壳内部分熔融低速层及其研究意义

实验岩石学,岩石地球物理学,地质学及理论分析均表明,至少在具有高热流值的区段部分熔融作用可能是造成壳内低速带的主要原因,我们将由部分熔融作用所形成的壳内低速层称之为壳内部分熔融低速层,它是许多深部地质作用的发源和汇聚地,并影响和制约着地球物理场特征,因此,研究了壳内部分熔融低速带的形成及其地质意义无颖将深化人们对深部地质作用发生和发展过程的认识。     

华北地区地壳上地幔P波速度结构

本文利用近震体波资料,研究了华北地区地壳和上地幔P波速度结构。根据华北地区的大地构造特征,分四个区域研究。结果表明,各区之间P波速度结构存在明显差异,在较活动地区壳内和地幔顶部均有低速层存在,而稳定地区则没有,作者认为,这种横向不均匀性和低速层的存在可能是构造活动区的最主要的特征。     

华北地区地壳上地幔P波速度结构

本文利用近震体波资料,研究了华北地区地壳和上地幔P波速度结构。根据华北地区的大地构造特征,分四个区域研究。结果表明,各区之间P波速度结构存在明显差异,在较活动地区壳内和地幔顶部均有低速层存在,而稳定地区则没有,作者认为,这种横向不均匀性和低速层的存在可能是构造活动区的最主要的特征。     

中国东部海域及邻区岩石层地幔的P波速度结构与构造分析

利用中国大陆东部及台湾地区、日本和琉球群岛的地震观测数据,通过体波地震层析技术反演了中国东部海域及其邻近地区的P波速度结构.以此为依据分析了不同地区的岩石层性质和深部动力学条件,探讨了中朝与扬子块体、扬子与华夏块体在海区的深部边界及其构造属性,揭示出菲律宾海板块与欧亚大陆的碰撞以及板片俯冲下沉、弧后扩张作用对中国东部海域岩石层结构的影响.结果表明,中国东部海域的岩石层地幔存在明显的横向非均匀性,它们与区域构造的形成演化有一定的联系.中国大陆东部的五莲－青岛断裂与朝鲜半岛西缘断裂、济州岛南缘断裂共同构成中朝和扬子块体的边界,江绍断裂向东延伸至朝鲜半岛南端成为分隔扬子和华夏块体的边界;东海陆架与冲绳海槽的岩石层结构差异明显,东海陆架具有中国东部地区的岩石层特征,属于欧亚大陆向海域的延伸;冲绳海槽的岩石层强烈减薄,为大陆向大洋过渡的区域;沿着日本－琉球－台湾俯冲带,菲律宾海板块俯冲下沉引起的地幔扰动对中国东部海域产生了较大的影响,欧亚大陆与菲律宾海板块之间的相互碰撞导致台湾地区岩石层明显增厚.     

利用三重震相探测中国东部海域410 km深度低速层

基于中国数字地震台网记录的日本本州地区2009年发生的一次震源深度为167.2 km、 震级为mb6.0地震的宽频带波形资料,利用二维射线追踪方法给出P波三重震相的理论时 距曲线,并采用试错法构建出与观测时 距曲线拟合效果最优的低速异常模型,发现在中国东部海域下方410 km间断面上、下均存在局部的P波低速异常:300—410 km深度范围内低速异常为4%—5%,而410—460/470 km深度范围内的低速异常则达到4%—7%．结合前人地震层析成像结果,发现该区域不存在明确外源热流,因而,本文认为该低速异常与俯冲板片脱水引起的部分熔融有关．      

气枪探测资料对华北地区地壳低速带的约束

地壳低速带是岩石圈中的力学软弱带,对地震的孕育有重要作用.人工探测和天然地震层析成像资料均表明,华北地区在不同深度上均存在低速带.为进一步对华北地区地壳低速带的特性进行约束,我们分析了在唐山地区进行大容量气枪震源探测所获得的高分辨率观测资料.分析中发现,该地区的地震记录具有如下主要特征:①直达波Pg视速度为6km/s,可以追踪到约70km;②Moho面反射波PmP从50km开始就以强势震相出现;③PmP震相在150km处比Pg震相约滞后2s.本文利用合成地震图,通过波形正演对观测数据进行拟合,结果表明,合成地震图不仅可以解释各种震相的走时,同时也能较好地反映PmP和Pg的相对振幅.模型结果显示:①该地区平均地壳厚度为33km;②在该地区上下地壳各存在一个低速层.通过分析热流和大地电磁测深资料,认为该地区上/下低速层可能分别是流体和热作用的结果.     

浅层结构研究中高阶模式瑞雷面波对低速层的约束

在实际中常遇到一类含有低速层的介质,其频散曲线在感兴趣的频率范围并无视觉上的交叉现象,也无明显的低速层指示。针对此类介质,基于地震反射资料中的面波信息,综合实例和数值模拟进行分析,结果显示：如果观测的基阶模式频散曲线不包含对低速层深度敏感的频段,单独基于基阶模式的频散曲线可能无法恢复模型的低速特征;但如果同时利用相同频段的多阶模式信息,即使观测的频散曲线没有明显的低速特征指示,也可以通过多模式频散信息反演重建模型的低速特征。     

基于P波三重震相的下扬子克拉通地幔转换带顶部低速层初探

本文基于中国地震观测台网记录到的震中距为10°~23°之间琉球俯冲区一个中深源地震的P波三重震相信息,研究了下扬子克拉通转换带顶部P波速度结构.通过射线追踪和理论地震图与观测地震波形的对比,发现下扬子克拉通下方的410 km间断面为一厚度20 km的梯度带,其上存在一由西南向东北变厚的低速层,厚度变化40~57 km,P波速度减低2.7%~4.5%.该低速层可以被认为是由于地幔橄榄岩部分熔融引起的.     

利用广义反射-透射系数方法求解含低速层水平层状介质模型中面波频散曲线问题

在计算面波频散问题的广义反射-透射系数方法基础上研究了含有低速层的均匀平层固体地球模型的面波的频散曲线以及简正振型的计算问题. 当不存在低速层时,仅利用陈晓非1993年提出的单一的久期函数对求解这两个问题已经足够. 但是当模型中存在低速层时,该单一久期函数在数值求解较低阶模式很困难. 本文提出用久期函数族代替该单一久期函数、对不同的简正振型模式采用对应的久期函数来求解的方法,从而更加容易有效地求解较低阶的模式,完善了利用广义反射-透射系数方法求解面波频散问题的理论和算法.     

利用远震P波波形反演渤海地震的震源参数

本文研究用理论地震图反演地震震源参数的方法,利用16个WWSSN台记录的渤海地震（1969年7月18日,M=7.4）远震P波波形,用我们的反演方法重新测定了该地震的震源参数。文中以剪切位错源的理论地震图与实际观测记录波形的相关程度为判据,测得该地震的震源参数为:地震矩3.9×1027达因·厘米;震源破裂持续时间6秒;位错面两个可能的选择解是:（1）θs=207°,δ=87°NW,λ=-159°,右旋;（2）θs=298.6°,δ=69°NE,λ=-3.6°,左旋。其中θS、δ、λ分别是震源位错面的方位角、倾角和错滑角;震源深度为25公里。数值运算的结果还表明,本文提供的测定震源参数的方法实际效能良好。 文中还与用P波初动符号方法测定的震源参数结果进行了对比分析。     

华南东部地幔过渡带顶部低速层中的熔体含量估算

地幔过渡带顶部低速层的成因及性质研究,对于认识地球内部物质运移及地幔对流过程等具有非常重要的动力学意义.最新的地震学研究显示,华南陆块东部地幔过渡带顶部的低速层存在着明显的区域性差异.一般认为,该低速层的形成与脱水引起的部分熔融有关.本文利用部分熔融体系的平衡几何模型,重点分析了熔体成分、位温、二面角和玄武质含量等因素对熔体含量的影响,并结合该低速层的分布特征,估算出研究区的南北两个子区域地幔过渡顶部熔体含量分别为~1.18 vol.%和~2.02 vol.%.这一熔体含量的显著差异可能与太平洋板片多期次俯冲作用的叠加有关.     

The existence of a thin low-viscosity layer beneath the lithosphere

The horizontal temperature gradient at the base of the lithosphere at an oceanic fracture zone, where plate of different ages is juxtaposed, is expected to drive a local circulation, the characteristics of which can be constrained by the amplitude, wavelength and age-dependence of the geoid. Two-dimensional numerical models of convection in a fluid layer overlain by a solid conducting lid have been used to generate theoretical geoid profiles at right angles to the fracture zone. Only a thin, low-viscosity layer provides a reasonable fit to the data. The best model so far obtained has a fluid layer 150 km thick with viscosity 1.5 × 10¹⁹ Pa s under a 75 km lid. Such a layer, which is incapable of transmitting strong horizontal shear stresses, could provide the decoupling mechanism between plate and deep mantle flow required to balance the forces on the plates.     

青藏高原岩石圈三维电性结构

本文报道通过综合大地电磁调查数据研究青藏高原岩石圈三维电阻率模型的初步成果.大地电磁法调查区域已经覆盖了高原大部分面积,为全区三维电阻率成像研究打下了可靠的基础.对多个测区大地电磁数据进行精细的同化处理和反演成像,取得了青藏高原可靠的岩石圈三维电阻率结构图像.成像的区域为28°N—35°N,80°E—104°E.三维反演计算时采用的网格尺寸为20 km×20 km,垂直方向不等间距剖分为26层.结果表明,青藏高原现今岩石圈电阻率扰动主要反映印度克拉通对亚欧大陆板块俯冲引起的热流体运动和大陆碰撞和拆离产生的构造.在岩石圈地幔,察隅地块、喜马拉雅地块和拉萨地块东部联成统一的高电阻率地块,它们反映了向北东俯冲的印度克拉通.雅鲁藏布江、班公—怒江和金沙江缝合带都有明显的低电阻率异常,表明岩石圈深处有热流体活动.雅鲁藏布江、班公—怒江和金沙江缝合带都有明显的低电阻率异常,也表明它们的岩石圈还有流体活动.青藏高原东部的低阻区沿100°E向地幔下方扩大,反映了金沙江断裂带有切穿岩石圈的趋势.地幔电阻率平面扰动的模式显示,青藏高原东西部的地体碰撞拼合形式和方向是不同的.在青藏高原西部,羌塘、拉萨和喜马拉雅等地体从北到南碰撞拼合.在青藏高原东部,羌塘—拉萨、察隅、印支、雅安和扬子等地体多方向拆离拼合,在地壳造成不正交的拆离带和压扭构造系.从高阻-低阻区的分布看,东部的地体拼合有地幔的根源,今后还会进一步发展.察隅地块岩石圈对青藏高原东部的楔入,使其北部和东部地块的岩石圈发生拆离撕裂,也造成热流体上涌的低电阻率异常.

     

郯庐断裂带中南段的岩石圈精细结构

郯庐断裂带是中国东部规模最大的构造活动带,有着复杂的形成演化历史,对中国东部的区域构造、岩浆活动、矿产资源的形成和分布以及现代地震活动都有重要控制作用.2010年在郯庐断裂带中南段的江苏宿迁市附近,采用深地震反射探测方法对郯庐断裂带及其两侧地块的岩石圈结构进行了解剖.结果表明,该区莫霍面和岩石圈底界均向西倾,其中,地壳厚度约为31~36 km,岩石圈厚度约为75~86 km,且岩石圈厚度在郯庐断裂带下方出现突变.郯庐断裂带在剖面上表现为由多条主干断裂组成的花状构造,其内部发育有断陷盆地和挤压褶皱,具有伸展、挤压和走滑并存的构造形迹,暗示郯庐断裂带的形成和演化经历了多期复杂的构造活动.这一断裂带错断了近地表沉积层,向下切割莫霍面和岩石圈地幔,属岩石圈尺度的深大断裂构造系统.软流圈高温高压热物质沿断裂带的上涌、岩浆底侵或热侵蚀作用造成岩石圈出现拉张伸展和岩石圈减薄,并可能使岩石圈组构及其物质成分发生改变.本项研究结果不但可进一步加深对郯庐断裂带深、浅部结构的认识,而且还可为分析研究华北克拉通东部的深部过程和浅部构造响应提供资料约束.     

Seismic evidence for deep low-velocity anomalies in the transition zone beneath West Antarctica

We present a three-dimensional (3D) SV-wave velocity model of the upper mantle beneath the Antarctic plate constrained by fundamental and higher mode Rayleigh waves recorded at regional distances. The good agreement between our results and previous surface wave studies in the uppermost 200 km of the mantle confirms that despite strong differences in data processing, modern surface wave tomographic techniques allow to produce consistent velocity models, even at regional scale. At greater depths the higher mode information present in our data set allows us to improve the resolution compared to previous regional surface wave studies in Antarctica that were all restricted to the analysis of the fundamental mode. This paper is therefore mostly devoted to the discussion of the deeper part of the model. Our seismic model displays broad domains of anomalously low seismic velocities in the asthenosphere. Moreover, we show that some of these broad, low-velocity regions can be more deeply rooted. The most remarkable new features of our model are vertical low-velocity structures extending from the asthenosphere down to the transition zone beneath the volcanic region of Marie Byrd Land, West Antarctica and a portion of the Pacific-Antarctic Ridge close to the Balleny Islands hotspot. A deep low-velocity anomaly may also exist beneath the Ross Sea hotspot. These vertical structures cannot be explained by vertical smearing of shallow seismic anomalies and synthetic tests show that they are compatible with a structure narrower than 200 km which would have been horizontally smoothed by the tomographic inversion. These deep low-velocity anomalies may favor the existence of several distinct mantle plumes, instead of a large single one, as the origin of volcanism in and around West Antarctica. These hypothetical deep plumes could feed large regions of low seismic velocities in the asthenosphere.     

青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构

综合重力观测资料和地震波走时资料反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构,并对该区岩石圈结构及动力学特征进行了讨论.首先利用收集到的P波近震和远震走时数据进行地震层析成像,得到研究区岩石圈三维P波速度结构.然后利用速度-密度经验关系式,将速度扰动转化为密度扰动建立研究区三维初始密度模型.最后利用分离的布格重力异常反演得到了岩石圈三维密度结构.反演结果表明:青藏高原东北缘地壳密度结构特征有利于地震孕育发生和地壳物质侧向流动;地壳内,密度异常等值线走向与地表断裂走向基本一致,进入地幔后,密度异常等值线走向发生了顺时针旋转,这表明青藏高原东北缘地壳和地幔具有不同的构造运动模式,暗示该区可能发生了壳幔解耦;80~100 km深度上,P波速度异常较密度异常明显偏低,推测该区可能发生了部分熔融或者岩石含水量的增加;印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡联合作用,使得青藏高原东北缘形成了强大的区域构造应力场,并导致深部软流圈热物质上涌,为该区壳幔解耦、部分熔融和P波速度降低创造了条件.     

The P and S wave velocity structures of the crust and upper mantle beneath Tibetan Plateau

Using the P-and S-wave arrivals from the 150 earthquakes distributed in Tibetan Plateau and its neighboring areas, recorded by Tibetan seismic network, Sichuan seismic network, WWSSN and the mobile network situated in Tibetan Plateau, we have obtained the average P-and S-wave velocity models of the crust and upper mantle for this region:

Thermal-rheological structure of the lithosphere beneath two types of basins in eastern and western China

After calculating thermal-rheological properties of the lithosphere in the Northern Jiangsu basin, the Bohaiwan basin as well as the Jiyang depression in the east and Tarim basin in the west of China, this paper analyzes the relationship between thermal-rheological structures and tectonic evolution of the two types of basins. The results show that the thermal-rheological structures of the lithosphere directly reflect the dynamic processes. Under different dynamic environments, the style of basin formation and the differences in basin evolution are closely related to the dynamic properties of the lithosphere indicated by thermal-rheological structures.     

青藏高原南缘中部的地壳结构：远震P波尾波自相关的新约束

在青藏高原南缘有很多主动源和被动源地震学观测,为研究印度板块和欧亚大陆碰撞的过程和机制提供大量的地震学证据.由于印度板块的俯冲,青藏高原下方存在广泛分布的倾斜构造,对地壳结构成像带来挑战.本文基于改进的远震P波尾波自相关方法,获得了青藏高原Hi-CLIMB台阵下方清晰的P波反射率剖面.结果表明在拉萨地块下方,观察到类似于接收函数成像展示的"双Moho（doublets）"特征,反映了印度板块下地壳俯冲到青藏高原下方时可能发生了榴辉岩化;该特征向北可以追踪到31°N北侧附近,指示了印度板块下地壳的俯冲前缘.本文结果支持了印度板块向青藏高原俯冲过程中,其上地壳在雅鲁藏布江缝合带以南已被剥离,而其下地壳和岩石圈地幔继续向北俯冲并近水平地底侵到青藏高原下方.该P波反射率剖面还揭示了地壳内部的很多构造信息,例如：印度下地壳的减薄;雅鲁藏布江缝合带和班公湖—怒江缝合带的反射特征;拉萨地块和南羌塘地块的地壳内部分层特征;拉萨地块北侧和喜马拉雅北侧的中上地壳存在两个低速带.     

华北克拉通东部滞留板块下方低速异常的地震三重震相探测

本文基于中国数字地震台网记录的中国东北与俄罗斯交界地区发生于2011年5月10日的一个深源地震的P波宽频带波形资料,研究了华北克拉通东部660 km间断面附近的P波速度结构.通过一维射线追踪拟合P波三重震相的相对到时,并进行观测波形与理论地震图的对比,发现华北克拉通东部660 km间断面下沉约15~20 km,其上方存在厚度约115~120 km的高速异常,P波速度升高1.5%~2.0%,应为滞留的太平洋俯冲板块;660 km间断面下方存在局部的低速异常,P波速度降低0.6%~0.9%,该异常可能与滞留板块从其底部向下地幔顶部脱水或坍塌进入下地幔深处滞留体的脱水有关,也可能与板块深俯冲及板块碎片崩塌所引起的地幔热物质上涌有关.