构造物理学《欧洲地学断面》专刊简介

欧洲一个古老的大陆地壳位于芬诺斯堪的亚(Fennoscandian)地盾的北部,这本专刊是欧洲断面计划(EGT)系列文章的第五集,主要研究古地壳和下伏上地幔的结构及演化。这些文章来自第二地球科学研究中心,集中讨论了芬兰和挪威一个100×400km地区POLAR剖面的研究结果,POLAR剖面的主要目标是一个440km长的深地震折射测量。1985年8月,由赫尔辛基大学地震研究所与国际组织合作完成。一种小型反射法测量覆盖了折射测线的一部分,是同时进行测量的。     

在东南芬诺斯堪的亚沿DSS部面进行地壳构造的对比

在取之横穿东南芬诺斯堪的亚地盾深地震测深剖面的资料的基础上,我们讨论了karelian和Svecofennian省的地壳构造的主要特征。这些资料显示出在古老的karelian地质区,地壳较薄(大约40km),平均速度较低(大约6.4km/s),且莫霍界面呈明显的不连续性,产生强反射。下地壳中的高速层,如果存在的话也很薄。在年轻的Svecofennian地质区,     

据芬诺斯堪的亚古陆的冰川均衡调整得出的岩石圈厚度上限

用三层马克斯威尔半空间地球模型和芬诺斯堪的亚古陆Weicheslian冰消史的圆盘荷载近似法计算了这个地区的冰川均衡调整。计算包括冰消作用引起的大地水准面扰动效应和全球性海平面上升的影响,并考虑了以①岩石圈厚度②软流圈粘度及③冰层厚度作为模型的独立参量。参数①～③的数值是通过计算在瑞典中部(冰川作用中心)所观察到的过去的地面隆升率和现代地面隆升率以及在芬兰南部(冰川作用边缘)所观察到的过去的地面隆升和地面倾斜而得出的。估值的唯一性及它们对④较流圈下粘度⑤冰川横截面和⑥冰消作用时间误差的灵敏度也给予了评价。这项研究的主要成果是:提出了芬诺斯堪的亚古陆岩石圈厚度的上限为80 km。     

北日德兰挪威-丹麦盆地折射剖面的地震模拟

挪威-丹麦盆地的沉积结构和其下伏的前寒武纪基底的地震速度可用日德兰(Jutland)北部(EUGENO—S计划,剖面3)的一个200km长的深折射地震剖面的二维射线追踪解释来模拟。提出的模型既与来自测井和上部沉积层浅层反射地震解释的十分详细的地质信息相吻合。也与来自剖面上三个炮点的观测走时相吻合。模型显示出剖面南部盆地厚约7km;在北部,近于芬诺斯堪的亚边界带减薄到1.5—2km;在中部,模型厚度约10km。上部沉积层(第四纪,第三纪和上白垩纪单元)的P波速度为1.9—3.0km/s,在最深的古生代地质单元,可达到5.5 km/s。前寒武纪基底的速度为5.9一6.5 km/s。而在llkm深处有一个清晰的基底反射层(速度比6.0/6.4km/s).     

南海北部珠江口—琼东南盆地地壳速度结构与几何分层

基于南海北部大陆边缘珠江口—琼东南盆地深水区实施的14条近垂直深反射地震探测叠加速度谱,利用Dix公式将叠加速度剖面转换为地壳层速度剖面,并利用时深转换方法构建了深度域地壳层速度模型,综合各地壳速度剖面分析了南海北部大陆边缘珠江口与琼东南盆地不同深度层次的P波速度变化趋势以及地壳几何分层特征.结果表明,琼东南盆地区可分为4～8 km沉积层（V_P为1.7～4.7 km/s）、4～10 km厚的上地壳层（V_P为5.2～6.3 km/s）、5 km〗左右的下地壳层（V_P为6.4～7.0 km/s）以及2～6 km厚的高速下地壳底层（V_P＞7.0 km/s）.V_P＞7.0 km/s下地壳高速层的存在被认为是岩石圈伸展、下地壳底部底辟构造或者是残存的原始华夏下地壳基性层的地震学指示;综合研究区地球物理探测成果构建了跨越华南大陆与南海北部陆坡区剖面莫霍和岩石圈底界图像,揭示出岩石圈上地幔在华南大陆与南海北部大陆边缘的减薄特征.     

长白山火山区壳幔S波速度结构研究

利用面波层析成像和远震接收函数方法对长白山地区的地壳上地幔速度结构进行了研究。结果表明:长白山火山区附近存在岩石圈减薄、上地幔软流圈增厚以及上地幔S波速度降低等与上地幔高温物质有关的现象,它表明长白山的岩浆系统一直延伸到上地幔软流圈范围。天池火山区地壳内部存在明显的S波低速层,在离天池火山口较近的WQD台附近,低速层顶部埋深约8km,厚度近20km,S波最小速度约2.2km/s。在距离天池火山北部50km的EDO台地壳中没有明显的低速层。火山区S波速度结构总体表现出距离天池越近,地壳的V_P/V_S越大,低速层的厚度和幅度增加的特征,表明天池火山口附近地壳内部存在高温物质或岩浆囊。CBS台站不同方位的接收函数及反演结果表明,地表低速层厚度以及莫霍面深度存在随方位的变化。地表低速层在南部方向明显较厚,莫霍面深度在南部天池火山口方向存在小幅度抬升。CBS台站附近特殊的近地表速度结构可能是该台站记录的火山地震波形主频较低的主要因素。天池火山口附近莫霍面的小幅度抬升意味着存在与火山作用有关的壳幔物质交换通道     

华北克拉通中西部岩石圈结构研究

本文选择华北中、西部两条宽频带密集流动地震台阵NCISP7和PKU作为研究对象,对南北向A-A"(NCISP7)剖面64个地震台站和东西向B-B"(PKU)剖面50个地震台站记录的远震记录提取P波和S波接收函数,然后通过共转换点叠加(CCP叠加)和偏移成像,得到了华北克拉通中西部岩石圈的精细结构.结果表明,华北克拉通西部地壳较厚,约44 km,莫霍面(Moho)起伏十分平缓,克拉通中部地壳厚度介于36~42 km,表现为西部厚,东部薄,北部厚,南部薄的特点.华北克拉通西部岩石圈厚度100~130 km,克拉通中部岩石圈厚度100~150 km与克拉通东部60~100 km普遍减薄的岩石圈相比,克拉通中西部岩石圈较厚;但与古老稳定克拉通200 km厚度的岩石圈相比,中西部华北克拉通显然也发生了岩石圈减薄现象.无论是在A-A"剖面南北方向上,还是B-B"剖面东西方向上,岩石圈厚度都存在急剧变化,岩石圈结构表现为显著的横向不均匀性.     

利用接收函数研究程海断裂带莫霍面深度和地壳内S波速度结构特征

利用程海断裂带附近27个数字地震台站远震波形资料,提取每一个台站的接收函数,计算出各台站莫霍面深度同时利用时间域线性反演方法,获得了各个台站下方的横波速度。结果显示:程海断裂带莫霍面深度从南部42km增至北部的54km,南部和北部莫霍面深度有明显的不同。从程海断裂带下方不同深度S波速度剖面可以看出,宾川及其北东部地区中下地壳存在明显的低速层,此低速层可能与还没有固结的热物质有关。而永胜南部地区,地壳中S波速度垂直变化剧烈,低速异常高速异常交替丛生,这可能是此区地震频发的主要原因。同时,本文对宽频带地震仪和短周期地震仪得到的接收函数进行了初步的对比分析。     

唐海—商都地震台阵剖面下方岩石圈结构

2006年10月到2009年9月,中国地震局地球物理研究所在华北地区布设了250个流动地震台站,本文选取其中一条从唐海经过唐山、三河、北京、张家口到商都的宽频带地震台阵剖面作为研究对象.利用该剖面49个宽频带台站记录的191个远震数据进行了S波接收函数的计算,通过共转换点叠加成像对剖面下方的岩石圈结构进行研究,获得了剖面下方的岩石圈精细结构.Moho界面和岩石圈-软流圈界面清晰可见,剖面下方地壳厚度从西到东逐渐减薄,从42 km逐渐减薄至30 km左右,西部陆块岩石圈厚度从100 km逐渐减薄至70 km,中部和东部陆块岩石圈厚度变化相对平稳,介于60~80 km,表明剖面下方岩石圈遭受了大规模的明显减薄.结合其他地球物理方法研究结果,我们认为剖面下方华北克拉通东部陆块岩石圈减薄主要是由于热侵蚀作用引起的.     

鄂尔多斯地块深部岩石圈电性结构研究

近年来新的研究成果反应出鄂尔多斯地块岩石圈并不是一个具有深根的完整的刚性块体,尤其在鄂尔多斯北部以及河套地堑发现有大范围的下地壳-上地幔低速低阻物质,如果这一情况属实,那么人们对鄂尔多斯地块的认识将发生大的变化.为此,我们在华北克拉通西部布设了一条穿过鄂尔多斯地块、河套地堑和阴山造山带的南北向大地电磁剖面,试图通过深部电性结构的探测提供更多信息.该剖面全长约850 km,共布设54个宽频测点和17个长周期测点.二维和三维反演结果均表明:鄂尔多斯地块内部以38°N为界,南部和北部电性结构存在明显差异.鄂尔多斯地块南部地壳至上地幔150 km深度范围内整体表现为高阻,具有刚性克拉通的特征;鄂尔多斯地块北部到河套地堑之间下地壳出现低阻层,特别是鄂尔多斯北端与河套地堑接壤地段,深部存在一个规模较大的下地壳-上地幔低阻异常体,该异常体从河套地堑开始,横向上向南延伸到鄂尔多斯地块内部约200 km,纵向上从下地壳向下延伸到上地幔(约100 km深度).根据该异常体的空间特征,参考该区地震波低速异常体的分布,我们认为鄂尔多斯北部及河套地堑中下地壳到上地幔存在热物质,其原因与深部的构造活动有关(软流圈热物质上涌、侧向流动等),这一情况可能反映出鄂尔多斯地块北部岩石圈深部正处于被改造(或者破坏)阶段,这对进一步认识青藏高原东北缘与华北克拉通之间的深部关系具有一定的启示作用.     

连云港——银川岩石圈壳—幔组合结构剖面构造应力场的有限元数值模拟

从岩石圈壳－幔组合结构出发，选择了大华北岩石圈块体内一条ＮＷＷ向连云港－银川的岩石圈壳－幔组合结构剖面，试图先从一个简单的力学模型开始，用二维有限元法得到岩石圈（地壳和上地幔顶盖层）中的构造应力场的分布特征，从而解释板内地震与岩石圈壳－幔结构比值（Ｒ）相关的力学原因。     

中朝克拉通东部上地幔精细圈层结构：来自朝鲜核爆源深地震测深剖面的约束

晚中生代以来,中朝克拉通经历了一系列强烈构造和岩浆事件,岩石圈性质发生显著变化.为此,中朝克拉通“破坏”一词被提出,但破坏形态主要来自地表地质、地球化学、地壳结构和上地幔较大尺度的地震学成像等的约束.因较大能量的人工震源方法较难在人口密集的华北地区实施,基于深地震测深剖面对整个上地幔精细圈层结构的探究仍限于较少地区.为此,我们根据中国地震台网和部分流动台站记录的2017年9月3日朝鲜地下核试验地震数据,利用宽角反射/折射成像方法,揭示了中朝克拉通东部及邻区5个不同方位剖面的高垂向分辨率一维地壳和上地幔P波速度结构.结果显示,中朝克拉通东部及周边地区平均地壳厚度为29～30 km,全地壳平均速度在6.10～6.17 km·s^-1之间,远低于全球大陆地壳平均值,表明该区下地壳很薄甚至缺失,且在地壳底部可能存在因局部拆沉而形成的强水平各向异性.该区80 km左右深度可观测岩石圈正速度梯度内部间断面,推测其可能是由尖晶石到石榴石相变引起.在约220 km深度,我们探测到通常存在于稳定克拉通下方的Lehmann间断面,揭示中朝克拉通东部还部分保留类似稳定克拉通的圈层结构.介...     

青藏高原北部东昆仑-羌塘地区的岩石圈结构及岩石圈剪切断层

通过横穿青藏高原北部东昆仑-羌塘地区的格尔木-唐古拉山口(西段)和共和-玉树(东段)两条天然地震探测剖面的综合研究, 揭示东昆仑-羌塘地区岩石圈结构的如下特征: (1)地壳厚度自南往北由70~75 km减小至55~60 km, 西段厚度变化幅度(10 km)较东段(20 km)小; (2)地壳具高速与低速转换界面相间组成的层状结构, 东段中地壳为透镜状低速层; (3)在150 km深度范围内岩石圈的物理状态具高速体和低速体相间特征; (4)岩石圈结构不连续性表明地体边界及地体内部存在150~250 km深度的3条主要的岩石圈剪切断层带: 昆南-阿尼玛卿岩石圈剪切断裂带、金沙江岩石圈剪切断裂带和鲜水河岩石圈剪切断裂带. 推测青藏高原北部存在岩石圈规模的向东挤出作用.     

青藏高原拉萨及羌塘块体的地壳结构研究

采用接收函数反演方法,从INDEPTH-Ⅲ台站中选取了18个资料记录较好的台站,对拉萨及羌塘块体的地壳厚度与低速层的分布等进行了研究. 结果表明,沿着INDEPTH-Ⅲ剖面,拉萨块体Moho界面较羌塘要深约8 km, 这可能暗示拉萨块体北缘的地幔盖层向北俯冲到羌塘块体之下;反演得到的地壳速度模型显示,拉萨北部及羌塘块体的部分台站下方中地壳有低速层存在,结合以往地质资料,可以推断拉萨块体北部和羌塘块体10~20 km以下的中地壳普遍存在低速层. 这些低速层可能与其下部的高温上地幔有直接关系.      

东海重磁地震综合探测剖面研究

依据东海南部一条自东海陆架直至菲律宾海盆的重磁地震综合探测剖面,采用地壳结构重磁地震综合反演解释系统开展岩石圈结构的综合研究,制作了岩石圈结构地学断面图. 结果表明基隆凹陷为一中新生代沉积凹陷,沉积厚度达到14km;冲绳海槽盆地为弧后扩张地堑型盆地,地壳厚度仅为14.5km;菲律宾板块沿北西西方向向欧亚板块俯冲,莫霍面急剧下插,导致冲绳海槽的形成与发展;岩石圈厚度约为80km,但在370km处仅为53km,在450km至540km处岩石圈厚度大于100km.     

南海西南次海盆岩石圈结构及其地质意义

南海地区岩石圈资料稀少,阻碍了其形成演化过程的研究.为此,本次研究结合大地热流、空间重力异常、高程、大地水准面和地震数据,在南海西南次海盆反演了两条2.5维岩石圈剖面.本次计算基于三种假设：岩石圈地幔的密度取决于岩石温度;研究区岩石圈处于热稳定状态;研究区处于重力均衡状态.在剖面A-E中,岩石圈底界面从珠江口盆地的105 km迅速抬升到西沙海槽处的50 km,在西沙海槽、西沙-中沙群岛和西南次海盆变化不大,为50~60 km.在剖面F-I中,岩石圈底界面从西沙群岛-中建地块处的88 km向海盆逐渐抬升,在西南次海盆处为46~50 km,到郑和隆起再逐渐变深至64 km.我们比较了西南次海盆岩石圈的冷却模型和热稳定模型,根据冷却模型由水深和热流数据所推断的西南次海盆年龄比实际年龄差很多,说明冷却模型不适用于西南次海盆.通过对比剖面A-E和剖面F-I,说明了剖面A-E经历了更长时间的拉伸,证明南海西南次海盆在形成演化过程中是从北东向南西逐步打开的渐进式扩张.最后,我们综合分析西南次海盆及其大陆边缘的岩石圈结构、减薄陆壳区范围、碳酸盐台地的分布、下地壳韧性流动、流变结构和沉积层特征等多方面资料,认为西南次海盆在形成演化过程中岩石圈地幔首先破裂而地壳后破裂,属于type Ⅱ型非火山型大陆边缘.     

地幔上涌对鄂尔多斯西缘岩石圈的改造:来自远震多尺度层析成像的证据

本文利用喜马拉雅二期科学探测台阵的678个地震台站及26个固定台站记录到的9,641个地震共约160000条远震P波走时数据,采用基于稀疏约束的多尺度层析成像方法,获得了鄂尔多斯西缘及邻区上地幔800 km深度范围内P波速度结构.结果显示,在东经104°附近阿拉善地块与鄂尔多斯盆地间存在岩石圈深度的构造边界,这表明阿拉善地块与鄂尔多斯可能分别从属于不同的大地构造单元.以北纬38°线为界,鄂尔多斯地块西缘在岩石圈范围内南北存在明显的速度差异,鄂尔多斯南部上地幔200~300 km深度范围显示为高速异常,而鄂尔多斯北部上地幔显示大面积的低速异常.这一现象表明,鄂尔多斯地块南北两部分经历了不同的构造演化过程.根据本文的结果可以进一步推断,由于青藏高原、阿拉善地块向东北方向推挤以及岩石圈的拆离引起的上地幔扰动导致了地幔上涌,上涌的热物质改造了鄂尔多斯西北缘地区的岩石圈,并使该区的岩石圈减薄.地幔上涌也可能是东经104°边界带和北纬38°构造带形成的深部动力学因素.     

南北构造带南段上地幔各向异性特征

对布设在南北构造带南段的中国地震科学探测台阵项目一期350个宽频带流动台站和中国地震台网90个宽频带固定台站记录的远震XKS(SKS、SKKS和PKS)波形资料作偏振分析,采用最小切向能量的网格搜索法和"叠加"分析方法求得每一个台站的XKS波的快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,获得了南北构造带南段上地幔各向异性图像.结果显示研究区的各向异性具有明显的南北分区特征,北部的快波方向为近N-S方向,而南部主要表现为近E-W方向,且北部的平均时间延迟小于南部.分析表明,具有厚岩石圈的北部的各向异性主要由岩石圈变形引起,是一种垂直连贯变形模式;具有薄岩石圈的南部的各向异性主要由软流圈地幔流引起,缅甸和巽达板片的后撤/回转作用产生了指向西南的软流圈地幔流,在岩石圈底部和软流圈之间产生了一个水平差异运动,产生了一个与简单剪切一致的软流圈变形结构,从而产生了南部观测的各向异性.     

鲁西隆起地壳厚度和泊松比及其地质意义

鲁西隆起是华北克拉通东部重要的伸展构造,为分析鲁西隆起地区地壳结构特征,本文通过选取2010-2013年鲁西隆起及周边地区28个地震台站记录的102个远震波形(MS6.0、震中距30°~90°),利用远震接受函数方法获得各台站下方的地壳厚度、泊松比值,结果显示:鲁西隆起地区地壳厚度值大致在29.9~36.1km之间,地壳厚度最小的区域位于北部地区,总体表现为南北向的变化特征,向南逐渐增大;相反,鲁西隆起北部地区的地壳平均泊松比值最大,向南逐渐减小.根据地壳厚度、泊松比分布特征,本文认为鲁西隆起地区的地壳结构特征是由地幔的主动上涌及对地壳的热侵蚀作用造成,这在北部地区表现最为典型.鲁西隆起伸展构造的形成是华北岩石圈减薄过程中地壳响应的结果,表明中生代华北岩石圈减薄过程存在明显的热侵蚀作用.     

沿北波罗的地盾POLAR剖面前寒武纪地壳的构造和组成

沿500km长的POLAR剖面,北波罗的地盾的大陆地壳由太古界和早元古界的一些地壳部分组成。在南部的Karelian区,上地壳是一些3.1—2.6Ga的太古界基底,上面覆盖着0—6km厚的中低粒度火山沉积物。这里,Central Lapland Complex的浅海盆地相岩石已经向北逆冲到karasjok-kittila绿岩带上。反复褶皱的覆盖岩层在穹窿和花岗岩顶点之间形成线形凹槽,47—48km厚的Karelian区的地壳属地盾型,被认为是盖层和花岗岩层下的最下冲断层位,它以低速层出现为特征。