用接收函数方法研究华北克拉通中部造山带及其邻域地壳方位各向异性

华北克拉通是中国东部的重要组成部分,近年来众多研究结果表明,华北克拉通东部在中生代以来发生了明显的岩石圈减薄和破坏.深部岩石圈破坏过程必然伴随地壳构造变形.因此,详细的地壳变形信息可为认识华北克拉通东部的破坏过程和方式提供基本观测依据.文章采用远震接收函数集约束地壳方位各向异性结构的方法,对华北克拉通198个流动地震台站的莫霍面Ps转换波进行谐波分析,获得了其中23个台站下方稳定可靠的地壳平均方位各向异性结构信息,并进一步分析判断了这些台站所在的渤海湾盆地边缘、阴山-燕山造山带及太行山地区的地壳变形特征.研究结果显示,华北克拉通中部造山带邻域台站下方地壳的S波快慢波分裂时间从0.05到0.68s不等,平均值为0.23s,说明在研究区域存在明显的地壳方位各向异性.分析认为,华北克拉通破坏峰期中国东部强烈的NW-SE向伸展变形事件对该区域地壳方位各向异性的贡献很大.除此以外,渤海湾盆地边缘台站下方近E-W向的快波方向,说明该区域可能还受到ENE-WSW方向的现今地壳最大水平主压应力场的作用;阴山-燕山构造带附近地壳各向异性特征还受到侏罗纪到早白垩世多期主要为N-S向的缩短变形运动的影响;太行山地区的台站分裂时间较大,快波方向呈现一致的NW-SE向,与远震SKS波分裂方法得到的快波方向的一致性较好,推测该区域地壳变形可能主要与晚中生代到新生代以来的岩石圈改造和上地幔物质底侵有关.     

华北克拉通西部块体北缘及邻区地壳厚度与泊松比分布特征

收集了2010—2011年华北克拉通西部块体北缘及邻区布设的36个流动地震台和2009—2016年内蒙古自治区数字地震台网17个宽频带固定地震台站的远震事件波形数据, 采用接收函数H-κ算法分析获得了53个基岩台站下方的地壳厚度和泊松比结果。 此外, 结合已有的81个台站的研究成果, 给出华北克拉通西部块体北缘及邻区地壳厚度与泊松比分布特征。 综合分析认为, 研究区地壳厚度在整体上呈现自东向西渐变的特征, 最厚的地方出现在华北克拉通西端的阿拉善地块(～48.7±3.0 km)。 研究区平均泊松比为0.27, 泊松比高值异常出现在河套断陷带, 意味着可能具有较高的地壳温度或者存在壳内部分熔融。 研究区内不同构造单元呈现出显著的地壳厚度和泊松比分布特征的差异性, 意味着在华北克拉通构造演化过程中, 不同地区经历了不同的地壳改造过程。     

华北克拉通地壳结构区域差异的接收函数研究

利用远震数据接收函数H-?叠加和前人发表的共823个台站下方的Moho面深度与平均泊松比信息,结合地形与接收函数振幅资料,共同约束华北克拉通的地壳结构特征.结果表明华北克拉通古老和改造的地壳共存,与区域地形和地质构造有较好的对应关系.华北东、中和西三块体地壳结构差异明显,整体大致处于重力均衡状态,中西部局部地区和东部均衡度较低.它们的平均Moho面深度分别为33,37和42 km,而平均泊松比分别为0.268,0.267和0.264.Moho面深度或泊松比异常主要分布在裂陷区,中部南北缘以及构造边界附近;鄂尔多斯核心表现出典型克拉通性质的Moho面深度和泊松比.三个区域Moho面深度与泊松比都呈现出负相关的关系,但变化趋势存在差异.东、中部北缘接收函数振幅相对较大,裂陷及其邻区振幅相对偏低,燕山带和山西裂陷南侧振幅显示出小尺度变化.上述结果表明,华北东部地壳整体受到破坏减薄,中、西部地壳表现为局部改造.不同区域地壳结构的差异可能反映了华北地壳改造过程和机制的区域差异性:东部地壳整体破坏可能主要由中新生代以来东侧太平洋板块俯冲引起;中、西部地壳局部改造可能是其自身结构和性质的不均匀性在长期演化过程中多次改造活化的叠加效果.     

太行山与燕山交汇部位的地壳厚度与泊松比分布特征

本文搜集了2001—2013年间在太行山与燕山构造带交汇部位先后布设的4个宽频带流动地震台阵和首都圈固定地震台网共192个台站记录到的全球5.5级以上远震事件波形资料,综合采用接收函数H-κ和CCP叠加分析获得了134个基岩台站下方的地壳厚度和泊松比结果.综合分析与前人研究相吻合但更加精细的地壳约束分布信息,发现研究区域的地壳厚度和泊松比在整体上呈现出从西北到东南方向渐变的特征,在南北重力梯度带两侧及其附近呈现出明显的小尺度地壳结构和物质组分的差异,且可明显区分出太行山地区和燕山构造带及盆山交界处的地壳厚度与泊松比的相对差异,这可能反映了这些地区在华北克拉通的构造演化过程中所经历的不同地壳改造过程.     

华北克拉通中东部地壳三维速度结构模型(HBCrust1.0)

华北克拉通中东部岩石圈减薄研究已经成为近年固体地球科学研究的热点,同时该区域也是中国强震的多发区.在华北及邻近地区已完成了二维人工地震宽角反射/折射探测(简称DSS剖面探测)剖面42条,文章收集了这些二维探测剖面的研究成果,在对二维剖面速度结构和界面结构进行网格化处理的基础上,采用克里金(Kriging)插值方法构建了华北克拉通中东部地壳三维速度结构模型HBCrust1.0.采用走时拟合的办法对模型进行了检验,结果表明,用HBCrust1.0地壳模型计算得到的初至波走时与实际台站观测到的初至波走时之间拟合良好.研究结果表明,上地壳是主要的孕震层,C界面(上、下地壳分界面)附近区域是地壳内部的脆韧转换带.唐山地震震源区下方Moho面深度有明显的变化,其低速结构一直延续到下地壳,推断唐山地震的应力积累与地幔物质运移和变形密切相关.克拉通东部华北盆地中心区域的下地壳平均速度明显要高于周围地区,可能是地幔岩浆长期底侵作用的结果.     

青藏高原地壳的三维密度结构和物质运动

应用区域重力场小波多尺度分析和反演于青藏区后,得到6个地壳等效层密度扰动图件,刻划了地壳三维密度结构,为研究地壳构造和物质运动提供了重要佐证.研究表明在青藏高原地壳内密度变化有以下三个规律.1)从上地壳到下地壳,平面分布上低密度区的分布范围逐渐扩大;在下地壳只有刚性克拉通地体才有显示高密度.2)从上地壳到下地壳,平面分布上密度扰动区的尺度逐渐扩大;到下地壳高或低的密度区不仅数量大为减少,而且边界更加清晰.3)从上地壳到下地壳,青藏高原南部的低密度带不断向北移动,反映印度陆块向欧亚大陆的向北俯冲.青藏高原下地壳密度高的克拉通地体有羌塘、柴达木和巴颜喀拉三个;而昆仑山、阿尔金山、祁连山和冈底斯地块都属于低密度的中新生代构造活动单元.拉萨地块也是低密度地块,在中下地壳它与冈底斯地块相连,应归属于中新生代构造活动单元.松潘甘孜地块在下地壳为低密度,但在上中地壳逐步变为高密度,并与巴颜喀拉克拉通地体连接.这种情况可能反映巴颜喀拉地体的上地壳随印澳板块俯冲向东南方向挤出.青藏高原低密度的物质也由下地壳向上挤出,在中上地壳体积迅速减小.由于下地壳低密度的物质向上挤出,中地壳密度高的克拉通地体会相应发生裂解,使克拉通地块的数目增加.高原北缘的下地壳低密度物质侧向挤出的枝杈有三支;其中一支从西昆仑到天山,另一支从龙门山西秦岭到银川盆地.第三支从高原南缘理塘到大理.它们可能反映下地壳管道流,宽度约180~300km.7级以上地震震中都位于下地壳低密度物质侧向挤出枝杈周围,可能与下地壳管道流位置吻合.     

华北克拉通中西部地区瑞利面波噪声层析成像

根据2011年在鄂尔多斯地区新架的51套宽频带流动地震台数据,结合区域数字地震台网138个固定台站和2007年华北流动地震台阵连续一年的地震记录,基于背景噪声成像的基本原理与方法得到了华北克拉通中西部地区6～36S的瑞利面波群速度分布图像。6～15s的成像结果很好地对应于上地壳的隆起和塌陷盆地构造;16~30S的成像结果揭示了大同盆地和汾河谷地西侧可能存在中下地壳低速层;30~36S的成像结果反映了华北克拉通地壳东薄西厚的总格局,和断陷盆地下方莫霍面相对隆起的局部特征。     

利用噪声层析成像研究华北克拉通中-西部南段及邻区祁连造山带地壳S波各向异性速度结构

利用跨越华北克拉通中-西部南段及邻区祁连造山带的宽频带密集流动地震台阵共64个台站约一年的连续记录,采用地震背景噪声层析成像方法,获得了台阵下方5~35s的Rayleigh面波和5~30s的Love面波相速度分布,并进一步反演获得了地壳SV、SH波速度和径向各向异性(2×(V_(sh).V_(sv))/(V_(sh)+V_(sv)))结构图像.我们的研究结果显示,研究区地壳速度结构存在明显的区域差异.克拉通中部南段地壳结构变化复杂,广泛存在壳内低速体,可能是在中-新生代构造和岩浆活动中被改造的反映.陕西-山西裂陷区及附近区域的下地壳至壳幔边界表现出强的正径向各向异性特征,可能与中-新生代地幔基性-超基性铁镁质物质底侵有关.克拉通西部鄂尔多斯块体地壳结构相对简单,与其稳定的克拉通构造属性相吻合.该地区浅层为东薄西厚的低速且西向单斜结构,可能与鄂尔多斯显生宙时期的整体掀斜以及晚白垩世以来遭受的强烈差异剥蚀有关;中-下地壳速度较高,不存在显著壳内低速体,并表现为大尺度的正径向各向异性特征,可能还保存了鄂尔多斯块体早期形成时的结构特征.结合前人对华北克拉通北段的研究结果,我们发现克拉通中-西部的南、北段地壳结构相似性和差异性并存,推测可能与克拉通形成之前和形成之后,南、北段各自经历不同的构造过程有关.在克拉通以西的祁连造山带,中地壳存在一近水平且自西向东逐渐减弱的低速层,可能反映该区域受新生代青藏高原东北缘侧向生长的影响,在强烈的挤压构造背景下地壳内部发生了垂向叠置和强烈的韧性变形,且不支持与青藏高原中下地壳流有关.     

秦岭造山带与南北相邻地带远震接收函数与地壳结构

从2013年3月至2014年11月,我们布设了一条延川—涪陵的流动宽频带地震台阵,剖面由70个流动台站组成,全长约900km,穿越华北克拉通、秦岭—大巴造山带和扬子克拉通东北缘陆内三大构造单元.利用记录到的远震波形资料,提取得到5638个远震P波接收函数,使用H-κ叠加扫描和CCP偏移叠加方法刻划了秦岭造山带与南北相邻地带的地壳厚度、泊松比以及构造界带.研究结果显示,(1)关于地壳厚度:地壳最厚的区域出现在大巴山,地壳厚度集中在47~51km之间,秦岭的地壳厚度相对大巴山较薄,且呈向北减薄趋势,集中在37~46km之间,渭河盆地地壳厚度为本区域最薄地带,在34°N左右处达到最薄为35km,剖面北侧的南鄂尔多斯盆地的地壳厚度变化缓慢,多为44km左右,南侧的四川盆地东北缘的地壳厚度向南缓慢减薄,集中在42~48km之间;(2)关于泊松比:使用接收函数H-κ叠加扫描法得到了沿剖面各台站下方地壳的平均纵、横波速度比VP/VS(κ),进一步计算得到泊松比σ,泊松比具有明显的横向分块特征,秦岭造山带的泊松比明显低于南北两侧区域,其小于0.26的泊松比表征着该区域地壳物质组分主要为酸性岩石,亦即其酸性长英质组分上地壳相对于基性铁镁质组分下地壳较厚,该区域没有高泊松比分布则表明不存在广泛的部分熔融.(3)关于构造界带:秦岭—大巴造山带与扬子克拉通的边界并非在勉略构造带,应向南移至四川盆地的东北缘,华北克拉通和扬子克拉通分踞秦岭—大巴造山带南、北两侧,且分别以较陡倾角向南和相对较缓的倾角向北俯冲于秦岭—大巴造山带之下,使得秦岭—大巴造山带呈不对称状扇形向外扩展与向上抬升的空间几何模型.秦岭和大巴山之间33°N附近存在分界面,两区域地壳厚度与泊松比特征各异.     

鄂尔多斯块体及周边区域地壳结构的接收函数研究

鄂尔多斯块体及周边区域的深部构造研究对于了解华北克拉通与其周边地带形成、发展和克拉通破坏具有怎样的壳、幔结构和深层动力学过程具有重要的意义.本文利用北京大学和中国地震局在华北克拉通西部地区布设的共32台宽频带地震仪记录的远震体波资料,组成一条近南北向的观测剖面,由北至南依次穿过阴山造山带、河套盆地、鄂尔多斯块体、渭河盆地、秦岭造山带和大巴山系.计算各台站的P波接收函数,利用倾斜叠加(H-κ)方法得到了研究区域地壳厚度和泊松比;利用Kirchhoff偏移成像方法得到了研究区域下方Moho面的形态.研究结果表明,阴山造山带地壳厚度为42~44km,地壳结构稳定,泊松比约为0.27,推测该区域的造山运动是深部物质上涌导致.河套盆地内Moho面抬升,可认为是岩石圈物质上涌导致.鄂尔多斯块体内平均地壳厚度41.2km,泊松比0.27,Moho面从北至南平缓有平缓抬升的趋势,从最北端的43.5km到最南端的39km.鄂尔多斯块体北部在20km深度处存在低速层,块体内部36°N~37°N区域内出现Moho面小规模下沉,这对鄂尔多斯块体地壳结构单一、完整、未遭到破坏的观点提出了挑战.渭河盆地内Moho面隆起,最浅达到30km,推测是青藏高原地壳上地幔物质向东挤出并上涌所造成的.秦岭造山带地壳厚度约38.5km,Moho面平稳.位于扬子板块北缘的大巴山系地壳厚度达到54.5km,明显大于华北克拉通的地壳厚度.     

Study of crustal thickness and poisson’s ratio of the south of Erenhot area by teleseismic receiver function

The Xing’an Mongolian Orogenic Belt (XMOB) and the northern margin of North China Craton (NCC) have undergone multistage tectonic superimposition and the tectonic evolution is extremely complicated. We collect the teleseismic data of 44 temporary broadband seismic stations deployed in the XMOB and the northern margin of NCC to calculate the P wave receiver functions. The crustal thickness and average crustal ratio as well as the Poisson’s ratios beneath 33 stations are estimated using the H-κ stacking method. The results show: (1) the crustal thickness of the study area ranges from 38.7 to 42.7 km, with an average thickness of 41.2 km. There is a great difference in crustal thickness on both sides of Solonker suture zone. The characteristics of crustal thickness support the geodynamic model that the Paleo-Asian Ocean subducted and closed at the Solonker suture zone. (2) The Poisson’s ratios in the study area are low, ranging from 0.215 to 0.277, with an average value of 0.243, suggesting that the rock composition of the area is dominated by felsic-acid rocks. (3) There exists a negative correlation between the Poisson’s ratio and the crustal thickness. Combined with the lower values of Poisson’s ratio, we speculate that the delamination is the major mechanism in crustal extension and thinning in the study area.     

Receiver function analysis for seismic structure of the crust and uppermost mantle in the Liupanshan area,China

A portable broadband seismic array was deployed from the northeast Tibetan Plateau to the southwest Ordos block, China. The seismic structure of the crust and uppermost mantle of the Liupanshan area is obtained using receiver function analysis of teleseismic body waves. The crustal thickness and Poisson’s ratios are estimated by stacking the weighted amplitudes of receiver functions. Our results reveal complex seismic phases in the Liupanshan area, implying intense deformation at the boundary between the Tibetan Plateau and the Ordos block. The average crustal thickness is 51.5 km in the northeast Tibetan Plateau, 53.5 km in the Liupan Mountain and 50 km in the southwest Ordos block, resulting in a concave Moho beneath the Liupan Mountain. The Poisson’s ratio of the Liupanshan area varies between 0.27–0.29, higher than the value of 0.25–0.26 to the east and west of the Liupan Mountain, suggesting partial melting in the lower crust. The variance in Poisson’s ratio across the Liupan Mountain indicates notable changes in the crustal composition and mechanical properties, which may be formed by the northeastward flow of the Tibetan lower crust during the India-Eurasia collision.

     

利用远震接收函数研究辽宁地区的地壳厚度及泊松比

文中利用辽宁省数字地震遥测台网15个台站记录的远震P波波形资料,用频率域反褶积方法提取接收函数,由H-Kappa叠加方法得到了各台站下方的地壳厚度和泊松比。研究结果表明,辽宁地区的地壳泊松比在0.25～0.29之间,地壳厚度介于31～36km之间,东部褶隆带的地壳厚度从北向南由31km增至35km。松辽构造盆地地壳厚度变化不大,平均厚度为31km。辽西褶隆带与东部褶隆带的地壳厚度均比哈尔滨构造盆地厚约2～4km     

利用远震接收函数反演陕西地震台站下方的地壳厚度

文中利用陕西数字地震遥测台网14个遥测子台记录的远震波形资料,用频率域反褶积方法提取接收函数,由H-Kappa叠加方法反演得到各台站下方的地壳厚度和泊松比。在此基础上结合相关地震构造文献,对陕西地区的地壳特征进行了分析,并讨论了陕西地震活动与地壳结构、地质构造之间的关系。研究结果表明:1)陕西地区的地壳总体趋势是东薄西厚,陕西南部和北部地区地壳较厚(≥40km),位于陕西中部的渭河盆地地壳较薄(34～40km);14个台站中,渭河盆地东部与山西交界的华阴台下方地壳厚度最薄(34km),而盆地西北端的陇县台位于六盘山余脉上,地壳厚度最厚(48km)。2)陕西地区泊松比值总体变化不大(0.24～0.29),可能表明这一地区的岩石组成以中度组分为主;以渭河盆地为界,向北靠近地台一侧泊松比值相对较高,向南靠近秦岭山脉一侧则比值相对较低。3)地震活动与地质构造之间存在内在的联系。渭河盆地处于几个构造体系的复合部位,属于强地震的多发区;陕西南部地区的地震活动相对较弱,主要发生在汉中盆地和安康盆地,受陕南几条主要断裂控制;陕西北部地区地质构造相对稳定,地震活动最弱。泊松比反映了地球内部的物质构成,分析认为其与地震活动存在一     

张家口—渤海地震活动带及其邻区的地壳厚度与泊松比分布

利用山东、 河北、 辽宁、 北京、 天津等区域地震台网记录的远震资料, 采用接收函数H-k叠加搜索方法, 得到了张家口—渤海地震活动带及其邻区99个台站下方的地壳厚度和平均泊松比估计. 研究结果显示: 研究区地壳厚度在30—46 km之间显著变化, 地壳厚度与地表地形相关性很好, 呈现出从隆起区到盆地区逐渐减薄的变化趋势; 研究区地壳泊松比具有明显的分区特点, 燕山地区泊松比偏低可能与该地区克拉通破坏方式以拆沉为主有关, 郯城—庐江断裂带山东段出现的泊松比高低混杂现象可能与该地区火山活动有关, 张家口—渤海地震活动带西段与隆起的交汇地带, 部分台站下方地壳的泊松比值偏高, 可能是断裂带附近岩石比较破碎与岩石部分熔融共同作用的结果. 此外, 位于渤海湾中间岛链上的北隍城台下方地壳较厚, 泊松比较低, 其原因尚待查明.      

利用远震接收函数研究华北克拉通北部造山带地壳厚度及泊松比

对2006年10月—2009年9月华北克拉通北部太行山—燕山造山带及相邻区域115套宽频带流动台和6套甚宽频流动台的接收函数数据,使用预测反褶积方法进行处理,消除沉积层的影响;然后利用谐波校正的H-κ-c叠加方法,得到了华北克拉通北部造山带及邻近区域消除地壳S波方位各向异性及倾斜界面影响的地壳厚度及泊松比。研究结果表明,研究区地壳厚度呈现西厚东薄的整体特征,地壳厚度与地形存在高度相关性,且基本符合艾里（Airy）均衡理论。西部陆块泊松比较低,表明其相对稳定,中部造山带和东部陆块的泊松比分布不均匀,可能遭受过复杂的改造过程。结合前人的研究结果,推测怀来—延庆盆地及唐山南部存在地壳部分熔融和上地幔物质的上侵,石家庄北部存在下地壳拆沉,保定—房山一带下地壳拆沉后,受伸展作用影响遭遇地幔物质底侵。不同区域地壳结构的差异性导致了谐波矫正前后研究区地壳厚度及平均泊松比变化的分布不同。     

利用远震P波接收函数研究中国福建地区地壳厚度和泊松比

地壳厚度和泊松比是反映地壳结构和内部物质组成的重要参数,能够为区域构造和动力学研究提供重要依据.本文基于福建地区分布相对均匀的88个测震台2014—2017年的远震波形数据提取P波接收函数,采用H-κ叠加获得台站下方的地壳厚度和泊松比,并与该地区已有的研究结果进行对比、分析及整合,最终获得了研究区117个观测台站下方的...     

利用宽频带地震数据资料研究辽宁地区的地壳结构

通过收集辽宁省地震局数字地震台网34个地震台站记录的2008—2009年的60个震中距为30°~90°之间,震级6,信噪比较高的远震记录数据,采用频率域反褶积方法计算获得各台站的远震P波接收函数,并用H-Kappa叠加方法对获得的接收函数进行叠加处理获得各台站下方的地壳厚度以及泊松比。通过研究表明,辽宁地区的地壳泊松比在0.24~0.29之间,地壳厚度介于30~36km之间。     

Receiver function analysis for seismic structure of the crust and uppermost mantle in the Liupanshan area, China

A portable broadband seismic array was deployed from the northeast Tibetan Plateau to the southwest Ordos block, China. The seismic structure of the crust and uppermost mantle of the Liupanshan area is obtained using receiver function analysis of teleseismic body waves. The crustal thickness and Poisson's ratios are estimated by stacking the weighted amplitudes of receiver functions. Our results reveal complex seismic phases in the Liupanshan area, implying intense deformation at the boundary between the Tibetan Plateau and the Ordos block. The average crustal thickness is 51.5 km in the northeast Tibetan Plateau, 53.5 km in the Liupan Mountain and 50 km in the southwest Ordos block, resulting in a concave Moho beneath the Liupan Mountain. The Poisson's ratio of the Liupanshan area varies between 0.27-0.29, higher than the value of 0.25-0.26 to the east and west of the Liupan Mountain, suggesting partial melting in the lower crust. The variance in Poisson's ratio across the Liupan Mountain indicates notable changes in the crustal composition and mechanical properties, which may be formed by the northeastward flow of the Tibetan lower crust during the India-Eurasia collision.