地球上形态特征最显著的20个陨石坑

陨石坑或撞击坑(impact crater)是小行星、彗星和流星体等小天体超高速撞击行星及其卫星表明形成的凹坑或环状地质构造。由于大气层的保护,和其他星球相比,地球遭受到陨石撞击的可能性要低得多。可即便如此,据估计,在地球形成演化的过程中,出现过直径大于10 km的陨石撞击构造不少于1500个,而直径更小的陨石坑数量就更多了!     

利用动力学数值模拟实验探讨上地幔地震波速度结构图像的时效性

地震波速度是认识地球深部状态和过程的主要观测参数.利用地震观测获得的速度结构图像讨论地球深部动力学过程,首先需要确定地震波速度图像能反映哪个时期构造事件的影响,这是地震波速度结构图像的时效性问题.立足于岩石物理实验依据,本文建立了上地幔温度-速度对应关系模型,利用数值方法模拟上地幔高温和低温异常的演化过程,并对中国东部上地幔动力学过程进行探讨.模拟结果显示,高温异常体的演化时间受异常体尺寸和上地幔黏滞系数控制,而低温异常的演化时间受尺度控制,与上地幔黏滞系数几乎无关.温度异常尺度越大,可被追溯的时间越久;但高温异常的保留时间远小于低温异常.考虑地震学观测的分辨率为100km,尺度为500km×300km的高温异常能持续被地震学观测20Myr,表明中国东部上地幔地震波低速异常可能反应新生代以来的热事件;而300km×120km尺度的低温异常持续时间可达~192Myr,表明中国东部地幔转换带地震波高速异常可能代表停滞的古太平洋俯冲板片.     

南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响

2012年发生的苏门答腊大地震激起了强烈的环形地球自由振荡,本文利用南极26个地震台站记录的此次大地震激发的₀T₁₀简正模,分析南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响,我们将震后20 h的自由振荡观测数据与利用PREM地球模型模拟的结果进行比较,结果表明：在震后较短时间内区域性（区域的范围远远小于简正模的波长）上地幔结构异常能显著影响长周期自由振荡质点的偏振,引起简正模强烈的偏振异常.以往研究主要关注地球自转和全球范围的上地幔结构异常对长周期自由振荡简正模的影响,局部范围的上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响并未被重视.对南极地区₀T₁₀垂向偏振异常的进一步分析表明：南极大陆上地幔存在方位各向异性,上地幔各向异性主要分布在横贯南极山脉下方,深度范围约为70~660 km.利用震后较短时间内的长周期地球自由振荡观测资料可以对局部区域上地幔的各向异性及其深度范围提供约束,可作为剪切波分裂和面波层析成像技术的补充.     

黏滞分层地幔中密度异常驱动对流模型的研究

在地震层析成像计算的地幔密度异常直接驱动地幔对流的新方法的基础上,发展了在上、下地幔不同黏性结构框架下,密度异常驱动地幔对流的物理模型.利用 Grands和S12 WM13等地震层析成像模型推得的地幔密度异常分布,设置板块绝对运动极型场为运动上边界,考虑深度660km地震波不连续面为界的上、下地幔之间存在黏滞性的差异,直接反演了不同黏滞系数的双层地幔结构下地幔对流的模式.研究中选取地幔平均密度为ρ=5500kg/m3, 上层地幔平均黏滞系数为μ=1021Pa·s,计算了上、下地幔黏滞系数之比为1∶1, 1∶10, 1∶100和1∶1000时地幔大圆剖面、以及区域剖面上的流场.结果表明,两种模型在球谐展开1～13阶的范围内其对流的基本格局相似.当下地幔黏滞性超过上地幔的100倍时,下地幔流场速度与上地幔的流场速度相比显著减小,但是对流仍然表现出单层对流环的基本格局.论文还用 240km深度球面上的对流格局讨论了对流和全球构造之间的关系.     

现代板块运动驱动地幔块体置换度及地幔混合的研究

定义了描述地幔混合程度的新的统计学量度——地幔块体对流置换度和对流混合扩散度.地幔块体对流置换度等于至少被置换一次的块体数与地幔总块体数之比,对流混合扩散度等于示踪元初始体密度与示踪元终体密度之比.本研究假设地幔对流是稳定的,上地幔和下地幔的黏滞性存在差异,其驱动力为板块运动或地幔中密度异常分布.实验中地幔被划分为20736 个块体（5°×5°×300 km）,2376个示踪元被放置在地幔顶部100 km深度或底部100 km高度的5°×5°的网格点上.模型计算表明, 地幔块体对流置换度随运转时间变化.就全地幔而言,在系统运行四十亿年后,大多数模型对应的块体对流置换度均超过80%,而上地幔块体置换度则达到90%.这预示大多数的地幔块体将被来自其他位置的块体所取代.对于放置在地幔顶部或底部,浓缩于很小空间10°×10°(间距0.25°) 中的两组1681个示踪元而言,尽管其对流混合扩散度在开始有较大的差异,但是在运行一段时间之后,此两组对应的对流混合扩散度均趋于常数,示踪元比较均匀地分布于全地幔之中.由以上的结果可以推断,在经历了四十五亿年的演化过程后,由于对流的作用使地幔基本上已经均匀混合,地幔中不大可能存在尺度大于5°×5°×300 km的异常块体.     

中国境内天山上地幔小尺度对流与造山作用

根据横跨天山的流动地震台阵记录的走时数据, 利用地震层析成像技术获得了库车-奎屯剖面660 km深度内上地幔P波速度结构. 由P波速度模型导出了相应的上地幔二维密度模 型. 利用有限单元方法联合网格-粒子方法, 研究了中国境内天山由于密度差异分布引起的上地幔小尺度对流. 给出了对流的基本形态特征, 并分析了上地幔对流与造山作用的相互影响关系. 结果表明: (1) 北天山—准噶尔盆地下方的上地幔中存在一个逆时针对流环, 对流环尺度为500 km左右; (2) 南天山—塔里木盆地一侧的上地幔中存在一个顺时针对流环, 但相对较弱; (3) 上地幔对流速度值在很大程度上受黏滞系数变化的影响, 但天山上地幔顶部对流速度值不应小于20 mm/a; (4) 塔里木盆地向北的水平推挤作用是天山新生代隆升的决定性因素, 同时, 上地幔小尺度对流对天山现今构造变形格局也起着重要作用; (5) 塔里木板块向北的运动对上地幔对流场的影响很小.     

华北克拉通及东邻西太平洋活动大陆边缘地区的P波速度结构：对岩石圈减薄动力学过程的探讨

本文通过地震层析成像研究获得了华北克拉通及其东邻地区（30°N-50°N,95°E -145°E）1°×1°的P波速度扰动图像.结果显示,在西太平洋俯冲带地区,上地幔中西倾的板片状高速异常体与其上方的低速异常区构成俯冲带与上覆地幔楔的典型速度结构式样.俯冲板片高速体在约300~400 km深度范围内被低速物质充填,暗示俯冲板片可能发生了断离.在华北克拉通地区的上地幔中发现三个东倾排列的高速异常带.在此基础上,本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系.本文认为,太平洋板片的俯冲（断离）,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造（底侵与弱化）.随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分三个阶段依次拆沉减薄.这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象.     

中国西北及周边地区上地幔密度异常驱动小尺度对流

假设地震层析成像提供的地震波速异常对应于上地幔物质的密度异常分布,而该密度异常直接源于上地幔热对流相应的温度扰动. 在给定边界条件下,利用三维傅里叶变换,在波数域内求解控制流体行为的运动方程和连续性方程,得到上地幔小尺度对流流场. 利用密度异常驱动上地幔小尺度对流的数学 物理模型,采用胥颐、刘福田等提供的地震层析成像数据计算得到了我国西北及周边地区上地幔对流模式. 结果表明,对流流场的顶部在岩石圈较薄的盆地区域呈现上升发散流动特征,如塔里木盆地、柴达木盆地、哈萨克斯坦块体及准噶尔盆地;岩石圈较厚的山脉则对应了会聚下降的流动特征,如天山山脉、昆仑山山脉和祁连山山脉. 同时,塔里木盆地处于拉张状态,驱动其上地幔物质南下向青藏高原北部西昆仑运动,以及北上向天山下部流动,这可能是天山隆升的原因之一.      

下扬子及周边地区深部泊松比结构及深部动力过程约束研究

下扬子及周边地区存在着丰富的地质构造和多金属矿产资源,其深部结构和动力学过程已成为地学界研究的热点.为了更好地讨论下扬子及周边地区的深部动力学过程和岩浆活动机制,本文基于均匀网格层析成像方法提出了非均匀网格远震层析成像方法,利用大量的天然地震相对走时残差数据反演获得了下扬子及周边地区深至700 km范围内的三维S波和P波速度结构,并根据纵横波的比值关系计算出泊松比异常.由于S波速度比P波对流体的反应更加敏感,所以泊松比异常反映了物质是否包含流体或者物质的软硬、冷热程度.本研究结果显示：（1）长江中下游成矿带下方的上地幔内存在明显的高泊松比异常,而地幔过渡带内则存在明显的低泊松比异常;（2）大别造山带及其南侧的中扬子地块的上地幔中下部及地幔过渡带内都存在明显低泊松比异常,且呈现东深西浅的空间分布特征.结合已有的地质、地球物理和地球化学等资料,我们认为长江中下游成矿带下方的地幔过渡带内滞留着古太平洋俯冲板块,其上地幔内则赋存着软的上地幔热物质,为深部成矿提供了热量或幔源物质.因此,古太平洋板块的俯冲对长江中下游成矿带的形成发挥了至关重要的作用.     

中国境内天山地壳上地幔结构的地震层析成像

根据横跨中国境内天山的库车—奎屯宽频带流动地震台阵和区域地震台网记录的近震和远震P波走时数据,利用地震层析成像方法重建了沿该地震台阵剖面下方400 km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构.结果表明：沿新疆库车—奎屯剖面,天山地壳具有明显的横向分块结构,且南、北天山地壳显示了较为强烈的横向变形特征,表明塔里木地块对天山地壳具有强烈的侧向挤压作用;在塔里木和准噶尔地块上地幔顶部有厚度约60～90 km的高速异常体,塔里木—南天山下方的高速异常体产生了较为明显的弯曲变形,而准噶尔—北天山下方的高速异常体向南一直俯冲到中天山南侧边界下方300 km的深度,两者形成了不对称对冲构造;在塔里木和准噶尔地块下方150～400 km深度存在上地幔低速体,其中塔里木地块一侧的上地幔低速物质上涌到南天山地块的下方;在塔里木—南天山200～300 km深度范围的上地幔存在高速异常体,它可能是地幔热物质向上迁移过程融断的塔里木岩石圈的拆离体. 上述结果表明,塔里木地块的俯冲可能涉及整个岩石圈深度,但其前缘仅限于南天山的北缘;青藏高原隆升的远程效应可能不但驱动塔里木岩石圈向北俯冲,同时还造成天山造山带南侧上地幔物质的涌入;天山造山带上地幔广泛存在的低速异常有助于其上地幔的变形,而上地幔物质的强烈非均匀性应有助于推动天山造山带上地幔小尺度地幔对流的形成;根据研究区地壳上地幔速度结构特征推断,新近纪以来天山快速隆升的主要力源来自青藏高原快速隆升的远程效应,相对软弱的上地幔为加速天山造山带的变形和隆升创造了必要条件.     

地球内部的热状态和热系统

本文给出地球的地幔热状态和热系统的简化形式,假定地幔内的大规模对流是双层的,在上地幔内的对流是由来自下面的热流量来测定,而在下地幔内的对流是用内部加热来测定。估算上地幔的热弛豫时间是～10~8年,下地幔的热弛豫时间τ_(1m)是～1.5×10~9年,地球的热弛豫是由τ_(1m)来测定。在对流的地幔内的超绝热的温度降是在热的边界层内形成的:在上地幔内,△T_1≤600K;在下地幔顶部,△T_2≤650K;在下地幔底部,△T_3≤650K。核-幔边界上的绝热温度是～2900K,真实温度一定是～3500—4500K。地幔中的热边界层都是过热区,必须跟低Qμ区(Qμ是对S波的力学品质因数)一致。低Qμ的第一层的深度是～100—250公里,第二层的深度是670—850公里,第三层是2700—2900公里。热点的热源区可能在第二个热边界层内,有意义的是,该层的水平速度(～1公分/年)可以确定在“板块构造”中绝对速度的精确度范围。因为上地幔是地壳之源,所以上地幔和下地幔之间的边界一定是弱的化学边界。第三个热边界层(深度在2600—2900公里)的热系统及其不稳定性在地核的磁流体动力学方面尤其是对于地磁偶极子的极性改变以及对地磁场时间尺度的了解有非常重要的作用。     

弹性岩石层,区域重力异常和上地幔小尺度对流

在小尺度地幔对流模型的基础上,建立了顾及岩石层与地幔耦合的地幔对流模型,考虑到岩石层对上地幔小尺度对流的弹性响应,将上地幔视为一均匀的等粘滞系数的牛顿粘滞流体,其对注能量来源于下地幔,用热流体动力学基本方程得到地上地幔对流在壳幔边界处的垂向应力作为弹性板弯曲方程的垂直加载,来耦合弹性岩石层和可流动地幔,推导了两者耦合下区域重力异常和上地幔小尺度对流的相关方程,用以反演上地幔小尺度对流场模式和岩石层底部拖力场格局,对比了有,无弹性岩石层影响的模型之间的差异,并对模型应用范围,特别要板块边界水平均造力可能产生的影响,作了进一步探讨。     

上地幔密度异常驱动小尺度对流及实验模型

建立了由密度异常驱动上地幔小尺度对流的数学 物理模型, 发展了利用地震层析成像数据反演上地幔小尺度对流的基本理论和方法. 该模型建立在三维直角坐标系框架上, 假设地震层析成像所显示的地震波速度异常对应于上地幔物质密度异常, 而该密度异常反映了上地幔小尺度热对流系统的温度异常场. 模型首先将地震层析成像确定的地震波速度异常转换为密度异常, 并视其为对流的驱动力; 进而利用三维傅立叶变换, 在波数域内, 在给定的边界条件下, 求解控制流体行为的运动方程和连续性方程, 最后求得对流的流场. 为检验本研究提出的理论和方法的有效性, 本文使用了两个简单的实验模型: 热体和冷体模型; 俯冲断离( break off)板片模型, 计算了其驱动的地幔流场. 结果表明, 本文提供的理论和方法, 可以直接应用于与区域岩石层构造动力学相关的上地幔小尺度对流的研究.      

增厚大陆岩石层热边界层对流剥离的数值模拟

用数值模拟方法模拟了增厚大陆岩石层热边界层被对流地幔剥离并为软流层物质替代的动力学过程．结果表明,在初始温度分层分布、侧向均匀但存在微小热扰动的流场中,80km厚的增厚岩石层热边界层约需60Ma才能被完全剥离,剥离的速率微弱地依赖扰动的强度;在已建立好的流场中,同样厚度的增厚热边界层只需约10Ma就可被剥离．模拟结果暗示青藏高原地壳及岩石层在岩石层增厚和剥离以前就很热,其下伏地馒中可能已存在建立好的上地幔小尺度对流系统,而该尺度的对流系统很可能是由特提斯海洋岩石圈俯冲和消减诱发的     

非洲南部地壳与上地幔地震波速度与径向各向异性特征及其对克拉通岩石圈中部不连续面的启示

克拉通地区发育的岩石圈中部不连续面(Mid-Lithosphere Discontinuity, MLD)对于理解克拉通的形成与演化有着重要的意义.非洲南部的卡普瓦尔克拉通(Kaavpvaal craton)较为稳定,是研究MLD地震学特征及其成因机制的一个重点区域.本研究基于多个地震台网105个台站记录的700多个地震事件的面波波形,通过Rayleigh波和Love波成像,构建了非洲南部地壳与上地幔的三维剪切波速度与径向各向异性模型.研究结果表明,卡普瓦尔克拉通的地壳与上地幔呈现相对高速异常,其岩石圈与软流圈界面(LAB)出现在约220 km深.另外,我们在卡普瓦尔克拉通岩石圈内部约100 km深观测到一个速度突变面,可解释为MLD,并在MLD下方观测到低速层.而各向异性在上地幔的垂直方向上并未显示明显的区域性突变,似乎暗示MLD的地震各向异性特征更为复杂.结合前人的研究成果,我们推测卡普瓦尔克拉通MLD与上地幔低速层的成因可能与温度密切相关.而镁值成分异常或岩浆侵入则会局部的改变该克拉通(尤其是其北部)上地幔速度.针对MLD与上地幔低速成因的研究还需结合更多的地球物理数据和岩石实验...     

中国东部地区的壳-幔过渡带结构

莫霍面是地壳和上地幔的边界,但莫霍面并不是一个简单的"面",而是一个反映地壳和地幔物质交换、相互作用等动力学意义的"过渡带".本文综合深地震反射、宽角地震折射和高温高压岩石物理实验结果,确定壳-幔过渡带的地震P波速度变化范围为6.8~7.5 km·s^-1.在克拉通等构造活动稳定地区壳-幔过渡带内的速度梯度强且壳-幔过渡带厚度薄,而在造山带等构造活动区域壳-幔过渡带内的速度梯度弱且壳-幔过渡带厚.中国东部地区的壳-幔过渡带的平均厚度约为5~10 km,在四川盆地下方最薄（<5 km）,而在华北克拉通中部造山带下方的壳-幔过渡带最厚（~30 km）.综合地球化学结果,华北中部巨厚壳-幔过渡带主要是幔源岩浆的底侵作用和堆晶作用而形成.     

哀牢山-红河断裂带及其邻区的地壳上地幔结构

利用地震台站的到时资料, 通过体波地震成像技术重建了青藏高原东南缘和南海西北部大陆边缘地壳上地幔的速度结构, 揭示出哀牢山-红河断裂带及其邻近地区的构造差异. 在上地壳和中地壳深度内, 哀牢山-红河断裂带为高速异常, 反映出韧性剪切后变质岩带抬升和快速冷却的特征, 下地壳和Moho面附近为低速异常, 意味着壳-幔边界仍然处于相对活动的状态; 在上地幔顶部, 断裂西侧滇西地区大范围的低速异常证实了地幔深部热流对该地区火山、热泉、岩浆活动的影响, 而断裂东侧则具有扬子地块的稳定性质, 断裂东南部分上地幔深部的低速异常可能与南海扩张引起的地幔对流有关.     

华北及邻区地壳上地幔三维速度结构的地震走时层析成像

利用华北及邻区475个地震台站的区域地震走时资料,反演了该地区的地壳上地幔三维P波和S波速度结构。地震走时的计算用近似弯曲射线追踪方法,三维速度模型的反演用LSQR算法。用检测板方法对走时数据进行成像分辨率分析,结果表明反演模型在水平方向上以0.5°×0.5°的节点分布,垂直方向上以1km、10km、25km、42km、60km为节点作网格划分是合理的。研究区域内,秦岭—大别造山带两侧的华北块体与扬子块体有不同的速度异常特征：华北块体地壳速度结构复杂,而扬子块体则相对简单。华北块体地壳内存在较明显的低速异常,而扬子块体则正常或高速异常。自中新生代以来华北块体地壳经历挤压到伸展的强烈变形,而扬子块体相对稳定。华北块体的构造活动依然强烈,表现为频繁的地震活动。华北地块地壳速度结构的主要特征是：①主要构造带（如燕山构造带、太行山山前构造带、汾渭构造带、郯庐断裂带以及秦岭-大别构造带）位于地壳上地幔的低速或高低速过渡区内;②在唐山及附近地区25 km、42 km和60 km深处连续的低速异常,可能意味着上地幔热的物质上涌,到达上地壳的下部后停止上升过程。     

地球陨石坑地球物理探测研究进展

地球物理探测在研究和发现撞击构造方面发挥着重要作用.本文综述了地球陨石坑的重、磁、电、震等常见地球物理特征.陨石坑最明显的地球物理特征是圆形或环形的负重力异常，其主要原因是岩石破裂和角砾化导致岩石密度降低；具有较低的磁异常，细节特征复杂，其主要原因是撞击熔融降低了陨石坑内部岩石的磁化率，陨石撞击后的改造则造成了复杂的细节特征；简单陨石坑具有较高的电导率，复杂陨石坑具有从中央隆起向周缘升高的电导率，其受控于岩石的破碎程度和上覆沉积层的含水量，破碎程度、含水量越高电导率越高；具有低的地震波速，主要原因是破碎的角砾岩和断裂具有相对原岩更低的波速.此外，地震反射波探测发现陨石坑撞击构造有明显凹形特征.国际上已开展了大量陨石坑的地球物理探测研究，而我国现有被发现且证实的陨石坑不仅数量稀少，其相关的地球物理探测研究更是不多见.通过对国内外陨石坑的常见地球物理特征开展综述和总结，不仅可为我国发现更多潜在的陨石坑提供科学参考和依据，同时也为公众认识和了解撞击构造提供可靠的科普素材，进而有效拓展地球陨石坑的科研和人文价值.     

华南陆缘高热流区的壳幔温度结构与动力学背景

华南陆缘是我国重要的矿产、地热资源区.晚中生代以来,在太平洋板块西向俯冲,地幔热对流活动共同作用下,该区出现多期岩浆-热事件和大规模爆发式成矿作用.在前人研究基础上,本文利用地表热流观测资料、地震剪切波资料、重力位球谐系数,计算了壳-幔温度结构,分析了动力学背景.计算结果表明：华南陆缘东南沿海地带,地壳10 km以浅温度达200℃以上,居里点温度475℃,莫霍面平均温度550℃.地壳浅层较热,花岗岩中放射性元素衰变放热是地壳浅层地下水热活动的重要热源,但地壳总体温度不高,为"冷壳热幔"型热结构.地幔中,90 km深度,温度950~1250℃;120 km深度,温度1050~1400℃;150 km深度,温度1200~1450℃;220 km深度,温度1500~1700℃."热"岩石圈底界深度在110~150 km之间,西深东浅.岩石圈内,地幔应力场为挤压-伸展相间格局;岩石圈之下,地幔应力场为一个以南昌为中心、长轴NE-SW向的椭圆.分析认为,晚中生代以来,太平洋板块的西向俯冲,导致华南陆缘在区域性SE向地幔对流背景上叠加局域性不稳定热扰动,在175~85Ma期间,上地幔物质向上流动,形成不同的岩浆活动高峰期.同时,岩石圈地幔受俯冲洋壳流体的影响,含水量高,黏度小,在地幔流切向应力场作用下,岩石圈底界由西向东"波浪"状减薄.现今岩石圈之下仍具备地幔小尺度热对流温度条件,但除地表浅层外,地壳整体温度不高,岩石圈构造稳定.