华南壳幔结构与动力学的宽频地震观测研究

了解华南各岩石圈块体壳幔结构和各向异性方面的差异是揭示华南深部构造演化的基础。本文利用布设于华南的两条宽频地震测线观测数据,采用多种地震学方法对华南的地壳上地幔结构和各向异性进行了研究。接收函数结果表明,华南地区地壳厚度和岩石圈厚度都较薄,地壳厚度自东南沿海向西北内陆增厚,扬子克拉通的泊松比(波速比)低于华夏块体,表明扬子克拉通地壳较华夏块体更偏长英质。约北纬29°以北的扬子克拉通地幔转换带厚度明显增厚,可能是由地幔转换带底部停滞的冷的古太平洋板片或中生代克拉通碰撞残留造成的。层析成像结果显示华南上地幔具有很强的横向差异性,上地幔中的强烈低速异常体可能对应了晚中生代发生广泛岩浆作用时的岩浆房和岩浆通道。台湾下方的上地幔存在南北横向差异明显的高速异常,分别对应台湾南部向东俯冲的欧亚板块及台湾北部向北俯冲的菲律宾海板块。俯冲的欧亚板块在台湾南部是连续的,而在台湾中北部,由于与菲律宾海板块的相互作用,俯冲的欧亚板块被折断。剪切波分裂结果显示,以江绍断裂为界,华夏块体与扬子克拉通的岩石圈地幔各向异性存在明显的横向变化,表明两者的构造演化过程有显著差异。     

下扬子及其邻区地壳和上地幔结构的接收函数研究及其地质意义

本文通过对两条宽频地震密集台站剖面记录的远震事件进行接收函数分析,得到了切过下扬子地区的高分辨率地壳和上地幔顶部结构断面。接收函数结果揭示了此区主要块体结构特征以及地表出露晚中生代岩浆岩以及相关矿床下方的深部结构响应:①中生代以来新生或活化的地质构造对下扬子及其邻区地壳结构的控制作用明显;②在大别造山带中下地壳出现低速震相,指示了大别造山带下方地壳深部存在低速物质,可能是大别造山带下方地壳中发育的韧性剪切带,此韧性剪切带可能与大别超高压变质岩被抬升剥露于地表的动力学作用有关;③在江南造山带东段怀玉山地区中下地壳观测到褶皱和逆冲叠瓦状复杂转换震相结构,与江南造山带西段雪峰山地区中下地壳结构相似,可能反映了隐伏的元古代江南造山带;④在德兴矿床和皖南白垩纪花岗岩群正下方观测到Moho和LAB界面的突变上隆现象,可能指示了晚中生代以来在华南东部下扬子地区岩石圈的薄弱区域,软流圈的上涌造成了岩石圈地幔的局部破坏,壳幔结构的局部异常是壳幔物质相互作用的结果。以上地震学观测揭示了下扬子及其邻区下方一些重要的壳幔结构特征,反映了华南大陆东部在不同地质历史时期经历的独特构造演化事件,为我们深入理解华南板块的形成和早期演化以及后期中生代以来华南东部强烈的岩浆和成矿作用的深部机制提供了关键的地球物理约束信息。     

景德镇-温州大地电磁剖面深部电性结构研究

华南大陆历经长期复杂的构造演化,其浅部复杂而多样的构造形态与深部壳幔结构及其动力学机制有着密切联系,但当前的深部探测资料有限,深部构造并不明确。为了研究华南的深部岩石圈结构状态,布设了多条宽频长周期大地电磁联合探测剖面。通过对景德镇-温州剖面的数据处理,获得了该剖面的岩石圈电性结构模型。分析表明:华夏地块与扬子地块东部的江南造山带以江绍断裂为界;华夏地块整体呈现高阻特征,可能具有深部岩石圈背景的上虞-政和-大浦断裂将其分为华夏褶皱带与东南沿海岩浆岩带;扬子地块东部的江南造山带整体电阻率较低,结构更破碎,受到深部改造明显,岩石圈底界约为110 km;剖面发现3处低阻带通道,可能与软流圈上涌相关;江绍断裂呈喇叭状向深部张开,华夏地块与扬子地块的裂解拼合可能与断裂深部的高导体活动有关。华夏地块与扬子地块的接触状态呈现为双向汇聚,华夏地块在上地幔挤入扬子地块,深部接触边界可能越过江绍断裂带。     

苏鲁大别造山带岩石圈三维P波速度结构特征

本文全面收集整理并解析了地学断面、地震测深、体波和面波层析成像资料,得到了苏鲁大别造山带及其邻区岩石圈1°×1°三维P波速度数据体。研究结果表明,苏鲁与大别造山带高压、超高压变质带的岩石圈速度结构具有上地壳明显高速且上凸;中地壳增厚;下地壳埋藏较深且下凹等相似的基本特征。苏鲁和大别超高压变质带下的莫霍面比其周围深2～4 km,深度分别达到32～33 km和34～38 km。在大别造山带,有地壳低速体从南向北俯冲到上地幔的迹象,可能显示了扬子地块地壳物质向华北地块俯冲,坠入上地幔的残留体。超高压变质带岩石圈底部的地幔,往往有明显高速层或高速体存在。苏鲁与大别地区的岩石圈速度结构不同特征及其成因在于苏鲁地区上地壳P波速度更高,但是,下地壳下凹没有大别地区明显,而且区域构造较为均一。这可能是受到郯庐断层左行平移的主控影响所致。郯庐断裂带的上、中地壳和上地幔表现为相对低速异常,郯庐断裂及其地下延伸部分将岩石圈地幔浅部低速层和深部高速层切为两段,其影响深达岩石圈底部约90 km处。     

广西地区岩石圈表层与深部构造之关联性:源于岩石圈密度与磁性结构的解读

广西地处华南地块、印支地块与西太平洋板块的汇合部位,因特殊的构造部位,广西区内大地构造单元归属、构造单元边界等许多基础地质问题一直存在争议.自新生代以来的板块构造运动对岩石圈的改造,广西地壳与上地幔在地震波速度及温度结构方面具有显著差异.应用卫星重、磁异常数据以及区域重力和航磁资料对广西地区岩石圈密度和磁化率结构及其与上地壳构造的关系开展了研究,结果显示广西地区地壳密度和上地壳磁性结构与现今地表构造较为契合,但下地壳密度结构与上地幔存在不连续现象;此外,岩石圈磁化率结构指示中下地壳存在不同范围和程度的解耦.对广西岩石圈密度与磁性结构的解读认为,在中生代以来岩石圈被大规模改造的背景下,幔源物质上侵至上地壳的规模和范围都有限,这可能是整个广西地区上地幔结构与地壳构造不对应的主要原因.      

华夏地块中部宽频地震剖面深部速度结构研究

华夏地块处于欧亚板块、太平洋板块和菲律宾海板块相互作用的前沿。我国著名的南岭成矿带和武夷成矿带均位于华夏地块内。已有的研究认为,南岭和武夷的成矿作用可能与中生代晚期岩浆岩的底侵有关。为研究深部速度结构,本研究在2017年7月至2020年8月期间布设了一条横跨南岭成矿带与武夷成矿带的宽频地震测线。该测线共有81个流动台站组成,台站间距5-8 km,总长度约430 km。从连续波形中截取451个震级大于5.5级的远震事件波形,利用改进的互相关法直接从波形中计算得到7231条相对走时残差数据(误差小于0.1 s)。本研究采用远震走时层析成像方法反演相对走时残差数据,获得了高分辨率的速度结构。初步的成像结果表明:(1)华夏地块中部上地幔内存在一个明显的自西向东逐渐变深的低速异常体;(2)华夏地块岩石圈内速度结构具有很强的横向差异,且与断裂带分布存在一定的空间对应关系;(3)政和-大浦断裂带东侧下方200-300km处存在较明显的高速异常体。结合其它已有成果,本研究认为上地幔内的低速异常可能是上涌的软流圈热物质,抵达岩石圈底部引发岩石圈拆沉,可能继续沿深大断裂侵入地壳,形成金属矿藏;而拆沉的岩石圈冷物质下沉,所留痕迹即为软流圈内的高速异常体。     

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。     

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。     

南海东北部及其邻近地区地壳上地幔P波速度结构

利用中国地震台网和ISC台站记录的P波到时数据,采用球坐标系有限差分地震层析成像方法反演了南海东北部及其邻近地区壳幔三维P波速度结构,并分析了不同地质单元的构造差异及其深部特征。结果表明:南海东北部表现出陆架地区的岩石层特性,属于华南大陆向海区的延伸,岩石层厚度较大,现今不存在大规模的地幔热流活动,推测大陆边缘张裂作用仅限于地壳内部而没有延伸进入上地幔,具有非火山型大陆边缘的深部特点。中央海盆附近上地幔P波速度明显降低,与海盆下方地幔热流活动密切相关。不同的速度异常特征表明:华南大陆暨台湾地区属于欧亚大陆的正常地壳或是与菲律宾海板块相互作用产生的增厚型地壳,冲绳海槽则是弧后扩张产生的减薄型地壳。滨海断裂带作为华南大陆高速异常和南海北部高速异常的分界,代表了一定地质时期华南地块和南海地块的拼合边界。断裂附近的上地幔低速异常揭示了闽粤沿海岩浆作用的深层动力机制。吕宋岛弧、马尼拉海沟、东吕宋海槽的速度异常与其所处的特殊构造位置有密切的关系,清晰地反映出岛弧俯冲带的地壳结构差异;台湾南部至吕宋岛弧的上地幔低速异常揭示了两个重要火山链的深部构造特征,北吕宋海脊下方100 km深度的条带状高速异常有可能代表了俯冲下沉的岩石层板片。     

浙江省地壳构造综合研究

浙江地区基岩为大面积的中生代火山岩覆盖，对了解地壳深部的组成结构造成困难。本文通过对布格重力异常和航磁异常数据进行小波多尺度分解，深入地了解浙江省不同深度的地壳结构，结合地震和大地电磁资料，取得地壳构造的三维信息。根据浙江地区位场的多尺度分解结果，可以将浙江省上地壳细分为六个构造单元：下扬子南部浙北陆沿带、江山- 绍兴古陆块碰撞拼合带、古华夏陆块北沿带、丽水- 余姚早古生代陆缘俯冲带、浙东侏罗纪白垩纪火山岩带和杭嘉地块。在上地壳的六个构造单元中，江山- 绍兴古陆块碰撞拼合带、浙东火山岩带和杭嘉地块具有高密度强磁性的属性；而下扬子南部浙北陆沿带、古华夏陆块北沿带和丽水- 余姚早古生代陆缘俯冲带具有低密度的属性，与它们在古生代受安第斯型大洋俯冲作用有关。浙江省下地壳只有西—西南部低密度区、中部杭州- 嵊州- 苍南中密度带和杭嘉- 舟山群岛- 滨海高密度带三个构造区。东部的中生代陆缘火山弧和杭嘉地块在中下地壳连为一体；江山- 绍兴古陆块碰撞拼合带和古华夏陆块北沿带也连为一体。浙江省中下地壳的格局主要受西太平洋俯冲带向东后撤的影响。     

On velocity anomalies beneath southeastern China: An investigation combining mineral physics studies and seismic tomography observations

Seismic tomography studies reveal distinct velocity and V_P/V_S anomalies in the mantle transition zone (MTZ) beneath the Yangtze Craton and Cathaysia Block in southeastern China. The anomalies under the Yangtze Craton are characterized by high velocity (both V_P and V_S) and low V_P/V_S ratio, while those beneath the Cathaysia Block are characterized by low velocity (especially V_S) and high V_P/V_S ratio. Here, we conduct analyses of phase relations and thermoelasticity to model the effects of thermal and chemical homogeneities in the MTZ, by taking advantage of recent simultaneous V_P and V_S seismic tomography results under southeastern China. We attempt to quantify the seismic tomography results and examine the effects of temperature, chemical composition, and water (or protonization) on velocity anomalies in the deep mantle. We find V_P/V_S to be a powerful parameter in distinguishing the various effects of temperature, chemical composition, and protonization. We conclude that an ancient stagnated oceanic slab is most likely the main cause of the observed fast velocity and low V_P/V_S anomalies in the MTZ under the Yangtze Craton. This ancient slab material is most likely a product of paleo Pacific subduction around 100–125 Ma ago, when the oceanic plate abruptly changed its direction of motion. Such an event has been shown to be closely related to the magmatic activities around eastern China, the ultrahigh-pressure metamorphism zone between the Yangtze Craton and the North China Craton, and the destruction of the lower crust of the North China Craton. The anomalies under the Cathaysia Block, on the other hand, are likely due to dehydration-induced partial melting of subducted Pacific slab materials. Here the large low V_S anomaly in MTZ coincides with the extensive Mesozoic to Cenozoic igneous features on the surface, suggesting a state with lower viscosities in the upper mantle. Dehydration-induced partial melting in MTZ may have also promoted deformation of the South China fold belt. Our results suggest that these lithospheric processes are directly related to the tectonic interaction between the oceanic and continental plates in southeastern China and that a better understanding of past deep mantle dynamic processes may place important constraints on the evolution of the cratons in China.     

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.     

中国东南地区岩石圈热结构特征及其构造意义

中国东南地区地质演化复杂,中—新生代构造变形强烈,岩石圈深部热力学状态及其对构造活动的影响有待深入。文章结合最新的大地热流数据与地壳结构Crust 1.0模型,利用稳态热传导方程,以岩石捕虏体温压数据和地震学观测为约束,构建了华南地区扬子克拉通、华夏地块以及南海北缘等不同单元的岩石圈热结构。结果表明该区岩石圈热结构存在强烈的不均一性：除了上扬子地区（四川盆地）为“温壳温幔”的热结构,华南其他大部分地区都表现为“热壳热幔”的特征;同一深度下,华夏地块与南海北缘的深部温度显著高于扬子克拉通;热岩石圈厚度从克拉通内部向沿海地区（NWSE）逐渐降低,也即由四川盆地的~200 km减少到华夏地块的~110 km,再到南海的~70 km。此外,我们还发现陆内地震的分布与岩石圈温度密切相关,地震活动集中分布于600℃等温线以内。总体而言,扬子克拉通中西部岩石圈热结构具有冷而厚的特征,而华夏地块和南海北缘受古太平洋平板俯冲和新生代大陆边缘构造—岩浆作用的改造,表现为热且薄的特征,岩石圈的热弱化进而加速了华南大陆边缘的裂解及随后的南海扩张过程。     

P-wave Velocity Structure of Crustal and Upper Mantle beneath South China and its Tectonic Implications

The 3D P-wave velocity structure beneath the South China Block was determined by applying arrival times from 269 teleseismic events recorded by 240 seismic stations within the study region. Our tomographic results reveal the deep structural characteristics of major tectonic units and ore concentration areas. There are distinct high velocity anomalies beneath the ancient Yangtze and Cathaysia blocks, with the lithosphere of the Cathaysia Block being thinner than the Yangtze Block; the Jiangnan orogenic belt, located in the combined zone of two blocks, is a high and low velocity anomaly conversion zone; the famous metallogenic belts of Edongnan, the Youjiang Basin and the Cathaysia Block are obviously low velocity areas with different metallogenic mechanisms. The deep ore-forming material source in the Edongnan metallogenic belt is different from that of the Cathaysia Block. The low velocity anomaly under the Cathaysia Block related to mineralization results from the upwelling of mantle material, caused by the joint action of the Paleo-Tethys tectonic domain, the Paleo-Pacific tectonic domain and the Hainan mantle plume migration and erosion, which has been occurring from northeast to southwest since 80 Ma. The low-temperature mineralization mechanism of Youjiang Basin should be considered not only in terms of the influence of the Emeishan mantle plume in the west and the Paleo-Tethys tectonic domain in the south, but also in the context of the influence of the upwelling of asthenospheric material from the Paleo-Pacific tectonic domain in the east.     

苏鲁造山带地壳上地幔结构层析成像研究

扬子与华北板块在三叠纪的俯冲碰撞形成了著名的苏鲁超高压造山带,其板块碰撞接触关系一直是热点问题.利用国家台网中心64个省台记录的1 079个近震事件的10 922个P波到时和251个远震事件的11 931个P波到时数据,采用远近震联合反演的层析成像方法对苏鲁地区进行了地壳上地幔速度结构反演.结果显示,研究区内两个低速异常区分别对应山东半岛西部的华北板块地幔上隆区和壳幔相互作用强烈的长江中下游成矿带地区.在地幔300 km深度之下出现的高速异常体可能代表了早中生代扬子与华北板块碰撞之前俯冲拆沉的古特提斯洋板块.传统观点的扬子板块岩石圈向北俯冲不明显,华北板块表现为向东南俯冲的高速特征.华北板块俯冲以苏鲁造山带中部的北纬35°为界,分为南北两种俯冲样式.北部俯冲不明显,华北板块停滞在郯庐断裂带以西;南部则表现华北板块向东南陡倾俯冲到苏鲁造山带之下.      

长江中下游成矿带及邻区地壳速度结构：来自利辛-宜兴宽角地震资料的约束

为了理解长江中下游地区在中生代成矿的深部动力学过程,Sinoprobe-03-02项目于2011年9月至10月,在跨宁芜矿集区和郯庐断裂带实施了从安徽利辛至江苏宜兴450km长的宽角反射/折射地震剖面。速度剖面结果显示,Moho面深度和地壳速度结构在郯庐断裂两侧东西方向存在明显的差异:(1)在东部扬子块体内部,地壳覆盖层厚3~5km,西部的合肥盆地下方,则达到4~7km。(2)剖面平均Moho面深度为30~32km左右,在郯庐断裂下方,Moho面深度在35km左右;在宁芜矿集区下方,Moho面整体深度偏浅,达30~31km左右,但局部范围内,Moho面深度至34km左右。(3)剖面的下地壳平均速度在6.5~6.6km/s左右,在宁芜矿集区下方,下地壳速度偏低,为6.4~6.5km/s左右。剖面上地幔顶部的速度结构平均在8.0~8.2km/s。在宁芜矿集区下方,速度偏低,为7.9~8.1km/s左右。(4)郯庐断裂带的下方,从地表开始,还存在20多千米长的低速异常带,一直延伸到Moho面附近。剖面的宁芜矿集区下方Moho面上隆、下地壳及上地幔的低速异常等壳幔结构特征,预示下地壳不以榴辉岩残体为主,支持燕山期地幔岩浆的上涌和侵入并成矿,是热上涌物质的源地。     

华南地球化学走廊带碎屑沉积岩W、Sn时空分布特征及其指示意义

通过系统的高密度采样,选取了470件来自华南走廊带的细粒碎屑沉积岩,涵盖了中元古到白垩系地层,对其主要元素、微量元素、稀土元素进行了精确分析。研究结果显示,所有样品都存在明显的稀土元素的分异和Eu的负异常,其中(La/Yb)N=10.0,Eu/Eu*=0.67。相对上地壳平均组成,样品明显亏损Ca、Na和Sr,并具有较高的化学风化指数,暗示样品受到了较为强烈的风化作用影响,并且经历了长距离的搬运过程;主要元素和微量元素图解暗示样品的源岩可能包括花岗质、安山质和长英质岩石。样品的地球化学特征显示,样品可以代表较大的源区,并且W、Sn的含量可以反映走廊带上W、Sn分布特征。在走廊带上,W、Sn的含量自东南向西北递减,在江山—绍兴断裂带附近突变,该分布特征与华南地区的钨锡成矿作用非常吻合。碎屑沉积岩中W、Sn的含量明显高于上地壳平均含量,其中W、Sn含量的峰值存在于中元古代—奥陶系地层,而华夏地块从中元古代开始便具有高钨锡含量,可能是该地区形成全世界最大的钨锡成矿省的重要原因。