苏鲁大别造山带岩石圈三维P波速度结构特征

本文全面收集整理并解析了地学断面、地震测深、体波和面波层析成像资料,得到了苏鲁大别造山带及其邻区岩石圈1°×1°三维P波速度数据体。研究结果表明,苏鲁与大别造山带高压、超高压变质带的岩石圈速度结构具有上地壳明显高速且上凸;中地壳增厚;下地壳埋藏较深且下凹等相似的基本特征。苏鲁和大别超高压变质带下的莫霍面比其周围深2～4 km,深度分别达到32～33 km和34～38 km。在大别造山带,有地壳低速体从南向北俯冲到上地幔的迹象,可能显示了扬子地块地壳物质向华北地块俯冲,坠入上地幔的残留体。超高压变质带岩石圈底部的地幔,往往有明显高速层或高速体存在。苏鲁与大别地区的岩石圈速度结构不同特征及其成因在于苏鲁地区上地壳P波速度更高,但是,下地壳下凹没有大别地区明显,而且区域构造较为均一。这可能是受到郯庐断层左行平移的主控影响所致。郯庐断裂带的上、中地壳和上地幔表现为相对低速异常,郯庐断裂及其地下延伸部分将岩石圈地幔浅部低速层和深部高速层切为两段,其影响深达岩石圈底部约90 km处。     

苏鲁—大别超高压变质带地壳速度结构及其俯冲、折返机制

三维P波速度解析研究结果表明，苏鲁-大别超高压变质带岩石圈地壳速度结构均具有上地壳明显高速且上凸、中地壳增厚、下地壳埋藏较深且莫霍面下凹等基本特征。与大别地区相比较，苏鲁超高压变质带存在着上地壳波速更高，且地表高速区面积与上地壳高速体体积大于大别；而莫霍面下凹程度不如大别地区，地壳山根已逐步趋向消失等独特的区域特征。显示了苏鲁地区曾发生过更激烈的俯冲与折返构造运动，与大别地区相比，有更多高速、高密度的超高压变质岩折返到上地壳与地表；然而在造山运动过程中比大别更早进入了造山运动后期等特征。对比研究结果表明，苏鲁-大别地段的造山、演化过程中，在构造运动基本相似的背景下，存在着区域性特征。苏鲁地区的造山运动以及超高压变质作用，有起始略晚、发生时期较短但相对激烈、结束早、比大别更早进入了造山运动的后期等特征。笔者分析了苏鲁区域性特征形成的主要构造原因是，郯庐断裂带的大规模左旋走滑运动以及通过中国华北区域的大范围NXV—SE向扩张应力场的影响。其中，中生代以来大华北地区的大区域扩张应力场的影响可能是该区俯冲到地幔内的超高压变质岩能够大量折返回地表或上地壳的重要构造原因。     

上地幔三维S波速度结构与大别苏鲁超高压变质带俯冲折返机制探讨

本文分析了中国东部的上地幔剪切波速度结构及其与超高压变质岩带之间关系的构造意义。结果表明,在华北块体下面150km深处的速度高于扬子块体的速度值。大别-苏鲁造山构造带下面存在着一条地震波速度变化带。苏鲁、山东半岛下面的速度分布与大别造山带下面的速度分布处于同一个速度等值区域上。横跨大别造山带的南北走向速度结构剖面上,在100km以上的地壳和上地幔区域,华北块体下与扬子块体下面的速度均略低平均值。100km以下,大别造山带南北两侧的扬子与华北块体下面的速度结构分布形态大相径庭。华北下面的波速高于扬子块体下面的波速。大别造山带下呈现速度异常,界线的南侧,有一个略低于零速度的负波速异常区,呈现由南向华北块体的下方斜冲形态,下冲角度大约为30°,其先端部位下冲深达300多公里,其外围零速度等值线的分布区,斜向下延伸超过400km。在速度结构变化分界线的北侧,一个零速度值的分布区带,呈现出从由100多公里深处从北向南朝地表面斜上冲形态。这些速度结构成像的几何形态可能意味着200Ma前大别超高压变质岩带的形成与演化的俯冲、折返的构造运动在上地幔和岩石圈中留下的“痕迹”。     

苏鲁-大别造山带及其周围现代地壳应力场与构造运动区域特征

苏鲁-大别造山带是中国东部华北、华南地块之间的大地构造交界带.本文分析研究了我国东部的地震活动性,并根据1918～2005年间苏鲁-大别及其周围地区发生的1000余个地震的震源机制解,系统研究了应力场的区域特征以及华北、华南地壳应力场构造分区,探讨了其动力学来源以及构造运动特征.结果表明,中国东部大陆华北、华南地块地壳现代应力场和构造运动可以归结为太平洋板块和菲律宾海板块与欧亚板块之间相对运动,以及大陆板内区域块体之间相互作用的结果.华北地区受到太平洋板块向欧亚板块俯冲挤压的同时,受到从贝加尔湖经过大华北直到琉球海沟的广阔地域里存在着的统一的、方位为170°的引张应力场的控制.华北地区大地震的震源机制解均反映出震源应力场为ENE向挤压应力和NNW向张应力的共同作用.郯庐断裂带等华北地区的北北东走向的断裂带,表现为右旋走滑的现代构造运动特征.来自台湾纵谷的北西西向挤压应力控制了华南块体直至南北地震带南段东部地域的地壳应力场.本文研究结果表明,将中国东部大陆划分成华北、华南两部分的现代地壳应力场分界线,其西部大致与秦岭带相同,然而在大别及其以东地区则逐渐偏离大地构造带,到北纬30°后向东南偏转,在温州附近的北纬27°左右转为向东延伸,最终穿过东海直至琉球海沟.     

大别-郯庐-苏鲁造山带复合旋转拼贴作用

郯庐断裂带的成生演化与含超高压变质带(UHP)的大别及苏鲁造山带存在较密切的时空关系。郯庐断裂带所在的构造位置应是晚二叠世华北与扬子地块碰撞时的根带。UHP岩石的折返过程可能发生于华北、扬子地块的大角度旋转、拼合过程中。在华北与扬子地块的造山后期或者造山期后的构造变形中所记录的构造形迹经晚中生代以来的中国东部构造变形叠加而逐渐呈现复杂的构造组合,所谓“郯庐断裂带”的走滑平移即其中的一种运动方式。华北与扬子地块碰撞造山作用与陆内变形最终造就了大别—郯庐—苏鲁复合造山带。     

大别-苏鲁造山带的东延及板块缝合线:郯庐-鸭绿江-延吉断裂的厘定

根据大别-苏鲁造山带北缘和吉林-黑龙江东部的三叠纪浅变质加积杂岩特征标志,认为大别地区的板块缝合线为信阳-舒城断裂,苏鲁地区的为郯庐-鸭绿江断裂,且苏鲁造山带向北延入东北的吉林-黑龙江东部地区,而华北与扬子板块之间构造缝合线的东延部分则为郯庐-鸭绿江-图们江-延吉断裂。在此基础上,提出了亚洲东部三叠纪以来连续的俯冲-加积模型：(1)三叠纪扬子板块在华北板块向南突出部位(大别-苏鲁一带)发生点碰撞形成超高压变质岩,之后扬子板块由点碰撞逐渐向两侧旋转拼贴形成加积杂岩;(2)侏罗纪-新生代在三叠纪碰撞基础上,太平洋板块向欧亚大陆连续俯冲和加积,进而形成由三叠纪-新生代杂岩组成的欧亚大陆东部地区的巨大加积杂岩带。     

大别-苏鲁构造带三叠纪碰撞缝合线的位置

大别－苏鲁构造带内超高压（UHP）和高压（HP）变质岩石的分布和不同构造岩石单位间的关系表明, 三叠纪中朝与扬子克拉通碰撞及超高压和高压变质岩石形成时的古缝合线, 位于大别地块的北缘, 沿八里畈－磨子潭－晓天一线展布, 在苏鲁地区, 五莲－烟台断裂代表被强烈改造了的古缝合线的位置.大别山北部霍山县与岳西县交界地区以及舒城、桐城和潜山县交界地区UHP和HP单位岩石的大面积分布, 说明水吼－五河断裂不是UHP和HP榴辉岩相岩石的北限, 因而, 不代表缝合线位置, “南大别”与“北大别”地体的划分地质意义是不明确的.同时, 大别山北部的镁铁质及超镁铁质岩石块体群, 包括变形的方辉橄榄岩、纯橄榄岩组合及未变形的辉石岩、角闪辉石岩和辉长岩组合, 前者与榴辉岩相岩石有相同的变形变质及几何学特征, 后者是燕山期侵入体（123~130Ma）, 因此, 不是“变质蛇绿混杂岩”, 也不代表三叠纪陆－陆碰撞时期古缝合线.强调指出, 准确地鉴别三叠纪碰撞缝合线位置, 是正确理解UHP和HP岩石形成及折返动力学过程的关键.      

大别-苏鲁超高压变质岩研究新思路: 偏光显微镜阴极发光技术的应用

利用偏光显微镜阴极发光技术可观察到其他常规成分结构测试法不易识别或容易忽略的多种矿物的生长结构, 该技术是进行后续成分分析的有效预研究手段, 可为重建矿物形成演化过程提供重要信息.该技术在国际岩石矿物学、油气储层及矿床学领域应用广泛, 但在变质岩研究领域的应用较薄弱.综述该技术在国际超高压变质岩研究领域的应用, 并利用其对大别-苏鲁超高压变质带经典地区的超高压榴辉岩、云母片岩、大理岩进行初步研究, 讨论它在多期微细矿物相快速鉴别、生长环带、微量元素分布规律、双晶纹、出溶结构等内部结构表征方面的应用价值和前景.偏光显微镜阴极发光技术与拉曼光谱、扫描电镜、电子探针等分析技术相结合, 可为我国超高压变质岩的研究开辟和扩展一条新思路.      

大别-苏鲁造山带在朝鲜半岛可能的构造表现

在晚二叠世—早三叠世期间,中国的华北与扬子板块俯冲碰撞形成了大别-苏鲁造山带。针对这次碰撞作用向东在朝鲜半岛的延伸方式,近些年来不同学者提出了多种模式,但都有其局限性。通过比较临津江带、沃川带与大别造山带之间的构造活动关系,结合已有的变质地质学和地质年代学数据,建立了大别-苏鲁造山带在朝鲜半岛的东延模式。推测自临津江带至沃川带构成了一条较完整的中生代造山带,即大别-苏鲁造山带在朝鲜的东部延伸,原来意义上的“京畿地块”已不复存在。而岭南地块上与华北板块相似的信息可能是造山作用后期伸展拆离作用下来自朝鲜半岛北部的外来构造岩片所致。     

苏鲁造山带区域地壳山根结构特征

本利用苏鲁大别造山带及其邻区的三维P波速度资料,详细对比研究了苏鲁与大别超高压变质带莫霍面深度和深部P波速度结构分布特征。结果表明,尽管苏鲁、大别超高压变质带都具有上地壳明显高速且上凸;中地壳增厚;下地壳埋藏较深且下凹等共同的P波速度结构特征,与大别地区相比较,苏鲁超高压变质带还存在着独特的区域性特征。从地貌上看,苏鲁地区山脉已经基本消失。苏鲁超高压变质带的地壳厚度为32～33公里,深于其周围地区2～3公里,但是莫霍面下凹程度远不如大别地区,造山带地壳山根已逐步趋向消失。苏鲁地区上地壳P波速度高于大别,比其周围地区约快1～1．2km/s,有可能显示了该区有更多高速、高密度的超高压变质岩折返到上地壳与地表的岩石物性效果。大别造山带山脉依然存在,莫霍面下凹更明显,沿NWW向串状残留地壳山根最深为37～38公里,深于其周围地区3～4公里。对比研究结果表明,由于区域构造运动的作用,苏鲁大别造山带中的不同地段,在其造山、演化过程中也存在着差别。苏鲁的造山运动起始虽略晚于大别,但结束的更快,比大别更早进入了造山运动的后期。分析促使苏鲁造山运动进程加速的主要构造原因可能有两点,郯庐断裂带的左旋走滑运动以及通过中国华北区域的大范围NW-SE向扩张应力场的影响。大区域构造背景加速了苏鲁造山带地表高山侵蚀过程的同时,随着山根浮力的不断减弱,地壳深部山根逐渐趋向消失。地壳速度结构特征有可能反映了苏鲁造山带的地壳山根随着地表山脉的侵蚀而减弱,趋向消失的过程。     

Shallow Structure of the Crust in the Sulu-Dabie Region,China and its Seismotectonic Implication

The P-wave velocity structure in the shallow crust is investigated in and around the Sulu-Dabie region by using seismic reflection data for deep soundings in 48 survey profiles and from rock velocity determinations. The observed velocity distributions show obvious heterogeneities in this region. The low velocity anomalies are observed mainly in the west of the Dabie region and the East Sea regions. The high velocity anomalies emerge in the shallow crust of the Sulu and Dabie orogeny. These high-velocity anomalies can be attributed to the ultra-high pressure metamorphosed (UHPM) rock formed by exhumation motion of mantle materials during the orogeny. The high-velocity anomalies in the different shallow layers beneath the Sulu region are located to the northeast of the Tan-Lu fault. The high-velocity anomalies beneath the Dabie region are located southwest of the Tan-Lu fault. Such a distribution pattern of velocity anomaly zones may reveal historical motion of a left-lateral strike-slip for the Tan-Lu fault, which differs from the result of a right-lateral strike-slip motion regime known from modern seismology, indicating a more complex tectonic motion along the Tan-Lu fault.     

中国大陆科学钻探主孔100～2000m岩石弹性波速度：对地震深反射的约束

在常温常压条件对中国大陆科学钻CCSD主孔岩心的700样品进行了弹性波速度测量,并建立了主孔2000m的波速(Vp和Vs)连续剖面,为检验地球物理模型的合理解释提供了岩石物理学方面的宝贵资料。主孔中新鲜榴辉岩纵波速度(Vp)最大(7.86km／s),正副片麻岩波速最小,又分别为5.53km／s和5．71km／s,榴辉岩的波速随着退变质作用的增强而明显减小。主孔2000m总平均Vp速度为6．2km／s,它与地球物理探测方法获得的大别-苏鲁造山带上地壳具有6.2-6．3km／s高速层结论是一致的。大部分岩石具有明显地震波各向异性。水饱和度使岩石纵波(Vp)速度和剪切波速度(Vs)分别增加19％和6％,而使Vp的各向异性降低3％～4％。不同岩性界面的反射系数(Rc)是产生地震反射的主要原因。金红石榴辉岩与片麻岩之间具有很高的反射系数(0.24-0．31)。韧性剪切带中糜棱岩化片麻岩和面理化榴辉岩使岩石各向异性和反射强度明显增加。岩石微裂隙与主孔原位波速变化有密切关系。饱水岩石速度(Vp和Vs)可以代表CCSD主孔原位状态的地震波速度。上述成果为本区地震反射体成因提供了重要的岩石物理性质约束。     

Shear wave velocity structure beneath the Archaean granites around Hyderabad, inferred from receiver function analysis

Broadband receiver functions abstracted from teleseismicP waveforms recorded by a 3-component Streckeisen seismograph at Hyderabad, have been inverted to constrain the shear velocity structure of the underlying crust. Receiver functions obtained from the Hyderabad records of both shallow and intermediate focus earthquakes lying in different station-event azimuths, show a remarkable coherence in arrival times and shapes of the significant shear wave phases:Ps, PpPs, PsPs/PpSs, indicating horizontal stratification within the limits of resolution. This is also supported by the relatively small observed amplitudes of the tangential component receiver functions which are less than 10% of the corresponding radial component. Results of several hundred inversions of stacked receiver functions from closely clustered events (within 2°), show that the crust beneath the Hyderabad granites has a thickness of 36 ± 1 km, consisting of a 10 km thick top layer in which shear wave velocity is 3.54 ± 0.07 km/sec, underlain by a 26 ± 1 km thick lower crust in which the shear wave velocity varies uniformly with a small gradient of 0.02 km/sec/km. The shear wave velocity at its base is 4.1 ± 0.05 km/sec, just above the moho transition zone which is constrained to be less than 4 km thick, overlying a 4.74 ±0.1 km/sec half space.     

苏鲁超高压变质带的深部构造特征——宽频地震层析结果

为了探测苏鲁超高压变质带的岩石圈结构实施了山东日照到滨洲剖面的宽频带地震探测,于2003～2005年使用REFTER130-01型和CMG-6TD型三分量地震仪(频宽50～60s).以10～25km间距布设了25个台站观测近三年时间.由远震地震层析反演结果得到了华北板块、超高压变质带、扬子板块清晰的P波速度图像.华北板块具有简单的低速体形态,越过郯庐断裂向超高压变质带扩张,并平稳地由郯庐断裂向北延伸直到黄河以北的古城镇.Moho面和岩石圈深度分别为30～35km,75～80km;扬子板块为高速体,界于两者之间的苏鲁超高压变质带地壳的平均速度大于两侧板块,剖面上从日照到五莲-烟台断裂范围内除地壳为高速体外,30～60km深度范围内有一个高速体和一个低速体拼会在一起,构成了超高压变质带岩石圈最突出的构造特征.此高速体应为榴辉橄榄岩等超基性岩组成,它可能属于折返回来又被移动的超高压变质岩组合体,并与华北板块基底直接接触,超高压变质带的下界面深度为60km.下界面平直,可能意味着正在消退的造山带的山根,或是造山带的下一层Moho面?郯庐断裂带地壳出露的共四条带,比较陡的产状向深部延伸,并逐步向南倾,TLF2～TLF4在岩石圈底界处合并.     

榴辉岩的地震波性质：对苏鲁超高压变质带地壳成分和折返机制的探讨

本总结了榴辉岩的高温高压弹性波速测量结果,并将其应用于苏鲁超高压变质带地震资料的解释。由于榴辉岩具有高密度和高波速,它们和长英质片麻岩、大理岩、石英岩、角闪岩、麻粒岩、蛇纹石化橄榄岩的界面可以产生强反射。如果俯冲的陆壳物质以榴辉岩与围岩互层的形式在上地幔保留下来,就可能在造山带的上地幔产生地震反射。根据CCSD孔区地震剖面所建立的地壳成分模型表明：苏鲁超高压带地壳浅部的高速层可归因于夹在花岗质片麻岩、副片麻岩、角闪岩等岩石中的榴辉岩和超基性岩;中地壳主要由中酸性片麻岩、斜长角闪岩和副片麻岩组成;下地壳以中基性麻粒岩为主。在该超高压变质带现今的深部地壳,榴辉岩含量很少或几乎没有。因此,折返的超高压变质岩是以构造岩片的形式沿一系列剪切带逆冲并覆盖在正常的中下地壳之上,深部榴辉岩的缺乏可能与下地壳拆沉作用无关。     

Crustal heterogeneity and seismotectonics of the region around Beijing, China

A detailed three-dimensional (3-D) P-wave velocity model of the crust and uppermost mantle under the Chinese capital (Beijing) region is determined with a spatial resolution of 25 km in the horizontal direction and 4–17 km in depth. We used 48,750 precise P-wave arrival times from 2973 events of local crustal earthquakes, controlled seismic explosions and quarry blasts. These events were recorded by a new digital seismic network consisting of 101 seismic stations equipped with high-sensitivity seismometers. The data are analyzed by using a 3-D seismic tomography method. Our tomographic model provides new insights into the geological structure and tectonics of the region, such as the lithological variations and large fault zones across the major geological terranes like the North China Basin, the Taihangshan and the Yanshan mountainous areas. The velocity images of the upper crust reflect well the surface geological and topographic features. In the North China Basin, the depression and uplift areas are imaged as slow and fast velocities, respectively. The Taihangshan and Yanshan mountainous regions are generally imaged as broad high-velocity zones, while the Quaternary intermountain basins show up as small low-velocity anomalies. Velocity changes are visible across some of the large fault zones. Large crustal earthquakes, such as the 1976 Tangshan earthquake (M=7.8) and the 1679 Sanhe earthquake (M=8.0), generally occurred in high-velocity areas in the upper to middle crust. In the lower crust to the uppermost mantle under the source zones of the large earthquakes, however, low-velocity and high-conductivity anomalies exist, which are considered to be associated with fluids. The fluids in the lower crust may cause the weakening of the seismogenic layer in the upper and middle crust and thus contribute to the initiation of the large crustal earthquakes.