南北构造带及邻域地壳、岩石层速度结构特征研究

本文利用重力数据采用Parker-Oldenburg方法反演了南北构造带及邻域地区的地壳厚度,同时采用体波地震层析成像方法反演了研究区的地壳至上地幔的三维速度结构.根据计算结果对研究区的地壳及岩石层结构进行了探讨,力图揭示南北构造带及邻域地壳、岩石层变形特征,并且对青藏高原边缘活动带壳幔构造演化的深部成因、研究区的上地幔流变性及其动力学意义进行了相应的讨论.通过分析研究表明南北构造带地区为地壳厚度剧变区,西侧为地壳增厚区,东侧的鄂尔多斯、四川盆地为地壳稳定区,而再向东为地壳逐渐减薄区.中国岩石层减薄与增厚的边界基本被限定在大兴安岭—太行山—秦岭—大巴山—武陵山一带,这也是东部陆缘带和中部扬子、鄂尔多斯克拉通地区深部构造边界的分界线,其两侧不仅浅层地质构造存在较大的差异,上地幔深部的物性状态和热活动也明显不同,这说明研究区的岩石层和软流层结构以及深部物质的分布存在横向非均匀性.中部地区和青藏高原深部构造边界的分界线位于东经100°—102°左右.     

中国大陆西北造山带及其毗邻盆地的地震层析成像

根据新疆、甘肃、青海和吉尔吉斯斯坦地震台网提供的地震数据,利用地震层析成像法重建了中国大陆西北造山带及其毗邻盆地的地壳上地幔三维速度图像．上地壳造山带大都为高速区,盆地和地陷区的低速显然与较厚的松散沉积层有关．地壳中部东、西天山之间存在低速边界,造山带及青藏高原北部的莫霍面深度较大,盆地和坳陷区的莫霍面相对较浅．上地幔软流层在青藏高原、阿尔泰山、祁连山等地较浅,在塔里木盆地和天山一带较深．地幔热物质有可能在板块碰撞中沿构造边界上升到造山带的底部,它们的动力学性质与中国大陆西北造山带的形成演化有着密切的联系。     

中国北部及其邻区地壳上地幔三维速度结构

本文利用中周期和长周期瑞利面波资料分别反演得到中国北部及其邻区的三维Ｓ波带度结构。结果表明，地壳中横向非均匀性非常明显，许多地区显示出构造活动的特征；上地幔速度结构的横向变化相对减小。研究区的地壳厚度从东向西逐渐增大，地壳平均速度分布的格局与地壳厚度分布大体一致。地壳厚度与地壳平均速度的空变带处与布格重力异常梯级带基本一致。从数据上看，地壳厚度远比地壳平均速度与布格重力异常的一致性程度高，因此可以     

青藏高原地区地壳升降运动的分析

通过青藏高原及其邻区地壳、上地幔三维Ｓ波速度的分布，换算出不同深度的压强分布规律；结合岩石类型，地震及地壳相对运动进行综合分析，探讨青藏高原地区地壳上地幔结构，并针对人们关注的问题（青藏高原隆起的驱动力是什么？它还会上升多高？它会不会突然下落？）做了讨论．     

中国大陆现今地壳运动的动力学机制

用有限元方法对中国大陆及邻区地壳与岩石圈运动进行动力学模拟. 以一个黏性薄板（牛顿黏滞、非牛顿黏滞）比拟中国大陆岩石圈，通过解力平衡方程得到中国大陆地壳相对于欧亚板块的运动速度分布，并与最新观测的GPS测量资料比较. 结果表明，造成中国大陆及邻区现今地壳运动及形变的主要动力来源为印度-欧亚板块碰撞及中国西部地区，特别是青藏高原的巨大重力位能. 相对而言，前者的贡献大于后者. 同时，构成中国大陆岩石圈的介质具有较强的非均匀流变特性，呈现出分块特征.     

现今中国大陆地壳运动与活动块体模型

通过分析中国地壳运动观测网络GPS数据特别是1999年与2001年区域网数据, 我们初步得到了中国大陆地壳运动速度场, 并用统计分析的方法从高密度台站速度场中区分出9个独立活动块体和2个广泛形变带, 求出活动块体刚体运动欧拉极和相邻块体间相互运动速率. 结果显示中国大陆形变场似可分为3类区域 第1类区包括青藏高原内部区域和天山造山带, 形变在全区域内广泛分布; 第3类区包括塔里木盆地及南北带以东地区, 形变场表现为活动块体, 内部稳定, 形变局限在狭窄的边界带内; 第2类区则处在青藏高原的边缘带, 如柴达木、祁连、西宁、川滇菱形南块体等, 这类区形变场特征处在第1, 3类区之间, 虽然还能保持一定的块体完整性, 但块体的尺度和强度已不如第3类地区. 通过分析各类区域岩石圈结构以及形变模式我们可以得出初步推断 中国大陆地壳形变模式主要由地壳结构所控制. 中国大陆东部和塔里木盆地地区地壳介质有相当强度, 形变表现为刚性块体的相互运动. 而印度板块的北向挤压造成青藏高原和天山的隆起并产生巨厚地壳, 壳内温度上升, 下地壳低速高导层发育, 介质呈较强黏塑性, 地壳脆性层在下地壳塑性流变场作用下产生各种类型的、多层次的形变, 且分布广泛而不局限于少量块体边界地区. 青藏高原边缘的第2类地区地壳结构为第1, 3类地区之间的过渡区, 其形变特征也介于第1, 3类地区之间, 为强度较低的较小活动块体在边界作用力下的运动与变形.     

中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构

依据地震波速得到的上地幔温度和气象台站记录的地表温度为约束,结合地表热流和热导率观测数据,利用有限元方法计算了中国大陆及邻区岩石圈三维热结构.基于此温度结果和GPS观测得到的应变率数据,以滑动摩擦、脆性破裂和蠕变三种强度机制为约束,计算得到了中国大陆及邻区岩石圈三维流变结构.结果显示:弱强度和低等效黏滞性系数的下地壳在中国大陆及邻区普遍存在,并且下地壳的流变强度和等效黏滞性系数比上地壳和岩石圈地幔一般要低1~2个数量级;中国大陆范围内青藏高原存在着厚度最大、强度最低的下地壳;青藏高原的岩石圈强度和等效黏滞性系数比华北、华南和印度板块的都要低;岩石圈流变结构的横向分布特征与重力梯度带和地形过渡带比较一致.     

中国及邻区Pn波速度结构成因探讨

在汪素云等利用全国地震台网资料所得结果的基础上, 补充了约5万条区域地震台网Pn波到时数据, 再次反演了中国及邻区Pn波速度横向变化和各向异性变化. 对比分析了研究区的地壳厚度分布、大地热流分布、新生代火山岩分布和高温、高压实验研究结果, 并探讨了中国及邻区Pn波速度结构的成因. 定量分析结果表明, Pn波速度与地壳厚度成正相关变化, 与大地热流成反相关变化. 根据Pn波速度随地壳厚度变化而估计的P波速度vP随压强p的变化率δvP/δp, 与(Matsushima和Akeni)由二辉橄榄岩包体的岩石实验所得结果非常接近. 在扣除了增厚地壳引起的压强增大对Pn波速度的可能影响后, 青藏高原地区的低Pn速度区更加显著. 低Pn速度区与新生代火山岩分布区有较好的一致性. 在几处波速各向异性显著的区域, 快波速方向与地壳最大主压应力方向和现代地壳运动方向一致, 可能与研究区上地幔顶部沿挤压方向的流动变形有关.     

北京－怀来－丰镇剖面地壳上地幔构造与速度结构研究

近期完成的近东西向的北京——怀来——丰镇宽角反射/折射剖面斜穿北西向的张家口——渤海地震带，并在延怀盆地与一条深反射剖面重合，其目的是探测研究延怀盆地及外围地区的地壳上地幔构造、速度分布及其与地震活动的关系．结果表明:地壳呈层状结构，地壳厚度由顺义的35.0 km向西逐渐加厚至42.0 km；壳内界面近于水平或由东向西缓倾；在延怀盆地地壳呈高低速相间的特征．上地壳的下部存在明显的低速体，并有两条地壳深断裂带延伸至莫霍面，这与延怀地区地震活动密切相关．      

用转换函数方法研究腾冲—临沧地区地壳结构

根据流动数字地震台网提供的三分量地震波形记录资料,应用转换函数及快速模拟退火算法对腾冲－临沧地区30个地震台站下的地壳横波速度结构进行了反演.反演结果说明,研究区壳幔边界清晰、莫霍界面附近速度跳跃明显,由此得出该区地壳厚度在40 km左右、并具有从南向北增厚趋势.一个普遍的现象是,在腾冲-宝山地块下地壳存在明显的低速带,低速带的厚度在10～20 km间.研究结果进一步表明各台站下方上地幔速度结构复杂.这些结果为探讨青藏高原东南缘下地壳的侧向黏性流动、碰撞板块边界处壳幔物质交换等均提供了重要的地球物理证据,为探讨印-藏汇聚过程中青藏高原东构造结岩石圈变形、高原隆升及其深部动力学有一定理论意义.     

用转换函数方法研究喜马拉雅地区速度结构

利用流动数字地震台网提供的三分量地震波形记录,应用转换函数及快速模拟退火算法对喜马拉雅山脉地区46个地震站下的地壳横波速度结构进行了反演,为进一步揭示青藏高原喜马拉雅山脉地区的动力学演化过程提供了可靠的地球物理证据.根据本文结果可清晰看到,喜马拉雅山脉地区作为当今地壳活动最活跃的地区,物质交换非常活跃,地下结构远远未达到平衡,地壳速度有很大差异,在板块边界处莫霍界面速度间断不是非常明显,自喜马拉雅南坡向高原腹地,地壳厚度大致从55 km增加到80 km;沿经度方向,莫霍面也有一定的起伏.通过研究得到另外一个证据是,在喜马拉雅的主中央逆冲断裂,由大陆碰撞产生的主要构造,其深度可能要大于80 km.     

用转换函数研究那木错站地壳结构

青藏高原是研究地球动力学问题天然的试验场,也是研究全球变化的关键地区之一,中国科学院青藏高原研究所于2004年在西藏那木错建立了圈层相互作用综合观测研究站.为了解那木错站下方的地质构造,于2005年8月在本站布设了宽频带地震仪(记录器为Reftek130,摆为STS2),并于2006年5月取得首批数据.本文利用宽频带地震仪提供的三分量地震波形记录,应用转换函数及快速模拟退火算法对那木错站下的地壳横波速度结构进行了反演.反演结果表明,那木错站Moho面深度在85公里左右,地壳结构复杂,尤其在中上地壳,明显呈高低速互层结构,反映了该地区构造活动、物质交换活跃,表明这些地区还未达到均衡;同时,为了便于研究该地区地壳结构,还对IRIS提供的临近地区的地震宽频带进行了处理,为研究那木错地区圈层结构提供地球物理依据.     

用接收函数方法研究上海地震台阵下地壳结构

利用上海地震台阵16个台站记录的远震资料,采用接收函数线性反演方法,对台阵下的地壳速度结构进行研究,获得了研究区域内地壳厚度和地壳速度的分布特征。研究结果表明,研究区域Moho面深度约为33±2 km,Moho面深度基本不变,地幔顶部S波速度约4.4 km/s,地壳内没有发现明显的低速层。     

中国青藏高原深部地球物理探测与地球动力学研究(1958-2004)

经过半个多世纪的努力,中国学者在青藏高原进行的地壳上地幔地球物理探测工作取得了巨大进展. 累计完成长约45000km的深部地球物理探测工作,取得了许多科学数据,为探讨高原地壳上地幔结构、隆升机制和动力学研究奠定了基础. 为比较全面反映中国学者多年来的工作成果,作者广泛收集资料,总结了中国学者在青藏高原地壳上地幔地球物理探测工作程度,并按照方法分类绘制了系列工作程度图. 文中分别对地壳结构、上地幔的横向不均匀性、岩石圈的电性结构、青藏高原隆升机制、青藏高原地球动力学模型等几个方面所取得的主要成果做了概略的评述. 已有资料表明：青藏高原的莫霍面埋深变化较大,且在几条重要缝合带莫霍面两侧都有断错;根据目前的探测结果,高原在20±5km埋深范围内普遍存在壳内低速高导层,速度一般为56～58km/s,电阻率约为1～10Ω·m,厚度一般为5～10km,但横向分布不连续. 低速层与高导层的深度、厚度在趋势上一致,但不十分吻合.天然地震的研究结果表明,组成高原各个地块内部的地震各向异性方向大致相同,各地块的分界处各向异性方向往往有明显的变化;虽然对高原隆升机制还存在不同的看法,但至少认为高原是多期隆升、多种机制共同作用的结果这一点已达成共识. 综合已有的地球物理调查成果,结合地质地球化学资料建立的高原地球动力学模型,形象地表达出青藏高原岩石圈的双向挤压变形模式. 这些工作为研究青藏高原隆升和变形机制提供有价值的信息.     

黑龙江地区背景噪声面波群速度层析成像

本文选取黑龙江省台网及吉林、内蒙古部分台站共44个固定地震台站连续2年的地震数据,利用两个台站间互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,再用自适应时频分析方法提取群速度频散曲线,最后利用传统面波层析成像方法反演获得黑龙江地区周期为8～40 s范围内群速度分布图像.反演结果揭示黑龙江地区地壳及上地幔群速度结构存在明显横向不均...     

南海西沙地块岛屿地震观测和海陆联测初步结果

为了研究南海西沙地块下方的地壳结构,我们在岛屿区架设了流动地震台站进行天然地震观测和海底地震仪的人工地震探测.本文利用远震接收函数方法和射线追踪方法对琛航台的远震数据和海陆联测数据进行了初步处理和分析,建立了琛航岛下方的一维横波速度模型以及横穿琛航岛的二维地壳结构模型.琛航岛顶部存在2 km厚的新生代低速沉积层,下地壳...     

Shear wave velocity and crustal thickness in the Pannonian Basin from receiver function inversions at four permanent stations in Hungary

Receiver functions of teleseismic waveforms recorded at four Hungarian permanent broadband stations have been analyzed using semilinearized and stochastic inversion methods to estimate the crustal thickness and S wave velocity structure in the Pannonian Basin. The results of both inversion methods agree well with the crustal thicknesses obtained by previous seismic refraction and reflection studies in the regions which are densely covered with seismic lines (28 and 27 km in westernmost and southern Hungary, respectively) and suggest a thicker crust compared to what was known before beneath the Transdanubian and Northern Ranges (34 and 33 km, respectively). The comparison of the one-dimensional shear wave velocity models derived by the different inversion methods shows that, in case of simple, smoothly varying structures, the results do not differ significantly and can be regarded as absolute velocities. Otherwise, the recovered velocity gradients agree, but there are differences in the absolute velocity values. The back-azimuthal variations of both radial and tangential receiver functions are interpreted as dipping structure and as waves sampling different geological areas. The signature of the deep structure on low-frequency receiver functions suggests a strong velocity contrast at the 670-km discontinuity. The vanishing 410-km boundary may be attributed to the remnant of a subducted oceanic slab with increased Poisson’s ratio in the transition zone.     

Three-dimensional structure of the crust and upper mantle beneath the south China area from long period surface waves

In the present study the long period surface wave records of 238 wave-paths from 79 earthquakes within China and its adjacent regions received by 30 seismic network stations are measured by using the improved match-filtering frequency-time analysis technique and the grid dispersion inversion method to obtain the rayleigh pure-path dispersion values for 147 slant grids of 4° × 4° in this area, then a three-dimensional shear wave velocity model of the crust and upper mantle beneath south China area to a depth of 170 km is inversed. It is found that there are obvious differences among the main structural units, and there are also certain differences among the subordinate elements even in the individual unit. The crustal thickness of this area is ranging from 30 to 43 km, and is getting thicker gradually from the east to the west. The average shear velocity of crust is ranging form 3.48 to 3.68 km/s with the lowest in the northeast part and highest in the west part. No obvious crustal low velocity layer of large scale is detected. There exist upper mantle low velocity zones in the most of south China area with the starting depth ranging from 75 to 106 km. The lowest shear velocity within the low velocity zones is about 4.28–4.38 km/s. Despite of the existing of upper mantle low velocity zones beneath the most of south China area, the interfaces between the important layers are quite clear, the variation of the bedding surfaces is very gentle, and the lateral changes measured in a larger scale of the underground structure are rather small. It may indicate that the crustal and upper mantle structure of the main part of south China area belongs to the relatively stable structure of the continental blocks except for the fringe areas such as the fold-faulted region in the west part and the fault system along the southeastern coast which may belong to the tectonically active area. The Chinese version of this paper appeared in the Chinese edition ofActa Seismologica Sinica,15, 159–167, 1993. This subject is supported by the National Science Foundation of China.     

中国西部三维速度结构及其各向异性

本文用覆盖中国的358条勒夫面波路径资料,研究了10.45-113.80s范围内中国西部的三维SH波速度结构.结果表明,各构造单元的SH波速度结构均有明显的差别.作为稳定块体的塔里木盆地,壳内重力分异程度较高,上、中、下地壳厚度差别小,壳内无明显的低速层,地壳平均速度比较小;上地幔低速层埋深大且层中速度大;区内横向变化小.构造活动区如天山、青藏高原,其突出的特征是下地壳厚度大且速度大,上地幔盖层速度值相当高.这与西伯利亚、印支板块的挤压有密切的关系.青藏高原东部及其北、东边缘地区壳内存在低速层,上地幔低速层埋深浅,一些地区存在壳幔过渡层.面波各向异性研究表明,青藏高原、天山及印支板块北缘下存在明显的各向异性,以构造边缘地区及上地幔低速层附近最为突出.印度板块、西伯利亚板块与中国大陆间的碰撞引起强大的水平压力和一定的下插作用,是造成青藏高原隆起、地壳增厚、天山隆起的最根本的因素,同时也促成壳幔中辉石、橄榄石的定向排列和物质运移,因而出现明显的各向异性现象.     

基于Love波相速度反演南北地震带地壳上地幔结构

收集了南北地震带区域地震台网中292个地震台站2008年1月至2011年3月期间的地震波形数据,由频时分析方法提取了Love波相速度频散曲线,经过反演得到了研究区内的Love波相速度分布.根据Love波纯路径频散,采用线性反演方法对0.25°×0.25°的网格点进行了一维S波速度结构反演,利用线性插值获取了南北地震带地区的三维S波速度结构.结果显示了松潘—甘孜地体和川滇菱形块体地区的下地壳具有明显的S波低速层分布,该异常分布特征支持解释青藏高原隆升及其地壳物质运移的下地壳流模型.在100至120km深度上,川滇菱形块体西北部呈现较强的S波高速异常,这可能是印度岩石圈板块沿喜马拉雅东构造结下插至该区域所致,该区域下地壳的低速软弱物质与上地幔的高速强硬物质形成了鲜明对比,暗示了地壳和上地幔可能具有不同的构造运动和变形方式,这为该区域的壳幔动力学解耦提供了条件.