全球下地幔波速异常结构综述

下地幔体积占地球总体积50%以上,对地球的演化具有重要的影响.早期研究认为下地幔的组分比较均一,但1970年代以来,地震层析成像揭示了地球的深部速度结构,发现下地幔存在很多复杂的波速异常区.进入21世纪以后,台阵数据的积累和计算机技术的进步使我们能够进一步约束这些下地幔波速异常区的空间范围和波速结构,由于这些异常结构通常与俯冲板片和地幔柱等有紧密的联系,了解这些波速异常体的精细结构对于古板块的重建和地幔动力学有重要的意义.本文重点总结了近30年以来利用地震数据研究下地幔异常体的方法和结果,详细地描述了不同类型的波速异常区在全球范围内的分布情况及其特征,并逐一分析了不同类型波速异常构造体的成因.下地幔LLSVP主要有两个,分别是非洲LLSVP和太平洋LLSVP,它们在横向上可扩展至数千千米,垂直方向上从核幔边界的高度超过1000 km.现在观测结果发现LLSVP边界处的速度突变较大,主流的观点认为含有成分异常的热化学作用形成了LLSVP.ULVZ位于下地幔底部,其横向扩展大部分小于1000 km,但部分ULVZ的范围可以超过1000 km,高度仅为十几到几十千米,相应的S波速度异常可达−40%~−20%.一般认为ULVZ的形成与地幔底部的部分熔融有关,而成分异常促进了部分熔融的发生.D"速度不连续面在很多地区也非常明显,特别是存在俯冲板块的地区,可能由于俯冲板块降低了核幔边界处的温度,使得pPv能够稳定存在,从而形成了稳定的D"速度不连续面.除了波速异常之外,下地幔波速的各向异性也是值得关注的重点之一,因为各向异性直接反映了地幔流动状态.现有研究结果表明,下地幔这几种主要的波速异常结构(LLSVP、ULVZ、D"间断面、各向异性)在空间分布上密切相关,这些异常体可能与俯冲板片有关,其周围地幔温度和化学成分的差异可能是产生这些异常体的重要因素.最后,本文还总结了中国地区的下地幔波速结构的结果,展望了我国未来在地幔波速异常和各向异性研究的方向.

青藏高原东南缘地壳结构与变形机制研究进展

新生代青藏高原的隆升改变了整个亚洲的构造格局,对气候、环境均产生了重要的影响,但高原的隆升扩展机制众说纷纭.青藏高原东南缘作为扩展前缘,其构造演化对了解整个高原的扩展机制具有重要的意义.本文总结了近年来对青藏高原东南缘地壳结构研究的最新进展,特别是2011年中国地震科学探测台阵计划开展以来,利用密集地震台阵取得的新成果,探讨了青藏高原东南缘地壳的结构与变形机制.这些研究发现青藏高原的地壳由高原向外围减薄,但在高原边界断裂附近存在地壳厚度突变带;下地壳中存在两个独立的低速异常,一个位于松潘—甘孜块体下方,被高原的边界断裂所围限,另一个位于小江断裂带下方,呈NE-SW向展布.我们认为青藏高原东南缘下地壳物质被边界(丽江—小金河)断裂所围限,并没有继续向边缘流出,但是地壳挤出产生的应力作用继续向东南方向传递,造成了小江断裂带附近的地壳变形.

贝加尔裂谷带中部的新构造特征及其成因分析

位于贝加尔裂谷带中部的滨奥里洪地区主要包括3个大地构造单元:西部滨海山脉、滨奥里洪高原和小海地堑。笔者着重对该地区中新世以来的新构造活动特征,特别是对第四纪夷平面的变化、断层的发育、河流的变迁、河流阶地的发育等进行了研究,表明该地区在中新世以来具有强烈的拉张运动与升降运动特征,是贝加尔裂谷带新构造运动表现最强烈的地区。新生代贝加尔裂谷带的发育受印度板块—欧亚板块碰撞、西太平洋俯冲引起弧后扩张作用的影响;中部滨奥里洪地区受到NW-SE向拉张作用,发育了强烈的新构造。

地震体波速度与各向异性层析成像研究进展

地震层析成像被称为地球CT,是利用地震观测资料反演获得地球深部的结构.利用体波走时反演速度结构是最稳定、最重要的层析成像方法,成功地揭示了地球的深部结构,推动了地球科学的发展.近年来,随着地震数据的快速积累与计算机能力的大幅度提升,地震体波成像的理论与应用均取得了显著的进步,在揭示地球内部的物质循环与动力学、大地震的孕震与发震构造等领域均发挥了重要的作用.本文总结了21世纪以来地震体波成像的新方法和取得的重要进展,特别详细描述了各向异性层析成像的原理和方法.结合东亚、东南亚地区的研究,本文总结了地震层析成像在揭示俯冲板片的形态、结构的应用,发现东亚地区俯冲太平洋板片大规模滞留在地幔转换带中,但在东南亚大量的俯冲印度—澳大利亚板片直接穿过转换带进入下地幔;地震波各向异性进一步约束了俯冲板片及其上覆地幔的变形特征,东亚地区存在强烈的大地幔楔对流,东南亚的上地幔对流相对复杂,并可能受到青藏高原演化的影响.在大地震构造区,地震层析成像揭示了明显的速度和结构异常,陆内大地震的震源附近常常发现低速异常,可能指示了流体对大地震的重要影响;在板块边界,发生在俯冲带逆冲断层面的板间大地震与高速异常的分布密切相关,各向异性反映了断层面的应力状态,可以用来研究逆冲断层面的地震构造.最后,本文探讨了地震体波层析成像存在的问题,展望了该方法如何在地球内部结构演化与动力学领域进一步发挥更大、更重要的作用.

华南壳幔结构与动力学的宽频地震观测研究

了解华南各岩石圈块体壳幔结构和各向异性方面的差异是揭示华南深部构造演化的基础。本文利用布设于华南的两条宽频地震测线观测数据，采用多种地震学方法对华南的地壳上地幔结构和各向异性进行了研究。接收函数结果表明，华南地区地壳厚度和岩石圈厚度都较薄，地壳厚度自东南沿海向西北内陆增厚，扬子克拉通的泊松比（波速比）低于华夏块体，表明扬子克拉通地壳较华夏块体更偏长英质。约北纬29°以北的扬子克拉通地幔转换带厚度明显增厚，可能是由地幔转换带底部停滞的冷的古太平洋板片或中生代克拉通碰撞残留造成的。层析成像结果显示华南上地幔具有很强的横向差异性，上地幔中的强烈低速异常体可能对应了晚中生代发生广泛岩浆作用时的岩浆房和岩浆通道。台湾下方的上地幔存在南北横向差异明显的高速异常，分别对应台湾南部向东俯冲的欧亚板块及台湾北部向北俯冲的菲律宾海板块。俯冲的欧亚板块在台湾南部是连续的，而在台湾中北部，由于与菲律宾海板块的相互作用，俯冲的欧亚板块被折断。剪切波分裂结果显示，以江绍断裂为界，华夏块体与扬子克拉通的岩石圈地幔各向异性存在明显的横向变化，表明两者的构造演化过程有显著差异。

青藏高原东北缘瑞利面波成像:射线理论与程函方程结果的比较

青藏高原东北缘是青藏高原隆升的前缘地带,其构造变形特征一直是研究的热点。前人在该区域进行过面波成像研究,但不同结果存在较明显的差异,可能与不同成像方法的分辨率有关,此次研究分别使用基于射线的方法和基于程函方程的方法进行了瑞利波相速度成像。笔者对比了20 s、30 s和60 s的成像结果,两种方法的结果表现出相似的速度特征。总体的速度特征与研究区域的主要构造单元分布相吻合,青藏高原东北缘表现出低速异常,鄂尔多斯块体表现出高速异常。在银川河套地堑,基于程函方程的成像在20 s和30 s得到更明显的低速异常,低速异常体的分布与地堑的轮廓吻合更好,说明基于程函方程的方法对数据利用更充分。

利用接收函数方法研究青藏高原东南部地壳结构

青藏高原东南部作为板块碰撞的前缘地带一直是地球科学研究的热点,为了揭示碰撞前缘地带地壳结构特征,作者利用布设在中国青藏高原东南部的38个宽频带流动台站记录的2487条远震P波接收函数,采用接收函数CCP叠加(共转换点叠加)和H-κ叠加两种方法获得了研究区域详细的地壳厚度图像和泊松比值。研究结果显示:两种方法获得的地壳厚度特征具有较好的一致性;青藏高原东南部地壳厚度存在明显的东西差异和南北差异;喜马拉雅构造区内莫霍面深度变化较大,介于65～80 km之间;拉萨地体内莫霍面深度介于72～80 km之间;雅鲁藏布缝合带两侧地壳厚度突变,缝合带北侧和南侧地壳厚度相差约8 km。研究区域平均泊松比值较小,为0.24,和大多数造山带泊松比偏低的特征类似。研究区域中下地壳广泛存在强转换界面,该界面可能对应中下地壳高速层的上界面,埋深40～70 km,表明壳内发生深熔或部分熔融作用,导致壳内发生重力分异,在中下地壳形成了高速薄层。

古太平洋板块的遗迹和残片——地球化学和地球物理学示踪

古太平洋板块在中生代时期的俯冲-回卷是中国东部大陆边缘形成和演化的关键引擎,分别导致东北大陆地壳侧向造山增生、华北克拉通岩石圈破坏和华南陆块巨量长英质岩石形成,对东亚陆缘的深部物质循环过程与表生环境系统演变产生了深远影响.要深入全面地理解古太平洋板块俯冲-回卷作用的方式、深部过程及其动力学机制转变,其中一个关键是古太平洋板片的深部残留或俯冲遗迹示踪.本文通过综合分析,力图从地球化学和地球物理学两条途径,在时间和空间两个维度,追踪古太平洋板片的深部残留或俯冲遗迹.研究表明:(1)通过对中国东部大陆玄武岩的微量元素、Mg-Zn同位素、Os-Nd-Hf-Pb-O多元同位素等地球化学示踪,揭示出大量的古太平洋板片俯冲遗迹,板块俯冲年龄可追溯到早侏罗世.(2)大尺度地球物理成像发现,东亚地区下地幔存在不少高速异常体,在下地幔底部存在“板块坟墓”,下地幔中上部也存在许多孤立的高速异常体,构成了残留俯冲板片在下地幔散落的路径;但对下地幔残留俯冲板片的分辨率很低,它对下地幔动力学的影响还有待进一步揭示.(3)现今观察到的东亚大地幔楔属于太平洋板块在新生代时期俯冲的产物,但是古太平洋板块俯冲自~145Ma开始回卷后撤以后,有可能在地幔过渡带之上形成白垩纪东亚大地幔楔体系.东亚陆缘不同区块的构造-岩浆作用、成盆成藏过程等差异明显,可能受古太平洋板片回卷后撤的速度和角度差异所制约.

青藏高原东南缘远震S波分裂:对地壳上地幔复杂变形的启示

利用位于青藏高原东南缘云南地区的中国地震科学探测台站（C h in A ra y ）一期3 0 0 多个宽频带流动台站记录到的X K S 波形（包括SKS，S K K S， PKS）进行了 S 波分裂分析.X K S 分裂结果最主要的特征是快波偏振方向（φ） 在26-27°N 附近,从北部的近N -S 向突变为南部的近E-W 向.研究区西部喜马拉雅东构造结附近的结果较好地反映了岩石层左旋剪切变形下发育的各向异性.26°N 以南地区,快波分裂方向以E-W 向为主,与中上地壳最大张应力的方向一致,表明云南地区整个岩石层都可能处于纯剪切变形环境.但是该区岩石层厚度不足80k m ,产生的X K S 分裂快慢波时差（〈0.7s）仅能解释部分观测值（0.9-1.5s） .因此,软流层中的各向异性对于该地区的S 波分裂结果（快波偏振方向为N W -S E 和近E-W 向）可能产生了重要的作用.一方面,N W - S E 向快波偏振方向可能反映了缅甸块体的俯冲及其随后撤退引起的上地幔流动造成的各向异性.另一方面,伴随着高原构造演化发生的从青藏高原向中国东部的软流层物质流动,以及由于绝对板块运动造成的软流层顶部的剪切作用,将产生快波方向为近E-W 向的各向异性.本研究结果为研究青藏高原东南缘不同深度的变形特征及其差异提供了重要的信息,尤其在研究青藏高原的构造抬升及其向东南缘的扩展方面产生了新的认识.