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强烈构造区地壳上地幔速度及各向异性结构研究

吕彦  
【摘要】:地壳上地幔是地球板块运动、海底扩张、地震、火山、地热等活动的主要场所。要了解地球的动力学过程,探索地震火山等灾害的发生规律,需要对地壳及上地幔进行深入研究。基于地震波资料通过各种反演方法研究地壳上地幔速度及各向异性结构,在整个地球科学研究中占有重要地位。在过去的数年间,由于宽频带数字地震台站在地球上的覆盖日益密集,全球和区域的台站观测数据较以往有了大量的增加,从而为我们对重点区域地壳上地幔精细结构进行研究提供了有利条件。对于上地幔顶部,在莫霍界面发生临界折射而沿界面传播的Pn和Sn震相是研究该处体波速度结构的关键资料。使用Pn和Sn波走时可以更高的射线密度,对上地幔顶部的速度及各向异性分布获得高精度和高分辨率。对于地壳部分的研究,面波可以提供地壳不同深度的丰富信息。尤其是随着地震噪声互相关技术的发展,利用噪声得到的短周期面波可以为研究地壳浅层结构提供很大帮助。 青藏高原地区是全球最重要的陆陆板块碰撞地区,该区域现代构造运动活跃,构造复杂,是地球科学研究的热点地区之一。印度板块与欧亚板块的碰撞过程还在进行,它对中国西部及周边地区的大地构造有着及其重要的影响。由于地球内部速度及各向异性结构记录了大量板块碰撞行为历史的信息,因此,利用地震层析成像对青藏高原地区上地幔顶部速度及各向异性结构进行反演,对研究板块碰撞及俯冲的特征,研究高原演化过程以及地震分布规律等重要问题具有重要意义。我们对上地幔顶部层析成像方法进行了一定改进,并利用从国际地震中心以及国内台网获得的大量Pn及Sn波走时数据,得到了分辨率高于前人的该地区上地幔顶部地震波速度和各向异性成像模型。反演结果显示,研究区域Pn波的平均速度为8.15km/s,Sn波平均速度为4.6km/s。印度板块、塔里木盆地、四川盆地、柴达木盆地等区域为高速区,阿富汗、云南缅甸以及青藏高原雅鲁藏布江缝合线以北部分区域呈现低速。与火山相关的高温或者部分熔融,是造成阿富汗及云南缅甸地区上地幔顶部地震波低速的原因。在青藏高原地区反演结果支持印度板块岩石圈存在向地幔的俯冲,俯冲过程中热物质的上涌造成在雅鲁藏布江缝合带以北存在明显的Pn及Sn波低速区域。而印度板块的高速及青藏高原内部的低速区,在东西方向上有一定的不连续性,表明印度板块很可能不是以一个整体运动,而是分块以不同的速率及方向运动。Pn波速度各向异性一般认为是由于上地幔物质缓慢流动而造成的橄榄岩晶体的定向排列,它与应力状态、板块运动演化的历史有密切的关系。在印度板块向西北与欧亚板块的碰撞边界地区以及印度板块与青藏高原碰撞的边界地区,均存在快波方向与板块碰撞的边界平行的Pn波各向异性。这很可能是因为板块碰撞区域存在的挤压应力使得上地幔顶部的橄榄岩晶体趋向于沿平行于碰撞边界的方向排列。在藏东川西地区,Pn波各向异性的快波方向呈现北西-南东向,这与该地区GPS观测的大地运动方向一致,表明从青藏高原向东挤出的物质在该区域存在向东南方向的运动,造成橄榄岩晶体沿运动方向排列,该区域Pn波快波方向与SKS快波方向一致,说明该地区岩石圈与深部是耦合的。 伊朗及周边地区是另外一个研究陆陆板块碰撞的重要区域。该地区构造主要受阿拉伯板块与欧亚大陆的碰撞所影响,造成了伊朗高原和扎格罗斯山脉的抬升,并存在与俯冲有关的火山及地震分布,构造活动复杂。为了更好的了解伊朗地区板块碰撞及俯冲的机制和特点,我们利用地震走时对该地区上地幔顶部地震波速度及各向异性分布进行了反演研究。首先我们利用P波走时曲线,拟合得到了伊朗地区地壳参考模型,然后进行反演。该地区Pn波的平均速度为8.0km/s,Sn波平均速度为4.55km/s。在扎格罗斯山脉地区及里海地区,地震波显示明显的高速;在高加索地区、厄尔布尔士地区及伊朗东南部地区,地震波呈现低速。阿拉伯板块海洋岩石圈具有高的Pn及Sn波速度,其前沿到达扎格罗斯缝合线,缝合线以东出现与俯冲相关的低速区。在高加索及厄尔布尔士地区,有明显的上地幔顶部地震波低速区与火山分布相对应,显示上地幔顶部物质存在与火山相关的高温或者部分熔融。各向异性反演结果显示,在高加索地区Pn波各向异性快波方向平行于板块运动方向。该地区的Pn低速显示其上地幔顶部物质可能存在部分熔融,部分熔融的物质易沿运动方向定向排列,从而形成与板块运动方向平行的Pn波各向异性。在里海地区,各向异性结果显示其大洋岩石圈晶体沿板块拉张方向排列。在伊朗微板块与欧亚板块以及阿拉伯板块的碰撞带地区,Pn波快波方向平行于板块碰撞边界及走滑断层方向,这表明垂直于碰撞边界的挤压力以及平行于碰撞边界的拉张作用使得上地幔顶部的橄榄岩晶体趋向于沿平行于碰撞边界的方向排列。 黄石火山是全球最大的火山之一,对黄石火山地区的监测和机理研究是是地球物理工作热点。前人研究发现,在地壳内存在地震波低速层,这表明地壳中可能有岩浆囊的存在,而对地下岩浆存储特征的研究将有助于对该地区整体火山活动性的深入了解。我们利用该地区台站记录的地震背景噪声,通过互相关计算得到短周期面波,根据面波频散数据对该地区地壳浅层结构进行了分析。利用频散曲线反演,我们首先给出了黄石外围地区地壳模型。然后以前人接收函数研究成果为基础,对黄石火山地区地壳浅层横波低速层的具体速度值进行了分析。结果表明,该低速层的横波速度约为1.3km/s,在此模型下,正演得到的面波频散曲线与实际观测曲线最为吻合。此研究也进一步证明了大规模岩浆囊存在于黄石火山地区浅层地壳中的发现。


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