喜马拉雅和青藏高原深剖面研究的进展

概述了1992─1996年中、美、德合作开展“喜马拉雅和青藏高原深剖面及综合研究”的主要进展，包括研究项目的提出、工作进展概况和取得的主要科学、技术成果；并对今后的工作提出了建议．

黄土塬区土地利用变化对深剖面土壤水分的影响

在长武塬区的6个地点分别采集农地、10年果园和20年果园10 m深剖面的土样,通过测定和分析不同样地的土壤水分,定量揭示其对土地利用变化的响应。结果表明：农地和10年果园土壤水分具有相似的垂向分布,随深度增加土壤水分含量增大,而20年果园随深度增加呈减小趋势,但6 m以下3种样地土壤水分随深度增加基本不发生变化;农地、10年和20年果园在0-6 m、6-10 m和0-10 m土层平均土壤水分含量分别为17.8%、17.5%和15.8%,20.4%、20.6%和14.8%,18.8%、18.7%和15.4%,与农地相比,20年果园0-6m、6-10m和0-10 m土层减少的土壤水分分别占农地的11%、27%和18%;农地6-10 m土壤储水量为1 063 mm,而转化为果园后随果龄增大而减小,其中10年果园无明显差异,但20年果园减少了291 mm,在该土层形成稳定的低湿层。20年果园6 m以下稳定的低湿层可能减少水分的深层渗漏进而降低地下水补给量,伴随着大面积的农地转化为人工林草,可能会对区域水循环造成影响。

黄土区深剖面苹果树根系与土壤水分特征及其相互作用

为实现黄土区深层土壤水的合理开发利用,需探明土地利用变化下深剖面根系和土壤水分特征及其相互作用。以农地(F)为对照,分析5、8、11、15、18、22、26 a共7个种植年限(分别以A5、A8、A11、A15、A18、A22、A26表示)下苹果树地10 m深剖面根系和土壤水分特征。结果表明:农地、<10 a和>10 a苹果树0~10 m深剖面细根根长密度(FRLD)累积分数(Y)为0.50和0.95的分布深度(D_(50)和D_(95))分别为20 cm和160 cm、80 cm和610 cm、512 cm和884 cm;根系分布消光系数(β)均值分别为0.962、0.995和0.998。农地转为苹果树地后,0~10 m深剖面土壤含水量(SWC)和土壤储水量(SWS)均随种植年限增加而逐渐降低,而土壤水分亏缺程度(SWCD)和果树耗水深度则逐渐增加。D_(50)和SWC/SWS在0~10 m土层呈负相关关系(R^(2)=0.6),和SWCD呈正相关关系(R^(2)=0.3)。FRLD和Y分别适用于表征浅根植被和深根植被下土壤水分状况。农地0~3 m土层的FRLD可以解释70%~80%的SWC和SWS变异;而≥15 a苹果树地0~10 m土层的Y仅可解释30%的SWCD变异。研究结果可为水资源有限且非饱和带深厚的干旱半干旱地区的苹果树灌溉策略制定和根系吸水模拟的参数化过程提供参考。

珠三角鼎湖—高明—金湾深地震测深剖面地壳构造与速度结构特征分析

为研究珠江三角洲及近海区域深部地壳结构,广东省地震局联合多家单位于2015年在珠江口区域实施了大规模三维人工地震测深实验.本文利用珠江口西侧NW向鼎湖—高明—金湾L1测线数据进行处理、解释,采用地震射线走时正演构建了该剖面二维速度模型.结果表明:沿剖面莫霍面深度从NW向SE,从30.0 km逐渐抬升到28.0 km,鼎湖至高明间存在莫霍面隆起;中地壳低速层非均匀连续,NW一侧速度低于SE一侧,且莫霍面隆起区之上为最显著的低速异常区域,中心最低速度为6.05 km·s-1;吴川—四会断裂、广州—恩平断裂可能为深部物质上涌的主要通道之一,两条断裂所围限的从珠江口西侧的鼎湖、高明往北东延伸到珠江口东侧的清远、从化区域为可能的连续莫霍面隆起区.

中朝克拉通东部上地幔精细圈层结构:来自朝鲜核爆源深地震测深剖面的约束

晚中生代以来,中朝克拉通经历了一系列强烈构造和岩浆事件,岩石圈性质发生显著变化.为此,中朝克拉通“破坏”一词被提出,但破坏形态主要来自地表地质、地球化学、地壳结构和上地幔较大尺度的地震学成像等的约束.因较大能量的人工震源方法较难在人口密集的华北地区实施,基于深地震测深剖面对整个上地幔精细圈层结构的探究仍限于较少地区.为此,我们根据中国地震台网和部分流动台站记录的2017年9月3日朝鲜地下核试验地震数据,利用宽角反射/折射成像方法,揭示了中朝克拉通东部及邻区5个不同方位剖面的高垂向分辨率一维地壳和上地幔P波速度结构.结果显示,中朝克拉通东部及周边地区平均地壳厚度为29~30 km,全地壳平均速度在6.10~6.17 km·s^(-1)之间,远低于全球大陆地壳平均值,表明该区下地壳很薄甚至缺失,且在地壳底部可能存在因局部拆沉而形成的强水平各向异性.该区80 km左右深度可观测岩石圈正速度梯度内部间断面,推测其可能是由尖晶石到石榴石相变引起.在约220 km深度,我们探测到通常存在于稳定克拉通下方的Lehmann间断面,揭示中朝克拉通东部还部分保留类似稳定克拉通的圈层结构.介于80 km间断面和Lehmann间断面之间的上地幔P波速度较全球IASP91模型明显偏低,且上地幔震相(Pn、PL和P410)到时介于稳定克拉通区域和活动构造区域之间,表明中朝克拉通东部及邻区上地幔整体处于“冷”至“热”的过渡状态.

闾阳-康平-梨树深地震测深剖面野外资料数字化的设计与实现

通过分析闾阳 康平 梨树深地震测深剖面的观测设计、观测结果以及仪器系统特点 ,根据项目研究目的及要求 ,对该剖面的模拟记录进行了数字化设计与实现 ,以满足用新方法对资料的进一步处理运算 。

陕北黄土区深剖面不同土地利用方式下土壤水分和温度的分布特征

研究不同土地利用方式对深剖面土壤水分和温度时空动态的影响,揭示不同植被覆盖对区域水热资源的调控效应,可为优化土地管理和植被恢复提供理论依据。本研究以黄土高原北部六道沟流域不同土地利用方式为研究对象,于2022年对0~1000 cm土层土壤含水量和温度进行动态监测,分析4种土地利用方式下(林地、草地、农地和荒草地)土壤水分和温度的时间变化规律和垂直剖面分布特征。结果表明:研究区不同土地利用方式之间的土壤水分和温度分布特征差异显著。2022年生长季(4—10月),4种土地利用方式0~1000 cm土层土壤总储水量由高到低依次为:大豆农地(1393 mm)、荒草地(1374 mm)、柠条林地(1218 mm)和苜蓿草地(557 mm)。柠条林地和大豆农地在0~300 cm、荒草地在0~500 cm、苜蓿草地在0~200 cm土壤水分变化较大,深层土壤水分均变化较小。土地利用方式对土壤温度的影响主要表现在0~200cm土层,最深可达300 cm。2022年4种土地利用方式的降水入渗补充深度在200 cm之内。柠条林地和苜蓿草地的土壤水分消耗深度均为200 cm,大豆农地和荒草地的土壤水分消耗深度为100 cm。植被变化显著影响了土壤深剖面水热过程。

深地震反射剖面揭示沧县隆起和黄骅坳陷及邻区的地壳精细结构和构造特征

为研究华北盆地的地壳精细结构和断裂的深、浅构造关系,跨冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷和埕宁隆起完成了1条长约200km的深地震反射剖面和1条长66km的中-浅层地震反射剖面。结果表明,沿剖面地壳厚30~35km,且具有东薄西厚的分布特征,在冀中坳陷下方,莫霍面出现明显上隆,其隆起幅度为2~3km。研究区上地壳反射结构具有凹隆相间的展布特征,多条规模较大的断裂隐伏于华北盆地之下,对该区隆起和坳陷的形成与发展具有重要的控制作用。剖面上一系列与主断裂同向或反向的次级断裂将研究区的上地壳切割为多个次级小型地堑或半地堑断陷,导致整个华北盆地的上地壳结构复杂化。下地壳反射结构由一系列反射能量变化较大、横向上不能稳定成层、产状复杂多变的反射事件构成,这与反射能量强、横向连续性好及产状近水平展布的上地壳反射明显不同,暗示研究区上、下地壳物质有着明显不同的形成环境、变形方式和温压条件。中-浅层地震剖面和深地震反射剖面共同揭示的太行山山前断裂表现为一条低角度的大型铲形正断层,向下可与太行山东缘向E缓倾的大型滑脱构造(拆离断层)相联系;沧西断裂、沧东断裂和埕西断裂作为沧县隆起、黄骅坳陷、埕宁隆起的边界断裂,控制了该区堑、垒构造的形成与发展,是第四纪以来的隐伏活动断裂,推测其深部终止于深约18km的壳内解耦面上。文中研究结果可为进一步理解华北盆地的深部动力学过程及分析研究区深、浅断裂构造关系提供地震学依据。

HYDRUS-1D模型模拟渭北旱塬深剖面土壤水分的适用性

黄土高原生态恢复过程中,深剖面土壤水分平衡状况发生了重要变化,但传统观测方法难以量化深层渗漏等水文变量,需要借助模型进行分析.本研究利用HYDRUS-1D模型,模拟渭北旱塬长武塬农地和苹果园10 m深剖面土壤水分的垂直分布和时间变化,评价模型的适用性.基于2011年9月—2013年10月观测的土壤水分数据,通过优化土壤水力参数,模拟深剖面土壤水分空间和时间的离散化过程.结果表明:校准期和验证期,HYDRUS-1D模型的决定系数在0.65～0.85、模型效率系数在0.55～0.83、土壤水分的均方根误差在0.01～0.02cm^3·cm^(-3).实测与模拟土壤水分的剖面分布和时间变化状况具有很好的一致性,表明HYDRUS-1D可以用于模拟渭北旱塬深剖面的土壤水文状况.

深地震反射剖面揭示的海原断裂带深部几何形态与地壳形变

由于活动的青藏高原不断的隆升和推挤作用,在西南向东北的推挤作用和周缘块体的阻挡以及东北缘内部块体挤压形变的作用下,形成了多个走向不同的青藏高原东北缘构造体系.新生代构造变形和地震活动强烈,区内分布多条大型深断裂带.海原断裂是青藏高原东北缘发育的弧形活动断裂带中规模最大、活动最为强烈的一条左旋走滑型断裂带,是重要的大地构造区边界,也是控制现今强震活动的活断层.本文利用2009年完成的高分辨率深地震反射剖面的北段资料,对其进行初步构造解释,揭示出海原断裂带的深部几何形态和其两侧地壳上地幔细结构.结果显示海原断裂并不是简单的陡立或者较缓,其几何形态随着深度变化.在海原断裂之下的Moho并未错断的反射特征显示海原断裂并不是直接错断莫霍面的超壳断裂.海原断裂带及两侧岩石圈结构和构造样式的研究为探讨青藏高原东北缘岩石圈变形机制提供地震学依据.

深地震反射剖面揭示的天山北缘乌鲁木齐坳陷地壳结构和构造

已有活动构造研究结果表明，天山北缘具有典型的大陆内部活动构造特征，表现为多排平行山体的背斜和逆断裂.为了研究乌鲁木齐坳陷区的地壳细结构、主要断裂展布和深、浅构造关系，2004年底，在乌鲁木齐西部的天山与准噶尔盆地之间的过渡带上，完成了一条近SN向的长度为78 km的深地震反射探测剖面.结果表明，该区地壳以双程走时9-10.5 s左右的强反射带为界分为上地壳和下地壳，上地壳厚约26-28 km，下地壳厚约23-25 km.双程走时5 s以上，反射层位丰富，构造形态清晰，且在剖面横向上具有明显不同的构造特征；在西山以南的区域，为一系列近东西向展布、南北向排列的逆冲背斜构造和一组自南向北逆冲的断裂，它们在深部均受到滑脱带的控制；在西山和王家沟一带，为一套向北陡倾的反射层系和一组沿层间滑动的断裂；剖面北部显示出了典型的沉积盆地图像，沉积盆地最深处约为10-12 km.双程走时6-9 s之间，为一些延续长度较短、反射能量较弱、且无规律可寻的凌乱反射，表明这部分地壳结构具有明显的“反射透明”性.Moho过渡带出现的时间位于双程走时14-17 s，对应壳幔过渡带厚度约为9-10 km.本区Moho面自北向南逐渐加深，剖面北部其深度约为50-52 km，在靠近北天山附近，其深度约为54-55 km.在剖面中部的西山附近，上、下地壳分界面反射和Moho过渡带反射变得模糊，且浅部地层还出现隆起和褶皱，推测与准噶尔盆地和天山的挤压过程有关.

松潘地块与西秦岭造山带下地壳的性质和关系——深地震反射剖面的揭露

松潘地块位于青藏高原的东缘,处于中国大陆东西向构造与南北向构造的结合部位,特殊的构造环境使其长期控制并影响着中国大陆的形成与演化。探测松潘地块的岩石圈细结构,揭示其与东昆仑-西秦岭造山带的关系,既可为研究青藏高原东北缘板块碰撞的深部过程奠定基础,同时又关联着松潘地块的油气远景评价。2004年完成了第一条横过松潘地块北缘若尔盖盆地和西秦岭造山带的长约257km的深地震反射剖面,首次揭露出若尔盖盆地和西秦岭造山带岩石圈的细结构,发现若尔盖盆地和西秦岭造山带同属统一的稳定的大陆地块,并且下地壳均以北倾的强反射为主要特征。这种北倾的反射为松潘地块向西秦岭下地壳俯冲提供了地震学证据。近于平坦的Moho反射特征反映出西秦岭造山带在造山后又经历了强烈的伸展作用。

唐山地震区地壳结构和构造:深地震反射剖面结果

1976年7月28日,在唐山地区发生了7.8级大地震。为了研究该区的地壳结构和断裂的深浅构造关系,2009年,我们在唐山市南部的丰南地区,跨唐山断裂带完成了1条道间距40m、炮间距200m、50次覆盖的深地震反射探测剖面。结果表明:研究区的地壳厚度为32～34km,莫霍面自东向西逐渐加深,在丰南县和宣庄镇之间,中-下地壳反射和壳幔过渡带反射均被唐山深断裂错开,断裂两侧的莫霍面发生错断,显示出唐山深断裂的走滑作用。反射剖面揭示的唐山断裂带是一条规模较大的陆内走滑断裂,浅部表现为典型的花状构造,在深部切割和扰动了下地壳物质和壳幔过渡带。这种深、浅共存的断裂构造体系是控制该区地震孕育和发生的重要因素,也是唐山地震区的深、浅构造背景。

松潘地块若尔盖盆地与西秦岭造山带岩石圈尺度的构造关系—深地震反射剖面探测成果

若尔盖盆地和西秦岭造山带作为青藏高原东北缘典型的新生代盆山构造,其接合部位的岩石圈结构及其深部构造关系为青藏高原东北缘板块碰撞的深部过程等研究奠定基础。横过盆山结合部位的深地震反射剖面长约63km,记录时间30s(TWT),探测深度超过莫霍面深达岩石圈地幔。该剖面首次揭露出青藏高原东北缘的盆山结合部位地壳和上地幔盖层的结构,发现了若尔盖盆地和西秦岭造山带下地壳以北倾为主的强反射特征,这种北倾的反射特征提供了若尔盖盆地俯冲到西秦岭造山带之下,而西秦岭造山带逆冲推覆到若尔盖盆地之上的地震学证据,初步揭示出若尔盖盆地和西秦岭造山带在挤压构造体系下形成的岩石圈尺度的构造关系,近于平坦的Moho反射特征反映两者在造山后期又经历了强烈的伸展作用。

青藏高原东北缘岩石圈缩短变形——深地震反射剖面再处理提供的证据

青藏高原是由印度板块和亚洲板块于50～60Ma碰撞而形成的全球最高最大的高原,已成为多数国内外学者的共识。然而,关于它的岩石圈变形机制却是长期争论的问题。深地震反射剖面是精细揭示岩石圈结构、分辨变形样式的有效技术。重新处理的松潘地块-西秦岭造山带深地震反射剖面揭示出岩石圈变形的细节,以地壳上部的双重逆冲构造、地壳中部一系列近水平拆离断层的叠置和地壳下部莫霍面的重叠为主要特征,展现出青藏高原东北缘岩石圈变形以缩短变形为主要机制。横向上上千公里展布的大规模左旋走滑的昆仑断层,自地表向下陡倾延伸到地壳中部的叠瓦状逆冲构造之上,在埋深约35km处被近水平的拆离层所截断。本次研究建立的岩石圈垂向构造图也展现出西秦岭造山带与若尔盖盆地岩石圈尺度的构造关系。

庐-枞金属矿集区深地震反射剖面解释结果——揭露地壳精细结构,追踪成矿深部过程

深地震反射剖面揭示了庐枞矿集区全地壳的精细结构,在研究火山岩盆地的深部构造、探讨成矿深部过程等方面取得了新认识。从长江至大别山下,Moho由30km左右加深至33km左右,罗河矿下方Moho错断大约3km。庐枞火山岩盆地是一个沿着罗河断裂向东发育的"耳状"非对称盆地,并不存在另外一半隐伏在红层之下的盆地。罗河铁矿对应Moho错断处,处在构造的转换带上。罗河断裂之下存在近于透明的弱反射区域,可能是地幔流体和岩浆上涌、喷发的通道。郯庐断裂、罗河-缺口断裂、长江断裂是庐枞地区的三个重要断裂。郯庐断裂带为不对称花束状构造,近于直立,切穿地壳。小岭矿与龙桥矿可能产出在一个隆起的火成岩体的两翼。

佳木斯地块与松嫩地块俯冲碰撞的深反射地震剖面证据

佳木斯地块和松嫩地块是东北地区两个十分重要的地质构造单元,由于二者之间发育一套含有蓝片岩的俯冲增生杂岩-黑龙江杂岩（原称黑龙江群）,其地质构造意义长期为人们所关注.巴彦—桦南深反射地震剖面揭示,佳木斯地块与松嫩地块之间存在明显向西俯冲的深反射信息,以壳内和幔内向西倾伏的楔状反射区为特征.壳内楔状反射区东与浅表层出露的黑龙江杂岩相连,向西倾伏延深至莫霍面,是俯冲增生杂岩在地壳深部的反映;幔内楔状反射区东起小兴安岭之下的莫霍面,向西倾伏延深至松辽盆地东缘,尖灭深度约78km,与多种方法得出的该区现今的岩石圈厚度（75~80km）基本一致.这一证据充分说明佳木斯地块的岩石圈地幔向西俯冲到松嫩地块岩石圈地幔之下.

北京地区地壳精细结构的深地震反射剖面探测研究

长度100 km、NW向穿过三河-平谷8.0级地震区和北京地区主要断裂构造的深地震反射剖面,揭示了该区地壳精细结构图像和断裂的深浅构造特征.结果表明,该区地壳以TWT6-7 s左右的强反射带为界分为上地壳和下地壳,上地壳厚约18-21 km,下地壳厚约13-1 5 km.剖面TWT3-4s以上,反射层位丰富,构造形态清晰,且在剖面上具有明显不同的构造特征;在三河平谷地震区以西,剖面揭示了2-3组反射能量较强的反射震相和一系列错断基底面的断裂,在三河-平谷地震区以东,为一套自东向西倾伏的密集强反射层,这套反射具有典型的沉积盆地特征,盆地最深处约为8-9 km.剖面揭示的地壳深断裂倾角陡直,该断裂切割、扰动了下地壳物质和壳幔过渡带,向上延伸至上地壳,将地壳深部构造与浅部断裂联系在一起,构成了该区最主要的深浅构造特征.