青藏高原东北缘与西缘地壳结构及其对高原生长机制的制约

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新生代以来印度与欧亚板块汇聚碰撞造就了地球上最宏伟的喜马拉雅-青藏高原造山带。地质学研究表明自两大板块碰撞以来,至少有上千公里的南北向缩短量被该造山带所吸收,形成了号称“世界屋脊”的喜马拉雅和地球上最大的高原——青藏高原。地球科学家围绕青藏高原的侧向挤出、缩短增厚及下部岩石圈物质的“消失”三个重要科学问题就其动力学和生长机制提出了一系列动力学模式,按其主要机制可分为双层地壳模式、构造挤出模式、连续变形模式、下地壳流模式、双层楔板模式及多因素驱动模式等。相对于平坦开阔的青藏高原中部,青藏高原东北缘尚处于构造变形的初级阶段,是研究高原侧向生长机制的最佳场所;青藏高原西缘南北向跨度仅相当于中部的1/3,印度与欧亚两大板块在此强烈汇聚,是研究陆-陆碰撞过程和高原隆升机制的理想之地。为此,本论文基于青藏高原东北缘和西缘两条综合地球物理探测剖面,利用接收函数与环境噪声成像等方法研究地壳结构,并探讨其对高原生长机制的制约。  接收函数与环境噪声成像方法是探测地球深部结构的有效手段。接收函数方法通过快速的波形剥离可以有效获得研究区下方速度间断面信息;环境噪声成像方法不需要等待地震或使用人工源爆破,可获得高分辨率的近地表或地壳绝对S波速度结构。前者对介质的绝对S波速度值不敏感,但对速度界面敏感,后者与之相反,可联合反演更好的约束研究区下方深部介质结构。  综合东北缘剖面的研究结果及该区已有的资料,显示昆仑断裂为一条重要的走滑断裂,莫霍面沿其走向存在东西向差异:西部位于柴达木盆地与昆仑造山带接合带下方莫霍面存在约15km的错断,而在东部昆仑断裂带下方表现为平缓抬升向北延伸入柴达木-昆仑块体。总体来看,青藏高原东北缘莫霍面形态表现出由东向西、由北向南逐渐加深的趋势。本文获得的地壳S波速度结构在昆仑断裂两侧也存在明显差异:南侧松潘-甘孜块体下方中下地壳观测到明显S波低速异常,该剖面人工源宽角反射地震获得的P波速度值偏低(相对于全球平均地壳P波速度)及接收函数获得的纵、横波速度比偏高,综合分析认为地震波低速由部分熔融造成,可能与下地壳流有关。北侧柴达木-昆仑块体未发现明显的S波低速异常,且纵、横波速度比偏低,地壳泊松比偏小,推测地壳组分整体偏长英质,可能为上地壳增厚所致。  青藏高原西缘TW-80剖面的研究结果显示,自南向北莫霍面具有分区特征,该分区特征与地表主要走滑断裂带的分布具有较好对应,暗示该区主要走滑断裂向下延伸至上地幔项部。接收函数显示该区不存在中下地壳低速区,该观测不支持青藏高原西缘存在“地壳流”这一软弱层,指示该区变形方式以南北向挤压缩短引起的垂向增厚为主。综合本文结果及青藏高原西缘已有的研究资料,共可组成四条横跨青藏高原西部的地球物理探测走廊。从其莫霍面形态来看,东经81°以西,地表主要走滑断裂带(喀喇昆仑断裂、龙木错断裂及阿尔金断裂)下方,均观测到明显的莫霍错断;而81°E以东,莫霍面仅在阿尔金断裂带下方发生错断。本文另一个重要发现为班公湖-怒江缝合带以南观测到“双莫霍”特征且夹层的S波速度值偏高;在TW-80剖面东侧85°E附近,Hi-CLIMB研究计划同样观测到类似“双莫霍”特征,但仅限于拉萨块体南部;再往东87°E附近,Schulte-Pelkum等(2005)利用HIMNT台网观测发现在青藏高原南部向北俯冲的印度下地壳发生约30%的榴辉岩化。综合这些结果分析认为:本文观测的“双莫霍”特征为印度板块向北俯冲过程中,下地壳发生榴辉岩化在莫霍面之上形成的速度间断面,暗示在青藏高原西缘印度地壳可能俯冲至班公湖-怒江缝合带附近。榴辉岩化过程受地壳内含水流体的影响,该剖面大地电磁观测到的低电阻率结果也支持上述推论。  对比青藏高原西缘与东北缘的研究结果及已有的研究资料,可以看出以81°E为界,青藏高原西缘与东部地壳变形方式存在明显差异:西缘变形以挤压缩短引起的垂向增厚为主,而东部中下地壳可能存在下地壳流,发生塑性变形,致使地表断裂延伸到一定深度应力发生弥散;东北缘昆仑断裂以南松潘-甘孜块体可能存在下地壳流,而以北观测到低的泊松比,可能为上地壳增厚所致。
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