华北地区上地幔温度及岩石圈厚度分布研究

上地幔温度是控制地幔流变性和动力学过程的关键参数之一.本文利用高分辨率S波地震层析成像速度结果,基于岩石温度与地震波速度的关系,研究了华北地区上地幔50~300 km深度范围内的温度分布和"热"岩石圈厚度.为了验证结果的可靠性,本文用计算的上地幔60 km深度处的温度作为底面约束,得到了相应的地表热流.计算地表热流与观测地表热流之间符合程度较好,相对误差大部分都在地表热流观测误差范围之内.通过对上地幔的温度分布进行分析,我们研究发现:(1)在上地幔浅部,温度与地表构造之间有很好的对应关系.在小于170 km的深度上,温度呈现东高西低的分布态势.温度较高的区域集中在东部的河淮盆地、渤海湾盆地、华北平原和中部陆块的交界处、西部鄂尔多斯高原北缘的银川―河套地堑以及阴山地区,同时,这些地区的岩石圈厚度也相应较薄,大约为80~100 km;(2)西部的鄂尔多斯高原是整个华北地区岩石圈地幔温度最低的地区,比东部地区低200~400 ℃,岩石圈厚度相应最厚,平均岩石圈厚度达到140~150 km,最厚处超过160 km.(3)在170 km以下的软流圈地幔部分,温度分布发生反转,西部温度高于东部,表明东、西部陆块在地质历史时期经历了不同的深部地幔动力学过程.     

黏滞分层地幔中密度异常驱动对流模型的研究

在地震层析成像计算的地幔密度异常直接驱动地幔对流的新方法的基础上,发展了在上、下地幔不同黏性结构框架下,密度异常驱动地幔对流的物理模型.利用 Grands和S12 WM13等地震层析成像模型推得的地幔密度异常分布,设置板块绝对运动极型场为运动上边界,考虑深度660km地震波不连续面为界的上、下地幔之间存在黏滞性的差异,直接反演了不同黏滞系数的双层地幔结构下地幔对流的模式.研究中选取地幔平均密度为ρ=5500kg/m3, 上层地幔平均黏滞系数为μ=1021Pa·s,计算了上、下地幔黏滞系数之比为1∶1, 1∶10, 1∶100和1∶1000时地幔大圆剖面、以及区域剖面上的流场.结果表明,两种模型在球谐展开1～13阶的范围内其对流的基本格局相似.当下地幔黏滞性超过上地幔的100倍时,下地幔流场速度与上地幔的流场速度相比显著减小,但是对流仍然表现出单层对流环的基本格局.论文还用 240km深度球面上的对流格局讨论了对流和全球构造之间的关系.     

非洲南部地壳与上地幔地震波速度与径向各向异性特征及其对克拉通岩石圈中部不连续面的启示

克拉通地区发育的岩石圈中部不连续面(Mid-Lithosphere Discontinuity, MLD)对于理解克拉通的形成与演化有着重要的意义.非洲南部的卡普瓦尔克拉通(Kaavpvaal craton)较为稳定,是研究MLD地震学特征及其成因机制的一个重点区域.本研究基于多个地震台网105个台站记录的700多个地震事件的面波波形,通过Rayleigh波和Love波成像,构建了非洲南部地壳与上地幔的三维剪切波速度与径向各向异性模型.研究结果表明,卡普瓦尔克拉通的地壳与上地幔呈现相对高速异常,其岩石圈与软流圈界面(LAB)出现在约220 km深.另外,我们在卡普瓦尔克拉通岩石圈内部约100 km深观测到一个速度突变面,可解释为MLD,并在MLD下方观测到低速层.而各向异性在上地幔的垂直方向上并未显示明显的区域性突变,似乎暗示MLD的地震各向异性特征更为复杂.结合前人的研究成果,我们推测卡普瓦尔克拉通MLD与上地幔低速层的成因可能与温度密切相关.而镁值成分异常或岩浆侵入则会局部的改变该克拉通(尤其是其北部)上地幔速度.针对MLD与上地幔低速成因的研究还需结合更多的地球物理数据和岩石实验...     

滇西地区壳幔解耦与腾冲火山区岩浆活动的深部构造研究

根据青藏东部边缘的深部地球物理资料,分析了滇西地区壳幔耦合和腾冲火山区岩浆活动的深部构造特征,确认了地幔各向异性与上地幔速度结构(包括P波速度和S波速度)的内在联系,指出产生这一结果的原因与以腾冲火山区为中心的地幔热物质上涌有关:上地幔顶部平均温度升高导致介质强度降低,在印支块体的侧向挤压或印缅块体的向东俯冲作用下发生韧性变形,造成滇西地区地幔各向异性的快波方向与青藏东部地壳块体的旋转方向不一致.此外,鉴于中下地壳低速层的横向非均匀性,估计韧性流动并非贯通青藏高原的东部边缘,而是被不同的构造块体和边界断裂限定在局部地区.总体而言,滇西地区下地壳的地震波速度和电阻率偏低,具备发生韧性变形的构造条件.作为地壳和上地幔之间的解耦层,它使得青藏东部地壳块体旋转产生的构造应力未能传输至上地幔.腾冲火山区的地壳结构与不同时期的岩浆活动有关,火山区东侧的高速结构代表了上新世时期火山通道内冷凝固结的岩浆侵入体或难以挥发的高密度残留物质,火山区西侧的低速结构反映了更新世以来持续至今的岩浆活动,壳内岩浆源主要分布在10～20km的深度范围内,横向尺度约为15～20km,有可能通过地壳深部的断裂与上地幔岩浆源区相连,估计腾冲火山区下方的岩浆活动将持续进行.     

利用前驱波研究地幔间断面的若干进展

地幔速度结构提供了地球内部热和化学状态及其构造演化历史的重要信息。对于地幔间断面的研究可以更清楚地了解地球内部温度分布特征和化学结构,并对确定地幔间断面成因及地幔对流模式等地球动力学问题具有重要的意义。地震学观测显示在410 km、660 km深度普遍存在速度间断面,并且在全球特定区域的上地幔(220 km、300～350 km、520 km、560 km)和下地幔(800～900 km、1 100～1 200 km、1 800 km、2 400 km)也有速度间断面的存在,不同区域地幔间断面的起伏可能受到温度、含水量、矿物相变及俯冲板块的影响。利用前驱波来研究地幔间断面具有独特优势,前驱波相比参考震相较早到达观测台站,从而避免其他震相的干扰,可以更准确地研究较弱的速度间断面。文章收集整理近些年来地震学家利用前驱波研究地幔间断面的成果,包括长周期反射震相SS或PP的前驱波、深震震相sP、pP的前驱波和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)的前驱波等,并对不同前驱波的特点及地幔间断面的相关研究成果进行总结。利用前驱波研究地幔间断面的方法已较为成熟,及时收集总结相关的研究成果对认识地球内...     

中国大陆地壳和上地幔三维温度场

根据Goes等发展的方法, 利用层析成像提供的S 波波速计算得到了中国大陆上地幔三维温度场, 所得到的上地幔温度场的1300℃绝热等温温度深度与地震学低速带顶部的深度大体吻合. 用计算的上地幔80 km深度温度和地表温度作为边界约束条件, 利用稳态热传导模型计算得到了中国大陆80 km深度以上(地壳和上地幔)部分的三维温度场. 在大多数有丰富可靠地表热流测量的地区, 这样计算的地表热流与实际观测地表热流的偏差在地表热流观测误差范围之内. 中国大陆地壳的温度在25 km深度呈现明显的东高西低分布. 东部温度约在500~600℃度之间; 西部温度小于500℃, 塔里木克拉通的温度最低、达460℃. 100 km 深度的上地幔温度也呈东高西低分布. 东部和东南部温度普遍高于1300℃绝热等温温度; 西部主体温度低于1300℃绝热等温温度. 塔里木克拉通和四川盆地表现出了明显的低温. 在150 km深度, 华南、扬子克拉通东部和整个华北克拉通高于1300℃绝热等温温度, 羌塘附近地区的温度也达到了1300℃绝热等温温度. 四川盆地附近表现出低温状态, 但塔里木克拉通中心的温度比周围高. 印度次大陆与中国大陆碰撞带附近的温度最低. 200 km 深度的温度分布明显与印度次大陆俯冲相关. 该俯冲带影响强烈地区呈现较冷状态, 其温度低于1300℃的绝热等温温度.     

基于地震“哼鸣”的全球面波层析成像

基于地震的全球面波层析成像技术的发展对于探测地球深部动力学状态起着至关紧要的作用。人们很自然地认为只有大地震才会产生类似探测所需要的穿入地球深部的长周期地震波。然而,由海洋和/或大气扰动随机产生的地震＂哼鸣＂的发现,即地球背景自由振荡,提供了一种可供选择的方法。我们在此呈现的是利用地震＂哼鸣＂而非天然地震进行上地幔地震层析成像的结果。在100～400s周期,Rayleigh波的相速度异常可通过下述方式测得,即对观测得到的54个遍布全球的地震台站中每两个台站间的互相关函数进行模拟,然后对这些异常进行反演,以获取上地幔三维S波速度结构。此方法为探测具有大气和/或海洋的类地行星——特别是火星的三维内部结构提供了一种新的途径。     

全球地震层析成像揭示深部地幔特提斯洋俯冲板片残留

特提斯演化描绘了过去5亿年来南方冈瓦纳大陆持续分离出陆块向北方漂移,并与北方大陆拼贴的过程.漂移中的陆块与南北大陆间形成的特提斯洋在经历数亿年的生长、演变和消亡后,随着早新生代印度-欧亚大陆碰撞完全闭合.然而,特提斯洋岩石圈并未消失,而是进入地球深部继续演化.特提斯俯冲板片当前在深部地幔中的位置、形态和体积记录了这个连续演化过程最新的瞬间,为特提斯研究提供至关重要的约束.本文总结分析了近二十年间的全球尺度全地幔地震层析成像研究结果,发现在特提斯域下地幔1000～2000km深度范围内存在一个北西-南东向的线性分布的地震高速异常体,称之为特提斯异常体.通过拟合上地幔已知俯冲板片对前人模型进行最优线性组合,观测到特提斯异常体长约8700km,宽约2600km,呈现南北双支平行结构.结合大洋俯冲起始的地质记录和地球动力学研究,本文认为特提斯异常体的主体部分代表了从晚侏罗纪到早新生代闭合这段时间内的新特提斯洋俯冲板片,其中北支由新特提斯洋在欧亚大陆南缘的俯冲下沉板片构成,南支可能反映了在白垩纪发生的新特提斯洋洋内俯冲板片下沉.特提斯异常体西端的部分高速异常可能代表少量的古特提斯洋残留,而东端的...     

青藏高原东南缘多尺度重力场变化特征及孕震机理分析

文中基于青藏高原东南缘2013—2016年的流动重力观测资料,获得了鲁甸和景谷地震前后不同时间尺度下区域重力场的动态演化趋势和异常特征,利用小波多尺度分解分析重力场变化与构造运动、物质密度变迁和强震孕育的关系和规律,对青藏高原东南缘深部物质变化、动力学过程及地震孕育机理进行了探讨。结果表明:1)鲁甸、景谷震前震源区重力场变化呈现与断裂构造走向一致的剧烈正、负异常过渡带和梯度带特征,显示了孕震期间震源区强烈的地壳运动和深部物质变化过程; 2) 2013年9月—2014年4月重力场变化的小波多尺度分解结果显示,青藏高原东南缘地壳、上地幔不同深度和尺度的重力场变化与地震分布及活动断裂带位置相关性显著,表明研究区地震孕育与断裂运动以及地壳、上地幔内物质密度分布变化关系密切,可能受地壳、上地幔物质运移的复杂深部动力学过程影响; 3)基于青藏高原东南缘地壳、上地幔物质运移的动力学过程,对强震多发生在重力场变化的正、负异常过渡带和梯度带附近的特征进行了初步的解释。文中的研究结果对地球构造运动、地震机理研究具有一定的参考价值。     

九嶷山及邻区地壳结构噪声成像及其对华南地区的构造演化启示

目前研究一般认为华南块体是由扬子块体和华夏块体在新元古代拼合形成,并同时形成位于扬子块体东南边缘的江南造山带.但是由于华南地区构造历史复杂,对于扬子块体与华夏块体的分界及构造属性仍存在较大争议.为了研究华南块体的地下速度结构及构造属性,我们利用块体交界处的九嶷山及其附近的流动和固定台网的地震波数据,采用地震背景噪声互相关方法反演研究区域2~40 s瑞利波群速度和相速度分布,并进一步得出了该区域地壳的精细三维S波速度结构.反演成像结果显示,扬子块体与华夏块体的地壳及上地幔的结构特征差异显著.10~20 km的S波速度分布图显示呈线性的、连续分布低速异常,可能为扬子块体与华夏块体的具体分界位置.结合华南地区地球化学研究结果和构造历史,该低速异常可能代表了来自上地壳的变质沉积岩,即沉积岩受到上地幔物质上涌或底侵作用的加热变质形成.成像结果对了解华南地区的构造演化历史提供了地震学约束.     

南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响

2012年发生的苏门答腊大地震激起了强烈的环形地球自由振荡,本文利用南极26个地震台站记录的此次大地震激发的₀T₁₀简正模,分析南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响,我们将震后20 h的自由振荡观测数据与利用PREM地球模型模拟的结果进行比较,结果表明：在震后较短时间内区域性（区域的范围远远小于简正模的波长）上地幔结构异常能显著影响长周期自由振荡质点的偏振,引起简正模强烈的偏振异常.以往研究主要关注地球自转和全球范围的上地幔结构异常对长周期自由振荡简正模的影响,局部范围的上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响并未被重视.对南极地区₀T₁₀垂向偏振异常的进一步分析表明：南极大陆上地幔存在方位各向异性,上地幔各向异性主要分布在横贯南极山脉下方,深度范围约为70~660 km.利用震后较短时间内的长周期地球自由振荡观测资料可以对局部区域上地幔的各向异性及其深度范围提供约束,可作为剪切波分裂和面波层析成像技术的补充.     

中国境内天山上地幔小尺度对流与造山作用

根据横跨天山的流动地震台阵记录的走时数据, 利用地震层析成像技术获得了库车-奎屯剖面660 km深度内上地幔P波速度结构. 由P波速度模型导出了相应的上地幔二维密度模 型. 利用有限单元方法联合网格-粒子方法, 研究了中国境内天山由于密度差异分布引起的上地幔小尺度对流. 给出了对流的基本形态特征, 并分析了上地幔对流与造山作用的相互影响关系. 结果表明: (1) 北天山—准噶尔盆地下方的上地幔中存在一个逆时针对流环, 对流环尺度为500 km左右; (2) 南天山—塔里木盆地一侧的上地幔中存在一个顺时针对流环, 但相对较弱; (3) 上地幔对流速度值在很大程度上受黏滞系数变化的影响, 但天山上地幔顶部对流速度值不应小于20 mm/a; (4) 塔里木盆地向北的水平推挤作用是天山新生代隆升的决定性因素, 同时, 上地幔小尺度对流对天山现今构造变形格局也起着重要作用; (5) 塔里木板块向北的运动对上地幔对流场的影响很小.     

利用S波接收函数研究华南块体的岩石圈结构

本文基于跨越华夏块体至四川盆地西部的130个线性流动地震台站及其附近90个固定台网台站的观测资料,采用S波接收函数波动方程叠后偏移方法,开展了华南大陆岩石圈结构研究.成像结果显示,研究区岩石圈结构复杂,不同构造单元之间差异显著,构造边界带附近小尺度变化强烈.150 km以上的厚岩石圈主要位于四川盆地,不足100 km的薄岩石圈主要分布于川东褶皱带和华夏块体.雪峰山下方岩石圈厚度显著增加,且以雪峰山为界岩石圈结构和性质存在着显著的东西差异.结合其它地球物理观测得到的地壳-上地幔结构信息,我们提出：（1）四川盆地还保留着厚而冷的克拉通岩石圈根,且岩石圈地幔具有结构分层特征;（2）雪峰山可能是扬子克拉通与华夏块体在西南部的边界;（3）雪峰山以东区域可能经历了岩石圈的减薄和改造,且华南岩石圈的减薄与华北相似,都主体发生在东部地区,造成现今南北重力梯度带两侧强烈的结构差异.研究结果为认识华南大陆的构造演化及其深部动力学提供了地震学约束.     

华北克拉通非均匀破坏的动力学原因:来自地震学和地球动力学的约束

关于华北克拉通破坏的原因和机制,学术界目前普遍接受的观点是由古太平洋板块俯冲及其触发的地幔流动、熔/流体的强烈交代改造导致,但其具体的动力学作用过程还不明确,是现阶段克拉通破坏研究的主要内容.文章总结了华北克拉通地区密集地震台阵探测获得的深部结构图像和地球动力学数值模拟实验结果,获得以下认识:华北克拉通下方地幔转换带的纵、横波速度及速度比扰动的小尺度空间变化特征是太平洋板块存在非均匀脱水的证据;俯冲板块引发了地幔转换带的湿上升流,导致克拉通下方上地幔熔/流体的非均匀分布,在地震波速度上表现为小尺度异常分布特征;密集地震台阵探测揭示上地幔速度结构和变形的非均匀特性,是华北克拉通岩石圈变形的应变集中效应和非均匀分布熔/流体破坏岩石圈的综合作用结果.如果大洋板块俯冲非均匀脱水、熔/流体非均匀分布在早白垩世就已经发生,那么它与华北克拉通岩石圈地幔之间的相互作用可以是华北克拉通非均匀破坏的动力学机制.这个推测对于进一步协调和解释华北克拉通地区多学科观测证据具有重要意义.     

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...     

中国地壳、上地幔精细结构和大陆动力学研究的序幕——从1958年柴达木沉积盆地深部地震反射探测看半个世纪来该科学领域的发展导向和启迪

喜马拉雅山系的崛起、青藏高原的隆升以及与成山、成岩、成盆、成矿和成灾相关的深层过程是东亚乃至全球地球动力学研究中最为重要的科学事件.1958年始在柴达木盆地的地震反射探测与地壳、上地幔精细结构和大陆动力学研究开启了青藏高原地球内部研究的先河,半个世纪以来它影响并引导着我国这一科学领域的发展和前进.本文为纪念地壳与上地幔精细结构和大陆动力学在中国的诞生而作.柴达木盆地壳、幔精细结构地震反射探测结果表明:柴达木盆地的沉积层巨厚可达15~19 km,且存在着迴折波和不同类型与路径的多次波.地壳厚达50~52 km,且存在着高速梯度夹层和低速层.Moho界带为由高、低速相间的薄层束组构,且上地幔顶部纵波速度为8.1 km/s.从这一基点出发,对包括柴达木盆地在内的青藏高原地球深部与地球动力学研究中的几个科学问题进行了思考!为今后青藏高原地球物理深化研究的内涵和布局提出了初步的见解.     

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.     

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.     

上地幔的流变学

地球地幔的流变特性对岩石层和软流层的动力学起着重要的作用。然而基本的流动的主导机制问题还未解决。实验研究与地质、地球物理观测的综合实验室研究表明：扩散蠕变与位错蠕变间的转换可能发生在地震的上地幔。热的浅部的上地幔以位错蠕变方式流动，而冷的深部或浅部的上地幔以扩散蠕变方式流动。当应力增加时，晶粒尺度减小，而且在该转换区附近的上地幔变弱。因此，形变是局部的，从力学上说在这些深度附近的上地幔被解耦。     

全球下地幔波速异常结构综述

下地幔体积占地球总体积50%以上,对地球的演化具有重要的影响.早期研究认为下地幔的组分比较均一,但1970年代以来,地震层析成像揭示了地球的深部速度结构,发现下地幔存在很多复杂的波速异常区.进入21世纪以后,台阵数据的积累和计算机技术的进步使我们能够进一步约束这些下地幔波速异常区的空间范围和波速结构,由于这些异常结构通常与俯冲板片和地幔柱等有紧密的联系,了解这些波速异常体的精细结构对于古板块的重建和地幔动力学有重要的意义.本文重点总结了近30年以来利用地震数据研究下地幔异常体的方法和结果,详细地描述了不同类型的波速异常区在全球范围内的分布情况及其特征,并逐一分析了不同类型波速异常构造体的成因.下地幔LLSVP主要有两个,分别是非洲LLSVP和太平洋LLSVP,它们在横向上可扩展至数千千米,垂直方向上从核幔边界的高度超过1 000 km.现在观测结果发现LLSVP边界处的速度突变较大,主流的观点认为含有成分异常的热化学作用形成了LLSVP. ULVZ位于下地幔底部,其横向扩展大部分小于1 000 km,但部分ULVZ的范围可以超过1 000 km,高度仅为十几到几十千米,相应的S波速度异...