岩石圈地幔分层性对克拉通稳定性的影响

克拉通是大陆岩石圈中长期稳定存在的古老构造单元, 通常被相对年轻的活动带所包围, 二者之间岩石圈厚度的横向差异会诱发边界驱动地幔对流.近年来, 越来越多的证据显示克拉通岩石圈地幔内部存在成分和结构的垂向分层性.在边界驱动地幔对流的环境中, 岩石圈地幔分层性如何影响克拉通的稳定性仍然不清楚.本文利用二维热-力学数值模拟方法, 系统探讨了在边界驱动对流作用下, 克拉通岩石圈地幔密度和黏度的垂向分层性以及中岩石圈不连续面(MLD)的分布样式对克拉通稳定性的影响.模拟结果显示: (1)当克拉通岩石圈内部不存在MLD时, 即使克拉通具有密度分层的岩石圈地幔, 克拉通岩石圈减薄的水平范围也是有限的(＜100 km), 且主要发生在克拉通边缘处; (2)当克拉通岩石圈内部存在一层连续的MLD时, 克拉通岩石圈减薄的水平范围随着克拉通下层岩石圈地幔密度的增加而增大, 岩石圈地幔的减薄方式随着其强度的增加从缓慢丝状剥离转变为快速块状拆沉; (3)当克拉通岩石圈内部存在一层不连续分布的MLD时, 分段MLD之间的间隙可以有效延缓岩石圈地幔的减薄, 间隙越稀岩石圈减薄越快, 反之亦然, 减薄方式表现为: 早期缓慢丝状剥离, 中后期快速块状拆沉.华北克拉通破坏持续时间长(＞100 Ma), 破坏的峰期集中在早白垩世(130~120 Ma), 且现今东部陆块岩石圈破坏的前缘位置与华北中部造山带下方MLD的东端对应.根据模拟结果, 我们推测华北克拉通破坏的时空范围主要是由岩石圈地幔分层性和MLD不连续分布引发的岩石圈地幔逐段拆沉所导致.

     

郯庐断裂渤海湾北段地震活动及其指示意义

郯庐断裂渤海湾北段纵贯辽宁省,现今仍然活动,1975年海城M_S7.3地震就发生在该断裂系统上.利用2005年5月至2006年4月布设的渤海湾流动地震台阵观测数据,结合辽宁省固定地震台网数据,重新拾取了780个区域小地震,并使用双差地震定位方法获得了546个地震事件的定位结果.通过自助法得到双差定位的平均水平误差和深度误差分别为1.5和1.9 km.结果显示在观测周期内,郯庐断裂渤海湾北段主断裂地震不活跃,但是主断裂东侧的海城河断裂和太子河断裂小震沿断裂呈条带状密集分布.利用gCAP（general Cut and Paste）方法计算了区域地震震源机制解,选取出4个可信的震源机制解;综合前人已有结果,认为研究区的小地震震源机制主要以走滑与正断为主,与区域构造应力场吻合良好.海城河和太子河断裂的地震活动深达中下地壳,结合热流数据和岩石物理实验,推测研究区中下地壳由干燥的镁铁质岩石组成.

     

阿尔金断裂西部邻区的上地幔各向异性研究

本文利用横波分裂方法对北京大学于田流动台阵记录的SKS震相进行分析,获到了阿尔金断裂西部及邻区的上地幔各向异性参数.分析结果显示,快波偏振方向在整个研究区基本呈近E-W向,与研究区内阿尔金断裂的走向几乎一致,分裂延迟时间在0.93~1.20 s之间.综合研究区附近前人横波分裂研究结果,我们认为,在印度和欧亚大陆板块碰撞作用下,青藏高原北部上地幔软流圈物质向北流动,遇到塔里木盆地"克拉通"较厚岩石圈阻挡并发生了旋转,向东西两侧流动,导致在青藏高原和塔里木盆地边界地带软流圈上地幔橄榄岩中晶格沿近E-W向优势排列.这一模式显示阿尔金断裂可能是一个岩石圈尺度的大型走滑断裂:它既控制近地表的上地壳构造运动,同时也影响了上地幔软流圈物质的流动.另外,在向塔里木盆地内部延伸的台站也观测到显著的各向异性和近E-W向的快波偏振方向.这些结果表明塔里木盆地"克拉通"岩石圈的中、下部分在南部边界被青藏高原北部上地幔软流圈流动"热侵蚀"而损失一部分,导致青藏高原软流圈向东西两侧的流动已经延伸到塔里木盆地内部.本文的研究结果揭示克拉通岩石圈"活化"不仅可以在垂直方向发生(如,岩石圈拆沉或软流圈上涌导致的热侵蚀),也可以在水平方向上发生,即软流圈的水平流动对克拉通岩石圈边界的热侵蚀作用.     

藏南地区中深源地震精确定深研究及其地球动力学含义

利用2004～2005年Hi-CLIMB计划架设在藏南日喀则附近由28台宽频带数字地震仪组成的二维台阵的地震记录,应用双差层析定位方法(TomoDD)对454个区域地震进行了精确重定位,共确定了340个地震的精确位置.发现区域震源深度呈明显的双层分布,其中有21 个地震的深度在50～80 km之间,与该地区的莫霍面深度相近.通过不同深度震源的理论地震图与实际地震图对比的方法,发现震源位置位于莫霍面上下地震图的震相存在明显差异,从而给出了存在地幔地震的直接观测证据.这一发现,对长期争论的地幔地震是否存在及大陆岩石圈流变结构的“三明治”模型有重要参考意义.     

俯冲构造vs.地幔柱构造——板块运动驱动力探讨

板块构造是指地球外壳岩石圈块体在地球表面的(水平)运动及其相互作用.自50年前板块构造理论建立以来,对板块运动的动力来源这一问题一直存在争议.早期的观点认为是"自下而上"机制,即板块运动受控于板块之下的地幔对流系统,特别是起源于核幔边界的地幔柱作用于板块底部,促使大陆裂解,并驱动板块运动.而现今较为普遍接受的观点则是"自上而下"机制,即认为板块运动的驱动力主要来源于板块自身的负浮力(即重力大于浮力),板块构造和地幔对流均受控于板块的俯冲作用,因此板块构造又被称为俯冲构造.这一观点得到了众多地质和地球物理观测的支持.进一步研究表明,个别板块增速、减速与单一地幔柱活动在百万年时间尺度具有耦合关系;多个板块内稳定克拉通地区地表隆升、沉积速率与地幔柱相关的岩浆活动在亿年时间尺度存在时空相关性;而全球范围的超大陆聚合、裂解与超级地幔柱活动在二十亿年以来的地质历史时期表现为周期性耦合关系.这些不同时空尺度的耦合现象均表明,板块构造与地幔柱构造在地球演化过程中是紧密联系、相互作用的,地幔柱构造对板块运动产生了不可忽视的影响.因此,需要将板块构造和地幔柱构造这两大地球构造体系加以联合,开展综合分析与研究,才能获得对板块构造和整个地球动力系统运行机制的全面认识.     

SsPmp震相地壳探测方法

SsPmp波是远震S波经地表反射转换的P波在莫霍面发生反射后被地表台站接收得到的震相.震中距在30°~50°之间的远震S波震相经地表反射转换的P波射线参数较大,在莫霍面发生全反射,使得台站接收的SsPmp波具有较强的能量,能够从地震记录中清楚地识别出来,为探测台站附近的莫霍面形态提供新的途径.本文通过合成理论地震图分析了SsPmp震相与地壳厚度、射线参数和Pn波速度之间的关系.结果表明:对于水平界面,地壳厚度只影响SsPmp与Ss波之间的相对到时差;Pn波速度只影响SsPmp的相位;射线参数既对SsPmp波的相对到时有影响,也会引起SsPmp波的相位变化.对于复杂的界面,SsPmp反映的深度与速度梯度最大的深度接近,而反映的Pn波速度与实际的Pn波速度一致.     

峨眉山大火成岩省的岩石圈结构: 对地幔柱-岩石圈相互作用的启示

峨眉山大火成岩省位于扬子克拉通西缘, 是中-晚二叠世峨眉山古地幔柱头熔融的产物。因此, 该区岩石圈结构特征对于揭示地幔柱-岩石圈相互作用方式与机制具有重要的指示意义。本文基于COMPASS-ELIP宽频带地震台阵资料, 开展S波接收函数成像研究, 并与同剖面远震S波有限频层析成像、区域面波层析成像结果进行对比分析, 识别了沿剖面岩石圈内部主要间断面, 从而获得了峨眉山大火成岩省岩石圈结构的横向变化特征。结果显示, 相对中带和外带, 内带具有地壳增厚(增厚15~20km)、岩石圈减薄(减薄~50km)现象, 且岩石圈地幔具有高速、分层特征, 但下层底界面转换波震相并不明显; 中带岩石圈厚度大(~170km), 局部地段岩石圈-软流圈边界(LAB)缺失, 对应位置存在地幔低速异常; 外带岩石圈厚度略小(~150km), 中带和外带均发育岩石圈中部不连续面(MLD)。结合地球化学、岩石学、物理/数值模拟等研究成果, 本文推测上述特征记录了古地幔柱作用引起的不同程度岩石圈变形: 地幔柱在内带以纵向作用为主, 通过热-动力冲击方式造成岩石圈大幅度快速减薄, 地幔柱头高程度减压熔融, 产生的大规模岩浆穿透岩石圈地幔, 在地壳发生底侵和内侵, 部分喷出地表形成溢流玄武岩; 地幔柱在中带以横向作用为主, 通过底部剪切引起岩石圈地幔横向伸展, 甚至造成局部撕裂, 在撕裂部位进一步引发热-化学侵蚀并导致岩石圈破坏; 地幔柱在外带以垂向拖曳为主, 造成岩石圈的局部拆沉而减薄。此外, 内带下方地幔的高速、分层特征, 可能指示经历地幔柱作用减薄后的岩石圈, 减薄产生的岩石圈空区因捕获地幔柱头熔融残留物而得到一定程度愈合, 而受地幔柱改造后的残存岩石圈, 因经历大量熔体抽取更加亏损而得到强化。综上, 本文揭示的峨眉山大火成岩省岩石圈结构, 为进一步理解地幔柱-岩石圈相互作用的方式与机制提供了新的地球物理观测证据。

     

塔里木盆地南部上地幔各向异性研究

塔里木南缘位于塔里木块体同青藏高原碰撞的前缘,是认识青藏高原同周围块体相互作用的重要位置.横波分裂方法可以获得岩石圈及软流圈地幔的介质各向异性特征,进而探讨岩石圈变形和地幔流动.本文利用横波分裂方法对中国科学院地质与地球物理研究所、北京大学和南方科技大学联合布设在塔里木盆地南部的8个宽频带流动地震台站记录的SKS和SKKS震相进行分析,获得了塔里木盆地南部上地幔各向异性参数.分析结果显示,研究区快波偏振方向总体比较一致呈近东西向,但存在盆地边缘到盆地内部变化,而慢波延迟时间分布在0.3~1.5 s,差异较大.综合前人对青藏高原北缘和阿尔金断裂周边的横波分裂研究结果,研究区内大部分地区地幔流动方向和绝对板块运动方向保持一致,推测青藏高原北缘同塔里木盆地接触带,青藏高原北缘软流圈南东东向流动对塔里木块体下方地幔流动造成扰动,随着深入到塔里木块体内部,干扰越来越弱;同时青藏高原北部软流圈物质可能对塔里木盆地岩石圈产生影响,随着地幔软流圈物质持续向北运动逐渐冷却,对盆地内部岩石圈的影响程度减弱.

     

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10~100 s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.     

青藏高原深部地球物理探测70年

青藏高原是全球海拔最高、规模最大、时代最新的陆-陆碰撞造山带.几十个百万年以来高原隆升、喜马拉雅山系崛起是地球演化史上最为壮观的构造事件之一.青藏高原壳幔结构和深部过程备受国内外地球科学家关注.近七十年来的地球物理研究与探索表明:(1)青藏高原地壳巨厚,岩石圈较薄;(2)壳内存在软弱层,但厚度和联通性有限;(3)高原下地壳及Moho面广泛发育叠瓦状反射特征,存在明显的脆性变形;(4)喜马拉雅和拉萨块体南部存在双Moho现象/迹象;(5)印度大陆岩石圈向高原下方俯冲的形态存在显著的东西向差异;(6)高原主体上地幔各向异性以NEE向为主;(7)青藏高原布格重力异常四周高、中间低,异常场边界与地形梯度变化密切相关;(8)高原内部磁异常较弱,周边地区较强,其分界与区域构造边界基本一致;(9)青藏高原水热活动强烈,大地热流值高,主要来自加厚地壳的贡献.但是,有关青藏高原深部过程,诸如是否存在中/下地壳流、印度与欧亚大陆岩石圈的俯冲模式等重大科学问题目前仍存在争议.青藏高原地球物理和动力学研究是一个复杂的系统工程,以科学问题为导向,结合国家重大需求,在关键区域组织实施综合地球物理探测,可望在地学领域取得创新与突破.