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地震大地构造学研究

  日期:2015-10-12 16:07:01    浏览次数:

由陈永顺、宁杰远、周仕勇和盖增喜组成的地震大地构造学(Seismotectonics)研究小组,带领北大师生走出校门,开辟了北京大学在中国大陆开展流动地震台阵观测大陆岩石圈和上地幔结构的研究方向。自2004年5月以来,先后在青藏高原南部、北部、鄂尔多斯周边地震带、东北和华南地区等中国大陆重要构造地震活动地区布设流动地震台阵(图1),开展地壳和上地幔结构探测研究。尤其是借助于国际合作项目如Hi-CLIMB、Indepth IV和NECESSArray向美国地震学家学习野外流动地震台阵布设和维护经验,把国际上先进的地震台阵分析反演技术应用到中国大陆重要构造地震活动地区深部结构探测研究中。先后在国际、国内SCI杂志上发表了一系列研究成果,已经初步奠定了北京大学在国际地震大地构造学研究领域的一席之位。

 图1 北京大学流动地震台阵(2004年-至今)分布。每个台站都至少连续观测12个月以上,以满足利用天然地震进行反演研究的需求

1、青藏高原深部结构流动地震台阵研究: 聚焦新增高原

自2005年以来, 北京大学地震大地构造学研究小组通过两个中美合作计划Hi- Climb和Indepth IV先后在青藏高原南部、北部布设了120台流动地震台阵,获取天然地震连续记录,利用各种现代地震学方法,反演青藏高原地壳和地幔结构。该项研究发现: (1)位于青藏高原中部和北部Indepth IV台阵的近震定位研究不支持欧亚岩石圈向南俯冲,即双向俯冲模型。(2)体波层析成像研究在青藏高原南部和中部下方揭示一个破裂的印度俯冲板片(图2)。(3)背景噪声反演结果显示柴达木盆地和祁连山地区(新增高原)的地壳结构显著不同于青藏高原内部,却和青藏高原东缘地区较接近。观测到中祁连地区不仅地壳显著增厚,而且在中、下地壳存在低速体,可能是由于来自上地幔的岩浆活动的底侵作用所致。这些创新性研究成果对于研究和认识青藏高原演化的重要环节--青藏高原扩张具有重要的科学意义。


图2  体波层析成像在青藏高原南部和中部下方揭示一个破裂的印度俯冲板片(Liang et al., EPSL, 2012)

2、 雷琼半岛地震台阵研究:验证“海南地幔柱”假说

美国普林斯顿大学研究小组根据全球和区域层析成像反演得到的速度模型推断可能存在海南地幔柱,反演结果显示低速异常可以向下追踪到下地幔(Montelli et al., 2004; Lebedevl and Nolet, 2003)。但是由于缺乏南海内部地震台站观测数据,反演得到的上地幔速度模型的分辨率较低,很难对于海南地幔柱是否存在这一假定作定论。

为了寻找海南地幔柱浅部的证据,北京大学地震大地构造学研究小组于2008年2月在广东省西南部雷州半岛布设了13个台站组成的流动地震台阵,连续观测12个月。项目组利用接受函数方法确定了雷州半岛下面Moho面的深度变化(图3),揭示雷州半岛下面存在显著增厚的地壳,可能收益于海南地幔柱产生的充足岩浆源。同时接受函数(图4)显示的上地幔410-km和660-km速度减断面的异常变化(410-km变深和660-km变浅)也都可能是受到了海南地幔柱热异常的影响所致。研究结果支持或证实了海南地幔柱存在这一假定。

图3  接受函数方法确定的雷州半岛下面Moho面深度变化。红色三角形显示北京大学雷州半岛流动地震台阵和海南省地震台网的台站位置

                                 (魏松峤,北京大学硕士论文,2010)

图4  地幔转换带深度附近接收函数偏移成像 (魏松峤,北京大学硕士论文,2010)

3、东北地区地震台阵研究:提出“上地幔对流”模式

在2009年9月至2011年8月期间,引领中美日合作计划NECESSArray在我国东北地区布设了127台流动地震台阵,反演东北地区地壳和上地幔结构。该项研究发现: (1)长白山火山下方存在一个较强的低速异常,并且一直向下延伸到上地幔转换带,和上地幔转换带高速异常分布的空区(gap)相衔接;(2)位于东北地区中部的松辽盆地下方则存在一个高速异常,并且也一直向下延伸到上地幔转换带;(3)位于松辽盆地西侧的海拉尔火山群下方发现低速异常,向下延伸到软流圈。根据这些最新的地震学观测结果,项目组提出了“上地幔对流”模式(图5),用以解释东北地区新生代后期奇特的(玄武岩)火山岩分布特征:玄武岩出露仅分布在松辽盆地的两侧及周边地区。该模型的核心是,西太平洋俯冲板块在上地幔转换带的复杂的动力学效应产生了一个局部的上涌流,为长白山火山活动提供了热源和岩浆源,而在松辽盆地下方存在的高速异常可能为上涌流提供了下降的通道,组成了完整的上地幔对流环。进一步,松辽盆地下方的地幔下降流可能在其周边(西侧)诱发了次级的软流圈上涌,为松辽盆地西侧的海拉尔火山群(也可能包括北侧的五大连池火山群)提供热源和岩浆源。这些创新性研究成果对于研究东北地区上地幔尺度的动力学具有重要的科学意义。

图5  东北地区新生代(玄武岩)火山岩分布的“上地幔对流”模式