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华南东部上地幔速度结构成像与地球动力学意义

王晓冉  
【摘要】:华南东部地区位于秦岭-大别山以南,以雪峰山为界,西侧为相对稳定的扬子克拉通,东侧为构造变形剧烈的华夏板块和扬子板块的一部分,又称为华夏复合造山区,经历加里东、印支两期陆内造山和中新生代西太平洋陆缘复合构造叠加而形成,广泛遭受构造变形与变质作用,以及多期强烈岩浆作用。华南东南沿海大陆架部分,也属于华南陆块的一部分,处在亚欧板块、印度-澳大利亚板块和太平洋板块汇聚拼合部位,受到特提斯构造域和太平洋构造域共同作用的影响,与其相关的地震学研究相对薄弱。关于华南大陆的深部结构研究结果众多,但要么是局限于地壳尺度的速度结构,要么是大尺度的层析成像结果,分辨率不足。对于上地幔速度结构高分辨率的研究结果较少,导致与华南深部结构有关的一些关键科学问题至今得不到解决。如中国南方大陆构造格局问题,华南岩石圈减薄的深部动力学机制和南海的成因与演化及其与华南陆块的关系等。因此,亟待较高分辨率的上地幔的波速结构信息去认识华南的深部动力学过程,促进华南大陆构造与动力学研究的进展。本文应用两种成像方法:(1)利用有限差分走时成像法(Fdtomo)基于华南东部地区200个流动台网数据对华南东部地区上地幔进行三维P波和S波速度结构成像;(2)利用三重震相模拟方法基于95个固定台网数据对华南东部沿海下方地幔转换带进行一维P波成像。在上述获得的上地幔速度结构的联合约束下,结合前人研究结果,通过分析和对比,得到如下结果和认识:1、地壳尺度速度的空间分布与地表构造单元对应较好,盆地对应低速异常区,如江汉盆地和合肥盆地,反映盆地区覆盖了较厚的沉积物质,造山带对应高速异常区,如秦岭-大别造山带和武夷造山带,反应基底岩石抬升或隆起。2、浅部地幔(33km-123km)的速度结构,显示北北东向构造格局,自西向东,高低速条带相间排列;与中国东部中生代以来总体受古太平洋俯冲体制控制的构造环境是协调的。3、中深地幔(203 km-283km)最突出的特征是扬子块体(包括大别山造山带)表现为相对高速异常,而华夏地块总体表现为低速异常。在203km平片上江绍缝合带限定了主体位于华夏地块的连片低速异常的北界。江南造山带的速度介于扬子的高速和华夏的低速异常之间,呈现过渡特征。4、对比13km-83 km平片、163 km平片和203 km-283km平片,速度异常的分布似乎还表现出以下特点:163 km深度是一个重要的地幔结构界限,在这个深度大范围的高速异常和低速异常被打碎,随后进行了重组。以163km深度为参考面,速度结构上下上发生了翻转,对称轴也有大约45°的旋转,速度异常在~83 km是成北西-南东反对称;在203 km-283km深度范围(未破坏的克拉通岩石圈厚度)是南北反对称。5、大别山下方的高速异常体由北向南倾斜,这与前人认为的扬子板块向华北板块下俯冲方向极性相反。6、华南东南沿海大陆架下方地幔转换带内部450 km以深存在厚度为215 km-225 km的高异常体,660km间断面下降5-15 km。现有研究结果支持华南东部中生代以来的岩石圈变形(伸展减薄)主要受控于太平洋板块的俯冲和后撤过程。板片断裂导致的上地幔对流重构,地幔过渡带内板片堆积物的脱水等深部作用,共同构成复杂独特的动力学机制。与华北不同,华南东部可能尚未发生大规模克拉通岩石圈拆沉,或许与华夏地块受多期构造活动扰动影响,未完成克拉通进程有关。华南东南沿海大陆架下方异常厚的高速异常体是最近一次高角度俯冲洋板块滞留于地幔转换带的碎片,或者是不稳定的榴辉岩化的大陆岩石圈坠入地幔转换带中形成的,这两个过程可能连续发生也可能同时进行。该结果为存在于华南大陆东南沿海大陆架下方的隐没俯冲带提供了新的证据。我们认为地幔热动力(如软流圈物质的上涌)是华南大陆由主动大陆边缘变为被动大陆边缘的动力学机制。


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