地幔柱在蒙古-贝加尔裂谷起源中的作用

本文通过整理近年来蒙古-贝加尔裂谷有关地幔柱的研究成果,从重力异常、层析成像和接受函数等方面分析贝加尔地区上地幔的各向异性特性,并重点介绍了中蒙合作项目的深部构造研究成果,探究地幔柱在蒙古-贝加尔裂谷形成中的作用.研究发现:贝加尔裂谷区上涌物质来源于410km不连续面之下和660km不连续面之上,低速异常延伸至贝加尔裂谷下的地幔转换地带,可能是地幔柱低速异常的反映.速度异常还可能与应力环境有关,东部Pn速度低值异常与太平洋板块俯冲动力作用引起的地壳的伸展减薄和岩浆活动有关,西部Pn速度高值异常则是India板块强烈碰撞挤压动力作用所形成.蒙古-贝加尔裂谷带起源受岩石圈扩张和岩石圈不均匀性的综合影响,裂谷下的低速区存在偏转的地幔柱,偏转的地幔柱在India-Asia板块碰撞引起形变的远场力的帮助下,成为贝加尔裂谷演化和发展的主要成因之一.     

南海北部壳幔结构特征及其地球动力学过程指示

地壳和上地幔结构及其性质对于理解地球浅部构造演化过程具有非常重要的指示作用.南海地区位于亚洲东南部,其构造演化长期以来受到了特提斯和太平洋构造域的控制.晚中生代以来,南海北部经历了主动大陆边缘向被动大陆边缘的演化,并且发生了多期次拉张构造运动,形成了一系列裂陷和盆地.近几年来,地震学探测方面的丰硕成果为理解此过程提供了有效的约束.(1)地壳结构方面而言:海底地震探测结果表明,南海北部陆缘地壳厚度范围为7～32 km,最厚和最薄处分别对应着东沙隆起和白云凹陷.深地震反射/折射剖面结果显示南海东北部大陆架和洋陆过渡带的下地壳底部发育有明显的高速层,厚度为0～10 km,且向洋盆减薄并尖灭,此特征与张裂运动后岩浆底侵过程一致.东沙隆起的上地壳岩性为长英质,表明该区12 km厚的下地壳高速层可能与中生代太平洋板块俯冲产生的火山弧有关.(2)在岩石圈尺度上:面波成像结果显示,南海北部的岩石圈比周边陆块的要薄一些,大致在60～75 km之间,为中生代俯冲形成的软弱带.(3)上地幔结构方面:体波层析成像结果表明在南海北部地区地幔转换带内存在高速异常,三重震相波形拟合则进一步约束了该高速异常体,即厚度为209～225 km,P波高速异常为1.5％～3.5％,其可能为中生代太平洋俯冲板片或伴随有大陆岩石圈拆沉体,也可能是古南海北部板片的俯冲残留体.滞留板片带来的低温异常导致410 km间断面抬升了 5 km,660 km间断面下沉了 5～15km.与此同时,在地幔转换带之上存在厚度为60～75 km,P波低速异常为2.0％～2.5％的低速层,其可能与地幔转换带内俯冲板片脱水有关.     

蒙古一贝加尔裂谷区地壳构造运动的GPS研究

本文介绍了蒙古—贝加尔裂谷区的GPS观测结果、贝加尔裂谷形成的岩石圈动力学机制及Amurian板块地壳变形等方面的研究成果.GPS观测资料研究表明:贝加尔裂谷区正以4.5±1.2 mm/a的速率向两侧扩张,但对于扩张的动力源问题还有不同的认识.关于贝加尔裂谷区扩张的动力机制主要有:(1)地幔柱的上升是主要的控制因素,(2)印度板块与欧亚板块的碰撞是主控因素.作者认为贝加尔裂谷的形成是多种动力共同作用的结果,包括了贝加尔裂谷区地幔柱的上涌、印度板块与欧亚板块碰撞的远程效应及太平洋板块向欧亚板块俯冲的远程效应.GPS观测结果在很大程度上支持了Amurian板块的存在,但对板块南部、西南部边界的划分还存在很大的争议.在今后的工作中,需要在Amurian板块内部、蒙古地区、我国的华北、东北地区布设更多的GPS连续观测点,以明确限定Amurian板块的独立性、边界范围及运动特征.     

南阿拉斯加地壳及上地幔结构成像研究

通过反演562891个纵波和156321个横波走时数据,第一次同时获得了阿拉斯加地区地壳及上地幔的纵波与横波速度以及泊松比图像,为更好地认识阿拉斯加地区的深部地震结构、太平洋板块与亚库塔特板块的俯冲几何形态提供了科学依据.成像结果表明P波和S波速度图像与泊松比结构具有很好的一致性,强的高速度和低泊松比异常沿着阿拉斯加俯冲带延伸至200 km深度,该高速度和低泊松比异常体与俯冲带的地震空间分布吻合,因此,我们认为该高速体为俯冲的太平洋板块和亚库塔特板块.从地震空间分布发现,大部分大地震（M>6.5）发生在高速度与低速度异常交界处,可能反映了俯冲板块之间强耦合作用.在俯冲带的地幔楔显示出广泛的低速度和高泊松比异常,并且这些异常与岛弧火山的位置相对应,这与大洋板块俯冲所形成的岩浆入侵作用有关.研究结果表明在南阿拉斯加俯冲带,俯冲板块的俯冲角度从兰格尔块体下方的平坦变成在布里斯托尔湾下方的陡峭,这与亚库塔特板块俯冲在兰格尔块体下方和太平洋板块俯冲在布里斯托尔湾下方有关.在基奈半岛和科迪亚克岛连接处的上地幔位置存在强烈的低速与高泊松比异常体,使该处的大洋俯冲板块变薄.这一现象可能与亚库塔特板块和太平洋板块相互碰撞作用以及软流圈强烈的上升流入侵有关.     

松辽盆地北部浅部基底推覆伸展作用的地震学证据与地质意义

已经利用近垂直反射地震叠偏剖面得到太平洋板块西向俯冲远程应力场形成上部地壳滑脱断裂的证据,在此基础上,利用油气地震叠偏剖面发现中远程的蒙古—鄂霍茨克缝合带、远程的太平洋板块西向俯冲带在松辽盆地滨北地区浅部基底共同作用形成的逆冲推覆断裂系统.该断裂系统基本呈双向形式,纵向与横向上表现出不均匀的强度,向西逆冲推覆的断裂系统厚度范围可达到约3~4 km,向东的断裂系统厚度范围可达到约1~2 km,断裂系统组构比较复杂.经过对控盆断裂孙吴—双辽断裂两侧地球物理场分布特征的分析,认为松辽盆地浅部基底的逆冲推覆断裂系统是叠加在孙吴—双辽断裂之上的新的断裂系统.考虑到蒙古—鄂霍茨克缝合带在远离1000多公里之外所产生的内蒙古阴山—燕山大型逆冲推覆断裂带以及松辽盆地的区域构造位置,认为在松辽盆地南部和滨北地区孙吴—双辽断裂构造线之外也应该存在浅部基底内的逆冲推覆断裂.     

华北克拉通东北部及邻区地壳和地幔转换带厚度研究

本文利用宽频流动台阵记录的远震波形资料和接收函数波动方程叠后偏移方法,获得了华北克拉通东北部边界及其邻近地区的地壳和地幔转换带的间断面结构图像.结果显示研究区域的地壳厚度存在显著的横向变化:以南北重力梯度带为界,西北部的兴蒙造山带地壳较厚(~40 km),东南部的燕山带、松辽盆地和辽东台隆地壳明显较薄(30~35 km).这有可能反映,研究区南北重力梯度带两侧地壳在中-新生代区域构造伸展过程中经历了不同程度的改造和减薄.地幔转换带成像结果显示,研究区410 km和660 km间断面结构存在横向差异.经度121°E-122°E之间,上地幔底部出现双重间断面,深度分别为660 km和690 km.经度122.5°E以东(北黄海地区),410 km间断面有5~20 km幅度的下沉,660 km间断面有5~15 km幅度的抬升;该地区地幔转换带厚度相对全球平均偏薄10~20 km,指示着该地区较热的上地幔底部温度环境.我们认为太平洋俯冲板块可能停滞在研究区119°E-122°E经度范围的地幔转换带中,但未延伸至118°E以西;而俯冲板块在124°E以东可能局部穿透了上地幔底部而进入下地幔,同时引起小尺度的地幔对流,导致北黄海地区下地幔物质的上涌.     

日本海域地壳结构基本特征及其地质意义

利用日本海域内完成的多条地震测深剖面及其它地球物理资料．综合分析该域地壳结构特点以及Benioff带特点．日本海域地壳结构具有陆壳、洋壳区别和两分、三分两类;Benioff带在不同方向上具有不同倾角,延伸深度差别较大;日本海开裂的动力源自太平洋板块西向俯冲所产生的多期挤压和引张应力场．     

俯冲带断层粘滑运动机制数值模拟研究——以日本俯冲带为例

在新生代,西太平洋岛弧和边缘海地区已成为强烈的构造活动区。至晚第三纪以来,在西太平洋岛弧带上还发生了强烈的火山作用。在西太平洋岛弧的外侧发育着地球表面上最深的地沟带,即深海沟带。西太平洋板块向西俯冲,在日本海形成俯冲带,称为日本海俯冲带。日本俯冲带构成了西太平洋边缘俯冲带的重要组成部分。该俯冲带处于环太平洋火山地震带上,地质构造复杂,地震活动频繁,地震发生数量占全球20％。     

2011年5月中俄边界深震震源机制所展示的太平洋板块俯冲动力作用

太平洋板块向欧亚板块俯冲(常称为日本俯冲带)经日本海沟插入中国东北大陆下约600 km深处,到达吉林珲春一带,造成东北地区频繁发生深震活动.不少研究认为,太平洋板块俯冲是中国东北及邻区岩石圈减薄和伸展作用的重要动力来源.     

松辽盆地隆起区地壳反射结构与“断开”莫霍界面

在我国松辽盆地内实施了4条近垂直反射地震法地壳精细结构探测, 获得了双程旅行时为15 s的松辽盆地地壳叠后偏移反射剖面. 重点研究松辽盆地东南隆起区与东北隆起区反射结构特征. 发现松辽盆地隆起区内整体上表现出：由西至东沉积层厚度变薄, 由北向南沉积层厚度增厚; 无论是东南隆起区还是东北隆起区, 壳内反射图案在南北向与东西向均变化剧烈; 东北隆起区莫霍界面双程反射旅行时变化范围为9.6~11.0 s, 深度范围为30~34 km, 东南隆起区莫霍界面双程反射旅行时变化范围为9.7~10.4 s, 深度范围为30~32 km. 由叠偏剖面资料分析可见松辽盆地隆起带内莫霍界面反射出现特异的断开特征, 错距达0.1~0.5 s, 约合2 km左右. 断开带附近存在多组剪切断裂并表现出隆起带内断开宽、两隆起带交界部位窄的空间分布规律. 这些反射图像与特异莫霍界面反射被推断为多期次黑龙江微陆块弱碰撞、太平洋板块向西俯冲等动力因素耦合作用的结果.     

Implications from the seismic crustal structure of the northern Izu–Bonin arc

The results of a controlled source seismic reflection–refraction experiment carried out in 1992 reveal the following characteristics of the northern Izu–Bonin (Ogasawara) oceanic island arc–trench system. (1) The crust rapidly thickens from the Shikoku back-arc basin to the arc, is thickest beneath the active rifts, and then gradually thins to the forearc. The thickness of the crust beneath the arc rift zone and the back-arc basin are ∼ 20 km and 8 km, respectively. (2) The Moho vanishes beneath the forearc. Velocities rapidly decrease eastwards beneath the inner trench wall. (3) The velocity of the lower crust of the arc and the back-arc basin is 7.1–7.3 km/s. This velocity is higher than the typical oceanic lower crust whose velocity is ∼ 6.7 km/s. (4) The velocity of the middle crust of the arc is ∼ 6 km/s. This layer does not exist beneath the back-arc basin. (5) A slight difference in the velocity gradient of the middle crust exists between the arc rift zone and the forearc. Based on these findings and previous studies, it is inferred that: (i) the middle crust is probably granitic rock and formed in more than two episodes; (ii) the lower crust formed by igneous underplating which may also have affected part of the back-arc basin; and (iii) the root of the serpentinite diapir on the inner trench wall is a low-velocity mantle wedge that was probably caused by large amounts of water released from the subducting Pacific plate at depths shallower than 30 km.     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

汕头－吕宋岛岩石圈速度结构与震源构造──台湾浅滩7．3级地震构造之一

汕头－吕宋岛岩石圈速度结构剖面，划分出华南陆缘古生代陆壳、陆架区晚古生代－中生代陆壳、陆坡带中生代－早第三纪过渡壳、新生代南海海盆洋壳及吕宋岛中生代－新生代岛弧陆壳与东吕宋海槽洋壳等地壳构造组分，并确定了上述地壳构造之间的边界断裂构造及其性质。结合地震震源分布及机制，初步确定了华南陆架盆岭构造带北、南两侧地震构造的控震构造与发震构造性质及其震源力学特征；１）指出１９９４年９月１６日台湾浅滩７．３级地震属于板缘壳幔地震及造成一千公里有感范围的原因；２）马尼拉海沟的海底地堑构造与南海海盆岩石圈地幔上隆是马尼拉海沟俯冲带震源显示正断层性质的原因，且为被动的或转换俯冲带；３）东吕宋海槽仍属于菲律宾海俯冲带性质；吕宋岛东西两侧俯冲带岩石圈板片震源深度的准三层分布，可能表明俯冲带岩石圈板片存在相应的低速滑移层。     

板块俯冲中水分运移过程及其地球物理含义

流体/水分在地球演化过程中具有重要作用,它的存在可以提高地质体的扩散及蠕变,降低岩石/地幔的固液相限,对地质体的地球物理性质、地质灾害诱发、地质构造演化等都有着重要的作用.在板块俯冲区,流体/水分的影响贯穿了整个动力学过程,但板块深部脱水还存在着争议,且目前系统地研究水分在整个俯冲中的迁移过程及其地球物理意义的工作还较少.本次研究以我国东北地区为例,借助于地球动力学数值模拟,利用二维岩石化学-热-力学耦合的数值计算程序,建立西太平洋板块向欧亚大陆岩石圈俯冲的数值模拟模型,模拟了板块俯冲整个连续动力学过程中流体/水分的迁移过程.模拟与分析结果表明,板块俯冲过程中水分的迁移过程可分为三个阶段:洋壳水化、板块浅(中)部脱水、板块深部脱水.进一步揭示了洋壳水化过程中水分渗流通道形成、水分渗流以及板块及地幔物质水化反应的机制;解释了板块浅(中)部脱水过程对火山岛弧、弧后盆地及低速异常带形成的作用,以及对~410 km不连续带的影响;模型演化过程中观察到的板块深部脱水现象说明了存在板块深部脱水的可能性,而且板块深部脱水可以较好地解释部分内陆火山以及部分地区地幔柱(岩浆羽)和深源地震的成因.研究展示了板块俯冲过程中水分运移的地球物理意义.     

中国海——西太平洋典型剖面(南幅)揭示的微陆块-窄洋盆构造格局

基于编制最新地学成果图件的需要,我们整合了最新地质、地球物理资料成果,运用最新的技术方法,开展了中国海—西太平洋地区典型剖面的编制工作.典型剖面(南幅)主要集成了南海地区近年来获得的广角地震探测资料,运用重-磁-震联合反演方法,结合拖网、钻井、地热、地质剖面等,以块体构造学说为编图思想编制而成.典型剖面(南幅)从华南以NNW-SSE向直抵苏拉威西海,穿过了多个构造单元,包括3个陆缘-离散地块区(华南块体—南海北部陆缘、中沙地块、礼乐—北巴拉望地块)、4个海盆区(西北次海盆、中央海盆、苏禄海盆、苏拉威西海盆)、2个俯冲-岛弧区(卡加延脊、苏禄脊),这些构造单元一起构成了西太平洋边缘独特的“微陆块-窄洋盆”构造格局.自古特提斯向欧亚大陆之下俯冲以来,该区域经历了复杂的构造演化过程.在形成这种构造格局的过程中,地壳处在不断消亡和生成的动态循环之中,同时构造应力也处在动态变化之中.通过对区域地球动力学的综合分析,认为这种微陆块-窄洋盆构造格局的形成,很大程度上是由于其位于三大板块交接的独特区域,以及受区域内复杂而丰富的俯冲作用的影响和制约.通过典型剖面编制工作,推动了中国海—西太平洋区域内大地构造和地球物理特征研究,为“跳出南海看南海”提供了良好的研究范例,同时启发我们未来加强对邻区研究空白区域的探索.     

中国东部及其邻区上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性

中国东部地处欧亚板块东南部，紧邻西太平洋板块俯冲带，有着复杂的地质构造和深部结构，是国内外学者研究的重点区域.本文采用Pn波层析成像方法反演得到了中国东部及其邻区上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性.研究中应用的Pn到时数据主要来自多种地震观测报告，并特别补充了东北流动台阵、华北流动台阵以及区域地震台网记录的地震事件，拾取了大量高精度的Pn到时数据，最终挑选出2049个台站记录的24072次地震的240814条Pn波到时数据.结果显示，中国东部地区上地幔顶部平均速度为8.06 km·s^-1，速度变化范围为7.81~8.32 km·s^-1.东北地区东部表现为显著的低速异常，华北克拉通中、东部Pn呈现低速，而西部地区则表现为高速异常，华南地块主体表现为高速.反演结果还揭示江汉盆地、下辽河盆地、二连盆地及海拉尔盆地都显示出高速，而四川盆地和松辽盆地内部则呈现出不均匀的结构特征.四川盆地的高速异常显示出明显的分块现象，这可能是该盆地在沉积前具有不同的基底物质；松辽盆地的北部呈现为高速，而南部却表现为低速异常，这一特征与松辽盆地南、北部分别为高、低热流相对应，暗示盆地南部的岩石圈已经历了改造.研究进一步揭示Pn波低速区和高、低速过渡带的各向异性也较为强烈，而大部分强震都发生在这些区域之上的地壳内，说明这些部位容易发生变形而应力集中或产生应力差.     

马尼拉俯冲带热结构数值模拟与地震意义

研究马尼拉俯冲带地震分布的成因机制,根据马尼拉俯冲带最新的莫霍面深度和地壳厚度等地质与地球物理资料,选取3条典型剖面,模拟俯冲带热结构。结果表明:1俯冲带热结构主要受俯冲角度、俯冲速度和俯冲板块本身地质条件等因素影响;2 BB′剖面和CC′剖面属于热俯冲;3当洋壳俯冲至软流圈边界时,俯冲板块温度迅速升高,容易形成地震活动。BB′剖面的俯冲角度和俯冲速度比CC′剖面小,使得BB′剖面发生地震的深度更浅。俯冲洋壳底部温度比顶部低,地震活动也持续到更大的深度。     

深地震测深揭示的华南地区地壳结构及其动力学意义

20世纪70年代以来,我国实施与华南地区有关的深地震测深剖面达57条.本文收集该区的深地震测深研究成果,利用保真能力强的三维克里金插值技术构建了100°E～125°E,18°N～34°N区域内的三维地壳速度模型.基于三维地壳结构模型,分别探讨了华南地区不同构造单元地壳厚度空间变化特征、地壳属性、上地幔顶部地震波速变化以...