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...     

中国东部地区的壳-幔过渡带结构

莫霍面是地壳和上地幔的边界,但莫霍面并不是一个简单的"面",而是一个反映地壳和地幔物质交换、相互作用等动力学意义的"过渡带".本文综合深地震反射、宽角地震折射和高温高压岩石物理实验结果,确定壳-幔过渡带的地震P波速度变化范围为6.8~7.5 km·s^-1.在克拉通等构造活动稳定地区壳-幔过渡带内的速度梯度强且壳-幔过渡带厚度薄,而在造山带等构造活动区域壳-幔过渡带内的速度梯度弱且壳-幔过渡带厚.中国东部地区的壳-幔过渡带的平均厚度约为5~10 km,在四川盆地下方最薄（<5 km）,而在华北克拉通中部造山带下方的壳-幔过渡带最厚（~30 km）.综合地球化学结果,华北中部巨厚壳-幔过渡带主要是幔源岩浆的底侵作用和堆晶作用而形成.     

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.     

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.     

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。     

小波多分辨分析在壳幔非均匀尺度研究中的应用

利用小波的“变焦距”多分辨功能,提出了针对壳幔过渡带复杂波形的变尺度震相分析方法,将它与壳幔过渡带非均匀尺度的研究相联系,使得传统的震相识别由“静态”转变为“动态”并编写了相应的计算程序. 对玛沁—兰州—靖边地震测深剖面壳幔过渡带的Pm波形,利用复杂性系数法获得了沿剖面的2个陆-陆碰撞带,它们分别对应玛沁断裂和海原85级强震区的位置. 利用变尺度震相分析方法得到了玛沁断裂和海原地震下方壳幔过渡带的多层Pm震相. 结果表明,海原地震下方的壳幔过渡带厚度约有20km,层状清晰,它至少由3个高低速相间的层组成;玛沁断裂所对应的壳幔过渡带大约由2个较薄的层组成. 这种分层和厚度的不同表明了鄂尔多斯地块和祁连地块的接触带、巴颜喀拉地块和柴达木地块的接触带由于陆-陆碰撞的时期和相互作用的方式不同,因此在现今可分辨的壳幔过渡带结构非均匀尺度上存在明显差异.     

张家口-渤海断裂带西缘壳幔过渡带研究

利用复杂性系数、频谱分析和小波变换方法处理了穿过张家口—渤海断裂带西缘的地震测深剖面的Pm波形资料,研究不同构造单元壳幔过渡带的多参数特征以及它们在岩石圈构造演化中的意义. 结果表明: 不同构造单元Pm波的复杂性系数和频谱特征有较大差异,内蒙地轴复杂性系数小,莫霍面具有明显的一级间断面特征,怀安—张北位于张家口—渤海断裂带的西缘,该区域Pm波复杂性系数大并且频谱为多极值,Moho面为复杂的壳幔过渡带. 利用小波分析和反射率理论地震图得到该壳幔过渡带由2～3层组成,总厚度约为6～9km,最大厚度位于怀安盆地下方. 该壳幔过渡带是大陆裂谷环境中底侵作用的产物,壳幔过渡带的分层特征与该区域中新生代的多期岩浆活动有密切联系.     

天山造山带深部探测及地球动力学研究进展

为了研究天山造山带的地球动力学,自1970年代以来,国内外在天山造山带开展了大量的深部探测工作,并取得了丰富的成果,本文对这些工作和成果进行了梳理和综述.已有研究结果表明:天山造山带的地壳厚度较大,但并无明显山根;地壳结构具有垂向分层和横向分块特征;壳幔界面不清晰,莫霍面在盆山接合部下方发生错断;壳内普遍发育低速异常体,地壳泊松比较高,暗示了地壳力学上的弱化作用;上地幔也存在波速异常体,低速异常可能与地幔热物质上涌有关,高速体可能是古老板块的岩石圈拆离碎片;莫霍面错断、Q值结构和波速异常特征可以用天山南北侧稳定地质块体往天山造山带之下俯冲来解释,这也得到高分辨率层析成像结果的支持;剪切波分裂结果暗示有相当厚的上地幔卷入了造山过程.上述资料表明天山造山带的变形和隆升是其南北侧稳定地质块体的构造挤压与壳—幔复杂耦合作用的共同结果.     

Crust-mantle transitional zone of Tianshan orogenic belt and Junggar Basin and its geodynamic implication

The traveling time of the reflection waves of each shot point from the crust-mantle transitional zone has been obtained by data processing using wavelet transform to the waves reflected from the crust-mantle transitional zone. The crust-mantle transitional zone of the Xayar-Burjing geoscience transect can be divided into three sections: the northern margin of the Tarim Basin, the Tianshan orogenic belt and Junggar Basin. The crust-mantle transitional zone is composed mainly of first-order discontinuity in the Tarim Basin and the Junggar Basin, but in the Tianshan orogenic belt, it is composed of 7–8 thin layers which are 2-3 km in thickness and high and low alternatively in velocity, with a total thickness of about 20km. The discovery of the crust-mantle transitional zone of the Tianshan orogenic belt and Junggar Basin and their differences in tectonic features provide evidence for the creation of the geodynamic model “lithospheric subduction with intrusion layers in crust” for the Tianshan orogenic belt.     

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.     

JOINT INVERSION OF SURFACE WAVE DISPERSION AND RECEIVER FUNCTIONS FOR CRUSTAL AND UPPERMOST MANTLE STRUCTURE BENEATH CHINESE TIENSHAN AND ITS ADJACENT AREAS

The Tienshan orogenic belt is one of the most active intracontinental orogenic belts in the world. Studying the deep crust-mantle structure in this area is of great significance for understanding the deep dynamics of the Tienshan orogen. The distribution of fixed seismic stations in the Tianshan orogenic belt is sparse. The low resolution of the existing tomographic results in the Tienshan orogenic belt has affected the in-depth understanding of the deep dynamics of the Tienshan orogenic belt. In this paper, the observation data of 52 mobile seismic stations in the Xinjiang Seismic Network and the 11 new seismic stations in the Tienshan area for one-year observations are used. The seismic ambient noise tomography method is used to obtain the Rayleigh surface wave velocity distribution image in the range of 10~50s beneath the Chinese Tienshan and its adjacent areas (41°~48° N, 79°~91° E). The joint inversion of surface wave and receiver function reveals the S-wave velocity structure of the crust and uppermost mantle and the crustal thickness below the station beneath the Chinese Tienshan area(41°~46° N, 79°~91° E). The use of observation data from mobile stations and new fixed seismic stations has improved the resolution of surface wave phase velocity imaging and S-wave velocity structure models in the study area.
The results show that there are many obvious low-velocity layers in the crust near the basin-bearing zone in the northern Tienshan Mountains and the southern Tienshan Mountains. There are significant differences in the structural characteristics and distribution range of the low-velocity zone in the northern margin and the southern margin. Combining previous research results on artificial seismic profiles, receiver function profiles, teleseismic tomography, and continental subduction simulation experiments, it is speculated that the subduction of the Tarim Basin and the Junggar Basin to the Tienshan orogenic belt mainly occurs in the middle of the Chinese Tienshan orogenic belt, and the subduction of the southern margin of the Tienshan Mountains is larger than that of the northern margin, and the subduction of the eastern crust is not obvious or in the early subduction stage. There are many low-velocity layers in the inner crust of the Tienshan orogenic belt, and most of them correspond to the strong uplifting areas that are currently occurring. The thickness of the crust below the Tienshan orogenic belt is between 55km and 63km. The thickness of the crust(about 63km)is the largest near the BLT seismic station in the Bazhou region of Xinjiang. The average crustal thickness of the Tarim Basin is about 45km, and that of the Junggar Basin is 47km. The S-wave velocity structure obtained in this study can provide a new deep basis for the study of the segmentation of the Tienshan orogenic belt and the difference of the basin-mountain coupling type.     

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。     

天山造山带地区瑞利面波相速度与方位各向异性

天山造山带作为世界上陆内最大的造山带之一,现今地震活动频繁,造山运动强烈,是开展陆内造山和内陆地震活动研究的天然试验场.本文利用整个天山造山带地区国内及国际台网的108个地震台站连续三年的背景噪声资料,提取了8~50 s周期的瑞利面波相速度频散曲线,并构建了整个天山造山带地区的二维瑞利面波相速度与方位各向异性分布图像.结果表明：浅部结构与地表的地质构造单元具有较大的相关性.低波速异常主要分布于沉积层厚度较大的盆地地区,而高波速异常主要分布于构造活动比较活跃的山脉地区.东天山地区中下地壳存在比较弱的低波速异常,而塔里木盆地和准噶尔盆地汇聚边缘的上地幔区域则表现为明显的高波速异常,各向异性快波方向呈现近NS向的特征,暗示着塔里木盆地和准噶尔盆地的岩石圈已经俯冲至东天山的下方.中天山地区的中下地壳至上地幔区域均呈现为明显的低波速异常,且各向异性快波方向变化比较复杂,表明中天山地区的整个岩石圈结构已经弱化,热物质上涌可能对介质的方位各向异性有一定的影响.西天山及帕米尔高原的上地幔区域存在低波速异常,各向异性表现为NW-SE方向,可能与欧亚板块的大陆岩石圈南向俯冲有关.塔里木盆地内部存在相对弱的低波速异常,推测塔里木盆地可能已经受到上涌的地幔热物质的侵蚀和破坏.     

天山上地幔结构及其对壳内构造运动的作用

以深部地球物理资料为基础,介绍了天山地震带上地幔的基本结构,讨论了天山不同地区上地幔介质的动力学性质和可能的驱动机制。认为水平挤压形变是造成西天山和天山毗邻西昆仑附近区域上地幔岩石圈缩短和增厚的主要原因;而在中天山和东天山靠近准噶尔盆地南缘一带,除了板块运动造成的水平挤压力之外,上地幔热物质有可能上浮甚至侵入到地壳之中。它们与水平运动一样,对壳内脆性介质的构造活动起到非常重要的作用,特别是地壳底部莫霍面附近的低速滑脱层成为震源区深部构造的一个明显标志。此外,自从印度 亚洲大陆碰撞以来,天山部分地区固结冷却的山根有可能在多重挤压变形和小尺度热对流的共同作用下,脱离它们的原有的层位而沉入上地幔     

Seismic tomography beneath the orogenic belts and adjacent basins of northwestern China

Three-dimensional velocity images of the crust and upper mantle beneath orogenic belts and adjacent basins of the northwestern continent of China are reconstructed by seismic tomography, based on arrival data of P wave recorded in seismic networks in Xinjiang, Qinghai, Gansu of China and Kyrgyzstan. The velocity images of upper crust demonstrate the tectonic framework on the ground surface. High velocities are observed beneath orogenic belts, and low velocities are observed in the basins and depressions that are obviously related to unconsolidated sediments. The velocity image in mid-crust maintains the above features, and in addition low velocities appear in some earthquake regions and a low velocity boundary separates the western Tianshan Mts. from eastern Tianshan Mts. The orogenic belts and the northern Tibetan plateau have a Moho depth over 50 km, whereas the depths of the Moho in basins and depressions are smaller than 50 km. The velocity images of upper mantle clearly reveal the colliding relationship and location of deep boundaries of the continental blocks in northwestern China, indicating a weakness of the upper mantle structure of orogenic belts. The top depth of upper mantle asthenosphere varies from place to place. It seems shallower under the northern Tibetan plateau, Altay and Qilian Mts., and deeper under the Tarim and Tianshan regions. Hot mantle probably rose to the bottom of some orogenic belts along tectonic boundaries when continental blocks collided to each other. Therefore their dynamic features are closely correlated to the formation and evolution of orogenic belts in northwestern China.     

准噶尔盆地北部基底结构与属性问题探讨

准噶尔盆地的基底结构与属性一直是地学界关注的焦点问题之一.横跨准噶尔盆地北部,走向近东西的克拉玛依—喀姆斯特地震剖面提供了该盆地北部详细的地壳与上地幔顶部的速度结构与构造,特别是基底顶界面的速度.沿剖面发现了数条走向近南北的“H”型超壳断裂,它们没有明显的断差,断裂处反射系数明显降低,介质的Q值减小,推测具“开裂”性质;利用盆地内1:20万重磁数据完成了重磁联合反演,获得了沿剖面的地壳与上地幔顶部的二维密度结构与二维磁性结构.根据在一定深度范围内介质的速度-密度-岩性之间的关系,确定了盆地北部基底岩性分布.结果表明,准噶尔盆地北部的基底多处为基性和超基性物质,推测为深部（上地幔）物质沿超壳断裂进入地壳内部并对地壳物质进行改造的结果.这一推断得到盆地内部高磁性、高重力异常的支持,也与盆地具有较高的地壳平均速度相一致.综合其他地球物理与地质资料综合分析,给出了综合地质解释剖面,建立了准噶尔盆地北部基底结构与属性的动力学模型.