青藏高原及其东部邻区的三维地震波速度结构与大陆碰撞模型

自从印度次大陆与欧亚大陆碰撞以来.印度的大量地壳物质向欧亚大陆的地壳和上地幔挤入.寻找这些物质储藏的处所是了解大陆碰撞过程的关键.利用地震波层折成像方法.研究三维地震波速的结构,可为发现青藏及其邻区地壳和上地幔的异常物质提供证据.本文引用并分析地震面波和体波的层析成像结果.提出印度次大陆向欧亚大陆挤入的新模式,它不仅符合地震波速度数据,而且也和地质及地球物理现象相匹配.印度次大陆向欧亚大陆挤入的新模式可归纳如下:(1)印度次大陆的地壳向青藏的下部地壳挤入,而不是向青藏的地壳底部或上地幔的软流层挤入;(2)增多的青藏下地壳物质沿破裂的地壳底面,向东部邻区(青川滇)的上地幔软流层下插;(3)青藏中部及川滇上地幔较轻的热物质分别自地壳底面涌入地壳中;上涌物质可以达到地表附近(青藏中部)或是达到25km 深度的中地壳(川滇).视不同地区条件的不同而异.地表的张性构造和热物质的上升有密切关系.      

上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响

本文以多孔介质中大尺度传热问题为基础,结合热平衡理论分析与数值计算,探讨了上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响.根据大陆岩石圈中孔隙波传热概念模型的初步理论分析结果,指出了采用理论分析和数值模拟相结合的方法在研究大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式时的重要性.理论分析方法可用来确定岩石圈尺度范围内大陆岩石圈的厚度和大陆地壳相关的边界条件,从而为地壳范围内数值模型的建立提供一些重要信息.数值模拟方法可以用来模拟地壳尺度范围内地壳的详细结构和复杂几何形状.如果地壳内的热分布是所考虑的主要因素,采用具有地壳尺度的合理数值模型可以有效减少计算机工作量.利用理论分析方法求出的岩石圈尺度范围内大陆岩石圈厚度与地幔传导热流之间关系的理论解,不仅可以用来验证模拟大陆岩石圈内传热问题所采用的数值方法, 而且可以用来初步研究大陆岩石圈内热分布的基本规律,为研究岩石圈地幔热事件中大陆岩石圈热减薄过程提供相应的边界条件.本文从理论分析的观点初步探讨了中国大陆不同构造背景下大陆岩石圈的热结构模式,其结果与从地球物理和地质资料中获得的大陆岩石圈热结构模式十分吻合.研究结果表明由大陆岩石圈中孔隙波传播所导致的上通流是影响大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式及大陆岩石圈地幔与地壳之间物质和能量交换的可能机制之一.     

华南岩石层与大陆动力学

华南大陆记录和保存了自太古代至今大陆生长层完整的历史过程.以杨子克拉通为核心，地壳不断向东南生长，古扬子块前寒武系以灰色片麻岩、古元古代科马提岩绿岩、新元古代蛇绿岩、绿岩为特征，为相对稳定高速高阻冷的残存地幔“残烃柱”；而沿海一带火成岩以中、新生代壳－幔混合源火山－侵入杂岩、碱性花岗岩和正长岩带以及不同类型的玄武岩类为特征，为相对活动低速高导热的超地幔柱．巨型裂解构造是物质热传输的主要形式，地幔柱迁移是华南大陆构造演化的原动力．     

增厚大陆岩石层热边界层对流剥离的数值模拟

用数值模拟方法模拟了增厚大陆岩石层热边界层被对流地幔剥离并为软流层物质替代的动力学过程．结果表明,在初始温度分层分布、侧向均匀但存在微小热扰动的流场中,80km厚的增厚岩石层热边界层约需60Ma才能被完全剥离,剥离的速率微弱地依赖扰动的强度;在已建立好的流场中,同样厚度的增厚热边界层只需约10Ma就可被剥离．模拟结果暗示青藏高原地壳及岩石层在岩石层增厚和剥离以前就很热,其下伏地馒中可能已存在建立好的上地幔小尺度对流系统,而该尺度的对流系统很可能是由特提斯海洋岩石圈俯冲和消减诱发的     

巽他大陆及其邻区的地壳结构及其构造意义:来自远震接收函数的约束

巽他大陆位于欧亚板块、印度—澳大利亚板块和太平洋板块俯冲汇聚区域,其地壳结构特征是揭示洋陆过渡带演化及物质能量交换机制的重要依据.本文对巽他大陆及其周缘 19 个宽频带地震台站记录的远震波形进行 P波接收函数分析和H-κ叠加处理,获取了每个台站下方的地壳厚度和平均地壳波速比信息.为了减少参数的主观选择对结果带来的不确定性,研究采用了多种参数组合、综合约束策略.将本文结果与前人 146 个宽频带台站接收函数的研究结果进行整合,我们获得了巽他大陆地区地壳厚度和平均地壳波速比分布,并统计分析了两者的相关性.结果显示:巽他大陆地壳总体较薄,平均地壳厚度约为32 km,远低于全球造山带平均值,而与全球拉张型地壳平均厚度较为接近,可能反映研究区地壳整体处于拉张应力状态;而呵叻高原盆地地区地壳相对较厚,平均约38 km,与周缘地区明显不同.火山弧地区平均地壳波速比普遍大于 1.81,甚至达 1.87以上,并且壳内广泛分布低速层,可能受到了火山弧地区熔融物质的影响;非火山弧地区平均地壳波速比则普遍小于 1.76,反映地壳组分以长英质成分为主;局部地区高于 1.81,甚至高达 1.99,表明地壳以铁镁质成分为主或存在部分熔融,可能与铁镁质岩浆底侵作用或地幔热物质上涌有关.中南半岛中西部、婆罗洲西北部和马来半岛中部莫霍面 Ps转换波和多次波不明显而且具有多峰特征,可能表明该区域经历了复杂的壳幔相互作用.巽他大陆地区地壳厚度和平均地壳波速比总体无明显相关性,说明上地壳和下地壳结构和成分横向变化复杂;但中南半岛内部呵叻高原附近和东南部火山区两者均呈负相关性,与周围地区明显不同.综合区域构造背景和其他多种地球物理观测,推测稳定的呵叻高原盆地阻挡了印支地块的侧向挤出,处于挤压应力环境并发生上地壳增厚;而东南部火山区则处于拉张应力环境并存在基性岩浆底侵,可能与地幔物质上涌有关.     

张裂大陆边缘形成演化的数值模拟

本文在等黏态角落流模型的基础上,建立了上升离散地幔流场,将该流场作用于大陆岩石圈底部,能解释岩石圈减薄、裂解并最终形成海底扩张和张裂大陆边缘等一系列过程.数值模拟的结果表明,岩石圈在上升离散地幔流的作用下发生依赖于深度的伸展减薄,表现为不同深度的拉张因子不同,地表热流显著升高,热扰动引起的均衡调整造成地表沉降,同时热扰动造成岩石圈流变强度尤其是在变形中心处显著减小,脆性变形临界深度变浅,而韧性变形范围扩大.在上升离散地幔流的持续作用下最终导致大陆裂解,岩石圈地幔出露,形成海底扩张和张裂大陆边缘.     

中国大陆壳幔运动耦合作用分析

板块运动是地壳和上地幔变形的主要动力来源之一。因为只有地壳变形能被直接观测到,所以将上地壳变形场与下地壳和上地幔变形场比较是研究壳幔运动耦合作用的主要方法之一。利用中国大陆GPS观测结果,结合第四纪活动断层和由20世纪以来发生的地震资料反演获得的地球表层的水平应变率场,并将相关结果与Pn波各向异性及剪切波分裂的快波方向相比较,探讨中国大陆壳幔运动耦合作用。结果发现,总体来看活动性强的构造单元,其深部上地幔塑性剪切带的展布与上地壳脆性剪切带的方位有较大的差异;反之,活动性弱的构造单元,差异较小。活动构造单元其上地壳与下地壳—上地幔之间构造变形活动差异较大的原因,可能是在这个部位上、下地壳之间构造活动有一定程度的解耦,使下地壳以上部分的活动与其下“大地幔流”的运动趋势发生差异,从而产生构造应变能积累     

大陆俯冲带两类壳幔相互作用

板块俯冲作用是实现地壳与地幔之间物质和能量转换的重要机制,俯冲带岩浆岩是研究地壳物质再循环及其壳幔相互作用的重要载体.本文通过对红安-大别-苏鲁造山带和华北东南缘碰撞后镁铁质岩浆岩的同位素年代学和地球化学的系统总结,概括出两种类型的大陆俯冲带壳幔相互作用,对应于两类地球化学性质截然不同的镁铁质火成岩.第一类岩石显示弧型微量元素分布特征(富集LILE,LREE和Pb,亏损HFSE)和相对富集的放射成因Sr-Nd同位素组成,而第二类具有OIB型微量元素分布特征(富集LILE和LREE,HFSE不亏损)和相对亏损的放射成因Sr-Nd同位素组成.它们都具有变化的且不同于正常地幔的锆石O同位素组成,含有残留的地壳锆石.这些地球化学特征表明,这两类镁铁质火成岩来源于不同地球化学性质的地幔源区,其中第二类岩石的地幔源区是先前俯冲古洋壳来源的熔体与上覆新生岩石圈地幔反应形成的,而第一类岩石的地幔源区是随后俯冲的华南陆壳来源的长英质熔体与上覆华北古老岩石圈地幔反应形成的.因此,在大陆俯冲带存在两种类型的壳幔相互作用,碰撞后镁铁质岩浆岩为大陆碰撞造山带不同类型的板片-地幔相互作用提供了岩石学和地球化学记录.     

大陆岩石圈、地幔底部异常体与地幔对流相互作用的数值模拟

在地球表层存在着占地表面积约30%的具有低固有密度、高黏度的大陆岩石圈.由于其特殊的物理化学性质,大陆岩石圈通常不直接参与下方的地幔对流,但其与地幔对流格局有着重要的相互影响.大量研究显示,在中太平洋和非洲的下地幔底部,存在着两块占核幔边界（CMB）面积约20%的高密度热化学异常体（由于其剪切波速度较低,常称作低剪切波速度省（LSVPs））.LSVPs的演化既受地幔对流的影响,同时也影响地幔物质运动的格局和动力学过程.本文系统研究了存在大陆岩石圈,下地幔LSVPs的地幔对流模型.模拟结果显示：（1）当大陆体积较小时,其边缘常伴随着俯冲,大陆区域地幔常处于下涌状态,其上地幔温度较低,大陆岩石圈在水平方向处于压应力状态.随着大陆体积的增大,大陆边缘的俯冲逐渐减弱,大陆区域地幔由下涌转为上涌,其上地幔温度较高,大陆岩石圈水平方向处于拉应力状态.（2） 岩石圈与软流圈边界（LAB）在大陆下方较深,温度较低;在海洋区域较浅,温度较高.随着大陆体积的增大,陆洋之间LAB深度、温度的差异逐渐减小.（3）大陆区域地幔底部LSVPs物质的丰度与大陆的体积呈正相关.当大陆体积较小时,大陆下方的LSVPs丰度比海洋区域少.随着大陆体积的增大,大陆下方LSVPs的丰度逐渐增大.（4）海洋地区地表热流高,且随时间波动大,大陆地区地表热流低,随时间波动较小;LSVPs区域的核幔边界热流低.     

中国大陆西北造山带及其毗邻盆地的地震层析成像

根据新疆、甘肃、青海和吉尔吉斯斯坦地震台网提供的地震数据,利用地震层析成像法重建了中国大陆西北造山带及其毗邻盆地的地壳上地幔三维速度图像．上地壳造山带大都为高速区,盆地和地陷区的低速显然与较厚的松散沉积层有关．地壳中部东、西天山之间存在低速边界,造山带及青藏高原北部的莫霍面深度较大,盆地和坳陷区的莫霍面相对较浅．上地幔软流层在青藏高原、阿尔泰山、祁连山等地较浅,在塔里木盆地和天山一带较深．地幔热物质有可能在板块碰撞中沿构造边界上升到造山带的底部,它们的动力学性质与中国大陆西北造山带的形成演化有着密切的联系。     

新马德里地震带的岩石圈强度与板内形变

提出一个简单的假说来解释为什么在相对稳定的板块内部地区会存在高地震活动区与高构造形变区．首先,对于大多数板内地区而言,特别是大陆地盾地区与老的海洋盆地,下地壳与上地幔的温度相当低,那里的岩石相对坚硬在这些地区不可能发生明显的岩石圈变形,因为岩石图累积强度大大超过板块驱动力．相反,如果下地壳与上地幔温度相对较高,板块驱动力则主要由上地壳承受,因为下地壳与上地幔相对软弱在这种地区,由于岩石圈累积强度与板块驱动力大小相当,构造形变相对较快．本文将这种假说应用在位于美国中部的新马德里地震带与周围地区．地震带内部热流密度值约为60mw／m2,略高于本区背景热流密度值45mW／m2．计算得到的地温梯度与实验室结果所揭示的延性流动定律表明,在地震带内下地壳与上地幔相当软弱,板内应力主要由上地壳传递．那里的形变速率相对较高．与此相反,在周围地区热流值相对较低,岩石四累积强度大大超过板块驱动力,构造应力由地壳与上地幔共同承受热流值的大小和下地壳上地幔的受力状态是决定地震活动性在地震带内与周围地区强烈对比的主要因素．     

中国大陆震源机制深度变化反映的地壳-地幔流变特征

大陆岩石层流变性质是一个重要而又没有完善解决的问题：既存在支持Moho面附近为强地幔-流动弱地壳模式的实验和观测事实，也存在支持流动弱地幔-强地壳模式的观测事实. 本文利用哈佛震源机制矩张量解及有关震源深度资料，对我国震源机制随深度的变化进行分析，发现虽然表浅地震震源机制主应力轴倾角接近水平或竖直，但中、下地壳和上地幔震源机制主应力轴倾角则多样化. 这与某些存在柔性下地壳软弱层地区具有孕震层下缘震源机制主应力轴也接近水平或竖直的特征明显不同. 它可能表明上述两种壳-幔流变模式在我国均存在，对我国岩石层流变性质还需要分区进行更细致的多方面研究.     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用天然地震面波记录和层析成像方法,研究了南北地震带及邻近区域的岩石圈S波速度结构和各向异性特征.结果表明南北地震带的东边界不但是地壳厚度剧变带,也是地壳速度的显著分界.其西侧中下地壳的S波速度显著低于东侧,强震大多发生在低速区内部和边界.青藏高原东缘中下地壳速度显著低于正常大陆地壳,在松潘甘孜地块和川滇地块西部大约25～45 km深度存在壳内低速层;这些低速特征与高原主体的低速区相连,有利于下地壳物质的侧向流动.地壳的各向异性图像与下地壳流动模式相符,即下地壳物质绕喜马拉雅东构造结运动,东向的运动遇到扬子坚硬地壳阻挡而变为向南和向北东的运动.面波层析成像结果支持青藏高原地壳运动的下地壳流动模型.南北地震带的岩石圈厚度与其东侧的扬子和鄂尔多斯地块相似但速度较低.川滇西部地块上地幔顶部(莫霍面至88 km左右)异常低速;松潘甘孜地块上地幔盖层中有低速夹层(约90～130 km深度).岩石圈上地幔的速度分布图像与地壳显著不同,在高原主体与川滇之间存在北北东向高速带,可能会阻挡地幔物质的东向运动.上地幔各向异性较弱且与地壳的分布图像显然不同.因此青藏高原岩石圈地幔的构造运动具有与地壳不同的模式,软弱的下地壳提供了壳幔运动解耦的条件.     

中东亚大陆塑性流动网络控制下构造变形的物理模拟

以塑化松香和干凝滑石粉浆分别作为岩石圈延性下层（下地壳及岩石圈地幔）和脆性上层（上部地壳）的相似材料,就亚洲中东部大陆在板块边界推挤作用下的构造变形进行了模拟实验。初步结果表明,本地区在印度板块和菲律宾海板块的推挤下,形成两个塑性流动网络系统,它们控制了岩石圈上层构造变形,在分布格局上大致与地震的网络状分布相对应;东北部可能存在另一规模较小、作用较弱的驱动边界及相应的网络系统,由于它的影响,导致华北北部构造带和地震带的扭曲。实验还表明,大型压性盆地的形成与岩石圈下层稳定块体的存在有关     

中国西部及邻区岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用瑞利波群速度频散资料和层析成像方法,研究了中国西部及邻近区域(20°N—55°N,65°E—110°E)的岩石圈S波速度结构.结果表明这一地区存在三个以低速地壳/上地幔为特征的构造活动区域:西蒙古高原—贝加尔地区,青藏高原,印支地区.西蒙古高原岩石圈厚度约为80 km,上地幔低速层向下延伸至300 km深度,说明存在源自地幔深部的热流活动.缅甸弧后的上地幔低速层下至200 km深度,显然与印度板块向东俯冲引起俯冲板片上方的热/化学活动有关.青藏高原地壳厚达70 km,边缘地区厚度也在50 km以上并且具有很大的水平变化梯度,与高原平顶陡边的地形特征一致.中下地壳的平均S波速度明显低于正常大陆地壳,在中地壳20~40 km深度范围广泛存在速度逆转的低速层,这一低速层的展布范围与高原的范围相符.这些特征说明青藏高原中下地壳的变形是在印度板块的北向挤压下发生塑性增厚和侧向流动.地幔的速度结构呈现与地壳显著不同的特点.在高原主体和川滇西部地区上地幔顶部存在较大范围的低速,低速区范围随深度迅速减小;100 km以下滇西低速消失,150 km以下基本完全消失.青藏高原上地幔速度结构沿东西方向表现出显著的分段变化.在大约84°E以西的喀喇昆仑—帕米尔—兴都库什地区,印度板块的北向和亚洲板块的南向俯冲造成上地幔显著高速;84°E—94°E之间上地幔顶部速度较低,在大约150~220 km深度范围存在高速板片,有可能是俯冲的印度岩石圈,其前缘到达昆仑—巴颜喀拉之下;在喜马拉雅东构造结以北区域,存在显著的上地幔高速区,可能阻碍上地幔物质的东向运动.川滇西部岩石圈底界深度与扬子克拉通相似,约为180 km,但上地幔顶部速度较低.这些现象表明青藏高原岩石圈地幔的变形/运动方式可能与地壳有本质的区别.     

Nature of Crustal Reflectivity along the DEKORP Profiles in Germany in Comparison with Reflection Patterns from Different Tectonic Units Worldwide: A Review

—Reflectivity of the continental crust displays many different patterns. The DEKORP lines are used as a basis for comparing and reviewing reflectivity in different tectonic units. The (brittle) upper crust generally exhibits only two types of reflectivity. It is either rather "transparent," preferably in some extensional provinces, or/and it shows traces of thrust and shear zones of former or present ruptures. As these zones have a low impedance interior (with few exceptions), their first reflection onsets have a negative polarity and evince strong, but short signals, which sometimes can be correlated over several kilometers. The (generally ductile) lower crust displays a completely different reflectivity. In warm, extensional and thin crusts the lower part is full of reflecting lamellae. It is suggested that this type of reflectivity has a thermo-rheological origin. The creation of lamellae must take place in a ductile material with contrasting impedance under extensional stresses. It can be associated with mineral alignment and corresponding seismic anisotropy. Destruction of lamellae may take place by a cooling process, transforming parts of the lower crust into a brittle regime. Small stresses might deform or break the lamellae and leave a certain dispersed reflectivity like that in some old (and cold) shields. There are no observations of reflecting lamellae in the upper crust or in the upper mantle. In all areas the Moho is the last reflecting band (reflection Moho), which most often is identical with the classical refraction Moho. There are isolated, mostly dipping, reflections in the uppermost mantle in zones where the last tectonic event, a delamination or subduction, was not succeeded by a heating process. The uppermost mantle is brittle again in most areas and may keep the memory of a (cold) collision over billions of years.     

Study of seismic tomography in Panxi paleorift area of southwestern China Structural features of crust and mantle and their evolution

Structural features of the typical continental paleorift in Panxi area are revealed by seismic tomography. (1) In the profile along the minor axis of Panxi paleorift, we found alternating high and low-velocity strips existing at different depths in the crust, presenting itself as a “sandwich” structure. The existence of these high and low-velocity anomaly strips is related to the basal lithology in the rift area. (2) An addition layer with velocity values of 7.1-7.5 km/s and 7.8 km/s exists from the base of lower crust to uppermost mantle and its thickness is about 20 km. Some study results indicate that the addition layer results from the invasion of mantle material. (3) A lens-shaped high-velocity body surrounded by relatively low-velocity material is observed at depths of 110-160 km between Huaping and Huidong in the axis of the paleorift. This is the first time to discover it in the upper mantle of the paleorift. Based on the results of geology, petrology and geochemistry, we infer that the formation of the addition layer and the lens-shaped high-velocity body in the upper mantle are related to the deep geodynamic process of generation, development and termination of the rift. On the one hand, the upwelling of asthenosphere mantle caused partial melting, and then the basaltic magma from the partial melted material further resulted in underplating and formed the crustal addition layer. On the other hand, the high-density content of mineral facies was increased in the residual melted mass of intensely depleted upper mantle, formed by basalt withdrawing. The solid-melt medium in the depleted upper mantle was mainly an accumulation of garnet and peridotite because the heating effect of lithosphere was relatively weakened in the later riftogenesis, so that a lens-shaped high-density and high-velocity zone was produced in the upper mantle. The results indicate that the energy and material exchange between asthenosphere and lithosphere and remarkable underplating would have an important effect on the material state and propagation of seismic wave in the lower crust, crust-mantle interface, asthenosphere and lithosphere. This process possibly is an important mechanism on the growth of continental crust and the evolution of deep mantle.     

华北盆地强震的震源模型兼论强震和盆地的成因

华北盆地自第三纪以来产生不均匀沉降,形成众多凹陷和隆起.传统的热张裂模型或是拉一分模型均不适用于华北盆地.我们根据反射和折射地震探测以及地震体波层析成象的结果,说明震源区附近存在Moho界面断裂,而且有明显的迹象表明,上地幔高温物质（低速度）向地壳下部入侵.因此,作者提出华北盆地强震以及凹陷形成的新模型,即在水平板块构造应力场的背景中,上地幔热物质向地壳下部入侵,它所产生的扰动应力场不仅在横向是不均匀的,而且在垂向也是不均匀的.它能够在地壳上部产生足够大的伸张应力场,同时在地壳中部或下部产生水平切应力场.这个新模型也能解释华北盆地的地壳厚度没有减薄,而地面热流又较大的现象. 由于地壳中力学性质随深度而改变,所以强震可能是由中部地壳的塑性形变以及上部地壳的脆性断层所组成的,即所谓两层破裂的震源模型.