岩石圈结构与大陆动力学

对1999年7月第22届IUGG大会以后的4年期内，中国地球物理研究在岩石圈结构和大陆动力学方面的主要进展作了简要评述．这些研究进展主要表现在以下几个方面:区域性岩石圈物性结构的研究，利用深地震测深剖面对地壳、上地幔速度结构的勘查，利用GPS观测研究大陆内部的现今运动和变形，青藏高原动力学研究，大别——苏鲁超高压变质带的地球物理勘查及动力学机理研究，沉积盆地的地球物理勘查及演化过程研究，以及板块动力学研究, 等等．      

中国岩石层结构研究的回顾与展望

总结近50年来中国岩石层结构研究的主要成果在全面回顾我国在深部地球物理探测和用天然地震资料进行岩石层结构研究工作的基础上，论述在大陆岩石层结构和地球动力学、强烈地震发生的深部构造环境以及与国民经济有关的深部构造问题等方面的新进展最后，提出这一领域进一步发展的关键问题，并展望前景     

Review on Deep Geoplhysical Exploration and Research in China

The status of deep geophysical exploration and research in China is summarized in this paper.New achievements in the study of the velocity structure,seismotectonics and geodynamics of the crust and upper mantle are also briefly descibed.     

Lithospheric thermal and compositional structure of South China jointly inverted from multiple geophysical observations

The detailed lithospheric structure of South China is the basis for the understanding of tectonic processes of eastern China.Specifically,two essential issues in the study of lithospheric structure are the thermal and compositional structures,which are usually derived from either geophysical or geochemical observations.However,inversions from single geophysical or geochemical datasets have certain limitations,making it necessary to develop joint inversions of geophysical,geochemical and petrological datasets.In this paper,through thermodynamic simulation and probabilistic inversion,we inverted multiple datasets including topography,geoid height,surface heat flow and surface wave dispersion curves for the 3D lithospheric thermal and compositional structure of South China.The results reveal a thin(<100 km)and flat LAB beneath the South China Fold System Block and the lower Yangtze Craton.Also,we found that the lithospheric mantle is primarily composed of saturated peridotite,indicating that the ancient refractory lithospheric mantle has been replaced by new materials.The dominant dynamic mechanism for lithospheric thinning in eastern South China may be the flat subduction of ancient Pacific slab,while thermal erosion may have also played a significant role.In contrast,the LAB depth beneath the Sichuan Basin is much thicker(>200 km),suggesting that the thick and cold craton lithospheric roots are retained.There may exist a discontinuous interface beneath the Sichuan Basin,with the saturated lower layer thicker than the refractory upper layer.As a result,the lithospheric mantle of the Sichuan Basin and surrounding regions is mainly composed of saturated and transitional peridotite.     

The sumatra earthquake of December 26, 2004, as an event unrelated to the plate-tectonic process in the lithosphere

The Sumatra (Indonesia) earthquake of December 26, 2004 (M _w = 9.0?9.3), is among the strongest seismic events (occupying the second to fourth place) recorded in the epoch of instrumental seismological observations. In addition, this earthquake appears to be the first event of such a scale for which results of up-to-date high-precision geodetic measurements are available. Therefore, it is of particular interest for studies of geodynamics of mobile belts, seismogenic zones, and the Earth’s crust as a whole. The available geological, geophysical, and geodetic data for the Mediterranean-Caucasian segment of the Alpine-Himalayan mobile belt, the Greater Caucasus, and the Tajik depression suggest that the tectonic structure, geological zonality, seismicity, and present-day geodynamics of these structural elements of the Earth’s crust are controlled by the interaction of two different mechanisms of tectogenesis. First, this is the mechanism of independent self-development of the aforementioned structural elements and, first of all, the mobile belt as a whole; this mechanism acts through an intense increase in the volume and area of laminated rocks of the crust/lithosphere, apparently, due to the influx of additional mineral material supplied by an ascending flow of deep fluids. The second type of mechanisms is related to the external plate-tectonic action on the mobile belt and the other structural elements due to lateral movements of lithospheric plates. The joint analysis of geological, geodetic (GPS), and seismological data on the Sumatra earthquake area shows that these two mechanisms also act in the Indonesian part of the Alpine-Himalayan mobile belt. However, the Sumatra earthquake itself is a result of an independent (unrelated to plate tectonics) process in the mobile belt rather than the convergence of adjacent lithospheric plates.     

基于GPS获得的中国大陆现今地壳运动速度场

利用国家重大科学工程“中国地壳运动观测网络”1999至2011年底的全部GPS观测资料,采用统一的数据处理策略和最新的地球物理模型,分别获取了中国大陆相对于全球ITRF2005参考框架和欧亚板块的现今地壳水平运动速度场。通过速度场分析,给出了中国大陆地壳运动的大背景和基本特征,为地震预测、地球动力学等相关学科的研究提供了基础资料。     

利用大地测量和地热资料联合确定黑水—泉州地学断面东段岩石圈热及强度结构

黑水泉州地学断面因其所处的特殊地理位置和所受复杂地球动力学机制的影响,而备受地学界的关注.但要弄清控制岩石圈动力机制的重要影响因素之一——热动力,还需对岩石圈的热结构有更细致的研究.地热学研究作为一种独立的地球物理学方法,在地球内部结构及地球动力学研究中发挥着越来越重要的作用.根据地热资料来研究地球深部热结构是一种最为直接有效的方法,但是,我国地热资料的相对匮乏严重阻碍了地热研究的进展.本文将引入地形、重力等大地测量观测资料作为约束条件,基于岩石圈均衡原理,综合地热和重力学方法联合确定黑水泉州地学断面东段岩石圈热结构,弥补了传统地热研究方法的不足.基于黑水泉州地学断面岩石圈二维温度分布结果,本文计算了该岩石圈的强度分布,并对其岩石圈的热结构和流变结构特征展开了分析和讨论.     

利用S波接收函数研究华南块体的岩石圈结构

本文基于跨越华夏块体至四川盆地西部的130个线性流动地震台站及其附近90个固定台网台站的观测资料,采用S波接收函数波动方程叠后偏移方法,开展了华南大陆岩石圈结构研究.成像结果显示,研究区岩石圈结构复杂,不同构造单元之间差异显著,构造边界带附近小尺度变化强烈.150 km以上的厚岩石圈主要位于四川盆地,不足100 km的薄岩石圈主要分布于川东褶皱带和华夏块体.雪峰山下方岩石圈厚度显著增加,且以雪峰山为界岩石圈结构和性质存在着显著的东西差异.结合其它地球物理观测得到的地壳-上地幔结构信息,我们提出：（1）四川盆地还保留着厚而冷的克拉通岩石圈根,且岩石圈地幔具有结构分层特征;（2）雪峰山可能是扬子克拉通与华夏块体在西南部的边界;（3）雪峰山以东区域可能经历了岩石圈的减薄和改造,且华南岩石圈的减薄与华北相似,都主体发生在东部地区,造成现今南北重力梯度带两侧强烈的结构差异.研究结果为认识华南大陆的构造演化及其深部动力学提供了地震学约束.     

中国东部及其邻域岩石圈底界面特征及地震活动性

对布格异常采用小波变换场分离技术得到深部重力异常，利用其他地球物理方法获得较可靠的先验信息作为约束，并采用球谐函数的级数解形式对中国东部及其邻域的深部重力异常进行联合反演，获得了该区岩石圈底界面的展布图像；同时对岩石圈底界面特征和强地震分布特性进行了讨论，指出中国东部及其邻域在地貌分布、各种地球物理场和岩石圈结构等方面都明显地具有分区性，很可能与深部岩石圈底界面的变化有关，而岩石圈底界面的形态的差异将对岩石圈层的运动和一系列地质过程产生重要作用，强地震活动的分布也与深部岩石圈界面形态和构造环境密切相关.     

地球内部岩石圈物理与动力学研究发展的新动向与今后的任务

本文通过对当代地球内部岩石圈物理与动力学发展的认识与分析，探讨了该领域的研究方向与今后的任务，并提出了相应的建议与对策     

中国大陆地壳与上地幔地震各向异性研究

地壳与上地幔各向异性研究在地球动力学领域有广泛的应用和重要的科学意义,其研究有助于许多地质和地球物理基本问题的解释.中国大陆的各向异性研究,在地壳与上地幔两个尺度上都有许多重要进展,并在基本理论和岩石实验研究中取得进步.文章认为,各向异性研究揭示的科学问题将会是广泛的和深远的.     

地球物理剖面揭示大兴安岭域壳幔结构及其地质意义

大兴安岭域,包括大兴安岭及其两侧盆地,穿过额尔古纳地块、兴安地块、松嫩地块和辽源地体.本文在东北地区已有的近东西向的全球地学断面（GGT）资料基础上,在大兴安岭两侧补充了2条近南北向的地球物理剖面,组构了综合地球物理栅状图;又结合区域内其他7条经综合解译的地球物理剖面,分析讨论了研究区壳幔结构特征及其地质意义.论文得到如下初步结果：（1）研究区莫霍界面以大兴安岭重力梯级带为分界,西部和东部深度有明显差异;以索伦山-西拉木伦河缝合带为界的南北岩石圈-软流圈界面（LAB）深度、软流圈有明显差异.呈现出地壳东西分带、岩石圈地幔南北分块的特征.（2）额尔古纳-兴安微板块具有较稳定的岩石圈地幔组构,与南部的中朝板块的岩石圈地幔具有较大差别;额尔古纳地块与西伯利亚板块的岩石圈特征更为接近.（3）获得古缝合带位置线索.林西以南的翁牛特下方存在明显的LAB南北向抬升,这是古亚洲洋闭合在岩石圈尺度上留下的遗迹;索伦山缝合带东延至西拉木伦河,是古亚洲洋闭合的场所.（4）大兴安岭域跨过两条板块缝合带,该区域北部与中部岩石圈组构特征相近,但它们的岩石圈地幔基底并不相同,这是在塔源-喜桂图缝合带于早古生代的拼合之后由数亿年的长期壳幔物质横向均衡作用所致.     

藏北高原地震活动性特征及其大地构造意义

藏北高原自新生代以来不仅发生了强烈的火山作用,而且现今的地震活动性仍然强烈.本文收集了2011年前藏北高原区发生的地震事件(源自NEIC)及相应的震源机制解数据(源自GCMT),结合地质与地球物理等相关资料,初步分析表明藏北高原地壳整体上处于伸展应力状态.然而,因区域构造应力场及构造环境差异,将藏北高原地震活动区分为两个地震活动区,即西昆仑地震活动区和藏北中部火山岩区.西昆仑区的地壳应力状态呈东西向伸展,而岩石圈地幔部分主要以南北汇聚为主,表明西昆仑区域下的地壳与岩石圈地幔应力状态是解耦的,而这种解耦机制需要更进一步的研究.而在藏北中部火山岩区的地壳的主张应力场为NNE-SSW的走滑和正断层性质的伸展,尽管缺乏该区域下的岩石圈结构特征认识,但是依据幔源性质的钾质和超钾质火山岩成因模式,认为其下的岩石圈地幔也处于伸展状态,该区域下的地壳与岩石圈地幔同处于伸展应力环境中,表明藏北火山岩区下的结构特征更加复杂,亟待开展相关探测与研究.     

中国大陆动力学研究导向和思考

大陆动力学是研究和探索地球内部物质大尺度运动和深化认识地球本体与其在整体运动中深部圈层耦合、介质与结构变异的物理－力学属性、物质与能量的交换、深层动力过程和机制的一门边缘科学.地球动力学集成了当代众多高、新学科技领域和学科交叉的研究成果,它涉及到成山、成盆、成岩、成矿、成灾和深化对地球本体的认识,它在地球科学研究中占有极为重要的地位.本文通过深入研究、综合集成与剖析讨论了该领域五个重要的基本科学问题,即：(1)地球动力学在地球科学研究中的地位和作用;(2)国际上地球动力学研究的进展和发展动向;(3)中国地球动力学的研究状况;(4)当今地球动力学研究的导向和战略思考;(5)地球动力学研究在我国的实现和开拓.     

Lithospheric structure and evolution of the North China Craton:An integrated study of geophysical and xenolith data

Determination of the physical and chemical structures of the inaccessible continental lithosphere by comprehensive geophysical and geochemical studies can provide valuable information on its formation and evolution.Extensive studies from various disciplines have revealed complex lithospheric modification of the North China Craton(NCC),but less attention has been paid to an integrated study from different fields.Here we provide an integrated constraint on the lithospheric mantle structure of the NCC by comprehensive semiology,gravity and thermal studies with xenolith data involving depth(levels in the lithosphere),property(chemical and physical),and timing(formation and reworking ages).Our results suggest that the NCC has a relatively heterogeneous lithospheric mantle.Its margins and internal weak zones,especially in the eastern NCC,are generally underlain by the fertile,weakly metasomatized mantle with generally young formation ages.In contrast,its core tends to preserve the refractory,strongly metasomatized mantle with ages roughly coupled to the overlying Archean crust.Such a lithospheric structure shows the preferential modification of the lithospheric mantle in the eastern NCC and in the peripheral regions of the western NCC.The interior of the craton,especially most of the western NCC,remains stable and has been weakly modified.     

我国地震的现今地球动力学研究的进展与方向

本文从活动构造、大陆地壳形变与现代地壳运动、地震活动区与大震震源区的深部探测及动力学、大陆强震区的地壳介质结构与地震成因、构造的物理及数值模拟、大陆岩石圈动力学以及地球动力学模型研究七个方面扼要介绍了近年来我国开展的与地震有关的现今地球动力学研究进展和取得的一系列新认识以及研究动向。在此基础上提出了微动态地球动力学，上地幔的非均匀性、深浅部构造关系及其动力学和地球动力学模型的理论研究三个应该优先发展的研究领域。     

南海岩石层及边界构造的地球物理特征

南海经历了中生代主动大陆边缘到新生代被动大陆边缘的转换,其岩石层地球物理场具有明显的块、带特征.本文通过综合分析南海地区深地震探测、面波层析成像、重磁异常以及地热与岩石层流变学等各种地质地球物理资料,对南海地壳及岩石层的综合地球物理特征进行了深入总结,发现深地震探测剖面所确定的洋、陆壳转换位置与空间重力异常梯级带位置较为一致,据此拟定了南海洋、陆壳的转换边界;依据多条地壳结构剖面中拉张减薄的程度确定了正常减薄陆壳、洋陆壳过渡带及洋壳等属性特征,并初步圈定了南海下地壳高速层的分布范围.对比分析了南、北陆缘地壳结构及其拉张减薄的变化特征,从综合地球物理特征的相似性上推测了北部陆缘的中西沙陆块与南部陆缘的南沙礼乐滩陆块具有共轭对称性.依据S波速度梯度变化确定了南海岩石层厚度分布情况,揭示出南海北部陆缘存在一条岩石层厚度的减薄带,且该减薄带与高热流带具有较好的一致性.在综合分析的基础上,以深地震探测剖面与重、磁异常变化的对应性为基础,划定了南海边界构造的位置.     

Precollisional tectonics and terrain amalgamation offshore southern Taiwan:Characterizations from reflection seismic and potential field data

Sponsored by the Chinese National Fundamental Research and Development Program in 2001,Guang-zhou Marine Geological Survey launched out a long geophysical survey from the northeastern part of the South China Sea (SCS),through the Luzon Arc,to the Huatung Basin and the Gagua Ridge. Based on high-resolution seismic data from this survey,combined with gravimetric and magnetic modeling,a systematic effort is made to the study of the regional geodynamics offshore southern Taiwan. By focusing particularly on precollisional tectonic interactions between adjacent geological units and their tectonic affiliations,this study can help reveal early arc-continent collisional processes that formed the Taiwan orogen. The construction of the Manila accretionary prism and its eastward progressive deformation indicate that the subduction of SCS have experienced multiple phases of increased activity. Active precollisional crustal shortening within the Northern Luzon Trough resulted in tilting of sedimentary layers at angles between 6° and 13°. But the shortening induced by tilting accounts for only a tiny part of regional total crustal compression. The eastern flank of the Luzon Arc appears to be more active than the rest,evidenced by active faulting and folding in the intra-arc basins on the eastern flank. Magnetic modeling/inversion shows that the Luzon Arc may have experienced multiple phases of magmatic activities,causing lateral magnetic inhomogeneity. Bouguer gravity anomalies and gravity modeling indicate that the Huatung Basin has anomalously higher crustal and upper mantle densities than those of SCS and the Luzon Arc. In addition,there is a large bathymetric difference between the Huatung Basin and the northeastern part of SCS basin. These observations argue against early hypothesis that the Huatung Basin and the northeastern part of SCS basin may once have belonged to one single oceanic crust,in part or in whole. The Gagua Ridge,as a sliver of uplifted oceanic crust,may be related to a transient northwestward subduction of the western Philippine plate. All evidences point to the argument that the region offshore southern Taiwan is experiencing multiple terrain amalgamation,which is a classical model for continental growth.     

上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响

本文以多孔介质中大尺度传热问题为基础,结合热平衡理论分析与数值计算,探讨了上通流对大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式的潜在影响.根据大陆岩石圈中孔隙波传热概念模型的初步理论分析结果,指出了采用理论分析和数值模拟相结合的方法在研究大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式时的重要性.理论分析方法可用来确定岩石圈尺度范围内大陆岩石圈的厚度和大陆地壳相关的边界条件,从而为地壳范围内数值模型的建立提供一些重要信息.数值模拟方法可以用来模拟地壳尺度范围内地壳的详细结构和复杂几何形状.如果地壳内的热分布是所考虑的主要因素,采用具有地壳尺度的合理数值模型可以有效减少计算机工作量.利用理论分析方法求出的岩石圈尺度范围内大陆岩石圈厚度与地幔传导热流之间关系的理论解,不仅可以用来验证模拟大陆岩石圈内传热问题所采用的数值方法, 而且可以用来初步研究大陆岩石圈内热分布的基本规律,为研究岩石圈地幔热事件中大陆岩石圈热减薄过程提供相应的边界条件.本文从理论分析的观点初步探讨了中国大陆不同构造背景下大陆岩石圈的热结构模式,其结果与从地球物理和地质资料中获得的大陆岩石圈热结构模式十分吻合.研究结果表明由大陆岩石圈中孔隙波传播所导致的上通流是影响大陆岩石圈地幔-地壳热结构模式及大陆岩石圈地幔与地壳之间物质和能量交换的可能机制之一.     

中国大陆地壳与上地幔精细结构探测十条第一剖面和其作用与科学意义

地球内部物理学和地球动力学在地球科学研究领域里占有重要地位.为了研究和探索我国大陆不同大地构造单元和板内特异块体与其界带的深部介质属性、结构和深层物理-力学过程,已在我国最先构思、设计、布署并实施了十条人工源深部地震探测剖面.沿这十条第一剖面进行了高精度的地震反射、宽角反射和折射波场观测,进行了数据采集,获得了深部高分辨率的信息.通过数据处理和反演求得了各剖面辖区的沉积建造、结晶基底、地壳与土地幔的差异和层、块精细速度结构,发现、研究和提出了一系列的重要科学问题并取得了一系列新认识.为研究成山、成盆、成岩、成矿、成灾,圈层耦合和深化认识地球本体与动力学响应打下了坚实的基础,明确指出了其深入研究的内涵和发展导向.