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四川盆地及鄂尔多斯远震体波层析成像研究

王薇  
【摘要】:青藏高原周缘被坚硬的克拉通所包围,其北部为塔里木盆地和阿拉善块体,东部为四川盆地和鄂尔多斯块体,在边界处形成了复杂的接触构造关系,构造活动强烈。四川盆地西侧分布着一系列大型活动断裂,例如龙门山断裂及鲜水河断裂等,历史上发生过一系列中强地震,造成了重大经济损失及人员伤亡。鄂尔多斯块体内部长期以来地震活动性微弱,其周缘地震活动性强烈。因此这些地区一直受到了我国地球物理学领域的重点关注。四川盆地和鄂尔多斯块体在青藏高原物质东向挤出过程中扮演了重要的角色,研究这些地区的上地幔速度结构对于认识青藏高原周缘动力学过程以及探讨地震活动背景具有重要意义。前人在四川盆地及鄂尔多斯地区开展过一系列层析成像研究,但受限于这些地区以往稀疏不均的台站分布,射线覆盖较差,成像分辨率相对较低。四川盆地内部台站较少,以往的研究中通常仅利用固定台站的资料,横向分辨率大多在0.8~°×0.8~°以上,只能分辨出较为粗略的上地幔速度结构;鄂尔多斯块体内部以往同样缺少密集的观测台站,成像结果横向分辨率较低,且对于鄂尔多斯块体下方高速异常的形态分布存在较大的争议,影响了我们对于该地区岩石圈结构及其稳定性的认识。为了进一步研究四川盆地及鄂尔多斯地区的构造演化及动力学过程,近些年来,中国地震局地球物理研究所在这些地区开展了一系列大规模密集流动地震台站观测,这些流动台站的布设大大提高了研究区内的台站密度,为获取更高分辨率的上地幔三维速度结构提供了可能性。中国地震局地球物理研究所吴建平课题组于2014年10月至2016年12月在四川盆地内部布设了25个宽频带流动台站,其观测时间超过了两年。中国地震台阵探测第三期的472个流动台站从2016年开始布设在了鄂尔多斯块体内部及华北克拉通中部块体,极大改善了这些地区以往稀疏的台站分布。本研究充分利用了研究区内新布设的流动地震台站以及已有固定台站的观测资料,使用到了四川盆地地区台站记录到的747个远震事件,以及鄂尔多斯地区台站记录到的404个远震事件,采用远震P波走时层析成像方法,获取四川盆地及鄂尔多斯地区的上地幔三维速度结构。新的成像结果横向分辨率在研究区的大多数地区可以达到0.5~°×0.5~°水平,相较以往的成像结果有了明显提升。本研究在远震体波走时层析成像研究中考虑了浅表沉积层和震源分布不均匀性的影响,成像效果获得了改善。四川盆地及鄂尔多斯地区的沉积层较厚,其影响不可忽略。计算走时残差时基于IASP91模型,但该模型不包含沉积层的速度及厚度,因此计算出的走时残差中可能包含了一定误差。为了减小沉积层带来的影响,本研究从CRUST1.0模型中提取出了研究区的沉积层模型,将其与IASP91模型相结合,以此来校正走时残差,使其包含射线在沉积层内的走时。此外,实际使用到的地震台站及远震分布往往不均匀,尤其远震事件通常在研究区东南方向分布较为密集。这种台站与地震分布的不均匀性导致射线分布不均,最终成像结果会向台站及地震分布密集的方向发生拉伸变形,使得成像效果较差。为了改善台站及地震分布不均带来的不利影响,将包含台站和地震的地区分别划分为一系列网格,通过调整每个台站和地震在计算中所占权重,来减小分布过于集中时对成像结果造成的影响。将上述方法应用于四川盆地及鄂尔多斯地区,获得了上地幔精细速度结构,结合以往的层析成像及其它地球物理学研究成果,对研究区内的构造演化及动力学过程进行了探讨,获得的主要结果及认识如下:四川盆地位于青藏高原以东,其周围分布着新生代以来经历了复杂变形和隆起的山脉。迄今为止,大多数速度模型认为四川盆地下方存在一个很深的克拉通根,坚硬的块体阻挡了青藏高原地幔物质的向东挤压。区别于以前的结果,本文成像结果显示出了向东和向东南倾斜的高速异常,这些四川盆地的高速异常从150 km向东延伸到了上地幔约至400 km深度。我们推测,扬子块体的东南向俯冲发生在中生代,并可能在新生代被重新激活。俯冲产生了四川盆地以东相对较弱的岩石圈,作为青藏高原的东向扩展的响应,湘黔鄂褶皱带和川东褶皱带出现了地表隆起。青藏高原东缘下方局部地区存在向西倾斜的高速异常,它可以解释为岩石圈拆沉。该拆沉现象可能导致了贡嘎山及其周围高海拔山峰的形成,并可能加速了鲜水河断裂带的形成以及青藏高原的横向挤出。在东秦岭造山带下,青藏高原物质的向东挤出并不明显,这表明四川盆地以北的水平向岩石圈挤压较弱。在本研究成像结果中,鄂尔多斯下方存在一较厚的高速异常,其深度在西部约为180 km,北部为100 km,中部及东部的部分地区可达300 km,表明鄂尔多斯块体在整体上仍然保持着克拉通稳定性。鄂尔多斯北部的岩石圈相对较薄,可能与地幔上涌对岩石圈的加热和改造有关。鄂尔多斯西部的岩石圈变薄可能受到了青藏高原东北部相对较热的上地幔物质横向扩张的影响,岩石圈地幔可能已经受到了部分改造。华北克拉通东部、华北克拉通中部和鄂尔多斯块体东北部的上地幔存在大范围的低速异常,这可能与太平洋板片的后撤、滞留板片的脱水以及板片前缘的局部地幔对流造成的伸展构造背景有关。地幔对流向岩石圈底部传递热量,在该地区的伸展背景下,岩石圈或软流圈的熔融物沿着软弱带上涌,形成了包括大同火山在内的火山群。


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