中国东北地区三维速度结构与火山起源的深部机制

利用布设在中国东北地区的107个台站接收到的245个远震事件和67个近震事件所产生的数据,采用天然地震层析成像方法获得了该地区深至700 km的三维速度结构。研究结果表明：(1)浅部的速度结构与地表的构造单元有着较好的对应关系;(2)100~200 km的深度出现两处明显的高速异常,走向与断裂相同,该高速异常的形成与断裂之间存在着某些联系;(3)太平洋板块已经俯冲到火山地区的下方,部分板块虽然已经超过了660 km的不连续面,但板块仍滞留在地幔过渡带中,并没有穿透该不连续面;(4)地幔过渡带内上涌的热物质从太平洋板块顶部一直延伸到火山底部,可能对火山的起源造成影响。结合前人的研究成果,认为东北地区火山的形成可能与太平洋板块的俯冲、地幔过渡带内热物质的上涌有关。     

精确测量的地幔体波走时及地幔非均匀性的强度(英文)

用波形相关法精确地测定了在世界各地发生的87个6级以上地震的P波, PP波和Pdiff波的503个走时数据。记录这些地震波形的是新建于西太平洋地区的海洋半球地震观测网。我们利用这些高精度的走时数据研究了地幔体波的走时残差的范围及地幔非均匀性的强度。结果表明,P波、PP波和Pdiff波的走时残差最大分别为9 s ,11 s和15 s ,这为地幔层析成像反演中应该使用的体波走时残差数据的范围提供了重要信息。超出这一范围的走时残差数据不应该用于反演中,以免歪曲成像结果。我们发现,当震中距小于40°时,P波走时残差的范围为-6到+9 s。而对于40°到99°之间的震中距,P波走时残差的范围为-3到+5s。由于震中距越大,P波穿透地幔越深,我们这一结果提供了直接和确凿的证据,表明上地幔和地幔转换带中的横向非均匀性的强度要远胜于下地幔。我们精确测量的Pdiff波的走时数据表明,在地幔底部存在显著的低速异常,可能与地幔热柱或者超级地幔柱有关。我们使用了一个最新的三维全球层析成像模型来解释这些体波走时数据的空间变化。     

中国东北地区太平洋板块精细俯冲特征

中国东北地区的火山较为活跃。一些学者认为这些火山的起源与西太平洋板块的俯冲和软流圈物质的上涌存在密切联系。尽管天然地震层析成像结果明显地显示出火山区下方存在着太平洋板块,但板块的厚度、存在范围等俯冲特征仍然不是特别清晰。为此,采用远震层析成像和走时拟合相结合的方法深入研究了中国东北地区的壳幔速度结构,特别是太平洋俯冲板块的精细结构。研究结果表明:(1)板块的平均厚度和速度异常分别为85 km和1%,而且与日本海地区结果进行对比可推测板块并未增厚;(2)板块以低角度俯冲进入地幔过渡带,到达过渡带底部后弯曲成水平状,向西延伸至东经127°而停止;(3)水平延伸的板块恰好位于火山区的下方。这些俯冲特征有助于人们更好地理解陆内火山的起源及地球深部动力学过程。     

大兴安岭—太行山重力梯度带以西的第四纪火山活动

中国东北部(包括东北三省和内蒙东部)是我国第四纪火山最主要的分布区,火山活动主要沿松辽盆地东西两侧分布:东侧沿郯庐断裂带及其以东到中朝边境,自北往南有镜泊湖(小北湖)火山群、长白山火山群、龙岗火山群、宽甸火山群等;西侧主要沿大兴安岭—太行山重力梯度带以西至中蒙边境,自北往南有北部诺敏河火山群和绰尔河—哈拉哈河火山群,中部阿巴嘎火山群和达里诺尔火山群,南部大同火山群和乌兰哈达火山群,整个火山带延伸上千公里。该重力梯度带以西的第四纪火山占中国东北部第四纪火山活动的半壁江山,主要由单成因火山组成(个别达亚布里尼式),少则几十座,多则200余座,如阿巴嘎火山群向北延入蒙古达里干加,构成亚洲东部面积最大的新生代火山区。昙花一现和打一枪换个地方可以形容上述单成因火山之喷发特点,由于年代新和免遭后期的改造与破坏(人为破坏除外),它们大多保留了较好的火山锥体和火山地貌特征,成为第四纪火山之重要地质标志。上述火山活动延续到全新世,成为我们开展活动火山监测与研究、探讨大陆内部火山活动构造背景与成因机制的理想场所,它们所带来的深部信息(火山岩及其尖晶石橄榄岩和石榴石橄榄岩捕虏体),还是我们获取大兴安岭—太行山重力梯度带东西两侧和华北克拉通与兴蒙造山带南北两个大地构造单元岩石圈差异演化的重要窗口(樊祺诚等,2015)。火山岩和地幔橄榄岩捕虏体的研究表明,大兴安岭—太行山重力梯度带东西两侧与南北方向上岩石圈性质均存在差异(徐义刚等,2006;赵勇伟等,2012;Zhao et al.,2014;陈生生等,2012;樊祺诚等,2008,2015)。地球物理探测资料也显示,太平洋板块的西向俯冲触发软流圈的上涌,并且部分岩浆可能起源于处在地幔过渡带(~600 km)的停滞板块(Zhang et al.,2012),横向上已经到达重力梯度带附近(Zhao et al.,2011;Li et al.,2013)。新近从华北克拉通西部北缘与兴蒙造山带南缘接壤的乌兰哈达玄武岩的元素和同位素示踪,均显示其岩浆源区橄榄岩具有碳酸盐化的趋势,不能排除碳酸盐化熔体的贡献,是否与太平洋板块向西俯冲所携带的沉积物或流体有关还待证实(Fan et al.,2014)。毫无疑问,太平洋俯冲板块向西俯冲对中国大陆之下软流圈与岩石圈的影响,势必在中国东部中—新生代火山岩中留下印记,需要地质、地球化学与地球物理的协同探索。     

基于地下电性结构探讨中国东北活动火山形成机制

东北地区是我国现代火山活动最强烈的地区之一，也是许多学者十分关注的地区。本文回顾了前人提出的关于该地区火山成因的研究成果；通过分析在东北活动火山区大地电磁观测研究的地壳上地幔结构和采用大地电磁网观测研究的地幔1000km以上的电性结构成果，发现长白山天池火山区存在地壳岩浆囊，其它活动火山没有发现地壳岩浆囊，但都存在通往地幔的岩浆通道；东北地区在80～120km左右和200～250km可能存在与地幔岩浆囊相关的地幔高温流体。基于电性结构的研究成果，作者提出了一种东北地区可能的活动火山成因假说。认为东北火山的成因可能与西太平洋板块俯冲到中国东北地区的地幔过渡带后产生脱水有密切关系。这种水以矿物组分或流体方式向上运移，在地幔200-250km和80～120km左右聚集，80～120km的聚集区可能是火山喷发的物质来源。     

利用地幔内反射波探测日本列岛下660 km不连续面的深度变化（英文）

通过分析发生在日本周边深源地震的宽频带波形资料,估计了日本列岛下的660km不连续面(d660)的深度变化。许多宽频带波形记录到了在d660顶部发生反射的sScS的后续波。sScS后续波与sScS间的到时差包含了震中与台站下方的d660深度变化的信息。我们成功地检测到这两种震相并将其分离,到目前为止还没有这方面研究的报道。我们由sScS与其后续波的到时差来求每个震中与记录台站下的d660的深度变化。研究结果显示,西部日本下的d660较深(大于660km),这可能是滞留在地幔转换带中的冷的太平洋板块造成的。在日本中部,d660变深,显然这不是太平洋板块本身造成的,因为日本中部已经位于该滞留板片的东部。日本东北部下的d660变得较浅,这可能是太平洋板片形状变化或下地幔热物质上涌形成局部热异常造成的。     

长白山火山的起源和太平洋俯冲板块之间的关系

近年来，尽管不同学科通过不同手段对长白山火山进行过广泛研究，然而，目前人们对它的起源仍不清楚。利用全球地震层析成像和区域层析成像结果，综合分析了长白山火山的起源。结果表明，它的起源既不同于夏威夷等板内热点火山，也不同于日本等岛弧火山，而是一种与太平洋俯冲板块在地幔转换带内的滞留和深部脱水等过程密切相 关的弧后板内火山。     

华北克拉通东部岩石圈破坏与幔柱的成因

华北克拉通东部是指大兴安岭—太行山重力梯度带以东的地区。该地区与东北及华南地区一样,也存在着岩石圈减薄和岩石圈破坏的现象。华北克拉通古生代与新生代的橄榄岩包体地热值分别为40mW/m~2和80mW/m~2,地热增高是岩石圈破坏的重要因素。中国东部—朝鲜半岛的GRACE卫星布格重力异常呈巨型环状展布,可能是地幔亚热柱所致。区内郯庐断裂带呈NNE向纵贯切割,最新的地震反射剖面成果反映,该断裂带以走滑为主,兼有逆冲和正断层,所组成的大型"花状"复杂断裂构造带,切穿地壳、莫霍面,直至岩石圈地幔,起到破坏岩石圈的作用。S波速成像结果证实,在苏鲁造山带下方,分布的碎块状波速扰动带延伸300km,应是中生代扬子板块走滑俯冲、断离、折返的产物;而在渤海湾盆地下方,下地幔也存在陡倾的破碎带,延伸300km,在岩石圈76km处及其深部,S波速降低,扰动很剧烈,可能是地幔柱头部呈粗大状的反映,故可认为渤海湾盆地是由蘑菇云状的地幔柱形成。再从华北克拉通的大陆根来看,东部为A型反时针pT轨迹麻粒岩分布,而中西部则为B型麻粒岩,这是因为东部新太古代绿岩带中赋存有科马提岩,其岩浆温度可高达1 600℃,如用幔柱构造模型解释成因最为合适。通过研究近年大量地震反射P波和S波层析资料,华北克拉通的东部在晚侏罗-早白垩世及新生代期间,受太平洋板块俯冲和地幔热柱上隆的相互作用,深部的地幔流体常沿构造破裂带运移,促使岩石圈拆沉,并发生热侵蚀作用,形成酸性大火成岩省(SLIP)、裂谷型盆地的广泛分布和成矿成藏作用的"大爆发"。由此认为,建立区域构造模型将有利于指导深部找矿工作。     

吉林省敦化盆地地质特征及地质发展史

敦化盆地是由白垩—古近纪的新开岭盆地、大山嘴子—镜泊湖盆地和新近—第四纪敦化火山盆地的组合总称。它的形成严格受敦密断裂带地堑式两条平行断裂所控制。敦密断裂带在侏罗—白垩纪时期受伊佐奈歧板块的向西俯冲、挤压形成的火山造山带的地堑式断裂带,而新近—第四纪则主要受长白山火山地幔热柱和太平洋板块向西俯冲带而形成的不完整复式裂谷...     

阿留申俯冲带几何学特征及运动学成因模式

阿留申俯冲带位于环太平洋俯冲带最北端,是东太平洋型俯冲和西太平洋俯冲的过渡区域。该俯冲带火山岛弧距离海沟的距离从东向西逐渐增大,而形成地球上独特的岛弧火山链与海沟V字型斜交的现象。这一现象的运动学成因目前并没有统一的认识。本文通过对阿留申俯冲带几何形态数据、运动学数据进行整理分析,尝试运用构造赤道理论探讨该现象形成的运动学背景。阿留申俯冲带的几何学数据表明:从俯冲带东段(175°E)至俯冲带西段(155°W),火山岛弧距俯冲海沟的距离从80 km增加至250 km。与此同时,俯冲板片的倾角由60°减小至30°。板块的运动学分析表明:相对北美板块,太平洋板块的东段的运动矢量为48 mm/a,向北运动;逐渐转变为西段的78mm/a,向西北方向运动。相对于软流圈,太平洋板块的运动方向没有改变,始终向西北方向运动,速率向西逐渐增加。因此,在俯冲带的东段太平洋板块的绝对运动方向和相对运动方向存在30°左右的夹角,而这个夹角在西段几乎不存在。太平洋板块的绝对运动方向和相对运动方向之间的夹角不同,会导致软流圈对俯冲板片的反作用力差异,从而形成不同的俯冲角度和俯冲带宽度。太平洋板块相对北美板块和相对地幔的速度方向夹角的变化被认为是引起阿留申火山弧与海沟"V"字型斜交的运动学成因。     

西昆仑阿什库勒火山的起源:来自地震层析成像的证据

利用中国地震台网、ISC地震台网以及布设在青藏高原临时台网记录到的地震到时数据,研究了青藏高原,阿什库勒火山群及其周边的P波速度结构。高分辨率的成像结果显示印度板块呈明显的高速异常俯冲到了青藏高原之下,该高速异常的前端到达青藏西部的北缘、青藏中部的班公湖—怒江缝合带以及青藏东部的金沙江断裂带,表明印度板块在青藏高原内部南北向的俯冲距离并不相同。成像结果显示印度板块已经俯冲到了西昆仑山阿什火山附近,其北的塔里木地块呈明显的高速异常。阿什火山的正下方存在明显低速异常及岩浆上涌的通道。在阿什火山下的地幔转换带存在明显的低速异常体,我们认为软流圈物质的减压熔融以及岩浆上涌是阿什库勒火山群形成的根本原因。     

中国东北地区中生代火山岩的大地构造意义

中国东北地区中生代火山岩可划分为西部大兴安岭环状火山岩带、南部火山岩带和东部火山岩带,它们是古亚洲洋构造域向太平洋构造域转换时期不同构造环境的产物。西部大兴安岭环状火山岩带的形成与古亚洲洋闭合过程中壳幔相互作用引起的深部热地幔柱的上升有关,南部火山岩带与构造域转换时期走滑拉伸构造有关,而东部火山岩带则是太平洋板块斜向俯冲作用的产物。     

中国东北地壳结构的地震层析成像

中国东北地区自晚古生代晚期以来,受古亚洲洋、蒙古—鄂霍茨克洋、太平洋构造域的叠加作用,壳幔结构极为复杂。本文收集中国东北地区国家地震台网接收的100 980个P波和91 030个S波到时数据,采用地震走时层析成像方法获得了该地区地壳P波和S波速度结构,进而获得了泊松比结构,用以探讨复杂的地壳结构。成像结果显示：中国东北地区地壳地震波速度结构呈明显的横向不均匀性,不同构造单元和构造单元内部都存在不同程度的不均匀性。松辽盆地整体上浅层地壳以低速异常为主,尤其是S波速度,但部分区域分辨率较低,中下地壳存在较大范围高速异常,推测与太平洋俯冲、后撤导致的岩石圈拆沉和热物质上涌等动力学过程有关;北部的大兴安岭重力梯级带和长白山一线主要表现为低速异常,表明具有大范围的岩浆作用,广泛岩浆作用为固体矿产资源的形成提供热源或物源;长白山、五大连池等近代活动的火山下方部分地壳区域均表现了较强低地震波速度和高泊松比异常结构特征,表明仍存在活动的可能。     

华夏地块中部宽频地震剖面深部速度结构研究

华夏地块处于欧亚板块、太平洋板块和菲律宾海板块相互作用的前沿。我国著名的南岭成矿带和武夷成矿带均位于华夏地块内。已有的研究认为,南岭和武夷的成矿作用可能与中生代晚期岩浆岩的底侵有关。为研究深部速度结构,本研究在2017年7月至2020年8月期间布设了一条横跨南岭成矿带与武夷成矿带的宽频地震测线。该测线共有81个流动台站组成,台站间距5-8 km,总长度约430 km。从连续波形中截取451个震级大于5.5级的远震事件波形,利用改进的互相关法直接从波形中计算得到7231条相对走时残差数据(误差小于0.1 s)。本研究采用远震走时层析成像方法反演相对走时残差数据,获得了高分辨率的速度结构。初步的成像结果表明:(1)华夏地块中部上地幔内存在一个明显的自西向东逐渐变深的低速异常体;(2)华夏地块岩石圈内速度结构具有很强的横向差异,且与断裂带分布存在一定的空间对应关系;(3)政和-大浦断裂带东侧下方200-300km处存在较明显的高速异常体。结合其它已有成果,本研究认为上地幔内的低速异常可能是上涌的软流圈热物质,抵达岩石圈底部引发岩石圈拆沉,可能继续沿深大断裂侵入地壳,形成金属矿藏;而拆沉的岩石圈冷物质下沉,所留痕迹即为软流圈内的高速异常体。     

中国东部地区深部结构的层析成像

利用中国国家台网60个宽频带地震台站和国际地震中心(ISC)592个台站分别记录的1996—2007和1990—2004的震相报告,从中提取出可供反演使用的远震事件9806个,共12078个高质量的P波初至走时数据,对中国东部地区进行了远震P波层析成像研究。结果显示,在五大连池火山区和大同火山区有明显的低速异常,大同火山源区较深。另外几个明显的低速区分别分布在广东地区、渤海湾地区和长江中下游地区。四川盆地的高速特征和扬子板块的低速特征在纵剖面图像上也较为明显。中国东南部的软流圈中存在大面积的地幔上涌,认为是由板块之间的碰撞俯冲、引起大尺度地幔横向流动造成的,而太平洋板块的作用局限于其俯冲的"远程效应",为大范围的软流圈物质上涌提供了东侧的深部动力条件。     

西藏及其周围地区地壳、地幔地震层析成像——印度板块大规模俯冲于西藏高原之下的证据

文中介绍有关西藏—喜马拉雅碰撞带的一项地震层析成像研究。根据一个用天然地震数据产生的全球波速模型 ,印度板块有可能以近水平状俯冲于整个西藏高原之下至 16 5～ 2 6 0km深度。西藏岩石圈具有低波速地壳和高波速下岩石圈 (75～ 12 0km深 )。在 12 0～ 16 5km深度范围 ,西藏岩石圈与俯冲的印度板块之间有一层低速软流圈物质。高原中部从地表到 310km深处有一低速体 ,说明地幔物质有可能穿过俯冲板块的脆弱部位上隆。这些结果以及野外实测的地壳缩短值说明高原的抬升得助于印度板块的近水平俯冲。我们推论俯冲印度板块的升温上浮以及上覆软流层的存在是造成西藏高原高海拔抬升以及内部地表仍相对平坦的主要原因。2 0 0 1年 1月 2 6日在印度西部发生的毁灭性大地震有可能是俯冲应力在印度板块后缘薄弱处引发的岩石圈大断裂。     

中-新生代东北和华北的洋陆转换作用

本文对西太平洋的洋-陆转换作用进行探讨。西太平洋洋-陆转换带在中国东部可分为华南、华北-黄海和东北3个区段。东北地区中-新生代洋-陆转换作用涉及古今太平洋板块和蒙古—鄂霍茨克洋板块两方面俯冲作用的影响,产生大面积中基性岩浆和火山活动,从侏罗纪一直延伸到现在。不同于东北和华南地区,华北-黄海有克拉通型的岩石圈,在晚侏罗世—新近纪因为太平洋板块的大角度旋转造成软流圈低黏度物质上涌,和地壳拉张与幔源岩浆的底侵,造成上地壳裂谷型沉积盆地。燕山地区在侏罗纪与东北地区类似,有强烈的软流圈上涌和岩石圈岩石部分熔融,产生强烈岩浆活动。在白垩纪到新生代,因为蒙古—鄂霍茨克洋闭合和太平洋板块大角度旋转,发生沿蒙古—鄂霍茨克洋的转换断层的拉张,产生从南蒙古过锡林浩特的NW向玄武质岩浆和火山带。洋-陆转换带不同区段有不同的动力学作用演化过程,与先期岩石圈的性质、大洋板块俯冲带的分布、方向变化和俯冲持续时间、以及后期俯冲带后撤作用都有密切关系。洋-陆转换作用的统一后果是大陆的增生,但是不同区段大陆增生和物质运动的模式是不一样的。     

中—新生代东北和华北的洋陆转换作用

本文对西太平洋的洋—陆转换作用进行探讨。西太平洋洋—陆转换带在中国东部可分为华南、华北—黄海和东北3个区段。东北地区中—新生代洋—陆转换作用涉及古今太平洋板块和蒙古—鄂霍茨克洋板块两方面俯冲作用的影响,产生大面积中基性岩浆和火山活动,从侏罗纪一直延伸到现在。不同于东北和华南地区,华北—黄海有克拉通型的岩石圈,在晚侏罗世—新近纪因为太平洋板块的大角度旋转造成软流圈低黏度物质上涌,和地壳拉张与幔源岩浆的底侵,造成上地壳裂谷型沉积盆地。燕山地区在侏罗纪与东北地区类似,有强烈的软流圈上涌和岩石圈岩石部分熔融,产生强烈岩浆活动。在白垩纪到新生代,因为蒙古—鄂霍茨克洋闭合和太平洋板块大角度旋转,发生沿蒙古—鄂霍茨克洋的转换断层的拉张,产生从南蒙古过锡林浩特的NW向玄武质岩浆和火山带。洋—陆转换带不同区段有不同的动力学作用演化过程,与先期岩石圈的性质、大洋板块俯冲带的分布、方向变化和俯冲持续时间、以及后期俯冲带后撤作用都有密切关系。洋—陆转换作用的统一后果是大陆的增生,但是不同区段大陆增生和物质运动的模式是不一样的。     

从华北克拉通中、西部结构的区域差异性探讨克拉通破坏

详细的深部结构信息是深入认识华北克拉通显生宙改造和破坏的重要依据。基于密集流动地震台阵和固定台网记录的远震P波和S波接收函数资料,获得了跨越华北克拉通东、中、西部的3条剖面的岩石圈和上地幔结构图像,揭示了克拉通不同区域深部结构特征的显著差异。与东部普遍减薄的岩石圈(60～100km)相比,中、西部表现出厚、薄岩石圈共存的强烈横向非均匀性,既在稳定的鄂尔多斯盆地之下保留着厚达200km的岩石圈,又在新生代银川—河套和陕西—山西裂陷区存在厚度<100km的薄岩石圈,差异最大的厚、薄岩石圈仅相距约200km。岩石圈厚度在东、中部边界附近的约100km横向范围内显示出20～40km的迅速增加。岩石圈厚度的快速变化与地表地形从东向西的突然改变以及南北重力梯度带的位置大致吻合,并对应于地壳结构、地幔转换带厚度和660km间断面结构的快速变化。这种从地表到上地幔底部深、浅结构的耦合变化特征表明,东西两侧区域在显生宙可能经历了不同的岩石圈构造演化和深部地幔动力学过程。克拉通东部薄的地壳、岩石圈和厚的地幔转换带以及复杂的660km间断面结构可能与中生代以来太平洋板块深俯冲及其相关过程对这一地区岩石圈的改造和破坏有关;而中、西部存在显著减薄的岩石圈这一观测结果,并结合岩石、地球化学资料表明,克拉通岩石圈改造和减薄不仅发生在东部,而且可能影响了包括中、西部在内的更广泛的区域。岩石圈薄于100km的中、西部裂陷区可能与先前存在于岩石圈中的局部构造薄弱带相联系。这些古老岩石圈薄弱带可能经历了后期构造事件的多次改造,并在新生代印度—欧亚陆陆碰撞过程中被进一步弱化、减薄,最终造成地表裂陷。另一方面,中、西部总体较厚的地壳、岩石圈以及正常偏薄的地幔转换带表明,同太平洋深俯冲对东部的作用相比,包括印度—欧亚大陆碰撞在内的多期热-构造事件对该地区的构造演化影响相对较弱,不足以大范围改造和破坏高强度的克拉通岩石圈地幔根,从而造成了该地区现今岩石圈结构的高度横向不均匀。     

吉黑东部晚三叠世岩浆活动及其与板块构造的关系

我国东北之吉林—黑龙江省东部处于滨太平洋构造域。在三叠纪时,那丹哈达岭受库拉板块作用影响,开始时拉裂分离成为边缘海盆,发育有洋壳岩石,随后在晚三叠世发生俯冲作用和蛇绿岩侵位,那丹哈达岭则是一板块俯冲带。与此同时,在大陆边缘地带——太平岭、长白山及张广才岭一带发生活化,形成一系列断陷盆地;同时伴随有强烈岩浆喷溢-侵入活动,结果造成一条巨大的火山-花岗岩带。按构造性质它属于安第斯型活动大陆边缘。