大别造山带西段宽频带数字地震台阵观测与地壳上地幔结构

2001年5～11月,在大别造山带西段的新县、红安地区（31 °20～3°50′N,114°30′-115°E）架设了宽频带数字地震流动台阵．采用接收函数方法对台阵记录的高质量远震P波数据进行反演,获得了大别造山带西段的S波速度剖面和地壳上地幔精细结构．研究结果显示,研究区的地壳厚度整体上较薄,约为32～38km,莫霍面自南向北倾斜．在台阵北缘对应桐城一桐柏剪切带处,莫霍面发生错断,断距达到4-6km,显示桐城．桐柏剪切带为早中生代扬子板块与华北板块碰撞的古缝合带的南界．在上地幔顶部存在向北倾斜东西向延伸的s波低速带,显示出大别山造山带与毗邻华北块体之间的拼合关系．在台阵南部下地壳底部存在高速体,这可能和拆沉作用以后,发生大规模拉张作用相伴随的幔源基性岩浆在下地壳下部的底侵作用有关．     

天山造山带壳幔结构与陆内变形机制研究进展

天山作为当今世界上最为典型的陆内造山带,对于其深部结构和新生代构造变形过程的研究一直是地球科学领域的前沿和热点,并已经取得大量成果.本文系统总结了近年来利用地震学方法对天山造山带及其邻区壳幔结构研究的最新进展以及存在的争议.这些研究发现包括地壳厚度、莫霍面形态、地幔转换带厚度、地震波速、Q值结构在内的多结构参数的变化与区内各个大地构造单元的对应性较好,彰显出盆-山深部结构的显著差异.研究区各向异性结构复杂,地壳内部的偏振方向存在明显的横向变化,并在上地幔深度转换为和造山带走向基本一致.另外,在中下地壳和上地幔顶部,天山大部表现为明显的低速异常.以上结果揭示了陆内俯冲和地幔上涌对于塑造现今天山复杂构造格局与地质地貌特征的重要意义.然而,现有研究对于我国新疆境内天山壳幔各向异性、岩石圈底界面以及地幔转换带的分辨率还远远不够,并且对于一些重要的结构参数及其解释尚未达成一致的认识.密集流动地震台阵观测和多种地球物理资料的联合分析是解决这一问题并增进对陆内造山带深部动力学过程认识的有效途径.     

秦岭造山带上地幔各向异性及相关的壳幔耦合型式

秦岭是具有复杂地壳结构、经历长期构造演化的复合型大陆造山带.本文通过地震资料精细反演上地幔各向异性,探索秦岭造山带构造演化及成因动力.采用最小切向能量法、最小特征值法和"叠加"分析法求得覆盖秦岭造山带及周边地区41个地震台站的SKS横波分裂结果：快波偏振方向(φ)和快、慢波的时间延迟(δt),据此绘制了秦岭造山带上地幔各向异性图.将已发表的地表GPS观测结果与上地幔各向异性相结合作上地幔变形因素分析,发现秦岭造山带自西向东的上地幔变形因素不是单一垂直连贯变形或地幔流动,而是共存的.同时,其上地幔变形的主控因素有区域性变化.研究表明秦岭造山带西、中部上地幔变形以壳幔垂直连贯变形为主,属壳幔强耦合,东部壳、幔耦合变弱,上地幔变形以简单地幔流动为主控因素.同时,SKS快波偏振方向(φ)于秦岭造山带显示出南缘略向北凸、北缘略向南凸的弧形展布,反映了造山带两侧刚性较强的扬子地块与鄂尔多斯地块旋转与秦岭造山带南北缘弧形流动有关.     

天山造山带的深部结构

天山造山带是中亚最令人瞩目的一条由陆陆汇聚而形成的陆内造山带,从古生代以来经历了长期的构造演化,尤其是新生代以来的再次活化,导致了本区复杂的构造特征,因此在全球范围内具有独特性和活动性,是全球公认的研究大陆动力学的天然实验室.从1980年以来,针对天山及周缘的深部结构特征开展了大量的深地震探测研究工作,揭示了天山造山带...     

大别造山带地壳结构反演及其动力学意义

大别造山带是全球最大的碰撞造山带之一,三叠纪时期,扬子板块深俯冲至地幔的200km处,经历了超高压变质作用。白垩纪早期,该造山带发生了强烈的伸展和垮塌,以及大规模的后造山地幔源岩浆侵入和火山活动。本研究收集了大别造山带及其邻区(29°~34°N、114°~119°E)的震相资料,采用双差层析成像技术,对大别造山带地壳结构进行反演,研究地壳结构与后造山地幔源岩浆侵入和火山活动之间的关系。结果显示,大别造山带中上地壳存在低速结构,该低速结构可能是熔融的幔源侵入物质,由于俯冲板片断裂,或下地壳/岩石圈发生拆沉,导致软流圈物质上涌至地壳底部、侵入地壳中,形成大别造山带地壳中的低速结构;同时,合肥盆地显示为低速区,可能是受浅部沉积层影响。研究中横切大别山的4条剖面显示,该地区下方存在北向倾斜高速结构,该高速结构可能是襄樊-广济断层,或者是扬子板块向华北板块下方俯冲的遗迹。     

俯冲带橄榄岩及其记录的壳幔相互作用

俯冲过程是板块构造运动的核心过程,而地幔楔作为俯冲系统中连接俯冲盘和仰冲盘的关键构造单元,在地球层圈之间物质循环和能量交换等方面发挥了重要作用.本研究汇总了全球代表性俯冲带橄榄岩(包括俯冲带型蛇绿岩和地幔楔型造山带橄榄岩)的研究现状,并展望未来需要解决的关键科学问题.俯冲带型蛇绿岩地幔单元和地幔楔型造山带橄榄岩分别代表着大洋和大陆俯冲带侵位的地幔岩石,是研究俯冲带壳幔相互作用的关键对象.该相互作用的本质是俯冲板片和地幔楔之间在物理过程主控下发生复杂的化学交换作用.俯冲带型蛇绿岩能够记录从大洋岩石圈产生到俯冲启动直至成熟到消亡等不同阶段复杂的熔-岩和水-岩相互作用、变形变质过程、金属成矿元素富集以及壳幔物质交换等.地幔楔型造山带橄榄岩则反映洋-陆和陆-陆俯冲/碰撞、折返等阶段强烈的变形变质历史,多种性质的熔/流体交代作用(硅酸盐熔体、碳酸盐熔体、含硅酸盐组分的C-H-O流体/超临界流体),以及复杂的壳幔物质循环过程等.利用俯冲带橄榄岩进一步探索壳幔相互作用,需要采用高空间分辨率、高精度的测试方法从微观尺度上约束复杂的化学交代过程和变质变形历史,并与宏观构造的时、空演化相联系.     

秦岭造山带与邻域华北克拉通和扬子克拉通的壳、幔精细速度结构与深层过程

秦岭造山带与其南北两侧华北克拉通和扬子克拉通属三大构造单元,不论其各构造单元体还是其界带构造均甚为复杂,并受到多期次构造运动的制约,形成了大陆内部特异的造山过程.尽管在这一地域曾做过大量的地表地质工作和一些相关的地球物理工作,但对其壳、幔精细结构、深层动力过程,特别是同步穿越华北克拉通、秦岭-大巴造山带和扬子克拉通系统的耦合研究甚少.为了研究和探索该地域的壳、幔精细速度结构和其形成的深层过程,专门布置了一条北起榆林,向南经咸阳、宁陕直抵涪陵长达1000 km的高精度地震宽角反射、折射波场探测剖面.通过剖面辖区高分辨率的数据采集,数据处理、反演和壳、幔层、块精细速度结构,发现剖面辖区深部壳、幔结构存在特异的速度和结构变化,并厘定了一系列的新认识.研究结果表明:(1)秦岭—大巴造山带具有同一基底,其形成乃为结晶基底隆升所致,即它的形成仅涉及到上地壳的受力变形和空间状态.造山带与其南、北两侧的前陆盆地为陆内造山过程中同一深层过程的产物,但其沉积速率和形态却不相同.华北克拉通与秦岭造山带之间前陆盆地Bfc拉张为该区Moho界面的局部隆升所致.(2)首次提出了沿1000 km长剖面连续的沉积建造、结晶基底、上地壳、下地壳和上地幔顶部的层、块速度结构和各界面的起伏变化与空间状态.基于地震波边界场响应厘定了华北克拉通、秦岭—大巴造山带和扬子克拉通的分区界带.论述了三大构造单元各自的内部结构和其相邻界域的速度变化特征.(3)该区大陆内部速度结构和不同类型断裂分布及层序在华北克拉通、秦岭—大巴造山带、扬子克拉通三大块体地域存在显著差异.不同规模、层次与产状的断裂分布反映出它们在变形行为和机制上及所受构造运动的制约上均存在明显的差异.     

大别造山带的地壳结构研究

介绍横穿大别造山带的深地震测深剖面的地壳P波速度结构和密度结构.地表高程最大的岳西至晓天之间存在约5km厚的山根,在晓天-磨子潭断裂下方莫霍界面达4.5km垂直错断表征三叠纪碰撞的古缝合线,在超高压带3km深度以下的相对高速异常区,可能与含量较高的超高压变质岩有关.     

天山地壳上地幔的S波速度结构

2003年4月—2004年9月，中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室横跨天山布设了由60个观测台站组成的流动宽频带地震台阵。其中，沿奎屯-库车横跨天山的观测剖面共有51个台站，剖面长度近500 km。利用接收函数方法（刘启元等，1996，2005），得到了沿该剖面的接收函数和100 km深度范围内的地壳上地幔Ｓ波速度结构。与前人的探测结果相比，本文的结果进一步揭示了横跨中国境内天山造山带地壳结构的横向变化，给出了天山地壳变形和盆山耦合关系的新证据。结果表明     

大别造山带与郯庐断裂带壳、幔结构和陆内“俯冲”的耦合效应

地质学家基于岩石年代学、峰期变质的压力差和阿尔卑斯变质沉积岩中柯石英的发现,推断在大别造山带地区发现的柯石英和榴辉岩乃是地幔深处120km左右折返至地壳浅部的结果.为了提供大别造山带与郯庐断裂带地域的壳、幔深部结构与深层动力过程的定量判据,本文利用瑞利（Rayleigh）波的频散效应反演该区S波的三维群速度结构分布.研究结果表明：（1）该区存在一由东向西陆内俯冲的高速板舌,其下插深度仅达160 km.在秦岭—大别造山带地域上地幔70km深处存在一顶部宽约500km的低速地幔热点.（2）出露的含柯石英榴辉岩是大别造山带深部物质和能量的交换,郯庐断裂带强烈平移错动及板内俯冲效应共同作用导致的深部物质(上地幔)运移和动力学效应的综合产物.     

利用面波和接收函数联合反演滇西地区壳幔速度结构

考虑到面波频散对介质S波速度、接收函数对界面深度的各自敏感性优势,综合利用面波和接收函数资料实现联合反演,求取滇西地区壳幔速度结构. 本文利用适配滤波频时分析技术处理覆盖滇西地区的长周期面波资料,获得10.5～105.0s周期范围内的面波群速度频散,进而利用分格反演方法提取研究区内1°×1°网格纯路径频散;基于滇西地区宽频带三分量远震记录,经反褶积后得到台站下方的远震P波接收函数. 联立面波纯路径频散信息和接收函数资料建立系统方程,利用阻尼最小二乘法实现联合反演,从而获得滇西地区壳幔S波速度结构. 结果表明,滇西地区以红河断裂为界,东西两侧壳幔结构存在明显差异,断裂西侧约20km深度处存在一厚度为10km左右的低速层,而东侧并不明显;滇缅泰块体上的畹町、沧源一带属于上地幔低速区,而另一个地幔低速区则位于滇中块体上的康滇古隆起上,两处地幔低速区与大地高热流分布、强震活动具有较好的对应关系.     

漳州盆地精细壳、幔异常结构与潜在干热岩探讨

漳州盆地与相邻地带的地质构造复杂,水热活动强烈,且伴随着小地震的频频发生.为厘定该盆地深部是否存在潜在的干热岩体,则必须对其壳、幔精细结构和介质物理属性进行探查、研究与探讨.基于漳州盆地壳幔速度结构的格局发现：（1）"灵霄-漳州-安溪"地带的深处存在一低速层,且在漳浦-长泰之间呈现出一"扁豆状"低速体;（2）该低速体北侧为一伸抵上地幔顶部、且向北倾的深大断裂带,若该"扁豆状"低速体为潜在的干热岩,则该深大断裂带可能为深部热液物质上涌与热源补给的通道.     

大兴安岭造山带及两侧邻区莫霍面深度与泊松比分布特征

利用2009～2016年内蒙古自治区数字地震台网宽频带固定地震台站的远震波形数据,采用接收函数H-k算法获得23个基岩台站下方的莫霍面深度和泊松比,同时,收集并筛选出277个已有探测台阵和流动台站的接收函数研究结果,综合分析给出大兴安岭造山带及两侧邻区莫霍面深度、泊松比的分布特征。研究表明,研究区域的莫霍面在整体上呈现自东向西逐渐加深的特征,莫霍面深度为25.0～42.3km,平均约为33.5km。莫霍面最浅的区域为松辽盆地(深度为27.0～35.0km),最深的区域为大兴安岭重力梯级带以西地区(深度为41.0～42.3km)。研究区域泊松比为0.19～0.33,平均值为0.26,大于全球大陆地壳的平均值。泊松比高值异常区集中在火山岩区及具有较厚沉积层的盆地。台站所处位置的海拔与莫霍面深度之间具有较强的正相关性,艾里补偿模式在研究区成立,莫霍面起伏与区域地形地貌特征间具有显著的镜像关系。大兴安岭地区的莫霍面深度与泊松比间存在显著的反相关关系,而在松辽盆地及周缘地区未发现明显的规律性,这也意味着松辽盆地在构造演化过程中经历了更为复杂的地壳改造过程。     

青藏高原东北缘祁连山造山带至阿拉善地块壳幔电性结构研究

在青藏高原东北缘祁连山造山带至阿拉善地块之间完成了一条372 km的大地电磁剖面,通过二维反演计算,获得了沿剖面180 km深的壳幔电性结构模型,结合研究区地质和地球物理资料开展综合分析,研究结果表明：（1）剖面自南向北所经过的祁连山造山带、走廊过渡带和阿拉善地块对应3种壳幔电性结构模型：东祁连壳幔高-低-高阻似层状电性结构、河西走廊壳幔低阻带状电性结构和阿拉善南缘壳幔高-低-高阻层状电性结构.（2）剖面所经过的主要断裂带在电性结构上表现为低阻异常带或电性梯度带,并且止于中上地壳或消失于下地壳低阻层中.除这些分布于中上地壳的断裂系统以外,在下地壳至上地幔顶部还存在两条切割莫霍面的壳幔韧性剪切带：西华山北缘壳幔韧性剪切带和阿拉善南缘壳幔韧性剪切带.其中,西华山北缘壳幔韧性剪切带可能是1920年海原8.6级地震发生的深部背景之一;而阿拉善南缘壳幔剪切带可能是卫宁北山燕山晚期和喜山期幔源岩浆上升到地壳浅部或喷出到地表的通道,为在该区域寻找晚中生代至新生代含矿隐伏岩体提供了深部电性结构依据.（3）由若干形状不规则、彼此不相连的"碎块状"极高阻块体组成的中上地壳与"似层状"的中下地壳低阻层共同构成的地壳电性结构,是引起青藏高原东北缘强烈破坏性地震最佳的地壳电性结构组合之一.印度板块向欧亚板块俯冲碰撞楔入引起青藏高原块体向北东方向运移与阿拉善地块向南的俯冲碰撞楔入,是青藏高原东北缘强震活动带产生的动力学背景.     

地球物理综合观测揭示秦岭—桐柏—大别复合造山带地壳及上地幔结构

秦岭—桐柏—大别复合造山带(以下称为秦岭大别造山带)属于中国中央造山带的一部分,由华北克拉通与扬子克拉通汇聚形成.对于秦岭大别造山带及其周缘地区的研究,可以为这一大陆碰撞造山带的形成与演化过程提供重要信息.本文整合研究区域的接收函数与背景噪声数据,采用H-κ叠加分析、接收函数与背景噪声联合反演、克希霍夫偏移成像等方法,...     

喜马拉雅-青藏高原的上地幔倾斜构造与陆-陆碰撞过程

应用远震体波波形的偏移叠加方法, 自INDEPTH-3远震资料中获得可靠的喜马拉雅-青藏高原上地幔构造. 结果显示, 在藏南下面, 一个倾斜界面自100 km深度由南向北俯冲到410 km界面附近. 这说明印度-欧亚碰撞时, 印度上地幔岩石圈曾经与地壳拆离, 并向更深的欧亚上地幔俯冲. 这样的陆-陆碰撞过程与海洋碰撞过程有很大差异.     

青藏高原东缘及四川盆地的壳幔导电性结构研究

自从2008年MS8.0级汶川大地震发生以来,青藏高原东缘便成为地质与地球物理研究的热点区域.该区域的龙门山断裂带标志着青藏高原东缘与四川盆地的边界.汶川地震即发生于龙门山断裂带内的映秀—北川断裂上.该地区现有的研究工作多集中于青藏高原东缘及四川盆地的西部,对四川盆地东部构造情况的研究目前较少.在SinoProbe项目的资助下,完成了一条跨越青藏高原东缘及整个四川盆地的大地电磁测深剖面.该剖面自西北始于青藏高原内部的松潘—甘孜地块,向东南延伸穿过龙门山断裂带、四川盆地内部及四川盆地东部的华蓥山断裂,最终止于重庆东南的川东滑脱褶皱带附近.维性分析表明剖面数据整体二维性较好,通过二维反演得到了最终的电性结构模型.该模型表明,从电性结构上看,沿剖面可分为三个主要的电性结构单元,分别为:浅部高阻、中下地壳低阻的松潘—甘孜地块,浅部低阻、中下地壳相对高阻的四川盆地,以及华蓥山以东整体为高阻特征的扬子克拉通地块.龙门山断裂带在电性结构上表现为倾角较缓、北西倾向的逆冲低阻体,反映了青藏高原东缘相对四川盆地的推覆作用.其在地下向青藏高原内部延伸,深度约为20 km左右.在标志逆冲推覆滑脱面的低阻层下存在—电性梯度带,表征着低阻的青藏高原中下地壳与高阻的扬子地壳之间的电性转换.位于四川盆地东边界的华蓥山断裂在电性结构上表现为—倾向为南东向的低阻体插入高阻的扬子克拉通结晶基底,切割深度约为30 km左右.这一结构反映出华蓥山向西的推覆作用.在电性结构模型的基础上,进一步讨论了青藏高原东缘的壳内物质流、青藏块体与扬子块体的深部关系以及青藏高原东部的隆升机制等构造问题.     

天山上地幔结构及其对壳内构造运动的作用

以深部地球物理资料为基础,介绍了天山地震带上地幔的基本结构,讨论了天山不同地区上地幔介质的动力学性质和可能的驱动机制。认为水平挤压形变是造成西天山和天山毗邻西昆仑附近区域上地幔岩石圈缩短和增厚的主要原因;而在中天山和东天山靠近准噶尔盆地南缘一带,除了板块运动造成的水平挤压力之外,上地幔热物质有可能上浮甚至侵入到地壳之中。它们与水平运动一样,对壳内脆性介质的构造活动起到非常重要的作用,特别是地壳底部莫霍面附近的低速滑脱层成为震源区深部构造的一个明显标志。此外,自从印度 亚洲大陆碰撞以来,天山部分地区固结冷却的山根有可能在多重挤压变形和小尺度热对流的共同作用下,脱离它们的原有的层位而沉入上地幔     

华北平原邢台地震活动地区的上地幔结构和地幔低速层

邢台地震活动地区,地壳底部莫霍界面之下尚有纵波速度为8.1、7.6、7.8和8.1公里/秒的四层介质,它们的下面有速度为7.2—7.4公里/秒的地幔低速层,低速层顶部的深度为83公里左右。 本文所得低速层与世界其他地区所得低速层参数的比较似乎说明:在构造活动地区、火山活动地区和地震活动地区,低速层中的速度值一般均较正常状态下（海洋和大陆地区）的地幔低速层为低,且埋深相对较浅。     

华北平原邢台地震活动地区的上地幔结构和地幔低速层

邢台地震活动地区,地壳底部莫霍界面之下尚有纵波速度为8.1、7.6、7.8和8.1公里/秒的四层介质,它们的下面有速度为7.2-7.4公里/秒的地幔低速层,低速层顶部的深度为83公里左右。 本文所得低速层与世界其他地区所得低速层参数的比较似乎说明:在构造活动地区、火山活动地区和地震活动地区,低速层中的速度值一般均较正常状态下（海洋和大陆地区）的地幔低速层为低,且埋深相对较浅。