华北克拉通东部地壳与地幔盖层结构——长观测距深地震测深剖面结果

利用文登—阿拉善左旗长观测距地震宽角反射/折射剖面东段资料,辩识出4组地壳震相和3组地幔盖层震相.采用二维射线追踪走时反演和正演拟合交替计算方法,得到了包括鲁东隆起和华北裂陷盆地在内的地壳和地幔盖层二维速度结构.研究结果表明:华北裂陷盆地基底深达6km以上,研究区壳内界面C1埋深约15km,C2界面深约25km,Moho面平均埋深约35km.上地壳速度6.0~6.1km·s-1,且横向变化较大;中地壳速度相对均匀约为6.2~6.4km·s-1;下地壳速度为6.5~7.0km·s-1,速度梯度较大.地壳平均速度与隆起和坳陷构造相关.研究区岩石圈底界面一般为75~80km,西端接近太行隆起构造时深至90km左右,向西呈明显加深趋势,地壳厚度呈现相同的增厚特征.地幔盖层上部速度8.0~8.2km·s-1,具明显正梯度特征.岩石圈平均速度在郯庐断裂带附近显著偏低.PmP和PLP震相存在不同程度的复杂性,意味着在本地区Moho界面和岩石圈界面有较为复杂的结构,可能具有一定厚度或过渡带性质.结合其他研究结果认为,地幔盖层和下地壳速度梯度、界面性质差异与华北克拉通破坏相关,意味着破坏是一个渐变、缓慢和不均匀的过程.郯庐断裂带附近的低速应是其为软弱带的证据.     

华北盆地的地壳和上地幔的弹性波速度结构

通过区域地震和远震记录的走时残差,测定华北盆地中部和周围山区的三维弹性波速度结构。我们计算了1975年唐山地震的200个余震的P波和S波的走时残差,以及从1976年至1983年间北京台网记录的194个远震的P波走时残差。仅基于余震走时残差,我们完成了地壳和上地幔结构一维和三维的块状反演迭代。我们还基于远震走时残差以及把余震和远震走时残差相结合,完成了对地壳和上地幔的块状反演迭代。我们测定出华北盆地和周围山区的地壳平均厚度接近35km,然而华北盆地沿海岸部分的地壳厚度大约为32～33km。地壳上部大约20km的速度结构与地质露头完全相关,并且相似于表面地形的短波长(几十公里)特点。低地震速度的岩石在盆地之下而高地震速度的岩石存在于山区之下。地幔顶部,也许下地壳在内,好象是上地壳和地幔之间速度结构的过渡带。关于速度结构的相对高低趋势,地幔与地壳几乎完全相反,华北盆地下伏的大部分地幔物质具有比平均地震速度要高的速度,而西部山区之下物质的速度都低于平均速度。地幔速度结构与华北盆地的重力和地形的长波(成十到成百公里)特征显然相应。盆地之下的高速地幔物质或许说明了地幔过程与华北盆地无直接关系。我们推断,短波与长波速度特点之间的过渡带表明了岩石层与软流层无相互影响的范围。尤其是华北地块的岩石层相对软流层正在向东运动。     

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.     

陕渝黔桂1800km超长探测剖面重力异常场特征及深部地壳结构探榷

通过对跨越华北克拉通、秦岭造山带、扬子克拉通几大地质构造单元的,北起陕西榆林经秦岭过重庆鱼泉、贵州贵阳并向南到广西凭祥全长1810km超长重力探测剖面的数据进行处理分析和解释,构建了沿剖面的二维地壳密度结构模型,并详细分析了沿剖面壳内各界面与Moho界面展布的深部结构和构造特征、构划出了该剖面的深部断裂分布,探讨了剖面辖区跨越的克拉通、造山带、接触带或耦合带等一系列的区域构造的差异,同时对其可能的地质构造含义进行初步了解释,以期能对深化认识该剖面跨越地区的地壳结构、构造单元划分及动力学等研究,提供相关重力场的依据.     

利用宽角反射/折射地震剖面揭示芦山M_S7.0地震震区深部孕震环境

2013年4月芦山地震发生后,中国地震局迅速成立了芦山地震科学考察指挥部,要求查明芦山地震的深部构造环境和孕震背景.为此,中国地震局地球物理勘探中心于2013年9月至11月在芦山震源区布设了一条长约410km的人工地震高分辨宽角反射/折射探测剖面,获得了信噪比较高的人工地震探测数据,采用地震射线走时正演拟合构建了该区的地壳及上地幔二维P波速度结构模型,结果显示:扬子块体和松潘—甘孜块体显示出迥异的速度结构特征,地壳厚度由南向北逐渐加厚.沉积盖层在四川盆地厚达7.8km,而进入松潘—甘孜块体沉积层最薄处只有几百米厚,几乎出露地表;在中上地壳,扬子块体平均速度比松潘—甘孜块体高0.2km·s-1,在盆地与高原耦合部位(构造转换带)以北深度大约20km左右有一厚度为8.0km的软弱层(低速层),该层内的速度为5.80km·s-1,明显低于周围介质的平均速度6.00~6.10km·s-1;构造转换带内,震相显示紊乱、不清晰、不能连续对比,由地表至上地幔顶部壳内界面不连续、速度结构异常紊乱且呈现低速异常特征;在中下地壳,沿剖面速度呈现正梯度垂向增大变化;壳内界面在扬子块体内部起伏变化不大,但在构造转换带以北呈现急速加深的趋势,特别是Moho界面起伏变化较为明显,界面深度在距离50km范围内由扬子块体的36.2km迅速变化至松潘—甘孜块体下方的45.8km,形成一陡变带.芦山MS7.0级地震震源位置位于二维速度结构异常紊乱和界面起伏变化的地带,研究表明,壳内界面及速度结构差异、起伏变化的特征与该区域的地震活动性关系密切.     

用地震走时反演长白山天池火山地区的二维地壳结构

应用一种同时获得地壳上地幔二维速度结构和界面形态的地震走时反演算法，对在长白山天池火山区L1剖面获得的人工地震折射和宽角反射走时数据进行反演，得到了该剖面的地壳上地幔二维速度结构和构造．结果表明:长白山天池火山口下方中下地壳存在一倒三角状的低速体，壳内反射界面和莫霍面一致呈下凹形态，幅度2～6km不等，形成一个地壳根，推测是长白山天池火山系统．最后将所得结果与SEIS83正演试错模拟结果进行了比较．      

长白山天池火山区及邻近地区壳幔结构探测研究

对长白-敦化深地震测深剖面资料利用二维射线追踪程序包进行走时拟合及地震图计算,得到了长白山天池火山区及邻近地区地壳上地幔速度结构和深部构造. 结果表明,以C2界面为标志,研究区地壳可分为上部地壳和下部地壳. 上部地壳厚1-23km,P波速度为6.00-6.25km/s;下部地壳厚12-17km,它是由一个较均匀的速度层和一个厚6-km的壳幔过渡层构成. 地壳厚度由敦化一带31-33km向东南逐渐增厚,至天池火山区最深达3km. 在天池火山区地壳存在低速体,其速度较周围介质低约为0.15km/s. 利用地震剖面探测、地震CT和大地电磁测深等结果显示,在天池火山区地壳内存在低速、低密度及低阻异常体,该异常体可能表明壳内岩浆囊的存在.     

华北地区深地震测深成果库建设及应用

对华北地区40多年来完成的50条深地震测深剖面的数据进行系统的分类和整理,利用分层插值并拼合的数值化方法对二维速度等值线图进行数字化,建立基于经纬度信息的二维速度结构模型和主要界面深度模型.基于MySQL数据库管理系统,实现了web浏览器对模型数据的快速查询功能.华北深地震测深成果库的建设为深地震测深成果的转化提供条件,为地球科学相关领域提供精细的地壳模型参考,也提高了该项数据资料服务于社会的水平.地壳二维速度模型和主要界面深度模型数据为深入研究华北地区地震发震构造、华北克拉通破坏等科学问题提供最基础的资料.     

华北克拉通岩石圈二维P波速度结构特征——文登-阿拉善左旗深地震测深剖面结果

利用超长观测距地震宽角反射／折射剖面探测技术,获得了近东西向横穿华北克拉通不同块体的反映地壳．上地幔岩石圈结构的不同深度、不同属性地震波震相特征数据．通过对各个块体内的地震波震相特征对比分析研究,除识别出地壳内常规的Pg波、PCi波、PmP波和Pn波外,还清楚的对比出了岩石圈尺度的两组震相PL1和PL2波．经过一维、二维地震走时及波形拟合,获得了沿剖面长约1500km的不同块体的壳幔二维速度结构与构造特征．结果表明：沿剖面地壳及岩石圈自东向西加厚趋势的明显,但各组地震波反、折射界面在各个块体内又显示出局部变化明显等特征．结晶基底在各个块体内变化较大,在华北凹陷盆地内最深达到7．8km,在胶东半岛及太行吕梁地块较浅约2．0km;莫霍界面形态整体显示出东浅西深,在鄂尔多斯块体内最深达到46km,而在华北断陷盆地内显示隆起特征;L1界面仅在太行山以西区域显示,深度约为80km,变化较缓．岩石圈L2界面东浅西深在75～160km范围内变化,在太行山以西有一急剧加深趋势,形成一个陡变带．     

云南思茅—中甸地震剖面的地壳结构

云南思茅—中甸宽角反射/折射地震剖面切割松潘—甘孜、扬子和华南三个构造单元的部分区域. 我们利用初至波和壳内反射波走时层析成像获得地壳纵波速度结构. 在获得新的地壳速度结构模型基础上，利用地震散射成像思想和低叠加次数的叠前深度偏移方法重建了研究区的地壳、上地幔反射结构. 综合分析研究区地壳P波速度模型和壳内地震反射剖面发现：沿测线从北至南地壳厚度从约50 km减薄至35 km左右，地壳厚度的减薄量主要体现在下地壳，剖面北段下地壳厚度约为30 km，剖面南段下地壳厚度仅为15 km左右；上地幔顶部局部位置P波速度值偏低，一般为76～78 km/s，反映出云南地区是典型的构造活动区的特点.剖面沿线地壳内地震反射发育，其中莫霍强反射出现在景云桥下方；在景云桥弧形断裂带8～10 km深处出现宽约50 km的强反射带.     

云南思茅—中甸地震剖面的地壳结构

云南思茅—中甸宽角反射/折射地震剖面切割松潘—甘孜、扬子和华南三个构造单元的部分区域. 我们利用初至波和壳内反射波走时层析成像获得地壳纵波速度结构. 在获得新的地壳速度结构模型基础上，利用地震散射成像思想和低叠加次数的叠前深度偏移方法重建了研究区的地壳、上地幔反射结构. 综合分析研究区地壳P波速度模型和壳内地震反射剖面发现：沿测线从北至南地壳厚度从约50 km减薄至35 km左右，地壳厚度的减薄量主要体现在下地壳，剖面北段下地壳厚度约为30 km，剖面南段下地壳厚度仅为15 km左右；上地幔顶部局部位置P波速度值偏低，一般为76～78 km/s，反映出云南地区是典型的构造活动区的特点.剖面沿线地壳内地震反射发育，其中莫霍强反射出现在景云桥下方；在景云桥弧形断裂带8～10 km深处出现宽约50 km的强反射带.     

内蒙满都拉—广西凭祥超长剖面地壳介质密度分布及深部结构特征探榷

通过对跨越内蒙构造带、阴山造山带、华北克拉通、秦岭造山带、扬子克拉通和华南陆内造山区等几大地质构造单元即北起内蒙满都拉、向南经陕西、越秦岭、过重庆、穿贵州、直抵南端广西凭祥全长2280km超长重力探测剖面的数据进行处理分析和解释,构建了沿剖面的二维地壳密度结构模型,并详细分析了沿剖面壳内各界面与Moho界面展布的深部结构和构造特征,构划出了沿剖面主要深部断裂分布,研究分析了剖面辖区跨越的克拉通、造山带、盆山耦合带等各个不同构造单元的重力异常场、地壳密度结构、界面起伏及断裂构造分布的特征与差异.着重探讨了各构造单元之间的相互关系、相互作用等整体的系统关连性.以期能对深化认识该剖面跨越地区的特异地壳结构、各构造单元的界域与关连、以及全剖面的大陆动力学研究等,提供相关重力场的依据.     

利用人工地震测深剖面研究银川盆地及两侧区域的S波速度结构

本文利用人工地震探测剖面获得的E-W向S波数据,参考P波资料,利用正演算法对该条剖面获得的Sg、Sc1、Sc2、SmS及Sn波波组信息进行了相关计算与处理,获得了沿剖面S波的地壳二维速度结构,结果显示:银川盆地及其两侧区域的地壳速度结构和壳内界面分层都显示出较大的差异.银川盆地及其以西区段呈现四层地壳结构,鄂尔多斯块体内部由西向东C2界面逐渐缺失,显示三层地壳结构特征.且壳内界面及速度等值线变化相对平缓,显示出稳定的地壳结构特征.剖面中段的银川盆地沉积盖层埋深最深达到7.6 km,盆地下方Moho界面的隆起与基底的凹陷呈镜像关系,隆起最浅处深度为38.5 km左右.银川盆地西缘至阿拉善块体边缘中下地壳内出现局部低速异常,横向影响范围达到120 km左右,速度值明显比周围介质低0.15~0.28 km/s个量级,壳内界面起伏变化剧烈,与两侧块体接触及其耦合部位速度结构异常紊乱,显示出断陷活动、地壳不稳定的特征.阿拉善块体壳内速度等值线变化较为平缓,Moho界面相对其他块体显示出较深的深度.沿剖面从获得的S波二维速度结构特征可以看出各块体地壳速度结构特征、深部构造环境、以及深部介质物性差异,揭示了银川盆地在周围块体相互运动、碰撞、挤压背景下的应力变形特征.     

晋江外海沉积层上地壳速度结构的二维层析成像

福建省地震局2013年在晋江外海成功实施了一条人工地震探测剖面(HX9,台湾海峡西部地壳深部结构探测计划的第一条测线).为反演沿测线的沉积层上地壳二维速度结构,我们收集了海底地震仪和陆地地震仪记录的4817个初至波走时数据,运用最大速度梯度射线追踪方法和联合迭代重建技术,建立了较为可靠、精细的二维P波波速模型.反演结果显示测线表层速度有很大的横向变化,据此推测晋江沿海5 km以内为岩浆岩出露,5 km外为沉积岩覆盖;基底面总体向东南方向倾斜,中西段埋深约为1600 m,在桩号60 km附近急剧下降;在测线上滨海断裂带表现为倾向东南的张性正断层,位于晋江市东南约50 km处,是闽浙沿海变质带和厦澎断陷的边界断裂.     

豫北及其外围地区地壳上地幔结构研究

利用菏泽～长治和郑州～济南深地震测深剖面资料，进行了一维、二维射线追踪走时拟合与合成地震图计算，获得了该区地壳上地幔速度结构。结果表明，地壳上地幔速度结构在纵向和横向上具有明显的不均一性。浅部断裂较发育，对应其地壳深部界面和速度等值线起伏变化较明显。在华北坳陷区南部上地幔隆起的背景上存在两个局部凸起，凸起最高处与浅部的东濮凹陷、汤阴地堑基本对应，Ｍ面埋深分别约３１ｋｍ和３４ｋｍ     

南北地震带北段地壳结构基本特征——来自兰州—惠安堡—榆林人工地震剖面的约束

利用在南北地震带北段横跨鄂尔多斯盆地西南缘、银川地堑南缘缘弧形构造带、祁连块体布设的一条长度660 km的高分辨地震宽角反射/折射探测剖面,根据获得的P波震相走时,利用多种一维计算方法获得了该区的地壳基本速度结构模型。结果显示：剖面所经区域的地壳速度结构和壳内界面分层都显示出较大的差异,鄂尔多斯块体浅部具有较厚的沉积层覆盖,同时具有相对平缓的速度等值线和不同深度界面,显示稳定地壳特征。祁连块体及与鄂尔多斯块体耦合区域壳内界面和速度等值线均显示出较大的起伏变化特征,特别是在C1和C2界面之间速度呈现负异常跳跃特征。区域地壳厚度变化较为规律,总体呈现自西向东逐渐减薄的特征,各个块体又具有各自的地壳厚度特征,祁连块体边界区域断裂纵横交错,构造复杂。本剖面研究结果对理解该区域地壳基本结构、物性差异、构造异常区的分布特征以及讨论何种构造背景较易孕育形成地震都具有重要意义。同时也为认识南北地震带北段构造薄弱带或活动构造带的深、浅构造特征提供了依据。     

龙门山断裂带中段深地震宽角反射/折射剖面研究

射线追踪方法是研究地震波在横向非均匀地壳介质中传播的重要方法.本文推导了理论走时对网格化节点速度的偏导数公式,提出了针对深地震宽角反射/折射剖面数据反演的联合迭代法,并使用该方法对横跨龙门山断裂带中段的一条深地震宽角反射/折射剖面进行了反演和解释.首先,对每一炮的观测数据进行一维反演,在此基础上插值出一个粗略的二维速度模型;然后,使用射线追踪方法计算理论走时,再根据理论走时与观测走时的拟合程度对二维模型进行调整,以获得更加接近实际的二维速度模型;最后,利用联合迭代法对观测走时进行反演,经反复迭代使所有接收点理论走时与实测走时的残差平方和最小,最终获取该剖面的二维地壳速度结构.反演结果表明:测线东段的沉积盖层明显厚于中段褶皱带和西部高原,中部褶皱带部分地区出现基岩裸露;构造转换带两侧的地层分界面近于水平层状分布,其西侧的中、下地壳内各存在一个层间速度间断面;构造转换带内存在薄厚不等的低速层,自西向东有增厚趋势.此外,龙门山断裂带的3条主断裂向下深切结晶基底,这是由于西部松潘—甘孜地块自西向东运动,受到刚性扬子地块的阻挡,沿铲式断裂向上爬升所致;而在断层上盘距地表约15 km深处出现的最大剪应力极值区,正是发生汶川M_S8.0地震的震源位置.      

滇西北地区云县—宁蒗宽角反射/折射剖面结果

位于滇西地区的红河断裂是中国最长的走滑断裂之一,具有很高的地震潜势。为了调查红河断裂的复杂结构,在滇西地区穿过红河深大断裂带完成了1条由云县至宁蒗近SN向长300km的宽角地震反射/折射剖面。结合初至波走时成像及正演建模方法,对该测线观测数据进行了一维、二维分析拟合,获得了该地区沿测线的二维地壳速度结构模型。结果显示:地壳P波平均速度为6.2~6.3km/s,基本呈现为1个均匀的正速度梯度结构,但在中地壳和下地壳不同区域有部分低速异常;沿测线Moho界面埋深存在较大的横向变化,自南向北明显变深,南侧Moho埋深约为45km,北侧Moho埋深可达54km,较之典型的大陆地壳,存在明显的增厚现象;而沿测线中上地壳厚度变化不大,地壳增厚主要缘于下地壳厚度的增加;以红河断裂为界,地壳结构存在明显的横向差异,暗示了红河断裂作为扬子准地台和三江地槽系构造边界的作用;测线穿过区域红河断裂两侧没有明显的Moho埋深变化,结合临近区域的其他研究结果,表明红河断裂在不同区段存在较大的差异。     

联合利用走时与波形反演技术研究地壳三维速度结构(Ⅱ)——应用

使用阻尼最小二乘法进行震源参数和地壳三维速度结构的走时联合反演．所用资料为Ｓ波和Ｐ波到时差,并用人工地震资料的二维解释结果作为三维速度模型的特定约束条件．为建立初始模型,又利用天然地震构成了准二维剖面．在走时反演基础上,利用遗传算法进行了几个地震事件的波形反演尝试,并对走时反演获得的地壳速度结构模型的局部进行了修正．以３４°～４２°Ｎ,９４°～１１２°Ｅ作为研究区域,在该区域中收集了１９８６年以来大量地震的Ｓ波和Ｐ波到时差资料,７条人工地震二维速度剖面资料和２个数字化地震台的几个地震的三分向记录资料．对这些资料进行了处理,最后得出了０～２５ｋｍ深度不同截面的速度分布,并对所得结果进行了分析．     

华北克拉通北缘(怀来-苏尼特右旗)地壳结构

2009年,中国地质科学院地质研究所与美国俄克拉荷马大学合作实施了一条长453 km的深地震反射、宽角反射与折射、三分量反射地震联合探测剖面. 剖面南起怀来盆地,向北依次穿过燕山造山带西缘、内蒙地轴、白乃庙弧带、温都尔庙杂岩带,到达索伦缝合带. 其中,宽角反射与折射剖面采用8个0.5~1.5 t炸药震源激发,使用300套Texan单分量数字检波器接收,获得了高质量的地震资料. 通过资料分析和处理,识别出沉积层及结晶基底的折射波（Pg）、来自上地壳底界面的反射波（Pcp）,中地壳底界面的反射波（Plp）,莫霍界面的反射波（Pmp）及上地幔顶部的折射波（Pn）等5个震相. 分别采用Hole有限差分层析成像和Rayinvr算法对华北克拉通北缘及中亚造山带南部进行了上地壳P波速度结构成像和全地壳二维射线追踪反演成像. 结果显示：（1）中亚造山带地壳厚度~40 km,变化平缓,低于全球平均造山带地壳平均厚度,可能为造山后区域伸展的结果. 阴山-燕山带附近莫霍明显加深,推测其为燕山期造山过程形成的山根,但该山根很可能在后期被改造. （2）测线中部地壳上部速度较高,对应地表大面积花岗岩出露,而下地壳速度较低,速度梯度低,呈通道状,推测其可能曾为古亚洲洋向南俯冲消亡的主动陆缘,并在碰撞后演变为伸展环境下岩浆侵入的通道. （3）华北克拉通北缘与中亚造山带显示出不同速度变化特征,前者变化相对缓而后者则变化剧烈,二者的分界出现在赤峰-白云鄂博断裂附近.