青藏高原东南缘地壳上地幔三维S波速度结构及动力学意义

青藏高原东南缘地形地貌复杂,构造运动强烈,是研究青藏高原地下变形和物质运移的重点区域.文章通过该区域132个固定台站的10年地震瑞利面波的双台法频散分析,并融合背景噪声方法的面波频散数据,获得了周期为5～150s的瑞利面波相速度频散资料,然后使用面波直接反演方法得到了该区域从地壳到上地幔顶部的三维S波速度结构模型.观测到该区域中下地壳存在两条低速带,分别分布在松潘-甘孜块体与川滇菱形块体西北部地区,以及小江断裂带及其东侧的云贵高原地区.小江断裂带及东侧的低速体很可能是其地壳本身增厚导致了壳内长英质物质发生塑性变形甚至部分熔融而造成的.此外,该区域中下地壳呈现显著的正径向各向异性(VSHVSV)也增强了VSV结构的低速异常幅度.小江断裂带的壳内低速异常体向南跨过红河断裂带延伸到越南北部,其形成可能与上地幔热源密切相关.两条壳内低速带在安宁河-则木河断裂带附近被一个高速体所隔开,其正好位于峨眉山大火成岩省的内带和中带区域.在云南中部峨眉山大火成岩省内带地壳中观测到了一个非常明显的柱状高速体,可能是峨眉山大火成岩省形成时残留在地壳中的基性-超基性物质.在上地幔顶部,红河断裂以南的印支和华南块体中出现了大范围的低速异常,并随着深度增加逐渐沿着小江断裂带向北延伸进入扬子克拉通.基于成像结果,认为青藏高原东南缘正同时经历三种不同模式的构造运动:(1)上地壳物质强度较大,在大型走滑断层的控制下呈刚性挤出;(2)中下地壳存在被较高强度物质分隔开的两片黏塑性物质区域,在区域应力场和断裂带的控制下向南发生塑性运移;(3)红河断裂以南的上地幔主要受控于大规模的软流圈物质上涌,与岩石圈拆沉和缅甸下方印度板块的东向俯冲与后撤密切相关.     

利用Pms波分裂研究青藏高原东南缘地壳各向异性及变形情况

通过分析青藏高原东南缘新部署的密集地震台阵的接收函数得到了该区域的地壳各向异性。所测量的接收函数Pms波的分裂时间分布在0.02~0.88s,平均分裂时间为0.28s,这远大于近震S波分裂得到的云南地区上地壳(15km以上)累积的分裂时间,表明研究区地壳各向异性主要来自中下地壳(15km以下)。各次级块体内的Pms波的快波偏振方向与主压应力方向基本一致,在一些大型走滑断裂带附近,如小江断裂带、红河断裂带和澜沧江断裂带,快波偏振方向与断裂带走向基本平行。分裂时间在小江断裂带两侧表现出东侧小,西侧大的特征。在块体内部,由于韧性的中下地壳发生差异运动,从而引起物质沿运动方向排列,产生各向异性。小江断裂带、红河断裂带和澜沧江断裂带附近地壳中分布的低速带、高泊松比和高热流表明断裂带下方可能存在部分熔融,因此在这些深的大走滑断裂带下方的各向异性快波方向沿着断裂带走向分布,主要是由于矿物和熔体在断裂带的走滑运动下发生定向排列引起,说明走滑运动控制着断裂带下方地壳的变形模式。对比Pms波与SKS波分裂模式,本文更倾向于认为研究区地壳与上地幔变形解耦。     

青藏高原中部INDEPTH-Ⅲ剖面上地幔远震S波层析成像

印度板块向欧亚俯冲前缘位于班公—怒江缝合带附近,但是印度岩石圈地幔的俯冲形态和形变过程仍然缺乏共识,在不同地区使用不同方法获得的结果之间存在明显差异.本文使用青藏高原中部INDEPTH-Ⅲ剖面远震S波波形数据,提取走时信息,通过层析成像方法获得剖面下方S波速度扰动图像.结果显示:在班公—怒江缝合带下方100至300 km深度范围内存在一个高角度(约65°)北倾的S波高速体,推测可能是回退的印度岩石圈板片或/和小规模对流引起的岩石圈拆沉后残留的印度大陆岩石圈板片.     

青藏高原东南缘远震P波层析成像研究

利用中国地震科学探测台阵、小江流动台阵、固定台站等共516个地震台站记录资料,通过波形相关方法获取了111718个远震P波到时数据,运用层析成像技术研究获得了青藏高原东南缘深达650km的上地幔三维P波速度结构。结果表明,四川盆地岩石圈具有克拉通地区的高速结构特征;青藏高原东部地区表现为活动地块常见的低速异常;四川盆地西南部下方岩石圈可能受到青藏高原软流圈物质的侵蚀。在四川盆地南部及以南地区,由北向南从浅到深连续分布的高速异常体,可能是岩石圈底部拆沉造成的。岩石圈拆沉作用可能导致上地幔热物质上涌,地壳介质在热作用下力学强度降低,受青藏高原地壳物质侧向挤出作用,导致该地区陡峭的地形地貌和较强的地震活动性。攀枝花附近存在明显的高速异常,可能与三叠纪地幔柱成因的岩浆上升过程中镁铁质和超镁铁质岩浆侵入岩石圈有关。     

利用面波频散与接收函数联合反演青藏高原东南缘地壳上地幔速度结构

青藏高原东南缘对于青藏高原的隆升、增厚和物质逃逸等问题有着重要的研究价值.本文对研究区内布设的大型流动地震台阵的观测记录进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了地壳厚度、沉积层厚度分布情况以及地壳上地幔高精度S波速度结构.联合反演的结果表明：（1）研究区域内地壳厚度变化很大,从西北往东南方向地壳厚度逐渐变薄;（2）沉积层厚度与研究区内沉积盆地的分布情况较为一致;（3）在研究区中下地壳内由北向南呈条带状分布有两条主要的壳内低速体,其中一条从川西北次级块体向南延伸,穿过丽江断裂到达滇中次级块体下方,另一条低速体沿小江断裂分布,向南延伸到24°N左右,两条低速体在中地壳范围被四川盆地及峨眉山大火成岩省内带下方的高速异常所隔开.     

远震剪切波分裂研究华南西南部上地幔各向异性特征

华南板块由扬子克拉通和华夏地块在新元古代碰撞拼合形成, 其西南部的缝合带位置存在强烈争议.本文基于一条南北向宽频带流动台阵天然地震数据, 利用SKS波分裂研究华南西南部上地幔各向异性特征的南北向变化.分裂测量结果显示, 26°N以南的右江盆地快波偏振方向为E-W或NEE-SWW方向, 分裂时差为0.5~2.5 s, 变化范围较大; 川东褶皱带存在较多空解, 快波偏振方向以近东西向为主, 分裂时差在0.5~1.5 s范围内变化; 在右江盆地北缘和川东褶皱带的过渡区域(约26°N附近)各向异性明显较弱.结合前人的上地幔速度成像结果, 我们认为川东褶皱带与右江盆地过渡带是扬子克拉通的南边界, 在其下方北侧的川东褶皱带巨厚的岩石圈向南转变成较薄的岩石圈, 陡变的岩石圈边界引起了软流圈上涌, 软流圈的垂向运动导致其水平方位各向异性较弱.

     

青藏高原东北缘—鄂尔多斯地块地壳上地幔S波速度结构

1999～2000年从青海玛沁到陕西榆林,横跨青藏高原东北缘和鄂尔多斯布设了一条由47台宽频带数字地震仪组成的长约1000km的流动地震台阵观测剖面.利用记录到的远震体波波形资料和接收函数方法获得了剖面下0～100km深度的地壳和上地幔S波速度结构.结果表明,沿观测剖面地壳结构显示了明显的分块特征; 地壳厚度自东向西由40km增加到64km左右;在海原地震带下方和西秦岭断裂以西到日月山断裂之间的区域Moho间断面结构复杂;在1920年海原震区及其西侧,上地壳存在明显的低速层,在该地区的绝大部分地震分布在该低速层东边界偏向高速区一侧;祁连山东缘Moho面有约4km的深度间断,壳内向西逐渐减薄的低速层内有大量微震发生,沿祁连山的逆冲加走滑的构造运动在深度上已经穿透了Moho面;在玛沁断裂和日月山断裂之间,上地壳存在厚度很大的低速层,同时该区域下地壳也明显加厚.研究结果表明,青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块之间的过渡带地壳变形强烈,地壳结构较为破碎,这与该地区地震频发相一致.     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

青藏高原东部地壳上地幔S波速度结构——下地壳流的深部环境

在青藏高原东部沿30°N布设由26个台站组成的远震观测剖面．用远震P波接收函数反演方法获得了该剖面下方0～80km深度范围的S波速度结构．反演的结果揭示了沿剖面不同构造块体的地壳速度结构横向变化特征．从喜马拉雅东构造结北侧的林芝,往东北方向的地壳逐渐增厚;地壳厚度在班公．怒江缝合带为最大值,达72km;进入羌塘地块,减至65km;至巴颜喀拉地块,为57～64km;至四川盆地,仅为40—45km．剖面的巴塘以东部分与2000年完成的竹巴龙．资中人工地震测深剖面重合,由远震接收函数确定的S波地壳结构与由人工地震测深获得的P波地壳结构在莫霍界面和壳内主要界面的深度上有很好的一致性．在羌塘地块和巴颜喀拉地块,沿观测剖面的下地壳（30～60km深度范围内）普遍存在低速异常,而四川盆地下地壳则属于正常的速度分布．剖面通过的各构造单元地壳平均波速比（泊松比）：拉萨地块1．73（σ=0．247）,班公-怒江缝合带1．78（σ=0．269）,羌塘地块1．80（σ=0．275）,巴颜喀拉地块1．86（σ=0．294）和扬子地块1．77（σ==0．265）．羌塘地块和巴颜喀拉地块具有下地壳S波低速异常、复杂的莫霍过渡带以及地壳高泊松比的特征,预示下地壳物质处于热和软弱状态,这是青藏高原东部存在下地壳流的深部环境．下地壳韧性物质的流动可能起因于从高原内部至外部上地壳内重力势能的变化．     

青藏高原中东部地壳和上地幔顶部P波层析成像

为获取青藏高原中东部地壳和上地幔顶部的精细结构,本文基于1万4 484条天然地震的P波（Pg和Pn）到时数据,对青藏高原中东部地壳和上地幔顶部进行P波三维速度结构层析成像,获取了该区域内地壳P波、上地幔顶部Pn波的速度结构和地壳厚度信息。层析成像结果显示,青藏高原中东部地壳P波速度范围为5.2—7.2 km/s,上地幔顶部Pn波速度范围为7.7—8.4 km/s,地壳厚度范围为48.0—68.6 km,地壳和上地幔顶部存在强烈的横向不均匀性,与地质块体分布有较好的对应关系。地壳P波速度结构显示,研究区中、下地壳分布有较大范围的低速区,上地壳与中下地壳P波分布存在明显的差异:羌塘地块和巴颜喀拉地块在上地壳主要表现为高速异常,随着深度增加逐渐表现为低速异常;而柴达木地块在上地壳主要表现为低速异常,下地壳则表现为高速异常;柴达木地块和拉萨地块在上地幔顶部表现为较高的Pn波速度,最高约为8.4 km/s,而在巴颜喀拉地块和羌塘地块东部,Pn波总体上表现为低速,最低约为7.7 km/s。研究区内地壳厚度的总体特征表现为南厚北薄,其中羌塘地块东部和拉萨地块的地壳较厚,而柴达木地块和巴颜喀拉地块东部的地壳相对较薄,羌塘地块西部存在局部的地壳变薄现象,反映了印度板块对欧亚板块北向俯冲作用下的岩石圈变形特征。      

青藏高原东南缘地壳结构与变形机制研究进展

新生代青藏高原的隆升改变了整个亚洲的构造格局,对气候、环境均产生了重要的影响,但高原的隆升扩展机制众说纷纭.青藏高原东南缘作为扩展前缘,其构造演化对了解整个高原的扩展机制具有重要的意义.本文总结了近年来对青藏高原东南缘地壳结构研究的最新进展,特别是2011年中国地震科学探测台阵计划开展以来,利用密集地震台阵取得的新成果,探讨了青藏高原东南缘地壳的结构与变形机制.这些研究发现青藏高原的地壳由高原向外围减薄,但在高原边界断裂附近存在地壳厚度突变带;下地壳中存在两个独立的低速异常,一个位于松潘—甘孜块体下方,被高原的边界断裂所围限,另一个位于小江断裂带下方,呈NE-SW向展布.我们认为青藏高原东南缘下地壳物质被边界(丽江—小金河)断裂所围限,并没有继续向边缘流出,但是地壳挤出产生的应力作用继续向东南方向传递,造成了小江断裂带附近的地壳变形.     

西藏高原地壳上地幔P波和S波速度结构

利用西藏高原及其邻区150个地震,西藏台网、四川台网、世界标准台网及在西藏布设的流动台网的 P 波和 S 波观测资料,得出了该地区的地壳和上地幔的 P 波以及 S 波的速度模型:(1)地壳平均厚度70km,可分为明显的两层.上层厚16km,P 波速度5.55km/s,S 波3.25km/s;下层厚54km,P 波速度6.52km/s,S 波3.76km/s;(2)上地幔顶层 P 波速度7.97m/s,S 波4.55km/s.140km 处出现低速层,层厚约55——62km.低速层下的正速度梯度与地幔顶部盖层相差无几.      

中国西部地区地壳上地幔S波速度结构

利用10～184 s基阶瑞利波频散曲线反演得到了中国西部及邻近区域地壳上地幔(0～300 km)的S波速度结构.反演采用了传统的两步法,即通过时频分析获得频散曲线后,首先利用Occam方法反演出各周期面波速度在二维网格结点上的分布,然后反演每个结点下方的S波速度结构,从而给出研究区域的三维速度结构.     

沧州地区地壳上地幔的远震P波三维速度结构成像

利用架设在沧州地区的20台流动地震台站于2006年12月至2010年7月间记录的271个远震事件,读取的2308个P波到时数据,采用地震层析成像方法反演得到沧州及其邻区(38.0°N~39.0°N,116.5°E~117.5°E)的地壳上地幔P波三维速度结构。层析成像结果表明,沧东断裂两侧的地壳介质的速度分布表现出明显的横向差异,浅层速度分布同地表地质结构分布相一致。沧东断裂西北侧沧县隆起的地壳速度较高,表明其基底抬升;断裂带东南边的黄骅拗陷速度较低,说明基底埋藏较深。本文的远震层析成像研究结果和前人使用重力、电磁和人工地震的探测结果都表明,沧东断裂带两侧的地质构造和地球物理性质有明显的变化,这种构造差异在整个地壳中都有体现。     

川西龙门山及邻区地壳上地幔远震P波层析成像

本文利用川西地震台阵记录到的远震P波走时数据和非线性层析成像算法,获得龙门山地区400 km深度范围内的三维P波速度结构.为了适应川西地区复杂的地质结构,本文的层析成像方法采用了快速行进三维走时计算算法和Tarantola非线性反演算法.我们的结果揭示了川滇地块、松潘—甘孜地块和四川盆地三个不同地块构造差异及该区深部动力学特征.本文的研究表明：1）研究区地壳上地幔P波速度结构具有较为明显的分区特征,松潘—甘孜地块和川滇地块岩石圈速度较低,四川盆地岩石圈速度较高,四川盆地的岩石圈厚度从南250 km向北逐渐减薄至100 km.松潘—甘孜地块上地幔存在地幔上涌的特征.2）川滇地块和四川盆地仅是垂直接触关系,而在龙门山地区四川盆地前缘存在减薄的现象,并伴随松潘—甘孜地块上地幔低速物质有侵入四川盆地岩石圈下方的特征,这显示了四川盆地与松潘—甘孜地块和川滇地块的动力学关系的差异.3）以映秀为界,龙门山断裂带被从松潘—甘孜侵入的低速异常分为南北两段：龙门山南段和龙门山北段,汶川大地震及其余震序列均分布在龙门山断裂带的北段.在青藏高原向东挤压和地幔上涌的双重作用下造成松潘—甘孜地块隆升,由于汶川处于龙门山北段的最南端,应力容易在此集中.这些因素可能是汶川MS8.0地震的基本动力学背景.本文的结果不支持四川盆地的俯冲及层间流动的动力学模型.     

青藏高原中部地壳和上地幔各向异性分析

对布设于青藏高原中部INDEPTH-III宽频带数字地震台阵的41个台站记录的远震体波资料所提取出的P波接收函数和SKS波形资料做偏振分析,并采用以误差为权的叠加分析方法求得每一个台站的Pms和SKS快波偏振方向和快慢波的时间延迟,获得了从拉萨块体中部,经喀喇昆仑—嘉黎断裂系和班公湖—怒江缝合带,到羌塘块体中部的地壳和岩石圈地幔的地震波各向异性图像.从各向异性分析结果可以看到:Pms快慢波的时间延迟为0.3~0.5 s,在拉萨块体,快波方向主要为NE-SW向,在羌塘块体,快波方向为近E-W向.SKS快慢波的时间延迟为1~2 s,主要分布在拉萨块体的北端和羌塘块体,并且向靠近班公湖—怒江缝合带和昆仑—嘉黎断裂带的方向时差增大,快波方向基本与Pms快波方向一致.在喀喇昆仑—嘉黎断裂带以南的拉萨块体中部没有测量到明显的SKS分裂,这可能与该区存在双层快轴方向近垂直的各向异性层有关.结合研究区已有的研究成果可以推测:拉萨块体地壳各向异性层的快轴方向与印度—欧亚板块汇聚方向一致,可能与地壳较强刚性有关,其在板块汇聚过程中不易发生流展变形;而羌塘块体地壳和岩石圈中各向异性层的快轴方向与青藏高原物质逃逸方向一致,表明这一块体流变性均较强,在板块汇聚挤压力的作用下发生了侧向流变变形.     

青藏高原及邻近地区地壳与上地幔剪切波三维速度结构

本文利用30个基准台所记录的238条长周期面波资料,经过适配滤波和分格频散反演,得到中国大陆及邻区147个分格10-105s的纯路径频散,进而反演出青藏高原及邻近地区深至170km的剪切波三维速度结构.研究表明,青藏高原中西部地区和东部地区的地壳平均厚度分别为70±7km和65±7km,地壳平均剪切波速度分别为3.55和3.62km/s,上地幔顶盖平均速度分别为4.63和4.61km/s; 岩石层厚度均为120±10km;东部地区下地壳内30-40km深度处普遍存在低速层;青藏高原及其东侧的上地幔低速层内有横贯东西且明显向上隆起的低速腔.滇西缅北地区的地壳厚45±5km,上地壳及下地壳内都有低速层;上地幔顶盖的速度为4.42km/s,比青藏高原本体及恒河平原都低.恒河平原地壳厚34±2km,速度平均为3.45km/s;上地幔顶盖厚86±10km,速度平均为4.63km/s,顶盖内55-83km深处有一个低速夹层.     

中国东北地区地壳上地幔三维S波速度结构

收集了中国东北地区159个固定地震台2011年1月至2012年6月和27个流动地震台2011年1月至2011年6月间的垂向连续记录,根据噪声成像方法得到研究区（105°E-135°E, 39°N-52°N）较短周期（8~30 s）的瑞雷波群速度和相速度频散资料,再结合该区已有的天然地震长周期瑞雷波（36~145 s）的群速度频散资料,我们反演得到了中国东北地区200 km以浅深度范围内的三维壳幔S波速度结构,并得到了该区的岩石圈厚度分布图.结果表明：研究区中、下地壳S波速度结构的横向分布,在重力梯度带两侧有很大的不同,以东地区显示为大范围的高速,以西地区则呈现为大面积的低速;松辽盆地下方岩石圈地幔表现为显著的高速,岩石圈地幔底界面深度可能在90~100 km,薄的岩石圈盖层暗示东北地区的岩石圈可能发生了减薄;郯庐大断裂下方呈现出大范围的比较显著的低速特征,断裂下方上地幔顶部可能有热物质活动.     

青藏高原地区的P、S波与上地幔性质

天然地震的 P、S 波在青藏高原地区的传播特征表明:(1)在高原地区不存在明显的“影区”现象;(2)振幅随距离的变化,在10°～12°出现极小值,在20°附近出现极大值;(3)2°到30°的走时曲线可以用4段直线来描述,推断的上地幔结构为:界面深度(公里) P 波速度(公里/秒) S 波速度(公里/秒) Vp/Vs53±2 8.15±0.03 4.58±0.03 1.78196±36 8.37±0.08 4.59±0.11 1.82463±83 9.68±O.19 5.37±0.34 1.80736±121 11.21±0.26 6.19±0.20 1.81(4)高原地区上地幔顶层的温度可达800℃～1000℃,岩石层的厚度约为200公里。文中还简要地讨论了本文结果的构造意义。     

青藏高原东缘地壳上地幔电性结构研究进展

经过数十年的努力,中国学者针对青藏高原东缘地壳上地幔探测,累积完成超过20000 km的大地电磁测深剖面,取得了一系列重要科学数据和认识,为青藏高原东缘构造格局、地壳上地幔电性结构、地震机制和动力学研究奠定了基础.根据青藏高原东缘的主要构造和断裂分布特征,本文重点对龙门山构造带、川滇构造带和三江构造带三个构造带分区进行研究,主要依据大地电磁探测工作成果和壳幔电性结构特征,系统地对青藏高原东缘地壳上地幔电性结构、与扬子西缘接触关系、汶川地震和芦山地震的电性孕震环境及弱物质流通道等几个方面进行了梳理和分析.一是青藏高原东缘地壳表层岩块和物质沿壳内高导层向龙门山造山带仰冲推覆,表现为逆冲推覆特征的薄皮构造;二是高原东部地壳中下部及上地幔顶部向龙门山造山带和上扬子地块西缘岩石圈深部俯冲,呈现刚性的上扬子地块西缘高阻楔形体向西插入柔性青藏块体的楔形构造;三是将汶川地震和芦山地震的震源投影到大地电磁剖面上,发现震源位于剖面下方的高阻块体与低阻体之间靠近高阻体的一侧,龙门山构造带岩石圈表现出高阻、高密度和高速的"三高"特征,这种非均匀电性结构可能构成地震孕育发生条件;四是川滇和三江地区的多条大地电磁剖面探测结果表明,在青藏高原东缘中下地壳存在下地壳流和局部管道流,大地电磁结果对其空间分布形态、位置及大小进行了较好的刻画.根据研究区壳幔电性结构特征的构造解析和综合实例分析,总结了青藏高原东缘六类壳幔电性结构模型,提出了下一步重点研究领域和目标.总之,青藏高原东缘壳幔电性结构的研究对揭示研究区岩石圈结构和构造格局提供了重要依据,对油气及矿产资源远景评价提供了背景资料,对"Y"型多地震区的构造关系和发震机理研究具有重要指导意义.