中国大陆构造活跃地区地壳结构研究

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作为固体地球的最外圈层,地壳内部的结构和物质组成与人类的生存和社会的发展息息相关。探测地壳精细结构,可以帮助提升人们监测地震灾害及认识地球演化规律的能力。目前中国地震灾害频发、地球科学相对落后,需要更加准确和更高分辨力的地壳精细结构数据作为基础,来研究震区孕震结构,探索震源物理机制和约束地球动力学演化过程。华北克拉通和青藏高原造山带是中国大陆地震活动频繁的构造活跃地区,也是研究古老克拉通破坏和新生代造山运动等大陆演化动力学过程的天然实验场。研究这些区域的地壳和岩石圈的结构,对于认识这些区域的动力学构造,以及地震孕震机制,理解稳定克拉通的破坏机制和大陆动力学机理都起着极为重要的约束。本文利用中国数字化地震台网和青藏高原Hi-CLIMB与INDEPTH台阵提供的远震波形,近震走时,地震背景噪声等多方面资料,使用远震接收函数,体波和地震背景走时成像,面波体波联合反演等多种技术方法,对古老的华北克拉通和年轻的青藏造山带这两处中国大陆构造活跃地区的地壳结构进行了深入的研究和分析。  依托中国地震局2008年新投入使用的全国数字化地震观测网络,本文获得比以往研究更加丰富数据,包括更多新建台站的远震体波数据、更丰富的地震到时数据和首批高精度的地震背景噪声短周期面波数据。本文使用的研究方法比以往研究有了一定改进:本文改善了远震接收函数的地壳厚度-波速比搜索方法,改进了共转换点叠加方法和提出了适用于复杂地壳结构的自动聚簇虚拟台站法,体波层析成像时使用了更细密的3维网格,将背景噪声面波频散资料和体波接收函数数据进行联合反演。本文获得了更加全面的华北克拉通和青藏高原东缘的地壳厚度和平均泊松比分布,更加精细的华北地区P波和S波速度结构、青藏高原东缘和INDEPTH台阵下方S波速度结构,以及青藏高原中部地区Hi-CLIMB和INDEPTH台阵下方壳内结构图像。  本文工作主要获得了以下具体认识:  1.华北克拉通地壳厚度大范围减薄已经到达南北重力梯度带附近,在克拉通南部,减薄进一步延伸到西克拉通的渭河裂谷盆地。环绕鄂尔多斯的裂谷盆地的地壳中可能普遍发生了部分熔融现象。太行山南北两段附近地壳结构迥异可能正在经历着不同的地质过程。在地表到10km深度,波速结构与构造关系十分密切,呈现出高度的对应关系,表现为随结晶基底埋深加深波速降低的特点;在15km以下的地壳深部,波速结构与构造的关系已经十分微弱,各个次级地堑地垒之间的差异消失。  2.喜马拉雅地块地壳呈现躺倒的S型结构,拉萨地块地壳内部整体呈现W型波动状结构,羌塘地壳在复背斜中心下方,直到地幔深度整体呈现拱形结构。雅鲁藏布缝合带下方,壳幔分界面清晰,地壳主要向北部增厚,同时存在向东部倾斜。班公怒江缝合带附近百公里范围内地壳结构变化异常剧烈,不存在水平成层结构,可能是羌塘块体跟随消失的洋壳俯冲在拉萨块体之下,同时可能存在地幔物质沿俯冲带上涌导致部分熔融发生,导致了拉萨北部的超低速异常体和缝合带下复杂地壳结构。  3.汶川地震和芦山地震均发生在地壳波速结构和地壳厚度剧烈变化的地区。由于龙门山两侧巨大的地形高度差异,以及地壳厚度的差异所产生的重力势作用,加上龙门山两侧突然的剪切波速度变化所体现的地壳强度的差异,构成了汶川地震和芦山地震的孕震背景。龙门山南部高泊松比地壳可能发生侧向变形并吸收部分应变能,而更高的摩擦系数使之更加不容易产生断层错动,这可能是汶川地震及其余震避开了龙门山南段区域,留下一部分未破裂区域的原因。而随着应变的继续积累,加上由于汶川地震的松弛效产生的库伦应力场,从而导致了5年后芦山地震的发生。  本文获得的华北克拉通和青藏高原地区地壳精细结构为华北克拉通演化和破坏,青藏高原动力学演化和形变机制,龙门山地区南北段孕震环境异同,华北地震精定位等基础问题和科学问题,提供了新的地球物理学支持。  
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