我国深部探测技术与实验研究进展综述

深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe,2008-2012)是我国历史上实施的规模最大的地球深部探测计划.专项开展了全国4°×4°、华北和青藏高原1°×1°的大地电磁阵列观测,建立了全国地球化学基准网(含78种元素),完成了青藏高原、华南-中央造山带、华北和东北等四条超长深地震反射剖面,部署了罗布莎、金川、腾冲、南岭、庐枞和铜陵等大陆科学钻探实验,开展了青藏高原东南缘和华北地区地应力监测;在我国东部长江中下游和南岭成矿带开展的矿集区立体探测卓有成效.同时,专项还开展了岩石圈三维结构与地球动力学数值模拟、大陆地壳结构与演化的综合研究.专项全面实施以来,已经完成约6000 km的深地震反射剖面,成功研究、实验了地壳与地幔深部探测的一系列技术方法,积累了丰富经验,极大地加快了我国深部探测的进度,在国内外产生了强烈的反响.专项实现了技术组合创新、技术进步与重大科学发现的并举,适应我国地质地貌条件和地壳/岩石圈结构特征,初步形成了具有不同层次、不同尺度、不同精度探测空间组合的深部探测技术方法体系,建立了若干各具地质特色的探测试验基地.专项实验已经取得了一系列重大突破与重要成果,深部探测关键仪器装备自主研发获得重大突破,为全面开展地壳探测工程的组织实施奠定了必要的技术基础.     

水对上地幔电性结构的影响

上地幔可以存储大量的水,水能够极大地增强地幔矿物的电导率。在实验室高温高压条件下获得了含水和不含水矿物
电导率不同的结论,有必要广泛开展含水矿物电导率实验研究。基于最新实验结果,充分考虑上地幔热力学条件,矿物体积随深
度变化和矿物间水分配情况,对2个研究小组上地幔4种主要矿物实验室电导率结果采用平均方法建立随水含量变化的上地幔
电导率-深度曲线,并与实测地球物理模型进行了对比。研究表明,水能够极大地影响上地幔的电性结构,推测上地幔平均水质
量分数为0.01%,位于地球化学方法推断的上地幔水质量分数范围(50×10-6~200×10-6)。海洋上地幔软流圈高电导率异常
很可能是碳酸盐熔体、硅酸盐熔体及水共同作用的结果。      

中国东南沿海岩石圈减薄的地震接收函数证据

晚中生代以来,中国东南大陆岩石圈受到大规模构造。岩浆活动的影响而被强烈改造,现今岩石圈是古老岩石圈被强烈减薄和置换后的结果,但这一由地球化学和岩石学研究提出的地球动力学模型一直缺乏可靠的地震学观测证据的支持。本文利用布设于中国东南沿海（福建）的两条宽频地震剖面的远震波形数据,提取P波接收函数（P-RF）和S波接收函数（S—RF）,从单台P-RF中识别出了在岩石圈底界LAB（Lithosphere-Asthenosphere Boundary）的转换震相Pls,分析结果得到LAB深度为60～70km,P波（Pls震相）和S波（Slp震相）接收函数的波形拟合反演和对比结果及对地壳和上地幔结构的成像进一步证明了上述结果。P波和S波接收函数偏移图像显示,LAB界面在60～70km的深度上沿北东向剖面平缓展布,在闽江河口处的上地幔顶部岩石圈结构有明显变化,P—RF的一次转换波Ps和多次波PpPs偏移图像显示了Moho界面跨过闽江断裂的突然下沉,前人的深地震测深研究亦得到相同的结果,结合闽江河口处地壳泊松比和地壳热流呈现局部异常高值等地质地球物理特征,推断闽江断裂深切壳、幔边界,并有可能影响到了更深部的岩石圈结构。     

佳木斯地块与松嫩地块俯冲碰撞的深反射地震剖面证据

佳木斯地块和松嫩地块是东北地区两个十分重要的地质构造单元,由于二者之间发育一套含有蓝片岩的俯冲增生杂岩-黑龙江杂岩(原称黑龙江群),其地质构造意义长期为人们所关注.巴彦—桦南深反射地震剖面揭示,佳木斯地块与松嫩地块之间存在明显向西俯冲的深反射信息,以壳内和幔内向西倾伏的楔状反射区为特征.壳内楔状反射区东与浅表层出露的黑龙江杂岩相连,向西倾伏延深至莫霍面,是俯冲增生杂岩在地壳深部的反映;幔内楔状反射区东起小兴安岭之下的莫霍面,向西倾伏延深至松辽盆地东缘,尖灭深度约78km,与多种方法得出的该区现今的岩石圈厚度(75~80km)基本一致.这一证据充分说明佳木斯地块的岩石圈地幔向西俯冲到松嫩地块岩石圈地幔之下.     

青藏高原松潘—西秦岭—临夏盆地深地震反射剖面——采集、处理与初步解释

由于印度洋板块向亚欧板块俯冲使青藏高原不断隆起,其形成不仅导致了亚洲大陆内部强烈的晚新生代构造变形,还对其边缘地区的地貌格局产生重大影响.青藏高原东北缘是青藏高原向北东方向扩展的前缘部位,是印度与欧亚两大板块碰撞作用由近南北方向向北东、东方向转换的重要场所.本文利用2004年和2008年完成的深地震反射剖面资料,采用关键处理技术和参数开展唐克-合作剖面与合作-临夏剖面联线处理,获得总长约400 km的深地震反射剖面,完整揭示了西秦岭造山带及其两侧盆地的地壳结构和构造变形样式.结果显示西秦岭造山带下地壳向若尔盖逆冲推覆的深部构造特征;西秦岭下地壳北倾的强反射及其北侧南倾的强反射特征揭示出扬子与华北两个大陆板块在西秦岭造山带下的汇聚行为.Moho的埋深和起伏形态表明青藏高原东北缘地壳经历了高原隆升后强烈的伸展减薄作用.     

由地震探测揭示的青藏高原莫霍面深度

全球最新、规模最大的青藏高原造山带是研究陆陆汇聚、板块俯冲和高原隆升等大陆动力学问题的天然实验室。自20世纪50年代至今, 已经积累大量被动源地震观测和主动源地震探测资料用于揭示青藏高原的地壳与上地幔结构, 勾勒出青藏高原的壳幔结构的基本特征。本文在汇总前人工作基础上, 通过对深地震测深、深地震反射剖面和宽频地震观测三种地震方法资料的梳理, 探讨青藏高原的莫霍面深度及其分布特征。结果表明, 青藏高原莫霍面形态复杂, 深度变化很大, 分布总体特征呈现出中间浅, 南部较深, 北部较浅, 西部较深, 东部较浅的趋势, 最深的和最浅的莫霍面可以相差40 km。这种变化趋势记录了印度板块和欧亚板块的相互作用使高原地壳增厚、减薄过程, 并驱使地壳物质由西向东流动。     

深地震探测揭示的华南地区莫霍面深度

从20世纪70年代以来, 在华南地区进行了大量的深地震探测研究。本文通过对华南地区的深地震探测研究的总结和梳理, 探讨了华南大陆及其邻近海域的莫霍面变化情况, 结果表明: 华南大陆莫霍面形态变化较大, 总体变化趋势是由西部向东部呈逐渐抬升; 华南大陆最深的莫霍面出现在攀西地区北缘, 最浅的莫霍面出现在衢州盆地, 两者差35 km; 华南地区周缘断裂均存在莫霍面错断; 华南加里东造山带莫霍面深度浅于台湾造山带; 东海边缘海与南海北缘地壳厚度明显不同。这些特征可能指示了不同区域所经历的岩石圈及地壳演化过程不同, 其中攀西地区的莫霍面较厚可能同青藏高原物质东流有关, 华南造山带的地壳减薄缘于后期遭受的伸展作用, 东海及南海的莫霍面深度反映了两者处于不同的陆缘位置, 前者为活动大陆边缘, 后者为被动大陆边缘。     

青藏高原莫霍面形态的重力模拟及其对探讨高原隆升机制的意义

青藏高原是印度板块板欧亚板块碰撞形成的巨大变形带，岩石圈地幔的变形特征对高原的隆或意义重大。本文分析了远震ＰＫＰ走时残差沿高原中部剖面的变化，发现莫霍面的断错在整个高原是普遍存在的；利用人工地震资料作为约束，用重力资料对莫霍面的形态进行了反演模拟，认为岩石圈地幔的断错和叠覆可能是青藏高原隆升的重要机制；最后讨论了板块中部热和密度不均匀性以及地幔流动对青藏高原岩石圈变形的影响。     

新疆地学断面（独山子—泉水沟）走廓域及邻区地球物理调查综合研究

沿新疆地学断面 (独山子-泉水沟 )走廊域实施了多种地球物理方法调查研究。对岩石圈现今活动性、位场异常图像处理与岩石圈变形踪迹、地体基底构造与边界断裂划分等进行了综合研究。整条地学断面处于近SN向的挤压环境中。挤压力一方面来自印度板块向北的推挤 ,另一方面来自增厚岩石圈根带下沉的拖力。塔里木岩石圈呈刚性 ,且整体变形 ,对应力的传播起到放大的作用。阿尔金断裂向南延展进入西昆仑造山带 ,南端与泉水沟断裂相接 ,并且斜截了库地断裂和康西瓦断裂。中天山地体与北天山地体与准噶尔盆地统属同一基底构造区 ,南天山地体与北塔里木统属同一基底构造区。南北塔里木是 2个基底性质不同的地体。 4 0°N是分割南北塔里木的地体边界断裂。研究结果表明 ,新疆新构造运动不是古板块的简单复活。     

新疆地学断面（泉水沟—独山子）深地震测深成果综合研究

新疆地学断面 (泉水沟 独山子 )深地震测深剖面的分段成果已经先期分别发表 ,根据已经发表的资料 ,本文着重全线震相的对比 ,并讨论地壳构造与地质演化的关系。该剖面全长约 12 0 0km ,南起西昆仑山 ,穿过塔里木盆地 ,跨越天山 ,止于准噶尔盆地南缘。该剖面共设 12个炮点 ,共用炸药 2 0t,投入地震仪 12 0台 ,共获有效三分量记录 973个。在折合时间记录截面图上识别出 6个震相 (Pg,P2 ,P3,P4,Pm,Pn) ,经走时反演和射线追踪拟合获得速度结构模型。最终的模型显示塔里木盆地主体的地壳厚度为 3 8～ 4 6km ,而且塔里木南缘的Moho界面南倾 ,与结晶基底南倾的角度大体一致。从塔中隆起至西昆仑山前 ,Moho面深度从 4 0± 2km加深到 5 7km ,但继续向南深入到西昆仑北坡之下 ,Moho产状变平 ,深度减小到 5 4km。以西昆仑北坡基底抬升、下地壳增厚和山前凹陷内存在巨厚沉积的观测事实为依据 ,推断塔里木盆地南缘地壳向西昆仑山下俯冲 ,但俯冲的距离和深度可能有限。天山地区观测到了清楚的Pn 震相 ,速度为 8.15km/s。整个天山地区Moho平均深度为 5 2km ,地壳结构复杂 ,其中地壳为 3～ 7km厚 ,速度值 5 .6km/s的低速层。中天山之下的Moho略显隆起 ,中、北天山交界处Moho明显错断。地壳内部各层厚度横向变化较大 ,具