青藏高原东北缘岩石圈速度间断面研究

论文摘要

青藏高原的隆升及其现今的构造活动被认为是正在进行中的印度和欧亚大陆之间碰撞的结果。青藏高原的侧向生长、隆升及其深部过程,是了解大陆碰撞变形与演化机理的关键。基于地质或地球物理观测的研究,众多地球科学家提出关于青藏高原隆升的几种不同的物理模型,主要可分为挤压增厚、构造挤出、下地壳流动、拆沉及地幔上涌、印度板块俯冲或双向俯冲等。近年来通过面波成像、接收函数反演或联合反演、地震环境噪声以及走时层析成像等方法探测表明,力学性质较软的高原内部速度偏低,具有克拉通属性的阿拉善与鄂尔多斯反之,表明东北部克拉通对青藏高原物质有强烈的阻挡作用。但已有的青藏高原东北缘及邻区岩石圈范围内的速度结构、间断面结构、电性结构等地球物理观测结果因研究尺度的限制、数据分布的不足或缺少绝对速度结构的支持尚难以满足青藏高原东北缘隆升机制以及深部动力学过程研究需求,所以青藏高原东北缘的岩石圈间断面结构及其变形方式需要进一步研究与讨论。第四纪以来鄂尔多斯地体受上地幔东南方向的拖拽和青藏高原东北缘不断扩张的作用下产生逆时针运动。阿拉善地体在周缘大型断裂的共同调节作用下整体缓慢向东运动,与贺兰山和鄂尔多斯地体会聚。阿拉善块体和鄂尔多斯块体之间的边界带是银川-河套断陷盆地,其成因被认为是由于太平洋板块向西俯冲和印度-欧亚板块碰撞引起的地幔对流所致。银川-河套断陷盆地地震活动强烈,历史上曾发生过1739年平罗8级强震。该地区的深部结构对理解块体之间的相互作用、青藏高原东北缘扩张的动力学模型及强震机理与预测极为关键,但目前鄂尔多斯地块、阿拉善地块及其边界带区域的地震学观测资料相对较少,所以该区域深部地震学证据的获取尤为重要。为此,本文利用中国科学探测台阵项目二期及祁连台阵部分流动台站所记录数据,其观测时间分别为2013-2015和2016-2017年。台站覆盖了青藏高原东北缘、阿拉善块体和鄂尔多斯块体,台间距为～35 km或～15 km。通过采用接收函数的三维共转换点叠加技术,获取了沿青藏高原东北缘和阿拉善块体以及阿拉善块体和鄂尔多斯块体的岩石圈速度间断面结构,试图进一步对青藏高原东北缘隆升机制和阿拉善和鄂尔多斯块体间深部变形关系这两个科学问题进行探讨研究。本文的工作得到以下的研究结果:1)阿拉善块体的Moho面深度在45-50km之间,北祁连断裂和昆仑断裂之间的Moho深度为50?55 km,松潘甘孜块体内部地壳厚度为～70km。在雅布赖山以北岩石圈软流圈边界大约在100km的深度,从北至南到阿拉善块体南端LAB的深度逐渐从100km变深至150km。在祁连造山带的北边界下方LAB最深为～180km,而中祁连块体的岩石圈厚度明显小于东北缘地区的其他地块且只有～100km。同时,在北祁连断裂下方存在明显的莫霍面错断,龙首山断裂和北祁连断裂之间地壳厚度较薄且在龙首山北边的Moho面上方存在连续的正震相界面,中祁连的岩石圈已进入北祁连造山带下方。2)基于岩石圈间断面成像结果,我们认为祁连山造山带下方存在岩石圈范围内的被动俯冲及东北缘地区有局部地壳的缩短和增厚迹象,它们都是由于印度板块不断向北运动且青藏高原东北缘受到坚硬的阿拉善块体阻挡后的远端效应。这可能是青藏高原东北缘隆升的深部动力学过程。3)阿拉善地块与鄂尔多斯地块壳内间断面结构差异明显,位于两块体构造边界之间的银川河套盆地Moho深度大于两侧地块;鄂尔多斯块体内部成层性好,壳内康拉德界面信息清晰可见;鄂尔多斯西边界以东60-70km范围内Moho间断面从东至西逐渐变深;以37.5°N为界,鄂尔多斯内部地壳厚度逐渐变深,康拉德界面逐渐变浅;鄂尔多斯地体北端康拉德界面强度明显低于其中部,下地壳厚度呈相反趋势。4)根据间断面成像证据进一步确定阿拉善地块与鄂尔多斯地块分属不同的大地构造单元。同时,我们猜测贺兰山以西70-80km范围内和鄂尔多斯块体西缘北段均存在局部地壳发生增厚变形的可能性。接收函数偏移成像技术是研究地球内部速度间断面结构行之有效的方法。值得注意的是,根据已有的各向异性观测可知青藏高原东北缘有显著的各向异性特征,在各向异性强度较大区域,地壳和上地幔延迟时间高达0.4 s和1.6 s。在各向异性介质中,接收函数Ps转换震相的到时随反方位角有余弦变化特征,S波接收函数相比P波接收函数入射角更大,台站下方的射线路径更长,当其在各向异性较强的区域中传播时不同反方位角转换震相到时的延迟时间会更加明显。接收函数时深转换是将其转换震相到时归位于地下发生转换的界面深度,所以各向异性引起的不同反方位角到时偏差会直接影响对深度的判断。在存在明显的各向异性特征区域,S波接收函数转换震相的到时延迟引起的对深度成像的影响难以忽略不计。所以,如何避免地下介质中各向异性对接收函数成像的影响也是一个有待解决的重要问题。为此,我们提出各向异性介质中S波接收函数走时校正的思路与过程,发展基于HTI模型各向异性校正方法,通过在单层和多层（快轴方向相同或不同）的各向异性介质模型下进行正演计算及实际资料处理,论述及证明方法的可行性。基于各向异性走时校正研究可知:5)我们发展的基于HTI模型各向异性走时校正的方法,成功的在单层和多层（快轴方向相同或不同）的各向异性介质中对齐不同反方位角接收函数的Moho面和LAB的转换震相走时。6)各向异性走时校正能够加强单台接收函数转换震相的可追踪性,能量增强的叠后转换震相在时深转换后更利于对界面深度的识别与判断;在考虑三维成像的情况下,本文提出的各向异性校正方法对提高成像结果的准确性有重要意义。

论文目录

摘要

Abstract

第一章引言

1.1 研究背景与研究现状

1.1.1 青藏高原东北缘隆升机制及动力学过程

1.1.2 鄂尔多斯西缘北段地壳结构研究

1.1.3 各向异性介质中接收函数走时变化研究

1.2 研究目的

1.3 研究内容

第二章接收函数的基本理论和偏移成像

2.1 接收函数发展背景简介

2.2 接收函数

2.2.1 接收函数的提取

2.2.2 接收函数的多道最大或然性反褶积

2.3 S波接收函数

2.4 接收函数偏移成像

2.4.1 动校正（Move-out）与接收函数深度偏移

2.4.2 共转换点叠加（CCP）

第三章祁连造山带隆升及深部动力学过程

3.1 研究背景

3.2 数据及方法

3.3 成像结果

3.3.1 Moho面及壳内结构

3.3.2 岩石圈软流圈间断面结构

3.3.3 合成数据与观测结果的比对

3.4 讨论

3.4.1 岩石圈结构及与前人结果对比

3.4.2 深部动力学过程揭示

3.5 小结

第四章鄂尔多斯西缘北段地壳间断面结构

4.1 研究背景

4.2 数据及方法

4.2.1 数据

4.2.2 接收函数的提取与共转换点叠加

4.3 Moho及壳内间断面结构成像结果

4.4 结果讨论

4.4.1 地壳结构与前人结果对比

4.4.2 深部块体间变形关系揭示

4.5 小结

第五章各向异性介质中S波接收函数成像研究

5.1 研究背景

5.2 方法简介

5.2.1 接收函数的提取及正演计算

5.2.2 接收函数到时的余弦校正

5.3 正演测试及方法检验

5.4 实测数据的各向异性走时校正

5.4.1 数据

5.4.2 校正测试

5.5 S波接收函数走时校正的讨论与小结

第六章结论与展望

6.1 主要结论

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

作者简介

基本情况:

BRIEF INTRODUCTION TO THE AUTHOR

在学期间参与课题

攻读博士学位期间发表的期刊论文

攻读博士学位期间发表的会议论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈一方

导师: 陈九辉

关键词: 青藏高原东北缘,接收函数,速度间断面结构,各向异性走时校正

来源: 中国地震局地质研究所

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 地质学,地球物理学

单位: 中国地震局地质研究所

分类号: P315

DOI: 10.27489/d.cnki.gzdds.2019.000009

总页数: 122

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