郯庐断裂带及其邻区上地幔顶部Pn波速度与各向异性层析成像

本研究拾取了中国数字测震台网固定台站记录的2008-2016年2级以上地震事件中的27233条高质量Pn到时资料,反演得到了郯庐断裂带及其邻区上地幔顶部Pn波速度和各向异性结构模型.结果显示,研究区上地幔顶部Pn波速度结构存在强烈的横向不均匀性,速度异常形态与区域地质构造较为吻合.太行山造山带、鲁西隆起、大别造山带、苏鲁褶皱带、胶辽隆起和华北盆地南端等隆起区表现为低波速异常,而黄海北、南部盆地、渤海湾和华北盆地北部等凹陷区均为高波速异常.壳内强震主要发生在Pn低波速异常和高低波速异常的横向过渡地带,说明强震的发生与上地幔结构的横向变化之间存在有一定关联.郯庐断裂带两侧Pn波速度以郯城地震为界其东北侧和西南侧分别分布有与断裂带近平行的低波速异常条带,而西北侧和东南侧分别分布有高波速异常条带,各向异性快波方向近乎沿断裂带走向,可能由于上地幔热物质沿郯庐断裂带上涌形成低速异常后断裂带发生左旋平移运动所致.华北盆地内上地幔顶部Pn波速度结构和各向异性的明显变化,反映华北克拉通破坏过程中经历了地幔热物质上涌、莫霍面隆升以及岩石圈拆沉等复杂构造变形.     

苏鲁造山带及邻区深部电性结构研究

苏鲁造山带及毗邻华北地块,是中国东部地学研究的热点区域,研究其深部结构可以为讨论苏鲁超高压变质带以及华北克拉通演化提供重要的证据．对横切苏鲁造山带获得的一条大地电磁测深剖面资料进行了解释,剖面沿SE129°,西起华北地块,跨郯庐断裂带、苏鲁超高压变质带、苏鲁高压变质带,止于扬子地块．大地电磁反演解释采用了二维非线性共扼梯度法,用TE和TM联合模式得到了关于测区地下150km以上的电性剖面．该电性剖面在横向上,沿剖面自西而东,划分出了7个电性分区,电性边界带与郯庐断裂带、海州一泗阳断裂以及嘉山一响水断裂等重要的边界断裂具有很好的对应关系;纵向上,划分出6个电性构造单元．发现了在华北地块与扬子地块内存在着（壳内的）高导区,而苏鲁造山带下部没有发现高导区,这一点与大别造山带存在较大的差异．发现了在50—90km之间层位,存在较连续的相对低阻带,推测为上地幔顶部的软弱带,在该低阻带下部分别对应华北地块上地幔浅部相对高阻区、苏鲁造山带上地幔浅部相对低阻区以及扬子地块上地幔浅部相对高阻区．从整个二维电性结构模型来看,在苏鲁造山带及邻区上地幔浅部不存在异常低的电阻率,这表明现今已不存在与岩石圈减薄有关的热软流圈物质．     

基于地震各向异性分析郯庐断裂带中段深部构造特征

利用郯庐断裂带中段附近10个宽频带台站的远震波形资料,基于上地幔地震各向异性来分析郯庐断裂带中段深部构造特征。本研究得到,郯庐断裂带中段深部平均快波偏振方向为93．8°,即郯庐断裂带中段深部主张应变（张应力）方向,对照GPS资料和地震资料的研究表明,郯庐断裂带中段地壳和深部上地幔的形变存在总体的一致性,即郯庐断裂带中段岩石层的形变具有统一特征,地壳与深部上地幔处于相似的应力应变状态中。     

呼包盆地周缘壳、幔结构研究

对呼包盆地周边七个台站的远震接收函数研究表明：研究区地壳厚度为43～46 km,地壳速度比和S波速度结构均无异常;阴山造山带岩石圈埋深为65～85 km,且上地幔S波平均速度偏低,是典型的异常地幔区.根据S波速度结构和地壳厚度随地形高程反比的变化关系,以及地表广泛出露的幔源玄武岩分布,推测该区地幔深部热物质上涌是阴山造山带隆升的原因之一.上升的软流层物质与地幔发生交代、侵蚀作用导致岩石圈减薄,S波速度降低.呼包盆地的形成可能与深部物质上涌造成的拉张效应有关.     

基于融合重力异常的大别造山带东段莫霍面反演研究

利用实测布格异常和EGM2008重力异常融合结果,采用频率域位场反演方法计算大别造山带东段莫霍面三维空间分布,结合区域地质构造和地震活动等资料讨论大别造山带东段莫霍面分布特征及其构造含义等。研究结果显示:①莫霍面空间分布体现了块体构造差异,大别造山带莫霍面最深,最大深度达42km,显示东大别造山带存在明显山根,扬子地块深度次之,华北地块最浅;郯庐断裂带及其东侧区域存在莫霍面上隆带;②大别造山带北侧和南侧莫霍面陡变带分别位于青山—晓天断裂附近和襄樊—广济断裂以北,体现华北地块和扬子地块向大别造山带之下俯冲的构造特征,指示了深部构造缝合带位置;莫霍面深度特征表明郯庐断裂带区域构造边界带属性明显,其切割深度至少达到壳幔边界,大别造山带商城—麻城断裂两侧经历了差异隆升;③研究区域绝大多数地震发生在莫霍面以上深度,莫霍面深度陡变带、上隆带及不同莫霍面深度特征区的转换带为区域地震活动提供了深部构造条件。     

联合多源数据反演郯庐断裂带南段地壳三维速度结构

郯庐断裂带南段位于不同块体交汇区,高分辨率的地壳速度结构有助于理解该地区的构造特征及成因.本文基于多源数据,利用2015年安徽实验中气枪的体波和高频面波,2008—2018年区域地震体波信号以及背景噪声面波频散等资料,将不同来源、不同周期的面波频散数据和体波走时进行联合反演,获取了郯庐断裂带南段的高精度地壳速度结构.研究结果表明：(1)加入面波信息进行联合反演后,获取的P波和S波速度模型的分辨能力较单一体波数据反演在中下地壳均有显著提升.(2)郯庐断裂带是控制区域异常的主要因素,两侧具有明显的速度差异.地震主要发生在断层附近,集中分布于高低速交界区.(3)秦岭—大别造山带下方5～10 km深度存在明显的高速异常体,对应于超高压变质岩,是大陆深俯冲经历超高压变质作用后折返上升到中上地壳形成的.(4)长江中下游成矿带的矿集区呈现高的P波和S波速度值,可能是陆内俯冲、岩石圈拆沉、幔源岩浆底侵和一系列成矿作用共同造就的.     

下扬子及周边地区深部泊松比结构及深部动力过程约束研究

下扬子及周边地区存在着丰富的地质构造和多金属矿产资源,其深部结构和动力学过程已成为地学界研究的热点.为了更好地讨论下扬子及周边地区的深部动力学过程和岩浆活动机制,本文基于均匀网格层析成像方法提出了非均匀网格远震层析成像方法,利用大量的天然地震相对走时残差数据反演获得了下扬子及周边地区深至700 km范围内的三维S波和P波速度结构,并根据纵横波的比值关系计算出泊松比异常.由于S波速度比P波对流体的反应更加敏感,所以泊松比异常反映了物质是否包含流体或者物质的软硬、冷热程度.本研究结果显示：（1）长江中下游成矿带下方的上地幔内存在明显的高泊松比异常,而地幔过渡带内则存在明显的低泊松比异常;（2）大别造山带及其南侧的中扬子地块的上地幔中下部及地幔过渡带内都存在明显低泊松比异常,且呈现东深西浅的空间分布特征.结合已有的地质、地球物理和地球化学等资料,我们认为长江中下游成矿带下方的地幔过渡带内滞留着古太平洋俯冲板块,其上地幔内则赋存着软的上地幔热物质,为深部成矿提供了热量或幔源物质.因此,古太平洋板块的俯冲对长江中下游成矿带的形成发挥了至关重要的作用.     

大别造山带地壳结构反演及其动力学意义

大别造山带是全球最大的碰撞造山带之一,三叠纪时期,扬子板块深俯冲至地幔的200km处,经历了超高压变质作用。白垩纪早期,该造山带发生了强烈的伸展和垮塌,以及大规模的后造山地幔源岩浆侵入和火山活动。本研究收集了大别造山带及其邻区(29°~34°N、114°~119°E)的震相资料,采用双差层析成像技术,对大别造山带地壳结构进行反演,研究地壳结构与后造山地幔源岩浆侵入和火山活动之间的关系。结果显示,大别造山带中上地壳存在低速结构,该低速结构可能是熔融的幔源侵入物质,由于俯冲板片断裂,或下地壳/岩石圈发生拆沉,导致软流圈物质上涌至地壳底部、侵入地壳中,形成大别造山带地壳中的低速结构;同时,合肥盆地显示为低速区,可能是受浅部沉积层影响。研究中横切大别山的4条剖面显示,该地区下方存在北向倾斜高速结构,该高速结构可能是襄樊-广济断层,或者是扬子板块向华北板块下方俯冲的遗迹。     

长江中下游成矿带中段岩石圈电性结构研究

长江中下游成矿带位于大别造山带、长江中下游凹陷、江南隆起带等大地构造单元结合部位,通过在研究区内布设两条首尾相接共计150km长的大地电磁剖面,获得了50km以浅岩石圈尺度的电性分布.长江中下游地区中段地下电性结构显示出在地下10km和30km处分别存在明显的圈层结构,以此认为现今横向稳定的"电莫霍"反映了研究区经历燕山期陆内构造-岩浆活动后已基本上完成壳幔重新平衡;而分隔大地构造单元的郯庐断裂带、长江断裂带以及江南断裂带在电性上具有特征的梯度显现,在印支造山期后的引张背景下,断裂带成为强伸展活动带与控制了燕山期大范围的陆内岩浆活动;高导地幔的局域性存在以及从北向南地幔导电性的变化反映了在经受深部动力学过程中处于不同大地构造部位的地幔所遭受的不同类型的改造以及地幔深部的构造极性.     

大别山俯冲陆壳的再循环——地球化学证据

大别山超高压榴辉岩与邻区新生代大陆玄武岩的地球化学对比研究表明,碰撞造山带俯冲陆壳可以再循环进入软流圈地幔,并形成上地幔的EM Ⅰ富集端元它与交代富集不相容元素的岩石圈地幔不同,具有低Rb/Ba和La/Yb的特征.位于大别山和苏-鲁超高压变质带之间的嘉山具有EM Ⅰ特征的新生代大陆玄武岩可能就与大别造山带俯冲陆壳再循环有关.     

中国境内天山地壳上地幔结构的地震层析成像

根据横跨中国境内天山的库车—奎屯宽频带流动地震台阵和区域地震台网记录的近震和远震P波走时数据,利用地震层析成像方法重建了沿该地震台阵剖面下方400 km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构.结果表明：沿新疆库车—奎屯剖面,天山地壳具有明显的横向分块结构,且南、北天山地壳显示了较为强烈的横向变形特征,表明塔里木地块对天山地壳具有强烈的侧向挤压作用;在塔里木和准噶尔地块上地幔顶部有厚度约60～90 km的高速异常体,塔里木—南天山下方的高速异常体产生了较为明显的弯曲变形,而准噶尔—北天山下方的高速异常体向南一直俯冲到中天山南侧边界下方300 km的深度,两者形成了不对称对冲构造;在塔里木和准噶尔地块下方150～400 km深度存在上地幔低速体,其中塔里木地块一侧的上地幔低速物质上涌到南天山地块的下方;在塔里木—南天山200～300 km深度范围的上地幔存在高速异常体,它可能是地幔热物质向上迁移过程融断的塔里木岩石圈的拆离体. 上述结果表明,塔里木地块的俯冲可能涉及整个岩石圈深度,但其前缘仅限于南天山的北缘;青藏高原隆升的远程效应可能不但驱动塔里木岩石圈向北俯冲,同时还造成天山造山带南侧上地幔物质的涌入;天山造山带上地幔广泛存在的低速异常有助于其上地幔的变形,而上地幔物质的强烈非均匀性应有助于推动天山造山带上地幔小尺度地幔对流的形成;根据研究区地壳上地幔速度结构特征推断,新近纪以来天山快速隆升的主要力源来自青藏高原快速隆升的远程效应,相对软弱的上地幔为加速天山造山带的变形和隆升创造了必要条件.     

Dislocation structure of the crust-mantle boundary and low-velocity body within the crust beneath the Dabie Shan collision orogen

The Dabie Shan is located on the eastern side of the Qinling-Dabie orogenic belt, which marks a geological boundary between the Sino-Korean and Yangtze cra- ton. Since the 1980s, the discovery of coesite and mi- crodiamond in the Dabie Shan orogen motivates an extensive interest to the ultra-high pressure (UHP)metamorphism and its exhumation[1,2]. Many results about them were published, which deal with different disciplines, including tectonics, petrology and chro- nology[3?8]. Up to now,…     

Crustal structure beneath the Dabie orogenic belt from ambient noise tomography

The Qinling–Dabie–Sulu orogenic belt in east-central China is the largest high and ultrahigh pressure (HP and UHP) metamorphic zone in the world. The Dabie Mountains are the central segment of this orogenic belt between the North China and Yangtze cratons. This work studies the nature of the crustal structure beneath the Dabie orogenic belt to better understand the orogeny. To do that, we apply ambient noise tomography to the Dabie orogenic belt using ambient noise data from 40 stations of the China National Seismic Network (CNSN) between January 2008 and December 2009. We retrieve high signal noise ratio (SNR) Rayleigh waves by cross-correlating ambient noise data between most of the station pairs and then extract phase velocity dispersion measurements from those cross-correlations using a spectral method. Taking those dispersion measurements, we obtain high-resolution phase velocity maps at 8–35 second periods. By inverting Rayleigh wave phase velocity maps, we construct a high-resolution 3D shear velocity model of the crust in the Dabie orogenic belt.The resulting 3D model reveals interesting crustal features related to the orogeny. High shear wave velocities are imaged beneath the HP/UHP metaphoric zones at depths shallower than 9 km, suggesting that HP/UHP metaphoric rocks are primarily concentrated in the upper crust. Underlying the high velocity HP/UHP metamorphic zones, low shear velocities are observed in the middle crust, probably representing ductile shear zones and/or brittle fracture zones developed during the exhumation of the HP/UHP metamorphic rocks. Strong high velocities are present beneath the Northern Dabie complex unit in the middle crust, possibly related to cooling and crystallization of intrusive igneous rocks in the middle crust resulting from the post-collisional lithosphere delamination and subsequent magmatism. A north-dipping Moho is revealed in the eastern Dabie with the deepest Moho appearing beneath the Northern Dabie complex unit, consistent with the model of Triassic northward subduction of the Yangtze Craton beneath the North China Craton.     

秦岭造山带与邻域华北克拉通和扬子克拉通的壳、幔精细速度结构与深层过程

秦岭造山带与其南北两侧华北克拉通和扬子克拉通属三大构造单元,不论其各构造单元体还是其界带构造均甚为复杂,并受到多期次构造运动的制约,形成了大陆内部特异的造山过程.尽管在这一地域曾做过大量的地表地质工作和一些相关的地球物理工作,但对其壳、幔精细结构、深层动力过程,特别是同步穿越华北克拉通、秦岭-大巴造山带和扬子克拉通系统的耦合研究甚少.为了研究和探索该地域的壳、幔精细速度结构和其形成的深层过程,专门布置了一条北起榆林,向南经咸阳、宁陕直抵涪陵长达1000 km的高精度地震宽角反射、折射波场探测剖面.通过剖面辖区高分辨率的数据采集,数据处理、反演和壳、幔层、块精细速度结构,发现剖面辖区深部壳、幔结构存在特异的速度和结构变化,并厘定了一系列的新认识.研究结果表明:(1)秦岭—大巴造山带具有同一基底,其形成乃为结晶基底隆升所致,即它的形成仅涉及到上地壳的受力变形和空间状态.造山带与其南、北两侧的前陆盆地为陆内造山过程中同一深层过程的产物,但其沉积速率和形态却不相同.华北克拉通与秦岭造山带之间前陆盆地B_fc拉张为该区Moho界面的局部隆升所致.(2)首次提出了沿1000 km长剖面连续的沉积建造、结晶基底、上地壳、下地壳和上地幔顶部的层、块速度结构和各界面的起伏变化与空间状态.基于地震波边界场响应厘定了华北克拉通、秦岭—大巴造山带和扬子克拉通的分区界带.论述了三大构造单元各自的内部结构和其相邻界域的速度变化特征.(3)该区大陆内部速度结构和不同类型断裂分布及层序在华北克拉通、秦岭—大巴造山带、扬子克拉通三大块体地域存在显著差异.不同规模、层次与产状的断裂分布反映出它们在变形行为和机制上及所受构造运动的制约上均存在明显的差异.     

大别-苏鲁及其邻近地区基于背景 噪声的勒夫波群速度成像

大别-苏鲁造山带是中国大陆东部地区最重要的构造之一. 为了研究该地区的地壳上地幔速度结构,本文收集了国家数字地震台网和中国区域地震台网的山东、河南、安徽、江苏和湖北等省的144个宽频带地震台连续两年(2009年5月—2011年5月)的水平向地震记录(E分量和N分量)数据,首先对台站对之间E-E,E-N,N-N和N-E分量进行互相关,然后分别对这4个互相关分量采用相位权重叠加法进行叠加,最后旋转到横向分量(T-T)获得勒夫波经验格林函数(EGF);用频时分析(FTAN)方法获得4000余条勒夫波群速度频散曲线,并进一步反演得到了周期为6—40s的勒夫波群速度分布图.结果表明,周期为6—10s的勒夫波群速度分布与地表构造特征相吻合.大别造山带、苏鲁造山带、湖北西部隆起均表现为高速;华北盆地发育,表现为大面积的低速;江汉盆地、南襄盆地、合肥盆地等因其规模不同而显示不同程度的低速.在周期为6—30s的勒夫波群速度分布图上,大别和苏鲁地区均显示高速,已有的研究结果中地壳的低速并没有得到反映.其原因一方面可能与勒夫波群速度纵向分辨不高有关,另一方面高压变质岩深度分布可能比已有研究结果给出的要深. 6—30 s的分布图上郯庐断裂带及其邻近地区表现为不同程度的高速,可能与该地区白垩纪以来处于拉张构造体制,地幔物质受到扰动,造成物质上涌有关.      

Seismic tomography beneath the orogenic belts and adjacent basins of northwestern China

Three-dimensional velocity images of the crust and upper mantle beneath orogenic belts and adjacent basins of the northwestern continent of China are reconstructed by seismic tomography, based on arrival data of P wave recorded in seismic networks in Xinjiang, Qinghai, Gansu of China and Kyrgyzstan. The velocity images of upper crust demonstrate the tectonic framework on the ground surface. High velocities are observed beneath orogenic belts, and low velocities are observed in the basins and depressions that are obviously related to unconsolidated sediments. The velocity image in mid-crust maintains the above features, and in addition low velocities appear in some earthquake regions and a low velocity boundary separates the western Tianshan Mts. from eastern Tianshan Mts. The orogenic belts and the northern Tibetan plateau have a Moho depth over 50 km, whereas the depths of the Moho in basins and depressions are smaller than 50 km. The velocity images of upper mantle clearly reveal the colliding relationship and location of deep boundaries of the continental blocks in northwestern China, indicating a weakness of the upper mantle structure of orogenic belts. The top depth of upper mantle asthenosphere varies from place to place. It seems shallower under the northern Tibetan plateau, Altay and Qilian Mts., and deeper under the Tarim and Tianshan regions. Hot mantle probably rose to the bottom of some orogenic belts along tectonic boundaries when continental blocks collided to each other. Therefore their dynamic features are closely correlated to the formation and evolution of orogenic belts in northwestern China.     

大别—苏鲁及邻区上地幔的各向异性

大别—苏鲁是扬子与华北的碰撞造山带,对该地区上地幔各向异性的研究有助于了解该区的地幔动力学机制.本文选用了中国数字化地震台网和区域数字地震台网(山东、安徽、江苏、河南、湖北)三分量宽频带的远震地震波形数据,分别采用最小能量法和旋转相关法,对大别—苏鲁及邻区进行剪切波偏振分析,计算了研究区台站下方介质的各向异性分裂参数:快波偏振方向(Φ)和快慢波延迟时间(δt).本文研究结果发现,研究区内快、慢波延迟时间0.5~1.63 s,推测各向异性层深度为57.5~187.6 km,由软流圈和岩石圈地幔的各向异性共同作用引起.快波偏振方向在4个不同构造区表现出不同的特点:华北板块快波偏振方向为近E-W向,根据地质资料,我们分析认为华北板块的各向异性受地幔软流圈流动的影响明显;大别造山带各向异性平行于大别主构造,反映造山过程中岩石圈物质沿大别造山轴部NW-SE向迁移的特点; 在大别南侧和东侧的扬子板块快波偏振方向分别表现为近垂直于造山带走向和NEE-SWW,苏鲁造山带各向异性结果为NEE-SWW,与地表构造有一定的夹角,同时与板块运动方向相差较大,分析认为扬子板块和苏鲁造山带各向异性是由地幔软流圈流动和印支—燕山期构造运动残留在岩石圈地幔的"化石各向异性"共同作用的结果.     

阴山造山带—鄂尔多斯盆地岩石圈层、块速度结构与深层动力过程

阴山造山带位于鄂尔多斯盆地的北缘,这一地带不仅是构造活动强、弱的变异地域,且为盆、山的耦合地带,故在造山带与盆地地域具有各异的深层动力过程.本文基于高精度人工源地震宽角反射、折射探测和高分辨率的数据采集,通过反演求得了满都拉—鄂尔多斯—榆林—延川长达650 km剖面辖区的岩石圈精细层、块结构.研究结果表明：①沿该剖面由南向北地壳厚度为40~45 km;在不同构造单元其介质、结构均不相同;速度分布、空间结构形态和界面起伏及属性亦存在着明显差异;上地幔顶部速度为8.0~8.1 km/s;②沿剖面存在5条深、大断裂,且将该区切割成为壳、幔结构明显差异的4个构造单元,即鄂尔多斯盆地、盆山耦合地带、阴山造山带、内蒙构造带,它们各自具有固有的深层过程和动力学响应.同时厘定了阴山造山带与内蒙构造带之间的白云鄂博深、大断裂带是古亚洲洋的南界.在这里不仅导致了阴山造山带的形成,而且聚集了诸多的金属矿产资源,地震亦频繁活动.基于上述研究表明,阴山造山带—鄂尔多斯盆地耦合地带的壳、幔结构复杂、呈现出速度结构各异的层、块状展布.显然,在这一错综的成山、成盆、成岩、成矿和成灾地带,有着特异的深层过程和动力机制.     

伽师强震群的深部动力学条件

根据天山造山带及其两侧的塔里木盆地和准噶尔盆地的岩石圈二维速度结构、二维密度结构、二维电性结构、壳幔过渡带的详细结构以及大地热流和震源深度的分布,再结合对新疆西北部的蛇绿岩带、高压变质带和岩浆岩分布的综合分析,建立了天山造山带的地球动力学“层间插入消减”模型。该模型认为,塔里木板块的中上地壳在库尔勒断裂附近向天山造山带的中下地壳层间插入;而下地壳连同岩石圈地幔向天山造山带的上地幔俯冲消减。在天山的西段（哈萨克斯坦境内）,费尔干纳地块由北向南插入到南天山之下约180km的深处,在其东段（中国境内）,塔里木盆地由南向北插入南天山之下。这两个具有不同方向的下降板片的接触部位为费尔干纳走滑断裂。我国的伽师、喀什、乌恰地震区均落在这两个具有不同俯冲方向板块的结合部位附近,有着特殊的深部构造背景。南、北两大板块的双向挤压必定产生强大的应力,在地震区附近,这种应力的积累与释放具有4个显著的特点：（1）板片的俯冲消减速度约高达每年22mm左右;（2）应力的积累与释放速率加快;（3）应力释放较容易;（4）应力释放较为集中。这4个特点可能是伽师地区在较短的时间内连续发生数次强震的构造因素。