流变边界层及其对华北克拉通热/地震岩石圈底界差异的意义

二维热传导/对流数值模型显示,纯传导的固体岩石圈与纯对流的流体软流圈之间存在一过渡层,即流变边界层,其间传导与对流共同作用来传递热量.流变边界层厚度主要由软流圈黏性系数(η)控制,而受固体岩石圈厚度及热状态影响很小.随着η从1×1021Pa·s降低至1×1019Pa·s,流变边界层也随之减薄,流变边界层的厚度与lg(η)成正比.流变边界层的存在是造成热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的重要因素.全球典型克拉通岩石圈的对比结果表明,地震岩石圈厚度普遍大于热岩石圈厚度,二者的差异多数在70~90km,很好地验证了流变边界层的存在.研究发现二者的差异在华北克拉通自西向东逐渐减小:由西部鄂尔多斯的约80km减少至渤海湾盆地的约20km.反映出华北克拉通岩石圈下部流变边界层厚度自西向东减薄,意味着软流圈黏性系数自西向东逐渐降低.这可能与中生代太平洋俯冲脱水形成的低黏大地幔楔有关,从一侧面印证了太平洋俯冲对华北克拉通破坏的影响.     

华北克拉通热结构差异性特征及其意义

华北克拉通破坏存在空间上的差异性,至今其内在的动力学机制仍存在较大的争议,这种差异性在岩石圈热结构上必然有所表现.广义上岩石圈热结构包括热流结构、温度场结构和热岩石圈厚度,是揭示岩石圈演化及其内在动力学过程的重要基础.基于二维地震剖面和大地热流数据,建立二维稳态热传导有限元模型,对华北克拉通东部岩石圈热结构进行模拟计算并与西部进行对比分析,在此基础上对比热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的变化.结果显示,华北克拉通东、西部岩石圈热结构有着较为明显的差异,地幔热流值波动范围分别在24~44/20.5~24.5 mW·m-2,壳幔比1.61~0.70/1.84~1.51,以1300℃等温线计算得到的热岩石圈厚度变化范围在75~139 km/128~162 km.华北克拉通东部相对西部有着较高的深部地幔热流值和较小的地震/热岩石圈厚度差异,这可能意味着东部软流圈地幔有效黏度相比西部低,估算差异可达2~3个数量级.     

中国陆地热岩石圈厚度及其地球动力学意义

依靠最新的中国大地热流数据、精细的地壳分层结构, 通过求解一维稳态热传导方程获得各个热流测量点对应的热岩石圈厚度, 通过克里金插值法绘制中国陆地热岩石圈厚度分布等值线图.计算结果表明, 中国陆地各构造区的热岩石圈厚度差异较大, 稳定的克拉通地区最厚, 可达200 km以上, 造山系次之, 多在100~200 km之间, 破坏的克拉通地区岩石圈最薄, 可以低于100 km. 通过对比三大克拉通地区的热岩石圈厚度和地震岩石圈厚度, 得出了四点认识: (1) 塔里木克拉通西部、中上扬子克拉通、华北克拉通西部以及南华北基本保留了稳定的克拉通巨厚岩石圈特征, 而华北克拉通东部的渤海湾盆地、下扬子克拉通以及塔里木克拉通东南部则发生了大规模的减薄; (2) 华北克拉通西部从鄂尔多斯向东北的银川—河套凹陷及向东南的汾渭凹陷的岩石圈厚度和流变边界层厚度逐渐变薄, 主要受控于地幔对流强度的增强; (3) 华北克拉通东部的南华北依然保持稳定, 而渤海湾的岩石圈厚度减薄显著, 体现了华北克拉通破坏在空间上的不均匀性; (4) 扬子克拉通自西向东岩石圈厚度和流变边界层厚度逐渐变薄, 可能受控于太平洋板块的俯冲, 和华北克拉通东部经历了相似的地球动力学过程.

     

华北克拉通岩石圈三维密度结构

显生宙以来华北克拉通岩石圈遭到破坏,这一现象的科学问题已受到世界地学家广泛关注.本文首先将地震层析成像反演得到的P波速度扰动转化为密度扰动,以此作为初始密度模型,然后利用布格重力异常反演得到了华北克拉通岩石圈高分辨三维密度结构.为了避开大型稀疏矩阵求逆计算,提高计算效率,我们将代数重构技术用于密度反演解算.反演结果表明:华北克拉通岩石圈密度在横向和纵向上均存在明显的不均匀性,密度分布形态与地表构造格局有很好的相关性;研究区地壳整体表现为低密度异常,地壳以下岩石圈部分则以高密度异常为主;鄂尔多斯块体地壳范围内以低密度异常为主,80~120 km深度上为呈南北两端集中分布的高密度异常,并分别与秦岭造山带和阴山造山带的高密度异常分布相连,这暗示了鄂尔多斯块体可能受到了来自其南北两端造山带深部动力学过程的影响;80~120 km深度上,华北克拉通东部地区呈现出显著的南北向非均匀的高密度异常,这表明遭到破坏后该地区上地幔物质分布具有强烈的南北向非均匀性.     

华北岩石圈三维流变结构的一种初步模型

利用华北地区(105~124°E, 30~42°N)的地震P波速度资料和大地热流资料建立了华北岩石圈的三维波速分布及温度分布. 考虑了摩擦滑动、脆性破裂及蠕变三 种主要的流变机制在岩石圈中的作用. 计算了华北岩石圈流变强度及粘度的三维分布. 结果表明, 岩石圈的流变强度和粘度有着明显的分层特征. 在应变率为 的情况下, 上地壳上部为脆性区, 下部有可能是以蠕变为主的延性区; 中地壳可以是以脆性破裂为主的脆性区, 也可以是上层以脆性破裂为主而大部分是以蠕变为主的延性区; 而下地壳几乎均是以蠕变为主的延性区; 壳下岩石圈上部是以脆性破裂为主或以蠕变为主的高强度区. 同时可以看出, 流变强度在水平方向上有很大的不同, 与大地构造有着明显的联系. 讨论了岩石圈波速结构, 温度分布对流变结构的影响, 并对改进岩石圈流变结构的研究提出了建议.     

鄂尔多斯盆地深部热结构特征及其对华北克拉通破坏的启示

基于二维稳态热传导方程,利用有限元数值模拟方法,选取东西向横穿鄂尔多斯盆地地质与地球物理解释大剖面进行了深部温度场数值模拟研究,得到了华北克拉通西部的鄂尔多斯盆地下伏岩石圈热结构特征.地幔热流变化范围:21.2~24.5 mW·m-2,体现为东高西低特征.壳幔热流比(Qc/Qm)介于1.51~1.84之间,为"热壳冷幔".与华北东部地幔热流对比表明,西部的鄂尔多斯盆地相对处于稳定的深部动力学环境.在岩石圈热结构研究基础上,对克拉通地震岩石圈与热岩石圈厚度差异进行了对比,研究表明:鄂尔多斯盆地西部地震岩石圈与热岩石圈厚度差异约达140 km,而东部的汾渭地堑,渤海湾盆地二者差异逐渐减小.华北克拉通自西向东,地震岩石圈厚度与热岩石圈厚度差异不断减小,意味着华北克拉通岩石圈下部的软流圈地幔黏性系数自西向东逐渐降低,本文从地热学角度可能印证了太平洋俯冲脱水作用对华北克拉通的影响.     

数值模拟华北克拉通岩石圈热对流侵蚀减薄机制

关于华北克拉通岩石圈减薄机制,国内外学者通过各种研究定性地提出了不同的机制.文章根据最近几年国内外发表的有关资料,通过数值模拟方法,主要对华北克拉通岩石圈热对流侵蚀的减薄机制进行了计算.通过我们的计算证实了原来稳定存在的克拉通,如底边界为1673K时的初始情形,在底部温度扰动升高后,由于浮力驱动的小尺度地幔对流加剧能够使岩石圈发生大规模减薄,减薄速率在mm/a的量级,减薄的时间尺度基本都在十几个百万年;计算过程中我们讨论了初始参考等效粘滞系数分别为0=1.0×1022Pas和0=1.0×1023Pas的两种情形,在这两种条件下,我们分别计算了底边界温度为1773,1873,1973和2073K的4种情况.通过不同端员的计算我们知道岩石圈最多从200km减薄到100km,至少减薄到126.25km,这符合现今地球物理观测的结果.并且初始参考等效粘滞系数和底边界温度是影响减薄速率的重要因素.     

地震层析成像在华北克拉通地区的研究进展

综述了地震层析成像方法在华北克拉通地区的研究成果,探讨研究中存在的问题及其研究前景.近年来很多层析成像方法在该地区获得了高分辨率的地壳、上地幔的速度结构,为研究构造运动以及深部的动力学过程提供了线索与约束.许多研究针对发震构造以及华北克拉通破坏等科学问题做了深入的探讨.地震层析成像技术仍然面临很大的挑战.比如速度间断面...     

塔里木北缘岩石圈热-流变结构及其地球动力学意义

结合塔里木北缘的库车坳陷和塔北隆起这两个构造单元的地温资料和岩石热物性参数, 利用一维热传导方程, 给出了塔里木北缘地区岩石圈的热结构. 塔里木北缘地区平均地表热流为45 mW/m2左右, 地幔热流约为20~24 mW/m2, 莫霍面温度为514~603℃, 热岩石圈厚度138~182 km. 在此基础上, 根据该区地震测深剖面揭示的P波速度结构和岩石学, 结合流变学模拟进一步确定了该区的岩石圈强度及其分布特征. 研究结果表明, 岩石圈的流变分层现象明显, 整个上地壳和下地壳部分以脆性性质为主, 下地壳底部才显韧性性质, 壳下岩石圈地幔也表现为脆性性质, 具有典型的“三明治”结构. 此外, 岩石圈强度也具有横向变化的特征, 隆起区强度大于坳陷区强度; 从南往北, 强度依次降低, 塔北隆起南部强度最大, 库车坳陷强度最小. 塔里木北缘地区岩石圈拉张背景下强度为4.77×1012 ~ 5.03×1013 N/m, 挤压背景下为6.5×1012 ~ 9.40×1013 N/m, 其脆-韧性转换深度在20 ~ 33 km之间. 塔里木北缘的岩石圈较冷且强度较大, 岩石圈表现为刚性并以整体变形为主. 该区地震活动性研究也表明了这一整体变形的地球动力学特征.     

基于背景噪声和地震面波联合反演华北克拉通中部岩石圈结构

基于ChinArray三期项目布设于华北克拉通中部的流动台阵观测数据,利用背景噪声互相关和地震面波层析成像获取了研究区内6—140 s周期的瑞雷面波频散,使用蒙特卡罗非线性反演方法获得了华北克拉通中部岩石圈的高分辨率三维S波速度结构。结果显示华北克拉通不同地块的岩石圈速度结构存在显著的横向差异：其中鄂尔多斯盆地腹地整体表现为高速特征,延伸至200 km以下,但其东南缘存在小范围的低速异常;东部的华北盆地整体表现为低速特征,具有较薄的地壳和岩石圈厚度;中部造山带南北两端以及南北重力梯度线下方存在相连接的低速区域,在深处延伸至华北盆地下方;在下地壳和上地幔顶部,大同火山群区域的低速体逐渐向西偏移至鄂尔多斯盆地东北角下方;而在上地幔中,该区域的低速异常随深度增加而逐渐减弱,低速体延伸至东南方向的华北盆地下方。基于本研究获得的S波速度模型,我们认为：鄂尔多斯盆地腹地保持了克拉通特性,但其东南缘存在局部的岩石圈改造作用;华北盆地发生了强烈的岩石圈破坏减薄和地壳伸展变形;中部造山带南北端以及南北重力梯度线下方的岩石圈发生了局部的改造减薄,其机制可能都来源于华北盆地下方地幔热物质的上涌;大同火山群下...     

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.     

利用瑞雷面波反演华北克拉通东北部边界的岩石圈结构

运用瑞雷面波相速度频散曲线分析和反演得到了华北克拉通东北部边界及其邻近区域岩石圈的精细S波速度结构.利用11个地震事件、60个台站的瑞雷面波波形资料,得到了周期从25-150 S的相速度频散曲线,并且通过线性反演方法得到了深度从40-300 km的S波速度结构.结果表明,该研究区域S波速度存在强烈的不均匀性.从东南部的...     

Triassic magmatism and its relation to decratonization in the eastern North China Craton

Lithospheric removal and destruction of the North China Craton have been hotly discussed recently. It has been confirmed that the timing of a strong lithospheric removal took place in Late Mesozoic; however, little is known about when the lithospheric removal was initiated and how the Late Permian to Early Triassic deep subduction of Yangtze continental crust affected the cratonic destruction. This paper presents an overview on the temporal and spatial framework and geochemical characteristics of the Triass...     

The gravity and isostatic Moho in North China Craton and their implications to seismicity

The Bouguer gravity is the combination of field sources in different depths. Based on the multi-scale analysis of the Bouguer gravity, we can get the gravity anomaly caused by the Moho undulation. This study presents the various orders of approximation of gravity anomaly in North China Craton (NCC), the possible source depths with radial logarithmic power spectrum, and the relationship between the deep structure and gravity anomaly. Furthermore, we discuss the isostatic compensation about the Moho depth from gravity and deep seismic sounding profiles (DSS). The results show that: (1) the fourth approximation could have resulted from the Moho undulation, (2) in contrast to the isostatic Moho, the inverted gravity Moho and the DSS Moho show that most of NCC has been isostatically compensated, and (3) the isostatic compensation rate has some close relation to the seismicity.     

Multiple phases analysis of deep seismic sounding records in North China Craton*

The North China Craton (NCC) is a key region to study the destruction of the ancient craton. Two groups of phases (denoted as “Pw1” and “Pw2”), which are parallel to the PmP phase reflected from the Moho discontinuity and the PLP phase reflected from the Lithosphere and Asthenosphere Boundary (LAB) respectively, are found on the record section of the Rongcheng-Xinzhou-Alxa long-range deep seismic sounding profile. The nature of the two phases is still unclear, although they are clearly observable and reverberant. In this paper, we use travel time inversion and amplitude forward modelling to fit the reflected and refracted phases in the lithosphere. The results show: (1) the Pw1 is a multiple reflected phase which is successively reflected by the crystalline basement, the surface, the Moho and then finally received on the surface; (2) the Pw2 phase is also a multiple reflected phase successively reflected by the crystalline basement, the surface, the LAB interface and then received on the surface. We conclude that the significant velocity difference between the thick sedimentary cover and the crystalline basement in the North China rifted basin may be the main reason for generating the multiple reflections. Furthermore, the two multiple reflections provide potent constraints on the lithospheric velocity model, and constitute seismological evidence for the lithospheric thinning in the eastern NCC.     

Insight into craton evolution: Constraints from shear wave splitting in the North China Craton

The multi-episodic tectonic activities from the Precambrian to Cenozoic, including nucleus formation, cratonic amalgamation, and rejuvenation, make the North China Craton (NCC) an ideal natural laboratory for studying craton evolution. Spatial change in the upper deformation records is an important aspect for understanding cratonic formation and rejuvenation. In this study, we performed seismic shear wave splitting analysis using SKS phases from 50 portable stations. Two different methodologies, shear wave splitting measurement and amplitude analysis of transverse/radial components, produced mutually consistent splitting results. These results showed that the seismic anisotropy beneath the Ordos Block can be divided into three subgroups reflecting the tectonic control. Combining these results with those from previous splitting studies in the eastern NCC, we suggest that the Proterozoic amalgamation generated the seismic anisotropy in the boundary zone between the Ordos Block and the Trans-North China Orogen, while the anisotropy in the eastern Trans-North China Orogen and eastern NCC were possibly associated with the lithospheric rejuvenation during the Late Mesozoic to Cenozoic.     

Major tectonic units of the North China Craton and their Paleoproterozoic assembly

In the last decade, Chinese geologists have made a remarkable progress in studies on thelithology, structural style, metamorphic evolution, geochemistry and geochronology of the North China Craton, including recognition of numerous tonalitic-trondhjemitic…