青藏高原东部及其邻区力学耦合的岩石圈变形模式

根据青藏高原东部及其邻区布设的143个宽频带固定和流动地震台站的远震记录的SKS波分裂分析获得了各台站的快波偏振方向和快慢波之间的时间延迟。SKS分裂分析结果总体上反映了高原东部的上地幔物质流动方向,即高原内部表现为环绕喜马拉雅东构造结的顺时针旋转。在造山运动过程中有关岩石圈地壳和地幔力学耦合的造山变形方式,用从GPS和第四纪断裂滑动速率数据确定的地面变形场和由地震波各向异性数据推断的地幔变形场联合分析来定量求得。在青藏高原东部和云南、四川等地区新近快速增加的GPS和SKS波分裂观测数据,提供了对青藏高原岩石圈地幔实际变形方式的检验。这些新的数据不仅加强了高原内部力学耦合岩石圈的证据,而且也解释了高原外部相同的耦合特征。文中引入简单剪切变形和纯剪切变形的概念,用于解释高原内外不同的耦合变形特征。青藏高原和周围区域力学耦合岩石圈的垂直连贯变形有两个方面的大陆动力学含义:第一,岩石圈垂直强度剖面被一个重要的条件所约束,即要求与重力势能变化相关的应力能够从地壳传递到地幔;第二,青藏高原各向异性的空间变化反映了一个岩石圈变形的大尺度模式,以及从高原内部的简单剪切变形向高原外部的纯剪切变形的过渡带。文中提出的力学耦合岩石圈变形模型与当前已有的多种造山运动变形模型具有不同的变形含义,因此,地幔变形在青藏高原隆升过程中起主要作用。     

青藏高原地壳地震纵波速度的层析成像

本次研究利用地方地震台站的数据开展青藏高原地壳地震波速度的三维层析成像研究,得到分辨率达到1°×1°×20 km的地壳纵波三维速度结构,揭示了青藏高原地壳内部地壳波速结构特征。结果表明,青藏高原P波波速随深度产生巨大变化,说明地壳内部发生了大规模的层间拆离和水平剪切,用传统的地块运动不能准确地描述地壳物质运动。从P波波速扰动图上看到,青藏高原上地壳和上地幔的P波波速扰动为大范围正异常区,可以认为青藏高原在同碰撞和后碰撞期频繁的岩浆活动和结晶作用,造成了现今相对比较坚固的上地壳和岩石圈地幔,使青藏高原保持一个整体。分布在可可西里和羌塘北部的高钾质和钾质火山岩带,反映为青藏高原地壳的P波波速扰动负异常带,从上地壳到下地壳都有分布。说明由于大陆碰撞使三叠纪的东昆仑缝合带重新破裂,造成大量地幔流体物质上涌和火山爆发,对高原的形成和隆升都有一定的贡献。通过地震层析成像取得的三维地壳波速图像,进一步证实了由密度扰动三维成像指出的存在青藏高原下地壳流和新生代裂谷深部到达了中地壳底部的结论。     

青藏高原岩石圈演化与地球动力学过程——亚东—格尔木—额济纳旗地学断面的启示

笔者等完成的亚东—格尔木和格尔木—额济纳旗地学大断面揭示出青藏高原岩石圈的基本结构、组成、演化和地球动力学过程,发现了印度板块在南缘向喜马拉雅山下俯冲、阿拉善地块在北缘向高原下楔入的证据,它们构成了使高原隆升的主要驱动力。多学科研究表明,青藏高原是一个由8个地体拼合的大陆。高原内部地壳20～30km深度附近普遍发育低速高导层,它是构造应力去偶层,其上地壳脆性变形,逆冲叠覆,缩短增厚;其下地壳结构横向变化大,韧性变形。藏南下地壳(50～70km)速度发生逆转;而藏北下地壳速度增高并呈梯度变化,具有双莫霍面特征。高原莫霍面起伏变化大,南北边缘山脉山根特征明显,在高原内部缝合带两侧莫霍面多有断错。虽然高原地壳巨厚,但是岩石圈地幔并没有增厚。高原隆升经历了俯冲碰撞(K_2—E_2)、会聚挤压(E_3—N_1)、及均衡凋整(N_2—Q)3个阶段。青藏高原岩石圈现今处于双向挤压的动力学环境,莫霍面的不稳定变化,岩石圈地幔下沉等因素引起的壳幔之间和岩石圈与软流圈之间的相互作用,地壳的走滑与拉伸作用,是维持高原现今高度和范围的主要动力学因素。     

青藏高原板内地震震源深度分布规律及其成因

青藏高原板内地震以浅源地震为主, 下地壳基本上没有地震, 地震震源多集中在15~40 km的深度范围, 主要在中地壳内, 呈似层状弥散分布.其中30~33 km深度是一个优势层, 与壳内分层有关.总体上青藏高原南、北部的震源面略呈相向倾斜特征.70~100 km深度区间出现了比较集中的震级较小的地震, 可能与壳幔过渡带的拆离作用有关.高原内部的正断层系与板内地震密切相关, 是板内浅源地震的主控构造.总之, 青藏高原地震震源沿着活动的上地壳脆性层与软弱层之间的脆-韧性过渡带分布.这些板内地震活动属于大陆动力学过程, 与板块碰撞和板块俯冲无关.初步认为青藏高原浅层到深层多震层的成因分别是韧性基底与脆性盖层、韧性下地壳与脆性上地壳、韧性下地壳与脆性上地幔的韧-脆性转换、拆离和解耦的产物.      

青藏高原中北部地壳低速-高导层是部分熔融层的岩石学证据被证实

正青藏高原具有巨厚的大陆地壳,是地球上最大、最高的新生代高原。目前有3种主要的机制被用于解释其地壳增厚过程和高海拔地形的形成:增厚地幔岩石圈的减薄、陆内俯冲和地壳流动(或通道流)。产生上述争论的主要原因是目前青藏高原深部地壳、岩石圈地幔热演化资料的缺少,以及地壳物理观测到青藏高原地壳15-50km深处的低速层和高导层的多解     

侏罗纪地壳转动与中国东部岩石圈转型

对中国东部侏罗纪时期地壳增厚和岩石圈显著变薄的现象,提出一个新的形成机制假说.基于古地磁和地质学的证据认为,鄂霍次克板块朝西和伊佐奈岐板块朝西北方向运移、俯冲和碰撞,造成西伯利亚东部边缘的强烈构造变形,使东亚大陆地壳产生20°～30°的逆时针转动,形成东亚大陆北部地壳朝西运移,而东亚大陆南部(中国东部)地壳相对向东运移.这种滑移作用使中国东部发生强烈的构造-岩浆活动、地壳增厚,同时也使中国大陆东部的上地壳从大陆型岩石圈地幔滑移到大洋型岩石圈地幔之上,出现岩石圈类型的转变和厚度显著变薄的现象.看来,中国东部岩石圈变薄并不是深部地幔羽或大陆伸展作用的结果.     

青藏高原地壳与上地幔成层速度结构与深部层间物质的运移轨迹

在印度洋板块与欧亚板块碰撞、挤压作用下,促使深部物质重新分异、调整和运移,并导致了地壳的短缩增厚,而且造成了高原的整体隆升和深部壳、幔物质的侧向流展。基于青藏高原腹地和周边地域地壳与上地幔的成层速度结构,特别是其特异层序的展布研究表明,青藏高原地壳巨厚,但岩石圈却相对较薄;地壳中于深20±5km处存在一低速层,层速度为5.7±0.1km/s,厚度为8±2km;上地幔软流圈顶部深度为110±10km;下地壳与上地幔盖层物质以地壳低速层为上滑移面,以岩石圈漂曳的上地幔软流圈顶面为下滑移面,在印度洋板块N-NNE向力源作用下在同步运移,即形成了青藏高原腹地和周边地域特异的大陆地球动力学环境。     

地幔内异常热熔变与青藏高原的隆升

本文利用中法合作研究获得的定日—格尔木天然地震记录资料所揭示的青藏岩石圈存在的各向异性变化，讨论了雅鲁藏布江缝合带南北地幔物质运动方向的差异。结合区域重力场、地热和大量地质资料，提出了解释青藏高原形成和隆升的新模式。青藏高原是在印度板块和欧亚板块强烈碰撞挤压下，地壳缩短变形增厚，碰撞挤压达于极限，地幔内物质产生热熔变，导致了受热幔壳的急剧膨胀，托浮起上覆地壳整体，形成了巨大高耸而且地形平坦的高原。喜马拉雅造山带则是印度板块北缘俯冲受阻，逆冲叠覆堆积变形的结果。     

岩浆作用与青藏高原演化

        青藏高原是我国岩浆岩最发育的地区之一,出露着从元古宇到新生代各个地质时期多种类型的火山岩与侵入岩,面 积达30万km2左右,占全区面积的10％以上。这些岩浆岩在青藏大陆动力学研究中有着重要的作用,既是探测深部的“探 针”和“窗口”,又是构造演化的记录,并形成重要的构造-岩浆-成矿带。本文拟通过岩浆作用和岩浆岩来研究青藏高原 演化的一些科学问题。（1）印度-亚洲大陆碰撞时限：印度-亚洲大陆碰撞时限是青藏高原形成演化中一个非常重要的基础 问题,也是国际上争论的一个热点,到目前为止,分歧仍然很大,从主张早于70 Ma 到34 Ma都有。本文根据来自我国西藏 南部延伸1500 km以上的主碰撞带的综合证据提出,印度-亚洲大陆碰撞开始的时间为70/65 Ma,完成的时间在40 Ma左右, 这个时期称为同碰撞期,40 Ma之后转入后碰撞期。（2）同碰撞阶段的壳-幔交换-底侵与岩浆混合作用: 南冈底斯带同碰撞 花岗岩中有着丰富的岩浆底侵作用与岩浆混合作用证据。这两种作用,是通过岩浆作用实现壳－幔间物质和能量的交换, 是两种不同而又密切相关的大陆地壳生长方式。（3） 青藏巨厚地壳的成因: 双倍于正常厚度的巨厚地壳,是青藏高原最显著 的特点之一,世界瞩目。通过对同碰撞与后碰撞火成岩的研究提出“两类地壳、两种机制”的认识,即新生地壳与再循环 地壳;构造挤压增厚机制与地幔物质注入增厚机制。（4）青藏岩石圈的组成、结构与演化：高原岩石圈地幔存在三种地球 化学端元,存在三种岩石圈结构类型,已在青藏高原多处发现地幔与下地壳岩石的地表露头及火成岩所携带的深源岩石包 体。（5）青藏高原深部物质的可能流动：青藏高原新生代碰撞-后碰撞火成活动有规律的时空迁移,以及深部地球物理探 测,都暗示碰撞引起壳幔深部物质的横向流动     

深地震反射剖面揭露青藏高原陆-陆碰撞与地壳生长的深部过程

印度板块与亚洲板块的碰撞使喜马拉雅-青藏高原隆升,地壳增厚和生长扩展。探测青藏高原深部结构,揭露两个大陆如何碰撞,碰撞如何使大陆变形的过程,是全球关切的科学奥秘。深地震反射剖面探测是打开这个科学奥秘的最有效途径之一。20多年来,运用这项高技术探测到青藏高原巨厚地壳的精细结构,攻克了难以得到下地壳和Moho清晰结构的技术瓶颈,揭露了陆陆碰撞过程。本文在探测研究成果基础上,从青藏高原南北-东西对比,再到高原腹地,系统地综述了青藏高原之下印度板块与亚洲板块碰撞-俯冲的深部行为。印度地壳在高原南缘俯冲在喜马拉雅造山带之下,亚洲板块的阿拉善地块岩石圈在北缘向祁连山下俯冲,祁连山地壳向外扩展,塔里木地块与高原西缘的西昆仑发生面对面的碰撞,在高原东缘发现龙日坝断裂而不是龙门山断裂是扬子板块的西缘边界,高原腹地Moho 薄而平坦,岩石圈伸展垮塌。多条深反射剖面揭露了在雅鲁藏布江缝合带下印度板块与亚洲板块碰撞的行为,印度地壳不仅沿雅鲁藏布江缝合带存在由西向东的俯冲角度变化,而且其向北行进到拉萨地体内部的位置也不同。在缝合带中部,显示印度地壳上地壳与下地壳拆离,上地壳向北仰冲,下地壳向北俯冲,并在俯冲过程发生物质的回返与构造叠置,使印度地壳减薄,喜马拉雅地壳加厚。俯冲印度地壳前缘与亚洲地壳碰撞后沉入地幔,处于亚洲板块前缘的冈底斯岩基与特提斯喜马拉雅近于直立碰撞,冈底斯下地壳呈部分熔融状态,近乎透明的弱反射和局部出现的亮点反射,以及近于平的Moho都反映出亚洲板块南缘的伸展构造环境。     

祁连山中部地壳各向异性研究:来自远震接收函数的证据

青藏高原的隆升由印度-欧亚板块的碰撞而驱动,其生长演化,特别是从内到外的扩展机制仍尚存争议。祁连山地处青藏高原向东北扩展的前缘位置,其地壳结构与各向异性对于理解青藏高原向北扩展的生长机制具有重要意义。祁连山中部是青藏高原东北缘地壳遭受挤压强烈变形的区域,已有的研究已经揭示出地壳内部非耦合不均匀变形的几何行为,揭露其对应机制是亟待探索的前沿科学问题。此前该区域的各向异性研究大多基于面状台网数据,台站间距大,无法反映横跨祁连山地壳各向异性的精细变化。为此,本研究选用一条密集线性地震台阵,使用H-κ-c叠加方法,得到了横过祁连山中部的地壳厚度,泊松比以及地壳各向异性的横向变化。结果显示,在中祁连以及南祁连北部地壳厚度最大,平均泊松比最低,反映了地壳加厚过程中铁镁质下地壳的丢失以及长英质中上地壳的水平缩短。此外,偏长英质成分的泊松比值也不支持地壳流在该区域存在。在祁连山内部,地壳各向异性快波的偏振方向与地壳向外扩展方向一致,而与地幔各向异性快波方向近垂直,揭示了壳幔变形可能是解耦的。而在地壳较薄的南祁连和北祁连南部区域,快波方向与古缝合线的走向一致,说明早古生代的构造格局仍对现今的祁连山缩短隆升产生影响。     

青藏高原东缘地壳上地幔结构及其动力学意义

本文综述了我们在青藏高原东缘实施的垂直切过龙门山断裂带宽频带地震探测的研究成果,揭示了研究区复杂的地壳上地幔结构,结果表明松潘-甘孜地块与四川盆地西缘莫霍面深度为58 km与40 km±,在龙门山断裂带下方存在约15 km的莫霍面错断; 松潘-甘孜与龙门山断裂带域地壳纵横波速度比Vp/Vs比值远大于173,预示着粘性下地壳流或基性/超基性物质的存在。探讨了研究区强烈的盆山之间以及深部不同层圈之间的相互作用,推断四川盆地对青藏高原东缘软流圈驱动的物质东向逃逸阻挡作用可能深达整个上地幔。     

西藏及其周围地区地壳、地幔地震层析成像——印度板块大规模俯冲于西藏高原之下的证据

文中介绍有关西藏—喜马拉雅碰撞带的一项地震层析成像研究。根据一个用天然地震数据产生的全球波速模型 ,印度板块有可能以近水平状俯冲于整个西藏高原之下至 16 5～ 2 6 0km深度。西藏岩石圈具有低波速地壳和高波速下岩石圈 (75～ 12 0km深 )。在 12 0～ 16 5km深度范围 ,西藏岩石圈与俯冲的印度板块之间有一层低速软流圈物质。高原中部从地表到 310km深处有一低速体 ,说明地幔物质有可能穿过俯冲板块的脆弱部位上隆。这些结果以及野外实测的地壳缩短值说明高原的抬升得助于印度板块的近水平俯冲。我们推论俯冲印度板块的升温上浮以及上覆软流层的存在是造成西藏高原高海拔抬升以及内部地表仍相对平坦的主要原因。2 0 0 1年 1月 2 6日在印度西部发生的毁灭性大地震有可能是俯冲应力在印度板块后缘薄弱处引发的岩石圈大断裂。     

中国西部及邻区岩石圈热状态与流变学强度特征

根据均衡原理制约的地热计算得到中国西部及邻区岩石圈的温度分布状态,以40、100km和莫霍面深度等温线图的形式表示,同时计算了以1 350℃等温面深度表示的中国西部及邻区的热岩石圈厚度。结果显示:中国大陆西北部地区、哈萨克斯坦东部地区以及上扬子地块、蒙古中西部地区和青藏高原中部的深部地温较低,青藏高原北部、东部以及天山褶皱带中部的深部地温高。在中国西部及邻区范围内,岩石圈厚度在180km以上的地区包括准噶尔盆地,塔里木盆地核心部位,西藏东部、中部以及祁连山地区。上扬子地块(四川盆地)岩石圈厚度为160km或更多,蒙古中西部地区以及哈萨克斯坦东部地区的岩石圈厚度为140～180km。青藏高原东部边缘和藏北地区以及天山中部吉尔吉斯伊塞克湖地区的岩石圈厚度较薄(<140km)。地热计算得到的结果与地震层析成像研究结果之间相互吻合。采用湿的上地幔流变学模型的计算结果表明,青藏高原及其东部边缘、天山褶皱带中部和蒙古中西部地区的岩石圈流变学强度模型为"奶油蛋糕(crèmebrlée)"型,其强度剖面显示强地壳而弱地幔的特点;上扬子地块(四川盆地)、准噶尔盆地、塔里木盆地和哈萨克斯坦东部地区岩石圈流变学强度模型为"果冻三明治(jelly sandwich)"型。     

3D thermal structure of the continental lithosphere beneath China and adjacent regions

Based on the Crust2.0 model and the topography data of Chinese continent and its adjacent regions, a three-dimensional finite element model is constructed in terms of the spherical coordinate system. In our numerical model, the average annual ground temperature from 195 meteorological stations and temperature of upper mantle derived from the seismic velocities are adopted as the top and bottom boundary conditions, respectively. The observed thermal conductivity and heat production from P wave velocity based on empirical formula are employed in our numerical model as well. The comparison between the calculated and observed surface heat flow proved that our results are reliable. The temperature beneath the Precambrian cratons is lower than that of other areas for 100–300 °C also. The typical temperature rang at the Moho is estimated to be 800–1000 °C beneath the Tibetan plateau and 500–700 °C beneath the Precambrian cratons (such as Indian plate, Sichuan basin, South China, North China and Tarim), respectively. The thermal state in the eastern part of Sino-Korean craton at the depth deeper than 60 km indicates that it was destructed. The thermal structure in center of Tibetan plateau (especially beneath Qiangtang area) supports the proposed flow of lower crustal or upper mantle material to the east. Generally, the distribution of volcanoes in Chinese continent is consistent with the high temperature areas in the crust or upper mantle. There are many obvious thermal transition zones across the orogenic belts. The thermal transition zone between eastern and western parts in the crust of Chinese continent is consistent with the north–south seismic zone.     

Lower-crust S-wave velocity beneath western Yunnan Province from waveform inversion of dense seismic observations

We use teleseismic body waveforms to explore S-wave layered velocity structures beneath 30 portable digital seismic stations deployed around western Yunnan Province. Results show that the Moho depth in this region is ∼40 km and decreases in general from north to south, consistent with previous geophysical studies. Associated with this lateral variation of the Moho depth, the lower crust above the Moho discontinuity has a 15–25 km thick zone with an S-wave velocity lower than that of the upper crust. This lower velocity zone might be interpreted as a lower crust weak channel, which may mechanically partially decouple the upper-crust deformation from the underlying mantle. Thus, the inverted S-wave velocity structure could provide new evidence for the lateral flow of lower crust in the build-up of the south-eastern Tibetan plateau.     

中国大陆现今构造应变率场及其动力学成因研究

通过分析中国大陆地壳运动GPS速度场得到现今构造应变率场。结果显示在印度板块北向推挤作用下 ,青藏高原内部及其邻域形变场并不局限于少数大型走滑断裂 ,而是在大范围内广泛分布 ,各地区构造运动驱动机制也可能各有不同。藏南地区主应变率场呈均衡的约 2× 10 -8a-1南北向挤压和东西向拉张 ,显示印度板块下插造成的地壳增厚和岩石圈拆离可能形成上地壳与上地幔间形变解耦 ,地壳内部在南北向挤压及重力场作用下产生东向塑性流驱使上地壳产生东西向拉张。西藏中部羌塘地区主应变率场显示均衡的约 2× 10 -8a-1北北东向挤压和北西西向拉张 ,反映本地区一系列走向北东和北西的共轭剪切断裂的活动 ,可能源于南北向挤压和软流层内东向塑性流的驱动。柴达木盆地及周边地区主应变率场呈约 2× 10 -8a-1北东向压缩和约 (0 1)× 10 -8a-1北西向拉张 ,表明地壳增厚造成的地壳温度上升可能还不足以造成上下地壳的充分解耦 ,南北向的消减还未能有效地转换成东西向的拉张 ,形变以褶皱和逆冲断裂运动为主。当今青藏高原形变场的形成应是构造运动从南到北阶段性发展过程中地壳与上地幔介质性质差异造成驱动机制不同的结果。     

龙门山中段及邻区地壳密度结构及其地球动力学启示

龙门山是我国东西构造、地貌分界线的重要组成部分。其两侧的岩石圈结构差异,是形成龙门山造山带的主要原因之一,并对龙门山的构造演化起着持续影响。为了解龙门山两侧壳幔结构差异,本文从重力角度探讨跨龙门山地区的地壳密度结构。我们使用EGM2008模型的重力异常数据,以最新的阿坝-遂宁人工源地震剖面速度模型为基础,得到了龙门山造山带中段及其邻区的精细地壳密度结构。密度结构显示松潘-甘孜地区和四川盆地分别具有软弱和坚硬的下地壳。根据本文所得到的地壳密度结构模型,我们认为龙门山的隆升主要受印度洋板块与欧亚大陆板块的陆-陆碰撞作用影响,强烈的挤压作用使青藏高原物质向东运移,东移物质在青藏高原东缘龙门山地区受到坚硬的四川盆地的阻挡转而向上运移,造成了龙门山的隆升。     

大陆构造变形与地震活动——以青藏高原为例

大陆内部构造变形和地震活动往往突显出复杂的、区域性的特征,很难用板块构造理论来解释。青藏高原是大陆构造变形的典型实例,具有不同构造变形的分区特征,不仅表现在物质组成、地形地貌和断裂组合等方面的不同,而且还表现出不同的地震活动特征。东昆仑断裂带以北的青藏高原北部地块,主要发育一系列挤压环境下的盆岭构造,表现为以连续变形为特征的上地壳挤压缩短变形;高原中北部巴颜喀拉地块,具有整体向东运动的特点,变形主要集中在其边缘,表现为刚性块体运动特征。在东部,由于稳定的四川盆地(扬子地块)的阻挡,位于龙日坝和龙门山断裂带之间相对坚硬的龙门山地区受到东西向强烈挤压,西部边界为伸展变形;在高原中央腹地羌塘地块西部,由于上地壳物质在向东挤出的驱动下不断变形,沿一系列小型正断层和走滑断层以伸展变形为主,表现为弥散型变形特征。相比之下,羌塘地块的东部向东-南东方向挤出,在大型走滑断层之间形成一个刚性块体;高原南部地块以东西向伸展的南北向裂谷系为主要变形特征,高原南缘以南北向挤压的大型逆冲断裂系为特征。历史地震和仪器记录的大地震(M≥8)只发生在高原东北和东南部的大型走滑带,以及东部和南部边缘的大型逆冲断裂上,沿后者更为频发。到目前为止,高原其他地区只发生了8级以下地震。青藏高原这种分区域的地壳变形形式和地震活动分布是大陆构造变形的重要特征。