青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构

综合重力观测资料和地震波走时资料反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构,并对该区岩石圈结构及动力学特征进行了讨论.首先利用收集到的P波近震和远震走时数据进行地震层析成像,得到研究区岩石圈三维P波速度结构.然后利用速度-密度经验关系式,将速度扰动转化为密度扰动建立研究区三维初始密度模型.最后利用分离的布格重力异常反演得到了岩石圈三维密度结构.反演结果表明:青藏高原东北缘地壳密度结构特征有利于地震孕育发生和地壳物质侧向流动;地壳内,密度异常等值线走向与地表断裂走向基本一致,进入地幔后,密度异常等值线走向发生了顺时针旋转,这表明青藏高原东北缘地壳和地幔具有不同的构造运动模式,暗示该区可能发生了壳幔解耦;80~100 km深度上,P波速度异常较密度异常明显偏低,推测该区可能发生了部分熔融或者岩石含水量的增加;印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡联合作用,使得青藏高原东北缘形成了强大的区域构造应力场,并导致深部软流圈热物质上涌,为该区壳幔解耦、部分熔融和P波速度降低创造了条件.     

郯庐断裂带中段三维密度结构反演与解释

为深入理解研究区的构造运动规律,进一步探求地壳物质可能的运移模式,本文基于Crust1.0地壳结构模型和最新莫霍面深度模型对自由空气重力异常数据进行联合约束,采用三维重力反演技术得到了郯庐断裂带中段的三维密度结构。反演结果显示,研究区的背景场稳定,断裂构造发育部位表现为重力密度低值,特别是营潍断裂带正处于大范围的重力密度低值区并纵贯整个研究区,由此可推断重力密度低值区可指示断裂构造的存在。      

青藏高原三维地壳结构的重力正演模拟

青藏高原地壳结构的重力学研究主要集中于莫霍面深度反演及单个剖面的重力正演,但是,在亚东-格尔木与下察隅-共和之间没有地震测线的区域,地壳结构的研究受到限制.为了探讨从青藏高原中部到东部的地壳结构特征,本文采用三维重力正演的方法,对青藏高原三维地壳结构进行了重力正演模拟.研究结果显示,地壳各层界面起伏较大,表明高原地壳变形强烈.研究区域中,藏南喜马拉雅地体界面相对较浅,处于界面陡变带,往北进入拉萨地体,界面相对变深.正演剖面中,大的界面起伏与大的断裂构造有关,莫霍面的陡变也暗示着莫霍面存在错断现象.东构造结莫霍面有抬升现象,在玛多附近莫霍面有下凹现象.地壳分层正演显示,32 km以下地壳产生的重力异常占总异常的80%以上,低速层及高速体产生的重力异常最大可占到总异常的10%左右.     

华北克拉通地壳三维密度结构与地质含义

利用重力异常揭示地壳三维密度结构是重力资料地质解释的目标和任务,密度反演的好坏至关重要.本文对华北克拉通进行了重力异常多尺度密度反演研究,首先利用小波变换对重力异常进行多尺度分解,接着利用功率谱分析方法估算各层场源的平均深度,然后利用广义密度反演方法进行各层密度反演,对华北地区进行了多层密度反演,得到其密度结构,并进行地质解释和油气藏分析.结果显示了重力场多尺度密度反演方法的有效性,对华北地区密度结构的地质含义进行了初步分析,位于造山带中的低密度异常主要反映沿造山带展布的花岗岩体.对比华北东部区浅层密度扰动与油气坳陷位置,发现油气坳陷都表现为低幅度的低密度异常区.说明利用小波多尺度反演提取的密度信息对油气勘探的部署有一定指导意义.     

川滇及邻区布格重力异常与地壳密度结构研究进展

川滇及邻区是青藏高原东流物质往SE-SSE旋转和逃逸的主要场所,地质构造与地震活动十分活跃.本文总结了川滇及其邻区区域布格重力异常和地壳密度结构研究的近期成果和重要进展:(1)利用重力与GNSS定位技术,获得了 8条重力探测剖面的布格重力异常信息,利用多种地球物理观测共同约束的重力反演技术,构建了青藏高原东南缘及邻区地...     

重震反演中国东北地壳上地幔三维密度结构

本文利用重力和地震P波到时数据反演得到了中国东北地区地壳上地幔三维密度结构.与单一的重力或地震反演相比,重震反演一方面有效地克服了重力反演结果垂向分辨率低的问题,另一方面也提高了地震反演结果的可靠性.结果显示:中国东北地区的地壳及上地幔剩余密度异常分布与构造单元具有明显的相关性,造山带对应低密度异常,盆地对应高密度异常;区域内火山下方有明显的低密度体存在,可能是由于太平洋板块俯冲进入上地幔并部分滞留,在滞留板块深部脱水和软流圈热物质共同作用下产生了上涌岩浆,喷发后形成了火山.     

青藏高原及周边地壳均衡模式与强震活动

青藏高原作为中国大陆强震活动的主体区,不但构造变形历史复杂,而且高原内部与周边块体之间的重力异常差异也十分显著。本文基于EGM2008重力模型,计算得到了青藏高原及周边地区的区域布格重力异常和艾里均衡重力异常;并依据复合均衡模型原理,以Crust1.0地壳模型中莫霍面的深度为参考,反演得到了地壳剩余密度的分布,该结果适用于研究地壳横向密度的差异;最后,将反演结果与弹性板均衡理论模型反演得到的岩石层有效弹性厚度进行对比,结果表明,青藏高原与周边地块之间的地壳力学特性和平均密度存在显著差异,为强震孕育提供了动力学背景。以此为依据,可为潜在强震危险区位置的判断提供参考。      

中国地壳厚度及上地幔密度分布(三维重力反演结果)

根据我国11平均布格重力异常图,采用Parker-Oldenbug位场反演方法,做了全国范围的三维重力反演。Parker的位场理论公式不仅数学上严密,而且运算速度甚高。本文将近些年大量的地震测深资料做为三维模型的控制点输入,并对反演计算采取了多种措施,以改善结果的合理性。本研究不仅得到了中国地区地壳厚度的分布,还首次给出了至120公里深处上地幔的密度分布。 结果表明,地壳厚度自东部沿海地区30——40公里逐渐增至青藏高原大部分地区的68公里,东部变化平缓,西部复杂,与大地构造有一定对应性。青藏高原及西部地区的上地幔密度总体偏高,一般3.40——3.65克/厘米3。东部广大区域在3.23——3.30克/厘米3。东部重力梯度带反映着下地壳与上地幔中一条深层构造带的存在,它不仅是地壳厚度陡变带,也是上地幔中的高密度带（3.29——3.35克/厘米3）,具有大区域性的控制作用。重力的均衡调整是青藏高原隆起的重要因素之一。 作者初步推断,中国地区的上地幔可大体分为青藏高原区、中部过渡区和东部正常区等三个大区,反映着上地幔结构的横向不均匀性。据此,本文解释了某些地球物理现象。      

2008年汶川Ms8.0级地震的深部构造环境——远震P波接收函数和布格重力异常的联合解释

对龙门山及其邻近地区20个宽频带地震台站的记录提取远震P波接收函数,并应用H-k叠加方法,求得每个台站下方的地壳厚度和波速比.以此为约束,进一步作接收函数反演,获得各个台站下方的S波速度结构.后龙门山与松潘-甘孜地块的地壳速度结构相似,而前龙门山的地壳速度结构则与四川盆地相似.由此说明,中央主断裂带是青藏高原东部与扬子地块之间主要的边界断裂.松潘甘孜地块至后龙门山中南部地区存在下地壳低速层,有利于中上地壳物质的滑脱作用.远震接收函数和布格重力异常的分析结果支持龙门山断裂带深部构造为滑脱-逆冲型的论断.在松潘-甘孜地块内可能具有双层的滑脱构造.上层滑脱发生在10~15km的深度上,该滑脱带表现为高温韧性滑脱剪切带.下层滑脱则发生在30km左右的深度上,其下方为青藏高原东部广泛存在的下地壳流.布格重力异常的分析表明,在中上地壳,四川盆地的密度较高,松潘-甘孜地块密度相对较低.龙门山断裂带位于密度较高的一侧,是松潘-甘孜地块向东南方的四川盆地逆冲的结果.在地壳下部,四川盆地为高P波速度和高密度区,表明地壳物质是坚硬的.松潘-甘孜块体是低S波速度和低密度区,表明物质比较软弱.高密度块体阻挡了青藏高原东部下地壳物质向四川盆地下方的流动.受印度板块往北运动的影响,青藏高原下地壳物质向东流动.中上地壳物质向东运动受到刚性强度较大的扬子地块的阻挡,在龙门山断裂带上产生应力集中,导致中央断裂带上应力突然释放,产生汶川Ms8.0级地震.     

重力及重力梯度联合反演青藏高原及邻区岩石圈三维密度结构

本文利用GOCEL2观测重力梯度的五个独立分量(T_(xx),T_(zz),T_(xy),T_(xz),T_(yz)),联合EGM2008地球重力场模型计算垂直重力,反演计算了青藏高原及邻区0~120 km深度岩石圈三维密度结构.将经过低阶项改正、地形效应改正、沉积层界面起伏效应改正得到的剩余重力及重力梯度异常值作为观测值,以改正剩余量归一化权重作为观测权重,基于Tikhonov正则化理论建立反演目标函数.反演过程中,利用地震层析S波速度转换密度作为初始约束,通过非等权最小二乘迭代法计算得到最终反演密度.反演结果表明:(1)40 km深度,青藏高原内部为中地壳,表现为低密度,邻区为中下地壳,表现为高密度.青藏高原内部中地壳强低密度层主要分布在高原边界.其成因是印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡作用导致在高原边界形成的高应变积累闭锁区,为壳内低密度软弱物质的形成提供了条件.(2)80 km深度,青藏高原上地幔顶部显示出低密度的特征.高原内部东、中、西密度特征差异明显,低密度以95°E为中心线呈东西对称分布.以班公一怒江缝合带为中心,在拉萨块体和羌塘块体内从北向南出现了"低-高-低"的密度分布起伏特征.该特征与GRACE得到的莫霍面起伏特征一致,结合大地构造结果,这种起伏特征验证了印度、羌塘块体从南北两侧分别向喜马拉雅、拉萨地块挤入的双向俯冲模式.(3)四川盆地和鄂尔多斯盆地内,地壳高密度异常较地震波速异常明显偏低,表明古老的四川盆地和鄂尔多斯盆地比想象中更冷、更坚硬.塔里木盆地和柴达木盆地内壳、幔高密度的结构特征,对应地幔物质上涌.     

青藏高原东北缘重力场深部结构及其动力学特征

本文采用欧拉反褶积、场源参数成像(SPI)、场源边界提取(SED)、莫霍面反演、地壳三维可视化等多源方法,对青藏高原东北缘地区的布格重力场进行反演与分析,深入研究该地区的深部结构与变形特征,探讨区域深部孕震环境及动力学机制.研究表明,青藏高原东北缘的布格重力场整体呈负异常值,具有明显的分区性,表现出鄂尔多斯盆地异常值相对偏高、阿拉善块体次之、青藏高原块体极低的特点,其中海源断裂系形成了一条宽缓的弧形重力梯度条带,梯度值达1.2 mGal·km^-1.欧拉结果显示,鄂尔多斯盆地相比于青藏高原块体而言,场源点具有较强的均一性,场源强度值高(密度值高)且深度稳定在25~32 km范围内,而高原块体的中下地壳尺度广泛分布着低密度异常体.SPI图可知,海源弧形断裂系位于“浅源异常”弧形区,反映其地壳较为活跃,易发生中强地震.SED图揭示青藏高原地壳向东北扩展,经过几大断裂系的调节后运动矢量向东或东南转化,SED与GPS、SKS运动特征大致相同,说明地表-地壳-地幔的运动特征有着较强的一致性.青藏高原东北缘地区壳幔变形是连贯的,加之莫霍面由北向南、由东向西是逐渐加深的,因此属于垂向连贯变形机制,不符合下地壳管道流动力学模式.区域形成了似三联点构造格局,其中海源弧形断裂系的深部地壳结构复杂,高低密度异常体复杂交汇,是青藏高原、阿拉善、鄂尔多斯三大块体相互作用的重要枢纽,其运动学特征总体为中段走滑尾端逆冲,而断裂系正处于大型的弧形莫霍面斜坡带之上,具备强震的深部孕震环境,因此大尺度的运动调节与深部孕震条件共同促使了该地区中强震的多发.     

青藏高原地壳的三维密度结构和物质运动

应用区域重力场小波多尺度分析和反演于青藏区后,得到6个地壳等效层密度扰动图件,刻划了地壳三维密度结构,为研究地壳构造和物质运动提供了重要佐证.研究表明在青藏高原地壳内密度变化有以下三个规律.1)从上地壳到下地壳,平面分布上低密度区的分布范围逐渐扩大;在下地壳只有刚性克拉通地体才有显示高密度.2)从上地壳到下地壳,平面分布上密度扰动区的尺度逐渐扩大;到下地壳高或低的密度区不仅数量大为减少,而且边界更加清晰.3)从上地壳到下地壳,青藏高原南部的低密度带不断向北移动,反映印度陆块向欧亚大陆的向北俯冲.青藏高原下地壳密度高的克拉通地体有羌塘、柴达木和巴颜喀拉三个;而昆仑山、阿尔金山、祁连山和冈底斯地块都属于低密度的中新生代构造活动单元.拉萨地块也是低密度地块,在中下地壳它与冈底斯地块相连,应归属于中新生代构造活动单元.松潘甘孜地块在下地壳为低密度,但在上中地壳逐步变为高密度,并与巴颜喀拉克拉通地体连接.这种情况可能反映巴颜喀拉地体的上地壳随印澳板块俯冲向东南方向挤出.青藏高原低密度的物质也由下地壳向上挤出,在中上地壳体积迅速减小.由于下地壳低密度的物质向上挤出,中地壳密度高的克拉通地体会相应发生裂解,使克拉通地块的数目增加.高原北缘的下地壳低密度物质侧向挤出的枝杈有三支;其中一支从西昆仑到天山,另一支从龙门山西秦岭到银川盆地.第三支从高原南缘理塘到大理.它们可能反映下地壳管道流,宽度约180~300km.7级以上地震震中都位于下地壳低密度物质侧向挤出枝杈周围,可能与下地壳管道流位置吻合.     

青藏高原东北部多尺度重力场及其地球动力学意义

由于受到SN和EW双向挤压作用的综合影响,处于年轻高原与古老地块交接区的青藏高原东北部岩石圈强烈变形,构造活动十分活跃.为了整体性地了解青藏高原东北部重力场和深部动力学机制,本文基于EGM2008全球重力场模型数据,利用小波多尺度分析获得不同尺度的重力异常信息;同时反演了研究区的地壳厚度;通过构建穿越龙门山造山带和西秦岭造山带两条剖面的岩石圈密度结构模型,分析了地壳上地幔内不同介质的分布特征.研究结果表明,青藏高原东北部岩石圈显示十分复杂的塑性体的特征,其重力异常走向多以EW或SSE为主,反映了高原岩石圈物质向东运移的趋势;地壳厚度由西向东逐渐减薄,边缘造山带深部并没有发现"山根"痕迹,结合该地区低重力的特征,推测西秦岭—松潘构造结岩石圈发生过大规模地幔流底侵作用;地幔流上涌的动力可能来源于印度板块向欧亚大陆板块俯冲,激发了地幔流体侧向移动,在扬子地台和华北地台附近受到坚硬岩石圈的阻挡而被迫上移,并因此造成龙门山与西秦岭的隆升.     

川西高原重磁异常特征与构造背景分析

川西高原位于青藏高原东缘,是我国大陆地壳构造变形及地震活动最强烈的区域.利用最新重力、航磁资料,通过异常分析和反演计算,研究了该区鲜水河断裂、理塘断裂、金沙江断裂的重磁异常特征、莫霍面特征、居里面特征,分析得出了这些断裂的深部地质结构与构造背景.计算表明:川西高原莫霍面东南浅、西北深,地壳厚度在43~63km之间.居里面特征表现为条带状,深度在17~23km之间.其中,鲜水河断裂带对应莫霍面深度梯度带,居里面为高低起伏圈闭.理塘断裂带北段莫霍面局部隆坳相间,南段莫霍面逐渐抬升,居里面呈现由西向东加深的梯度带.金沙江断裂带,居里面形成局部抬升,深部可能存在高温地热异常源.综合分析认为,川西高原地壳结构主要特点为:增厚的下地壳,热-塑性变形的中地壳,脆性变形的上地壳.     

青藏高原S波和泊松比的层析成像

本研究使用中国数字地震台网（CDSN）（2009—2016）走时数据开展青藏高原地壳地震波速度三维层析成像研究,获得分辨率达到1°×1°×20 km的青藏高原地壳S波三维速度结构和泊松比分布.结果表明,分布在可可西里和羌塘北部的高钾质和钾质火山岩带,其上地壳到下地壳都存在S波波速扰动负异常和高泊松比.说明第三纪青藏高原隆升过程中,由于大陆碰撞使三叠纪的东昆仑缝合带重新破裂,造成大量壳幔混合熔融物质上涌和火山喷发,进而揭示了青藏高原北部新生代火山岩的存在与青藏高原的形成和隆升密切相关;青藏高原新生代裂谷位于中下地壳S波速度扰动负异常带的两侧,裂谷带之下的中下地壳泊松比减小到0.22以下.裂谷带之下中下地壳的S波速异常分布和泊松比值可以推断青藏高原新生代裂谷深达中地壳底部,这个推论与密度扰动三维成像的相关结论一致.青藏高原S波速度和泊松比在下地壳至壳幔边界随深度产生急剧变化,说明地壳内部发生了大规模的层间拆离和水平剪切;青藏高原东构造结之下泊松比高达0.29~0.33,S波速度扰动为负异常,推断东构造结下方地壳主要由坚硬的蛇纹石化橄榄岩组成;青藏高原中下地壳S波速负异常区范围大面积扩大,地壳底部几乎被S波速低值区全部覆盖.下地壳S波异常分布特点可能反映下地壳管道流的影响.     

THE SEISMOGENIC ENVIRONMENT ANALYSIS OF LUDIAN MS6.5 EARTHQUAKE USING GRAVITY DATA

The main rupture of Ludian M_S6.5 earthquake is directed to the northwest, which occurred in the east of Xianshuihe-Xiaojiang fault zone. The epicenter is in the transitional zone of the Sichuan-Yunnan block and the South China block, where there are many slip and nappe structures. Some controversy still remains on the earthquake tectonic environment. So, Bouguer gravity anomalies calculated by EGM2008 were broken down into 1-5 ranks using the way of Discrete Wavelet Transform(DWT), then we get the lateral heterogeneity in different depths of the crust. The distribution characteristics of Bouguer gravity anomaly are analyzed using measured gravity profile data. We also get its normalized full gradient(NFG)picture, and study the differences between different depths in crust. The results show that: (1)the characteristic of Buoguer gravity anomaly in southwest to northeast is high-low-high between the Lianfeng Fault(LFF)and Zhaotong-Ludian Fault(ZLF). The mainshock and aftershocks are distributed in the middle of the low-value zone, which means that the east moving materials of Qinghai-Tibet plateau broke through the southern section of Lianfeng Fault(LFF), moving along the Baogunao-Xiaohe zone(low-value belt)to the southeast, stopped by the Zhaotong-Ludian Fault(ZLF), and then earthquake occurred.(2)The third-order discrete wavelet transform(DWT)details show that: there is a good consistency between the negative gravity anomaly in upper crust and the distribution of major faults, which reflects that the rupture caused by the movements of the faults in crust has reduced gravity anomaly. There is a NW-trending negative anomaly belt near the epicenter, which may has some relationship to the southward development of the Daliangshan Fault(DLSF). So we speculate that the southward movement of Daliangshan Fault is the main direct force source of Ludian earthquake.(3)In the picture of the fourth-order DWT details, there is an obvious positive gravity anomaly under the epicenter of Ludian earthquake, which confirms the presence of a high-density body in the middle crust. While the fifth-order DWT details show that: A positive anomaly belt is below the epicenter too, which may be caused by mantle material intruding to the lower crust. Tensile force in crust caused by mantle uplift and extrusion-torsion force caused by Indian plate push are the main force source in the tensile and strike slip movement of the Ludian earthquake.(4)The normalized total gradient of Bouguer gravity anomalies of Huili-Ludian-Zhaotong profile shows that: there is obvious ‘deformation’ in the Xiaojiang fault zone which dips to the east and controls the local crust movement. There is a local ‘constant body’ at the bottom of the epicenter. The stable constant body in density has limiting effects to the earthquake rupture, which is the reason that the earthquake rupture' scale in strike and in depth are limited.(5)The ability of earthquake preparation in Zhaotong-Ludian Fault is lower than the Xianshuihe-Xiaojiang fault zone, and the maximum earthquake capacity in this area should be around magnitude 7.     

CHARACTERISTICS OF MULTI-SCALE GRAVITY FIELD VARIATION AND SEISMOGENIC MECHANISM ANALYSIS IN THE SOUTHEASTERN TIBETAN PLATEAU

As the most basic geophysical field, the earth gravity field has achieved wide attention, and its spatial anomaly characteristics and dynamic variation can provide important scientific basis for studying the internal structure and dynamics of the Earth. Based on the mobile gravity observation data of the southeastern Tibetan plateau from 2013 to 2016, the dynamic variation tendency and anomaly characteristics of the regional gravity field in different temporal resolutions are obtained before and after the Ludian and Jinggu earthquakes in the study area respectively. The method of wavelet multi-scale decomposition is used to analyze the relationships of gravity field variation with the earth movement, material density change, and strong earthquake preparation. The deep material variation, dynamic process and the mechanism of earthquake inoculation in the southeastern Tibetan plateau are further discussed. Results indicate that the gravity field variation in the source region before the Ludian and Jinggu earthquake respectively is characterized by obvious positive and negative anomalous transition zone and gradient zone that are consistent with the direction of fault tectonics, suggesting the strong crustal movement and mass migration during the earthquake incubation period. The result of wavelet multi-scale decomposition of the gravity field during the period from September 2013 to April 2014 shows that the gravity field variation at different depth and space scale in the crust and upper mantle of the southeastern Tibetan plateau is significantly correlated with seismic distribution and the location of active fault zone. This indicates that the earthquake inoculation in the study area is closely related to the fault movement and the distribution of material density in the crust and upper mantle, which may be affected by the complex deep dynamic process of the material migration in the crust and mantle. The characteristic that strong earthquakes always occur near positive and negative anomaly transition zones and gradient zones of gravity field change is preliminarily explained, based on the dynamic process of material migration in the crust and upper mantle of the southeastern Tibetan plateau. The research results of this paper have some reference value to the study on the earth movement and seismogenic mechanism.