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宽频地震的远震接收函数方法与地壳上地幔结构研究

王攀  
【摘要】:地质学中板块构造理论能很好解释大洋岩石圈的运动规律,但由于大陆岩石圈和大洋岩石圈在物质组成和流变结构上的差异,板块理论在解释大陆内部变形中遇到重大挑战,从而孕育了研究大陆内部变形机制的大陆动力学。当前地球科学研究中另一个前沿课题是要获得大陆岩石圈的精细结构。详细的地壳上地幔结构,是研究大陆动力学和大陆岩石圈详细结构非常重要的线索。作为观测地球内部结构有效方法之一的地震学,板块理论遇到的挑战成为地震学发展重大机遇。近几十年的发展,利用远震体波散射转换波研究地球内部结构的接收函数方法,已经成为研究地震台站下方地壳上地幔精细结构的常用有效方法之一。 中国大陆由多块体拼合而成,多期构造活动叠加,现今受印藏碰撞和西太平洋俯冲两个构造域影响形成了一系列大陆内部弥散变形带。强烈构造变形地区复杂的地壳上地幔结构,对研究方法提出更高的要求。因为,只有提高观测技术和观测资料的分析方法,才可能在科学研究中对问题的本质有更进一步的认识。作为本论文重要工作之一就是研究并改进接收函数方法,提出接收函数的上行H-k叠加减小倾斜Moho对常规H-k叠加结果的影响;首次应用地震波的偏振分析到接收函数研究,以提高震相截取精度和增强转换信号;在CCP叠加中运用横向滑动窗,有效增加CCP叠加中的射线覆盖率和横向分辨率。同时将这些方法应用于以下热点研究地区的地壳上地幔结构研究。 云南西南部的思茅、哀牢山和红河断裂一带受印藏碰撞影响,地壳结构复杂。在滇西南地区的接收函数研究中,采用上行H-k叠加方法校正了倾斜Moho对叠加结果的影响,获得滇西南地区可靠的Moho深度和地壳平均波速比分布,为青藏高原隆升导致的地壳物质向东南逃逸的研究提供更进一步的资料。 从古生代到中生代,渭河地堑及邻区受多期强烈挤压构造,在新生代受印藏碰撞远程效应影响构造体制转为拉张,继而形成渭河地堑。渭河地堑及邻区接收函数的分析结果表明,对有巨厚沉积层的盆地,P波接收函数结果被盆地复杂结构干扰,S波接收函数基本不受影响。从S波接收函数的CCP叠加剖面揭示了渭河地堑及邻区详细的地壳结构,Moho横向变化显著,深度在~20-50kmm,在不同的构造单元一致向南倾斜。在渭河地堑两侧的Moho变化最为剧烈,出现Moho隆起、错断、重叠。得到的地壳结构表明新生代之前强烈的挤压构造作用导致下地壳和上地幔顶部发育大型逆冲构造,新生代深部构造对印藏碰撞远程效应和构造体制转换的响应有限。印藏碰撞远程效应导致的地壳伸展是建立在新生代之前的强烈挤压构造之上,伸展作用非常有限,仅限于渭河地堑,对地堑两侧的构造和Moho以下的构造几乎没有影响。 克拉通作为构成大陆最古老的地质单元,其岩石圈结构对研究大陆形成和太古代的构造活动有深远意义。本论文在华北克拉通南缘的接收函数研究表明,该地区仍有巨厚岩石圈,其深度达到~380km。华北克拉通的西部块体稳定,在其内部~120-200km深度有厚~80km的部分熔融带。华北中间造山带和东部块体受到的中生代克拉通破坏影响有限,~80-200km深度的岩石圈受克拉通破坏影响发生部分熔融,在~200-380km深度保存了太古代岩石圈的残留体。研究结果揭示该太古代岩石圈残留体的内部结构,其底部发生非常有限的条带状部分熔融,并且保存了一条从西部块体上地幔顶部延伸到东部块体底部的高地震波速板片,解释为早元古代俯冲板片,表明早元古代东西块体之间的俯冲是自西向东的低角度俯冲。为研究古老大陆的形成,克拉通的岩石圈结构以及形成,演化,和活化破坏等相关动力学过程提供了非常详细的资料。 通过改进接收函数的应用方法,本论文工作获得以上研究热点地区详细的地壳上地幔结构,同时分析了相关的变形机制和动力学过程。得到了由印藏碰撞及其远程效应引起滇西南和渭河地堑地区的地壳变形,华北克拉通岩南缘的石圈分层结构,等方面新的认识,为大陆动力学研究提供更多深部构造资料。


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