控制龙门山地区地形的动力学机制

龙门山断裂带是青藏高原的东部边缘,也是高原最陡的边缘之一.跨龙门山断裂,在不到100km的空间尺度内,地形差异高达～4km,而对控制、维持这一地形差异的机制尚存在很大争议.文章基于地震波速度结构、地壳厚度、岩石圈有效弹性厚度等资料,结合岩石圈均衡和岩石圈挠曲分析,定量研究了地壳、岩石圈地幔对地形的贡献.结果表明,控制龙门山地区地形的主要机制包括岩石圈均衡和岩石圈挠曲的静态支撑,以及下地壳流及地幔对流的动力作用,不同机制在松潘-甘孜块体和四川盆地对地形贡献的权重不一.静态地形和动力地形对龙门山断裂两侧～4km的地形差异贡献相当,其中静态地形差异～2km,主要来自岩石圈均衡贡献;动力地形差异～2km,源自松潘-甘孜块体下下地壳流的物质堆积上隆作用和四川盆地下上地幔对流的向下应力拉拽的综合效应.因此,下地壳流与地幔对流是研究龙门山及其邻近地区动力学问题必需考虑的动力因素.     

早二叠世-中三叠世四川盆地热演化及其动力学机制

四川盆地位于扬子板块西缘,是我国重要的含油气盆地之一.早二叠世-中三叠世是盆地发育及热演化的重要时期,其间经历了区域岩石圈拉张和峨眉山玄武岩活动两个重要构造热事件.本文采用地球动力学模型,分别模拟研究了区域岩石圈拉张和峨眉山玄武岩对盆地热演化的影响.研究结果表明,该时期岩石圈在拉张作用下温度场基本上处于增温状态,盆地基底热流也随时间整体呈增加趋势.但由于拉张系数较小,岩石圈的减薄量有限,受到的热扰动也不大.岩石圈拉张造成盆地基底热流升高约20%,最大基底古热流出现在早三叠世,约60～62mWm-2.地幔柱模型显示,地幔柱活动对岩石圈热状态具有很大的影响,其影响主要集中在地幔柱头上方（内带）,而四川盆地所处的外带及以外地区受到的影响很小.部分喷发到盆地地表的岩浆对盆地烃源岩热演化会有剧烈的影响,但影响时间和范围均有限.因此,早二叠世-中三叠世四川盆地热演化主要受区域岩石圈拉张控制,并在川西南局部地区又叠加了峨眉山玄武岩的热效应.     

龙门山盆—山耦合带遥感地质与地震

四川的龙门山山体初始形成是在三叠纪末期的晚印支造山运动时期。从侏罗纪开始到白垩纪及新近纪,龙门山前缘经历了四川前陆盆地的演化过程,在晚喜马拉雅运动中,前陆盆地发生褶皱—断裂变形,龙门山再度崛起。在挽近期(更新世—全新世)构造运动中,盆山耦合部位显得特别活跃,形成了由第四系堆积组成的成都坳陷。在龙门山与四川盆地组成的盆山耦合带,隶属中国南北地质带中段,地震活动显得特别活跃,大、中、小地震频繁发生。其中以2008年汶川"5·12"特大地震和2013年"4·20"芦山大地震为代表。     

川西龙门山及邻区地壳上地幔远震P波层析成像

本文利用川西地震台阵记录到的远震P波走时数据和非线性层析成像算法,获得龙门山地区400 km深度范围内的三维P波速度结构.为了适应川西地区复杂的地质结构,本文的层析成像方法采用了快速行进三维走时计算算法和Tarantola非线性反演算法.我们的结果揭示了川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地三个不同地块构造差异及该区深部动力学特征.本文的研究表明：1）研究区地壳上地幔P波速度结构具有较为明显的分区特征,松潘-甘孜地块和川滇地块岩石圈速度较低,四川盆地岩石圈速度较高,四川盆地的岩石圈厚度从南250 km向北逐渐减薄至100 km.松潘-甘孜地块上地幔存在地幔上涌的特征.2）川滇地块和四川盆地仅是垂直接触关系,而在龙门山地区四川盆地前缘存在减薄的现象,并伴随松潘-甘孜地块上地幔低速物质有侵入四川盆地岩石圈下方的特征,这显示了四川盆地与松潘-甘孜地块和川滇地块的动力学关系的差异.3）以映秀为界,龙门山断裂带被从松潘-甘孜侵入的低速异常分为南北两段：龙门山南段和龙门山北段,汶川大地震及其余震序列均分布在龙门山断裂带的北段.在青藏高原向东挤压和地幔上涌的双重作用下造成松潘-甘孜地块隆升,由于汶川处于龙门山北段的最南端,应力容易在此集中.这些因素可能是汶川M_S8.0地震的基本动力学背景.本文的结果不支持四川盆地的俯冲及层间流动的动力学模型.     

凯尔盖朗海台岩石圈有效弹性厚度初步研究

本文基于弹性薄板模型,结合水深、空间重力资料,使用空间域褶积算法获取了凯尔盖朗海台岩石圈有效弹性厚度(Te)的空间变化特征,有效地揭示了凯尔盖朗海台岩石圈热力学特征.整个研究区域内,T_e的分布范围在5~35 km之间;其中在凯尔盖朗海台北部(NKP)的Te值较高,在25~35 km之间变化,说明CKP、SKP形成时负载于较强挠曲刚度的岩石圈之上;而在海台中部(CKP)以及南部(SKP),T_e值异常低,基本维持在10 km以内.经对比发现,海台载荷形成时刻的洋壳年龄与T_e值之间存在弱相关性,表明研究区域内岩石圈的热力学性质存在诸多不同.进一步结合凯尔盖朗热点喷发历史,可以推测:CKP、SKP的异常低T_e值和较深的莫霍面(~23 km)可能与当时非常高的岩浆通量有关.强烈的热点活动"烘烤"了周围地壳,降低了下覆岩石圈的挠曲刚度.NKP形成时岩浆喷发速率低,没有改变下覆岩石圈的热结构,从而保留了其一定的挠曲刚度.Elan Bank(EB)的T_e高值(~30 km),推测与此处的残留陆块有关.     

哈山冲断带构造变形数值模拟

岩石圈流变结构是控制大陆碰撞造山的重要因素.哈山冲断带的构造变形、地表地形与青藏高原周缘冲断带差异较大,指示需要开展地壳流变学研究.本研究采用二维数值模拟,设计了盆山上地壳强度横向差异的单因素实验,模拟结果分析表明：若上地壳强度“山弱盆强”,构造变形集中于造山带,断块垂向叠置造成造山带隆升,使地表地形的构造高点位于造山带;若上地壳强度“山强盆弱”,构造变形集中于冲断带和盆地,盆山相互作用造成地表地形的构造高点位于冲断带,而非后陆.本文基于此单因素实验,模拟了哈山冲断带构造演化,发现哈山冲断带晚二叠世发育推覆构造后,构造变形逐渐减弱,扩展方式由前展式变为后展式,基底倾向由向后陆变为向前陆.结合哈山及龙门山的多学科观测资料,本文认为哈山和龙门山冲断带的构造变形、地表地形分别符合地壳强度“山强盆弱”模式和“山弱盆强”模式.研究成果可以为中西部冲断带的地球动力学模型和实验模型的搭建提供一定启示,同时对研究区内构造控藏分析和油气勘探具有指导意义.     

燕山地区中生代盆地演化及构造体制

燕山地区中生代盆地经历了重要的构造变革, 由前晚三叠世台缘克拉通盆地转变为晚三叠世至晚侏罗世挠曲盆地, 进而再次转变为晚侏罗世晚期至早白垩世裂谷盆地. 晚三叠世和晚侏罗世响应两次板内强变形作用, 分别沿逆冲带边缘沉积了杏石口组和土城子组粗碎屑冲积体系; 早白垩世受转换伸展断层控制, 盆地充填以扇三角洲-湖泊体系为主. 晚三叠世挠曲盆地的沉积碎屑成分反映了源区元古界和太古界地层的剥露过程; 而晚侏罗世挠曲盆地则反映了源区受早期沉积覆盖的火山碎屑岩的剥蚀及其基底岩石的剥露过程. 原型盆地再造结果显示, 早侏罗世至晚侏罗世早期盆地展布具有向近北东东向和近东西向迁移的趋势; 早白垩世盆地呈北北东向横跨于前期盆地之上. 两期盆地分别受控于不同的构造体制.     

南秦岭大巴山和米仓山-汉南穹隆中生代隆升幅度

确定大陆造山带在地质时期的隆升幅度对认识大陆造山过程、动力学机制,以及气候环境变化等问题具有重要的科学意义.秦岭造山带是中国大陆主要造山带之一,对其隆升过程的认识是理解中国,乃至东亚大陆构造格局及深部动力学的关键.研究表明,南秦岭造山带大巴山和米仓山-汉南穹隆在中生代发生隆起,但是,隆起的幅度缺乏定量约束.文章基于四川盆地北缘中生代山前盆地沉积数据,通过模拟岩石圈挠曲变形,获得南秦岭造山带大巴山和米仓山-汉南穹隆中生代山体隆升量及相应的山前盆地岩石圈有效弹性厚度(T_e).结果显示,大巴山和米仓山-汉南穹隆在中侏罗世和早白垩世分别隆升了~1220和~880m.山体的现今高程是在此基础上于新生代继承性构造隆升的结果.不同构造单元隆升时限和幅度的差异表明南秦岭造山带中生代和新生代的隆升进程和驱动机制是不同的:中生代隆升受控于自东向西的华北-华南陆块汇聚,新生代隆升则由西南-东北向的印度板块对欧亚大陆的挤压驱动.四川盆地北缘从中侏罗世到早白垩世岩石圈强度发生了弱化,T_e由73km减小为57km,其机制可能源于山体作用下的挠曲应力加载.     

华北东部三叠纪岩浆作用与克拉通破坏

华北岩石圈减薄和克拉通破坏是近年来国内外研究的热门课题,虽然已基本确定克拉通破坏发生的峰期为晚中生代,但发生的起始时间以及早中生代大陆深俯冲作用是否对克拉通造成一定的破坏等问题却研究甚少.通过总结华北东部三叠纪侵入岩的时空分布规律和地球化学特征,探讨它们的岩浆源区及成岩过程,反演它们形成的深部地球动力学机制,从而提出华北克拉通破坏的起始时间可能为晚三叠世,与大陆深俯冲及陆陆碰撞造山作用所引起的地壳加厚、拆沉作用有关,这一作用也可能是晚中生代克拉通破坏的诱因.     

巴颜喀拉地块东部及邻区重力均衡与岩石圈有效弹性厚度

基于SIO(Scripps Institute of Oceanography)最新全球重力和高程模型,计算了巴颜喀拉地块东部及邻区的布格重力异常、均衡重力异常、岩石圈有效弹性厚度及荷载比.结合大地热流、地震速度结构、地震活动和断裂构造分布等,分析了地壳均衡状态和岩石圈有效弹性厚度、地质构造单元间的差异及与地震活动的相关性特征.研究结果表明,该区域布格重力变化范围约为-500～0mGal(1mGal=10~(-5)m·s~(-2),下同),在巴颜喀拉块体东部区域形成弧形重力梯度带,近年来的中强地震活动频发于该梯度带不同部位,应与其应力依次释放有关;均衡重力异常结果表明,其变化范围约为-80～+100mGal,且大部分区域处于±20mGal以内的被认为处于重力均衡的状态,重力非均衡(正或负)多出现于块体边界带附近,地震多发生在靠近块体边界的均衡重力异常(正或负,主要为正)区域内;巴颜喀拉地块东部及邻区岩石圈有效弹性厚度(T_e)为10～65km,不同构造单元之间T_e空间分布差异明显,较低的T_e值出现在龙门山构造带附近,T_e值为20km左右,岩石圈荷载加载比为0.5～0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.进一步分析表明,巴颜喀拉地块东部挤压增生与横向流动同时发生,是造成该区域地震发生与重力均衡异常高值重合、岩石圈有效弹性厚度和大地热流值较低的主要原因.本文获得的地壳均衡特征及岩石圈有效弹性强度结果,加深了对巴颜喀拉东部及邻区岩石圈构造演化过程的认识.     

龙门山及其邻区的构造和地震活动及动力学

论述了龙门山推覆构造带、岷山隆起、成都平原和龙泉山地区的构造和地震活动，讨论了构造活动特点和演化历史，并分析了它们的形成机制和动力学问题     

青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文利用三维有限差分方法,基于EIGEN6C4布格重力异常和SIO V15.1地形数据,计算了青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度.结果表明:青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度为0~100 km,四川盆地和喜马拉雅东构造结岩石圈有效弹性厚度最大,达50~100 km;巴颜喀拉块体东部、川滇菱形块体大部、滇西等地区岩石圈强度弱,有效弹性厚度一般小于15 km;羌塘块体东部的玉树—德格附近地区岩石圈有效弹性厚度大于40 km;滇南地区岩石圈有效弹性厚度为10~30 km,大于云南北部地区.研究区域有效弹性厚度分布特征与岩石圈结构关系密切.四川盆地、喜马拉雅东构造结地区内部结构稳定,因而岩石圈强度大.川滇菱形块体等岩石圈有效弹性厚度小的地区与壳内低速、低阻/高导层分布有很好的对应关系,推测壳内岩石的部分熔融软化可能是造成高原东南缘岩石圈强度较弱的重要原因.羌塘块体东部的局部高力学强度岩石圈则可能是高原形成过程中的残留克拉通.根据本文计算的岩石圈有效弹性厚度特征,结合地震学、大地电磁等研究成果,认为青藏高原物质向东南缘挤出后受四川盆地等阻挡,造成下地壳软弱物质在理塘—稻城—丽江一带堆积,少部分物质可能穿过鲜水河断裂带的康定—道孚地区向北运动,但大部分物质向南运动,在受到滇南块体阻挡后一支流向西南的腾冲方向,另一支流向东南的攀枝花—东川方向.     

曲靖非相干散射雷达电离层F区日间电子温度变化特征初步分析

利用曲靖非相干散射雷达2017-2018年春夏季观测数据首次分析了电离层日间150~450km电子温度的地方时与高度变化特征及其与电子密度的相关性.发现hmF2及以上的电子温度在日出日落时具有两个峰值,在11∶00-16∶00LT之间变化较小,高度越高午后上升的时间越早;从150km开始迅速增加,在约220km达到最大值,然后开始降低,在约300~350km达到最小值,最后单调上升;200km以下电子温度与电子密度成正相关(主要由热传导控制),200~450km之间存在明显的反相关(光电离过程占主导),电子-离子温度差与电子密度对数之间存在近似线性关系,电子温度逐日变化与光电离因子的变化趋势相似,这种相关性在中午与午后更明显;以上结果与其他非相干散射雷达观测和电离层模型计算结果基本一致,但也存在一些差别,需要结合更多数据深入分析.     

卡罗琳板块及其附近地区的岩石圈有效弹性厚度

本文利用卡罗琳板块及其附近地区的自由空气重力异常和海水深度数据,结合滑动窗口导纳技术(MWAT),计算了该地区的岩石圈有效弹性厚度T_e.本文使用Multitaper(多窗谱)方法对功率谱密度进行估计,基于实际的海底地形,通过模拟计算得到了MWAT方法较真值的改正,MWAT方法计算的结果偏小20%左右.研究结果显示卡罗琳板块及其附近地区的T_e变化范围为1~34km.研究区域包括了海山、海底高原、俯冲带、扩张洋脊等多种构造,对它们的岩石圈强度的研究为认识西太平洋地区岩石圈的构造和演化提供了重要的依据.T_e与加载时的岩石圈年龄、地表热流相关.T_e与海底地壳年龄之间的关系显示T_e主要位于板块冷却模型的450℃的等温线深度以上.西太平洋的Magellan海山和Marcus-Wake Guyots(MWG)地区的T_e主要分布在加载形成时板块冷却模型的200℃的等温线深度附近,较低的等温线可能受太平洋超级地幔柱的影响.我们的研究结果也显示在研究区域内海洋地壳的热流与T_e之间存在一定的反相关性.     

2008汶川Ms8.0地震发生的深层过程和动力学响应

汶川M_s8.0强烈地震发生在一条现今并不活动的龙门山构造带上,造成了以汶川、映秀为中心及其周边地域的严重破坏和人员的重大伤亡.然而强烈震发生前却未见有可能的确切征兆或浅表层异常活动,即浅层过程与地震发生的深层过程并不匹配.为此对这次强烈地震“孕育”、发生和发展的深层过程进行了分析和探讨,初步研究表明：①在印度洋板块与欧亚板块陆—陆碰撞、挤压作用下,喜马拉雅造山带东构造结向NNE方向顶挤、楔入青藏高原东北缘,迫使高原深部物质向东流展,在受到以龙门山为西北边界的四川盆地阻隔下,一部分物质则转而向东南侧向运移;②龙门山地带在地形上差达3500±500 m左右,而地壳厚度在龙门山西北部为60±5 km左右,四川盆地为40±2 km左右,而龙门山地带与其东、西两侧相比则为地壳厚度变化幅度达15~20 km的突变地域,即为应力作用的耦合地带;③中、下地壳和地幔盖层物质以地壳低速层、低阻层（深20~25 km）为第一滑移面,以上地幔软流层顶面为第二滑移面,且在四川盆地深部“刚性”物质阻 隔下,深部壳、幔物质以高角度在龙门山构造带和四川盆地的耦合地带向上运移（或称逆冲）,且在龙门山地表三条断裂构成的断裂系向下延伸到20 km左右深处汇聚,二者强烈碰撞、挤压、震源介质破裂;在物质与能量的强烈交换下,应力得到释放,故形成了这次M_s.0强烈地震.为此从深部初步揭示了这次强烈地震“孕育”、发生和发展的深层动力过程.     

海洋岩石圈板块有效弹性厚度研究

本文在前人研究大陆岩石圈板块有效弹性厚度的基础上,建立研究海洋岩石圈板块有效弹性厚度的理论模型,推导出与大陆岩石圈不同的海洋岩石圈板块响应函数 Z(k,T_e) 理论计算公式.并分析海洋岩石圈板块响应函数 Z(k,T_e) 的特点.文中对实际的海洋测量数据的响应函数 Z(k,T_e) 进行计算和分析,估算我国南海南沙海域和南海中央海盆岩石圈板块有效弹性厚度分别约为10 km和6~7 km.     

龙门山断裂带及其周边地区重力场 和岩石层力学特性研究

继2008年汶川M_S8.0地震之后, 2013年4月20日又发生了芦山M_S7.0地震, 两次地震的发震构造同属龙门山断裂带. 根据最新的重力和地形资料, 采用岩石层弹性板模型, 计算了龙门山断裂带及其周边地区的二维岩石层有效弹性厚度分布, 并从岩石层的力学特征分析了穿过两次地震震中位置的重力剖面特征; 结合以往在该地区的研究成果, 分析了岩石层的力学变形问题. 结果表明, 以龙门山为界, 四川盆地所在的扬子板块弹性厚度为33(±4) km, 龙门山西北的松潘—甘孜地块的弹性厚度为13(±4) km, 两侧岩石层存在明显的力学强度差异. 包括两次地震震中范围的龙门山断裂带南部区域的有效弹性厚度值小于北部地区, 说明该区域的岩石层更容易发生变形, 可以解释在构造上具备强震发生的岩石层动力学条件.      

汶川—映秀MS8.0地震的发震断裂带和形成的深层动力学响应

在印度洋板块与欧亚板块的碰撞-挤压作用下,不仅形成了喜马拉雅弧形山造山带,而且导致其东部弧顶—东构造结似一尖楔沿NNE方向插入青藏高原的东北缘.造成了巴颜喀拉块体和龙门山断裂系深、浅部构造强烈活动和变形,并导致高原腹地壳、幔物质以大型走滑断裂为通道边界向E-ES方向运移.2008年5月12日汶川—映秀M_S8.0地震就发生在这相对活动的巴颜喀拉块体与相对稳定的四川盆地之间的龙门山断裂系辖区内.基于该区深部壳、幔结构和主震（M_S8.0）与7万多次余震震中位置与震源深度的展布研究表明,汶川—映秀M_S8.0地震的发震断裂不是震中在地表投影位置附近,而是龙门山断裂系3条以不同角度西倾、且向下在15±5 km深处汇聚的断裂带CF.该发震断裂带不是一条简单的线性断裂带,而是一半径为5 km左右的柱状震源体,沿NE向展布.在青藏高原东北缘深部物质向东与向东南运动过程中地壳各层整体逐渐抬升,且在龙门山断裂系地带为减薄的转折部位,而地壳低速层却在这里尖灭.在两陆-陆板块碰撞力系作用下,壳、幔介质以上地壳底部低速层（深20±5 km）为上滑移面,并与上地壳解耦,而在深处则以岩石圈底部漂曳的软流层顶部（深100±10 km）为下滑移,故下地壳和上地幔盖层物质才能同步运动.它们在四川盆地高速“刚性”壳、幔物质阻隔下,龙门山断裂系的3条向下汇聚的断裂带与下地壳和上地幔盖层物质同步沿龙门山断裂系的断层面向上逆冲,当向上与向下同步运动的固态壳、幔介质二者在15±5 km深处强烈碰撞时激发了这次M_S8.0地震和一系列强余震的发生和发展.基于上述可见,对强烈地震孕育,发生和发展的深部介质与构造环境,深部物质与能量的交换、运移和深层动力过程的研究乃核心所在.     

利用接收函数方法研究四川地区地壳结构

采用接收函数反演和共转换点(CCP)偏移叠加成像方法, 利用四川数字地震台网宽频带的52个区域固定地震台站和布设的两条52个宽频带流动地震观测台站的远震地震波形数据资料, 对四川地区地壳结构进行研究。 结果表明, 四川地区的Moho面深度在青藏高原和四川盆地差异明显, 在川西高原地区地壳厚度为52~68 km, 在川滇地块地壳厚度为50~60 km, 在中地壳内存在不连续的低速层分布; 而在四川盆地地壳厚度为38~45 km, 地壳内没有低速层存在。 Moho面深度从川西高原的60多公里至四川盆地的约40 km, 在二者的交界处龙门山断裂带下面, 存在厚度约30 km左右宽的下降过渡带, 说明其下的Moho面可能受断层影响, 结构比较复杂; 在高原地区的上地壳界面和下地壳上界面比四川盆地的相应界面深; 高原地区在中地壳的上部有不连续的低速层分布, 在松潘—甘孜地块的上地壳下部存在向南东运动的脆性推覆体, 在羌塘—理塘地块的上地壳下部存在向南东和南运动的脆性物质流动。