中下扬子板块及周边地区地壳上地幔结构和构造的地震学研究

【摘要】中国大陆岩石圈山数个块体在不同的时间碰撞,并沿一系列东西走向的缝合带拼合而成,而现今地貌却呈现明显的西高东低的特征。近南北走向的兴安岭-太行山-武陵山南北重力梯度带,横穿北边的阿穆尔板块,华北板块和南边的华南板块,将中国大陆分为东西两个区域。梯度带以东主要发育一系列新生代的拉张盆地,如松辽盆地,华北平原,渤海盆地以及南襄-江汉盆地等。梯度带不仅很好的指示了地表地貌的梯度变化,同时也对应了地下Moho面的起伏。众多地震学研究的结果表明地壳厚度从梯度带以西的40-45km减薄到以东的30-35km。面波和层析成像研究表明东部减薄的地壳下方存在相对低速的上地幔,大量的地质与地球化学研究也表明从晚中生代起华南板块和华北板块的东部发生了地壳伸展、岩浆活动和大规模的岩石圈垮塌事件,但形成这种地壳减薄和岩石圈减薄的机制和成因还存在争议。到目前为上,已提出包括地幔柱、印度板块和欧亚板块的陆陆碰撞、以及西太平洋板块向欧亚板块的俯冲等一系列的模型,用于解释中国大陆内部的动力学机制。本文利用2年(2009-2010)共计131个台站的三分量地震波形数据对中国大陆东南部开展地震学研究。台站分布在中下扬子板块及周边区域。主要采用层析成像和接收函数等技术于段获得中下扬了板块及周边区域地壳上地幔的精细速度和结构信息。包括研究区内510km上方的P波速度扰动和中国大陆东南部下方地幔转换带结构信息,以及台站下方Moho面起伏,这些研究成果为我们更好的理解中国大陆东南部的动力学机制和成因提供了新的依据。主要成果如下：(1)利用2年(2009-1010)564个远震事件(Mw>5.0)在中下扬子及周边地区131个台站的P波初至走时残差,对研究区域下方510km以上的上地幔速度结构进行P波层析成像研究。成像结果清晰的显示了29。N以北的地幔转换带中作为高速体存在的太平洋滞留板片,而29。N以南的地幔转换带区域主要以低速异常为主,指示了太平洋俯冲滞留板片的南界大致在29。N区域。受地幔转换带中太平洋滞留板块的影响,上地幔形成大规模的地幔楔流(BMW),从而整个区域的上地慢速度结构呈现区域低速异常的特征,而高速异常主要集中在南北重力梯度带以西的上扬子板块部分。浅部的地壳速度结构与台站的相对平均残差有很好的对应,大致旱现“南低北高”的速度结构特征,其中江汉盆地和苏北盆地为低速异常区域。同时垂直剖面切片很好的刻画了地幔物质上涌的形态特征,在东西剖面上,N29。以北的区域,包括下扬子板块,秦岭-大别造山带和华北板块,存在明显地幔楔流,即地幔物质从中间大别造山带下方分别向东西两个方向上涌,在南北剖面上,地幔转换带中的太平洋滞留板片阻碍了中下扬了板块及以北区域下地幔物质的直接上涌,使得其南部华夏板块的下地幔物质上涌并向北迁移。(2)计算获得了中下扬了板块及周边地区121个固定地震台站的远震P波接收函数,并利用CCP共转换点叠加方法获得中国大陆东南部下方410km和660km不连续面的起伏,并将不连续面起伏的结果结合全球最新层析成像的P波和S波速度模型估算出研究区内地幔转换带中温度异常和水含量变化。所获得的660km深度的不连续面信息清晰的刻画出中国大陆东南部下方太平洋滞留板片的形态,结果揭示滞留板片的西界和南界的位置分别位于113°E和28.5°N,综合地幔转换带中滞留板片的形状和地表地质构造,说明了中国大陆东部新生代拉张与西太平洋的俯冲以及俯冲带向东迁移是息息相关的。计算结果表明滞留板片区域的温度和水含量都要低于周边区域,这个结果说明“冷”的俯冲板片中大部分的水在进入地幔转换带中之前都已经释放在上地幔中。(3)采用2年(2009-1010)近700个远震事件(Mw>5.0)对中下扬子及周边地区121个台站作P波远震接收函数分析,获取了台站下方的地壳厚度,并结合前人结果获得了整个中下扬子及周边地区的莫霍(Moho)面起伏。从结果中可以看出整个太行山-武陵山重力梯度带以东的华南地区Moho面在东西向呈逐渐抬升的趋势。除了靠近海岸线区域地壳比较薄以外,在内陆地区还存在一个“V”型减薄的二级构造。“V”型减薄的左支为南北走向,从研究区域北边的南襄盆地到江汉盆地,向南一直延伸到华夏板块的华南褶皱带。其右支旱北东-南西走向,减薄区北边为郯庐断裂以东地区,向西南延伸穿过江绍断裂,与左支汇合在华南褶皱带内部。大致以29。N为界,“V”型减薄带的北段,包括左支江汉盆地及以北的南襄盆地,和右支郯庐断裂以东地区,主要受西太平洋俯冲带向东迁移的影响,处于弱应力构造区的盆山结合带和深大断裂区,在张性环境下形成非均匀的分带拉张减薄。而“V”型减薄带的南段,处于构造复杂的华南褶皱带,应力环境的转变可能是形成中国大陆东南部Moho面“V”型减薄的原因之一。山于欧亚板块对菲律宾海板块在台湾岛以南的高角度俯冲,带动了俯冲板片后方的地幔扰流,引起软流圈物质上涌,受菲律宾海板块向西北挤压作用的影响,上涌的热物质向北迁移。同时地壳减薄区与长江中下游成矿带的空间位置有较好的空间对应性。(4)鄂西地区位于兴安岭-太行山-武陵山南北重力梯度带的南段,利用鄂西地区32个宽频地震台站的远震P波接收函数,通过H-K叠加方法估算出各个台站下方的地壳厚度。并采用CCP叠加方法较为精确地获得了三条剖面的莫霍(Moho)面起伏情况。结果很好的显示了在研究区域地壳厚度在水平距离不到20km范围内,从西边的45-50km减薄到东边的30-35km,地壳厚度的剧烈变化,说明很可能存在Moho的垂直错断。减薄的地壳结构不仅存在于东边的南襄盆地和江汉盆地之下,还一直向西延伸到武陵隆起和黄陵块体的内部。地表地形和Moho面起伏之间的非镜像对称结构,不再满足基于艾利(Airy)假说的重力均衡理论,说明减薄区域上方的山区并不是由“由根”支撑的,而是由地壳本身的弯弹(flexure)强度所支持的。同时也说明了下地壳与上地壳变形是解耦的。CCP成像结果显示在武当山下方存在明显的“双Moho”界面,可以理解为由于其下伏原始岩石圈地幔中的物质被来自下层高温和高含水量的地幔物质所代替,从而使得下地壳存在部分的榴辉岩相变。推测正是由于这种下地壳的榴辉岩相变,使得相变的下地壳因密度的改变发生了拆沉作用,从而形成了Moho面阶梯型的陡变。综合上述成果,估算出俯冲带向东迁移和俯冲板片在地幔转换带向西迁移的综合速率约3.3cm/yr,并提出了整个中国大陆东南部岩石圈拉张减薄的动力学模型。第一阶段,太平洋板片向欧亚板片的俯冲在晚白垩(约96Ma)俯冲带开始向东迁移,中国大陆东部由挤压转变为拉张,其下方地幔转换带中太平洋滞留板片的西界指示了南北重力梯度带是太平洋俯冲对欧亚板块影响的西部边界,并造成沿梯度带发生下地壳的拆沉事件；第二阶段,为拉张持续阶段,使得重力梯度带以东的中国大陆发生岩石圈大规模伸展,直至15Ma左右,菲律宾海板块与近东西向分布的日本南部岛弧发生碰撞：第三阶段,菲律宾海板块在台湾岛东北向北俯冲至欧亚板块之下,并发生旋转至欧亚板块和太平洋板块之间。同步地,欧亚板块岩石圈东南部在台湾岛西南和菲律宾海板块对冲,即欧亚板块大致沿马尼拉海沟向菲律宾海板块以大角度俯冲,菲律宾海板块沿菲律宾海沟向欧亚板块大角度俯冲,中间所夹为吕宋岛弧带。导致南中国海板块扩张停止,并在欧亚板块后缘形成地幔扰流,造成中国大陆东南部沿海的地壳减薄。
【作者】黄荣；
【导师】徐义贤；朱露培；
【作者基本信息】中国地质大学，地球物理学，2014，博士
【关键词】中下扬子及周边地区；远震P波层析成像；远震P波接收函数；地壳减薄；下地壳榴辉岩相变和拆沉；V型减薄；滞留板片；温度异常；水含量；动力学模型；

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