华北克拉通东部地壳和上地幔结构的接收函数研究

利用北京大学和早期中国科学院地质与地球物理研究所在华北克拉通东部地区布设的共34台宽频带地震仪记录的远震体波资料,获取P波接收函数和S波接收函数,再分别通过偏移成像和共转换点叠加(CCP)和倾斜叠加得到了华北克拉通东部横跨郯庐断裂带地区沿剖面的地壳和上地幔速度间断面分布.研究结果表明,鲁西隆起下方的莫霍面的深度要比华北盆地和青岛地区浅约5km,形成类似屋顶状的莫霍面隆起.郯庐断裂带和聊考断裂带下方的莫霍面有明显的错断.岩石圈与软流圈的分界面(以下简称LAB)的深度从太行山山前的约100km深度上升到鲁西隆起下方约60km深,向东在青岛地区下方LAB深度进一步变浅.我们利用倾斜叠加计算台站下方波速比得到地壳内的泊松比变化,结果显示鲁西隆起泊松比值分布相对均匀,而青岛地区内泊松比变化剧烈,可能反应了该地区作为苏鲁大别超高压变质带的北缘经历了较为复杂的地质演化过程.

青藏高原中部地壳和上地幔各向异性分析

对布设于青藏高原中部INDEPTH-Ⅲ宽频带数字地震台阵的41个台站记录的远震体波资料所提取出的P波接收函数和SKS波形资料做偏振分析,并采用以误差为权的叠加分析方法求得每一个台站的Pms和SKS快波偏振方向和快慢波的时间延迟,获得了从拉萨块体中部,经喀喇昆仑嘉黎断裂系和班公湖—怒江缝合带,到羌塘块体中部的地壳和岩石圈地幔的地震波各向异性图像.从各向异性分析结果可以看到:Pms快慢波的时间延迟为0.3～0.5 s,在拉萨块体,快波方向主要为NE-SW向,在羌塘块体,快波方向为近E-W向.SKS快慢波的时间延迟为1～2 s,主要分布在拉萨块体的北端和羌塘块体,并且向靠近班公湖怒江缝合带和昆仑—嘉黎断裂带的方向时差增大,快波方向基本与Pms快波方向一致.在喀喇昆仑—嘉黎断裂带以南的拉萨块体中部没有测量到明显的SKS分裂,这可能与该区存在双层快轴方向近垂直的各向异性层有关.结合研究区已有的研究成果可以推测:拉萨块体地壳各向异性层的快轴方向与印度—欧亚板块汇聚方向一致,可能与地壳较强刚性有关,其在板块汇聚过程中不易发生流展变形;而羌塘块体地壳和岩石圈中各向异性层的快轴方向与青藏高原物质逃逸方向一致,表明这一块体流变性均较强,在板块汇聚挤压力的作用下发生了侧向流变变形.

利用面波波形模拟探测中国大陆地壳和上地幔波速结构的分区特征

对穿过中国大陆东部、中部、北部和西部4个不同地区的8条地震射线路径的波形进行拟合分析,反演得到了各路径下方的一维平均波速结构.反演得到的地壳和上地幔波速结构表现出明显的分区特征,该特征与已知的大地构造单元和已有的研究成果吻合较好.表明面波波形拟合方法是一种可靠的探测地壳和上地幔波速结构的方法,且比单纯利用基阶面波频散对上地幔结构探测更具优势.

根据环境地震噪声和远震瑞雷波分析得到的台湾海峡地壳和上地幔S波速度结构

虽然台湾西部的造山运动逐渐减弱，但台湾海峡的确还发生大、小地震。主要由于后勤原因，以前的研究基本没触及该地区。然而该地区的整体地壳构造具有特殊意义，因为它可能提供造山运动之前原始台湾的线索。通过将使用台站对从环境地震噪声提取的时域经验格林函数（TDEGF）与传统面波双台法（TS）相结合，我们能构建出5～120s之间的瑞雷波相速度频散曲线。使用台湾和海峡两岸的台湾宽频带地震台阵（BATS）的台站，我们能够获得该地区不同地方的平均一维Vs结构。如预期所料，结果显示在地壳上部15km内有显著的剪切波速度差异。总的来说，中国大陆沿海地区上地壳和台湾岛西南海域上地壳分别出现最高Vs和最低Vs，它们相差约0．6～1．1km／s。对于海峡的不同地方，海峡中部上地壳Vs结构比北部和南部低约0．1～0．2km／s。台湾海峡地下的上地幔Vs结构（莫霍面-150km）比AK135模型低约0．1～0．3km／s。整体地壳厚度约为30km，比台湾岛下的地壳厚度更薄且变化更小。使用水深超过1000m海域中的短周期频散数据反演地震波速度结构除大陆架外还应将水层考虑进去。

长白山及邻区地壳、上地幔顶部三维速度结构

根据沿长白山布设的宽频带流动地震台站及吉林省地震台网所记录的近震P波走时数据,利用层析成像方法对长白山及邻区(39°N-45°N、122°E-130°E)深至40km的地壳和上地幔顶部三维速度结构进行了研究。结果表明:地震的发生和分布多集中于断裂等复杂地质构造。利用较高分辨率的地壳、上地幔顶部三维速度结构证实了长白山火山区岩浆囊存在,并推测岩浆囊的位置位于火山口的西南方向,深度为10～40km。壳内岩浆囊分布对进一步解释、认识火山灾害提供了重要的深部信息。

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一大别构造带)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。

冈底斯中东部底垫-俯冲转换带附近地壳上地幔结构远震P波层析成像研究

利用冈底斯中-东部197个宽频带天然地震台站记录到的数据和远震P波走时层析成像方法,获得了该区域的P波速度扰动图像。层析成像结果显示研究区地壳和上地幔地震波速度结构存在着复杂的空间变化。首先,在藏南拆离系断层(STD)以北的特提斯喜马拉雅地壳中存在着较强的低速异常,但是该低速异常的北端在远离裂谷带的地方并没有明显越过雅鲁藏布江缝合线(YZS),这与前人的观测结果略有不同;在亚东-古露(YGR)和措美-桑日(CSR)裂谷带的下方存在低速异常,但异常强度都没有前者大;在两个裂谷带之间的拉萨地块中-南部,地壳表现为强高速特征。这些结果表明,影响青藏高原地壳构造演化的"地壳通道流(Crustal Channel Flow)"在藏南主要分布在特提斯喜马拉雅地区,在雅鲁藏布江缝合线以北的冈底斯地区,可能主要局限于沿裂谷带分布。其次,被解释为印度岩石圈地幔的上地幔高速异常,在研究区西部,抵达了雅鲁藏布江缝合线以北100km或更远的地方,而在研究区东部,并没有越过雅鲁藏布江缝合线,而是停留在缝合线以南~100km的高喜马拉雅下方,印证了前人给出的印度板块俯冲角度在研究区附近存在东西向变化的层析成像结果。此外,我们的层析成像结果还印证了冈底斯东南侧的上地幔低速异常根植于上地幔底部,我们认为该现象可能与巽他块体的顺时针旋转引起向东俯冲的缅甸弧向西后撤有关。

利用接收函数研究哀牢山—红河断裂带地壳上地幔特征

对哀牢山-红河断裂带附近宽频带数字地震台阵的远震体波记录，采用接收函数方法研究台站下方地壳上地幔S波速度结构，并估算了平均地壳厚度、波速比（叫垤）和泊松比．研究结果显示，哀牢山．红河断裂带的壳幔边界不具有简单的速度间断面特征，表现为速度递增的梯度带，在Moho深度处速度增大较快，而上地幔顶部速度偏低，并呈缓慢递增趋势，速度结构具有壳幔过渡带特征;地壳泊松比值偏高（0．26-0．28），可能与下地壳中镁铁质含量增加有关；断裂带两侧地壳平均厚度突变，在断裂带的西南侧约36-37km，而东北侧约为40-42km，表明红河断裂是陡立的超壳断裂；下地壳表现为S波低速，是地壳与壳下岩石圈解耦的有利部位。

渤海湾盆地及其邻域地区地壳与上地幔层析成像

渤海湾盆地及其周边地区蕴藏着丰富的油气资源,同时也是现代板内地震比较活跃的地区之一.尽管该研究区的构造背景非常复杂,但通过前人多年的研究和工作,积累了丰富的地质、地球物理和地球化学资料.在吸收和学习前人的这些成果,特别是各种地质、地球物理研究成果的基础上,收集1978～2004年间研究区内发生的近震和区内台站所记录到的部分远震的P波震相到时,在对这些数据进行了相关处理并建立了研究区的初始速度模型后,利用层析成像技术揭示了研究区的地壳和上地幔的速度结构.最后,对比和分析了各个主要深度层和剖面的速度扰动图像,结果显示:渤海湾及其周边地区的地壳速度结构受地表主要构造单元和深大断裂的影响,速度扰动异常大多为NE-NNE向展布,具有"东西分带,南北分块"的特点;区内的深大断裂带,切穿莫霍面乃至岩石圈,成为地幔热物质上涌或基性物质上涌的通道.

华南及南海北部地区瑞利面波层析成像

基于华南及周边地区106个宽频带地震台站多年记录的MS≥5.0中浅源地震事件,开展瑞利面波层析成像和速度结构特征研究,获得了华南大陆及南海北部地区10~100s瑞利波群速度分布图像和典型剖面下方地壳上地幔速度结构,为理解该地区构造演化和深部过程提供约束.考虑到实际地震射线的覆盖情况以及华南地区主要构造的主体展布特征,本文同时采用传统的规则网格剖分和平行主要构造走向的非规则网格剖分方法,分别进行分格频散反演,开展了不同参数化方案对反演结果影响的对比分析研究.基于瑞利面波层析成像结果,进行了典型剖面横波速度结构反演,重建了华南地区由内陆至南海海域主要构造单元的壳幔横波速度结构.研究结果表明,扬子和华夏块体地壳上地幔结构特征差异显著,扬子块体地壳和岩石圈厚度均大于华夏地块,且扬子块体上地幔顶部速度较华夏块体低,岩石圈厚度在雪峰山造山带下方发生过渡和转换;南海北部陆缘和南海海盆上地幔速度较高且形态相对完整,表现为非火山型大陆边缘和已停止扩张海盆的壳幔结构特征.

亚洲中部天山—贝加尔陆内变形终止边界

亚洲中部,沿天山的西端、阿尔泰山的西北端到贝加尔地区,是一条显著的NE向边界(天山—贝加尔边界),在它的两侧,地形、构造、地震活动和其他地球物理特征都有显著的差异。沿这条边界不存在同方向的大断层,同时,一系列NW向大型走滑断层与这条边界以大角度相交,这些断层的西北段在边界西北侧附近终止。总体上,这条边界西北侧是稳定的哈萨克斯坦地台和西伯利亚地台,东南侧主要是构造活动的天山、阿尔泰山及蒙古西部,因此,这条NE向构造边界是大陆内部的变形终止边界。中亚地区的陆块拼合过程在古生代末已结束,天山、阿尔泰山等造山带与北边的哈萨克斯坦地台和西伯利亚地台焊接为一体,经历中生代的固化。新生代以来,受印度-欧亚板块碰撞的影响,天山、阿尔泰山等造山带在NS向挤压力作用下发生变形,包括近东西向逆断层和NW向走滑断层的活动以及分散的地震。这些变形向北扩展时,被刚性、结构完整的哈萨克斯坦地台和西伯利亚地台截断终止,因而造成NE向天山—贝加尔边界。亚洲大陆内部块体的地壳强度和变形特征有明显的继承性,新生代以来,原来的地台(克拉通)继续保持结构完整和稳定性,几乎没有内部变形,而天山、阿尔泰山等古老的造山带则再次经历强烈变形。这不仅是由于印度板块继续向北推挤的影响,而且与这些地区自身的地壳和上地幔结构有关,同时NE向天山—贝加尔边界的西北侧哈萨克斯坦地台和西伯利亚地台对变形扩散的阻挡也起了重要作用。

渤海海域郯庐断裂带的地震层析成像特征

渤海是连接郯庐断裂带辽宁段和山东段的重要区域,利用地震层析成像方法重建三维P波速度模型,展示了渤海海域地壳和上地幔结构的变化,揭示出郯庐断裂带的深部构造特征以及与构造活动的关系.分析表明,渤海海域的地壳结构存在明显的横向非均匀性:在辽东湾及渤海中部,郯庐断裂带附近的地壳具有双层结构,浅部为低速沉积层,地壳中、下部速度偏高,未见壳内低速层,显示了相对稳定的地壳结构特征,与现今较弱的地震活动相吻合.在渤海南部及莱州湾,郯庐断裂带受张家口-蓬莱断裂带的影响较大,全新世以来的构造活动使得这一地区的地壳结构极为复杂,成为地震活动频繁发生的重要原因之一.此外,渤海海域地壳中、下部和上地幔平均速度偏低,推测与华北克拉通破坏及地幔上涌存在一定的联系.地幔热流物质有可能沿郯庐断裂带形成的通道向上侵入,在地壳底部冷却后形成高速薄层,对于强化壳幔边界、减缓断裂带的构造活动起到了一定作用.

勘探矿藏新方法

一组由各国科学家组成的国际团队发现,铜、铅、锌等金属矿藏与岩石圈(由地壳和上地幔顶部组成)的厚度存在显著联系。新发现为勘探这类重要的资源提供了一条可靠的途径。马克·霍加德(Mark Hoggard,这项研究的第一作者)表示,这项研究源于一个巧合。