西北太平洋岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文引入滑动窗口导纳技术(MWAT),计算西北太平洋岩石圈有效弹性厚度(Te).首先,基于SIO V15.1海底地形模型,模拟研究了MWAT法计算Te的精度,表明当TeTe≥5 km时,相对误差在10%以内.分别采用GEBCO、SIO V15.1和BAT_VGG海底地形模型,构建了西北太平洋Te,通过对获得的洋壳密度参数和实测导纳与模型导纳之差的均方根进行分析,结果表明,BAT_VGG模型更适用于Te计算.西北太平洋Te均值为13.2 km,标准差为6.9 km,以板块冷却模型为参考,主要分布在150℃~450℃等温线深度范围内.白垩纪和侏罗纪时期岩石圈Te分布在150℃~300℃等温线深度范围内,且未随海山加载时岩石圈年龄增大而增大,说明海山加载时岩石圈年龄不是影响其强度的唯一因素.南太平洋超级海隆活动,以及研究区域广泛存在的断裂带构造,都曾对本区域岩石圈演化产生过重要影响,可能是本地区岩石圈Te较小的构造原因.     

卡罗琳板块及其附近地区的岩石圈有效弹性厚度

本文利用卡罗琳板块及其附近地区的自由空气重力异常和海水深度数据,结合滑动窗口导纳技术（MWAT）,计算了该地区的岩石圈有效弹性厚度Te.本文使用Multitaper（多窗谱）方法对功率谱密度进行估计,基于实际的海底地形,通过模拟计算得到了MWAT方法较真值的改正,MWAT方法计算的结果偏小20%左右.研究结果显示卡罗琳板块及其附近地区的Te变化范围为1～34 km.研究区域包括了海山、海底高原、俯冲带、扩张洋脊等多种构造,对它们的岩石圈强度的研究为认识西太平洋地区岩石圈的构造和演化提供了重要的依据.Te与加载时的岩石圈年龄、地表热流相关.Te与海底地壳年龄之间的关系显示Te主要位于板块冷却模型的450℃的等温线深度以上.西太平洋的Magellan海山和Marcus-Wake Guyots（MWG）地区的Te主要分布在加载形成时板块冷却模型的200℃的等温线深度附近,较低的等温线可能受太平洋超级地幔柱的影响.我们的研究结果也显示在研究区域内海洋地壳的热流与Te之间存在一定的反相关性.     

张家口-塘沽测线岩石圈有效弹性厚度研究

岩石圈有效弹性厚度表征了岩石圈抵抗变形的能力,代表了岩石圈的综合强度,通过岩石圈有效弹性厚度的研究能揭示岩石圈丰富的热力学信息.本文收集分布在首都圈地区张家口-塘沽测线附近的16个大地热流数据,且结合该测线下的地壳结构,计算得到测线下方岩石圈的现今温度场剖面,并根据温度场计算得到其流变结构和有效弹性厚度.通过将有效弹性厚度与前人有关该测线下方震源深度的研究成果做对比,结果表明在有热流约束的地方有效弹性厚度大致对应约400~600℃的等温面,所有地震都发生在有效弹性厚度之上.     

巴颜喀拉地块东部及邻区重力均衡与岩石圈有效弹性厚度

基于SIO（Scripps Institute of Oceanography）最新全球重力和高程模型,计算了巴颜喀拉地块东部及邻区的布格重力异常、均衡重力异常、岩石圈有效弹性厚度及荷载比.结合大地热流、地震速度结构、地震活动和断裂构造分布等,分析了地壳均衡状态和岩石圈有效弹性厚度、地质构造单元间的差异及与地震活动的相关性特征.研究结果表明,该区域布格重力变化范围约为-500~0 mGal（1 mGal=10^-5m·s^-2,下同）,在巴颜喀拉块体东部区域形成弧形重力梯度带,近年来的中强地震活动频发于该梯度带不同部位,应与其应力依次释放有关;均衡重力异常结果表明,其变化范围约为-80~+100 mGal,且大部分区域处于±20 mGal以内的被认为处于重力均衡的状态,重力非均衡（正或负）多出现于块体边界带附近,地震多发生在靠近块体边界的均衡重力异常（正或负,主要为正）区域内;巴颜喀拉地块东部及邻区岩石圈有效弹性厚度（T_e）为10~65 km,不同构造单元之间T_e空间分布差异明显,较低的T_e值出现在龙门山构造带附近,T_e值为20 km左右,岩石圈荷载加载比为0.5~0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.进一步分析表明,巴颜喀拉地块东部挤压增生与横向流动同时发生,是造成该区域地震发生与重力均衡异常高值重合、岩石圈有效弹性厚度和大地热流值较低的主要原因.本文获得的地壳均衡特征及岩石圈有效弹性强度结果,加深了对巴颜喀拉东部及邻区岩石圈构造演化过程的认识.

     

青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度与地震分布关系

岩石圈有效弹性厚度（T_e）表征岩石圈综合力学强度,对理解区域深部构造孕震环境具有重要意义.青藏高原东北缘地质构造复杂,强烈地震活动频发.为进一步了解该区域深部岩石圈力学性质特征及其与地震活动的关系,本文利用基于Fan小波的谱方法,使用WGM2012重力异常数据、ETOPO1地形数据和CRUST1.0模型,通过导纳和相关联合反演计算了青藏高原东北缘的岩石圈有效弹性厚度（T_e）与荷载比（F）.结果显示研究区T_e整体呈明显的东高西低分布,青藏块体T_e变化剧烈,西部高值（>40 km）和东部低值（< 20 km）共存;鄂尔多斯地块T_e较高（>30 km）,变化相对平缓;荷载比F存在局部西南高,巴颜喀拉和羌塘地块荷载比F较高（>0.5）,说明以地下荷载为主,其他地块荷载比F较低（< 0.2）,以地表荷载为主.鄂尔多斯地块结构稳定,岩石圈强度较大,T_e值较高;内部构造活动性微弱,深部物质密度横向变化较小,岩石圈所受荷载以地表为主,荷载比F较低.柴达木地块东部与巴颜喀拉地块东部可能发生有下地壳流,岩石圈较为软弱,T_e值较低;巴颜喀拉地块内部与鲜水河断裂的荷载比F较高,岩石圈所受荷载以地下为主,可能是地壳物质向东流动导致岩石圈深部物质密度横向变化较大引起的.通过对比分析研究区T_e和T_e梯度、F和F梯度与地震之间的对应关系,发现地震一般发生在区域相对低T_e值、T_e梯度值和荷载比F梯度值较大的区域,震级较小的地震多发生在荷载比F较小的地区,6级以上强震则较多发生在荷载比F约为0.1和0.8的区域.因此,岩石圈有效弹性厚度T_e值较低、T_e梯度和荷载比F梯度较大的地区,更易出现地震.

     

青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文利用三维有限差分方法,基于EIGEN6C4布格重力异常和SIO V15.1地形数据,计算了青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度.结果表明：青藏高原东南缘岩石圈有效弹性厚度为0~100 km,四川盆地和喜马拉雅东构造结岩石圈有效弹性厚度最大,达50~100 km;巴颜喀拉块体东部、川滇菱形块体大部、滇西等地区岩石圈强度弱,有效弹性厚度一般小于15 km;羌塘块体东部的玉树—德格附近地区岩石圈有效弹性厚度大于40 km;滇南地区岩石圈有效弹性厚度为10~30 km,大于云南北部地区.研究区域有效弹性厚度分布特征与岩石圈结构关系密切.四川盆地、喜马拉雅东构造结地区内部结构稳定,因而岩石圈强度大.川滇菱形块体等岩石圈有效弹性厚度小的地区与壳内低速、低阻/高导层分布有很好的对应关系,推测壳内岩石的部分熔融软化可能是造成高原东南缘岩石圈强度较弱的重要原因.羌塘块体东部的局部高力学强度岩石圈则可能是高原形成过程中的残留克拉通.根据本文计算的岩石圈有效弹性厚度特征,结合地震学、大地电磁等研究成果,认为青藏高原物质向东南缘挤出后受四川盆地等阻挡,造成下地壳软弱物质在理塘—稻城—丽江一带堆积,少部分物质可能穿过鲜水河断裂带的康定—道孚地区向北运动,但大部分物质向南运动,在受到滇南块体阻挡后一支流向西南的腾冲方向,另一支流向东南的攀枝花—东川方向.

     

岩石圈有效弹性厚度估算方法研究进展

岩石圈有效弹性厚度(Te)是度量岩石圈力学强度的一个定量指标,是研究岩石圈大规模构造的有力工具.研究岩石圈有效弹性厚度,对于了解岩石圈力学强度及其横向变化特征、重力均衡状态、热状态、地壳厚度变化、岩石圈内部圈层耦合关系和壳幔流变结构等信息具有重要作用.本文介绍了岩石圈有效弹性厚度的研究背景和基本估算原理,并总结了国内外...     

中国大陆岩石圈有效弹性厚度与强震构造区力学特征研究

研究中国大陆强震区岩石圈力学特性对理解该区强震孕育环境及发生机理具有重要意义。岩石圈有效弹性厚度(T_e)及初始载荷比(F)与大陆岩石圈力学特征紧密相关。本文利用导纳和相关函数联合反演方法以及贝叶斯最优参数估计方法,基于全球最新的WGM2012重力异常数据、 ETOPO1地形数据和CRUST1.0模型的Moho面深度数据,计算中国大陆岩石圈有效弹性厚度(T_e)和初始载荷比(F)。通过对比分析,探索该地区岩石圈T_e、F、T_e梯度和F梯度对强震孕育环境的影响作用。本文发现,强震构造区岩石圈一般具有较低的T_e值、较高的T_e和F梯度值。结果表明,岩石圈综合力学强度较低且力学强度和内部载荷变化剧烈的地区,往往更有利于强震的孕育。     

利用Moho地形导纳法(MDDF)反演中国大陆岩石圈有效弹性厚度

本文用数值实验方法验证了,在Moho地形导纳法(MDDF)中使用先由重力数据反演的Moho面相对起伏数据,能较传统的重力地形导纳法获得更高的反演精度.之后作者应用Moho地形导纳法(MDDF)反演获得了精度较高的中国大陆区域岩石圈有效弹性厚度.结果显示:(1)中国地区岩石圈有效弹性厚度Te从东向西大体上呈阶梯状上升;(2)Te与岩石圈地震-热厚度、地表热流、上地幔顶部的地震波速度等数据密切相关;(3)在中国中东部, Te较低的区域以及Te的高低值转换带对应较强的地震活动性.但在西部,Te与地震活动性的相关性并不明显.     

华北克拉通岩石圈有效弹性厚度及其各向异性

华北克拉通是典型的克拉通破坏的区域,研究该区域的岩石圈有效弹性厚度(Te)及其各向异性特征有助于了解华北克拉通的强度构造及破坏机制.我们根据空间分辨率为30″×30″的地形数据和由自由空气异常解算得到的完全布格重力异常数据,利用Fan小波分析方法计算了两者之间的相关性,并基于Forsyth理论和正交各向异性薄板模型计算了华北克拉通地区的岩石圈Te和其各向异性分布情况.结果表明:(1) 从各向同性Te分布来看,华北克拉通岩石圈在东部、中部和西部存在着明显的差异.鄂尔多斯地块、河淮盆地的Te值均较高;中华北克拉通、南北重力梯度带及鲁西隆起Te值较低,约10~25 km;郯庐断裂带两侧Te有非常大的差异,西侧的Te明显小于东侧,推测郯庐断裂带在华北克拉通破坏过程中起着非常重要的作用.(2) 从Te的各向异性来看,不同块体Te各向异性的大小或方向存在差异,并且研究区内地震大多分布在Te各向异性大小或方向转变的区域.(3) 从地震波SKS各向异性和Te各向异性的比较来看,在华北克拉通西部阿拉善块体岩石圈变形趋于垂直连贯变形模式;鄂尔多斯地区各向异性源自历史构造事件的"化石"各向异性;山西裂谷带地区Te的弱轴方向和SKS的快波方向平行,而在山西裂谷带南部的秦岭—大别区域,SKS快波方向和Te弱轴方向相垂直,这可能与地幔热物质上涌等作用有关.此外,Te各向异性与现今构造应力场间的相关性不明显,体现出华北克拉通复杂的构造应力特征.     

Effective elastic thickness of the lithosphere from joint inversion in western China and its implications*

The western China lies in the convergence zone between Eurasian and Indian plates. It is an ideal place to study the lithosphere dynamics and tectonic evolutions on the continental Earth. The lithospheric strength is a key factor in controlling the lithosphere dynamics and deformations. The effective elastic thickness (T_e) of the lithosphere can be used to address the lithospheric strength. Previous researchers only used one of the admittance or coherence methods to investigate the T_e in the western China. Moreover, most of them ignored the internal loads of the lithosphere during the T_e calculation, which can produce large biases in the T_e estimations. To provide more reliable T_e estimations, we used a new joint inversion method that integrated both admittance and coherence techniques to compute the T_e in this study, with the WGM2012 gravity data, the ETOPO1 topographic data, and the Moho depths from the CRUST1.0 model. The internal loads are considered and investigated using the load ratio (F). Our results show that the joint inversion method can yield reliable T_e and F values. Based on the analysis of T_e and F distributions, we suggest (1) the northern Tibetan Plateau could be the front edge of the plate collision of Eurasian and Indian plates; (2) the southern and part of central Tibetan Plateau have a strong lithospheric mantle related to the rigid underthrusting Indian plate; (3) the southeastern Tibetan Plateau may be experiencing the delamination of lithosphere and upwelling of asthenosphere.     

Effective elastic thickness of island arc lithosphere under Japan

Abstract Using topography and observed gravity anomalies, we have estimated the effective elastic thickness as a measure of strength of Japanese island arc lithosphere. The thickness is found to range from about 3 km to >20 km. The thickness seems to be controlled primarily by the thermal state of the lithosphere. The higher the heat flow, the thinner is the elastic plate. However, several areas show significant deviations. The smaller effective elastic thickness in the northern Ryukyu arc than that inferred from heat flow may be attributed to the stress regime. In Japan, extensional tectonics are going on only in the Ryukyu arc region. Shallow subducting slab under the south-western Japan frontal arc probably increases the effective thickness by several kilometers. The determined effective elastic thickness suggests that when we consider vertical movements in the volcanic arc, we should take account of topographic and subsurface loading over a few hundred kilometers. However, if the dip of the slab is shallow, the flexural responses of the underlying slab, not only that of the island arc lithosphere, should be taken into account for the compensation, as is the case of the south-western Japan frontal arc.     

华北地区中东部岩石圈挠曲与均衡特性以及地震活动性分析

华北地区中东部涵盖北京、天津以及即将建设的雄安新区等大型城市,区内发育了张渤地震带等多条大型活动断裂,地震活动性较强,历史上发生过多次6级以上地震.本文利用Fan小波的布格重力异常一致性方法研究该区的岩石圈有效弹性厚度和均衡调整初始加载比分布,同时基于均衡调整方法计算该区垂向构造应力分布,并将以上结果与历史地震活动进行统计分析.岩石圈挠曲分析表明,华北地区中东部的岩石圈有效弹性厚度为10~65 km,分布特征为自东南向西北逐渐减小.均衡调整初始加载比为0.5~0.8,表明现今的岩石圈挠曲状态主要由莫霍面加载形成.该区地壳承载的垂向构造应力约为-20~20 MPa,中西部地区垂向构造应力向上,东北和西南地区向下.统计分析结果显示,华北地区中东部的地震活动性随着岩石圈有效弹性厚度和均衡调整初始加载比的增加而减弱,垂向构造应力零值区域地震活动性较弱.雄安新区的岩石圈有效弹性厚度大约为15 km,均衡调整初始加载比为0.5~0.6,垂向构造应力为15~20 MPa,岩石圈参数对应的地震活动性较强,相关结果对于新区建设具有一定参考价值.

     

噪声HVSR法在OBS探测中的应用——以珠江口外海OBS台阵为例

噪声谱比法(horizontal-to-vertical spectral ratio, HVSR)通常用于确定沉积层的厚度, 而应用于海底地震仪(OBS)以获取海底沉积厚度的研究较少.本文将HVSR法应用于珠江口外海域OBS台阵中, 验证了该方法用于OBS探测中的可靠性.通过对珠江口外海27台OBS收集的三分量地震噪声记录进行处理, 得到了所有台站的HVSR曲线.有23台OBS的HVSR曲线可获取与沉积层厚度相关的峰值频率, 通过经验公式可以计算得到沉积层厚度.结果显示, 珠江口外海域沉积层(新生代地层)厚度范围为100~3500 m, 研究区东南部沉积层远厚于西北部, 且沉积厚度受到NEE向滨海断裂带控制.本文获得的结果与以往依靠反射地震剖面和钻井等获得的沉积层厚度结果基本一致.进一步分析发现研究区新生代地层具有多层结构, 大部分HVSR曲线在5~12 Hz存在振幅最大的波峰, 认为是与第四系厚度相关的峰值频率, 继而确定第四系厚度为20~50 m.本研究拓展了HVSR法的应用领域, 为获取海底沉积层厚度提供了一种新的可靠方法.