基于P波三重震相的华南和青藏高原地区上地幔速度结构研究

上地幔速度结构的研究,尤其是,地幔过渡带和岩石圈速度结构对于探测地幔温度、化学组分、地幔对流以及岩石圈破坏等相关动力学问题意义重大。华南块体由扬子克拉通和华夏地块两个微陆块在新元古代晚期碰撞拼合而成,经历了多期强烈的构造运动,是研究太平洋板块俯冲和岩石圈减薄机制等的最佳场所。而青藏高原则是研究陆-陆碰撞的野外实验室,自新生代印度板块与欧亚板块碰撞以来,吸收了至少1 700 km的南北向缩短量,其隆升机制和变形过程是重构青藏高原演化过程的关键。本文介绍了上地幔间断面的成因及其研究意义,总结了上地幔速度结构常用的研究方法及研究进展,重点讨论三重震相方法对上地幔速度结构的研究。本文对远震记录利用时域迭代反褶积技术分别计算了每个事件的震源时间函数和震源深度,并提出利用三重震相相对到时差反演初始速度结构模型的方法,在此基础上,结合试错法波形拟合获取最佳模型,便于今后大量高效地处理观测数据。通过对"中国地震科学台阵探测"项目一期350个流动地震台站以及中国地震台网固定台站的观测记录进行三重震相波形拟合分析,本文分别获得了华南地区以及青藏高原地幔过渡带和岩石圈速度结构特征。结合研究区域的地质、地球物理资料,探讨其可能的动力学机制。华南地区研究结果显示,中扬子克拉通下方过渡带底部存在高速异常,系中侏罗世太平洋板块俯冲至欧亚板块下方的滞留体,异常南界约27°N,向西止于南北重力梯度带(约ll〇〇E),俯冲板块并未穿透660 km的阻力到达下地幔,而是滞留在过渡带底部,使660 km下沉约11 km。而华夏地块过渡带速度结构特征基本与IASP91—致。在整个华南地区,410km上方普遍存在低速层,推测与地幔橄榄岩的部分熔融有关。此外,研究区域内岩石圈普遍存在减薄(80 km),推测可能是太平洋板块的俯冲和快速回撤使岩石圈拆沉所致。且华夏地块减薄幅度更大,软流圈速度更小,说明其上地幔强度较弱、温度较高。自晚白垩起,太平洋板块的东向回撤使得中国大陆东部应力环境由挤压转变为拉张,此前增厚的大陆地壳与岩石圈地幔一起发生重力垮塌导致减薄,而岩石圈的拆沉导致软流圈物质上涌,引发华南地区晚中生代广泛而强烈的岩浆活动。青藏高原地区研究结果表明,拉萨和羌塘地块下方过渡带底部存在高速异常,推测是印度岩石圈俯冲板块的残余,说明印度板块的俯冲前缘已经到达班公怒江缝合带。过渡带底部的高速滞留体使得660 km相变滞后下沉约8?13 km。与此不同的是,松潘甘孜地块过渡带中较小的高速异常可能是拆沉的欧亚岩石圈进入地幔过渡带的体现,拆沉的冷的欧亚岩石圈使得过渡带内410km有所抬升,660km有所下沉,造成地幔过渡带厚度增加。此外,从拉萨、羌塘到松潘甘孜地块,其岩石圈高速盖层速度逐渐减小,到松潘甘孜地块甚至出现缺失。推测在羌塘和松潘甘孜地块上方,此前增厚的欧亚岩石圈在小规模地幔对流或者热不稳定性作用下发生拆沉,拆沉的欧亚岩石圈有可能部分停留在410km上方,部分进入地幔过渡带。     

长江中下游成矿带三维S波速度结构及对深部过程的约束

利用73个固定台站记录的163个远震事件数据,采用多道互相关技术挑选了5524条S波到时数据,并对S波到时数据进行地壳校正,在此基础上采用天然地震层析成像方法和远震S波到时信息,获得了长江中下游成矿带上地幔的三维S波速度结构模型.研究结果表明:(1)研究区域上地幔存在着明显的低速异常,且走向与成矿带相同,可能为上涌的软流圈热物质;(2)研究区域地幔过渡带和上地幔底部存在着明显的高速异常,可能为俯冲的古太平洋板块和拆沉的岩石圈;(3)成矿带上地幔的低速异常呈现由南向北逐渐变浅的空间分布特征,该特征表明软流圈热物质由南向北上涌.综合分析认为,成矿带中生代大规模岩浆活动和成矿作用的深部过程主要与岩石圈的拆沉密切相关.     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

基于P波三重震相研究青藏高原上地幔速度结构及其动力学意义

青藏高原因其复杂的结构和演化历史,一直都是研究大陆碰撞、构造运动及其动力学的热点区域。本文采用三重震相波形拟合技术,基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的某地震P波垂向记录,获得了包括拉萨、南羌塘和松潘甘孜地块在内的青藏高原上地幔P波速度结构。结果表明:①拉萨和南羌塘地块下方地幔过渡带存在高速异常,推测是俯冲的印度板片滞留体,过渡带底部的板片残余温度较低,使得660-km相变滞后约3～8km。而松潘甘孜地块下方过渡带同样存在高速异常,可能是欧亚岩石圈发生拆沉进入地幔过渡带所致。这说明印度板块俯冲作用的影响已经到达地幔过渡带,其俯冲前缘位于班公怒江缝合带附近。②从拉萨、南羌塘到松潘甘孜地块,200km之上的地幔岩石圈高速盖层速度由南向北逐渐减小,松潘甘孜地块则出现盖层缺失。推测受小规模地幔对流或者热不稳定性的影响,在南羌塘和松潘甘孜地块,增厚的欧亚岩石圈发生拆沉作用,岩石圈被减薄和弱化,造成羌塘地块上地幔低速和松潘甘孜地块上地幔高速盖层缺失。拆沉的冷的欧亚岩石圈可能部分停留在410-km上方,使得410-km抬升约10km,部分沉入地幔过渡带,表现为松潘甘孜地块地幔过渡带中存在高速异常。低温造成660-km下沉约8km,导致地幔过渡带增厚。      

中国东北地区远震S波走时层析成像研究

利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪在2009年6月—2011年5月所记录的远震波形数据,采用波形相关方法拾取了10301个有效的S震相相对走时残差数据,进一步采用两种射线走时层析成像的方法,反演获取了研究区下方深达800km的S波速度结构,不同射线走时层析成像方法的结果对本区的S波速度异常结构起到一定的约束作用.S波成像结果与我们先前开展的P波成像研究结果整体相似:在长白山下方发现有一个高速异常结构,这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块,由于板块的部分下沉,使得板块的形状并没有呈现出明显的板片状.长白山、阿尔山、五大连池火山下方都有低速异常体,长白山和阿尔山下的低速异常向下延伸至地幔转换带附近,可能与其上部的火山形成有关.五大连池火山下方的低速异常向下延伸至200km左右,不同埋深的低速异常结构可能意味着五大连池与长白山和阿尔山有着不同的成因.松辽盆地呈现以高速异常为主导、高低速异常混合分布的特性,暗示松辽盆地岩石圈地幔可能遭受了改造与破坏,可能有岩石圈拆沉的过程,盆地南部下方的低速异常与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性,可能是下地幔热物质上涌的一个通道.S波和P波相似的成像结果从另一个角度展示了中国东北地区的上地幔速度异常结构,对我们认识此区的地下结构提供了重要的约束.     

中国东北地区远震S波走时层析成像研究

利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪在2009年6月-2011年5月所记录的远震波形数据,采用波形相关方法拾取了10301个有效的S震相相对走时残差数据,进一步采用两种射线走时层析成像的方法,反演获取了研究区下方深达800 km的S波速度结构,不同射线走时层析成像方法的结果对本区的S波速度异常结构起到一定的约束作用.S波成像结果与我们先前开展的P波成像研究结果整体相似：在长白山下方发现有一个高速异常结构,这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块,由于板块的部分下沉,使得板块的形状并没有呈现出明显的板片状.长白山、阿尔山、五大连池火山下方都有低速异常体,长白山和阿尔山下的低速异常向下延伸至地幔转换带附近,可能与其上部的火山形成有关.五大连池火山下方的低速异常向下延伸至200 km左右,不同埋深的低速异常结构可能意味着五大连池与长白山和阿尔山有着不同的成因.松辽盆地呈现以高速异常为主导、高低速异常混合分布的特性,暗示松辽盆地岩石圈地幔可能遭受了改造与破坏,可能有岩石圈拆沉的过程,盆地南部下方的低速异常与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性,可能是下地幔热物质上涌的一个通道.S波和P波相似的成像结果从另一个角度展示了中国东北地区的上地幔速度异常结构,对我们认识此区的地下结构提供了重要的约束.     

利用地方震、远震走时和面波数据联合反演日本俯冲带P波和S波层析成像

通过最新收集的大量高质量的地方震和远震事件的到时数据进行联合反演,我们确定了日本俯冲带约700km深度的P波和S波速度层析成像。我们还使用远震瑞利波的振幅和相速度,确定了日本及其附近海域下方20~150s周期基阶瑞利波的二维相速度图像。研究区精细三维S波层析成像可通过地方震和远震事件的S波到时,及瑞利波相速度数据进行联合反演得到。我们的反演结果揭示:一维原始速度模型中,俯冲太平洋板块和菲律宾海板块呈现明显的高速区。在板块上方的地幔楔和太平洋板块下方的地幔中存在显著的低速异常。俯冲板块和周围地幔之间速度有明显的差异,表明温度、水含量和/或部分熔融程度有显著的横向变化。地幔楔低速异常是由板块脱水作用和地幔楔拐角流造成。在日本东北太平洋板块下方显示片状的低速区,这可能反映了地幔深部热上涌以及地幔柱软流圈的俯冲作用。我们的结果表明不同的地震数据联合反演,对于得到地壳和地幔可靠的层析成像图像是非常有效和重要的。     

基于P波三重震相的华南地区上地幔速度结构研究

华南块体是研究太平洋板块俯冲和岩石圈减薄机制等问题的最佳场所之一.本文基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的震中距10°~30°之间的两个中深源地震P波记录,利用三重震相波形拟合技术,获得了中扬子克拉通和华夏地块上地幔高精度P波速度结构.研究结果表明:(1)中扬子克拉通过渡带底部存在高速异常,系太平洋俯冲板块的滞留体.俯冲的板块并没有进入下地幔,660-km间断面下沉约11 km,与后尖晶石相变的克拉伯龙斜率为负有关.而华夏地块过渡带底部并无明显高速异常,接近全球平均模型;(2)整个华南块体,410-km间断面上方普遍存在低速层,主要与上地幔部分熔融有关,与IASP91相比P波速度减小了1.38%~2.29%;(3)在研究区域内,中扬子克拉通和华夏地块都存在岩石圈减薄(80 km),推测可能与太平洋板块俯冲和快速回撤导致的岩石圈拆沉有关.且华夏地块减薄程度较明显,下伏软流圈速度较低,说明其上地幔强度较弱、温度较高.另外,中扬子克拉通过渡带中存在一个较宽的速度梯度带,可能与520-km间断面有关,其具体成因有待进一步研究.     

南阿拉斯加地壳及上地幔结构成像研究

通过反演562891个纵波和156321个横波走时数据,第一次同时获得了阿拉斯加地区地壳及上地幔的纵波与横波速度以及泊松比图像,为更好地认识阿拉斯加地区的深部地震结构、太平洋板块与亚库塔特板块的俯冲几何形态提供了科学依据.成像结果表明P波和S波速度图像与泊松比结构具有很好的一致性,强的高速度和低泊松比异常沿着阿拉斯加俯冲带延伸至200 km深度,该高速度和低泊松比异常体与俯冲带的地震空间分布吻合,因此,我们认为该高速体为俯冲的太平洋板块和亚库塔特板块.从地震空间分布发现,大部分大地震（M>6.5）发生在高速度与低速度异常交界处,可能反映了俯冲板块之间强耦合作用.在俯冲带的地幔楔显示出广泛的低速度和高泊松比异常,并且这些异常与岛弧火山的位置相对应,这与大洋板块俯冲所形成的岩浆入侵作用有关.研究结果表明在南阿拉斯加俯冲带,俯冲板块的俯冲角度从兰格尔块体下方的平坦变成在布里斯托尔湾下方的陡峭,这与亚库塔特板块俯冲在兰格尔块体下方和太平洋板块俯冲在布里斯托尔湾下方有关.在基奈半岛和科迪亚克岛连接处的上地幔位置存在强烈的低速与高泊松比异常体,使该处的大洋俯冲板块变薄.这一现象可能与亚库塔特板块和太平洋板块相互碰撞作用以及软流圈强烈的上升流入侵有关.     

中国东北地区远震P波走时层析成像研究

利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪记录的远震波形数据,采用波形相关方法拾取了57251个有效相对走时残差数据,进一步采用FMTT(Fast Marching Teleseismic Tomography)层析成像的方法,反演获取了研究区下方深达800 km的P波速度结构.结果显示:在长白山下方发现有一个高速异常结构,这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块,由于板块的部分下沉,使得板块的形状并没有呈现出明显的板片状.长白山、阿尔山、五大连池火山下方都有低速异常体,长白山和阿尔山下的低速异常向下延伸至地幔转换带,可能与其上部的火山形成有关.五大连池火山下方的低速异常向下延伸至200 km左右,不同埋深的低速异常结构可能意味着五大连池与长白山和阿尔山有着不同的成因.松辽盆地呈现以高速异常为主导高低速异常混合分布的特性,暗示松辽盆地可能有岩石圈拆沉的过程,盆地南部下方的低速异常与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性,可能是下地幔热物质上涌的一个通道.     

南北地震带北段的远震P波层析成像研究

本文利用"中国地震科学台阵"探测项目在南北地震带北段布设的678个流动地震台站在2013年10月至2015年4月期间记录到的远震波形数据,经过波形互相关拾取到473个远震事件共130309条P波走时残差数据,通过远震层析成像研究获得了该区(30°N-44°N,96°E-110°E)下方0.5°×0.5°的P波速度扰动图像.结果显示,研究区下方P波速度结构显示强烈的不均一性和显著的分区、分块特征.岩石圈速度结构具有显著的东西差异:祁连、西秦岭和松潘甘孜地块组成的青藏东北缘地区显示明显的低速异常,而属于克拉通性质的鄂尔多斯地块和四川盆地则显示高速异常,表明东部克拉通块体对青藏高原物质的东向挤出起到了强烈的阻挡作用.阿拉善地块显示出弱高速和局部弱低速的异常并存的特征.阿拉善地块西部显示低速异常,而东部与鄂尔多斯相邻的地区显示高速异常,可能表明该地区的岩石圈的变形主要受到青藏高原东北缘的挤压作用.在鄂尔多斯和四川盆地之间的秦岭下方100~250 km深度上表现为明显的低速异常,表明该处可能存在软流圈物质的运移通道.鄂尔多斯北部的河套裂陷盆地下方在100~500 km深度内低速异常表现明显,说明该区有深部热物质上涌且至少来源于地幔过渡带.青藏东北缘上地幔显示低速异常且地幔过渡带中出现明显的高速异常,这种结构模式暗示了在青藏高原东北缘可能发生了岩石圈拆沉作用,而高速异常体可能是拆沉的岩石圈地幔.     

青藏高原中部INDEPTH-Ⅲ剖面上地幔远震S波层析成像

印度板块向欧亚俯冲前缘位于班公—怒江缝合带附近,但是印度岩石圈地幔的俯冲形态和形变过程仍然缺乏共识,在不同地区使用不同方法获得的结果之间存在明显差异.本文使用青藏高原中部INDEPTH-Ⅲ剖面远震S波波形数据,提取走时信息,通过层析成像方法获得剖面下方S波速度扰动图像.结果显示:在班公—怒江缝合带下方100至300km深度范围内存在一个高角度(约65°)北倾的S波高速体,推测可能是回退的印度岩石圈板片或/和小规模对流引起的岩石圈拆沉后残留的印度大陆岩石圈板片.     

华北中西部和青藏高原东北缘上地幔各向异性变形特征

基于华北中西部和青藏高原东北缘3个流动台阵共480个台站新得到的远震XKS(SKS、SKKS和PKS)波分裂结果,并结合研究区已得到的987个台站的分裂结果,获得了高分辨率的上地幔各向异性图像.分析表明,鄂尔多斯块体的时间延迟较小,反映了其稳定性和弱的各向异性变形特征,可能保留了古老克拉通根的"化石"各向异性,但其靠近边缘的局部区域表现出与相邻边缘相一致的各向异性特征,反映了其局部区域受到了与其相邻边缘的构造活动影响.青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体西缘快波方向主要为NW-SE方向,鄂尔多斯块体北缘主要为NNW-SSE方向,反映了青藏高原沿NE方向推挤过程中岩石圈沿NW-SE方向和NNW-SSE方向发生了伸展变形;位于四川盆地和鄂尔多斯块体两个刚性块体间的秦岭造山带的快波方向为近E-W方向或NWW-SEE方向,时间延迟较大,推测岩石圈东向挤出和软流圈东流共同促进了观测的各向异性;在鄂尔多斯块体南部边缘,快波方向自西向东逆时针沿西南缘六盘山的NW-SE方向转到南缘渭河地堑的近E-W方向再到东南缘太行山的NEE-SWW方向,推断该区域可能存在一个绕刚性块体的逆时针软流圈绕流,与上覆岩石圈左旋简单剪切变形产生了观测的各向异性,并一起驱动了鄂尔多斯块体的逆时针旋转.作为华北克拉通东西部的过渡带,华北中部的各向异性相对复杂,其东部快波方向为近E-W方向或NWW-SEE方向,时间延迟较大,其各向异性主要反映了太平洋板块西向俯冲作用引起的地幔流;其西北部吕梁山的各向异性主要由岩石圈沿NNW-SSE到NW-SE的拉张变形导致,而西南部太行山的各向异性还反映了软流圈绕流作用.鄂尔多斯块体东北缘大同火山区存在一个快波方向顺时针快速旋转且时间延迟较小的区域,可能与火山群下地幔岩浆上涌形成的局部地幔对流相关.紧邻华北北部的中亚造山带中南部快波方向为近E-W方向,其各向异性不仅受到与构造走向一致的岩石圈变形作用,而且也受到太平洋板块西向俯冲引起的地幔流影响.     

华北克拉通及东邻西太平洋活动大陆边缘地区的P波速度结构：对岩石圈减薄动力学过程的探讨

本文通过地震层析成像研究获得了华北克拉通及其东邻地区（30°N-50°N,95°E -145°E）1°×1°的P波速度扰动图像.结果显示,在西太平洋俯冲带地区,上地幔中西倾的板片状高速异常体与其上方的低速异常区构成俯冲带与上覆地幔楔的典型速度结构式样.俯冲板片高速体在约300~400 km深度范围内被低速物质充填,暗示俯冲板片可能发生了断离.在华北克拉通地区的上地幔中发现三个东倾排列的高速异常带.在此基础上,本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系.本文认为,太平洋板片的俯冲（断离）,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造（底侵与弱化）.随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分三个阶段依次拆沉减薄.这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象.     

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.     

青藏高原东南缘远震P波层析成像研究

利用中国地震科学探测台阵、小江流动台阵、固定台站等共516个地震台站记录资料,通过波形相关方法获取了111718个远震P波到时数据,运用层析成像技术研究获得了青藏高原东南缘深达650km的上地幔三维P波速度结构。结果表明,四川盆地岩石圈具有克拉通地区的高速结构特征;青藏高原东部地区表现为活动地块常见的低速异常;四川盆地西南部下方岩石圈可能受到青藏高原软流圈物质的侵蚀。在四川盆地南部及以南地区,由北向南从浅到深连续分布的高速异常体,可能是岩石圈底部拆沉造成的。岩石圈拆沉作用可能导致上地幔热物质上涌,地壳介质在热作用下力学强度降低,受青藏高原地壳物质侧向挤出作用,导致该地区陡峭的地形地貌和较强的地震活动性。攀枝花附近存在明显的高速异常,可能与三叠纪地幔柱成因的岩浆上升过程中镁铁质和超镁铁质岩浆侵入岩石圈有关。      

华北克拉通岩石圈地幔特征与演化过程

克拉通能否长期稳定存在,主要取决于岩石圈地幔的特征和属性.中生代以来,华北岩石圈地幔的组成和性质发生了根本性转变,导致了克拉通破坏.尽管目前取得了上述共识,但是对岩石圈地幔转变形式与机制的认识仍然存在分歧.本文以华北克拉通破坏前后岩石圈地幔的特征为视角,对华北不同时代幔源岩石及地幔捕虏体的研究结果进行综述,旨在为上述问题的讨论提供新的思路.华北古生代岩石圈厚达200km,具有高度难熔、SrNd同位素富集的克拉通型岩石圈地幔特征;中生代岩石圈地幔具有易熔、同位素高度富集的特征,在空间上具有明显的不均一性和分布规律;在新生代,华北东部岩石圈厚约60～80km,具有易熔、同位素亏损的大洋型岩石圈地幔特征;中部带岩石圈厚度大于100km,岩石圈地幔具有上老下新的双层结构;西部岩石圈厚达200km,仍然保存有克拉通型古老地幔.岩石圈地幔组成的转变主要是通过橄榄岩-熔体反应的方式实现的.古生代周边板块的多次俯冲作用使华北克拉通边缘地区岩石圈地幔的组成发生了明显改变.中生代古太平洋板块俯冲作用的叠加,促成华北东部岩石圈地幔组成和性质的根本转变,导致克拉通破坏区域的面积占华北总面积的1/2以上.从克拉通破坏的峰期时间和破坏区域空间展布来看,古太平洋板块俯冲及其驱动的深部动力学过程是华北克拉通破坏的一级控制因素.造成东部岩石圈巨厚减薄的主导因素是俯冲板块回转、海沟后撤引起的大陆岩石圈伸展.俯冲板块机械侵蚀、熔流体交代作用造成的岩石圈弱化、非稳态地幔流动伴随的热-化学侵蚀和岩石圈局部拆沉共同加剧了岩石圈减薄和克拉通破坏的进程.     

西太平洋俯冲板块对中国东北构造演化的影响及其动力学意义

中国东北地区在古生代期间以众多微陆块的拼合以及古亚洲洋的闭合为特征,其后又经历了中-新生代太平洋构造域及中生代蒙古—鄂霍茨克构造域的叠加与改造,以致东北地区的构造行迹显得极为复杂,而大兴安岭重力梯级带及其西部地区构造演化是否与西太平洋俯冲有关仍然存在争议.本研究利用分布于中国东北、华北地区以及韩国、日本等部分台网所接收的近震与远震走时数据获得了中国东北地区壳幔精细的三维P波速度结构.成像结果显示,太平洋板块持续西向俯冲,俯冲板片的前缘停滞在大兴安岭—太行山重力梯度带以东区域的地幔转换带之中;长白山火山区上地幔存在着显著的低速异常体,推测西太平洋板块的深俯冲脱水导致了上地幔底部岩石的熔点降低,从而形成了大范围的部分熔融物质上涌.通过分析上地幔的速度结构,我们认为由于太平洋板块的大规模西向深俯冲,在大地幔楔中发生板片脱水、低速热物质上涌等复杂的地球动力学过程;俯冲板片前缘带动上地幔中不均匀分布的地幔流强烈作用于上部的岩石圈,这对东北地区深部壳幔结构乃至大兴安岭重力梯级带的形成、演化有着重要的影响.     

华北克拉通与兴蒙造山带体波走时层析成像研究

华北克拉通岩石圈破坏范围与机制、华北地区深部孕震环境以及华北—兴蒙地区的新生代火山成因是地球科学领域的研究热点。本文利用研究区范围内布设的固定地震台网和流动地震台阵所记录到的近震与远震走时资料,开展研究区体波三维速度结构研究,为克拉通破坏、板内地震和火山成因等研究提供深部地球物理证据。本论文首先简要介绍了华北克拉通和兴蒙造山带的地质构造背景以及前人在该区取得的地壳上地幔地球物理观测结果,并就远震层析成像中几个影响因素进行了对比验证分析。在此基础上,充分收集了华北地区176个地震台站记录的677个近震P波和S波走时数据,其中P波走时43 354条,S波走时30 407条;应用SIMULPS14,获得华北地区地壳P波三维速度结构和v_P/v_S波速比。同时还收集华北—兴蒙造山带范围内757个台站记录的965个远震地震事件,应用波形互相关技术,共拾取93 416条P波相对走时残差数据;并收集兴蒙造山带范围内382个台站记录的606个远震地震事件,90 724个P波相对走时残差数据;应用有限频层析成像方法,分别获得了华北克拉通和兴蒙造山带0~800km深度、0.5°×0.5°的P波三维速度结构。获得主要成果及认识如下:(1)张渤地震带孕震环境综合P波速度结构、v_P/v_S波速比结果揭示张渤地震带地壳内存在低速层,且具有高波速比特征,可能反映此低速层与幔源热物质的侵入有关。由于幔源物质侵入,使得地壳深部流体的供给量增加,在地壳发震层下长期存在的流体会影响断裂带的结构,降低断裂带的强度,使区域应力场发生变化从而导致断裂带上应力的集中,进而引发地震。(2)华北克拉通与兴蒙造山带深部结构特征在鄂尔多斯地块下方显示为整体的高速异常,并向下延伸至300km深度甚至更深,是鄂尔多斯作为稳定克拉通地块的表现,暗示克拉通西部块体岩石圈还未遭到破坏。在克拉通中部的山西裂陷下方揭示了一强的低速异常,该低速异常在400km以上深度表现明显,这一显著的低速异常可能是由晚中生代至新生代的岩浆活动引起的,与克拉通活化有关。与之形成对比的是,克拉通东部华北平原地区则表现为高速异常与低速异常交互分布的复杂特征,而燕山地区则为高速异常,表明华北平原地区有明显的岩石圈去根和减薄过程,燕山地区则没有发生该过程或此过程发生的现象不明显。兴蒙造山带速度异常分为东、中、西三个区域,其中东西两个区域为低速异常区,中部松辽盆地内部呈现以高速异常为主导、高低速异常混合分布的特征;松辽盆地上地幔呈现高、低速异常相间的特征,推测可能是松辽盆地岩石圈拆沉的反映;在盆地南部400km以下存在低速异常,该低速异常向下延伸至下地幔中,推测可能是下地幔热物质上涌的产物。(3)华北克拉通与兴蒙造山带新生代火山成因本文的研究结果还揭示了锡林浩特—阿巴嘎火山下方的低速异常局限于400km深度之上;但阿巴嘎火山在200km深度以上,存在明显的高速异常,推测阿巴嘎火山下方的高速异常可能与火山年龄古老,岩浆有不同程度的固结有关,而锡林浩特—阿巴嘎火山下方的低速异常暗示仍有岩浆体的残留。P波速度结构还表明了大同火山及其周边400km深度以上,存在明显的低速异常,且低速异常并没有贯穿地幔转换带到达下地幔,据此我们推测该低速异常可能与深部热物质的存在有关,可能并不是因地幔转换带/下地幔的地幔柱热物质上涌所致。大同火山下方低速异常与锡林浩特—阿巴嘎火山下的低速异常没有相连的迹象,这可能暗示大同火山与锡林浩特火山群具有不同的深部热源。五大连池与长白山和阿尔山具有不同的地下速度异常结构,也意味着它们的成因可能不大相同。其中,五大连池火山下方也有低速异常,但该低速异常向下延伸至150km左右,这个低速异常结构暗示着五大连池火山的热源较浅。长白山下方400km深度以上存在一低速异常,该低速异常体向下继续延伸甚至突破地幔转换带到达下地幔;推测该低速异常代表了热的、上浮的岩石圈地幔,被夹持在太平洋板块岩石圈下方,在太平洋板片俯冲作用下由缺口向上发生上涌,上涌过程产生减压熔融成为长白山火山,是形成长白山火山的深部源泉。阿尔山火山下方存在一低速异常,该低速异常延伸至约600km深度左右,甚至穿过地幔转换带延伸至下地幔,该低速异常有可能就是热物质的输送通道,是阿尔山地区温泉形成的深部原因。     

华北克拉通东北部的远震S波走时层析成像研究

华北克拉通是近年来我国地学界研究的热点之一.本文利用布设在华北东北部地区的华北地震科学台阵所记录的远震波形资料,用波形互相关方法拾取了9105条S波走时残差数据,进而用体波走时层析成像方法反演获得了研究区从地表至600 km深度的S波速度结构.所获得的S波层析成像结果表明,华北克拉通中部块体的山西断陷带低速异常一直从地面延伸至上地幔约300 km深处,推测该低速异常体可能与中、新生代的大同火山群的形成与活动有关.研究发现华北东部存在一高速异常体由东部渤中凹陷的地壳一直向西延伸至太行山山前断裂下方地幔转换带410 km附近,推测该高速异常体可能为太平洋板片向西俯冲在华北克拉通东部块体下方地幔过渡带内的滞留.研究结果显示华北克拉通东部的华北盆地表现为高低速相间分布,表明该地区下方的岩石圈发生了破坏,而位于华北克拉通北缘的燕山造山带显示为高速异常,表明燕山造山带下方的岩石圈没有明显的破坏迹象.