华北克拉通北缘(怀来—苏尼特右旗)地壳结构

2009年,中国地质科学院地质研究所与美国俄克拉荷马大学合作实施了一条长453 km的深地震反射、宽角反射与折射、三分量反射地震联合探测剖面. 剖面南起怀来盆地,向北依次穿过燕山造山带西缘、内蒙地轴、白乃庙弧带、温都尔庙杂岩带,到达索伦缝合带. 其中,宽角反射与折射剖面采用8个0.5~1.5 t炸药震源激发,使用300套Texan单分量数字检波器接收,获得了高质量的地震资料. 通过资料分析和处理,识别出沉积层及结晶基底的折射波（Pg）、来自上地壳底界面的反射波（Pcp）,中地壳底界面的反射波（Plp）,莫霍界面的反射波（Pmp）及上地幔顶部的折射波（Pn）等5个震相. 分别采用Hole有限差分层析成像和Rayinvr算法对华北克拉通北缘及中亚造山带南部进行了上地壳P波速度结构成像和全地壳二维射线追踪反演成像. 结果显示：（1）中亚造山带地壳厚度~40 km,变化平缓,低于全球平均造山带地壳平均厚度,可能为造山后区域伸展的结果. 阴山—燕山带附近莫霍明显加深,推测其为燕山期造山过程形成的山根,但该山根很可能在后期被改造. （2）测线中部地壳上部速度较高,对应地表大面积花岗岩出露,而下地壳速度较低,速度梯度低,呈通道状,推测其可能曾为古亚洲洋向南俯冲消亡的主动陆缘,并在碰撞后演变为伸展环境下岩浆侵入的通道. （3）华北克拉通北缘与中亚造山带显示出不同速度变化特征,前者变化相对缓而后者则变化剧烈,二者的分界出现在赤峰—白云鄂博断裂附近.     

华北克拉通中西部地壳S波速度结构及其地质意义

华北克拉通是世界上最古老的克拉通之一.我们利用布设于华北中部的ChinArray计划461个宽频带地震台阵的连续波形资料, 基于背景噪声成像技术, 获得了克拉通中西部5~45 s的Rayleigh波群速度频散曲线, 并利用线性反演方法获得了研究区地壳上地幔顶部的S波速度结构.密集流动地震台阵使我们能够揭示研究区精细的地壳上地幔顶部速度变化, 以深入探讨华北克拉通中西部深部结构及其对岩浆和地震的控制作用.8 km深度的S波速度切片显示低速与高速异常分别与地表的盆地和山脉对应良好.不同经度和纬度方向的S波速度剖面均表明, 西部克拉通地壳大致可以分为上、中、下地壳三层.克拉通西部鄂尔多斯块体的下地壳S波速度介于3.7~3.8 km·s^-1, 暗示其下地壳以长英质岩石为主.大同火山区下方的S波低速异常从中地壳延伸至上地幔顶部, 推测源自软流圈的地幔热流提供了近垂直的主干上涌通道, 并控制了该区新生代岩浆活动.强震集中分布在上地壳高速体内部或高低速相间区, 其下地壳乃至上地幔顶部都呈现明显的低速异常, 推测源自上地幔/下地壳的深部热流沿地壳尺度的陡深断裂上侵, 诱发上覆高应力刚性块体发生蠕动破裂与应力释放, 进而诱发大震.

     

菏泽地区地壳结构特征与地震

本文利用菏泽～长治剖面东段和襄城～章丘剖面中段深地震测深资料进行二维计算与分析解释。结果显示菏泽地区地壳速度结构在横向上、纵向上具有明显的差异。莫氏界面起伏变化大,在菏泽附近其埋深约35km。统计结果显示本区地震多发生在中上地壳,表示它与深地壳结构特征十分密切。     

滇西地区地壳上地幔速度结构特征的研究

本文描述滇西86-87工程资料处理解释的初步结果.结果表明,滇西地区自南向北速度结构有明显的横向不均匀性.莫霍界面深度从剖面南端的38km 加深到北端的58km.地壳的平均速度南低北高,在6.17-6.45km/s 之间.固结地壳为上、中、下三层结构,P10界面是上地壳中的一个弱界面,P20和 P30界面分别是中、上地壳和中、下地壳的分界面,个别地区,在下地壳内部还可以追踪到另一个较弱的 P30界面.PR 界面的深度为0-6km,P10界面的深度为9.2-16.5km,P20和 P30界面的深度分别在17.0-26.5km 和25.0-38.0km 之间.上地壳的速度由南向北逐渐增大,在南高寨与支梯之间达到最大值,基底面的速度可达6.25-6.35km/s,再向北又开始变小.中地壳的速度变化不大,自金河洱海断裂向北中地壳是一速度为6.30km/s 的低速层.下地壳为一较强的梯度层.在剖面南段的景谷与景云桥之间和无量山与澜沧江断裂之间存在-上地幔低速区,Pn 波速度只有7.70-7.80km/s,红河断裂以北 Pn 波速度也低,为7.80km/s.在上地幔顶部还追踪到一个P60界面,剖面南端深65km,北端深85km.      

华北克拉通西部块体北缘及邻区地壳厚度与泊松比分布特征

收集了2010—2011年华北克拉通西部块体北缘及邻区布设的36个流动地震台和2009—2016年内蒙古自治区数字地震台网17个宽频带固定地震台站的远震事件波形数据, 采用接收函数H-κ算法分析获得了53个基岩台站下方的地壳厚度和泊松比结果。 此外, 结合已有的81个台站的研究成果, 给出华北克拉通西部块体北缘及邻区地壳厚度与泊松比分布特征。 综合分析认为, 研究区地壳厚度在整体上呈现自东向西渐变的特征, 最厚的地方出现在华北克拉通西端的阿拉善地块(～48.7±3.0 km)。 研究区平均泊松比为0.27, 泊松比高值异常出现在河套断陷带, 意味着可能具有较高的地壳温度或者存在壳内部分熔融。 研究区内不同构造单元呈现出显著的地壳厚度和泊松比分布特征的差异性, 意味着在华北克拉通构造演化过程中, 不同地区经历了不同的地壳改造过程。     

雷琼拗陷地壳结构特征

根据1984～1985年在雷琼地区完成、长约210 km的白延—江洪深地震测深资料,应用有限差分法、时间项法反演和二维非均匀动力学射线追踪等方法,得到白延—江洪地壳剖面的二维非均匀构造图像.结果显示：琼北及雷州半岛地壳厚约25～26 km,地壳平均速度在琼州海峡南段琼北凸起约6.16 km·s-1,海峡北段雷琼拗陷区约5.70 km·s-1;地壳速度偏低,下地壳尤为明显,仅约6.3～6.5 km·s-1;结晶基底显示为厚约2～4 km、速度5.5～6.0 km·s-1的速度梯度带,Moho界面上、下界面速度分别是6.5 km·s-1和8.05 km·s-1的一级速度间断面,没有发现明显的壳幔过渡带.白延—江洪剖面位于雷琼拗陷更新世玄武岩覆盖区,推测地壳厚度减薄以及低速度构造主要反映了该区域自新生代以来一直延续至第四系晚期的多期火山岩浆喷发热地幔对地壳底部的底浸、拆层与地壳仍处于相对温热状态相关.     

华北克拉通中西部地区地壳厚度与波速比研究

本文使用华北科学台阵和中国国家地震台网164个地震台站记录的远震波形资料,用最大反褶积方法提取接收函数,采用接收函数H-k叠加方法得到了各台站下方的地壳厚度和波速比.研究结果表明, 华北克拉通中西部地区的地壳厚度由东向西加深,其中东部的华北平原地区地壳厚度介于30~33 km ,中部的燕山—太行地区地壳厚度介于33~40 km之间,西部的鄂尔多斯块体地壳厚达40~42 km.研究显示该区的地壳平均波速比与地壳厚度没有明显相关性,这可能与该区地壳厚度、地壳组成横向变化异常强烈有关.研究区的地壳平均波速比介于1.68~1.86之间,东部盆地地区台站下方的波速比变化较大,多数分布于1.70~1.80之间;山区平均波速比主要集中分布于1.70 ~ 1.77之间,暗示山区块体较东部盆地地区地壳组成更富长英质,而缺少铁镁质成分.该区地壳厚度与地形高度具有很好的相关性,其斜率为6.6,较青藏高原东缘地区的斜率更高,通过分析表明,华北克拉通中西部地区上地幔顶部岩石密度相对较低,为古老的、低密度难熔的、富镁贫铁的克拉通,可为地壳提供更大的浮力.     

华北不同构造块体地壳结构及其对比研究

华北古大陆块体经多期构造运动的改造使地壳构造具有明显的分块特征. 利用华北地区近30条、共约两万公里的深地震测深资料及成果,进一步研究华北各次级块体内部地壳细结构,对比分析各块体的结构差异. 根据不同的地壳结构特征,华北地壳可分为三大类：西部鄂尔多斯盆地地壳结构简单,基底结构完整,为稳定古大陆地壳;华北中部隆起区太行山及北部阴山、燕山隆起区地壳结构相对简单,中部地壳和下地壳局部区域轻微速度逆转,可能与该区域地壳增厚隆升的壳内介质解耦形变有关;华北东部裂陷盆地地壳结构复杂, 基底下陷、破碎,壳内介质松散、速度低,Moho上隆、地壳减薄,横向结构差异明显,显示了新生地壳构造特征. 在此基础上,综合研究、探讨了华北地壳分块构造以及与之相关的动力学演化.     

利用接收函数方法研究华北克拉通地壳上地幔结构

华北克拉通的“去根”作用是克拉通活化的代表。研究其内部动力学对于了解华北克拉通的“去根”方式有着十分重要的意义。本文回顾了全球范围内的地幔动力学模式以及前人对于华北克拉通的地质、岩石圈、各向异性以及地幔过渡带等研究结果,以及通过层析成像和各向异性的研究结果所推测出的华北克拉通的动力学模式,介绍了接收函数以及其波形模拟、H一Ⅳ的叠加以及CCP叠加方法的基本原理。     

兴蒙造山带及邻区地壳速度结构特征

兴蒙造山带位于中亚造山带东段, 作为古亚洲构造域的重要组成部分, 由西伯利亚板块与华北板块碰撞拼合而成, 其经历了大陆裂解、洋盆扩张、洋壳俯冲消减和碰撞拼合造山等复杂的构造演化过程.为了利用壳幔结构约束造山带演化的深部过程, 跨越华北地块北缘、松辽—锡林浩特地块、兴安地块以及索伦—西拉木伦缝合带和二连—贺根山缝合带, 实施了一条520 km长的深地震测深剖面, 获得了高质量的人工源大当量的宽角反射和折射地震资料, 并采用地震动力学射线方法获得地壳速度结构.结果显示: (1)研究区地壳平均速度为6.15~6.3 km·s^-1, Pn波速度为7.8~8.2 km·s^-1; (2)地壳厚度约为36.1~42.2 km, 最厚位置(~42.2 km)对应地表大兴安岭主峰, 说明大兴安岭在此位置存在山根; (3)地壳速度在1.5~6.8 km·s^-1范围内, 认为在该区地壳内不存在洋壳物质; (4)主要断裂带或缝合带位于速度等值线变化剧烈的梯度带上; (5)速度结构显示研究区具有明显的横向分区和纵向分层的特点.地壳内速度剧烈变化特征表明兴蒙造山带的地壳物质组成不均匀, 尤其中下地壳, 速度等值线起伏剧烈.这种复杂的地壳速度结构应该与中生代以来多板块汇聚引发的多期区域性伸展和挤压作用有关.

     

华北东北部裂陷盆地与燕山隆起地壳结构

天津—北京—赤城深地震测深剖面采用密集炮点和接收点距设计构成了较为完整的观测系统,利用该剖面地震测深资料研究华北东部裂陷盆地与燕山隆起地壳结构及构造耦合.结合该区域已有研究成果,进一步分析了张渤地震带东段的地震构造环境.结果显示,华北克拉通东部裂陷盆地结晶基底构造形态和界面结构性质与新生代以来的地壳构造运动密切相关,北侧燕山隆起区高速稳定和南侧裂陷盆地低速松散截然不同的地壳结构,使宝坻－桐柏、宁河－昌黎断裂构造分区线和燕山隆起之间的中间过渡带为张渤地震带东部平原区地震的孕发提供了良好的构造环境.     

东北地区至华北北缘地壳结构的区域差异: 地壳厚度与波速比的联合约束

本文通过对分布相对均匀的127个固定台站下方接收函数的H-κ叠加分析,并结合前人对97个线性密集流动台站的研究结果,获得了东北地区和华北克拉通北缘地壳厚度(H)与平均波速比(κ).结果表明研究区域地壳总体较薄,波速比变化复杂,地壳密度横向变化大,暗示着地壳在中—新生代经历了显著的不均匀破坏与改造.东北和华北北缘都存在明显的东西向差异.东北地区西侧兴蒙造山带地壳大致随着海拔增高逐渐增厚,H和κ分别主要在31~39 km和1.71~1.83之间变化,平均值分别为~35 km和~1.77;东侧吉黑褶皱带地壳厚度与海拔不成镜像关系,H和κ集中在28~37 km和1.72~1.89范围, 平均值分别为~33 km和~1.79.华北北缘西侧燕山带地壳由东往西逐渐增厚,H和κ主要在28~40 km和1.70~1.91范围内变化, 平均值分别为~34 km和~1.79.东侧辽东台隆地壳表现为中间厚四周薄,H和κ集中在29~35 km和1.71~1.83范围, 平均值分别为~32 km和~1.77.东北地区吉黑褶皱带相对薄的H和变化范围大的κ表明,该区域可能由于其自身的地壳结构复杂性和紧邻太平洋板块前缘从而在中新生代遭受到了与太平洋板块俯冲相关的更为强烈的地壳减薄与改造.华北北缘燕山带H和κ复杂的变化特征表明,该地区可能受到中亚造山带增生和太平洋板块俯冲的共同影响,从而发生了更为复杂的地壳改造变形.     

中国东部华北克拉通南缘至华夏地块深部电性结构研究

在华北克拉通南缘至华夏地块之间完成了两条大地电磁长剖面,通过二维非线性共轭梯度反演,获得了沿剖面100 km深的电性结构模型.结合研究区地质和地球物理资料,详细分析了研究区地壳及上地幔顶部电性结构特征与地质含义.研究发现：(1)江山—绍兴断裂带深部低阻异常成因可能是受南华纪裂解事件影响以及晚中生代岩石圈伸展作用、深部热物质上涌造成的;(2)华北克拉通南缘大部分地区中下地壳及上地幔顶部表现为低阻异常,可能存在大范围的软弱层或发生局部熔融.长江中下游成矿带壳内高导体可能是由含水流体引起;(3)华夏地块电阻性地壳与晚中生代构造-岩浆活动有着紧密的关系,其上地幔顶部的高阻异常可能与玄武岩浆活动有关.古太平洋板块的西向俯冲是华夏地块晚中生代构造活动的动力学背景.

     

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.     

华北中北部地壳运动与张北地震

本文利用华北GPS监测网两个时段复测资料(1992～1996～1999年)、华北北部两个时段垂直形变资料(1992～1998～2000年)和张北地震时的INSAR结果(1997年9月22日～1998年5月26日),从场和块体运动的角度分析了张北地震前后地壳运动特征,结果表明①垂直形变不显著,近10年来华北中北部地壳垂直形变基本上属于继承性,震时显著垂直形变范围仅约为15km×15km,量值约250mm;②水平形变在各单元内部也不显著;③华北中部各单元整体水平运动在震前(1992～1996年)和震后(1996～1999年)存在动态变化,具体表现为阴山构造带由相对静止变为左旋走滑,山西断陷带由以拉张运动为主变为以右旋走滑运动为主,燕山构造带的张性左旋走滑运动变为左旋走滑运动,而且震前形成的燕-冀形变过渡带消失于震后;④形变的大小与孕震区介质的物性和构造环境关系十分密切.进一步分析还表明①张北地震并不意味着华北的地震活动进入高水平;②当前地壳运动处在比较正常的状态之中;③未来本区有利于发生中强以上地震的空间位置主要是燕山构造带,尤其是该带的两端,以及山西断陷带等.