阴山山系与鄂尔多斯盆地北部的重力场与深部构造

阴山山系与鄂尔多斯盆地跨越不同的构造单元,是典型的盆、山耦合地带,且是构造活动强、弱的变异地域,了解该区地壳深部结构对与理解和认识盆山耦合地区的深部要素和深层动力学过程具有重要意义.本文基于最新采集的高精度重力探测数据,通过重力正、反演拟合求得了延川-包头-满都拉剖面辖区的地壳密度结构,并结合已有的面积性区域重力探测数据反演了该区的Moho界面分布特征.在此基础上系统地讨论了该区的深部地壳密度结构特征,为进一步深化认识该区的深部构造及其动力学过程提供了重力学方面的重要信息.     

泰安—诸城剖面重力异常和地壳密度结构特征

泰安—诸城高精度重力观测剖面,位于华北克拉通的东部,是中国东部重要的构造带且是地震活动的重要地段,利用剖面相对重力联测与同址GNSS三维坐标测量数据,得到剖面的重力异常,结合区域布格重力场、地球深部探测及地质构造成果,对剖面进行密度结构反演和剩余密度相关成像研究.结果表明:剖面布格异常变化范围为(-30.1～7.3)×10-5m·s-2,从西往东总体呈上升(泰安至沂源以低背景平缓逐渐上升与相应位置的高程呈现"同步型"变化;马站至张家楼以高背景逐渐上升与地形高程呈现"镜像型"变化)趋势,高低异常背景转折在沂沭断裂带西段150 km左右位置;背景异常是地壳厚度变化的反映,整体形态西深东浅,在沂沐断裂带地壳厚度隆起可能是地壳下地幔物质沿断裂向上入侵时,地壳产生挤压和膨胀隆起所致;剖面地壳密度呈现上、中和下三层结构,鲁西隆起、沂沭断裂带西部中下地壳局部存在低密度体,可能是上地幔物质上涌岩石含部分高温流体和熔融岩体所致,胶东地区保持了比较完整和均一的地壳结构特征,反映了胶东地区地壳活动不强;剖面的主要断裂带位置均能看到布格重力异常和剩余密度的变化,可能是断裂控制了地下介质的发育所致;剖面密度模型显示地下密度的分段特征和深浅构造差异,沂沭断裂带是鲁西隆起和胶东隆起的分界带;本文通过对布格重力异常和密度结构的特征研究,分析了地震活动、动力学背景与地壳密度结构的关系.     

南海东北部及邻区深部结构的综合地球物理研究

南海东北部及邻区,特别是洋陆转换带地区的复杂地壳结构特征一直是南海岩石层结构研究的热点.本文在Pn波地震层析成像结果和深部地震探测剖面的约束下,利用重力数据建立该区两条剖面的密度模型.两条重力剖面二度半密度正反演的拟合结果支持琼粤隆起至吕宋岛弧区一带的地壳结构中存在下地壳高速层的观点,同时认为台西南盆地的拟合结果表明南部凹陷区仍属于过渡型地壳.本文认为剖面AA′和剖面BB′的构造属性虽然均总体倾向于火山岩型,但二者的地质结构并不完全一致,表明了北部陆缘深部结构的横向差异与构造属性的复杂.     

南海东北部海陆深地震联测与滨海断裂带两侧地壳结构分析

南海东北部首次成功实施海陆联合深地震探测,填补了海陆过渡带深地震探测的空白. 利用该次海陆联测地震数据,通过数据处理、震相分析、射线追踪、走时模拟等方法,获得了滨海断裂带附近的纵波地壳速度结构,探明了海陆联测剖面中滨海断裂带可能位置. 地壳速度结构为陆壳结构,地壳厚度由陆地向海区逐步变薄;在上地壳下部普遍存在一层速度为5.5～5.9km·s-1、厚度为2.5～4.0km的低速层,并向海区方向减薄,该区未发现明显的高速层. 滨海断裂带为一纵向低速带,位于南澳台东南35km处,对应于重、磁异常带,断裂带断至莫霍面,是华南陆区正常型陆壳与海区减薄型陆壳的分界地壳断裂.     

福建—台湾海峡深部地壳结构探测与滨海断裂带性质研究

基于2012年实施的漳浦—下洋—武平人工地震爆破探测数据以及2015年实施的陆海联测HX07的数据,用射线追踪和正演走时拟合方法,获得了福建南部—台湾海峡的初步二维纵波速度模型。剖面显示:滨海断裂带表现为宽约20km的切穿地壳的破碎低速带,与其两侧的地壳结构存在较大的横向差异,莫霍面在滨海断裂带处发生较大的突变,其深度由左侧的30km左右抬升至右侧的28.8km左右,上下地壳厚度比亦由靠陆一侧的1:1降至向海一侧的0.5:1;上述特征表明滨海断裂带是华南地块正常型陆壳与海区减薄型陆壳的分界断裂。地壳速度在海陆过渡带偏高,康拉德面和莫霍面在此处也有显著抬升,推测其可能是在地壳的伸展拉张及太平洋板块与菲律宾海板块向欧亚大陆板块的俯冲的共同作用下,深部软流圈物质沿着长乐—诏安深大断裂上侵形成的。     

攀西地区重力场特征及地壳密度结构

攀西地区位于峨眉山大火成岩省中西部,构造和岩浆特征显著,地震活动强烈.通过对野外重力测量得到的云县—会东和普洱—七甸两条剖面的高精度重力观测数据进行处理和分析,构建了沿剖面的二维地壳密度结构,其中普洱—七甸剖面与孟连—马龙宽角地震剖面部分位置重合.同时结合区域重力异常特征及下地壳视密度填图结果,得到如下初步认识:红河断裂带是南北地震带南段地区重要的构造分界线,断裂带南北向密度结构和莫霍面分布形态存在较大差异,沿走向构造变化.云县—会东剖面上大姚—会东段下地壳底部存在密度较高的壳幔过渡层,结合研究区下地壳底部壳幔过渡层的密度分布特征,认为该过渡层不是攀西裂谷下的"裂谷垫",而是由岩浆底侵作用造成的.     

龙门山断裂带中段深地震宽角反射/折射剖面研究

射线追踪方法是研究地震波在横向非均匀地壳介质中传播的重要方法.本文推导了理论走时对网格化节点速度的偏导数公式,提出了针对深地震宽角反射/折射剖面数据反演的联合迭代法,并使用该方法对横跨龙门山断裂带中段的一条深地震宽角反射/折射剖面进行了反演和解释.首先,对每一炮的观测数据进行一维反演,在此基础上插值出一个粗略的二维速度模型;然后,使用射线追踪方法计算理论走时,再根据理论走时与观测走时的拟合程度对二维模型进行调整,以获得更加接近实际的二维速度模型;最后,利用联合迭代法对观测走时进行反演,经反复迭代使所有接收点理论走时与实测走时的残差平方和最小,最终获取该剖面的二维地壳速度结构.反演结果表明:测线东段的沉积盖层明显厚于中段褶皱带和西部高原,中部褶皱带部分地区出现基岩裸露;构造转换带两侧的地层分界面近于水平层状分布,其西侧的中、下地壳内各存在一个层间速度间断面;构造转换带内存在薄厚不等的低速层,自西向东有增厚趋势.此外,龙门山断裂带的3条主断裂向下深切结晶基底,这是由于西部松潘—甘孜地块自西向东运动,受到刚性扬子地块的阻挡,沿铲式断裂向上爬升所致;而在断层上盘距地表约15 km深处出现的最大剪应力极值区,正是发生汶川M_S8.0地震的震源位置.      

郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区地壳速度结构

郯庐断裂带是我国东部规模最大的深断裂带.为了揭示该断裂带的深部结构,本文利用江苏、安徽、山东、上海和浙江地震台网记录的近震到时资料,对8700个地震事件重新精确定位,进而开展了多震相地震走时成像法反演地壳速度结构.通过分析郯庐断裂带鲁苏皖段及邻区三维地壳速度结构图像,发现(1)研究区内不同构造块体具有差异明显的地壳速度...     

珠江口海域滨海断裂带的地震学特征

利用2010年珠江口外海陆地震联测数据,探测到滨海断裂带在担杆岛外12 km处发育,断裂带主体倾向东南、宽约20 km,沉积层在断裂带内迅速增厚引起陆上固定地震台站的Pg震相在对应断裂带位置的走时明显滞后.通过震相分析和走时正演拟合,获得了滨海断裂带两侧由浅至深的纵波速度结构模型,断裂带内部沉积层速度为1.8~3.5 km/s,上地壳速度5.2~6.1 km/s,下地壳速度为6.3~6.6 km/s,莫霍面的埋深由滨海断裂带陆侧的29 km抬升至其海侧的27 km.滨海断裂带两侧的地壳结构特征明显不同,证实了该断裂带是华南陆区正常型陆壳与南海减薄型陆壳分界断裂的性质.在华南沿海和海陆过渡带的下地壳顶部探测到厚约3 km、层速度为5.5~5.9 km/s的低速层,往海域逐渐减薄尖灭.壳内低速层是地壳中的力学软弱带,与近似正交的NEE向滨海断裂带和NW向断裂带共同组构成了该区地震活动的孕震构造.     

青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构

综合重力观测资料和地震波走时资料反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构,并对该区岩石圈结构及动力学特征进行了讨论.首先利用收集到的P波近震和远震走时数据进行地震层析成像,得到研究区岩石圈三维P波速度结构.然后利用速度-密度经验关系式,将速度扰动转化为密度扰动建立研究区三维初始密度模型.最后利用分离的布格重力异常反演得到了岩石圈三维密度结构.反演结果表明:青藏高原东北缘地壳密度结构特征有利于地震孕育发生和地壳物质侧向流动;地壳内,密度异常等值线走向与地表断裂走向基本一致,进入地幔后,密度异常等值线走向发生了顺时针旋转,这表明青藏高原东北缘地壳和地幔具有不同的构造运动模式,暗示该区可能发生了壳幔解耦;80~100 km深度上,P波速度异常较密度异常明显偏低,推测该区可能发生了部分熔融或者岩石含水量的增加;印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡联合作用,使得青藏高原东北缘形成了强大的区域构造应力场,并导致深部软流圈热物质上涌,为该区壳幔解耦、部分熔融和P波速度降低创造了条件.     

南北地震带南段地壳厚度重震联合最优化反演

重力反演方法是研究地壳结构和物性界面起伏的有效地球物理手段之一.本文收集了南北地震带南段67个已有的固定台站接收函数反演的Moho面深度结果,并使用基于EGM2008重力异常模型计算的布格重力异常,验证了本文提出的重震联合密度界面反演方法的有效性.利用接收函数对台站下方Moho面深度估计作为先验约束,定义了一类评价函数,通过对重力反演算法中尺度因子,平移因子和稳定性因子的最优选择,最小化重力反演结果与接收函数模型之间的差异.结果表明,本文提出的方法,可以有效地同化不同地球物理方法获得的反演模型,且通过重震联合反演可以改进由于对空间分布不均匀的接收函数结果插值可能而引起的误差.本文还通过引入Crust1.0的Moho面深度为初值,同时考虑地壳密度的横向不均匀分布,通过模型之间的联合反演有效改善了地球物理反演模型间的不一致性问题.本文反演得到的最优化Moho面深度模型与已知67个台站位置接收函数模型之间的标准差约1.9km,小于Crust1.0与接收函数结果模型之间标准差为3.73km的统计结果.本文研究结果对于同化重震反演结果、精化地壳密度界面模型,都具有十分重要的参考意义.     

中国海——西太平洋典型剖面(南幅)揭示的微陆块-窄洋盆构造格局

基于编制最新地学成果图件的需要,我们整合了最新地质、地球物理资料成果,运用最新的技术方法,开展了中国海—西太平洋地区典型剖面的编制工作.典型剖面(南幅)主要集成了南海地区近年来获得的广角地震探测资料,运用重-磁-震联合反演方法,结合拖网、钻井、地热、地质剖面等,以块体构造学说为编图思想编制而成.典型剖面(南幅)从华南以NNW-SSE向直抵苏拉威西海,穿过了多个构造单元,包括3个陆缘-离散地块区(华南块体—南海北部陆缘、中沙地块、礼乐—北巴拉望地块)、4个海盆区(西北次海盆、中央海盆、苏禄海盆、苏拉威西海盆)、2个俯冲-岛弧区(卡加延脊、苏禄脊),这些构造单元一起构成了西太平洋边缘独特的“微陆块-窄洋盆”构造格局.自古特提斯向欧亚大陆之下俯冲以来,该区域经历了复杂的构造演化过程.在形成这种构造格局的过程中,地壳处在不断消亡和生成的动态循环之中,同时构造应力也处在动态变化之中.通过对区域地球动力学的综合分析,认为这种微陆块-窄洋盆构造格局的形成,很大程度上是由于其位于三大板块交接的独特区域,以及受区域内复杂而丰富的俯冲作用的影响和制约.通过典型剖面编制工作,推动了中国海—西太平洋区域内大地构造和地球物理特征研究,为“跳出南海看南海”提供了良好的研究范例,同时启发我们未来加强对邻区研究空白区域的探索.     

Searching for Regional Crustal Velocity-Density Relations with the Use of 2-D Gravity Modelling – Central Europe Case

In this paper we search for a reference relation between seismic P-wave velocity V and density ρ _ref for the continental crust. Based on the results of modern seismic experiments, we compiled 2-D seismic models into a network of four, each about 1100–1400 km long, continental-scale seismic transects cutting all main tectonic units in Central Europe. The Moho depth (about 52 km beneath the TESZ in SE Poland, to about 25 km beneath the Pannonian Basin) and the crustal structure of this area are characterised by a large variation. This structural variation provides an interesting basis for gravity studies and especially for analysing the difference of the density structure between two major tectonic provinces of distinctive age difference: Precambrian and Phanerozoic. The 2-D gravity modelling applied for crustal cross-sections representing the regional structure, based on a unified gravity anomaly map of the area, allows for a stable determination of some general features of the regional reference velocity-density relation for the continental crust. In general three major seismo-petrological types of rocks can be distinguished: sediments, crystalline crust and mantle. In compacted sediments the reference velocity-density relation is well described by the Gardner or Nafe-Drake model. Calculated gravity anomalies, using unified velocity-density relation for the whole crystalline crust, well describe observed anomalies, with an average difference of 14 mGal. However, calculated gravity anomalies, using separated velocity-density relations for the crystalline crust of Precambrian and Phanerozoic Europe, describe observed anomalies better than for the entire crust, with an average difference 12 mGal. The most important feature of these relations is the large differentiation of the derivative dρ _ref /dV in the crystalline crust, being about 0.3 g s/m⁴ for Precambrian, and about 0.1 g s/m⁴ for the Phanerozoic crystalline crust. The modelling suggests a very small density value in the uppermost mantle ρ = 3.11 g/cm³ below the younger area, while for the older area it is ρ = 3.3 g/cm³.     

南海岩石层及边界构造的地球物理特征

南海经历了中生代主动大陆边缘到新生代被动大陆边缘的转换,其岩石层地球物理场具有明显的块、带特征.本文通过综合分析南海地区深地震探测、面波层析成像、重磁异常以及地热与岩石层流变学等各种地质地球物理资料,对南海地壳及岩石层的综合地球物理特征进行了深入总结,发现深地震探测剖面所确定的洋、陆壳转换位置与空间重力异常梯级带位置较为一致,据此拟定了南海洋、陆壳的转换边界;依据多条地壳结构剖面中拉张减薄的程度确定了正常减薄陆壳、洋陆壳过渡带及洋壳等属性特征,并初步圈定了南海下地壳高速层的分布范围.对比分析了南、北陆缘地壳结构及其拉张减薄的变化特征,从综合地球物理特征的相似性上推测了北部陆缘的中西沙陆块与南部陆缘的南沙礼乐滩陆块具有共轭对称性.依据S波速度梯度变化确定了南海岩石层厚度分布情况,揭示出南海北部陆缘存在一条岩石层厚度的减薄带,且该减薄带与高热流带具有较好的一致性.在综合分析的基础上,以深地震探测剖面与重、磁异常变化的对应性为基础,划定了南海边界构造的位置.     

华北克拉通北缘(怀来-苏尼特右旗)地壳结构

2009年,中国地质科学院地质研究所与美国俄克拉荷马大学合作实施了一条长453 km的深地震反射、宽角反射与折射、三分量反射地震联合探测剖面. 剖面南起怀来盆地,向北依次穿过燕山造山带西缘、内蒙地轴、白乃庙弧带、温都尔庙杂岩带,到达索伦缝合带. 其中,宽角反射与折射剖面采用8个0.5~1.5 t炸药震源激发,使用300套Texan单分量数字检波器接收,获得了高质量的地震资料. 通过资料分析和处理,识别出沉积层及结晶基底的折射波（Pg）、来自上地壳底界面的反射波（Pcp）,中地壳底界面的反射波（Plp）,莫霍界面的反射波（Pmp）及上地幔顶部的折射波（Pn）等5个震相. 分别采用Hole有限差分层析成像和Rayinvr算法对华北克拉通北缘及中亚造山带南部进行了上地壳P波速度结构成像和全地壳二维射线追踪反演成像. 结果显示：（1）中亚造山带地壳厚度~40 km,变化平缓,低于全球平均造山带地壳平均厚度,可能为造山后区域伸展的结果. 阴山-燕山带附近莫霍明显加深,推测其为燕山期造山过程形成的山根,但该山根很可能在后期被改造. （2）测线中部地壳上部速度较高,对应地表大面积花岗岩出露,而下地壳速度较低,速度梯度低,呈通道状,推测其可能曾为古亚洲洋向南俯冲消亡的主动陆缘,并在碰撞后演变为伸展环境下岩浆侵入的通道. （3）华北克拉通北缘与中亚造山带显示出不同速度变化特征,前者变化相对缓而后者则变化剧烈,二者的分界出现在赤峰-白云鄂博断裂附近.     

三维多层介质重力-地震同步联合反演

联合反演是地球物理勘探的重要解释手段,能够提高模型参数的反演精度.本文在归纳和分析重力与地震资料联合反演的研究和应用现状的基础上,利用三维多层介质模型的地震走时和重力正演公式,推导了地震走时和重力异常对界面深度的雅可比矩阵,实现了三维重力-地震同步联合反演界面成像.最后进行了数值理论模型模拟和实例计算,结果表明地震走时和重力同步联合反演很好的重建了三维多层介质界面.     

中国地壳厚度及上地幔密度分布(三维重力反演结果)

根据我国11平均布格重力异常图,采用Parker-Oldenbug位场反演方法,做了全国范围的三维重力反演。Parker的位场理论公式不仅数学上严密,而且运算速度甚高。本文将近些年大量的地震测深资料做为三维模型的控制点输入,并对反演计算采取了多种措施,以改善结果的合理性。本研究不仅得到了中国地区地壳厚度的分布,还首次给出了至120公里深处上地幔的密度分布。 结果表明,地壳厚度自东部沿海地区30——40公里逐渐增至青藏高原大部分地区的68公里,东部变化平缓,西部复杂,与大地构造有一定对应性。青藏高原及西部地区的上地幔密度总体偏高,一般3.40——3.65克/厘米3。东部广大区域在3.23——3.30克/厘米3。东部重力梯度带反映着下地壳与上地幔中一条深层构造带的存在,它不仅是地壳厚度陡变带,也是上地幔中的高密度带（3.29——3.35克/厘米3）,具有大区域性的控制作用。重力的均衡调整是青藏高原隆起的重要因素之一。 作者初步推断,中国地区的上地幔可大体分为青藏高原区、中部过渡区和东部正常区等三个大区,反映着上地幔结构的横向不均匀性。据此,本文解释了某些地球物理现象。      

台湾海峡大容量气枪震源海陆联测初探

本文利用在我国台湾海峡采用大容量气枪震源开展海陆联测获得的广角地震测线HX9, 采用二维射线追踪法反演得到了HX9剖面的地壳二维速度结构和地壳界面形态, 初步探明了福建—台湾海峡海陆过渡带的深部构造． 结果表明: HX9剖面的地壳内存在两个速度间断面, 即C界面和莫霍面, 其中: C界面为上、 下地壳的分界面, 是一个小的速度不连续面, 速度变化值达0.08—0.16 km/s; 而地壳底部的莫霍面则有较大的速度反差, 变化值达1.02—1.29 km/s, 莫霍面上、 下的速度分别为6.75—6.97 km/s和8.00—8.07 km/s． 沿剖面的地壳界面形态总体起伏不大, 陆域上、 下地壳的厚度和界面变化趋势均相似, 从陆域到海域呈微倾斜变化趋势, 表现为减薄陆壳的特征． 莫霍面陆域埋深约为31.6 km, 向福建东南沿海逐渐减薄至27.4 km左右．      

辽河裂谷的深部构造与裂谷活动的侧向迁移

对横穿辽河裂谷的闾阳－海城－东沟剖面的深部地震探测、重力测量、大地电磁测深、大地热流测量资料做了进一步分析,发现辽河裂谷地带壳幔间具有多个薄层过渡的特征,与东西两侧的辽东台隆和燕山台褶带明显不同。壳幔过渡带的薄层结构、速度结构、温度结构以及壳内低速层和软流圈顶面构造特点表明辽河裂谷的构造演化过程自西向东侧向迁移,当前上地幔物质运动的前锋不在裂谷之下,而是向东移至金州地震带附近的析木一带,深部物质运动是辽河裂谷形成及其活动性侧向迁移的主要动力学因素     

A seismic profile in southern Norway

Data from a reversed seismic crustal profile crossing the Caledonides of southern Norway suggest a continuously increasing P-wave velocity followed by a low-velocity zone extending from a depth of about 14 km downwards. Interpretation of observed travel time and amplitude characteristics leads to a thickness of 4 km and velocity of 6.0 km/s for this layer, the velocity above and below it being about 6.6 km/s. The role of such a velocity inversion is discussed in the tectonic framework of the Caledonian orogeny and other relevant geophysical information, and it is suggested that the low-velocity zone materializes deep-seated sediments under Precambrian crystalline rocks. The structure of the lower crust is more tentatively established, but still in reasonable agreement with other seismic investigations in the general profiling area.