青藏高原地壳地震纵波速度的层析成像

本次研究利用地方地震台站的数据开展青藏高原地壳地震波速度的三维层析成像研究,得到分辨率达到1°×1°×20 km的地壳纵波三维速度结构,揭示了青藏高原地壳内部地壳波速结构特征。结果表明,青藏高原P波波速随深度产生巨大变化,说明地壳内部发生了大规模的层间拆离和水平剪切,用传统的地块运动不能准确地描述地壳物质运动。从P波波速扰动图上看到,青藏高原上地壳和上地幔的P波波速扰动为大范围正异常区,可以认为青藏高原在同碰撞和后碰撞期频繁的岩浆活动和结晶作用,造成了现今相对比较坚固的上地壳和岩石圈地幔,使青藏高原保持一个整体。分布在可可西里和羌塘北部的高钾质和钾质火山岩带,反映为青藏高原地壳的P波波速扰动负异常带,从上地壳到下地壳都有分布。说明由于大陆碰撞使三叠纪的东昆仑缝合带重新破裂,造成大量地幔流体物质上涌和火山爆发,对高原的形成和隆升都有一定的贡献。通过地震层析成像取得的三维地壳波速图像,进一步证实了由密度扰动三维成像指出的存在青藏高原下地壳流和新生代裂谷深部到达了中地壳底部的结论。     

认知地球物质运动的大陆动力学方法

20世纪70年代板块构造学建立以后,全球地球物理调查取得了足够多的观测数据,对地壳上地幔构造进行了准确的物性成像,为克服板块构造学的存在问题的大陆动力学研究提供了可实现的基础。在地壳—上地幔物性成像的基础上,大陆动力学的研究方法首先是综合多学科数据进行全球对比。结合古地理和古地磁数据,全球对比的内容包括地幔的速度变化、电阻率扰动和位场反映的介质密度和磁性扰动异常等,它们在大陆动力学研究中,为研究地球物质运动的非板块模式提供了大量证据。多学科全球对比研究结果表明,大陆和大洋岩石圈的力学性质和物质运动形式大不相同,必须跳出板块的概念来研究大陆动力学作用过程。同时,岩石圈本身没有板块运动的动力来源,必须和软流圈物质运动一起研究,才能全面理解岩石圈的行为和物质运动的规律性。从最近几年的地幔地球物理三维成像成果看到,对于地球表面难以观察的软流圈和地下深部,对比三维的地震波速和电阻率扰动图像,可以获得关于上地幔物质运动的信息,认知已经发生在地壳—上地幔的物质运动特征。本文中介绍了几个典型例子。     

浅地幔系统的组成和属性相态

板块构造学说根据构造的活动性划分单元,不考虑单元是否同质。浅地幔系统考虑了系统组成单元的异质性和动力来源,适合于系统的能量和物质运动总体规律的研究。把地球系统地划分为地球表面、浅地幔、地幔对流和地核四个子系统,地球系统就完整了。浅地幔子系统由四个不同质的的单元相互作用组成,它们是大洋岩石圈、大陆岩石圈、洋陆转换带岩石圈和软流圈,它们是不同质的。地震层析成像结果支持这种单元划分。系统作用反映了大洋岩石圈与大陆岩石圈的相互博弈,洋陆转换带是洋底扩张和大陆增生之间博弈的主要战场和阻尼器。软流圈是地幔对流的顶层,也是系统的能量库和主要动力来源。在深度200 km以下,软流圈的物质运动已经与板块运动模式分离。软流圈物质运动主要是大尺度的蠕动,也包括流体的析出和渗透,局部岩浆的集结和上涌。岩石圈板块浮在蠕动的软流圈之上,软流圈地幔的热流体可以通过岩石圈地幔黏度较小的区域向上渗透。同时,在重力作用下,岩石圈黏度大的物质也可以向下运动,拆沉到软流圈底部。从目前的成像结果可以看到,对于地球表面难以观察的软流圈和地下深部,对比三维的地震波速和电阻率扰动图像,可以获得关于物质运动的信息,认知已经发生在地壳和上地幔的物质运动特征。     

中国东南大陆边缘中新生代地幔柱活动的岩石学记录

东南大陆边缘华北陆块与扬子陆块的碰撞造山以及华夏陆块西南部离散块体拼合（230 ～150 Ma） ,是受中特提斯消减作用的影响,其后叠加了古太平洋对古欧亚大陆的伸展—走滑—扩张（145 ～70Ma） ,新生代后研究区进入了大陆裂谷期。从晚中生代—新生代,岩浆来源由上地壳源—中下地壳源—大陆岩石圈地幔源—软流圈地幔源,构成了一个漫长而巨大的构造岩浆旋回。145±5Ma和20±5Ma两次重要的地质转换是联系板块构造和幔柱构造的纽带。     

华北大陆地壳—上地幔岩石学结构与演化

本文基于出露的前寒武纪变质岩系、中、新生代岩浆活动以及新生代玄武岩中上地幔包体的岩石学与地质压力计研究，结合地球物理测深资料与高温高压下岩石中地震波传播速度的实验成果，提出了华北大陆三个地区(河北平原、太行一五台、鄂尔多斯)的地壳一上地幔岩石学结构，讨论了界面性质及其演化。在强调Vp、 Vs、a结构与岩石学结构共同约束的基础上，有效地识别了不同地区硅铝质陆壳在物质组成上的差异和上地幔低速层或矿物相转变等特征。本文提出壳-幔岩石学结构及其演化，密切地与陆壳主要形成时期的太古一早元古构造岩浆事件相关，又与显生宙构造岩浆事件对它的改造程度有关，壳-幔岩石学结构是我们追索大陆的构造性质及其演化的一个重要记录和科学依据。     

广西地区岩石圈表层与深部构造之关联性:源于岩石圈密度与磁性结构的解读

广西地处华南地块、印支地块与西太平洋板块的汇合部位,因特殊的构造部位,广西区内大地构造单元归属、构造单元边界等许多基础地质问题一直存在争议.自新生代以来的板块构造运动对岩石圈的改造,广西地壳与上地幔在地震波速度及温度结构方面具有显著差异.应用卫星重、磁异常数据以及区域重力和航磁资料对广西地区岩石圈密度和磁化率结构及其与上地壳构造的关系开展了研究,结果显示广西地区地壳密度和上地壳磁性结构与现今地表构造较为契合,但下地壳密度结构与上地幔存在不连续现象;此外,岩石圈磁化率结构指示中下地壳存在不同范围和程度的解耦.对广西岩石圈密度与磁性结构的解读认为,在中生代以来岩石圈被大规模改造的背景下,幔源物质上侵至上地壳的规模和范围都有限,这可能是整个广西地区上地幔结构与地壳构造不对应的主要原因.      

华北大陆地壳─上地幔岩石学结构与演化

本文基于出露的前寒武纪变质岩系、中、新生代岩浆活动以及新生代玄武岩中上地幔包体的岩石学与地质压力计研究，结合地球物理测涤资料与高温高压下岩石中地震波传播速度的实验成果，提出了华北大陆三个地区（河北平原、太行－五台、鄂尔多斯）的地壳－上地幔岩石学结构，讨论了界面性质及其演化。在强调ｖ＿ｐ、ｖｂ、σ结构与岩石学结构共同约束的基础上，有效地识别了不同地区硅铝质陆壳在物质组成上的差异和上地幔低速层或矿物相转变等特征。本文提出壳－幔岩石学结构及其演化，密切地与陆壳主要形成时期的太古－早元古构造岩浆事件相关，又与显生宙构造岩浆事件对它的改造程度有关，壳－幔岩石学结构是我们追索大陆的构造性质及其演化的一个重要记录和科学依据。     

中国大陆特大型矿床地球物理背景研究

在研究中国数10条地球物理剖面(地震、大地热流、大地电磁测深剖面)和中国大陆及邻区剪切波三维速度结构资料的基础上,给出中国大陆地壳上地幔三维结构模型。讨论了中国特大型矿床产出的深部地球物理背景。指出特大型矿床虽然为数极少,但也具有成“点”“带”“面”的分布特征。大多数大中小矿床分布在不同构造单元的边界附近。特大型内生多金属矿床主要产在岩石圈地幔减薄部位、软流圈上隆(地震波垂向低速)区、地壳上地幔的横向不均匀区的变换带(地壳上地幔薄弱     

华北太古代上地幔钕同位素组成、演化及对该区岩石圈地幔不均一性的制约

近年所获得的华北各地区太古代变质火山岩系9个较准确的Sm-Nd同位素年龄及初始Nd同位素比值表明,华北太古代(3500—2500Ma)上地幔都是亏损的,但在1000Ma范围內其ε_(Nd)值一直恒定在+3左右,与全球太古代亏损地幔Nd同位素演化规律一致。这表明华北太古代的构造体制有可能使大量地壳物质重新进入地幔从而保持ε_(Nd)值的恒定。如果华北大陆岩石圈地幔的主体是在太古代时从对流上地幔中分离出来的,利用该区太古代上地幔Nd同位素组成及其可能的sm/Nd值进行计算,可获得该区岩石圈非交代地幔应是与N型大洋中脊玄武岩(以下简称MORB)源类似或更亏损的高亏损地幔,其现代ε-(Nd)值最大变化范围在+7—+23之间。至今在华北我们尚未发现由这种高亏损非交代大陆岩石圈地幔产生的大陆玄武岩。如果某些大陆玄武岩可能产生于大陆岩石圈地幔,则其源区必定是经过地幔交代作用再富集了的地幔。     

峨眉山大火成岩省中攀枝花A型花岗岩的锆石U-Pb年龄、元素及Sr-Nd-Hf同位素地球化学

了解A型花岗质岩浆的形成过程是探讨大陆内部地壳演化和生长的基本前提.特别是其同位素组成可以反映形成过程中壳幔物质的贡献并用于确定其构造背景.研究证实,地球演化历史中重要的初生地壳形成阶段均与大型的地幔上涌事件密切相关[1].大陆地壳之下的软流圈地幔上涌带来的巨大热量可以导致大陆岩石圈地幔和镁铁质下地壳的广泛部分熔融,从而形成双峰式的镁铁质和长英质侵人体[2].     

鲁东晚中生代热隆-伸展构造及其动力学背景

为理清山东省鲁东地区晚中生代构造-岩浆-成矿的关系及其发生的动力学背景,本文综合分析了晚中生代侵入岩的空间分布、组合特征、成因类型、形成时代和序列、地球化学演化及形成的构造环境等。研究表明：该区侵入岩由侏罗纪陆壳重熔型花岗岩、白垩纪壳幔混合型花岗岩、白垩纪深源花岗岩和白垩纪脉岩组成,并且从早期到晚期,侵入岩的岩石化学成分由高钾钙碱性系列向橄榄安粗岩系列演化,微量元素由高Ba、Sr花岗岩向低Ba、Sr花岗岩演化,稀土元素由无或弱正铕异常向显著负铕异常演化,岩浆岩成因由S型向I型、A型演化。强烈的岩浆活动和复杂的岩浆岩类型指示了剧烈的壳幔相互作用过程,认为鲁东地区在早白垩世处于强烈的拉张构造环境,其在140~110 Ma期间大规模岩浆活动的同时发生了强烈的地壳隆升事件。通过对断陷盆地、火山活动、变质核杂岩和断层系统的类型、性质、控制因素等进行综合分析,提出它们是大规模伸展构造的表现形式,伸展构造的活动时间为130~98 Ma。进一步分析表明,鲁东地区的白垩纪构造-岩浆组合构成了热隆-伸展构造,它们是太平洋板块俯冲与燕山运动主变形时期（岩石圈增厚）后续效应的产物,岩石圈拆沉、地壳减薄和克拉通破坏是引起早白垩世热隆-伸展构造的根本原因,热隆-伸展构造为胶东大规模成矿提供了有利条件。     

大陆岩石圈伸展与斑岩铜矿成矿作用

华南地区自古生代以来一直属于陆内构造演化环境。华南陆内伸展型斑岩铜矿主要形成于早侏罗世、晚侏罗世和早白垩世3个时期,其中晚侏罗世成矿期与华南中生代大规模钨锡成矿作用的形成基本属于一个时期。这些斑岩型矿床的时空分布与同时期的俯冲带在时间上和空间上具有明显不协调的关系,且与俯冲有关的、后俯冲伸展背景以及陆陆碰撞有关的斑岩铜矿的线性分布特点明显不同,尤其是早白垩世斑岩铜矿的分布明显呈面状分布,与华南中生代地壳明显减薄的区域基本一致。虽然这3个时期的斑岩型铜矿在地球化学上显示出弧岩浆岩的特点,但是地质事实证明在这3个时期,华南岩石圈发生了明显的伸展作用,尽管每个时期华南不同地区岩石圈伸展的程度可能不同。因此,我们把华南这种类型的斑岩铜矿归称之为"陆内伸展型"斑岩铜矿。陆内伸展型斑岩铜矿的成矿机制可能是岩石圈伸展背景下软流圈上涌导致陆下岩石圈地幔或者下地壳被改造有关。     

中国东部燕山期和四川期岩石圈构造滑脱与岩浆起源深度

较确切地研究岩石圈内部构造滑脱面在地质历史时期形成的时间和部位是当前大地构造学研究的一个重要课题。通过大量收集中国东部燕山期(205~135Ma)和四川期(135~52Ma)岩浆起源深度资料来判断岩石圈内部和底部是否存在局部的构造滑脱界面,是否发生层圈相互作用,是否发生部分的解耦现象,是一种可行的研究方法。研究表明,中国东部燕山期和四川期岩石圈板块的构造滑脱、圈层的解耦作用及相互作用主要集中在中地壳、莫霍面与区域性主干断层的交线附近,而岩石圈板块的底面却并不存在大幅度的滑移。中国东部燕山期和四川期岩浆活动比较发育的地区基本上都位于大兴安岭—山西西部—武陵山—十万大山一线以东地区,而在此线以西地区岩浆活动相当微弱。笔者认为,在侏罗—白垩纪时期,该线以西缺少岩浆活动的地区可能就是当时的大陆型岩石圈,而该线以东岩浆活动剧烈的地区可能就属于海陆过渡型岩石圈。中国东部岩石圈的转型和"变薄",不太可能是深部地幔羽、去根作用、深部地幔热物质上涌或大陆伸展作用的结果,也不太可能与太平洋板块的俯冲作用有直接联系。     

俄罗斯-蒙古地学断面地壳模型的地质-地球物理资料综合研究

地学断面是指地壳的垂直剖面,主要通过对地质和地球物理资料的综合分析来揭示构造带的性质及其空间关系。横断面的研究所采用的数据基本包括100 km宽区域地质图、上地壳的地质剖面图、重磁图(沿横断面的重磁剖面图)以及地壳的地震波速度、密度和其他地球物理属性的剖面图。这些数据被用于构建综合的数据剖面图(结果图),以展示各种地球动力学条件下(裂谷、海洋、碰撞带、造山盆地、大陆地台和岩浆弧,包括安第斯岛弧、活动大陆边缘、海沟、弧前和弧后盆地)的特定的岩石组构。本项目的研究目标是根据研究区现存的地质和地球物理数据的综合解释,统一图例,建立研究区深部剖面,以确定地体的空间关系及其在板块构造方面的地球动力学性质。 前人已分别对东西伯利亚南部和蒙古境内的多个地体进行了构造划分,并对它们的地球动力学性质和时空关系进行了分析。研究结果显示该系列地体为早古生代、中晚古生代和晚古生代—早中生代的岛弧和微大陆。此外,研究还识别出了中—晚古生代和晚古生代—早中生代安第斯型活动大陆边缘、晚古生代—早中生代被动大陆边缘和早白垩世裂谷。与岛弧和安第斯型活动大陆边缘相关的岩体被推覆至相邻大陆和微陆块上,部分推覆宽度可达150 km。目前已开展泥盆纪到晚侏罗世时期蒙古-鄂霍次克海地区的古地球动力学重建。 “非地槽”型花岗岩类岩浆作用在板块构造方面找到了直接且合理的解释,其中泥盆纪—石炭纪和二叠纪—三叠纪岩浆作用区域对应于安第斯型活动大陆边缘,中—晚侏罗世岩浆作用则与西伯利亚/蒙古-中国大陆板块碰撞有关。碰撞岩浆作用中亚碱性(地幔)元素的存在及其所在的构造区域在很大程度可以说明蒙古-鄂霍次克海闭合后,巨厚大陆岩石圈下曾经发生过持续的大洋裂谷活动(地幔热点)。在早白垩世时期,大陆裂谷活动影响到了同一时期正在发生的大陆汇聚作用。 西伯利亚南部边界大部分具有安第斯型活动大陆边缘性质,这也是蒙古—鄂霍次克缝合线沿线蛇绿岩数量较少的原因。因为当汇聚大陆一个具有安第斯类型的活动边缘,而另一个具有被动边缘时,前者的大陆地壳会最终逆冲到后者之上,并因此破坏掉先前出露的蛇绿杂岩体。部分被破坏的蛇绿岩块是俯冲带保留下来的海山残余,其可能成为增生-俯冲楔体的混沌复合体的一部分。然而,由于快速俯冲作用,这种楔形体在晚二叠世—早侏罗世的积累并不是西伯利亚活动边缘的典型特征。 沿地学断面综合的地质和地球物理资料分析表明,亚洲大陆是在显生宙时期由部分前寒武纪微陆块构造拼贴而成的。前寒武纪地块间存在不同宽度的已变形且剥蚀强烈的显生宙火山弧,它们也被归类为特定地体。     

西秦岭晚新生代构造变形的几何图像、运动学特征及其动力机制

西秦岭位于东西向展布的秦岭-大别-苏鲁中央造山带与南北向展布的贺兰山-龙门山-川滇地震带构成的巨型"十字"构造区的交汇点,是中国大陆中部"西秦岭-松潘构造结"的重要组成部分。西秦岭晚新生代的构造变形与青藏高原的侧向扩展过程密切相关。该区构造变形的几何图像、运动特征及其深部动力学机制对于揭示青藏高原东北部的动力过程及强震活动具有重要意义。西秦岭地区主要断裂晚新生代以来的滑动速率及跨断裂GPS应变速率的结果表明,这一时期西秦岭构造带发生了明显的构造活动方式转换,主要的构造变形过程是通过其内部一系列低滑动速率的断裂活动以及断裂之间隆起山脉与盆地的变形,共同承担着自东昆仑断裂向西秦岭断裂之间的转换平衡。在调节这种构造转换过程中,西秦岭地区以"连续变形"为特征,即区域内的应变是以多条相对低滑动速率断裂的弥散变形遍布全区,并且西秦岭及其周缘块体的旋转作用也吸收了部分变形分量。综合已查明的区域构造活动特征、新生代岩浆活动、地球物理资料以及现今地貌特征可知,西秦岭在特提斯构造域的影响下,岩石圈的结构存在明显的流变学分层,一方面,西秦岭的上地壳保留了主造山期的地质构造形态,但中—下地壳的弱化使得莫霍面之上的圈层解耦,深部可流动的岩石圈地幔不但改变了陆内造山带的结构,同时也控制了现今上地壳连续变形的发育;另一方面,西秦岭内部的中强震主要发生在高速（或高阻）与低速（或低阻）的构造边界带附近。这种独特的流变学结构导致西秦岭在青藏高原向北生长和侧向扩展的过程中,不同阶段的构造变形过程是截然不同的。因此,进一步深入研究西秦岭地区的晚新生代构造转换过程及其机制,不仅对于理解青藏高原东北部的动力过程具有重要意义,更有助于深入认识南北地震构造带中段未来的强震危险性。      

Common features of the tectonosphere deep structure in the Western Pacific Margins (Northeast Asia Region and Australia)

This paper analyses the spatial distributions of gravity sources and density contrast of geological media between the centers of mass of density heterogeneities and surfaces of some layers, which is reflected by the values of parameter μ_z, in the Northeast Asia Region and Australia. Statistical images of complex distributions of density heterogeneities are generally consistent with the shallowest tectonic structures, wave velocity, and electric anomalies. The correlation of μ_z minimums with high heat flow suggests melted magmas beneath the crust base and in the asthenosphere. In the lower crust layer, large μ_z maximums correlate with major continental megaelements, which are divided by extended linear μ_z minimums, high conductivity anomalies, and Vp/Vs maximums marking zones of lower viscosity. Deep boundaries and a thickness of lithospheric plates and asthenosphere lenses have been defined in the Northeast Asia Region. In Australia, two roughly NS-striking low-viscosity zones crossing the continent reflect the deep setting of the Lasseter (in the west) and the Tasman (in the east) lines. These zones are displayed in a wide depth range (15–120 km) and are confined to the Archean–Proterozoic and Proterozoic–Phanerozoic boundaries in the Australian lithosphere. Statistical gravity models derived without external (relatively to gravity) geological and geophysical information prove the multilayered tectonosphere structure of both continents and the similar deep structure features of their margins.     

Tectonics and types of riftogenic basins of the Scotia Sea,South Atlantic

Western, central, and eastern provinces are recognized in the Scotia Sea. They are distinguished by their bottom topography, geophysical characteristics, and crustal structure, which record their different origin and evolution. The western province is characterized by the oceanic crust that formed on the West Scotia Ridge, where active spreading may have ceased as a result of a collision between propagating rift and the structural barrier of the thick continental lithosphere of the Falkland Plateau. The central province is a series of blocks mainly composed of continental crust that subsided to various depths depending on the degree of extension in the course of rifting. These blocks are separated by local areas with oceanic crust formed due to the breakup of the continental crust and diffusive spreading. These areas are characterized by deep bottom and high values of Bouguer anomalies. The southern framework of the central province consists of subsided continental blocks and microcontinents divided by small spreading-type basins formed by lithospheric extension complicated by strike-slip faulting. The eastern province is composed of oceanic crust formed on the backarc spreading East Scotia Ridge. The results of density analysis, analog, and numerical simulations allowed us to explain some features of the structure and evolution of these provinces. The insight into tectonic structure of the provinces and their evolution allowed us to recognize several types of riftogenic basins differing in geodynamics, age, and geological and geophysical characteristics.     

华南构造演化的基本特征

华南至少经历了4期区域规模的大陆动力学过程,除新元古代和晚中生代具有活动陆缘背景外,均在板块内部发生并完成。华夏块体是一个以新元古代岩石为主体构成的前南华纪基底,不是稳定的克拉通古陆,经历了聚合-裂解-再聚合的复杂构造演化。志留纪发生的板内碰撞-拼合事件使华夏块体与扬子块体再次缝合,形成真正统一的中国南方大陆。在震旦纪—早侏罗世期间,整个华南基本处于陆内滨海-浅海-斜坡环境,内部没有切穿岩石圈的断层,没有大规模幔源岩浆和火山喷发的记录,多次构造变形与岩浆活动均在统一的华南岩石圈之上进行。经过早—中侏罗世的构造体制转换,才演化成为晚中生代西太平洋活动大陆边缘的一部分。从早到晚,华南岩石圈经历了多期、幕式的生长,以侧向增生为主(块体拼合),垂向生长为辅(岩浆上侵)。到晚中生代,在古太平洋板块俯冲和陆内伸展的背景下,形成了独特的华南盆岭构造。长期的板内构造演化和多期的花岗岩浆活动使华南具有很好的成矿条件,成为各种矿产与资源的富集区。新元古代南华纪和晚中生代晚侏罗世—早白垩世是华南最有利的成矿期,尤以后者矿种最多、储量最大。     

中、新生代太平洋陆缘带的构造格局和构造转换

亚洲东部大陆边缘和北美西部大陆边缘同处于环太平洋构造带，但具有不同的构造属性。从晚白垩世到新生代，前者以构造扩张为背景，由此引起陆缘裂解，陆块漂移以及岛弧、边缘海的形成；后者以构造收缩为基础，导致陆缘增生、陆块拼贴和陆缘造山带的出现。然而，从晚侏罗世到早白垩世，亚洲东部是以构造封闭型的陆缘带为特点，北美西部则主要表现为开放型的陆缘带。构造扩张和构造收缩是环太平洋陆缘带构造环境的两种基本型式，它们在空间上呈有规律的对峙分布，在时间上成有节奏的交替转换。