西太平洋俯冲板块对中国东北构造演化的影响及其动力学意义

中国东北地区在古生代期间以众多微陆块的拼合以及古亚洲洋的闭合为特征,其后又经历了中-新生代太平洋构造域及中生代蒙古—鄂霍茨克构造域的叠加与改造,以致东北地区的构造行迹显得极为复杂,而大兴安岭重力梯级带及其西部地区构造演化是否与西太平洋俯冲有关仍然存在争议.本研究利用分布于中国东北、华北地区以及韩国、日本等部分台网所接收的近震与远震走时数据获得了中国东北地区壳幔精细的三维P波速度结构.成像结果显示,太平洋板块持续西向俯冲,俯冲板片的前缘停滞在大兴安岭—太行山重力梯度带以东区域的地幔转换带之中;长白山火山区上地幔存在着显著的低速异常体,推测西太平洋板块的深俯冲脱水导致了上地幔底部岩石的熔点降低,从而形成了大范围的部分熔融物质上涌.通过分析上地幔的速度结构,我们认为由于太平洋板块的大规模西向深俯冲,在大地幔楔中发生板片脱水、低速热物质上涌等复杂的地球动力学过程;俯冲板片前缘带动上地幔中不均匀分布的地幔流强烈作用于上部的岩石圈,这对东北地区深部壳幔结构乃至大兴安岭重力梯级带的形成、演化有着重要的影响.     

深部俯冲板片三维构造重建及其几何学、运动学研究——以汤加—克马德克地区俯冲板片为例

西南太平洋板块与澳大利亚板块之间的汤加—克马德克俯冲带,是研究地球动力学最重要的区域之一.本文研究根据MIT-P08地震数据,结合板块构造边界、地震活动分布、海岸地形数据等,基于GOCAD软件平台建立三维地震层析成像,对西南太平洋板块的汤加—克马德克俯冲板片进行三维解释.地震层析成像显示汤加—斐济地区地幔至少存在三个"高速"异常体.早期汤加—克马德克俯冲板片穿过地幔转换带,并进入下地幔,最大深度达1600 km.三维构造模型揭示了汤加—克马德克板片在深度600~800 km处存在断折形变,该俯冲板片去褶皱恢复后,测量其俯冲的最大位移达2600 km.汤加—克马德克板片开始快速俯冲的时间至少在30 Ma之前,平均移动速率约为68~104 mm /a.俯冲板片三维构造重建和恢复,可以有效揭示俯冲板片几何学、运动学,为研究深源地震成因、地球深部变化过程和动力学机制提供约束.     

利用接收函数散射核方法探测中国东北地区地幔转换带界面三维形态

地幔转换带是上下地幔物质运移和能量交换的必经通道,其速度结构和上下界面的起伏能够为认识地幔内部的温度和物质变化、地幔对流模式等地球演化相关的科学问题提供关键约束.本文利用布设在中国东北地区的高密度固定台网和流动台阵所记录的远震体波接收函数,采用Ps散射核叠前深度偏移成像方法,获得了台站下方地幔转换带界面及其内部速度间断面的三维精细图像.研究结果表明:西北太平洋俯冲板片上下界面在地幔转换带内清晰可见,在高纬度(44°N)区域存在约 30°的倾角;660-km间断面的深度起伏具有明显的分区性,在与俯冲板片相交处以西 200～300 km,界面出现约 20～40 km的下沉,而长白山和龙岗火山的西北区域存在约 5～15 km的抬升,分别与板片滞留引起的低温异常和局部热物质上涌相对应;410-km间断面的起伏形态较复杂,在大部分区域观测到大于 10 km的下沉,且表现出明显的区域性横向变化,与深俯冲动力学背景下冷的温度异常造成的影响不一致.我们认为板片俯冲、停滞和海沟后撤过程中引起的地幔转换带物质异常、含水状态及分布的变化是显著改变410-km间断面形态的主要原因.本文获得的高精度地幔转换带界面三维形态为更好地认识东北亚地区俯冲板片在地幔物质分布和能量交换中的作用提供了重要参考.     

太平洋板块俯冲对中国东北深浅震影响机理的数值模拟

本文采用与深度有关的不同分层结构模型, 并考虑太平洋板块俯冲角度差异等特征, 建立太平洋板块向中国东北地区俯冲的2D纵向静力学模型。 以太平洋板片俯冲速度为约束条件, 通过变化俯冲板块的俯冲角度, 数值模拟太平洋板块向中国东北的俯冲过程, 探讨太平洋板块俯冲作用对于我国东北深浅震的影响, 得到不同俯冲角度模型的深浅部应力场分布, 揭示区域构造应力场的总体特征和断裂带局部特性, 并讨论了活动断裂带以及邻近区域对东北地区深浅部构造应力场的响应。 结果表明, 太平洋板块俯冲角度的变化对于中国东北地区深浅震的地震活动格局具有重要影响, 断裂带构造环境是浅源地震孕育的基本条件。     

西北太平洋俯冲带及其深震活动

俯冲带是理解地球内部物质循环和能量交换、大陆岩石圈演化、地震和火山活动及矿产资源分布等的重要环节.本文聚焦于西北太平洋俯冲带,通过汇集多种地震观测研究结果,清晰地揭示了由日本海沟至中国东北的俯冲板片整体活动图像,即整个西北太平洋俯冲板片的主压应力轴一致地稳定在俯冲方向上,俯冲板片上深浅部的显著地震活动存在密切的关联性;俯冲板片深处的亚稳态橄榄岩楔形区及其周边是深源地震多发区,深源地震可能是由亚稳态橄榄岩楔形区内的相变断层开始破裂的;在410～660 km深的地幔过渡带内处观测到的俯冲板片上下界面,揭示了俯冲板片的层状组分结构和板块下侧的高含水量.为更好地约束日本海下方的俯冲板片结构和深入探讨西太平洋的俯冲动力作用,有待于在全球罕有的大陆深部不断发生深震的西北太平洋俯冲区,开展海陆联合的地球物理探测及岩石高温高压实验和地球动力学模拟等研究.     

华南东部密集台阵接收函数成像与深部动力学机制

华南东部中生代构造格局主要受控于太平洋板块俯冲、转向和后撤过程.在岩石圈总体伸展的背景下,接收函数、背景噪声等成像结果揭示华南东部存在“Y”型地壳极薄区域,但其形成的深部动力学背景和机制尚存争议.本文利用近年来布设于华南东部的305个宽频带流动密集台站以及周边219个固定台站资料,使用H-κ-c叠加方法获得了研究区域内地壳厚度、泊松比分布的高分辨率图像,并结合关键部位两条P波接收函数共转换点(CCP)叠加剖面结果,讨论了“Y”型地壳极薄带形成的深部动力学机制.结果表明,研究区平均地壳厚度为33km,平均泊松比大小为0.24,整体表现为薄地壳、低泊松比特征,推测地壳总体向陆缘减薄与早白垩世华南东部处于俯冲板片后撤诱发的弧后伸展环境相关.“Y”型极薄带内地壳厚度小于30km,较带外薄3～5km,其右支沿南昌-吉安-赣州-韶关展布,其左支沿江汉-湘中盆地沿线展布,二者交汇于南岭地区;推测极薄带右支指示了太平洋俯冲板片断离的位置,形成机制可能与地幔热流通过板片窗上涌以及先存断裂带的张扭作用等深-浅部过程的交互作用有关.本文建议了一个新的古太平洋俯冲-板片断离-后撤及伴随深部流体上涌的动力学模型...     

西北太平洋俯冲带大地幔楔及地幔过渡带各向异性证据和特征

地震层析成像研究清晰给出了地球深部俯冲板片的大尺度形态,但与俯冲过程相关的地幔流动特征仍不明确.在俯冲地幔楔系统中,前人观测到了与海沟平行和垂直的快波偏振方向.本文研究了西北太平洋俯冲板片在地幔过渡带中停滞形成的"大地幔楔"中的各向异性特征.对具有长期稳定观测数据的MDJ台站SKS震相和区域深源地震的直达S波震相进行了...     

对日本俯冲带与IBM俯冲带俯冲特征的地球物理研究:来自重力与震源分布数据的启示

日本俯冲带与IBM俯冲带位于太平洋板块、菲律宾海板块和欧亚板块三者的交汇地带,是典型的"俯冲工厂"地区,具有重要的研究意义.本文利用震源分布资料与卫星重力数据对日本俯冲带与IBM俯冲带进行了研究.通过空间重力异常反映了俯冲带地区的区域构造形态,在此基础上基于艾利模式计算了均衡异常以反映地壳均衡特征.利用震源分布资料,分别从垂直俯冲带走向与沿俯冲带走向划定了横截剖面(cross-sections)进行了地震提取,讨论了俯冲带地区的Wadati-Benioff带形态特征,并借助于俯冲带地震等深线图直观描述了俯冲带的俯冲形态.在日本俯冲带与伊豆—小笠原俯冲带各选取了一条典型剖面进行了重力2.5D反演,研究了俯冲带地区的壳幔结构特征.研究结果表明,九州—帕劳海脊与IBM岛弧在均衡异常上存在差异,前者已逐渐趋向于地壳均衡.IBM的Wadati-Benioff带存在明显的南北差异,反映出伊豆—小笠原俯冲板片停留在了660km转换带中,而马里亚纳俯冲板片很可能垂直穿过了这一转换带,造成这种南北差异的原因与板块相对运动、岩石圈黏性和年龄差异以及俯冲板片的重力效应等因素有关.在IBM的中部和南部存在板片撕裂现象.日本俯冲带的俯冲洋壳密度随俯冲深度变化较小,洋幔存在一定程度的蛇纹岩化,地幔楔蛇纹岩化作用不典型,海沟处有一范围较小的含水畸变带;伊豆—小笠原俯冲带俯冲洋壳密度随深度增大而明显增大,洋幔蛇纹岩化程度较日本俯冲带低,地幔楔蛇纹岩化作用强烈,板块交汇处存在明显的蛇纹岩底辟.日本俯冲带与IBM俯冲带一线自北向南板片俯冲变陡,两侧板块耦合度降低,与俯冲带两侧的板块运动速率差异有关.     

西北太平洋俯冲带日本本州至中国东北段应力场反演

本研究基于Global CMT提供的1196个1976年11月—2017年1月MW4.6地震矩心矩张量解,对西北太平洋俯冲带日本本州至中国东北段的应力场进行反演计算,得到了从浅表到深部俯冲带应力状态的完整分布.结果显示:俯冲带浅表陆壳一侧应力场呈现水平挤压、垂向拉伸状态,洋壳一侧的应力状态则相反,即近水平拉张、近垂向压缩.沿着俯冲板片向下,应力主轴逐渐向俯冲板片轮廓靠拢,其中位于双地震层(120km深度附近)之上的部分,主张应力轴沿俯冲板片轮廓展布而又比其更为陡倾;双地震层内的应力模式同典型I型双层地震带内的应力模式一致,即上层沿俯冲板片轮廓压缩、下层沿俯冲板片轮廓拉伸;双地震层之下,应力模式逐步转变为主压应力轴平行于俯冲板片轮廓.通观所研究的整个俯冲系统,水平面内主压和主张应力轴基本保持了与西北太平洋板片俯冲方向上的一致性,同经典俯冲板片的应力导管模型所预言的俯冲带应力模式相符;而主张应力轴在俯冲板片表面之下的中源地震深度范围内转向海沟走向,或许同研究区域横跨日本海沟与千岛海沟结合带,改变的浅部海沟形态致使完整俯冲板片下部产生横向变形有关.     

帕米尔—兴都库什地区构造应力场反演及拆离板片应力形因子特征研究

从Global CMT目录搜集了1976年1月至2016年6月之间的震源深度大于70km的255个震源机制解,用阻尼应力反演方法,分70～160km和170～310km两个深度,计算了帕米尔—兴都库什地区的构造应力场;同时以10km为间隔计算了兴都库什地区深度介于70～310km之间的应力形因子.得到以下初步结论:兴都库什板片向下俯冲和帕米尔地区断裂带的横向拉张,可能是导致应力场不同的原因.兴都库什俯冲带与帕米尔俯冲带碰撞,导致交汇地区(37°N—37.5°N)的应力场参数突变.兴都库什俯冲板片受到深部温度、压力等因素,出现薄弱面进而形成拆离板片.其脱离了主俯冲板片的束缚后,重力的上下拉张作用导致空区附近张轴倾伏角接近90°,拆离板片俯冲至上地幔不连续面,导致板片部分熔融进而应力形因子随着深度变小.而拆离板片受到地幔挤压其内部发生破碎,其压应力轴由西部的NS到东部NW-SE方向偏转及纵向张应力轴倾伏角变小.     

中国东北地区地壳、上地幔速度结构及其对矿产能源形成的控制作用

中国东北地区处于古亚洲洋和滨太平洋构造域叠合部位,地质构造极其复杂.利用东北及华北地区部分台网所接收的近震及远震走时资料获得东北地区地壳与上地幔三维P波速度结构,成像分辨率在80 km左右.成像结果表明东北地区地壳与上地幔具有较强的横向不均匀性.P波速度异常走向大体呈北东向,与该区地表构造走向一致.5 km深度的速度异...     

应用远震有限频率层析成像反演中国东北地区上地幔P波三维速度结构

选取黑龙江、 吉林、 辽宁、 内蒙古区域地震台网, 以及NECESSArray流动台阵记录的223个远震事件的波形资料, 采用多道互相关方法得到了22569个P波相对走时数据, 并计算了相应的走时灵敏度核, 应用有限频率层析成像反演得到中国东北地区上地幔600 km以上的P波三维速度结构模型, 利用检测板评估了反演结果的分辨率。 结果表明, 松辽盆地下方80~200 km的深度上呈主体的低速异常, 与这一地区上地幔浅部的高地温值和低密度的特征相互对应, 可能暗示了部分熔融的地幔。 南北重力梯度带两侧的速度结构明显不同, 这一差异可以延伸到200 km以下, 表明在中国东北地区南北重力梯度带有可能是一条上地幔内部结构的变化带, 或是深部结构的分界线。 长白山火山区下呈大范围的低速异常, 并可从上地幔浅部延伸到地幔转换带中, 推测此低速异常可能反映了地幔转换带内上涌的热物质, 上涌的原因则主要是受到太平洋板块俯冲运动的作用。     

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。      

东北地区660km间断面附近波速结构研究

我国东北地区位于西北太平洋和达-贝尼奥夫俯冲带前缘,其深部速度结构对理解板块俯冲行为以及地幔物质的交换有重要意义.利用区域三重震相模拟方法,对中国地震观测台网记录到的两个深源地震P波和SH波波形数据,进行了相对到时和波形的拟合,获得了我国东北地区660 km间断面附近波速结构.结果表明,研究区域下方的间断面没有发生明显...     

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.     

中国东部海域及邻区岩石层地幔的P波速度结构与构造分析

利用中国大陆东部及台湾地区、日本和琉球群岛的地震观测数据,通过体波地震层析技术反演了中国东部海域及其邻近地区的P波速度结构.以此为依据分析了不同地区的岩石层性质和深部动力学条件,探讨了中朝与扬子块体、扬子与华夏块体在海区的深部边界及其构造属性,揭示出菲律宾海板块与欧亚大陆的碰撞以及板片俯冲下沉、弧后扩张作用对中国东部海域岩石层结构的影响.结果表明,中国东部海域的岩石层地幔存在明显的横向非均匀性,它们与区域构造的形成演化有一定的联系.中国大陆东部的五莲－青岛断裂与朝鲜半岛西缘断裂、济州岛南缘断裂共同构成中朝和扬子块体的边界,江绍断裂向东延伸至朝鲜半岛南端成为分隔扬子和华夏块体的边界;东海陆架与冲绳海槽的岩石层结构差异明显,东海陆架具有中国东部地区的岩石层特征,属于欧亚大陆向海域的延伸;冲绳海槽的岩石层强烈减薄,为大陆向大洋过渡的区域;沿着日本－琉球－台湾俯冲带,菲律宾海板块俯冲下沉引起的地幔扰动对中国东部海域产生了较大的影响,欧亚大陆与菲律宾海板块之间的相互碰撞导致台湾地区岩石层明显增厚.     

Receiver functions in northeast China - implications for slab penetration into the lower mantle in northwest Pacific subduction zone

Seismic studies of the subducting lithosphere and the upper mantle discontinuities in the northwest Pacific subduction zone beneath Japan and northeast China have suggested contrary subduction scenarios. There was little consensus on the issue whether the subducting slab penetrates the upper mantle discontinuities into the lower mantle or it is deflected atop of the 660-km discontinuity over several hundred kilometers. We calculate receiver functions from a recent seismic broadband station network located in northeast China and find topographic variations of the upper mantle discontinuities. A deeper-than-normal 660-km discontinuity is observed over an area of 400 km and it coincides with the stagnant slab imaged by seismic tomography. The 660-km discontinuity is locally depressed by more than 35 km and the transition zone is thickened by more than 20 km in the east of the region where it encounters the slab. These observations provide evidence of the slab accumulating in the mantle transition zone and locally penetrating into the lower mantle.     

P-wave tomography and relation between shallow and deep structures beneath the Songliao basin

We selected relative travel-time residuals from teleseismic waveform data using the waveform correction method and imaged the P wave velocity structure beneath Northeast China.In combination with other geophysical data,we discussed the relation between the shallow and deep structures of the area.The results show that there is a primary high-velocity zone with some high- and low-velocity distribution characters beneath the Songliao basin.The low-velocity anomalies may extend down to the upper mantle,and may be the result of material upwelling.The low-velocity anomaly beneath the southern part of the Songliao basin is connected to those beneath the Changbaishan and A'ershan volcanic areas.It may be an upwelling channel from the mantle beneath the Songliao basin and adjacent area.This finding indicates the Songliao basin was a result of asthenospheric upwelling caused by subduction of the Pacific plate under the Eurasian plate.