基于深地震测深的深部动力学研究方法和应用

深地震测深是探测壳幔岩石圈精细速度结构、探讨岩石圈变形和演化过程的一种有效方法,在青藏高原隆升、克拉通裂解等大陆动力学研究中已发挥了重要的作用。然而,地震测深方法与深部动力学研究的结合尚处于现象描述为主的状态。因此,本文对前人利用深地震测深资料进行深部动力学研究的相关方法进行了回顾与总结:宽角反射/折射地震震相特征具有明显的动力学响应,是进行动力学研究的基础;通过速度结构对比可以确定不同地壳速度结构模型所对应的构造单元及其演化过程,地壳厚度和泊松比等参数可以用于地壳变形模式的讨论,壳内高速和低速异常体反映了不同动力学过程对地壳的改造;人工地震S波资料与Pn波速度可以用于壳幔各向异性的研究,为动力学演化过程研究提供独立的观测证据;运用现代构造解析方法可以构建不同的地壳结构—动力型式,进而通过壳幔结构的解构恢复岩石圈演化过程;此外,地震测深资料可以约束地壳成分结构,为动力学数值模拟提供岩石流变参数等资料。本文对于充分挖掘深地震测深资料在动力学研究中的应用价值至关重要,对于加强地震测深同其他学科的交叉研究也具有重要意义。     

中国大陆岩石圈壳幔韧性剪切带系统

众多地震测深剖面的地质构造解析显示,大陆岩石圈存在既有显著差异又有密切联系的两套断裂系统,即以地壳表层脆性剪切带为主的浅层断裂系统和以切割莫霍界面的壳幔韧性剪切带为主的深部断裂系统。根据地震测深速度结构特征,结合深部构造岩石地球化学的综合研究,将切割莫霍界面或壳幔过渡带的壳幔韧性剪切带划分为三类(俯冲带、缝合带和剪切带)五型(大陆岩石圈边缘海沟俯冲带、大陆岩石圈碰撞缝合带、挤压型壳幔韧性剪切带、伸展型壳幔韧性剪切带和走滑型壳幔韧性剪切带)。建立起中国大陆岩石圈构造变形由地壳表层向深部扩展以及由壳幔过渡带向地壳中上部扩展的岩石圈双向扩展模式。壳幔韧性剪切带既是无机成因天然气等深部流体的通道,又是地震活动区的发震构造之一,因此研究大陆岩石圈壳幔韧性剪切带具有重要学术价值和实际意义。     

西昆仑—塔里木—天山岩石圈深地震探测综述

沿新疆地学断面走廊域实施了3种深地震探测方法：近垂直深地震反射剖面、宽角反射与折射深地震测深剖面和移动式宽频地震观测，揭露出西屁仑-塔里木-天山岩石圈的结构与横向变化，发现了塔里木大陆地块与青藏高原西北部西昆仑造山带碰撞的地震学证据，揭示出天山与塔里木、天山与准噶尔，以及昆仑山与塔里木之间的岩石圈尺度盆山耦合关系。阶段成果发表后引起国内外学者广泛注意，本文结合相关资料对这些新成果进行了系统综述，旨在对比研究青藏高原南北两缘不同的碰撞变形之深部过程。     

大地构造火成岩岩石学研究

大地构造火成岩岩石学是岩石学和大地构造学研究相结合的学科,与传统的研究思路和方法相比,它重视深部地质过程的研究,尤其是大陆动力学的成就。通过深部物质信息（火成岩及包体、中高级变质岩）的研究,反演深部物质组成,为大地构造单元的划分对比提供深部证据;基性超基性构造岩浆带的研究是揭示古构造块体边界、超壳深大断裂的窗口;岩石圈组成的岩石学模型和垂向岩石圈分层界面的研究对于重新认识Ｍｏｈｏ面、低速层和大陆岩石圈结构意义重大。岩石学探针、同位素地球化学示踪和科学深钻、超深钻是现代大地构造火成岩岩石学研究的主要方法和手段。     

华南大陆东部壳幔结构的宽频带地震学探测

华南大陆是新元古代以来全球地质演化历史最复杂的地区之一, 也是欧亚板块东南缘地壳生长和大陆增生最活跃, 大规模构造变形、岩浆活动和多金属矿产资源最丰富的地区。揭示该区浅表构造与岩浆活动和成矿作用机制离不开对深部壳幔结构的研究。宽频带地震学是开展深部壳幔结构探测的重要手段, 基于宽频带地震学数据可以刻画地壳-岩石圈-上地幔-地幔过渡带不同深度和尺度的深部结构, 为深入理解研究区的深部构造、动力学过程、岩浆活动与成矿作用提供有效约束。本文较全面地总结了近二十年来在华南大陆东部地区开展的宽频带流动地震探测工作, 并对研究区的地壳厚度、Vp/Vs比值、岩石圈底界(LAB)深度、上地幔速度结构与各向异性等进行了分析与讨论。本文旨在为相关研究人员和团队提供未来在该区新布设地震探测台站时的参考, 也可为后续深入研究该区的深部结构与成矿过程提供一些深部要素约束。     

新疆可可托海—四川简阳地学断面岩石圈与软流圈结构

运用现代构造解析理论和方法,对新疆可可托海—四川简阳人工地震测深剖面与天然地震面波层析成像进行构造解析基础上,综合地质学、深源岩石包体构造岩石学和地球化学以及其他地球物理学标志等多学科综合研究显示,高速块体或幔块构造的几何结构型式是控制该区岩石圈构造格局和岩石圈表层构造变形基本条件之一。本文建立起该地学断面地壳及岩石圈与软流圈速度结构模型和物质组成结构模型,划分出岩石圈3种几何结构模式:克拉通陆根状结构、造山带楔状结构和高原陆根状结构,以及岩石圈二类构造演化类型:克拉通型岩石圈和增厚型岩石圈。在系统论述断面地壳及岩石圈结构构造类型特征基础上,探讨了该断面软流圈结构特征,岩石圈与软流圈相互作用及其地幔动力学模式。     

探测壳内低速层的深地震测深方法及应用

中国及全球大陆不同构造域广泛存在壳内低速层。壳内低速层不仅与地壳表层金属、非金属矿床、油气资源及地壳变形密切相关, 而且也是一些重大地震和活动断裂的发育场所。一般认为,地壳低速层反映了地壳物质的含水、热状态和部分熔融等信息, 其研究对探讨地壳结构及其动力学演化有重要意义。本文总结了利用深地震测深资料的震相走时、振幅、相位信息识别壳内低速层的5种典型方法: 1)Pg震相走时中断;2)低速层顶、底界面反射波走时曲线近似平行;3)30°~60°入射角范围内低速层顶界面反射转换波强于反射纵波;4)低速层底界面反射波强于顶界面;5)低速层顶界面反射波极性反转等。研究实例表明, 以上方法为利用深地震测深资料揭示壳内低速层提供了有效途径。     

花岗岩成因研究前沿的认识

近十多年来，人们已认识到大多数花岗岩浆的发育和演化受对流地幔（软流圈）物质向岩石圈地壳输入作用过程的制约，开创了把壳-幔相互作用研究与花岗岩形成演化紧密结合的新方向，这个新的研究方向的科学前沿主要是花岗岩形成与大陆生长和深部过程的关系；花岗岩形成的深熔作用和热源以及花岗岩的成因类型与构造环境。这些研究试图从大陆生长及大陆动力学的层次去认识花岗岩成因，以期建立起一个它们之间相互关联的框架，并进一步通过这一框架追索它们形成时热能传递的机理及其体制。因此，研究花岗岩不仅可以获得花岗岩物质来源和构造环境的信息，而且可以获得对流地幔（软流圈）物质向岩石圈地壳输入作用过程导致的壳幔物质运动的状态、过程、动力学等问题的本质、深部能量（热能）的传导、转化的重要信息。探索和解译这些信息，对于认识大陆生长具有纲举目张的作用，是解决当今大陆地质演化，建立大陆动力学关键问题之一，是继花岗岩物质来源、构造环境研究的花岗岩研究的第三个里程碑，对传统花岗岩成因观点提出了挑战，因而具有重要的科学意义。     

深部探测揭示中国地壳结构、深部过程与成矿作用背景

深部探测技术与实验研究专项(SinoProbe;以下简称"专项")是目前中国实施的规模最大的地球科学研究计划之一,涉及从地表到深部的地质、地球物理和地球化学多学科多领域探测实验。专项自2008年实施以来,完成了全国4°×4°、华北和青藏高原1°×1°的大地电磁阵列观测,建立了全国地球化学基准网(单元大小为160km×160km,含78种元素);完成了青藏高原、华南—中央造山带、华北和东北等多条超长深地震反射与折射剖面联合探测、宽频带地震与大地电磁剖面观测,其中深地震反射剖面约6 160km,成功研究、实验了地壳与地幔深部探测的一系列技术方法,积累了丰富经验,极大地加快了中国深部探测的进度,使中国进入国际深部探测大国的行列。专项在中国东部长江中下游和南岭成矿带开展的矿集区立体探测卓有成效,矿集区三维"透明化"技术不断成熟与完善;揭示了中国东部长江中下游和南岭成矿带深部成矿的动力学背景。专项部署了罗布莎、金川、南岭、庐枞和铜陵矿集区和腾冲火山地热构造带等12口大陆科学钻探实验与异常验证钻孔,在西藏罗布莎等地发现一系列深部地幔物质,在南岭于都-赣县和安徽庐枞矿集区发现深部厚大矿体、矿化异常和重要矿化线索。专项开展了青藏高原东南缘和华北地区的地应力监测网建设,有效提高了地应力测量与监测技术水平,深化了地震与地质灾害链成因研究;岩石圈三维结构与地球动力学数值模拟的能力得到不断提高。专项开展的大陆地壳结构与演化综合研究,加深了对中国中生代以来一系列重要地质问题及其深部动力学机制的认识。专项成功研制的中国首台"地壳一号"万米超深科学钻探钻机,在深部探测仪器装备自主研发方面具有里程碑式意义;同时,成功研制了地面电磁探测(SEP)系统、固定翼无人机航磁探测系统、无缆自定位地震勘探系统、移动平台综合地球物理数据处理与集成系统等深部探测关键仪器装备与软硬件系统。专项实现了技术创新与重大科学发现的并举,适应中国地质地貌条件和岩石圈结构特征,初步形成了针对不同层次、不同尺度、不同精度深部探测问题的技术方法体系,建立了一系列探测试验基地,为组织实施中国地壳探测工程奠定了坚实基础。深部探测已经成为我国地学发展的一个重要趋势。     

南海重力异常特征及其显著的构造意义

在南海地区地震测深数据有限的情况下,利用重力异常可以研究南海大范围的深部地壳结构及地质构造展布特征。基于空间重力异常,结合最新的地形、沉积物厚度及地震测深等数据,分别从地震约束的莫霍面反演和无约束的三维相关成像两个视角研究南海的地壳结构,利用壳幔界面起伏、地壳厚度及三维等效密度分布来探讨地壳结构的纵横向变化。同时,联合采用延拓、水平梯度及线性构造增强滤波方法聚焦重力异常中的区域线性特征,突出显示了反映地壳横向变化的深断裂、洋陆转换边界、海盆扩张轴等线性构造的展布。重力解释与贯穿南海南北的广州-巴拉望地学断面对比表明,重力异常反演及异常的区域线性特征,较好地揭示了南海海域大范围的地壳结构与区域构造展布。     

新—甘地震测深剖面的地壳速度结构及大地构造单元划分

根据新—甘地震测深结果,以纵波为主,建立了剖面内地壳速度结构模型,结合横波资料对地壳结构进行了研究。确定出超壳断裂14条;划分出一级构造单元4个;二级构造单元8个。从而,对大地构造和地壳演化提出新的认识,为深入研究区内基础地质具有重要意义。     

中国大陆及邻区岩石圈地壳三维结构与动力学型式

通过中国大陆及邻区地震测深剖面的系统构造解析,建立起中国大陆岩石圈地壳厚度与速度结构模型。本文根据地壳厚度与速度结构模型、地壳变形结构样式、地壳地质结构与构造演化、地壳运动学与动力学等四方面标志,将中国大陆岩石圈地壳划分为3类6种地壳结构-动力学型式:克拉通型褶推式结构-挤压动力学型式、克拉通型地垒结构-拉伸动力学型式、增厚型高原扇形结构-碰撞楔入动力学型式、增厚型造山带楔状结构-俯冲楔入动力学型式、减薄型盆岭结构-块体伸展动力学型式和减薄型铲状结构-整体伸展动力学型式。笔者探讨了克拉通型地壳、增厚型地壳和减薄型地壳的基本特征、相互关系及其地质意义。     

华北裂陷盆地不同块体地壳结构及演化研究

通过对华北裂陷盆地内不同块体的深地震测深资料处理 ,得到与构造演化过程相关的、不同性质块体的地壳结构特征。盆地隆起区块体地壳一般呈均匀成层 ,速度随深度逐层增加 ,保留了古大陆地壳块体的稳定结构特征 ;盆地坳陷区块体地壳松散巨厚的表层沉积、通常低速占主导的壳内构造、强反射的下地壳和高低速相间的薄互层壳 幔过渡带 ,反映了上地幔物质上隆、侵入、地壳增温、张裂等塑、脆性变形改造的新生地壳构造。讨论了这两类截然不同块体地壳构造的地球动力学演化及形成。裂陷区内中强地震的孕发和深源矿产、油气生贮存等都与这两类块体地壳结构、构造密切相关。     

长江中下游成矿带岩石圈结构与成矿动力学模型——深部探测(SinoProbe)综述

岩石圈结构和深部过程对理解成矿带和大型矿集区的形成十分重要。岩石圈尺度的地球动力学过程将在地壳中留下各种结构的或物质的"痕迹",这些"痕迹"可以通过地球物理的手段去探测。为深入理解长江中下游成矿带形成的深部动力学过程,作者在国家深部探测专项(SinoProbe)和国家自然科学基金重点项目支持下,在长江中下游成矿带开展了综合地球物理探测。方法包括宽频地震、深地震反射、广角反射/折射和大地电磁测深。数据处理和反演结果取得一系列新发现:(1)成矿带上地幔顶部存在低速体,在中心深度300km处有一向SW倾斜的高速体;(2)S波接收函数证实成矿带岩石圈较薄,只有50~70km;横波分裂结果显示,成矿带上地幔各向异性方向和强度与邻区有较大区别,显示平行成矿带(NE-SW向)的上地幔变形和流动;(3)深反射地震揭示成矿带上地壳曾发生强烈挤压变形,以紧闭褶皱、逆冲和推覆为特征;在宁芜火山岩盆地、长江断裂带和郯庐断裂之下出现"鳄鱼嘴"构造,指示上下地壳在挤压变形过程中解耦;深反射地震证实发生过陆内俯冲和叠瓦,并认为是岩石圈增厚和拆沉的主导机制;(4)广角反射和大地电磁反演给出了跨成矿带地壳剖面的速度和电性结构,速度和电阻率分布总体上与构造单元相吻合。本文分析和解释了这些发现的地质意义,并结合近年在长江中下游地区的地球化学研究进展,提出了成矿带地球动力学模型。该模型认为:中、晚侏罗世陆内俯冲、岩石圈拆沉、幔源岩浆底侵和MASH过程造就了长江中下游世界级成矿带的形成。     

Crustal accretion beneath the Koyna coastal region (India) and Late Cretaceous geodynamics

In 1967 a major earthquake in the Koyna region attracted attention to the hitherto considered stable Indian shield. The region is covered by a thick pile of Deccan lava flows and characterized by several hidden tectonic features and complex geophysical signatures. Although deep seismic sounding studies have provided vital information regarding the crustal structure of the Koyna region, much remains unknown. The two available DSS profiles in the region have been combined along the trend of Bouguer gravity anomalies. Unified 2-D density modelling of the Koyna crust/mantle suggests a ca. 3 km thick and 40 km wide high velocity/high density anomalous layer at the base of the crust along the coastline. The thickness of this anomalous layer decreases gradually towards the east and ahead of the Koyna gravity low the layer ceases to be visible. Based on the seismic and gravity data interpretation in the geodynamical/rheological boundary conditions the anomalous layer is attributed to igneous crustal accretion at the base of the crust. It is suggested that the underplated layer is the imprint of the magmatism caused by the deep mantle plume when the northward migrating Indian plate passed over the Reunion hotspot.     

云南兰坪—思茅盆地中轴构造带的特征及其研究意义

笔者利用云南西部已有的DSS地震测深、石油反射地震资料的再解释,并通过地球物理、地球化学以及矿产等资料的综合分析,对滇西兰坪—思茅盆地内的中轴构造带的构造特征进行了深入分析。研究结果表明兰坪—思茅盆地内的中轴构造带是一条近南北走向的集断裂带、伸展构造、深部隆起为一身的大型构造带。地震测深的速度结构及反射地震剖面表明,中轴构造带在思茅盆地南部存在有深部地幔的上隆现象,该构造带内的断裂系统倾向在盆地南北有差异。研究发现该构造带与矿床、侵入碱性岩体及区域地化异常分布有密切的关系。结合地质构造分析研究,表明该构造带是一多期活动的重要构造带,具有伸展走滑的性质;中轴构造带在形成、演化过程中被近东西向的多条直线型断裂所错断,从构造形态上看与大洋中脊有相似的展布特征。该构造带对盆地的构造演化以及矿产形成具有重要控制作用。     

Three-Dimensional P-Wave Velocity Structure of the Crust of North China

Since the Xingtai (邢台) earthquake in 1966,China Earthquake Administration has carried out a survey campaign along more than thirty deep seismic sounding (DSS) profiles altogether about twenty thousand kilometers long in North China to study the velocity structure of the crust and the upper mantle in this region,and has obtained a great number of research findings. However,these researches have not provided a 3D velocity structure model of the crust of North China and cannot provide seismic evidence for the study of the deep tectonic characteristics of the crust of the whole region. Hence,based on the information from the published data of the DSS profiles,we have chosen 14 profiles to obtain a 3D velocity structure model of North China using the vectorization function of the GIS software (Arc/Info) and the Kriging data gridding method. With this velocity structure model,we have drawn the following conclusions: (1) The P-wave velocity of the uppermost crust of North China changes dramatically,exhibiting a complicated velocity structure in plane view. It can be divided into three velocity zones mainly trending towards north-west. In the research area,the lowest-velocity zones lie in the Haihe (海河) plain and Bohai (渤海) Bay. Although the geological structure of the sedimentary overburden in the study area is somewhat inherited by the upper crust,there are still several differences between them. (2) Generally,the P-wave velocity of the crust increases with depth in the study area,but there still exists local velocity reversion. In the east,low-velocity anomalies of the Haihe plain gradually disappear with increasing depth,and the Shanxi (山西) graben in the west is mainly characterized by relatively low velocity anomalies. Bounded by the Taihang (太行) Mountains,the eastern and western parts differ in structural trend of stratum above the crystalline basement. The structural trend of the Huanghuaihai (黄淮海) block in the east is mainly north-east,while that of the Shanxi block and the eastern edge of the Ordos block is mainly north-west. (3) According to the morphological features of Moho,the crust of the study area can be divided into six blocks. In the Shanxi block,Moho apppears like a nearly south-north trending depression belt with a large crustal thickness. In the southern edge of the Inner Mongolia block and the south of the Yanshan (燕山) block,the Moho exhibits a feature of fold belt,trending nearly towards east-west. In the eastern edge of the Ordos block,the structure of Moho is relatively complex,presenting a pattern of fold trending nearly towards north-west with alternating convexes and concaves. Beneath the Huanghuaihai block,the middle and northern parts of the North China rift zone,the Moho is the shallowest in the entire region,with alternating uplifts and depressions in its shape. For the anteclise zone in the west of Shandong (山东) Province,the Moho is discontinuous for the fault depression extending in the north-west direction along Zaozhuang (枣庄) -Qufu (曲阜).     

庐枞铁多金属矿集区龙桥铁矿反射地震初至波层析成像与隐伏矿床预测

为落实安徽庐枞地区北部的龙桥铁矿含矿层位在第二找矿深度的空间分布,本文应用小道距、长排列接收的地震反射初至波走时数据,运用层析成像方法,得到该地区近地表1000m以上的速度结构。研究结果显示,反射地震初至波携带了丰富的上地壳速度结构特征和界面变化的构造信息,精细的速度结构揭露出龙桥铁矿隐伏岩体顶界面深度与起伏形态,发现岩体顶面凸起及陡变化部位与矿体分布存在着明显的对应关系。长排列的深地震反射初至波走时层析成像方法能够为金属矿集区深部隐伏矿床的勘探与研究提供岩体的空间分布信息。