青藏高原东缘地壳上地幔电性结构研究进展

经过数十年的努力,中国学者针对青藏高原东缘地壳上地幔探测,累积完成超过20000 km的大地电磁测深剖面,取得了一系列重要科学数据和认识,为青藏高原东缘构造格局、地壳上地幔电性结构、地震机制和动力学研究奠定了基础.根据青藏高原东缘的主要构造和断裂分布特征,本文重点对龙门山构造带、川滇构造带和三江构造带三个构造带分区进行研究,主要依据大地电磁探测工作成果和壳幔电性结构特征,系统地对青藏高原东缘地壳上地幔电性结构、与扬子西缘接触关系、汶川地震和芦山地震的电性孕震环境及弱物质流通道等几个方面进行了梳理和分析.一是青藏高原东缘地壳表层岩块和物质沿壳内高导层向龙门山造山带仰冲推覆,表现为逆冲推覆特征的薄皮构造;二是高原东部地壳中下部及上地幔顶部向龙门山造山带和上扬子地块西缘岩石圈深部俯冲,呈现刚性的上扬子地块西缘高阻楔形体向西插入柔性青藏块体的楔形构造;三是将汶川地震和芦山地震的震源投影到大地电磁剖面上,发现震源位于剖面下方的高阻块体与低阻体之间靠近高阻体的一侧,龙门山构造带岩石圈表现出高阻、高密度和高速的"三高"特征,这种非均匀电性结构可能构成地震孕育发生条件;四是川滇和三江地区的多条大地电磁剖面探测结果表明,在青藏高原东缘中下地壳存在下地壳流和局部管道流,大地电磁结果对其空间分布形态、位置及大小进行了较好的刻画.根据研究区壳幔电性结构特征的构造解析和综合实例分析,总结了青藏高原东缘六类壳幔电性结构模型,提出了下一步重点研究领域和目标.总之,青藏高原东缘壳幔电性结构的研究对揭示研究区岩石圈结构和构造格局提供了重要依据,对油气及矿产资源远景评价提供了背景资料,对"Y"型多地震区的构造关系和发震机理研究具有重要指导意义.     

基于电性结构模型的青藏高原东缘上地幔热结构研究

研究青藏高原东缘地区的深部物质结构对于理解青藏高原的隆升及扩张机制具有重要的科学意义.本文将青藏高原东缘实测大地电磁测深剖面反演所得的岩石圈电性结构模型与高温高压岩石物理实验测得的上地幔矿物和熔融体导电性定量关系相结合,通过Hashin-Shtrikman（HS）边界条件建立上地幔电导率与温度、熔融百分比等参数的定量关系,在此基础上计算得到了青藏高原东缘上地幔热结构及熔融百分比分布模型.研究结果表明在青藏高原东缘地区通过大地电磁测深方法所探测到的上地幔低阻体可以解释为由高温作用所产生的局部熔融区域.其中,松潘—甘孜地块上地幔高导体对应的温度介于1300~1500℃之间,熔融百分比可高达10%,支持前人将松潘—甘孜地块内部的低阻体解释为局部熔融的观点.龙门山断裂带以东、四川盆地西缘的上地幔高导体温度介于1200~1400℃之间,熔融百分比介于1%~5%左右,表明扬子克拉通的西缘可能正在经历一定程度的活化作用.龙门山断裂带下方的上地幔高阻体温度介于1100℃附近,基本没有发生局部熔融,具有较冷的刚性块体特征,与该区域频发的地震活动相吻合.四川盆地东部的扬子上地幔温度介于800~900℃之间,没有发生局部熔融,符合古老稳定的克拉通块体的基本特征.

     

青藏高原东缘地壳、上地幔电性结构探测及其构造意义

利用大地电磁测深(简称MT)方法对青藏高原东缘地区进行了地壳、上地幔电性结构探测研究,得到了该区具有特殊的电性结构特征,探测结果清晰揭示出:(i)鲜水河断裂带是一条规模巨大的岩石圈断裂,它是川滇菱形块体的重要边界断裂;(ii)测区为强震多发区,断裂两侧块体介质的差异是强震活动带重要的深部背景;(iii)川滇菱形块体北部地区十几公里下,发现存在大规模低阻体,电阻率仅为几～几十欧姆·米,该层约以45°角向北东下延,与青藏高原侧向挤出,物质向东流变,受刚性块体阻挡有关。从深部介质电性特征,推断现今川滇菱形块体北部处在热状态,是近代很活动的块体之一;(iV)测区内岩石圈厚度由西段(川滇北部块体)逐渐向东(扬子块体)增厚。     

藏西北上地幔过渡带速度结构研究

地幔过渡带是指全球性的410 km和660 km间断面之间的部分,其中660 km的间断面是上、下地幔的分界线.过渡带内地震波速度异常和间断面的起伏特征是探测地幔温度,其化学组分以及相关动力学等问题的有效途径.     

南北地震带北段地壳上地幔电性结构及有关资料问题的讨论

根据南北地震带北段６ 条东西向和２ 条南北向剖面的大地电磁测深结果,对该区域的地壳上地幔电性结构进行了较全面的分析．对资料中存在的一些问题进行了讨论     

青藏高原东北缘玛沁—兰州—靖边剖面地壳上地幔电性结构研究

在青藏高原东北缘至鄂尔多斯地块沿玛沁—兰州—靖边剖面进行62个测点的大地电磁观测,采用Robust技术对观测数据进行了处理和张量阻抗分解.分析了视电阻率和阻抗相位曲线、二维偏离度、区域走向.采用RRI二维反演技术进行了资料的反演解释,二维剖面的电性结构显示：（1）玛沁断裂带、兰州深断裂带、马家滩—大水坑断裂带将剖面分为4个电性区块：巴颜喀拉地块、秦祁地块、边界带和鄂尔多斯地块.（2）区块1、2和4的地壳电性结构有类似特点：上地壳为高阻层,下地壳上部为低阻带,下地壳下部到上地幔电阻率随深度逐渐升高.区块3电性成层性差、结构复杂,是现今构造活动较强烈的地区.（3）玛沁断裂带、海原断裂带和罗山—云雾山断裂带为较陡立的超壳断裂带;西秦岭北缘断裂带为壳内断裂带.     

华北地区上地幔速度结构

本文选用了北京台网记录的来自不同方位并通过华北地区的140个地震,使用平滑法和dT/d△法,得到P波慢度曲线;采取走时和慢度结合使用的方法,得到走时曲线;从Gerver-Markushevich公式出发,导出一个易于计算的简捷形式,并由此反演初始速度模型;通过模型理论走时曲线的计算,选出与实测数据符合得较好的模型。平均模型中,低速层出现的深度较浅,约60公里;在360—420公里和660—680公里深处,存在两个速度急剧增加的梯度层;500公里处可能还有一个较小的梯度层。华北的东南和西南方向上,相当于660公里梯度层的深度的差异还较为显著。     

华北地区上地幔速度结构

本文选用了北京台网记录的来自不同方位并通过华北地区的140个地震,使用平滑法和dT/d△法,得到P波慢度曲线;采取走时和慢度结合使用的方法,得到走时曲线;从Gerver-Markushevich公式出发,导出一个易于计算的简捷形式,并由此反演初始速度模型;通过模型理论走时曲线的计算,选出与实测数据符合得较好的模型。平均模型中,低速层出现的深度较浅,约60公里;在360-420公里和660-680公里深处,存在两个速度急剧增加的梯度层;500公里处可能还有一个较小的梯度层。华北的东南和西南方向上,相当于660公里梯度层的深度的差异还较为显著。     

华南地区地幔过渡带结构及其动力学意义

华南地区同时受特提斯构造域和太平洋构造域影响, 是研究板块相互作用的最佳场所之一.为研究华南地区深部动力学过程, 本文基于国家固定台网30°N以南的宽频带台站数据, 利用接收函数方法开展了华南地区地幔过渡带结构研究, 并结合已有地质、地球物理资料, 讨论了华南地区深部构造单元划分及其浅部构造响应.研究结果表明: (1)扬子克拉通下方地幔过渡带结构接近全球平均水平, 相对稳定; (2)海南岛地区地幔过渡带厚度偏薄, 且410-km和660-km界面分别显著下沉和上升, 可能与海南地幔柱密切相关; (3)太平洋构造域和特提斯构造域深部构造边界显著, 青藏高原东南缘主要受特提斯构造域影响, 其地幔过渡带中可能残留有拆沉的岩石圈板片; (4)雪峰山以东地区的地幔过渡带主要受太平洋构造域影响, 但南北也存在局部差异, 南部华夏地块下方可能不存在滞留板片, 太平洋板块的俯冲、后撤与东南沿海地区地壳减薄和大规模出露的中-新生代岩浆岩密切相关.

     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

中国东北地区地幔转换带接收函数三维Kirchhoff偏移成像研究

中国东北地区地幔转换带结构对于研究新生代板内火山深部成因及板片俯冲作用具有重要意义.本文利用东北地区密集流动台阵记录提取到的约60, 000接收函数, 采用三维Kirchhoff偏移成像方法得到了研究区410-km和660-km界面埋深以及转换带厚度分布图像.成像结果显示: 长白山火山下方410-km和660-km界面均出现下沉, 且660-km下沉的幅度较410-km更大, 在25km以上, 认为与太平洋俯冲板片在转换带的停滞有关.长白山及龙岗火山以西过渡带厚度呈现小幅度减薄的特征, 暗示俯冲板片在660km深度附近可能发生撕裂.板片撕裂引起的热物质上涌和俯冲板片脱水共同为长白山火山提供了深部热源.五大连池火山下方观测到410-km界面抬升, 而660-km界面下沉的现象, 认为410-km界面的抬升可能与岩石圈拆沉有关, 拆沉引起的局部对流可能为五大连池火山提供热源, 而660-km界面的下沉可能反映存在残留的太平洋俯冲板片.

     

华南东部地幔过渡带顶部低速层中的熔体含量估算

地幔过渡带顶部低速层的成因及性质研究,对于认识地球内部物质运移及地幔对流过程等具有非常重要的动力学意义.最新的地震学研究显示,华南陆块东部地幔过渡带顶部的低速层存在着明显的区域性差异.一般认为,该低速层的形成与脱水引起的部分熔融有关.本文利用部分熔融体系的平衡几何模型,重点分析了熔体成分、位温、二面角和玄武质含量等因素对熔体含量的影响,并结合该低速层的分布特征,估算出研究区的南北两个子区域地幔过渡顶部熔体含量分别为~1.18 vol.%和~2.02 vol.%.这一熔体含量的显著差异可能与太平洋板片多期次俯冲作用的叠加有关.     

华北东部复杂的660 km相变界面

利用华北固定台网的宽频带地震远震记录波形资料,提取P波接收函数,通过偏移成像和共转换点叠加,得到华北地区东部地幔过渡带深度及厚度的图像.研究结果显示,地幔过渡带上界面(410 km间断面)深度起伏变化不大;在华北地区东部,存在较厚的地幔过渡带,地幔过渡带下界面(660 km间断面)在660 km深度附近出现两个不同的界面.造成地幔过渡带增厚并出现两个深度不同的界面的原因可能是存在橄榄岩以外的地幔物质相变,该物质相变拥有与橄榄岩向钙钛矿转变不同的克拉伯龙斜率,太平洋俯冲板块的低温造成两种不同的相变界面发生不同程度的改变.双重660 km间断面的范围存在向北西方向延伸的趋势并且向南至少延伸到30°N.本文的结果可为古西太平洋板块向华北俯冲前缘位置的研究提供约束.     

阿留申—阿拉斯加俯冲带及周边地区地幔过渡带结构研究

利用国家测震台网固定台站和"中国地震科学台阵探测"项目在南北地震带北段布设的宽频带流动台阵记录到的极远震事件,通过SS前驱波震相研究,获得了阿留申—阿拉斯加俯冲带东段及邻区下方410 km和660 km间断面的埋深和起伏形态特征.为增强对SS前驱波震相的识别,我们采用了时差校正和共反射点叠加分析.叠加结果显示,毗邻阿留申俯冲带的白令海、阿拉斯加半岛、以及阿拉斯加中南部和东部地区下方,410 km和660 km间断面的埋深基本呈正相关关系,因而具有正常的过渡带厚度.这表明在阿留申—阿拉斯加俯冲带东段,北太平洋板块还没有俯冲到地幔过渡带深度范围内.其次,在阿拉斯加西部地区下方,660 km间断面出现明显下沉,而上覆的410 km间断面埋深接近于全球平均值,从而导致过渡带明显加厚.据此,我们推测在阿拉斯加西部地区下方地幔过渡带底部可能存在库拉残留板块.     

利用接收函数散射核方法探测中国东北地区地幔转换带界面三维形态

地幔转换带是上下地幔物质运移和能量交换的必经通道,其速度结构和上下界面的起伏能够为认识地幔内部的温度和物质变化、地幔对流模式等地球演化相关的科学问题提供关键约束.本文利用布设在中国东北地区的高密度固定台网和流动台阵所记录的远震体波接收函数,采用Ps散射核叠前深度偏移成像方法,获得了台站下方地幔转换带界面及其内部速度间断面的三维精细图像.研究结果表明：西北太平洋俯冲板片上下界面在地幔转换带内清晰可见,在高纬度（44°N）区域存在约30°的倾角;660-km间断面的深度起伏具有明显的分区性,在与俯冲板片相交处以西200~300 km,界面出现约20~40 km的下沉,而长白山和龙岗火山的西北区域存在约5~15 km的抬升,分别与板片滞留引起的低温异常和局部热物质上涌相对应;410-km间断面的起伏形态较复杂,在大部分区域观测到大于10 km的下沉,且表现出明显的区域性横向变化,与深俯冲动力学背景下冷的温度异常造成的影响不一致.我们认为板片俯冲、停滞和海沟后撤过程中引起的地幔转换带物质异常、含水状态及分布的变化是显著改变410-km间断面形态的主要原因.本文获得的高精度地幔转换带界面三维形态为更好地认识东北亚地区俯冲板片在地幔物质分布和能量交换中的作用提供了重要参考.

     

利用P波接收函数研究青藏高原东南缘地幔转换带结构

研究青藏高原东南缘的深部结构对于理解印度-欧亚板块的碰撞机理和青藏高原的形成演化具有重要的科学意义.本研究对布设在研究区域内566个固定和流动地震台站的波形资料进行了处理,获得77853条高质量P波接收函数,应用接收函数共转换点（CCP）叠加技术获得了研究区域下方精细的地幔转换带间断面起伏形态及转换带厚度变化图像.结果表明：研究区域南北方向上具有两个明显的转换带增厚异常区,南侧异常区位于滇中次级块体与印支块体下方,可能是新特提斯洋板片与上部印度板块间断离并部分滞留在转换带底部的结果;北侧川西地区异常增厚可能与上方岩石圈拆沉并降至转换带有关;腾冲火山起源可能是板块俯冲过程中发生断离造成软流圈物质部分熔融,湿热物质上涌所致.

     

唐海-商都地震台阵剖面下方的地壳上地幔S波速度结构研究

2006年底,我们沿“张渤地震带”布设了一条从唐海—北京—商都的宽频带地震台阵剖面.本文利用台阵记录的远震波形资料,通过接收函数和面波联合反演对剖面下方100 km深度范围内地壳上地幔S波速度结构进行了研究.结果表明剖面东段莫霍面深度约30～34 km,西段深度约38～42 km,平原与山区的过渡地带地壳厚度变化较快.地壳内部10～20 km深度范围内存在多个低速体.在唐山7.8级地震震区附近Moho面出现小幅度隆起,中地壳存在明显的S波低速体.张家口以西,剖面下方10～20 km范围内存在两个S波低速体,张北6.2级地震发生在这两个低速体之间狭小的高速区. 在观测剖面附近,历史上发生的4个大震都与壳内低速体的分布有关. 张家口以东,上地幔普遍存在低速层,顶部埋深在60~80 km之间,并表现出明显的东部浅西部深的特点.     

Crust and upper mantle structures beneath Northeast China from receiver function studies

P-wave and S-wave receiver function analyses have been performed along a profile consisted of 27 broadband seismic stations to image the crustal and upper mantle discontinuities across Northeast China. The results show that the average Moho depth varies from about 37 km beneath the Daxing’anling orogenic belt in the west to about 33 km beneath the Songliao Basin, and to about 35 km beneath the Changbai mountain region in the east. Our results reveal that the Moho is generally flat beneath the Daxing’anling region and a remarkable Moho offset (about 4 km) exists beneath the basin-mountain boundary, the Daxing’anling-Taihang Gravity Line. Beneath the Tanlu faults zone, which seperates the Songliao Basin and Changbai region, the Moho is uplift and the crustal thickness changes rapidly. We interpret this feature as that the Tanlu faults might deeply penetrate into the upper mantle, and facilitate the mantle upwelling along the faults during the Cenozoic era. The average depth of the lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) is ~80 km along the profile which is thinner than an average thickness of a continental lithosphere. The LAB shows an arc-like shape in the basin, with the shallowest part approximately beneath the center of the basin. The uplift LAB beneath the basin might be related to the extensive lithospheric stretching in the Mesozoic. In the mantle transition zone, a structurally complicated 660 km discontinuity with a maximum 35 km depression beneath the Changbai region is observed. The 35 km depression is roughly coincident with the location of the stagnant western pacific slab on top of the 660 km discontinuity revealed by the recent P wave tomography.