东昆仑深部结构地震探测研究现状与展望

东昆仑位于青藏高原北部, 是研究青藏高原向北生长的重要地区。该区在印度板块向北俯冲与亚洲阿拉善地块向南挤压下, 新生代构造和地震活动强烈, 是研究青藏高原隆升、构造变形、强震发生机理等问题的极佳试验场。近几十年来, 在东昆仑及邻区开展了大量的地球物理探测, 取得了很多进展, 也存在一些问题。本文通过收集近年来在该研究区开展的人工地震和天然地震探测成果, 综合分析了研究区的壳幔速度结构, 莫霍面形态及各向异性特征, 总结得出以下几点认识: 柴达木盆地南缘上地幔内的北倾界面可能代表早古生代昆仑洋向北俯冲的遗迹; 东昆仑缺乏“山根”, 重力均衡调整对东昆仑莫霍面加深没有起主导作用, 印度板块向北俯冲, 通过青藏高原对柴达木盆地的挤压造成东昆仑地壳垂向增厚。最后我们探讨了东昆仑地区壳幔结构研究的不足, 并对下一步的研究思路和方向进行了展望。     

藏北低速体存在的地震学证据——INDEPTH4宽频地震结果

位于青藏高原东北部的INDEPTH-IV地震探测剖面,始于柴达木盆地南缘,穿越东昆仑造山带、金沙江缝合线,终止于羌塘地体.本文作者利用天然地震体波完成了该区的三维走时残差反演,勾划出了青藏高原东北部的深部构造格局.研究区最显著的现象则是分布在昆仑地体、可可西里地体、羌塘地体北部下地壳、上地幔中的低速体.对其成因,有可能...     

青藏高原西部叶城-狮泉河地区岩石圈各向异性研究

对青藏高原西部新疆叶城—西藏狮泉河地区宽频地震探测记录到的剪切波进行了各向异性分析,计算结果给出了该地区上地幔各向异性的特征:西昆仑地区各向异性大都沿北东方向分布,总体方向变化不大,各向异性整体走向与青藏高原和塔里木盆地北缘各向异性空间分布一致。由此得出:印度板块向北推进的构造运动是形成本区岩石圈剪切波各向异性的主要原因,青藏高原各地体的各向异性在较大的东西向范围内保持稳定,各地体岩石圈固有的各向异性方向为北东向;作为羌塘地体和拉萨地体的分界线,班公怒江断裂带是主要的地表分界位置,在深部,无论西部剖面还是中部剖面,印度板块岩石圈的各向异性在该断裂带上均没有变化。     

拉萨地体内低速异常成因的探讨--壳内局部熔融的地震层析证据

青藏高原南部天然地震体波的层析反演图像描绘出拉萨地体内在15～90km深度内低速异常的分布特征。在研究速度结构的基础上，根据熔融程度与纵波波速呈倒数衰减的特性，论证了拉萨地体中低速体的出现与壳内的局部熔融有关。壳内局部熔融则来源于板块俯冲、地壳增厚产生的热而非幔源侵入所造成。同时，也发现了在拉萨以东中下地壳低速体有向东发展的趋势。大面积部分熔融层分布的深度范围约在15～35km处。另外，据藏南地区的SKS波分裂时间延迟很小的特点，推测藏南地幔中可能不存在各向异性，也就是没有足够的热源使各向异性矿物的品格重新定位。这从另一方面佐证了部分熔融仅存在于地壳内而不是地幔中。     

深地震反射剖面揭露青藏高原陆-陆碰撞与地壳生长的深部过程

印度板块与亚洲板块的碰撞使喜马拉雅-青藏高原隆升,地壳增厚和生长扩展。探测青藏高原深部结构,揭露两个大陆如何碰撞,碰撞如何使大陆变形的过程,是全球关切的科学奥秘。深地震反射剖面探测是打开这个科学奥秘的最有效途径之一。20多年来,运用这项高技术探测到青藏高原巨厚地壳的精细结构,攻克了难以得到下地壳和Moho清晰结构的技术瓶颈,揭露了陆陆碰撞过程。本文在探测研究成果基础上,从青藏高原南北-东西对比,再到高原腹地,系统地综述了青藏高原之下印度板块与亚洲板块碰撞-俯冲的深部行为。印度地壳在高原南缘俯冲在喜马拉雅造山带之下,亚洲板块的阿拉善地块岩石圈在北缘向祁连山下俯冲,祁连山地壳向外扩展,塔里木地块与高原西缘的西昆仑发生面对面的碰撞,在高原东缘发现龙日坝断裂而不是龙门山断裂是扬子板块的西缘边界,高原腹地Moho 薄而平坦,岩石圈伸展垮塌。多条深反射剖面揭露了在雅鲁藏布江缝合带下印度板块与亚洲板块碰撞的行为,印度地壳不仅沿雅鲁藏布江缝合带存在由西向东的俯冲角度变化,而且其向北行进到拉萨地体内部的位置也不同。在缝合带中部,显示印度地壳上地壳与下地壳拆离,上地壳向北仰冲,下地壳向北俯冲,并在俯冲过程发生物质的回返与构造叠置,使印度地壳减薄,喜马拉雅地壳加厚。俯冲印度地壳前缘与亚洲地壳碰撞后沉入地幔,处于亚洲板块前缘的冈底斯岩基与特提斯喜马拉雅近于直立碰撞,冈底斯下地壳呈部分熔融状态,近乎透明的弱反射和局部出现的亮点反射,以及近于平的Moho都反映出亚洲板块南缘的伸展构造环境。     

深地震反射剖面揭露青藏高原陆-陆碰撞与地壳生长的深部过程

印度板块与亚洲板块的碰撞使喜马拉雅-青藏高原隆升,地壳增厚并生长扩展。探测青藏高原深部结构,揭露两个大陆如何碰撞以及碰撞如何使大陆变形的过程,是对全球关切的科学奥秘的探索。深地震反射剖面探测是打开这个科学奥秘的最有效途径之一。二十多年来,运用这项高技术探测到青藏高原巨厚地壳的精细结构,攻克了难以得到下地壳和Moho面信息的技术瓶颈,揭露了陆-陆碰撞过程。本文在探测研究成果的基础上,从青藏高原南北-东西对比,再到高原腹地,系统地综述了青藏高原之下印度板块与亚洲板块碰撞-俯冲的深部行为。印度地壳在高原南缘俯冲在喜马拉雅造山带之下,亚洲板块的阿拉善地块岩石圈在北缘向祁连山下俯冲,祁连山地壳向外扩展,塔里木地块与高原西缘的西昆仑发生面对面的碰撞,在高原东缘发现龙日坝断裂(而不是龙门山断裂)是扬子板块的西缘边界,高原腹地Moho面厚度薄而平坦,岩石圈伸展垮塌。多条深反射剖面揭露了在雅鲁藏布江缝合带下印度板块与亚洲板块碰撞的行为,不仅沿雅鲁藏布江缝合带走向印度地壳俯冲行为存在东西变化,而且印度地壳向北行进到拉萨地体内部的位置也不同。在缝合带中部,研究显示印度地壳上地壳与下地壳拆离,上地壳向北仰冲,下地壳向北俯冲,并在俯冲过程中发生物质的回返与构造叠置,这导致印度地壳减薄,喜马拉雅地壳加厚。俯冲印度地壳前缘与亚洲地壳碰撞后沉入地幔,处于亚洲板块前缘的冈底斯岩基与特提斯喜马拉雅近于直立碰撞,冈底斯下地壳呈部分熔融状态,近乎透明的弱反射和局部出现的亮点反射以及近于平的Moho面都反映出亚洲板块南缘处于伸展构造环境。     

东昆仑大地震的深部构造背景

本文以深地震测深剖面资料揭示的地壳结构形态为切入点 ,探讨东昆仑 8.1级大地震的深部构造背景。沱沱河—小柴旦长 5 0 0km的剖面范围内发现两处大的莫霍面错断 ,分别位于东昆仑 柴达木结合带之下和金沙江断裂之下。青藏高原北部的地壳厚度 6 1～ 75km :莫霍面具有一致南倾 ,逐步加深的产状及弱反射性特征 ;下地壳明显增厚 ,但速度未见明显降低 ;上地壳发育逆冲、走滑断裂 ;地壳中部存在低速层。北邻的柴达木盆地地壳相对刚性 ,厚 5 2± 2km。东昆仑及邻区的壳幔结构有利于强地震孕育。在印度板块向北推挤和柴达木地块的向南插入的区域挤压应力场中 ,青藏高原北部较弱的下地壳缩短增厚 ,变形过程中的蠕滑引起地壳浅部的应力放大。但NE向主压应力的作用不是大地震形成的唯一要素 ,与青藏高原北部各地体侧向运动有关。侧向运动速率和幅度的差异使应力在各地体的边界断裂积累并使其复活。而低速层对形成孕育大地震需要的“立交桥式”的局部应力环境是必不可少的条件。     

青藏高原的地幔结构:地幔羽、地幔剪切带及岩石圈俯冲板片的拆沉

通过横穿青藏高原近 80 0 0km长的 4条天然地震层析剖面 ,获得 4 0 0km深度以上的地壳和地幔速度图像及地震波各向异性 ,揭示了青藏高原 4 0 0km深度范围内的地壳和地幔结构特征。地幔速度图像显示 ,青藏高原腹地的深地幔中存在以大型低速异常体为特征的地幔羽 ,其可能通过热通道与大面积分布的可可西里新生代高钾碱性火山作用有成因联系 ;阿尔金、康西瓦、金沙江、嘉黎及雅鲁藏布江等走滑断裂可下延至 30 0～ 4 0 0km深度 ,显示了低速高热物质组成的垂向低速异常带特征及大型超岩石圈或地幔剪切带的产出 ;发现康西瓦、东昆仑—金沙江、班公湖—怒江和雅鲁藏布缝合带下部存在不连续的高速异常带 ,可以解释为青藏高原地体拼合及碰撞过程中可能保留的加里东、古特提斯和中特提斯大洋岩石圈“化石”残片 ,是“拆沉”的地球物理证据。印度大陆岩石圈的巨厚俯冲板片以 15～ 2 0°倾角向北插入唐古拉山下 30 0km深处 ,并被高热物质组成的地幔剪切带分开。结合新的横穿喜马拉雅及青藏高原的地幔层析资料 ,提出青藏高原碰撞动力学新模式 :青藏高原南部印度岩石圈板片的翻卷式陆内超深俯冲 ,北缘克拉通向南的陆内俯冲 ,腹地深部的地幔羽上涌 ,以及地幔范围内的高原“右旋隆升”及物质向东及北东方向运动及挤出。     

青藏高原北部新生代火山岩区深部结构特征及其成因探讨

青藏高原北部发育的大量新生代钾质、高钾质火山岩体的成因一直是个谜。利用布置在青藏高原内部及其周缘的305个临时宽频地震台站和固定地震台站记录到的9 649个远震事件,共139 021条P波初至到时资料对青藏高原深部结构特征进行了层析成像反演研究。结果显示,印度岩石圈地幔俯冲前缘已经到达了羌塘地体中部之下,在俯冲前缘存在一个从地幔深处延伸至地表的大规模低速体。该低速体可能是由于印度岩石圈地幔前缘俯冲进入软流圈深处而引起地幔热扰动,造成深部软流圈地幔的热物质向上扩散而形成的深部地幔物质上涌通道;该通道为青藏高原北部的新生代钾质、高钾质火山岩体的形成提供了条件。因此,青藏高原北部新生代火山岩可能是印度岩石圈地幔持续北向俯冲的结果。     

青藏高原隆升对新疆天山山脉地壳-上地幔构造的影响

依据地震层析和接收函数的结果获得了天山山脉东段和西段的深部构造的速度图像,探讨了印度板块向北推进和青藏高原隆升对天山山脉造山作用的影响以及天山山脉不同地段的地壳上地幔构造的差异。克拉玛依—库车剖面上清楚地展示出,天山是由高速和低速的地体拼合而成。来自塔里木的高速体向北俯冲到天山达200km以下的深度,而来自准噶尔盆地的高速体则没有明显地向南推进,说明由南向北的推进是很强的,它是造成天山山脉继续隆升的主要动力,从而造就了天山山脉。天山山脉在Moho面以上的部分是中天山北缘断裂和中天山南缘断裂之间的低速体与两侧的高速体拼合成的,其南北宽度约350km,向深度延伸越过200km。塔里木盆地和准噶尔盆地均为高速体的范围,天山山脉东段Moho面以上的地壳部分,南部高速体有向北推进和俯冲的特征,但不明显。夹在两盆地之间的天山主要为低速体,仅在乌鲁木齐和北天山山前断裂以南有残留的高速体,深度不超过30km,这表明天山是由速度不同的地质体挤压而拼合成的。天山延伸到乌鲁木齐以东,向深部的延伸仅仅100km上下。在富蕴—库尔勒剖面上,塔里木板块向北的推进相对于克拉玛依—库车剖面有所减弱。天山西段表现出强烈的造山作用,向东逐步减缓,到达天山的东段,虽然天山深部的构造活动仍然在继续进行,地震活动频繁,可是,活动区域集中在天山底部不过100km上下。说明山根的范围比西部减少了近一半。     

青藏高原东北缘隆德观音店剖面碎屑锆石年龄序列及地质意义

青藏高原东北缘古近纪—新近纪地层的精确时代和高原隆升扩展何时影响到东北缘地区一直是地质学家争论的焦点。此次以青藏高原东北缘隆德观音店剖面为研究对象,采用碎屑锆石U-Pb测年方法,结合区域古生物化石鉴定、古地磁测年结果,针对上述两个问题提出了新的认识。测试分析发现,青藏高原东北缘古近系清水营组上部碎屑锆石年龄序列中最年轻的峰值为17.8 Ma,研究得出如下两个认识:清水营组的沉积时代应归属于晚渐新世—早中新世,区域上具有穿时性;青藏高原隆升向东北方向的扩展推挤作用在早中新世时期就开始影响到了海原-六盘山断裂带以西地区,区域上构造-沉积-气候之间具有协同演化的耦合关系。这一研究成果为青藏高原隆升向东推挤扩展影响到东北缘地区的起始时限提供了新的时间标尺。      

祁连山中部地壳各向异性研究:来自远震接收函数的证据

青藏高原的隆升由印度-欧亚板块的碰撞而驱动,其生长演化,特别是从内到外的扩展机制仍尚存争议。祁连山地处青藏高原向东北扩展的前缘位置,其地壳结构与各向异性对于理解青藏高原向北扩展的生长机制具有重要意义。祁连山中部是青藏高原东北缘地壳遭受挤压强烈变形的区域,已有的研究已经揭示出地壳内部非耦合不均匀变形的几何行为,揭露其对应机制是亟待探索的前沿科学问题。此前该区域的各向异性研究大多基于面状台网数据,台站间距大,无法反映横跨祁连山地壳各向异性的精细变化。为此,本研究选用一条密集线性地震台阵,使用H-κ-c叠加方法,得到了横过祁连山中部的地壳厚度,泊松比以及地壳各向异性的横向变化。结果显示,在中祁连以及南祁连北部地壳厚度最大,平均泊松比最低,反映了地壳加厚过程中铁镁质下地壳的丢失以及长英质中上地壳的水平缩短。此外,偏长英质成分的泊松比值也不支持地壳流在该区域存在。在祁连山内部,地壳各向异性快波的偏振方向与地壳向外扩展方向一致,而与地幔各向异性快波方向近垂直,揭示了壳幔变形可能是解耦的。而在地壳较薄的南祁连和北祁连南部区域,快波方向与古缝合线的走向一致,说明早古生代的构造格局仍对现今的祁连山缩短隆升产生影响。     

北山构造带南部上地壳二维初至波层析成像

花海盆地—北山构造带南部位于青藏高原东北缘以北地区,是特提斯洋和古亚洲洋两大构造域的交接部位,自新元古代晚期以来经历了多期次、多阶段的板块裂解-俯冲-碰撞-拼合的演化历史,尤其是中生代以来的逆冲推覆和走滑作用,以及受新生代以来印度板块和欧亚板块碰撞的远程效应影响,导致青藏高原东北缘的向北扩展,形成了现今复杂的地质地貌结构。其地壳结构记录了多期构造作用的叠加,上地壳结构更是促进我们理解青藏高原东北缘向外的扩展机制及其对周缘块体的改造作用的天然记录本。本文利用2018年中国地质科学院在北山构造带南部完成的180 km深反射地震剖面的初至波(Pg震相)数据,通过层析成像反演方法,获得了花海盆地—北山构造带4 km深度范围内的上地壳P波速度结构。其主要特征为:花海盆地、总口子盆地和扎格高脑盆地均表现为较低的速度和较小的垂向速度梯度;研究区内的晚古生代花岗岩体具有明显的高速异常和较大的垂向速度梯度特征;左行走滑的阿尔金断裂带在花海盆地内表现为向北倾的高角度走滑性质,深度至少切穿花海盆地基底;北山南缘断裂带的推测隐伏区呈现速度等值线下凹的低速异常特征。同时,反演揭示的多处低速异常区指示了北山构造带南部的多处断层发育情况。     

南北构造带北段S波分裂研究及其动力学意义

南北构造带北段位于青藏高原东北缘及其向北东方向扩展的区域,其岩石圈变形特征对于探讨青藏高原东北缘变形机制及其扩展范围具有非常关键的意义。地震波各向异性能很好地反映上地幔的变形特征。因此,本文对布设在南北构造带北段的流动地震台站记录的远震波形资料进行S波分裂研究,获得了研究区上地幔各向异性图像以及该区岩石圈地幔的变形特征信息。S波分裂研究结果表明,研究区地震波各向异性来自于上地幔,区内不同构造单元上地幔各向异性方向不尽相同。快波方向分布显示,青藏高原东北缘,鄂尔多斯西缘以及贺兰构造带北段的快波方向主要表现为NW-SE向,与前人在银川地堑和贺兰构造带中、北部得到的NW-SE向的上地幔各向异性方向一致,显示这些地区岩石圈地幔变形一致,该结果表明青藏高原东北缘向北东方向扩展的影响范围已到达贺兰构造带北段。阿拉善地块内部快波方向显示为NE-SW向,与阿拉善地块北部存在的北东向展布的晚古生代岩浆岩方向一致,表明该NE-SW向的快波方向可能代表地是“化石”各向异性,是晚古生代阿拉善地块受到古亚洲洋闭合作用的结果。此外,鄂尔多斯地块内也存在NE-SW向的各向异性方向,与区内中-晚侏罗世存在的NE-SW向逆冲推覆构造方向一致,因此该各向异性方向也代表了“化石”各向异性,是鄂尔多斯地块受到古特提斯构造域的块体碰撞、古太平洋板块北西向俯冲以及西伯利亚板块向南俯冲共同作用的结果。     

青藏高原地震层析成像的研究进展

为研究青藏高原地壳上地幔深部结构构造特征,近年来开展了大量的宽频地震探测工作。笔者收集了最近十几年来在青藏高原内部及其周缘布设的宽频带临时台网和固定台站情况,综合论述了宽频地震层析成像方法在青藏高原深部结构探测,如地壳低速层、印度岩石圈地幔俯冲、青藏高原北部构造研究中所取得的成果。     

Modeling vp and Q on Explosion Seismology Data in NE Tibet

MODELING v_P AND Q ON EXPLOSION SEISMOLOGY DATA IN NE TIBET     

西昆仑接收函数反演与构造解析

中法合作布设的青藏高原西昆仑叶城-噶尔(狮泉河)天然地震探测剖面穿越了西昆仑构造的主要构造单元, 通过对36个台站128个远震P波事件的接收函数分析,取得了各台站的接收函数随方位角和震中距变化的趋势, 分析了变化趋势与地壳构造的关系。通过台站平均接收函数的反演拟合,取得了120km深度范围以上的横波速度分布,综合地质构造解释,发现康西瓦断裂地表倾斜渐变为直立并略向南拖曳的现象,塔里木前陆盆地沉积与逆冲构造有比较明显的显示,同时推测了盆地下的滑脱构造。班公湖-怒江断裂也有向北俯冲的显示,得出了印藏碰撞远距离效应在西昆仑受阻,应力通过地表次级断裂释放,同时形成盆地沉积的前陆构造模式。