地壳及上地幔深部结构地震成像研究——以阿拉斯加俯冲带和龙门山构造带为例

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地震层析成像技术是认识地球内部结构强有力的科研工具,在地球科学发展过程中产生了十分巨大的影响。本文应用地震层析成像方法,利用大洋-大陆板块作用的阿拉斯加俯冲带区域和大陆-大陆板块作用的龙门山构造带及周边区域密集的地震台站记录的高质量地震走时数据对阿拉斯加俯冲带和龙门山构造带区域分别进行了成像研究并取得了一些重要研究成果。  一方面,在大洋板块俯冲的阿拉斯加俯冲带研究中,通过反演562,891纵波和156,321横波走时数据,首次同时获得了阿拉斯加区域地壳及上地幔的纵波与横波速度以及泊松比图像,为更好地认识阿拉斯加地区的深部地震结构、太平洋板块与亚库塔特板块的俯冲几何形态提供了科学依据。成像结果表明P波和S波速度图像与泊松比结构具有很好的一致性,强的高速度(Vp,Vs)和低泊松比(σ)异常沿着阿拉斯加俯冲带延伸至200km深度,该高速度(Vp,Vs)低泊松比(σ)异常体与俯冲带的地震空间分布吻合,因此,认为该异常体为俯冲的太平洋板块和亚库塔特板块。从地震空间分布发现,大部分大地震(M>6.5)发生在高速度(Vp,Vs)与低速度异常交界处,可能反映了俯冲板块之间强耦合作用。在俯冲带的地幔楔显示出广泛的低速度(Vp,Vs)和高泊松比(σ)异常,并且这些异常与岛弧火山的位置相对应,这与大洋板块俯冲所形成的岩浆入侵作用有关。研究结果表明在阿拉斯加俯冲带,俯冲板块的俯冲角度从兰格尔块体下方的平坦变成在布里斯托尔湾下方的陡峭,这与亚库塔特板块俯冲在兰格尔块体下方和太平洋板块俯冲在布里斯托尔湾下方有关。在基奈半岛和科迪亚克岛连接处的上地幔位置存在强烈的低速(Vp,Vs)与高泊松比(σ)异常体,使该处的大洋俯冲板块变薄。这一现象可能与亚库塔特板块和太平洋板块相互碰撞作用以及软流圈强烈的上升流入侵有关。  另一方面,在大陆板块相互碰撞挤压的龙门山构造带深部地震结构研究中,为了探讨芦山地震产生机制及其与2008年汶川Ms8.0级地震的关系,开展了深部结构成像研究。为获得高精度三维图像,芦山地震发生后,我们在震源区布置了50个临时地震台站。同时,为进一步揭示地壳应力对芦山地震产生的影响,也收集了龙门山断裂带地壳应力数据。通过地震层析成像和地壳应力分析显示芦山地震发生在高速度(Vp,Vs)、低泊松比(σ)和高地壳应力显著的区域。芦山地震震源区高速度异常反映了早寒武纪变质碎屑岩或孕震层中的火成岩,这可能使得高地壳应力积累而产生大地震。然而,在芦山地震和汶川地震连接处的上地壳,成像结果显示出一明显的低速度和高泊松比异常区域。地震层析成像显示低速异常空区,这与青藏高原下方下地壳塑性流体被挤入到龙门山断裂带较薄弱段有关。通过本次研究表明,2013年4.20芦山地震是由地壳应力在变质镁铁质孕震层中的积累以及汶川地震作用导致库仑应力在龙门山构造带南端增加的相互作用下而触发的破裂。沿着龙门山断裂带,比较控制芦山地震和汶川地震破裂过程中地壳应力的变化以及地壳中流变性的变化,龙门山断裂带将来有可能产生新的地震。  本研究通过选取具有代表性的大洋板块俯冲带和大陆板块相互挤压作用的陆-陆碰撞带,采用地震走时层析成像方法对其深部结构开展了详细研究,为揭示深部构造特征及动力学机制提供了重要信息。同时,该研究表明地震走时层析成像方法是开展地壳及上地幔结构成像及动力学特征研究的十分有效的方法之一。
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