长江中游地区壳幔横波速度结构及各向异性研究

发布时间：2020-05-13 12:02

【摘要】：长江中游及周边地区是中国地质过程复杂多样、地质资源丰富、地质灾害频发的重点区域,该区域是特提斯与太平洋叠加的大地构造域,在地球科学领域具有举足轻重的国际地位。该区域是研究江汉盆地及其周缘山系的盆山耦合和动力学演化过程、华北华南板块的碰撞模式及超高压变质岩的折返机制等地球动力学过程的重要区域。前人在长江流域及其邻区已开展了大量研究,取得了一系列研究成果,对其构造演化过程及机制等问题取得了许多新的认识。与此同时针对长江中游及周边区域的地壳上地幔横波速度及径向各向异性结构的研究仍存在一些模糊之处。本文利用布设在长江中游及周边区域的中国国家地震台网、区域地震台网以及流动地震观测台阵142个台站记录的三分量连续波形数据,利用背景噪声面波层析成像技术结合远震面波层析成像技术获取研究区瑞雷/勒夫面波群速度/相速度结构以及瑞雷面波H/V。采用贝叶斯-蒙特卡洛方法联合反演瑞雷/勒夫面波群、相速度频散曲线与瑞雷面波H/V,构建了长江中游及周边区域的地壳上地幔横波速度结构以及40公里深度以内的径向各向异性结构。旨在为该区演化动力学研究提供地球物理依据。本文的主要研究内容及成果如下:(1)研究区瑞雷/勒夫面波群、相速度结构及瑞雷面波H/V结构。基于三分量地震连续波形数据,利用背景噪声层析成像技术结合远震面波层析成像技术及瑞雷面波H/V测量方法,本文获取了研究区8~30秒的瑞雷/勒夫面波群速度、8~80秒的瑞雷/勒夫面波的相速度结构及8~30秒的瑞雷面波H/V结构。(2)研究区地壳上地幔横波速度及径向各向异性结构。联合反演瑞雷/勒夫面波群、相速度频散曲线以及瑞雷面波H/V,本文构建了长江中游及周边区域的地壳上地幔横波速度结构以及40公里深度以内的径向各向异性结构。在上地壳(~10km),江汉盆地主要呈现低速异常及正径向各向异性。大巴山西北部、武陵隆起附近区域以及东秦岭-大别造山带呈现高速和弱负各向异性特征。在中地壳(15-25km),大巴山的西北和东南两翼高速特征与大巴山横波速度差异逐渐减小,推断东西两个坚硬块体是引起大巴山隆起、阻隔青藏高原向东扩展与西太平洋向西伸展的重要因素;在下地壳及上地幔(25-50km),横波速度结构显示扬子板块呈现地壳厚度“V”型减薄。在岩石圈地幔中(50-80km),横波速度则呈现西高东低的特征,暗示东部岩石圈厚度为70-80公里左右。(3)江汉盆地及周缘造山带的盆山耦合关系。江汉盆地东西向剖面和南北向剖面的速度结构和径向各向异性结构存在明显差异,揭示了不同的盆山协同演化过程。在东西方向上,受控于印度-欧亚碰撞以及太平洋板块向西俯冲引起的弧后扩张;在南北方向上,地处于扬子板块中段的江汉盆地,则被江南造山带和秦岭-大别造山带中段夹持,自中生代中期以来经历了与江南造山带盆山耦合的海陆交互相-陆相叠合盆地-扬子与板块南北拼合的复杂动力学过程,加之菲律宾板块与太平洋板块叠加作用,导致了Moho面深度从江南造山带逐渐向江汉盆地抬升,而在商丹缝合线下方Moho面发生错断则与扬子板块-华北板块俯冲的古缝合线相对应。(4)三峡及周边区域地壳的径向各向异性结构与江汉盆地具有明显区别。在三峡地区的巴东-秭归-宜昌一带则呈现两支弱负径向各向异性,一支从四川盆地边缘的下地壳延伸至巴东-秭归上地壳,另一支则从江汉盆地下地壳正各向异性转化成弱负各向异性并延伸至巴东-秭归上地壳。而江汉盆地中地壳(深度为10-20公里)显示为负各向异性,下地壳则显示为正各向异性。三峡地区和江汉盆地径向各向异性结构的差异可能与岩浆底侵作用构造热事件或幔源岩浆上涌等因素有关。(5)大巴山与周边区域的构造演化。相对于汉南-米仓山隆起与黄陵背斜,大巴山在中下地壳呈现低速特征,中下地壳横波速度分布特征暗示,坚硬的汉南-米仓山隆起、黄陵背斜以及秦岭造山带是在中生代晚期以来陆内造山运动中形成大巴山系的重要原因,也是新生代以来阻挡青藏高原向东北和向东扩展的重要区域。汉南-米仓山-大巴山与黄陵背斜-江汉盆地出现两个抬升的区域,暗示青藏高原的东向扩展受到了汉南-米仓山的强硬阻挡,而大巴山的Moho面深度和地幔的横波速度扰动与汉南-米仓山并不一致,导致这种差异的原因可能是由于青藏高原向东扩展的前锋并没有完全穿越大巴山,而岩石圈块体挤出变形与地壳增厚可能相互协调进行。(6)沉积层厚度和Moho面深呈“V”字型减薄的模式。综合分析研究区沉积层深度变化和Moho面深度变化,本文发现沉积层厚度和Moho面深呈“V”字型减薄的模式,但Moho面深度减薄的位置与沉积层厚度变薄的位置并不一致。这种差异可能是太平洋俯冲板块后撤以及青藏高原东向扩展作用,使研究区岩石圈地幔和中上地壳可能经历了不同的构造应力叠加作用引起的。
【图文】：

频散曲线,双平面,极坐标系,直角坐标系

为了克服这种系统误差问题，Friederich 和 Wielandt（1995）提出了一种同合二维地震台阵记录中面波振幅和相位反演面波相速度频散曲线的方法。这法相当于同时求解每个地震事件的入射波波场、台阵范围内相速度。但是，法对每个地震的波场函数需要 44 个参数，，而且不能完全拟合面波波场，反演很难唯一。Forsyth 和 Li（2005）在 Friederich 和 Wielandt（1995）的方法基提出了双平面波层析成像方法，这是一种新的利用二维地震台阵记录反演面速度的方法，即是使用两列具有一定入射角度的平面波干涉来拟合非平面波用两列平面波的振幅值、参考相位和两列平面波偏离大圆路径的角度这 6 个来描述面波入射波场。这种方法既提高了解的唯一性和稳定性，也提高了波测量精度。根据 Forsyth 和 Li （2005）的研究，用一个局部笛卡尔坐标系解释远震面平面波层析成像原理。局部笛卡尔坐标系（如图 2.1 所示），以参考台站和台主体，参考台站为坐标系统的原点，震源相当于坐标系的远端。因此，将地从震源沿大圆路径传播过来的方向作为坐标系的 x 轴，y 轴则是由 x 轴沿逆时

示意图,横波速度,模型,示意图

陈军：长江中游地区壳幔横波速度结构及各向异性研究鸿睿，2018）。这种模型仿照地球岩石圈的基本结构，将一维 2.2）：一部分为由层厚度、层顶底界面的横波速度等 3 个参数组成随深度增加而呈线性递增；二部分为由层厚度、4 个描述横波速度的 B 样条函数等 5 个参部分为由 5 个描述横波速度的 B 样条函数组成的深度 200 公上地幔顶部厚度由沉积层和结晶地壳的厚度决定。200 公里以 200 公里深度的相同。除了这 13 个变量参数外，还有些参量是可以通过前人的研究和密度。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.4

【参考文献】