青藏高原东缘壳幔速度结构研究

【摘要】青藏高原东缘位于松潘-甘孜褶皱带、华南地块、羌塘地块、印支地块和西缅甸弧等多个构造块体交界地带,此处地质组成复杂,构造运动强烈。众多学者使用各种方法对该区域进行了研究,但目前对此处的地质演化过程、构造机制等问题仍存在众多争议。自2011年以来,中国地震局地球物理研究所等单位在该区域实施了中国地震科学探测台阵计划,布设了350个宽频带流动地震台站,台站间距约30km。得益于这前所未有的高密度台站分布,使用目前成熟先进的地震学研究方法,在该地区进行了背景噪声层析成像和远震P波层析成像工作。背景噪声层析成像是自2004年以来迅速发展的一种面波成像方法,此方法最重要的理论基础是利用台站长时间的连续波形记录提取面波经验格林函数。本文收集了青藏高原东缘557个地震观测台站记录的三分量连续波形数据,对数据进行详细的波形预处理之后,基于改进的背景噪声数据处理流程得到了五万多个经验格林函数。选取信噪比大于10的经验格林函数,使用CPS(ComputerProgramsinSeismology)软件测量得到了13972条瑞利面波群速度频散曲线。为保证反演结果可靠性,提高反演效率,本文利用群簇分析的方法对频散曲线进行了筛选,最终使用6021条频散曲线进行了瑞利面波群速度的反演,给出了周期6-48S的瑞利波群速度分布图像。根据周期6-48S的瑞利波群速度分布图像,对群速度分布特征进行了总结。发现以下现象：(1)四川盆地在6-14S为明显的低速异常,且盆地内部的低速异常分布并不均匀；在30-48S,四川盆地表现为弱高速异常,且四川盆地内西南部的速度要低于西北部；(2)在周期6-48S,攀枝花及周边始终为高速异常；(3)自24S开始,南盘江盆地出现随着周期增长而范围逐渐增大的高速异常；其西北部的低速异常边界与南盘江大体重合。结合青藏高原的地质和其他地球物理资料,本文对上述部分现象进行了解释,并对其构造意义进行了探讨。(1)相对于周边的松潘-甘孜褶皱带、羌塘块体等,四川盆地内部的沉积盖层更为年轻,沉积厚度也更大,这导致了四川盆地内的低速异常；另外该低速异常也很好的勾勒出四川盆地内厚沉积层的边界。四川盆地内部复杂的沉积演化历史导致的沉积层厚度分布不均引起了盆地内部低速异常的不均匀分布,同时此低速异常分布揭示了盆地内部沉积层厚度的横向变化。结合四川盆地及周边的地壳厚度分布,认为长周期四川盆地处弱高速异常是由于其较薄的地壳厚度造成的。(2)反演的四川盆地西南部和西北部S波速度剖面揭示,西南部的低速异常是由于该处更低的下地壳和上地幔S波速度结构造成,推测青藏高原东部热的低速上地幔物质可能在向东运移的过程中侵蚀了四川盆地的部分岩石圈地幔。该原因也解释了四川盆地成都南北两侧的泊松比、热流值和构造活动强度的差异。(3)地质和地球化学研究表明由地幔柱岩浆活动造成的峨眉山大火成岩省中的基性岩和超基性岩以米易为中心呈圆形分布,在中心厚度最大,与结果中攀枝花周边的低速异常分布形状相似。推测攀枝花及周边的低速异常与地幔柱上升过程中,高密度镁铁质和超镁铁质岩浆侵入岩石圈不同深度有关。进一步推测认为攀枝花及周边的该高速异常体阻挡了川滇菱形块体北部川西北次级块体中物质东南向的运移,导致在丽江-小金河断裂带北侧的川西北次级块体海拔远高于南部的滇中次级块体。(4)本研究反演了南盘江两侧的S波速度结构,发现从地壳浅部至上地幔顶部南盘江盆地的S波速度均高于华南块体西南其他区域,这种现象在中下地壳尤其明显。推测南盘江盆地高速异常体可能阻挡了青藏高原物质的东南向运移。远震体波成像方法是一种研究地球深部速度结构的常用方法,它得到的结果垂向分辨率较高。本文收集了516个地震台站,888个地震的远震波形,数据预处理之后使用波形互相关的方法提取了111748个走时残差。使用FMTT(FastMarchingTraveltimeTomography)技术进行了三维高分辨率P波速度结构成像。FMTT方法在正演过程中使用了基于迎风有限差分近似的波前追踪方法,反演过程中使用子空间反演方法进行了走时残差的反演。相对于传统常用的射线追踪方法和LSQR反演算法,波前追踪方法稳定且能够求取复杂震相的走时,子空间反演方法则占用内存较小,且能够同时处理多种参数。使用该方法,本文得到了0-600km的三维P波速度结构。采用恢复性实验检验了最终结果的可靠性和分辨率。恢复性实验结果显示原始速度扰动和恢复的速度扰动之间除异常幅度有所差异之外,异常体的形态基本一致,证明了方法的可靠性。另外前者0.5。左右的速度扰动异常能够在恢复性实验结果中清晰明确地看到,说明此研究的成像分辨率可达0.5°×0.5°。根据文中远震P波层析成像研究结果,针对于青藏高原东部的构造机制本研究对以下几个方面进行了初步的探讨。(1)在50km深度上,攀枝花地区相对于川滇菱形块体整片低速异常中为局部高速。结合之前学者对攀枝花地区的其他研究,推断是由于造成峨眉山玄武岩省的地幔柱在上升过程中,镁铁质和超镁铁质岩浆的侵入造成的。(2)在深度50-150km深度剖面上,四川盆地表现为高速异常,但是在150km深度上,异常幅度有所降低,且范围缩小至四川盆地东部。由于四川盆地是在元古代扬子地台基地上形成,且现今地表热流分布具有典型克拉通特征,推断四川盆地冷硬且厚的克拉通型岩石圈是造成整体上高速的原因。(3)沿28°N的深度剖面上,四川盆地下的高速异常西薄东厚,川滇菱形块体下方的低速异常向东倾斜至盆地下部。其原因可能是青藏高原软流圈物质向东运移的过程中受到四川盆地下部岩石圈的阻挡,从而转而向下溢流,对四川盆地下部岩石圈基底进行侵蚀。另外,这种侵蚀作用可能也是四川盆地西南部构造活动强烈的原因。(4)腾冲火山群周边地下的低速异常可一直延伸至300km左右,另外沿25°N垂直剖面上低速异常自东向西由深至浅,在其下方还存在自西向东由浅至深的高速异常。高速异常体的位置与东向俯冲的印度板块所在的缅甸弧一致,故推测该高速异常体可能是印度板块的俯冲板片,且俯冲前缘向东可能已达到105°E。同时俯冲的印度板块的相变脱水引起的地幔热物质上涌可能是腾冲地区地震、火山和温泉广布的原因。通过对上述P波和瑞利波群速度结构的探讨,本研究最终对青藏高原和华南块体的作用机制做出了一定的合理推测,增进了对青藏高原东缘的地质认识。
【作者】范莉苹；
【导师】吴建平；
【作者基本信息】中国地震局地球物理研究所，固体地球物理，2014，博士
【关键词】青藏高原；背景噪声成像；远震P波层析成像；四川盆地；攀枝花；南盘江盆地；腾冲；

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