华北克拉通及其周边地区的地震层析成像研究——对克拉通岩石圈减薄过程的探讨

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华北克拉通自中生代以来发生了岩石圈减薄以及岩石圈性质和热状态的变化,其原本的稳定性遭到破坏。这一“克拉通破坏”现象的发生必然与华北克拉通及其周边构造带的相互作用和演化过程有密切相关。探讨华北克拉通破坏问题,不仅要研究岩石圈形态和性质变化及其过程,也要研究造成华北克拉通破坏的动力构造体制,地壳上地幔的深部结构是识别和探讨动力构造作用的不可缺少的依据。地震层析成像可以建立壳-幔三维速度结构,从而为地幔动力学研究提供直观的地震学证据。  本文将整个华北克拉通及其周边地区(北纬30°-50°,东经95°-145°)纳入统一框架进行高分辨率地震层析成像研究,成像区域覆盖华北克拉通及其周边的构造带(包括北缘的阴山-燕山构造带、南缘的秦岭-大别造山带、西缘的祁连造山带和东缘的郯庐断裂带),并向东延伸到日本列岛,因而最终的反演结果不仅能够显示华北克拉通内部的速度结构及其与其周边构造带的差异,还能显示其与俯冲太平洋板片的深部联系,进而为探讨华北克拉通减薄/破坏机制及其动力过程提供重要地震学信息。  本文收集了研究区2626个台站1978~2010年间记录的、21504个区内地震事件的539815个P波走时数据和13062个远震事件的318976个P波相对走时残差数据进行联合反演,最终获得了研究区内1°×1°、0~800km的P波速度扰动图像。  结果表明,研究区内P波速度扰动分布具有显著的不均一性,华北克拉通各块体及其周边构造带均表现出不同的速度结构特征。西部鄂尔多斯地块下方显示为整体的高速异常,山西地块下方显示为大片的低速异常,而华北克拉通的东部地块速度结构较为复杂,块体内部的不均一性明显。从岩石圈层面上看,在鄂尔多斯下方和南北重力梯度带附近均有残留的岩石圈根,前者厚度约300km,后者约100km左右。从西部鄂尔多斯地块到东部的渤海湾盆地或陆架盆地,岩石圈由厚变薄,与前人的研究结果一致。  在上地幔-地幔过渡带深度范围内,华北克拉通下方存在多个高速异常体。按照其倾向和位置可以大致划分出三组东倾的高速异常带,可能与克拉通岩石圈三阶段拆沉减薄有关。秦岭-大别造山带南北两侧并没有体现出地幔速度结构的明显差异,可能暗示目前我们观测到的地幔速度结构特征可能主要是后印支期重新塑造的。  郯庐断裂带下方的地壳和上地幔均显示有显著的低速异常,可能暗示该断裂具有岩石圈尺度深大边界构造带的特性,并成为地幔热物质上涌的通道。  日本俯冲带下方的速度结构比较复杂。本文成像结果得到了菲律宾板块以及西太平洋的俯冲板片形态。向西倾斜的高速异常带与投影在该剖面上的地震带重合,与其上方的楔状低速异常区域共同组成了俯冲板片及其上覆地幔楔的典型式样。日本海沟和其南边的伊豆海沟下方的高速异常板片的形态不同,表明西太平洋板块不同的俯冲角度和俯冲速率。南海(N ankai)海槽下方西倾的显示高速异常的菲律宾板片与其东边伊豆海沟下方西倾的太平洋高速板片构成双俯冲带系统。在日本海沟、南海海槽和伊豆海沟相碰撞的三联点附近,俯冲板片尤为复杂,向北俯冲的菲律宾板块和向西俯冲的太平洋板块可能在此处形成两套俯冲构造。  祁连造山带在中下地壳显示为低速异常,在60~90km深度表现为高低速异常相间的分布特征。包括祁连地块在内的青藏东北缘地区上地幔整体显示大片的低速异常,地幔过渡带中存在高速异常,这一速度分布特征值得进一步研究。  本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,将速度剖面中显示的三组东倾的高速异常带解释为拆沉的大陆岩石圈,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系。本文认为,太平洋俯冲是造成华北克拉通减薄的首要控制因素。太平洋板片的俯冲,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造(底侵与弱化)。随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分多个阶段依次拆沉减薄。这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象。
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