华北克拉通地壳三维密度结构与地质含义

利用重力异常揭示地壳三维密度结构是重力资料地质解释的目标和任务,密度反演的好坏至关重要.本文对华北克拉通进行了重力异常多尺度密度反演研究,首先利用小波变换对重力异常进行多尺度分解,接着利用功率谱分析方法估算各层场源的平均深度,然后利用广义密度反演方法进行各层密度反演,对华北地区进行了多层密度反演,得到其密度结构,并进行地质解释和油气藏分析.结果显示了重力场多尺度密度反演方法的有效性,对华北地区密度结构的地质含义进行了初步分析,位于造山带中的低密度异常主要反映沿造山带展布的花岗岩体.对比华北东部区浅层密度扰动与油气坳陷位置,发现油气坳陷都表现为低幅度的低密度异常区.说明利用小波多尺度反演提取的密度信息对油气勘探的部署有一定指导意义.     

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.     

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.

     

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.     

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.

     

华北克拉通北缘—西伯利亚板块南缘的地壳速度结构特征

华北克拉通北缘—西伯利亚板块南缘（张家口—中蒙边界）的深地震测深剖面长600 km,跨越华北板块、内蒙造山带和西伯利亚板块.沿测线采用8个1.5t的爆炸震源激发地震波,使用300套数字地震仪接收,取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）、上地壳底面的反射波（P2）、中地壳内的反射波（P3）、中地壳底面的反射波（P4）、下地壳内的反射波（P5,仅在镶黄旗—苏尼特右旗下方出现）和莫霍面的反射波（Pm）等6个震相.采用地震动力学射线方法（seis88）得到的地壳速度结构表明：（1）在华北板块与内蒙造山带之间,内蒙造山带与西伯利亚板块之间,上地壳中存在明显的高速度局部变化,在地表发育大量的古生代花岗岩体、超基性岩体.（2）在中下地壳华北板块南缘的地震波速度大,为6.3~6.7 km/s,西伯利亚板块北缘的速度小,为6.1~6.7 km/s,且界面比较平缓.原因是在内蒙造山带内地壳的缩短和隆升造山引起了中下地壳界面的剧烈起伏,不同海陆块的拼合和物质交换导致了不同区域速度的不均匀性.（3）莫霍面在赤峰断裂带（F2）以南和索伦敖包—阿鲁科尔沁旗断裂带（F4）以北较为平缓,平均深度为40~42 km.在F2—F4之间呈双莫霍面,莫霍面1明显上隆,深度为33.5 km,层速度为6.6~6.7 km/s.莫霍面2明显下凹,在西拉木伦河断裂带（F3）下方,最深达到47 km,速度达到最大为6.8~6.9 km/s,这可能是由壳幔物质混合引起的.依据莫霍面的特点,本文认为双莫霍面以南为华北板块北缘,以北为西伯利亚板块南缘,拼合位置在赤峰断裂带（F2）与索伦敖包—阿鲁科尔沁旗断裂带（F4）之间的区域.     

利用背景噪声和接收函数研究华北克拉通地壳结构

收集华北克拉通地区188个宽频带流动台站观测资料进行处理.通过背景噪声面波数据和接收函数双重资料约束联合反演,得到了研究区沉积层厚度、地壳厚度及地壳S波速度结构.结果显示：(1)沉积盖层厚度与地质构造相对应,盆地区与隆起区分界明显.(2)研究区地壳厚度变化范围约29~46 km,自西向东逐渐变薄.(3)中、上地壳华北盆地S波速度偏高,可能与新生代以来多次沉降所造成的相对高的岩石强度有关;(4)下地壳S波速度显示研究区主要存在三个低速区,分别是唐山—天津周边、张北及太行山造山带地区;华北盆地存在显著高速异常,推测可能是由于华北盆地经历下地壳拆沉后,大规模的伸展作用相伴随的幔源基性铁镁质岩浆底侵至下地壳结晶所造成的.(5)多个发生过强震的区域表现出沉积层下方存在较大范围的(约10 km)高速体,并且高速体又被其下低S波速度包裹,壳内岩石强度的差异为应力积累及地震发生提供条件.

     

华北克拉通地壳结构区域差异的接收函数研究

利用远震数据接收函数H-?叠加和前人发表的共823个台站下方的Moho面深度与平均泊松比信息,结合地形与接收函数振幅资料,共同约束华北克拉通的地壳结构特征.结果表明华北克拉通古老和改造的地壳共存,与区域地形和地质构造有较好的对应关系.华北东、中和西三块体地壳结构差异明显,整体大致处于重力均衡状态,中西部局部地区和东部均衡度较低.它们的平均Moho面深度分别为33,37和42 km,而平均泊松比分别为0.268,0.267和0.264.Moho面深度或泊松比异常主要分布在裂陷区,中部南北缘以及构造边界附近;鄂尔多斯核心表现出典型克拉通性质的Moho面深度和泊松比.三个区域Moho面深度与泊松比都呈现出负相关的关系,但变化趋势存在差异.东、中部北缘接收函数振幅相对较大,裂陷及其邻区振幅相对偏低,燕山带和山西裂陷南侧振幅显示出小尺度变化.上述结果表明,华北东部地壳整体受到破坏减薄,中、西部地壳表现为局部改造.不同区域地壳结构的差异可能反映了华北地壳改造过程和机制的区域差异性:东部地壳整体破坏可能主要由中新生代以来东侧太平洋板块俯冲引起;中、西部地壳局部改造可能是其自身结构和性质的不均匀性在长期演化过程中多次改造活化的叠加效果.     

华北克拉通中东部基底构造单元的重磁特征

系统收集并重新处理了华北克拉通中东部的重磁资料,利用处理结果,结合近年来华北克拉通前寒武纪结晶基底构造研究的进展,重新将华北克拉通中东部划分为2个一级重磁异常单元和7个二级重磁异常单元;重点描述了7条分划性断裂的重磁特征,特别指出中国东部重力梯度带正是华北克拉通中部带的集中表现,而郯庐断裂带和兰考～聊城～盐山～台安-大洼断裂带是燕山期陆内不同刚性块体调整的重要边界,所以也是重磁特征的变异带．据此,对华北克拉通断裂与构造单元的重磁异常特征赋予了新的地质意义．研究表明,华北克拉通现今的地球物理特征能够反映结晶基底构造,其原因是华北克拉通现今构造格局是中新生代构造继承结晶基底构造的结果．     

华北克拉通中部大陆地壳断面磁性结构研究及意义

为探讨华北克拉通中部地壳的磁性结构与深部地质过程之间的相互关系,测量了五台-集宁地壳剖面４４件岩石样品的磁性参量及磁滞回线．结合岩石学、地球化学及磁卫星资料的综合研究结果表明,整个断面具有明显的磁性分带结构特征．上地壳、中地壳与下地壳上部岩石饱和磁化强度（Ｊｓ）的平均值分别为５８．７Ａ／ｍ、６８１．２Ａ／ｍ与１０６８．０Ａ／ｍ,而饱和等温剩磁ＪＳＩＲＭ为４．１Ａ／ｍ、７７．９Ａ／ｍ和１３８.４Ａ／ｍ.磁性与变质相及成分对应分析显示,断面内的磁性结构主要受变质作用控制（尤其是变酸性岩与变基性岩）．Ｊｓ值的变异系数Ｖｃ,上地壳为６２．２％、中地壳为６２．５％、下地壳为１４３．７％,而ＪＳＩＲＭ值的变异系数则分别为７０７％、８６．１％、１６５.４％．中一下地壳之间Ｖｃ值的差异远大于上一中地壳,显示了地壳深部磁性强度的非均一分布特征．本区中一下地壳岩石的磁化强度明显高于秦岭造山带北缘的登封群与太华群,这一差异可能与两区地壳深部热结构的明显差异相关．结合磁卫星长波长磁异常分析推测,地壳断面中基性麻粒岩的磁性代表了区域下地壳的磁化强度,如果地壳深部的剩余磁性以热粘滞剩磁（ＴＶＲＴ）为主,则可估算出...     

华北克拉通中部大陆地壳断面磁性结构研究及意义

为探讨华北克拉通中部地壳的磁性结构与深部地质过程之间的相互关系,测量了五台-集宁地壳剖面４４件岩石样品的磁性参量及磁滞回线．结合岩石学、地球化学及磁卫星资料的综合研究结果表明,整个断面具有明显的磁性分带结构特征．上地壳、中地壳与下地壳上部岩石饱和磁化强度（Ｊｓ）的平均值分别为５８．７Ａ／ｍ、６８１．２Ａ／ｍ与１０６８．０Ａ／ｍ,而饱和等温剩磁ＪＳＩＲＭ为４．１Ａ／ｍ、７７．９Ａ／ｍ和１３８.４Ａ／ｍ.磁性与变质相及成分对应分析显示,断面内的磁性结构主要受变质作用控制（尤其是变酸性岩与变基性岩）．Ｊｓ值的变异系数Ｖｃ,上地壳为６２．２％、中地壳为６２．５％、下地壳为１４３．７％,而ＪＳＩＲＭ值的变异系数则分别为７０７％、８６．１％、１６５.４％．中一下地壳之间Ｖｃ值的差异远大于上一中地壳,显示了地壳深部磁性强度的非均一分布特征．本区中一下地壳岩石的磁化强度明显高于秦岭造山带北缘的登封群与太华群,这一差异可能与两区地壳深部热结构的明显差异相关．结合磁卫星长波长磁异常分析推测,地壳断面中基性麻粒岩的磁性代表了区域下地壳的磁化强度,如果地壳深部的剩余磁性以热粘滞剩磁（ＴＶＲＴ）为主,则可估算出...     

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。     

朝鲜半岛南部三维地壳速度结构成像

对多震相走时层析成像方法进行改进和优化, 使用朝鲜半岛陆地和近海的地震记录, 对朝鲜半岛南部(34.5°N～39°N,125°E～130°E)进行地震波走时反演, 获得了本研究区的三维速度结构成像结果.分析了沉积层、基底、上地壳、康腊面、下地壳和莫霍面的特征.研究了不同地质区的深部结构的主要差别、主要断裂特征、 海陆交界的地壳特征等.可以发现京畿山地与沃川褶皱带、太白山褶皱带、临津江褶皱带深部结构的差异尤为明显.     

青藏高原东北缘地壳三维速度结构

本文用1980—2000年M≥1.5的2 032个天然地震事件的38 052个〖AKP-〗、〖AKS-〗、Pm、Sm、Pn和Sn震相到时及人工地震测深给出的Moho面形态资料,利用地震层析技术反演了32°~40°N, 100°~108°E区域内地壳地震波速度结构.从层析成像图象中可以得到,本区的地壳可分成4个层位.第1层（埋深约在0~3 km）为沉积层, 速度梯度约为0.2 s-1;第2层（埋深约在3~17 km）为上地壳, 其顶部速度梯度约为0.1 s-1, 下部速度横向变化较大且存在低速块体;第3层（埋深约在17~36 km）为中地壳, 速度梯度约为0.03 s-1;第4层（埋深约在36 km—Moho）为下地壳, 是一个契形层,总的趋势是西厚东薄,青藏高原较厚逐渐向鄂尔多斯地块和扬子准地台方向变薄,各处的地震波速度梯度不尽相同.     

荣昌及邻区上地壳三维地壳速度结构

经中国地震台网中心测定,北京时间2016年12月27日8时17分,重庆荣昌区发生MS 4.9地震,震中位于四川盆地东缘华蓥山基底断裂系中北段.该区域历史地震活动性较弱,20世纪80年代末,受天然气田废水回注影响,4.0级地震频发,截至2020年12月,已发生14次MS≥4.0地震.中等地震频发,被认为是人为注水使得中等...     

华北及邻区地壳上地幔三维速度结构的地震走时层析成像

利用华北及邻区475个地震台站的区域地震走时资料,反演了该地区的地壳上地幔三维P波和S波速度结构。地震走时的计算用近似弯曲射线追踪方法,三维速度模型的反演用LSQR算法。用检测板方法对走时数据进行成像分辨率分析,结果表明反演模型在水平方向上以0.5°×0.5°的节点分布,垂直方向上以1km、10km、25km、42km、60km为节点作网格划分是合理的。研究区域内,秦岭—大别造山带两侧的华北块体与扬子块体有不同的速度异常特征：华北块体地壳速度结构复杂,而扬子块体则相对简单。华北块体地壳内存在较明显的低速异常,而扬子块体则正常或高速异常。自中新生代以来华北块体地壳经历挤压到伸展的强烈变形,而扬子块体相对稳定。华北块体的构造活动依然强烈,表现为频繁的地震活动。华北地块地壳速度结构的主要特征是：①主要构造带（如燕山构造带、太行山山前构造带、汾渭构造带、郯庐断裂带以及秦岭-大别构造带）位于地壳上地幔的低速或高低速过渡区内;②在唐山及附近地区25 km、42 km和60 km深处连续的低速异常,可能意味着上地幔热的物质上涌,到达上地壳的下部后停止上升过程。     

华北北部地区地壳三维P波速度结构的双差地震层析成像

利用区域固定台站和华北科学探测台阵记录的10 461个近震事件的183 909个Pg波绝对走时和495 753个相对走时数据,采用双差地震层析成像获得华北北部(37.5°～41.5°N,111.5°～119.5°E)范围内的地壳三维P波速度结构模型。结果表明:研究区内各主要构造单元具有明显不同的速度结构特征,速度异常的走向与区域构造的走向一致,浅层速度图像很好地反映了地表地质和岩性的变化;重定位后的大部分地震集中在0～20km的深度上,主要位于低速区的内部或高速和低速区的交界部位;三河—平谷和唐山地震震源区中、下地壳的低速异常可能是流体的显示。结合前人成果和本文模型所揭示的深、浅结构,我们认为太平洋板块在中国东部之下的俯冲和滞留引起板块脱水、软流圈物质上涌等一系列过程,软流圈热物质到达上地幔顶部并沿超壳断裂上侵进入地壳,致使上地幔顶部和下地壳中的含水矿物发生脱水作用产生流体,流体继续上移造成中、上地壳发震层的弱化,从而导致大地震的发生。因此华北北部地区的强震活动,以及地壳结构的非均匀性应是与太平洋板块俯冲、滞留引起的深部过程密切相关的。     

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.     

鄂尔多斯地块周缘三维地壳速度结构研究

鄂尔多斯地块及周缘位于青藏高原与华北地块之间,其内部无大断裂分布,而周缘却由活跃的地震带——活动断陷带和弧形断裂带包围.因此,鄂尔多斯地块内部无6级以上大地震分布,而周缘地震活动则频度高、强度大(图1),历史上发生多次破坏性大地震,如:1654 年天水南8.0 级、1879 年武都南8.0级、1920 年宁夏海原81/...