利用背景噪声和地震波数据研究华北克拉通结构和变形特征

发布时间：2020-11-20 17:24

　　 华北克拉通的岩石圈根形成于太古代,是中国最古老的克拉通之一。从中生代以来华北克拉通重新活化并且古老的岩石圈结构遭到了严重的改造和破坏,尤其是华北克拉通东部块体。过去的十几年间很多学者利用多种地球物理和地球化学方法对华北克拉通的岩石圈结构展开了系统的研究,较好地约束了华北克拉通岩石圈减薄和破坏的时空分布,但是对于华北克拉通破坏的具体过程和动力学机制仍有很大的争议。华北克拉通岩石圈减薄的过程伴随着强烈的地壳伸展变形以及大量的火山活动,这些都会被地壳和上地幔的速度异常和各向异性特征记录下来。本文从多个方面对研究区的地壳和上地幔速度结构进行约束,进而研究华北克拉通岩石圈破坏过程及可能的动力学机制。过去的十年间,由于密集台阵在全球范围内的大量布设,基于密集台阵的成像技术也获得了巨大的发展,尤其是基于背景噪声互相关技术的面波成像方法在全球范围内获得了广泛的应用。为了揭示华北克拉通的岩石圈形变特征及演化与岩石圈破坏过程,本文利用华北科学台阵记录的垂直分量连续波形互相关函数进行方位各向异性面波层析成像,来约束地壳和上地幔顶部的三维速度结构和形变特征。结果显示在短周期(面波周期T15s)上地壳的方位各向异性快轴方向大体平行于断层的走向,各向同性部分的速度异常与浅层的地质构造有很好的对应关系。我们的结果同时揭示了中下地壳(T=15-20s)的方位各向异性很弱,前人在该区域的研究也发现了非常强的径向各向异性,这可能是由于在区域地壳伸展的背景下,各向异性成岩矿物,比如云母,近水平向排列产生的。在上地幔顶部(T=30s)我们的结果显示了非常强的方位各向异性,这与中下地壳的结构有非常大的差异,并且在上地幔顶部有比较复杂的各向同性异常模式。我们的研究结果显示华北克拉通下方的岩石圈结构由于遭受了横向非均匀的改造,岩石圈内部同时存在强烈的各向同性速度结构和方位各向异性特征的横向变化。由于体波和面波对地壳上地幔顶部的速度结构的敏感性不同,可以相互补充,本研究将近震体波到时数据和面波频散数据直接进行三维联合反演得到Vp和Vs模型,反演能够同时较好地拟合两套数据。联合反演比单独的体波或面波反演能更好地约束Vp和Vs结构,进一步提升了之前面波或体波单独反演结果的分辨率和可靠性。联合反演结果显示了与区域构造非常强的一致性,浅层速度结构主要受到地表构造单元的控制,山区表现为高速,沉积盆地表现为低速。下地壳速度结构总体表现出以南北重力梯度带为界的东西差异,东部表现为高速,西部表现为低速。联合反演得到的精细地壳速度结构模型能够帮助我们更好地理解区域内的地质结构和演化历史,并且能为全波形反演提供更好的初始模型。目前普遍认为华北克拉通破坏主要是由古太平洋板块的向西连续俯冲导致的,目前古太平洋板块滞留在地幔转换带。为了研究古太平洋板块俯冲对华北克拉通演化的影响,需要首先确定古太平洋板块俯冲对地幔转换带的影响以及410km和660km间断面结构的横向变化。这里我们利用背景噪声干涉方法研究地幔过渡带间断面结构。在本研究中,将密集台阵观测和相位加权叠加技术结合,同时矫正了三维地壳和地幔的速度变化对走时的影响,利用共中心点叠加技术获得了 410km和660km间断面结构的横向变化。我们对比了研究区域内背景噪声干涉法的结果和远震接收函数的结果,两种不同的方法都显示410km间断面在研究区域的东北部更浅,在西南部更深。660km间断面的总体特征与410km间断面类似,但是更加复杂。两种不同方法结果的相似性证明了我们这种方法的可靠性。此外,P410P和P660P的振幅比在不同的区域也显示出不同的变化,这可能意味着两个间断面的厚度可能存在横向上的变化。本论文从多个角度对华北克拉通地区的地壳和上地幔结构进行研究,本研究的结果对我们理解古太平洋板块西向俯冲对华北克拉通演化的影响以及约束中生代-新生代克拉通岩石圈破坏减薄过程中地壳如何变形和壳幔相互作用提供了新的观测约束。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P631.4
【部分图文】：

?第１章绪论???第１章绪论??１．１华北地区构造背景??克拉通是指自形成以来一直保持稳定的古老大陆岩石圈，包括包括地壳和??巨厚的下覆地幔岩石圈（Ｆｏｌｅｙ，?２００８）。华北克拉通面积约１，５００，０００平方公里，是??中国最大，也是最古老的克拉通之一，主要包含华北大部分地区、内蒙古、东??北地区的南部和黄海北部。??７０°?８〇?９０?１００?１１０?１２０?１３０???

Ｚｈｕｅｔａｌ．，２０１２ｃ；郑永飞等，２０１８）：?（４）古亚洲洋的闭合以及中蒙块体与西伯利??亚板块的碰撞（Ｄａｖｉｓｅｔａｌ．，２００１）；?（５）印度板块与欧亚板块的碰撞（Ｍｅｎｚｉｅｓｅｔａｌ．，??１９９３）。几乎所有华北克拉通周边的显生宙重要构造事件（图１．３）都可能与华北??克拉通的破坏有潜在的联系。但是基于华北克拉通破坏的时空分布以及和构造活??动的时空关系分析，大家比较认可的一种是古太平洋板块的俯冲导致了华北克拉??通的破坏（Ｃｈｅｎ，?２０１０；?Ｚｈｕ?ｅｔ?ａｌ．，?２０１２ｂ；郑永飞等，２０１８）。Ｃｈｅｎ?（２０１０）综合研宄??了高分辨率地震成像剖面、地表地质观测、区域地质构造和地幔动力学特征发现??在南北重力梯度带两侧的地壳和岩石圈的结构和厚度以及上地幔间断面的深度??和地幔转换带的厚度存在一致的剧烈变化。这种由浅至深的结构一致性可能反映??了在显生宙华北克拉通活化的过程中南北重力梯度带的东西两侧隶属于完全不??同的构造域，岩石圈和地幔经历了不同的构造过程。由于地幔转换带的结构主要??是受到滞留的古太平洋俯冲板片的影响，此外地质、地球化学和岩石学也揭示了??两者之间有非常好的时间一致性（Ｒｅｎ?ｅｔ?ａｌ．，?２００２；?Ｗｕ?ｅｔ?ａｌ．，２００５；?Ｘｕ?ｅｔ?ａｌ．，?２００４；??吴福元等，２００８），这种时空分布一致性暗示着古太平洋板块的俯冲可能是华北??克拉通破坏的最重要的诱因。??５??

、华南陆块华北克■?＿ｙ，??＾Ｅ??图１．３．对华北克拉通演化有重要影响的周边主要的构造带以及与周边板块之间的关系（引??自郑永飞等（２０１８））??华北克拉通的形成演化受到多期地质构造活动的影响，对于华北克拉通破坏??可能的动力学原因前人提出了多种假设，其中主要包括：（１）扬子板块与华北克??拉通的碰撞以及北向俯冲（Ｚｈａｎｇ，２００７）；?（２）地幔柱引起的地幔温度升高（Ｄｅｎｇｅｔ??ａｌ．，?２００４）；?（３）古太平洋板块的西向连续俯冲（Ｇｒｉｆｆｉｎ?ｅｔａｌ．，１９９８；?Ｓｕｎ?ｅｔａｌ．，２００７；??Ｚｈｕｅｔａｌ．，２０１２ｃ；郑永飞等，２０１８）：?（４）古亚洲洋的闭合以及中蒙块体与西伯利??亚板块的碰撞（Ｄａｖｉｓｅｔａｌ．，２００１）；?（５）印度板块与欧亚板块的碰撞（Ｍｅｎｚｉｅｓｅｔａｌ．，??１９９３）。几乎所有华北克拉通周边的显生宙重要构造事件（图１．３）都可能与华北??克拉通的破坏有潜在的联系。但是基于华北克拉通破坏的时空分布以及和构造活??动的时空关系分析，大家比较认可的一种是古太平洋板块的俯冲导致了华北克拉??通的破坏（Ｃｈｅｎ
【参考文献】

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本文编号：2891748