用多层变密度直接反演法研究下扬子地区的岩石圈构造

本文用多层变密度直接反演方法研究下扬子地区的岩石圈结构,并讨论其大地构造涵义及演化问题。文中给出了三次样条密度-深度函数的重力正演公式,采用非线性最小二乘优化算法,得到岩石圈内G_5、G_6、G_7三个主要密度界面,它们分别相应于中地壳低密度层底面、Moho面和上地幔顶部低密度层上界面。通过岩石圈结构分析,得到以下结果:杭州湾—海盐—嘉兴—长兴—高淳—芜湖隐伏深断裂是一条北西向的一级构造边界,它对下扬子区的大地构造发展和地壳演化有重要影响。     

天山造山带岩石圈密度与磁性结构研究及其动力学分析

库尔勒—吉木萨尔剖面横跨塔里木盆地北缘、天山造山带和准噶尔盆地南缘.沿剖面完成了重磁联合反演,获得了岩石圈二维密度结构与二维磁性结构.结果发现,塔里木盆地与准噶尔盆地向天山造山带对冲.在地壳范围内,塔里木盆地北缘与准噶尔盆地南缘的平均密度较高,天山造山带的地壳平均密度较低.天山造山带具有较高的磁化强度,尤其表现在准噶尔盆地南缘至天山造山带中部的整个地壳范围内,预示着天山南北可能具有不同的构造演化历史、构造运动方式以及构造运动强度.在塔里木盆地与天山造山带以及准噶尔盆地与天山造山带的接触部位的上地幔顶部分别发现了低密度体,推测在塔里木盆地由南而北向天山造山带“层间插入与俯冲消减”,以及准噶尔盆地由北而南向天山造山带俯冲的过程中塔里木盆地北缘和准噶尔盆地南缘下地壳物质被带进天山造山带上地幔顶部.库尔勒—吉木萨尔剖面岩石圈二维密度结构与磁性结构为天山造山带的构造分段提供了岩石圈尺度的依据.     

滇西地壳三维密度结构及其大地构造含义

重力异常揭示地壳三维密度结构是地球物理的重要目标和任务,其关键技术是密度反演.本文对滇西地区重力异常进行了多尺度密度反演,首先利用小波变换对重力异常进行多尺度分解,接着利用功率谱分析方法估算各层场源的平均深度,然后利用广义密度反演方法进行各层密度反演,取得区域地壳多个深度上的密度扰动图像.滇西上地壳高密度扰动出现在扬子克拉通内部和西缘,以及澜沧江断裂带西缘,后者对应昌宁—勐连蛇绿混杂岩带及岛弧岩浆岩带.上地壳低密度异常主要反映西昌裂谷带和高黎贡—腾冲一带的岩浆房,和兰坪—思茅盆地中的坳陷带指示钾盐等沉积矿产目的层较厚的区段.滇西上地壳和中地壳出现三条低密度扰动带,与三期大陆碰撞带的吻合.大部分6级以上地震分布在低密度异常区或它们的边缘,只有在西昌—元古谋裂带才分布在高密度异常区.克拉通内部古裂谷带地震可分布在高密度异常区.在26°N线以南下地壳为高密度区,以北为低密度区.因此,26°N线的一个属性是下地壳密度差异分界线.滇西由北向南地壳加厚缩短的程度是逐渐变弱的,在26°N线以南,南北向的地壳加厚缩短就不明显了.高黎贡走滑剪切带、澜沧江走滑剪切带、红河走滑剪切带在滇西中地壳密度扰动平面图中表现为密度急变的梯度带.表明这三条主要的走滑剪切断裂带都穿过中地壳并可能延深到下地壳.     

重力及重力梯度联合反演青藏高原及邻区岩石圈三维密度结构

本文利用GOCEL2观测重力梯度的五个独立分量(T_(xx),T_(zz),T_(xy),T_(xz),T_(yz)),联合EGM2008地球重力场模型计算垂直重力,反演计算了青藏高原及邻区0~120 km深度岩石圈三维密度结构.将经过低阶项改正、地形效应改正、沉积层界面起伏效应改正得到的剩余重力及重力梯度异常值作为观测值,以改正剩余量归一化权重作为观测权重,基于Tikhonov正则化理论建立反演目标函数.反演过程中,利用地震层析S波速度转换密度作为初始约束,通过非等权最小二乘迭代法计算得到最终反演密度.反演结果表明:(1)40 km深度,青藏高原内部为中地壳,表现为低密度,邻区为中下地壳,表现为高密度.青藏高原内部中地壳强低密度层主要分布在高原边界.其成因是印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡作用导致在高原边界形成的高应变积累闭锁区,为壳内低密度软弱物质的形成提供了条件.(2)80 km深度,青藏高原上地幔顶部显示出低密度的特征.高原内部东、中、西密度特征差异明显,低密度以95°E为中心线呈东西对称分布.以班公一怒江缝合带为中心,在拉萨块体和羌塘块体内从北向南出现了"低-高-低"的密度分布起伏特征.该特征与GRACE得到的莫霍面起伏特征一致,结合大地构造结果,这种起伏特征验证了印度、羌塘块体从南北两侧分别向喜马拉雅、拉萨地块挤入的双向俯冲模式.(3)四川盆地和鄂尔多斯盆地内,地壳高密度异常较地震波速异常明显偏低,表明古老的四川盆地和鄂尔多斯盆地比想象中更冷、更坚硬.塔里木盆地和柴达木盆地内壳、幔高密度的结构特征,对应地幔物质上涌.     

青藏高原地壳的三维密度结构和物质运动

应用区域重力场小波多尺度分析和反演于青藏区后,得到6个地壳等效层密度扰动图件,刻划了地壳三维密度结构,为研究地壳构造和物质运动提供了重要佐证.研究表明在青藏高原地壳内密度变化有以下三个规律.1)从上地壳到下地壳,平面分布上低密度区的分布范围逐渐扩大;在下地壳只有刚性克拉通地体才有显示高密度.2)从上地壳到下地壳,平面分布上密度扰动区的尺度逐渐扩大;到下地壳高或低的密度区不仅数量大为减少,而且边界更加清晰.3)从上地壳到下地壳,青藏高原南部的低密度带不断向北移动,反映印度陆块向欧亚大陆的向北俯冲.青藏高原下地壳密度高的克拉通地体有羌塘、柴达木和巴颜喀拉三个;而昆仑山、阿尔金山、祁连山和冈底斯地块都属于低密度的中新生代构造活动单元.拉萨地块也是低密度地块,在中下地壳它与冈底斯地块相连,应归属于中新生代构造活动单元.松潘甘孜地块在下地壳为低密度,但在上中地壳逐步变为高密度,并与巴颜喀拉克拉通地体连接.这种情况可能反映巴颜喀拉地体的上地壳随印澳板块俯冲向东南方向挤出.青藏高原低密度的物质也由下地壳向上挤出,在中上地壳体积迅速减小.由于下地壳低密度的物质向上挤出,中地壳密度高的克拉通地体会相应发生裂解,使克拉通地块的数目增加.高原北缘的下地壳低密度物质侧向挤出的枝杈有三支;其中一支从西昆仑到天山,另一支从龙门山西秦岭到银川盆地.第三支从高原南缘理塘到大理.它们可能反映下地壳管道流,宽度约180~300km.7级以上地震震中都位于下地壳低密度物质侧向挤出枝杈周围,可能与下地壳管道流位置吻合.     

青藏高原东缘岩石圈结构对现今地表垂向运动影响的数值分析

参考青藏高原东缘松潘-甘孜地块至四川盆地陡变地形起伏和地壳密度结构的横向差异,本文建立了二维牛顿黏性流体有限元模型,计算分析构造加载、陡变地形和重力效应控制下青藏高原东缘岩石圈变形特征,探讨横向不均匀的地壳密度结构、陡变地形和岩石圈流变性质对区域现今垂向运动的影响.计算结果显示：在构造加载作用下,松潘-甘孜地块至四川盆地地表抬升微弱.区域横向不均匀的地壳密度结构驱使松潘-甘孜地块地壳整体抬升,速率高达2 mm·a^-1,四川盆地整体下沉,速率约1 mm·a^-1,与龙门山两侧现今观测到的地表垂向变形模式相近.龙门山地区陡变地形驱使柔性地壳流动,调整区域地壳局部变形;岩石圈流变结构影响重力驱动作用下的模型变形量值和岩石圈变形耦合程度,松潘-甘孜地块较低的中地壳黏滞系数引起上、下地壳的变形解耦;模型较高的岩石圈地幔黏滞系数使重力驱动作用下区域垂向变形量降低.因此,青藏高原东缘地壳密度结构差异、地形起伏和岩石圈流变性质是现今区域垂向变形的重要动力学控制因素.     

下扬子地区符离集-奉贤地震测深资料解释

符离集-奉贤地震测深剖面总长570km,采用密集的多重观测系统。本文进行了沉积层静校正,使解释结果更为合理、准确。根据所得的界面和地层变化,以及断层位置的确定,对该区的地壳特征可得到如下几点认识: 1.下扬子地台区的地壳明显可分为上、中、下三层结构,它的各层与华北地台均有差别。 2.下扬子地区中地壳内存在一层强反射面,推测为高密度层或高速薄层所致。 3.郯庐断裂带处的莫氏面无明显落差,而是处在莫氏面隆起的斜坡部位,其间可能有一些张性破裂。 4.苏南的上古生代紧密褶皱、火山与岩浆活动以及二个地震活动带的存在,均与莫氏面的起伏有关。     

秦岭岩石圈速度结构与蘑菇云构造模型

从秦岭及与其毗连华北地区的地震层析、爆破地震及反射地震资料统一分析出发,将秦岭岩石圈划分为3层.上岩石圈即地壳,厚32～34km,中岩石圈层面近于水平,厚约25～40km,下岩石围岩层陡倾,高速低速层并置.推测下岩石圈这种结构是由张裂形成的.热地幔物质沿垂向通道上升到莫氏面后侧向流动形成中岩石圈.类似蘑菇云.现今的秦岭造山带地壳构造与上地幔盖层间似无成因上的联系,这是印支～燕山期,扬子地壳向华北地壳楔入而成的陆内造山带.造山期后又受到岩石圈东西方向拉张对它的改造.     

龙门山中南段地壳上地幔三维密度结构

基于高精度布格重力异常资料,以川滇地区P波速度三维层析成像结果为约束建立初始模型,采用预优共轭梯度(Preconditional Conjugate Gradiem,PCG)反演方法得到了龙门山断裂带中南段的地壳上地幔(深度范围0～65km)三维密度结构(网格间距为10km(横向)×10km(纵向)×5km(深度))。密度成像结果表明:龙门山断裂带中南段两侧地壳密度结构存在明显差异,四川盆地有约10km厚的低密度沉积层,松潘-甘孜块体因沉积层较薄,且部分地区有基岩出露,上地壳表现为高密度结构;松潘-甘孜块体中、下地壳有大范围低密度层分布,介质强度明显低于高密度的四川盆地,青藏高原东移物质受到四川盆地阻挡后更易于在低密度的一侧发生挤压形变及隆升,从而形成龙门山逆冲推覆构造带;龙门山断裂带内部在地壳结构上具有明显的分段特征,表现为沿着龙门山断裂带地壳密度变化不连续,以汶川地震和芦山地震震中为界,形成多个高、低密度异常区;同时,结合地震精定位结果分析,汶川地震及其余震多分布于壳内中央断裂带西侧高密度体内,芦山地震及其余震则集中在地壳密度变化梯级带附近并偏向高密度体一侧。四川盆地下地壳密度较高,其前缘随深度增加向青藏高原方向扩展,在上地幔顶部接近龙门山断裂带以西。松潘-甘孜块体中、下地壳虽然有一定规模的低密度体分布,但其连通性差,在平面上多形成局部低密度异常区,是否存在下地壳流仍无法给出明确的证据。     

地壳滑脱层对大陆裂谷发育演化的影响——基于数值模拟方法

裂谷型大陆边缘是重要的离散型板块边界,其发育演化受控于地壳滑脱层的厚度变化.岩石圈流变性质、温度结构、物质组成等因素决定了地壳滑脱层的厚度.通过地球动力学数值模拟探究地壳滑脱层厚度与裂谷形态间的关系,结果表明,对于强下地壳(湿钙长石)模型来说,滑脱层厚度与裂谷上盘断块(H-block)规模呈反相关关系.且当滑脱层总厚度偏小时,以壳-幔滑脱层对上盘断块规模的影响为主;反之,壳间滑脱层的影响更大.岩石圈,尤其是下地壳强度的减弱使地壳滑脱层厚度不断增加,裂谷形态也随之产生由上盘断块缩小到裂谷轴横向跃迁的转变.弱下地壳(湿石英)模型发育明显更厚的地壳滑脱层,直接导致了裂谷轴的离轴跃迁,且迁移距离随滑脱层厚度的增加而不断增大,指示弱岩石圈更容易产生大尺度变形.基于数值模拟结果,对比位于南大西洋中段的刚果盆地和坎波斯盆地可知,二者下地壳流变性质相似,且强度较大,但上盘断块的规模表现出显著差异,揭示出坎波斯盆地下伏滑脱层的厚度显著大于刚果盆地.由于裂谷期两个盆地距其南侧热点、地幔柱活动的距离不同,可能导致岩石圈温度结构的变化,从而产生地壳滑脱层厚度的差异.     

THE THREE DIMENSIONAL DENSITY STRUCTURE OF CRUST AND UPPER MANTLE IN THE CENTRAL-SOUTHERN PART OF LONGMENSHAN

In recent years, strong earthquakes of M_S8.0 Wenchuan and M_S7.0 Lushan occurred in the central-southern part of Longmenshan fault zone. The distance between the two earthquakes is less than 80 kilometers. So if we can obtain the inner structure of the crust and upper mantle, it will benefit us to understand the mechanism of the two earthquakes. Based on the high resolution dataset of Bouguer gravity anomaly data and the initial model constrained by three-dimensional tomography results of P-wave velocity in Sichuan-Yunnan region, with the help of the preconditioned conjugate gradient(PCG)inversion method, we established the three dimensional density structure model of the crust and upper mantle of the central-southern segment of Longmenshan, the spatial interval of which is 10 kilometers along the horizontal direction and 5 kilometers along the depth which is limited to 0~65km, respectively. This model also provides a new geophysical model for studying the crustal structure of western Sichuan plateau and Sichuan Basin. The results show obvious differences in the crustal density structure on both sides(Songpan-Ganzê block and Sichuan Basin)of Longmenshan fault zone which is a boundary fault and controls the inner crustal structure. In Sichuan Basin, the sedimentary layer is represented as low density structure which is about 10km thick. In contrast, the upper crust of Songpan-Ganzê block shows a thinner sedimentary layer and higher density structure where bedrock is exposed. Furthermore, there is a wide scale low density layer in the middle crust of the Songpan-Ganzê block. Based on this, we inferred that the medium intensity of the Songpan-Ganzê block is significantly lower than that of Sichuan Basin. As a result, the eastward movement of material of the Qinghai-Tibet plateau, blocked by the Sichuan Basin, is inevitably impacted, resulting in compressional deformation and uplift, forming the Longmenshan thrust-nappe tectonic belt at the same time. The result also presents that the crustal structure has a distinct segmental feature along the Longmenshan fault zone, which is characterized by obviously discontinuous changes in crustal density. Moreover, a lot of high- and low-density structures appear around the epicenters of Wenchuan and Lushan earthquakes. Combining with the projection of the precise locating earthquake results, it is found that Longmenshan fault zone in the upper crust shows obvious segmentation, both Wenchuan and Lushan earthquake occurred in the high density side of the density gradient zone. Wenchuan earthquake and its aftershocks are mainly distributed in the west of central Longmenshan fault zone. In the south of Maoxian-Beichuan, its aftershocks occurred in high density area and the majority of them are thrust earthquake. In the north of Maoxian-Beichuan, its aftershocks occurred in the low density area and the majority of them are strike-slip earthquake. The Lushan earthquake and its aftershocks are concentrated near the gradient zone of crustal density and tend to the side of the high density zone. The aftershocks of Lushan earthquake ended at the edge of low-density zone which is in EW direction in the north Baoxing. The leading edge of Sichuan Basin, which has high density in the lower crust, expands toward the Qinghai-Tibet Plateau with the increase of depth, and is close to the west of the Longmenshan fault zone at the top of upper mantle. Our results show that there are a lot of low density bodies in the middle and lower crust of Songpan-Ganzê Block. With the increase of the depth, the low density bodies are moving to the south and its direction changed. This phenomenon shows that the depth and surface structure of Songpan-Ganzê Block are not consistent, suggesting that the crust and upper mantle are decoupled. Although a certain scale of low-density bodies are distributed in the middle and lower crust of Songpan-Ganzê, their connectivity is poor. There are some low-density anomalies in the floor plan. It is hard to give clear evidence to prove whether the lower crust flow exists.     

郯庐断裂带中南段的岩石圈精细结构

郯庐断裂带是中国东部规模最大的构造活动带,有着复杂的形成演化历史,对中国东部的区域构造、岩浆活动、矿产资源的形成和分布以及现代地震活动都有重要控制作用.2010年在郯庐断裂带中南段的江苏宿迁市附近,采用深地震反射探测方法对郯庐断裂带及其两侧地块的岩石圈结构进行了解剖.结果表明,该区莫霍面和岩石圈底界均向西倾,其中,地壳厚度约为31~36km,岩石圈厚度约为75~86km,且岩石圈厚度在郯庐断裂带下方出现突变.郯庐断裂带在剖面上表现为由多条主干断裂组成的花状构造,其内部发育有断陷盆地和挤压褶皱,具有伸展、挤压和走滑并存的构造形迹,暗示郯庐断裂带的形成和演化经历了多期复杂的构造活动.这一断裂带错断了近地表沉积层,向下切割莫霍面和岩石圈地幔,属岩石圈尺度的深大断裂构造系统.软流圈高温高压热物质沿断裂带的上涌、岩浆底侵或热侵蚀作用造成岩石圈出现拉张伸展和岩石圈减薄,并可能使岩石圈组构及其物质成分发生改变.本项研究结果不但可进一步加深对郯庐断裂带深、浅部结构的认识,而且还可为分析研究华北克拉通东部的深部过程和浅部构造响应提供资料约束.     

岩石圈根拖曳作用在青藏高原西部和东部造山中的比较研究

根据地球物理探测资料,基于二维模型,利用黏弹性有限元方法,研究青藏高原西、东剖面的地壳均衡和岩石圈根拖曳的构造应力机制.数值模拟结果表明,青藏高原西部（B B′剖面）的造山水平挤压力主要来源于岩石圈根的向下拖曳,印度板块向北挤压为次要因素,形成“山隆盆降”的地表形态;而青藏高原东部（A A’剖面）岩石圈根向下拖曳还不足以形成硬上地壳中挤压造山的主要力源.对比结果认为,青藏高原的深部层圈结构和应力体系在西、东部存在明显的差异,反映了高原内部造山演化的西、东分异特征.     

陕西省数字地震台下方壳幔速度结构研究

利用广义反、透射系数的传递矩阵计算理论地震图，用快速模拟退火法搜索最佳模型，通过与地震台站实际记录的P波波形进行拟合对比，反演了陕西省13个数字地震台下方的P波速度结构。台站分布区域涉及到秦岭造山带、渭河盆地及鄂尔多斯地台三个构造区域。结果显示，3个构造区的地下速度结构差异明显，呈现了各自的构造特点。其中秦岭造山带上地壳乃至地表速度高，中下地壳出现多个低速层，可能与岩石脱水、构造滑脱带等有关；渭河盆地内上中地壳高低速度层交替出现，反映了断层活动在浅部的影响；鄂尔多斯地台有部分台站保持稳定的匀速构造。反映了古老地台地层稳定发展的特性，部分台站受到后期改造，低速层位增多。因为变化剧烈的台站分布在盆地的南部和西部。而且震源机制解显示该区主应力场方向为近东西向，可以说秦岭北缘的断裂作用以及后来来自青藏高原的挤压应力是导致渭河盆地形成和发展的主要因素。最后我们讨论了速度结构与强震、地震分布以及不同构造演化的关系。     

Multi-oriented and layered structures of lith osphere in orogenic belt and their effects on Cenozoic magmatism

Integrating the surface structures with the reinterpretations of 3-D velocity images, this paper puts forward a kind of multi-oriented and layered structure for those of the upper and mid-lower crust, lithospheric and asthenospheric mantle in Tethyan orogenic belt of western Yunnan and Sichuan, China (Sanjiang belt). There exists a detachment between upper and mid-lower crust. The lithospheric mantle is a rigid and competent body unable to be deformed which preserved the older tectonic framework. The asthenosphere is an imcompetent layer that is easy to be deformed, and behaves as an initiation region of deformation, and its structural patterns reflect younger tectonics. The Cenozoic intracontinental magmatism of this region is controlled by: (i) sub-meridional and NNE trending asthenospheric upwelling around the western margin of Yangtze block; (ii) crust-mantle transitional layer formed by underplating of ascending melts; and (iii) intersection or transformation of regional structures such as major faults.     

鄂尔多斯块体西缘及西南缘深部电性结构与该区地质构造的关系

对在地理位置上具有一定代表性的鄂尔多斯块体西缘及西南缘的３ 条大地电磁剖面进行了分析。盐池—阿拉善左旗剖面：整条剖面上均有壳内低阻层和上地幔低阻层分布,低阻层在银川断陷盆地上隆。定边—景泰剖面：壳内低阻层仅出现在弧形断裂带区,但上地幔低阻层在整个剖面上都有分布。在弧形断裂带区上地幔低阻层埋藏深度加大,但并不上隆,这与北面银川断陷盆地的上地幔上隆形成反照。分析认为,银川断陷盆地属于拉张性质,而弧形断裂带区属于挤压性质,由于均衡调整作用,造成了两者上地幔结构的反差。成县—西吉剖面：以天水太京测点为界,其南、北两段的电性结构差异较大,这为划分南、北两个地质单元提供了深部结构上的依据     

南海北部陆缘东部的地壳结构

本文利用中、美联合调查南海海洋地质项目所采集的双船地震扩展排列剖面资料,研究了南海北部陆缘的地壳结构．其特征为：从陆架到深海平原,地壳呈阶梯状减薄,地壳厚度分别为２６-２８ｋｍ,２３-２４ｋｍ,１３-１５ｋｍ,以及南海洋盆中５-７ｋｍ厚的洋壳,反映了地壳在新生代早期是幕式拉张的．地壳底部存在高速地壳层,地震波速度为７．１-７．４ｋｍ／ｓ．它是在地壳被拉张后,上地幔熔融物质上涌到地壳底部冷却而形成的．     

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.