华北地壳上地幔结构及其大地震深部构造成因

华北克拉通是中国大陆东部的一个重要的大地构造单元.20世纪60~70年代,华北地区发生了一系列强烈地震.近半个世纪以来,中国地震学家对华北地区地壳上地幔结构开展了大量的探测和研究,在地壳上地幔结构以及与强烈地震相关的深部构造环境等重大地球科学问题上取得了显著的进展.华北大震区的深地震剖面探测显示了地壳上部铲式正断层和低角度的滑脱构造与震源下方贯通下地壳直至莫霍面的高角度深断裂共存的复杂构造图像.地震层析成像揭示,华北大震大多都发生在高速与低速区的过渡带上,而唐山地震区中-下地壳存在明显的低速异常.震源区下方的低速异常带,地壳深浅构造不一致,高角度超壳深断裂,上地幔顶部速度偏低,以及莫霍界面局部隆起等,是华北伸展构造区深部孕震环境的共同特征,表明华北岩石圈结构具有高度不均匀性.华北克拉通现今的强烈地震活动性以及偏低的下地壳速度,显著区别于世界上其他稳定克拉通.所有这些都是华北克拉通破坏的重要证据.尽管深地震探测和地震层析成像研究大大丰富了深部构造和孕震环境的知识,一些深层次的问题需要进一步的研究.     

鄂尔多斯及其周边区域远震P波速度结构及与强震活动的关系

<正>与华北克拉通东部地块岩石圈大规模减薄不同,华北克拉通西部的鄂尔多斯地块至今仍保留着古老克拉通的特性,但鄂尔多斯周缘断裂活动剧烈,地震活动频繁。本研究综合利用全国固定台站以及中国地震局地球物理研究所近期在鄂尔多斯西缘布设的喜马拉雅二期台站记录的远震波形数据,反演获得了该区域的深部速度结构,进而对鄂尔多斯地块的稳定及其周缘断裂强震活动的内在机制问题进行了探讨。本研究采用Zhao(1992,1994)发展的走时层析成像方法,该方法首先基于一维速度模型计算P波理论     

华北克拉通东北部的远震S波走时层析成像研究

华北克拉通是近年来我国地学界研究的热点之一.本文利用布设在华北东北部地区的华北地震科学台阵所记录的远震波形资料,用波形互相关方法拾取了9105条S波走时残差数据,进而用体波走时层析成像方法反演获得了研究区从地表至600 km深度的S波速度结构.所获得的S波层析成像结果表明,华北克拉通中部块体的山西断陷带低速异常一直从地面延伸至上地幔约300 km深处,推测该低速异常体可能与中、新生代的大同火山群的形成与活动有关.研究发现华北东部存在一高速异常体由东部渤中凹陷的地壳一直向西延伸至太行山山前断裂下方地幔转换带410 km附近,推测该高速异常体可能为太平洋板片向西俯冲在华北克拉通东部块体下方地幔过渡带内的滞留.研究结果显示华北克拉通东部的华北盆地表现为高低速相间分布,表明该地区下方的岩石圈发生了破坏,而位于华北克拉通北缘的燕山造山带显示为高速异常,表明燕山造山带下方的岩石圈没有明显的破坏迹象.

     

有限频体波走时层析成像及其在华北地区的应用

自层析成像被引入到研究地球内部结构以来,地震层析成像发展迅速,现已成为研究地球深部结构的有效方法之一。按层析成像的理论依据,可以把地震层析成像分为射线层析成像和有限频层析成像。本文旨在掌握一种有限频灵敏度算核的计算方法,进而构建有限频层析成像的反演计算,并用有限频层析成像的方法研究华北克拉通上地幔的速度结构及其动力学意义。     

华北克拉通及东邻西太平洋活动大陆边缘地区的P波速度结构：对岩石圈减薄动力学过程的探讨

本文通过地震层析成像研究获得了华北克拉通及其东邻地区（30°N-50°N,95°E -145°E）1°×1°的P波速度扰动图像.结果显示,在西太平洋俯冲带地区,上地幔中西倾的板片状高速异常体与其上方的低速异常区构成俯冲带与上覆地幔楔的典型速度结构式样.俯冲板片高速体在约300~400 km深度范围内被低速物质充填,暗示俯冲板片可能发生了断离.在华北克拉通地区的上地幔中发现三个东倾排列的高速异常带.在此基础上,本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系.本文认为,太平洋板片的俯冲（断离）,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造（底侵与弱化）.随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分三个阶段依次拆沉减薄.这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象.     

利用接收函数方法研究华北克拉通地壳上地幔结构

华北克拉通的“去根”作用是克拉通活化的代表。研究其内部动力学对于了解华北克拉通的“去根”方式有着十分重要的意义。本文回顾了全球范围内的地幔动力学模式以及前人对于华北克拉通的地质、岩石圈、各向异性以及地幔过渡带等研究结果,以及通过层析成像和各向异性的研究结果所推测出的华北克拉通的动力学模式,介绍了接收函数以及其波形模拟、H一Ⅳ的叠加以及CCP叠加方法的基本原理。     

华北地区勒夫波噪声层析成像研究

利用华北地震科学台阵200个流动地震台站、14个月的连续波形数据,通过互相关方法提取了勒夫波的经验格林函数,使用多重滤波方法测量了5229条勒夫波的群速度频散曲线,采用噪声层析成像方法得到了研究区域4~30 s的勒夫波群速度分布图像,横向分辨率在多数区域可以达到0.25°×0.25°. 层析成像结果显示,短周期的群速度分布特征与地表地质和构造特征基本一致,华北盆地和山西断陷带内的盆地呈现低速异常,燕山隆起和太行山隆起表现为高速异常;中周期的群速度分布图揭示了华北盆地内部隆起和坳陷的空间分布范围及沉积层的厚度差异. 勒夫波频散曲线具有明显的分区特征,太行山隆起、燕山隆起和鄂尔多斯块体东北缘的频散曲线形态基本一致,和其它典型克拉通相似;张渤地震带和山西裂谷盆地的频散曲线基本一致,接近于埃塞俄比亚裂谷. 中西部块体的平均频散曲线和其它典型克拉通相似,而东部块体的频散曲线和中西部块体存在较大差异,且低于其它典型克拉通,表明东部块体的地壳受到了强烈的破坏和改造,而中西部块体受改造的程度较低,仍具有稳定克拉通的物理性质. 太行山重力梯度带的东西两侧在地形地貌、速度结构、频散特征、地壳厚度、岩石圈厚度以及地幔过渡带厚度均存在显著差异,是划分华北克拉通破坏空间范围的一条重要界线,推测华北克拉通的破坏范围主要在太行山重力梯度带以东.     

华北克拉通地区基于程函方程的面波层析成像

利用布设在华北克拉通地区的流动和固定地震台站记录到的地震波数据,使用基于程函方程的面波成像方法获得了整个华北克拉通地区瑞利波15~150 s周期的相速度,并反演了研究区S波速度结构.中长周期相速度结果显示,在上地幔及岩石圈深度范围内,燕山地区表现为高速特征,华北克拉通中部大同盆地及其以南地区、太行山等区域的低速体与华北盆地的低速体相连,呈现大面积的低速异常,低速体的速度值比青藏高原东北缘的速度值更低;S波速度显示鄂尔多斯岩石圈厚度较厚,克拉通中部和华北盆地岩石圈厚度相差不大,燕山地区岩石圈厚度要厚于华北盆地.本文认为华北克拉通岩石圈破坏存在分区性,克拉通中部和燕山地区均存在一定的克拉通破坏,但破坏程度不同,鄂尔多斯地块北部存在局部克拉通改造,但克拉通稳定性特征依然存在;破坏的主要动力学来源更可能是太平洋板块的西向俯冲.研究发现克拉通中部和东部的强震分布区与克拉通破坏区域重合,大部分强震发生在岩石圈强度边界上,分析认为岩石圈强度的差异是岩石圈强度边界上显示出较高的强震活动性的原因.

     

华北克拉通岩石圈三维密度结构

显生宙以来华北克拉通岩石圈遭到破坏,这一现象的科学问题已受到世界地学家广泛关注.本文首先将地震层析成像反演得到的P波速度扰动转化为密度扰动,以此作为初始密度模型,然后利用布格重力异常反演得到了华北克拉通岩石圈高分辨三维密度结构.为了避开大型稀疏矩阵求逆计算,提高计算效率,我们将代数重构技术用于密度反演解算.反演结果表明:华北克拉通岩石圈密度在横向和纵向上均存在明显的不均匀性,密度分布形态与地表构造格局有很好的相关性;研究区地壳整体表现为低密度异常,地壳以下岩石圈部分则以高密度异常为主;鄂尔多斯块体地壳范围内以低密度异常为主,80~120 km深度上为呈南北两端集中分布的高密度异常,并分别与秦岭造山带和阴山造山带的高密度异常分布相连,这暗示了鄂尔多斯块体可能受到了来自其南北两端造山带深部动力学过程的影响;80~120 km深度上,华北克拉通东部地区呈现出显著的南北向非均匀的高密度异常,这表明遭到破坏后该地区上地幔物质分布具有强烈的南北向非均匀性.     

鄂尔多斯块体-华北地区地壳上地幔P波三维速度结构

本文利用华北地震科学台阵、鄂尔多斯及周缘地震台网和区域地震台网记录的62736个远震P波走时数据,获得了鄂尔多斯块体中部与华北地区之间400km深度范围内的P波三维速度结构.考虑到研究区的复杂地质结构,本文采用FMM算法和子空间反演算法进行地震层析成像.成像结果表明:1)研究区的地壳速度分布与地质构造格局的相关性显著,随着深度的增加相关性减弱;断裂带多为高速异常区和低速异常区的分界线.2)研究区东部的速度结构与鄂尔多斯块体相比存在明显的不均一性,上地幔高速异常具有南北不均匀性.表明华北克拉通破坏时东、西部的岩石圈可能经历了不同的构造变形过程,东部岩石圈受到大规模破坏,破坏后的上地幔物质呈南北向不均匀分布,西部鄂尔多斯块体岩石圈保持着相对稳定的克拉通特征,不存在大规模破坏的证据.3)华北克拉通的岩石圈厚度由东向西整体逐渐增加.东部在100km深度附近出现大范围的低速异常,表明在该深度已进入软流圈,西部鄂尔多斯块体的岩石圈厚度约为250km.4)鄂尔多斯块体的东边界在黄河以东的离石断裂带.