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.     

中国地壳与上地幔结构的地球物理研究

地壳与上地幔是人类居住与获取各种资源、能源,改造和利用自然的重要场所,是地球科学的基础与生长点,六十年代以来发展迅猛。中国大陆、海域和过渡带地区的地壳和上地幔物理探索,在全球板块构造和驱动机制的研究具有特殊地位,文中分别就1)青藏高原地区的地壳结构,2)青海、甘肃地区地壳结构和地壳中的高速块层,3)中原地区的地壳与上地幔结构,4)京津及外围地区的地壳结构,5)隋县—南京—启东和隋县—安阳人工地震探测面的观测,6)利用面波和远震P波确定中国地壳和上地幔结构,7)中国地壳结构的基本轮廓等方面进行了讨论。     

青藏高原上地幔速度结构及其动力学性质

利用地震层析成像结果分析了中国西部地区的上地幔速度结构,发现青藏高原北部至东南边缘上地幔顶部速度普遍偏低;随着深度的增加,低速区主要分布在羌塘、松潘—甘孜和云南西部地区,而印度大陆、塔里木、柴达木、鄂尔多斯和四川盆地均显示出较高的速度.上述速度分布与青藏高原及周边地区的岩石层结构和深部动力性质密切相关:其中羌塘地区的低速异常反映了青藏北部的地幔上涌和局部熔融,起因于印度大陆岩石层的向北俯冲;松潘—甘孜地区的低速异常与青藏东部的深层物质流动及四川盆地刚性岩石层的阻挡有关;而滇西地区的低速异常可能受到印缅块体向东俯冲作用的影响.以上三个区域构成青藏高原和周边地区的主要地幔异常区.相比之下,印度大陆、塔里木、柴达木、鄂尔多斯和四川盆地的高速异常反映了大陆构造稳定地区的岩石层地幔特点.根据速度变化推测,地幔上涌和韧性变形并非贯穿整个青藏高原,而是主要集中在羌塘、松潘—甘孜和滇西地区,上述构造效应不仅导致岩石层厚度减薄且引发了火山和岩浆活动.     

青藏高原东北缘地壳及上地幔顶部速度结构研究

本文利用青藏高原东北缘71个固定台站与418个流动台站记录到的天然地震事件资料,采用双差层析成像方法对近震走时数据进行反演,获得了研究区高分辨率的三维P、S波速度结构和地震重定位结果.研究结果表明,本文给出的P、S波速度模型较已有的全球模型能更好的解释体波走时与面波相速度观测资料.松潘—甘孜和祁连构造带下方20～40 ...     

利用接收函数研究青藏高原东南缘的地壳上地幔结构

本文使用位于青藏高原东南缘的25个地震台站的远震数据,采用P波和S波接收函数的方法研究了台站下方的Moho深度、泊松比以及地幔过渡带的厚度.计算结果表明：① 青藏高原东南缘的地壳厚度由松潘—甘孜地体和羌塘地体的约60 km,向邻区的印支地体以及扬子板块分别减薄为约38 km和约42 km; ② 羌塘地体的泊松比主要集中范围为0.25～0.28,地壳物质组分主要为中基性岩石,推测与下地壳镁铁质成分的增加有关.松潘—甘孜块体、印支块体和扬子板块的泊松比为0.25～0.26,主要为中酸性岩石组分.缺乏高的泊松比(≥0.30)分布表明青藏高原东南缘的地壳不存在广泛的部分熔融,但是不排除局部部分熔融的存在;③ 青藏高原东南缘的羌塘地体内存在一个比较明显的、异常变化范围为10～26 km的地幔过渡带增厚区域,其对应着地幔过渡带内100℃～260℃的温度降低,可以推断与此异常区域的地幔过渡带内存在俯冲的板块有关.     

华北地区三维地壳上地幔结构

本文用均等显示滤波频时分析方法分析了长周期瑞利面波资料,获得了路经中国大陆及邻区的238条混合路径的面波群速度频散,其周期范围为10.5—113s.用改进的分格反演方法从混合路径频散中提取出位于华北地区的12个4°×4°网格单元的纯路径频散并反演其地壳上地幔结构.所得结果表明,华北地区地壳上地幔结构横向变化显著;从东向西地壳逐渐变厚;位于华北东部的分格在地壳中20km深处普遍存在低速层,整个华北地区上地幔低速层埋藏较浅,一般为55—100km之间.各个网格上地幔低速层的速度不尽相同.     

青藏高原东北缘地壳上地幔速度结构的地震层析成像研究

本文收集了甘肃、青海、宁夏、陕西和四川台网的130个台站1980-2002年间记录的3 229个区域地震(Ms≥1.5)和168个远震资料,从55 024个区域地震震相中挑选出了51 210个最大走时残差为3.0s的震相,选取了2 651个远震震相.层析成像结果显示:(1)青藏高原东北缘地区下地壳存在大范围的P波速度低速异常,上地幔顶部多数地区平均P波速度为8.05 km/s左右,接近于大陆下方全球的Pn波平均速度8.1 km/s,使得莫霍间断面比较清晰,莫霍面反射波能量较强;(2)研究区内发生大震的震中大多位于深度图中10 km的低速区、30 km的高速区附近和50km的低速区附近,表明这些区带为孕震区;(3)青藏高原东北缘地区的主要断裂带均是逆冲兼走滑断裂,多数位于速度正负异常的过渡区上,且很可能是超壳断裂;(4)从张掖经海原、平凉再向南拐的弧形地带可能就是青藏高原的边缘地带;且预示着阿拉善地块有地台活化的迹象;(5)从层析成像结果中切出的二维速度扰动剖面与人工地震测深剖面吻合较好.     

青藏高原中部地壳和上地幔各向异性分析

对布设于青藏高原中部INDEPTH-III宽频带数字地震台阵的41个台站记录的远震体波资料所提取出的P波接收函数和SKS波形资料做偏振分析,并采用以误差为权的叠加分析方法求得每一个台站的Pms和SKS快波偏振方向和快慢波的时间延迟,获得了从拉萨块体中部,经喀喇昆仑—嘉黎断裂系和班公湖—怒江缝合带,到羌塘块体中部的地壳和岩石圈地幔的地震波各向异性图像.从各向异性分析结果可以看到:Pms快慢波的时间延迟为0.3~0.5 s,在拉萨块体,快波方向主要为NE-SW向,在羌塘块体,快波方向为近E-W向.SKS快慢波的时间延迟为1~2 s,主要分布在拉萨块体的北端和羌塘块体,并且向靠近班公湖—怒江缝合带和昆仑—嘉黎断裂带的方向时差增大,快波方向基本与Pms快波方向一致.在喀喇昆仑—嘉黎断裂带以南的拉萨块体中部没有测量到明显的SKS分裂,这可能与该区存在双层快轴方向近垂直的各向异性层有关.结合研究区已有的研究成果可以推测:拉萨块体地壳各向异性层的快轴方向与印度—欧亚板块汇聚方向一致,可能与地壳较强刚性有关,其在板块汇聚过程中不易发生流展变形;而羌塘块体地壳和岩石圈中各向异性层的快轴方向与青藏高原物质逃逸方向一致,表明这一块体流变性均较强,在板块汇聚挤压力的作用下发生了侧向流变变形.     

华北地区三维地壳上地幔结构

本文用均等显示滤波频时分析方法分析了长周期瑞利面波资料,获得了路经中国大陆及邻区的238条混合路径的面波群速度频散,其周期范围为10.5-113s.用改进的分格反演方法从混合路径频散中提取出位于华北地区的12个4°×4°网格单元的纯路径频散并反演其地壳上地幔结构.所得结果表明,华北地区地壳上地幔结构横向变化显著;从东向西地壳逐渐变厚;位于华北东部的分格在地壳中20km深处普遍存在低速层,整个华北地区上地幔低速层埋藏较浅,一般为55-100km之间.各个网格上地幔低速层的速度不尽相同.     

青藏高原东南缘地壳上地幔三维S波速度结构及动力学意义

青藏高原东南缘地形地貌复杂,构造运动强烈,是研究青藏高原地下变形和物质运移的重点区域.文章通过该区域132个固定台站的10年地震瑞利面波的双台法频散分析,并融合背景噪声方法的面波频散数据,获得了周期为5～150s的瑞利面波相速度频散资料,然后使用面波直接反演方法得到了该区域从地壳到上地幔顶部的三维S波速度结构模型.观测到该区域中下地壳存在两条低速带,分别分布在松潘-甘孜块体与川滇菱形块体西北部地区,以及小江断裂带及其东侧的云贵高原地区.小江断裂带及东侧的低速体很可能是其地壳本身增厚导致了壳内长英质物质发生塑性变形甚至部分熔融而造成的.此外,该区域中下地壳呈现显著的正径向各向异性(VSHVSV)也增强了VSV结构的低速异常幅度.小江断裂带的壳内低速异常体向南跨过红河断裂带延伸到越南北部,其形成可能与上地幔热源密切相关.两条壳内低速带在安宁河-则木河断裂带附近被一个高速体所隔开,其正好位于峨眉山大火成岩省的内带和中带区域.在云南中部峨眉山大火成岩省内带地壳中观测到了一个非常明显的柱状高速体,可能是峨眉山大火成岩省形成时残留在地壳中的基性-超基性物质.在上地幔顶部,红河断裂以南的印支和华南块体中出现了大范围的低速异常,并随着深度增加逐渐沿着小江断裂带向北延伸进入扬子克拉通.基于成像结果,认为青藏高原东南缘正同时经历三种不同模式的构造运动:(1)上地壳物质强度较大,在大型走滑断层的控制下呈刚性挤出;(2)中下地壳存在被较高强度物质分隔开的两片黏塑性物质区域,在区域应力场和断裂带的控制下向南发生塑性运移;(3)红河断裂以南的上地幔主要受控于大规模的软流圈物质上涌,与岩石圈拆沉和缅甸下方印度板块的东向俯冲与后撤密切相关.     

青藏高原东部及其边缘地区的地壳上地幔三维速度结构

利用在青藏高原东部及其邻近地区记录到的１万余条近震到时资料,反演该地区的地壳上地幔三维速度结构。采用网格点模型描述三维速度结构,模型维数为２２２２６,网格点间距水平向为１００ｋｍ,垂直向为２０ｋｍ,网格点之间的速度值通过线性插值给出。采用改进了的快速三维射线追踪方法,确定三维非均匀介质中的地震射线路径和理论走时。反演结果显示,青藏高原南部的上地壳中（３０ｋｍ左右的深度）存在一低速区,这和面波反演的结果一致,羌塘块体下地壳有明显的低速异常带,青藏公路沿线的垂直速度剖面显示出岩石层受挤压增厚的构造特征。     

青藏高原东部及其边缘地区的地壳上地幔三维速度结构

利用在青藏高原东部及其邻近地区记录到的１万余条近震到时资料,反演该地区的地壳上地幔三维速度结构。采用网格点模型描述三维速度结构,模型维数为２２２２６,网格点间距水平向为１００ｋｍ,垂直向为２０ｋｍ,网格点之间的速度值通过线性插值给出。采用改进了的快速三维射线追踪方法,确定三维非均匀介质中的地震射线路径和理论走时。反演结果显示,青藏高原南部的上地壳中（３０ｋｍ左右的深度）存在一低速区,这和面波反演的结果一致,羌塘块体下地壳有明显的低速异常带,青藏公路沿线的垂直速度剖面显示出岩石层受挤压增厚的构造特征。     

地壳和上地幔地震活动性的地球动力学和地球物理标志

无论地壳还是地幔都发育着地震过程,地震与地球内部过程关系的理念早就成为地质学原理。下面以天山地震成因带和毗邻地区为例,分析研究可以识别孕震带的最佳标志。4.1地球动力学标志通过对天山造山带地壳的地质发展、构造体制、巨大构造带和地震活动性的比较分析,查明了地震活动性的地球物理的共同和特殊标志,共同标志有:——构造运动的总方向和特征改变,最新发展阶段的构造图式重新调整;——最新构造运动具有强度和差异性特征。在这方面,天山新构造不均匀性是最佳的地震活动标志。天山造山带最新地球动力学的重要特性归纳如下:中生代发生地…     

青藏高原东北缘地壳及上地幔间断面研究

青藏高原下方存在着世界上最大规模的陆陆碰撞,在这种碰撞过程中,青藏高原岩石圈发生了强烈变形,缩短量约750～1500 km,同时垂直方向平均隆升了约4500 m.     

豫北及其外围地区地壳上地幔结构研究

利用菏泽～长治和郑州～济南深地震测深剖面资料，进行了一维、二维射线追踪走时拟合与合成地震图计算，获得了该区地壳上地幔速度结构。结果表明，地壳上地幔速度结构在纵向和横向上具有明显的不均一性。浅部断裂较发育，对应其地壳深部界面和速度等值线起伏变化较明显。在华北坳陷区南部上地幔隆起的背景上存在两个局部凸起，凸起最高处与浅部的东濮凹陷、汤阴地堑基本对应，Ｍ面埋深分别约３１ｋｍ和３４ｋｍ     

青藏高原及邻近地区地壳与上地幔剪切波三维速度结构

本文利用30个基准台所记录的238条长周期面波资料,经过适配滤波和分格频散反演,得到中国大陆及邻区147个分格10-105s的纯路径频散,进而反演出青藏高原及邻近地区深至170km的剪切波三维速度结构.研究表明,青藏高原中西部地区和东部地区的地壳平均厚度分别为70±7km和65±7km,地壳平均剪切波速度分别为3.55和3.62km/s,上地幔顶盖平均速度分别为4.63和4.61km/s; 岩石层厚度均为120±10km;东部地区下地壳内30-40km深度处普遍存在低速层;青藏高原及其东侧的上地幔低速层内有横贯东西且明显向上隆起的低速腔.滇西缅北地区的地壳厚45±5km,上地壳及下地壳内都有低速层;上地幔顶盖的速度为4.42km/s,比青藏高原本体及恒河平原都低.恒河平原地壳厚34±2km,速度平均为3.45km/s;上地幔顶盖厚86±10km,速度平均为4.63km/s,顶盖内55-83km深处有一个低速夹层.     

地球内部的热事件与地壳上地幔结构的相关研究

本文计算并讨论了当地球内部有热脉动事件发生时非稳态的热作用模型及其对地热场和大地热流的影响。理论计算和实际资料表明,构造活动区和稳定地区应有不同的热作用过程,在构造活动区地壳内的低速,低阻层和上地幔的低速,低阻层的埋藏深度之差与该地的热活动史有一定的对应关系。如华北平原地区,观测的二层深度差为40—60公里,推测热脉动持续时间为40百万年,活动史为50—70百万年:而银川盆地二层间隔为36—40公里,活动史为30—40百万年     

东北地区地壳上地幔结构的探测与研究

本文简要综述了近30余年来在中国东北地区开展的重力资料反演、大地电磁测深、深地震测深、地震层析成像等深部地球物理探测与研究及其在该区取得的地壳上地幔结构研究成果。     

塔里木盆地重力场与地壳上地幔结构

根据重力和磁力资料分析,研究了塔里木盆地的莫霍界面和康氏界面深度分布特征及地壳上地幔的密度和磁性结构。结果表明,盆地内部莫霍界面深度为３７～４４ｋｍ,康氏界面深度为１５～３８ｋｍ,两界面基本同步起伏,深度分布主要有ＮＷ和ＮＥ两个优势方向。地壳上地幔构造具有与浅部地质构造尤其是基底构造基本同步的特征。盖层和结晶地壳的密度和磁性结构在垂直方向以及隆起和坳陷构造带间,都存在明显的不均一性     

青藏高原及邻近地区地壳与上地幔剪切波三维速度结构

本文利用30个基准台所记录的238条长周期面波资料,经过适配滤波和分格频散反演,得到中国大陆及邻区147个分格10—105s的纯路径频散,进而反演出青藏高原及邻近地区深至170km的剪切波三维速度结构.研究表明,青藏高原中西部地区和东部地区的地壳平均厚度分别为70±7km和65±7km,地壳平均剪切波速度分别为3.55和3.62km/s,上地幔顶盖平均速度分别为4.63和4.61km/s; 岩石层厚度均为120±10km;东部地区下地壳内30—40km深度处普遍存在低速层;青藏高原及其东侧的上地幔低速层内有横贯东西且明显向上隆起的低速腔.滇西缅北地区的地壳厚45±5km,上地壳及下地壳内都有低速层;上地幔顶盖的速度为4.42km/s,比青藏高原本体及恒河平原都低.恒河平原地壳厚34±2km,速度平均为3.45km/s;上地幔顶盖厚86±10km,速度平均为4.63km/s,顶盖内55—83km深处有一个低速夹层.