,厚度为50~85 km。西部岩石圈、软流圈“层状结构”明显,反映了板块碰撞汇聚的动力学环境;东部岩石圈、软流圈呈“块状镶嵌结构”,岩石圈薄,软流圈厚,反映了地壳拉张、软流圈物质上涌的特点,并在东亚及西太平洋地区85~250 km深处形成一巨型低速异常体。中国东部上、下地壳及地壳、岩石圈地幔之间普遍存在“上老下新”年龄结构。     

三维成像揭示的青藏高原地壳流体层分布

应用三维地球物理成像技术可以揭示陆域地壳的流体分布。在青藏高原,高分辨率的地震波速度三维图像是揭示了高原地壳流体层分布的主要方法。从取得的三维波速、密度和电阻率图象可见,低波速、低密度和低电阻率异常指示了地壳流体层的位置和范围。同时,高波速高密度异常也揭示上方发育的屏蔽盖层。据此,划分出高原地壳的多个流体发育层的分布范围。根据地壳高分辨率地震层析成像的结果还发现,青藏高原地壳流体发育层分布,与其下面的软流圈上涌有密切关联。     

从卫星重力资料看中国及邻区地壳密度结构

本文应用小波多尺度分析等信息提取新方法,从地球重力场模型(EGM2008)经各项校正得到的中国及邻区卫星布格重力异常中提取和反演了中国及邻区上、中、下地壳的密度信息,揭示了区域地壳三维密度结构。下地壳低密度扰动主要出现在青藏高原和华南沿海到对马海峡一带,其它地区多现较高密度扰动。所有克拉通地体密度在中下地壳都是高密度的。中下地壳低密度扰动带可分成四类:(1)出现在板块边界的低密度扰动条带,(2)出现在中国西部挤压构造有关的山脉下方,(3)与拉张走滑构造有关的构造带,(4)和与大陆内部板内造山有关的构造带。上地壳结晶基底的低密度扰动可出现在显生宙造山带和未充分发育的大陆裂谷。碰撞俯冲造山带以地壳低密度大厚度为特征,但是板内造山带不同,以地壳局部高密度中厚度为特征,局部高密度反映了中基性结晶岩的存在,莫霍面上拱反映了中基性岩浆侵入。板内拉张裂谷带上地壳基底密度局部低、中地壳低速带发育反映拉张区的流体活动,而下地壳反射体发育、莫霍面变厚成层反映拉张区的玄武岩浆底侵。由于卫星重力测量资料分辨率毕竟有限,对中国东部地区还未能给出关于中地壳密度扰动的细节,还必须开展地面重力测量资料的小波多尺度分析。     

新疆天山（独山子）—西昆仑（泉水沟）地学断面地震与重力联合反演地壳构造特征

利用滑动平均的布格重力异常剖面结合地震资料和大地电磁资料,参考介质纵波速度与密度的经验转换关系,通过二维均匀介质模型人机交互式计算得到了新疆天山(独山子)-西昆仑(泉水沟)地学断面走廊域中心剖面的地壳构造特征.所得的反演结果表明,准噶尔盆地与北天山地体、中天山地体为一整体;准噶尔盆地和天山构造带的中、下地壳之间存在低密度层,但塔里木盆地不存在低密度层;由于受到南北两侧板块挤压,造成塔里木盆地的地壳结构在横向上似一南陡北缓、中部隆起的不对称"拱形"弯曲;塔里木盆地南缘与西昆仑构造带间呈"V型盆山耦合关系",其下方恰好是莫霍面上隆区.     

青藏高原软流圈与特提斯洋板块俯冲

由于缺乏足够的青藏高原内部观测的地震数据,难以对地壳上地幔构造进行准确的地震体波三维层析成像。在中国西部设有412个地方地震台站,2005～2008年观测仪器全部实现了数字化,为解决地震体波层析成像的观测数据问题提供了新的可能性。经过收集和整理这些地方地震台2009～2015年的数字化观测数据,得到了通过青藏高原的足够地震射线和对应的走时数据,处理后在北京和美国进行了三维层析成像计算,取得了一致的结果。利用地方地震台站的数据开展青藏高原地壳地震波速度的三维层析成像研究,得到1°×1°×20 km网格的纵波三维速度结构图像,揭示了青藏高原地壳上地幔波速结构特征。三维层析成像研究结果表明,青藏高原岩石圈地幔的速度变化很不连续,与软流圈没有连续的分界面。青藏高原软流圈内局部的高速和低速异常密集分布,与克拉通地区均匀分布的模式不同。这种软流圈内异常密集分布的模式,是新生代以来特有的大规模能量交换和物质运动的反映。成像结果发现在高原软流圈底部有一个清晰和稳定的高波速异常,它是现今特提斯洋板块的反映,纬度在28°～40°N之间。根据印度板块和特提斯洋板块的推进运动速度的估计,可以把现今特提斯洋板块构造模型沿时间轴反推回50 Ma和100 Ma以前,得到反映特提斯洋板块演化和青藏高原上地幔地质作用过程的模式。此模式说明,在50 Ma前特提斯洋板块已经俯冲到青藏高原软流圈,然后慢慢地下沉到软流圈底部。根据这个新生代青藏高原上地幔地质作用过程的反推模式,对不同时期特提斯洋板块和印度板块陆—陆俯冲前沿进行了定量的定位。这个作用过程的模式对板块构造学说以往的认识有一个重要突破:不认为所有的大洋板块都会俯冲到上地幔底部,宽度较小、俯冲速度较快的特提斯洋板块可能只俯冲到410 km的间断面之上。     

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。     

青藏高原东北缘海原-六盘山断裂带现今地壳应力环境的数值分析

海原-六盘山断裂是青藏高原东北缘的大型边界断裂带,是中国大陆典型的地震危险区。地壳构造加载特征的定量研究有助于分析区域孕震环境,参考青藏高原东北缘GPS形变和岩石圈精细结构等资料,本文建立海原-六盘山断裂带周缘的三维岩石圈分层模型,分析现今构造加载作用下区域地壳形变和应力演化特征。数值计算结果显示:青藏高原东北缘现今处于以北东-南西向的水平挤压为主导和北西-南东向的水平引张的变形特征。青藏高原东北缘中-下地壳流变性质影响上覆脆性地壳应力环境,中地壳较低粘滞系数对应的模型地壳应力计算值与研究区实际地壳应力场相近。海原断裂中-西段构造加载作用显著,具有相对较高的库仑应力积累和最大剪应力分布;而六盘山断裂周缘地壳应力和最大剪应力小于海原断裂带。构造应力积累的空间分布差异说明六盘山断裂具有较弱的构造孕震环境,而研究区走滑型断裂的孕震加载作用显著。尽管六盘山处于较低的应力状态,但仍不能轻易忽视其长期存在的强震空区所暗示的发震潜力。     

Crustal structure of mainland China from deep seismic sounding data

Since 1958, about ninety seismic refraction/wide angle reflection profiles, with a cumulative length of more than sixty thousand kilometers, have been completed in mainland China. We summarize the results in the form of (1) a new contour map of crustal thickness, (2) fourteen representative crustal seismic velocity–depth columns for various tectonic units, and, (3) a Pn velocity map. We found a north–south-trending belt with a strong lateral gradient in crustal thickness in central China. This belt divides China into an eastern region, with a crustal thickness of 30–45 km, and a western region, with a thickness of 45–75 km. The crust in these two regions has experienced different evolutionary processes, and currently lies within distinct tectonic stress fields. Our compilation finds that there is a high-velocity (7.1–7.4 km/s) layer in the lower crust of the stable Tarim basin and Ordos plateau. However, in young orogenic belts, including parts of eastern China, the Tianshan and the Tibetan plateau, this layer is often absent. One exception is southern Tibet, where the presence of a high-velocity layer is related to the northward injection of the cold Indian plate. This high-velocity layer is absent in northern Tibet. In orogenic belts, there usually is a low-velocity layer (LVL) in the crust, but in stable regions this layer seldom exists. The Pn velocities in eastern China generally range from 7.9 to 8.1 km/s and tend to be isotropic. Pn velocities in western China are more variable, ranging from 7.7 to 8.2 km/s, and may display azimuthal anisotropy.     

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。     

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。     

S-wave velocity structure of the crust and upper mantle under southeastern China by surface wave dispersion analysis

Group velocity dispersion data of fundamental-mode Rayleigh and Love waves for 12 wave paths within southeastern China have been measured by applying the multiple-filter technique to the properly rotated three-component digital seismograms from two Seismic Research Observatory stations, TATO and CHTO. The generalized surface wave inversion technique was applied to these group velocity dispersion data to determine the S-wave velocity structures of the crust and upper mantle for various regions of southeastern China. The results clearly demonstrate that the crust and upper mantle under southeastern China are laterally heterogeneous. The southern China region south of 25°N and the eastern China region both have a crustal thickness of 30 km. The eastern Tibet plateau along the 100°E meridian has a crustal thickness of 60 km. Central China, consisting mainly of the Yangtze and Sino-Korean platforms, has a crustal thickness of 40 km. A distinct S-wave low-velocity layer at 10–20 km depth in the middle crust was found under wave paths in southeastern China. On the other hand, no such crustal low-velocity layer is evident under the eastern Tibet plateau. This low-velocity layer in the middle crust appears to reflect the presence of a sialic low-velocity layer perhaps consisting of intruded granitic laccoliths, or possibly the remnant of the source zone of widespread magmatic activities known to have taken place in these regions since the late Carboniferous.     

Partial Melting and Its Implications for Understanding the Seismic Velocity Structure within the Southern Tibetan Crust

In order to constrain the crustal wave velocity structure in the southern Tibetan crust and provide insight into the contribution of crustal composition, geothermal gradient and partial melting to the velocity structure, which is characterized by low average crustal velocities and widespread presence of low-velocity zone(s), the authors model the crustal velocity and density as functions of depth corresponding to various heat flow values in light of velocity measurements at high temperature and high pressure. The modeled velocity and density are regarded as comparison standards. The comparison of the standards with seismic observations in southern Tibet implies that the predominantly felsic composition at high heat flow cannot explain the observed velocity structure there. Hence, the authors are in favor of attributing low average crustal velocities and low-velocity zone(s) observed in southern Tibet mainly to partial melting. Modeling based on the experimental results suggests that a melting percentage     

中国大陆克拉通地体地壳密度结构特征

本文根据重力场小波变换的尺度—源深度转换律,进行地面重力异常场多尺度分解,取得了反映中国地壳不同埋藏深度的小波细节,揭示了克拉通地体地壳的密度结构。中国大陆克拉通地体地壳密度结构的总体特点是:地壳密度总体偏高,尤其是在经历了岩浆底垫作用后,下地壳形成了粗大的和高密度的壳根,而造山带的下地壳通常有低密度的山根。现今的克拉通地体有几个演化的阶段,由陆地核演化为一定规模的克拉通地体可能经历漫长的时间。不同演化的阶段地体的物理性质有明显的变化,要赋予大地构造单元以演化阶段的内涵,才能准确理解它们的行为和属性。同时,根据地壳密度结构成像的结果,可以了解克拉通地体的成熟度。中国大陆克拉通地体或者内部地块的地壳密度结构大致可以分为三类。上中下地壳密度都偏高的属于第一类,称为典型的克拉通,塔里木、阿拉善、华北东部、上中扬子等属于第一类。第二类克拉通地体上地壳密度偏低,而下地壳密度偏高,称为弱结晶基底的克拉通,鄂尔多斯和佳木斯属于第二类。第三类上中地壳密度偏高,而下地壳密度偏低,称为无壳根的克拉通残片,柴达木和准噶尔盆地属于此类,它们可能是古克拉通地体的残片。     

从新疆地学断面的成果讨论中国西北盆-山区的地壳构造演化

本文从新疆独山子-泉水沟地学断面的资料介绍了准噶尔盆地、天山、塔里木盆地和昆仑山等新疆南部不同地区的地壳结构构造，进而对中国西北盆-山地区地壳构造及演化的某些特征进行了探讨。提出：中国西部-盆山地区地壳构造运动发生的主要原因是地壳及上地幔的不均一性(包括结构构造的不均一性以及物质成分的不均一性)。强调了现代盆-山构造面貌虽然是新生代的产物，但其形成从中生代就已经开始，是一个延续的历史过程；但二者又有所不同，目前的盆-山构造格局已明显不同于中生代甚至古生代的盆-山构造面貌。     

CHARACTERISTICS OF CRUST-MANTLE TRANSITION ZONE AND ITS TECTONIC SIGNIFICANCE IN THE CONTINENT OF CHINA

The crust-mantle transition zone (CMTZ) is an important site for mass and energy exchange between the lower crust and upper mantle. Several kinds of CMTZ exist beneath the continent of China, which show different seismic reflection characteristics and are composed of different rock associations. In this paper, we identify three types of CMTZ in the continent of China. (a) The CMTZ beneath the Tibet Plateau exhibits a grid-shaped seismic reflection characterized by random and reticular high and low seismic velocity lamellae. It is about 30 km thick, comprising both mafic granulites of lower crust and ultramafic rocks of upper mantle. Such lithological association and seismic velocity structure were inherited from the crustal overthrust and overlapping during the Cenozoic collision between the Indian and Euro-Asian continents; The corresponding crust movement is still very intense in this region. (b) The CMTZ underneath North China Block is usually composed of a thinner strong positive velocity gradient l     

Crustal density structure from 3D gravity modeling beneath Himalaya and Lhasa blocks,Tibet

The Himalaya and Lhasa blocks act as the main belt of convergence and collision between the Indian and Eurasian plates. Their crustal structures can be used to understand the dynamic process of continent–continent collision. Herein, we present a 3D crustal density model beneath these two tectonic blocks constrained by a review of all available active seismic and passive seismological results on the velocity structure of crust and lower lithosphere. From our final crustal density model, we infer that the present subduction-angle of the Indian plate is small, but presents some variations along the west–east extension of the orogenic belt: The dip angle of the Moho interface is about 8–9° in the eastern and western part of the orogenic belt, and about 16° in the central part. Integrating crustal P-wave velocity distribution from wide-angle seismic profiling, geothermal data and our crustal density model, we infer a crustal composition model, which is composed of an upper crust with granite–granodiorite and granite gneiss beneath the Lhasa block; biotite gneiss and phyllite beneath the Himalaya, a middle crust with granulite facies and possible pelitic gneisses, and a lower crust with gabbro–norite–troctolite and mafic granulite beneath the Lhasa block. Our density structure (<3.2 g/cm³) and composition (no fitting to eclogite) in the lower crust do not be favor to the speculation of ecologitized lower crust beneath Himalaya and the southern of Lhasa block.