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。     

华北克拉通东部地壳和上地幔结构的接收函数研究

利用北京大学和早期中国科学院地质与地球物理研究所在华北克拉通东部地区布设的共34台宽频带地震仪记录的远震体波资料,获取P波接收函数和S波接收函数,再分别通过偏移成像和共转换点叠加(CCP)和倾斜叠加得到了华北克拉通东部横跨郯庐断裂带地区沿剖面的地壳和上地幔速度间断面分布.研究结果表明,鲁西隆起下方的莫霍面的深度要比华北盆地和青岛地区浅约5 km,形成类似屋顶状的莫霍面隆起.郯庐断裂带和聊考断裂带下方的莫霍面有明显的错断.岩石圈与软流圈的分界面(以下简称LAB)的深度从太行山山前的约100 km深度上升到鲁西隆起下方约60 km深,向东在青岛地区下方LAB深度进一步变浅.我们利用倾斜叠加计算台站下方波速比得到地壳内的泊松比变化,结果显示鲁西隆起泊松比值分布相对均匀,而青岛地区内泊松比变化剧烈,可能反应了该地区作为苏鲁大别超高压变质带的北缘经历了较为复杂的地质演化过程.     

利用远震接收函数的共转换点叠加方法研究华北克拉通上地幔过渡带结构

上地幔过渡带的结构形态对于研究上覆岩石圈的构造环境有十分重要的意义。本文通过对横跨华北克拉通中东部的一条北西向的测线L上分布的35个宽频带台站记录的远震数据进行接收函数的计算和共转换点叠加成像,得到了测线下方上地幔过渡带的结构。成像结果表明:华北克拉通的三个陆块处于不同的构造环境,西部陆块较为稳定,中部造山带位于地幔对流较强的构造环境内,而东部陆块由于受到太平洋俯冲板块的影响,所处环境温度较低,说明中部造山带内的裂陷盆地在形成过程中,受到地幔对流作用的影响较大,而东部陆块内的新生代裂陷盆地在形成过程中,可能主要是受到右旋拉张力的作用,两者的形成主要动力或有不同。     

华北克拉通地壳结构及动力学机制分析

本文对布设在华北克拉通三个陆块的199个宽频带台站记录的远震数据进行了接收函数计算.利用H-κ迭代方法获得了该区域基岩地区的地壳结构,平滑处理后作为背景结构模型中的基岩地区地壳结构;利用相邻算法对沉积层地区的接收函数进行了波形拟合计算,获得了沉积层结构,平滑后作为背景结构模型中的沉积层结构;结合前人的研究成果,完善了研究区域的背景结构模型.以此模型为基础,对接收函数进行了CCP（Common Conversion Point,共转换点）叠加成像,获得了Moho面成像结果,对比沉积层的成像结果发现：西部陆块中鄂尔多斯块体东部地区地壳厚度较大,约为42 km,泊松比较低,小于0.24,为长英质含量较多的地壳层;位于中部陆块的山西地堑地壳厚度小于鄂尔多斯块体,且变化较大,西侧地壳厚度约为40 km,东侧重力梯度带附近地壳厚度迅速减薄至36 km左右,张家口-怀来-大同一带出现了地壳的局部抬升,地壳厚度等值线基本以北北东方向为主,与构造带方向基本一致,地堑内泊松比约为0.26~0.28,前人对此区域的层析成像研究结果表明太行山隆起和阴山隆起存在壳内低速层,推测为地壳部分熔融以及上地幔物质上涌造成的;东部陆块中渤海湾盆地的地壳厚度较薄,约为32 km,部分地区小于30 km,其中冀中坳陷带地壳厚度最薄,约为28 km,沉积层基底分布与Moho面分布呈镜像对称趋势,沉积层较厚地区的地壳较薄,推测东部陆块在太平洋板块俯冲作用下,存在北西-南东向的拉张作用,使其内发育了大量断陷盆地.

     

华北克拉通中西部地区地壳厚度与波速比研究

本文使用华北科学台阵和中国国家地震台网164个地震台站记录的远震波形资料,用最大反褶积方法提取接收函数,采用接收函数H-k叠加方法得到了各台站下方的地壳厚度和波速比.研究结果表明, 华北克拉通中西部地区的地壳厚度由东向西加深,其中东部的华北平原地区地壳厚度介于30~33 km ,中部的燕山—太行地区地壳厚度介于33~40 km之间,西部的鄂尔多斯块体地壳厚达40~42 km.研究显示该区的地壳平均波速比与地壳厚度没有明显相关性,这可能与该区地壳厚度、地壳组成横向变化异常强烈有关.研究区的地壳平均波速比介于1.68~1.86之间,东部盆地地区台站下方的波速比变化较大,多数分布于1.70~1.80之间;山区平均波速比主要集中分布于1.70 ~ 1.77之间,暗示山区块体较东部盆地地区地壳组成更富长英质,而缺少铁镁质成分.该区地壳厚度与地形高度具有很好的相关性,其斜率为6.6,较青藏高原东缘地区的斜率更高,通过分析表明,华北克拉通中西部地区上地幔顶部岩石密度相对较低,为古老的、低密度难熔的、富镁贫铁的克拉通,可为地壳提供更大的浮力.     

利用接收函数、背景噪声频散和Rayleigh波ZH振幅比联合反演青藏高原东北缘及周边地区地壳结构

本文对在青藏高原东北缘及邻近地区架设的571套宽频带流动地震台站记录到的连续波形数据进行处理,通过联合反演P波接收函数、背景噪声频散和Rayleigh波ZH振幅比,获得了研究区高分辨率三维地壳S波速度（V_S）结构.研究结果显示,松潘—甘孜块体和西秦岭造山带以及北祁连造山带下方15~40 km的深度范围内存在很显著的S波低速异常体.其中,松潘—甘孜块体和西秦岭造山带下方的低速异常体很可能与部分熔融有关,且造成部分熔融的原因除了剪切加热外,还有可能是软流圈物质上涌和地壳内部的放射生热.而北祁连造山带的低速异常体则可能由地表隆升和地壳增厚所造成.阿拉善块体内部分布有很多不太显著的低速异常体,这可能与阿拉善块体经历了复杂的构造变形有关.在银川—河套地堑下方20~35 km的深度范围内同样观测到了相对不太显著的低速异常体,这更可能与基性岩浆的底侵作用有关.

     

基于背景噪声和地震面波联合反演华北克拉通中部岩石圈结构

基于ChinArray三期项目布设于华北克拉通中部的流动台阵观测数据,利用背景噪声互相关和地震面波层析成像获取了研究区内6—140 s周期的瑞雷面波频散,使用蒙特卡罗非线性反演方法获得了华北克拉通中部岩石圈的高分辨率三维S波速度结构。结果显示华北克拉通不同地块的岩石圈速度结构存在显著的横向差异：其中鄂尔多斯盆地腹地整体表现为高速特征,延伸至200 km以下,但其东南缘存在小范围的低速异常;东部的华北盆地整体表现为低速特征,具有较薄的地壳和岩石圈厚度;中部造山带南北两端以及南北重力梯度线下方存在相连接的低速区域,在深处延伸至华北盆地下方;在下地壳和上地幔顶部,大同火山群区域的低速体逐渐向西偏移至鄂尔多斯盆地东北角下方;而在上地幔中,该区域的低速异常随深度增加而逐渐减弱,低速体延伸至东南方向的华北盆地下方。基于本研究获得的S波速度模型,我们认为：鄂尔多斯盆地腹地保持了克拉通特性,但其东南缘存在局部的岩石圈改造作用;华北盆地发生了强烈的岩石圈破坏减薄和地壳伸展变形;中部造山带南北端以及南北重力梯度线下方的岩石圈发生了局部的改造减薄,其机制可能都来源于华北盆地下方地幔热物质的上涌;大同火山群下...     

华北克拉通中西部地壳S波速度结构及其地质意义

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一.我们利用布设于华北中部的ChinArray计划461个宽频带地震台阵的连续波形资料, 基于背景噪声成像技术, 获得了克拉通中西部5~45 s的Rayleigh波群速度频散曲线, 并利用线性反演方法获得了研究区地壳上地幔顶部的S波速度结构.密集流动地震台阵使我们能够揭示研究区精细的地壳上地幔顶部速度变化, 以深入探讨华北克拉通中西部深部结构及其对岩浆和地震的控制作用.8 km深度的S波速度切片显示低速与高速异常分别与地表的盆地和山脉对应良好.不同经度和纬度方向的S波速度剖面均表明, 西部克拉通地壳大致可以分为上、中、下地壳三层.克拉通西部鄂尔多斯块体的下地壳S波速度介于3.7~3.8 km·s^-1, 暗示其下地壳以长英质岩石为主.大同火山区下方的S波低速异常从中地壳延伸至上地幔顶部, 推测源自软流圈的地幔热流提供了近垂直的主干上涌通道, 并控制了该区新生代岩浆活动.强震集中分布在上地壳高速体内部或高低速相间区, 其下地壳乃至上地幔顶部都呈现明显的低速异常, 推测源自上地幔/下地壳的深部热流沿地壳尺度的陡深断裂上侵, 诱发上覆高应力刚性块体发生蠕动破裂与应力释放, 进而诱发大震.

     

利用接收函数方法研究华北克拉通中西部及其邻区地幔转换带结构

通过处理ChinArray计划二期和三期台阵中823个台站的远震波形数据,共获得174 562个高质量的P波接收函数,采用接收函数共转换点（CCP）叠加方法开展华北克拉通中西部及其邻区的地幔转换带结构研究,获得了研究区地幔转换带的厚度分布。结果表明:研究区内地幔转换带厚度变化幅值在235—280 km范围内,具有分区特征;阿尔金断裂带东部和汉诺坝火山以北厚的转换带异常可能与冷的岩石圈拆沉有关;河套盆地和阴山造山带附近分布着相对薄的地幔转换带,这可能暗示了该地区存在热的地幔物质上涌或岩浆活动;渤海湾盆地下方厚的地幔转换带异常可能是冷的太平洋板片西向俯冲并滞留于地幔转换带所致。      

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。     

基于贝叶斯理论的接收函数与环境噪声联合反演

基于Bayes反演理论(Tarantola,1987,2005),在接收函数非线性复谱比反演方法基础上(刘启元等,1996),本文讨论了接收函数与地震环境噪声Rayleigh波相速度频散的联合反演.本文采用修正后的快速广义反射/透射系数方法(Pei et al., 2008,2009) 计算Rayleigh波相速度频散, 并引入地壳泊松比的全局性搜索.数值检验表明:(1)接收函数与环境噪声的联合反演能够有效地解决反演结果对初始模型依赖的问题,即使对地壳速度结构仅有非常粗略的初始估计(例如,垂向均匀模型),本文方法仍能给出模型参数的可靠估计;(2)由于环境噪声与接收函数在频带上的适配性明显优于地震面波,接收函数与环境噪声的非线性联合反演能更好地约束台站下方近地表的速度结构;对于周期范围为2~40s的环境噪声相速度频散,利用本文方法能够可靠推测台站下方0~80 km深度范围的S波速度结构, 其浅表速度结构的分辨率可达到1 km; (3)本文方法能够可靠地估计地壳泊松比,泊松比的全局性搜索有助于合理解释接收函数和环境噪声的面波频散数据.利用本文方法对川西台阵KWC05台站观测的接收函数与环境噪声的联合反演表明,该台站下方地壳厚度为44 km,上地壳具有明显的高速结构,24~42 km范围的中下地壳具有低速结构.该台站下方地壳的平均泊松比为0.262,壳内低速带的泊松比为0.27.     

华北克拉通东北部及邻区地壳和地幔转换带厚度研究

本文利用宽频流动台阵记录的远震波形资料和接收函数波动方程叠后偏移方法,获得了华北克拉通东北部边界及其邻近地区的地壳和地幔转换带的间断面结构图像.结果显示研究区域的地壳厚度存在显著的横向变化:以南北重力梯度带为界,西北部的兴蒙造山带地壳较厚(~40 km),东南部的燕山带、松辽盆地和辽东台隆地壳明显较薄(30~35 km).这有可能反映,研究区南北重力梯度带两侧地壳在中-新生代区域构造伸展过程中经历了不同程度的改造和减薄.地幔转换带成像结果显示,研究区410 km和660 km间断面结构存在横向差异.经度121°E-122°E之间,上地幔底部出现双重间断面,深度分别为660 km和690 km.经度122.5°E以东(北黄海地区),410 km间断面有5~20 km幅度的下沉,660 km间断面有5~15 km幅度的抬升;该地区地幔转换带厚度相对全球平均偏薄10~20 km,指示着该地区较热的上地幔底部温度环境.我们认为太平洋俯冲板块可能停滞在研究区119°E-122°E经度范围的地幔转换带中,但未延伸至118°E以西;而俯冲板块在124°E以东可能局部穿透了上地幔底部而进入下地幔,同时引起小尺度的地幔对流,导致北黄海地区下地幔物质的上涌.     

基于背景噪声研究华北克拉通中部Rayleigh波相速度和方位各向异性

基于中国地震科学台阵探测项目在华北中部布设的306个台站记录的波形数据,利用背景噪声层析成像方法开展了 Rayleigh波相速度和方位各向异性研究.结果显示,短周期的相速度异常及其方位各向异性主要与地表构造相关,盆地表现为低速异常,造山带表现为高速异常,快波方向主要表现为NE-SW向,与断层走向以及构造单元走向一致.在...     

Crustal structure beneath the central and western North China from receiver function analysis

The North China Craton (NCC) is one of the oldest cratons on earth. Several important tectonic transformations of Mesozoic-Cenozoic tectonic regime led to the destruction of the North China craton. The knowledge of crustal structure can provide important constraints for the formation and evolution of cratons. New maps of sediment thickness, crustal thickness (H) and v_P/v_S (κ) in the central and western NCC were obtained using sequential H-κ stacking. P-wave receiver functions are calculated using teleseismic waveform data recorded by 405 stations from ChinArray project. Benefiting from the densely distribution of temporary seismic stations, our results reveal details of the crustal structure in the study area. The thickness of sedimentary layer in North China ranges from 0–6.4 km, and the thickest sedimentary layer is in Ordos block and its surroundings (about 2.8–6 km); The thickness of sedimentary layer in the Mongolia fold belt and Yinshan orogenic belt is relatively thin (less than 1 km). The crustal thickness of the study area varies between 27–48 km, of which the crust of the North China Plain is about 30–33 km, the central NCC is about 33–40 km, and the Ordos block is 40–48 km thick. The average v_P/v_S ratios in the study area is mostly between 1.66 and 1.90, and that in the Yanshan-Taihang mountain fold belt is between 1.70 and 1.85, and that in the Ordos block is between 1.65 and 1.90, with an average value of 1.77, indicating the absence of a thick basaltic lower crust. The obvious negative correlation between crustal thickness and average v_P/v_S ratio within Ordos and Central Asia orogenic belt may be related to magmatic underplating during the crustal formation. There is no significant correlation between the crustal thickness and the v_P/v_S ratio in the Lüliang-Taihang mountain fold belt, which may be related to the multiple geological processes such as underplating and crustal extension and thinning in this area. The lack of correlation between crust thickness and topography in the central orogenic belt and the North China Basin indicates the topography of these areas are controlled not only by crustal isostatic adjustment but also by the lithospheric mantle processes.     

利用瑞雷面波反演华北克拉通东北部边界的岩石圈结构

运用瑞雷面波相速度频散曲线分析和反演得到了华北克拉通东北部边界及其邻近区域岩石圈的精细S波速度结构.利用11个地震事件、60个台站的瑞雷面波波形资料,得到了周期从25-150 S的相速度频散曲线,并且通过线性反演方法得到了深度从40-300 km的S波速度结构.结果表明,该研究区域S波速度存在强烈的不均匀性.从东南部的...     

Crustal velocity structures beneath North China revealed by ambient noise tomography

We collected continuous noise waveform data from January 2007 to February 2008 recorded by 190 broadband and 10 very broadband stations of the North China Seismic Array.The study region is divided into grid with interval 0.25°×0.25°,and group velocity distribution maps between 4 s and 30 s are obtained using ambient noise tomography method.The lateral resolution is estimated to be 20-50 km for most of the study area.We construct a 3-D S wave velocity model by inverting the pure path dispersion curve at each grid using a genetic algorithm with smoothing constraint.The crustal structure observed in the model includes sedimentary basins such as North China basin,Yanqing-Huailai basin and Datong basin.A well-defined low velocity zone is observed in the Beijing-Tianjin-Tangshan region in 22-30 km depth range,which may be related to the upwelling of hot mantle material.The high velocity zone near Datong,Shuozhou and Qingshuihe within the depth range of 1-23 km reveals stable characteristics of Ordos block.The Taihangshan front fault extends to 12 km depth at least.     

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.