青藏高原北缘基底结构的有限差分研究

拜城-大柴旦综合地球物理剖面横跨了塔里木盆地、阿尔金追山带和柴达木盆地.沿剖面进行了10次各2吨级TNT炸药的人工地震探测工作.本文利用沿剖面的Pg震相,使用有限差分方法对塔里木盆地、阿尔金造山带和柴迭木盆地的基底顶界面埋深及盖层的速度结构进行了反演,结果表明,不同的地质构造单元具有不同的基底结构形态与速度分布特点.塔里木盆地的基底及盖层速度分布相对平稳,表现出整体变形特征,但在库车与轮台之间,盆地的基底埋深及速度分布发生了明显的变化,深度差约2 km,速度差高达0.5 km/s.这种明显的、系统的速度差异,加之其它地质学与深部地球物理学证据表明,塔里木盆地的基底可能由构造特点不同的东西两个部分构成;阿尔金造山带的基底埋深与盖层速度分布变化较大,与造山带的强烈构造变形相联系1;在阿尔金造山带与塔里木盆地和柴达木盆地的接触部位基底及盖层介质均表现为高速异常,可能与深部高密度物质沿断裂向地壳内部迁移有关;柴达木盆地的基底与盖层呈"U"形分布,表现出强烈的内部变形特征.     

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...     

天山造山带深部探测及地球动力学研究进展

为了研究天山造山带的地球动力学,自1970年代以来,国内外在天山造山带开展了大量的深部探测工作,并取得了丰富的成果,本文对这些工作和成果进行了梳理和综述.已有研究结果表明:天山造山带的地壳厚度较大,但并无明显山根;地壳结构具有垂向分层和横向分块特征;壳幔界面不清晰,莫霍面在盆山接合部下方发生错断;壳内普遍发育低速异常体,地壳泊松比较高,暗示了地壳力学上的弱化作用;上地幔也存在波速异常体,低速异常可能与地幔热物质上涌有关,高速体可能是古老板块的岩石圈拆离碎片;莫霍面错断、Q值结构和波速异常特征可以用天山南北侧稳定地质块体往天山造山带之下俯冲来解释,这也得到高分辨率层析成像结果的支持;剪切波分裂结果暗示有相当厚的上地幔卷入了造山过程.上述资料表明天山造山带的变形和隆升是其南北侧稳定地质块体的构造挤压与壳—幔复杂耦合作用的共同结果.     

天山造山带与准噶尔盆地壳幔过渡带 及其动力学含义

利用小波分析方法对天山造山带与准噶尔盆地壳幔过渡带的反射波进行处理,获得了来自各个爆炸点壳幔过渡带反射波走时曲线.计算结果表明,沙雅-布尔津地学断面的壳幔过渡带根据其特点可以分为三段塔里木盆地北缘、天山造山带与准噶尔盆地.塔里木盆地北缘的壳幔过渡带比较简单,主要由一级间断面构成;准噶尔盆地的壳幔过渡带也比较简单,除个别地段外皆以一级速度间断面过渡;天山造山带(尤其是北天山)的壳幔过渡带十分复杂,它由7~8个薄层叠合而成,层厚度2~3km不等,层速度高低相间,总厚度近20km.天山造山带与准噶尔盆地壳幔过渡带的结构特点及其两者之间的差异特征是天山造山带地球动力学"层间插入消减"模型建立的重要依据之一.     

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.     

天山造山带岩石圈密度与磁性结构研究及其动力学分析

库尔勒—吉木萨尔剖面横跨塔里木盆地北缘、天山造山带和准噶尔盆地南缘.沿剖面完成了重磁联合反演,获得了岩石圈二维密度结构与二维磁性结构.结果发现,塔里木盆地与准噶尔盆地向天山造山带对冲.在地壳范围内,塔里木盆地北缘与准噶尔盆地南缘的平均密度较高,天山造山带的地壳平均密度较低.天山造山带具有较高的磁化强度,尤其表现在准噶尔盆地南缘至天山造山带中部的整个地壳范围内,预示着天山南北可能具有不同的构造演化历史、构造运动方式以及构造运动强度.在塔里木盆地与天山造山带以及准噶尔盆地与天山造山带的接触部位的上地幔顶部分别发现了低密度体,推测在塔里木盆地由南而北向天山造山带“层间插入与俯冲消减”,以及准噶尔盆地由北而南向天山造山带俯冲的过程中塔里木盆地北缘和准噶尔盆地南缘下地壳物质被带进天山造山带上地幔顶部.库尔勒—吉木萨尔剖面岩石圈二维密度结构与磁性结构为天山造山带的构造分段提供了岩石圈尺度的依据.     

天山造山带地区瑞利面波相速度与方位各向异性

天山造山带作为世界上陆内最大的造山带之一,现今地震活动频繁,造山运动强烈,是开展陆内造山和内陆地震活动研究的天然试验场.本文利用整个天山造山带地区国内及国际台网的108个地震台站连续三年的背景噪声资料,提取了8~50 s周期的瑞利面波相速度频散曲线,并构建了整个天山造山带地区的二维瑞利面波相速度与方位各向异性分布图像.结果表明：浅部结构与地表的地质构造单元具有较大的相关性.低波速异常主要分布于沉积层厚度较大的盆地地区,而高波速异常主要分布于构造活动比较活跃的山脉地区.东天山地区中下地壳存在比较弱的低波速异常,而塔里木盆地和准噶尔盆地汇聚边缘的上地幔区域则表现为明显的高波速异常,各向异性快波方向呈现近NS向的特征,暗示着塔里木盆地和准噶尔盆地的岩石圈已经俯冲至东天山的下方.中天山地区的中下地壳至上地幔区域均呈现为明显的低波速异常,且各向异性快波方向变化比较复杂,表明中天山地区的整个岩石圈结构已经弱化,热物质上涌可能对介质的方位各向异性有一定的影响.西天山及帕米尔高原的上地幔区域存在低波速异常,各向异性表现为NW-SE方向,可能与欧亚板块的大陆岩石圈南向俯冲有关.塔里木盆地内部存在相对弱的低波速异常,推测塔里木盆地可能已经受到上涌的地幔热物质的侵蚀和破坏.

     

天山造山带地壳结构与构造──乌鲁木齐─库尔勒地震转换波测深剖面

沿乌鲁木齐－库尔勒３５０余公里长的测线上完成了穿越天山的地震转换波野外观测,得出天山造山带的深部构造剖面图和壳内Ｐ,Ｓ波速度结构模型．天山的结晶地壳可分为４层,各层的速度分别是：Ｖｐ值为５．９,６．３,６．６,６．９ｋｍ／ｓ;Ｖｓ值为３．２,３．５,３．７,３．９ｋｍ／ｓ。上地幔顶部的波速：Ｖｐ值为８．１０ｋｍ／ｓ。Ｖｓ值为４．６ｋｍ／ｓ。天山地区的地壳厚度为４２－５６ｋｍ,中天山最厚,达到５０－５６ｋｍ。地壳中部存在低速透镜体。探测结果表明,天山大地构造可分为北天山、中天山和南天山３个区,其地壳深部构造特征各不相同。用颤动构造理论来解释天山造山带的形成机制和演化较板块构造理论更为合理。     

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.     

天山造山带地壳结构与构造──乌鲁木齐─库尔勒地震转换波测深剖面

沿乌鲁木齐－库尔勒３５０余公里长的测线上完成了穿越天山的地震转换波野外观测，得出天山造山带的深部构造剖面图和壳内Ｐ，Ｓ波速度结构模型．天山的结晶地壳可分为４层，各层的速度分别是：Ｖｐ值为５．９，６．３，６．６，６．９ｋｍ／ｓ；Ｖｓ值为３．２，３．５，３．７，３．９ｋｍ／ｓ。上地幔顶部的波速：Ｖｐ值为８．１０ｋｍ／ｓ。Ｖｓ值为４．６ｋｍ／ｓ。天山地区的地壳厚度为４２－５６ｋｍ，中天山最厚，达到５０－５６ｋｍ。地壳中部存在低速透镜体。探测结果表明，天山大地构造可分为北天山、中天山和南天山３个区，其地壳深部构造特征各不相同。用颤动构造理论来解释天山造山带的形成机制和演化较板块构造理论更为合理。     

天山造山带地壳结构与构造──乌鲁木齐─库尔勒地震转换波测深剖面

沿乌鲁木齐－库尔勒３５０余公里长的测线上完成了穿越天山的地震转换波野外观测，得出天山造山带的深部构造剖面图和壳内Ｐ，Ｓ波速度结构模型．天山的结晶地壳可分为４层，各层的速度分别是：Ｖｐ值为５．９，６．３，６．６，６．９ｋｍ／ｓ；Ｖｓ值为３．２，３．５，３．７，３．９ｋｍ／ｓ。上地幔顶部的波速：Ｖｐ值为８．１０ｋｍ／ｓ。Ｖｓ值为４．６ｋｍ／ｓ。天山地区的地壳厚度为４２－５６ｋｍ，中天山最厚，达到５０－５６ｋｍ。地壳中部存在低速透镜体。探测结果表明，天山大地构造可分为北天山、中天山和南天山３个区，其地壳深部构造特征各不相同。用颤动构造理论来解释天山造山带的形成机制和演化较板块构造理论更为合理。     

松潘-甘孜造山带地壳速度结构

位于川西地区的奔子栏——唐克深地震测深剖面以NNE走向穿越松潘——甘孜造山带．根据人工地震记录分析得到的震相走时和相关的振幅信息，确定了该剖面二维P波地壳速度结构．剖面的地壳结构可分为5层，其中第1，2，3层为上地壳；第4，5层为下地壳．上地壳中部普遍存在低速异常带，但龙日坝以北，这一低速带与其上覆的低速基底合为一体．同时，沿剖面的地壳速度结构具有较强的横向变化．据此，可将剖面分为4段，即甘孜——理塘断裂以南、甘孜——理塘断裂至鲜水河断裂、鲜水河断裂至龙日坝断裂和龙日坝断裂以北. 这与区域构造划分基本一致． 地壳厚度沿测线从南西向北东逐渐减薄，即从金沙江畔的62 km减小到黄河附近的52 km． 根据PmP震相分析，莫霍界面深度在鲜水河断裂两侧没有明显变化．全剖面的地壳平均速度较低，为6.30 km/s．奔子栏——唐克剖面揭示了该地区的造山带型地壳上地幔结构特征．鲜水河断裂带位于剖面的中部，该地区的上地壳速度为正异常，而下地壳和上地幔顶部存在负异常．笔者认为，这是一类有利于强震孕育和发生的深部构造环境．      

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．     

大别造山带上部地壳结构的有限差分层析成像

将有限差分层析反演方法用于大别造山带人工地震测深剖面上部地壳初至波的走时层析成像,得到这一剖面上部地壳横向不均匀结构图像表明,在南大别地区的超高压变质带发现榴辉岩相岩石,其下方3km深度以内的基底仍具有大陆地壳构造中正常的结晶基底速度（6．00km／s左右）;北大别地区在整个上地壳保持正常的速度,而在超高压带下方3km深度以下为6．20—630km／s的相对高速异常区,这一现象可能与超高压变质岩的含量增大有关．同时还表明,南大别和北大别之间至少在上地壳已有明显差异,它们之间的水吼一五河断裂可能是大别造山带内部的主要构造分界线．     

天山-准噶尔地区地震层析成像与壳幔结构

通过对东西天山两条天然地震剖面的远震P波与近震P波走时资料以及2001-2007年新疆地方台网的近震走时资料分析,获得了天山-准噶尔地区的三维地震层析图像.层析反演使用的台站数140个,地震事件1132个,P波走时数24904条.检测板试验结果指出,东西天山剖面、天山轴部和东准噶尔地区P波速度扰动恢复能力相对高.纵波波...     

大别造山带上部地壳结构的有限差分层析成像

将有限差分层析反演方法用于大别造山带人工地震测深剖面上部地壳初至波的走时层析成像，得到这一剖面上部地壳横向不均匀结构图像表明，在南大别地区的超高压变质带发现榴辉岩相岩石，其下方3km深度以内的基底仍具有大陆地壳构造中正常的结晶基底速度（6．00km／s左右）；北大别地区在整个上地壳保持正常的速度，而在超高压带下方3km深度以下为6．20-630km／s的相对高速异常区，这一现象可能与超高压变质岩的含量增大有关．同时还表明，南大别和北大别之间至少在上地壳已有明显差异，它们之间的水吼一五河断裂可能是大别造山带内部的主要构造分界线．     

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     

天山造山带及邻区孕震应力场及断裂带活动性特征的数值实验分析

天山造山带构造环境复杂,活动断裂带和强震分布广泛,且主要分布于阿尔泰山、天山、西昆仑—帕米尔弧形构造带上,尤以天山地区最为集中.迄今为止,天山造山带地区的主要断裂带的活动特征与孕震应力场特征之间的动力学机理尚未有清晰的认识.本文以GPS等实际观测数据为约束,建立有限元数值模型,计算了研究区域地壳形变、应力/应变积累速率、弹性应变能密度以及库仑应力变化率等关键因素.模拟计算结果显示地表速度场与研究区域实际GPS观测值基本一致,且主要断裂带上弹性应变能密度分布与实际地震活动性也基本吻合,验证了数值模型和结果的可靠性.结合最新的观测和数值模拟结果分析发现,研究区的断层和地震活动性主要受控于近南北向的主压应力,与主要观测特征相一致.同时,帕米尔高原北部边界带—塔什库尔干断裂（TKF）、天山造山带南边界的东侧—迈丹断裂（MDF）、兴地断裂（XDF）库仑应力增大明显,在未来强震发生的可能性较高,应予密切关注.

     

天山造山带及邻区孕震应力场及断裂带活动性特征的数值实验分析

天山造山带构造环境复杂,活动断裂带和强震分布广泛,且主要分布于阿尔泰山、天山、西昆仑—帕米尔弧形构造带上,尤以天山地区最为集中.迄今为止,天山造山带地区的主要断裂带的活动特征与孕震应力场特征之间的动力学机理尚未有清晰的认识.本文以GPS等实际观测数据为约束,建立有限元数值模型,计算了研究区域地壳形变、应力/应变积累速率、弹性应变能密度以及库仑应力变化率等关键因素.模拟计算结果显示地表速度场与研究区域实际GPS观测值基本一致,且主要断裂带上弹性应变能密度分布与实际地震活动性也基本吻合,验证了数值模型和结果的可靠性.结合最新的观测和数值模拟结果分析发现,研究区的断层和地震活动性主要受控于近南北向的主压应力,与主要观测特征相一致.同时,帕米尔高原北部边界带—塔什库尔干断裂（TKF）、天山造山带南边界的东侧—迈丹断裂（MDF）、兴地断裂（XDF）库仑应力增大明显,在未来强震发生的可能性较高,应予密切关注.