华北北部及东北地区壳幔结构研究

摘要

全球和区域地震层析成像显示太平洋板块向西俯冲、滞留在中国东部地区的地幔转换带内，并在上地幔中形成大地幔楔。滞留板块的脱水，以及大地幔楔中的角流会造成湿热的软流圈物质上涌，由此引发的深部过程导致了中国东北地区板内火山的形成，并造成了华北克拉通的活化，而这又表现为岩石圈的减薄和壳内大地震的频繁发生。因此，研究华北和东北地区的壳幔结构对于认识太平洋板块俯冲所引起的深部动力过程有着重要的意义。为此，本文围绕华北北部地区的地壳结构和东北地区的上地幔结构展开了以下三方面的工作: 在华北北部地区地壳结构的研究方面，本文首先利用区域固定台网和华北科学台阵记录的10461个近震事件的183909个Pg波绝对走时和495753个相对走时数据，采用双差地震层析成像获得华北北部(37.5°-41.5°N，111.5°-119.5°E)范围内地壳的三维P波速度结构模型和9108个中、小地震的震源参数。取得了以下主要认识:(1)重定位后中、小地震的震源深度主要分布在0-22km范围内，与重定位前相比震中位置更趋向于沿断裂走向聚集;沿张家口-蓬莱断裂带地震呈近直立的线性分布，反映了高倾角的深部断裂;唐山断裂的北段存在两簇明显的震群，推测在唐山断裂的北段东侧存在一条近NE走向的高倾角断层。(2)经过重新定位后，大部分中、小地震的震源位置分布在低速区向高速区过渡的部位，或是低速区的内部。(3)三河-平谷8.0级和唐山7.8级地震震源区中、下地壳的低速异常可能是流体的显示。(4)结合前人成果和本文模型所揭示的深、浅结构，我们认为太平洋板块在中国东部之下的俯冲和滞留引起板块脱水、软流圈物质上涌等一系列过程，软流圈热物质到达上地幔顶部并沿超壳断裂上侵进入地壳，致使上地幔顶部和下地壳中的含水矿物发生脱水作用产生流体，流体继续上移造成中、上地壳发震层的弱化，从而导致大地震的发生;因此华北北部地区的强震活动，以及地壳结构的非均匀性应是与太平洋板块俯冲、滞留引起的深部过程密切相关的。 其次，本文收集了华北裂陷盆地内40个测点的石油地震叠加速度资料，经常规处理后得到各测点下方速度随深度变化的曲线;对9条人工地震测深剖面的解释结果进行数字化处理获得各剖面下方离散的速度数据;应用上述资料和专业地质建模软件GOCAD构建了华北裂陷盆地及邻区(115.5°-117.6°E，38.4°-40.75°N)范围内10km深度以上高精度的三维P波速度模型。取得如下一些认识:(1)华北盆地为隆坳相间区，从东至西依次是黄骅坳陷、沧县隆起和冀中坳陷，上地壳速度结构十分复杂。(2)盆地区结晶基底的埋深变化剧烈，冀中坳陷下最深处可达10km，沿构造走向整体呈西南深、东北浅的趋势，沧县隆起下埋深约2-4km，黄骅坳陷下最深处则达9km，剧烈的基底起伏反映出盆地内部不同次级构造单元的差异沉降和中、新生代以来强烈的拉张构造运动。(3)太行山、燕山隆起下的基底埋深较盆地区浅，体现出隆起区新生代以来的抬升构造运动。(4)本文首次将石油地震叠加速度资料用于华北盆地速度模型的构建，与以往用人工地震测深资料得到的模型相比，本文结果对华北盆地复杂的上地壳结构刻画得更为细致，该结果可为华北盆地强地面运动的研究提供可靠的基础模型，从而为华北地区的防震减灾工作提供科技支撑，因此具有重要的意义。 在东北地区上地幔结构的研究方面，本文选取了黑龙江、吉林、辽宁、内蒙区域地震台网，以及NECESSArray流动台阵记录的223个远震事件的波形资料，采用多道波形互相关方法得到了22569个P波相对走时数据，并计算了相应的走时灵敏度核，应用远震有限频率层析成像方法反演得到中国东北地区上地幔深达600km的P波三维速度结构模型，利用采样密度和检测板评估了反演结果的可靠性和分辨率。取得了以下认识:(1)松辽盆地下方80-200km的深度上呈主体的低速异常，与这一地区上地幔浅部的高地温值和低密度的特征相对应，可能暗示了部分熔融的地幔。(2)南北重力梯度带两侧的速度结构明显不同，这一差异可以达到200km深，结合其它地震学观测的结果表明在中国东北地区南北重力梯度带还有可能是一条上地幔内部结构的变化带，或是深部结构的分界线。(3)长白山火山下呈大范围的低速异常，并可从上地幔浅部延伸到地幔转换带中，这可能反映了地幔转换带内上涌的热物质;推测长白山火山的形成可能是地幔转换带内热物质上涌、太平洋板块的滞留和脱水，以及俯冲拖拽引起的回流等几种因素综合作用的结果。

目录

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摘要

第一章引言

1．1研究区地质构造背景

1．2研究目的和意义

1．3国内外研究概况

1．4本文主要研究内容

第二章华北北部地区地壳三维P波速度结构的双差地震层析成像

2．1方法和数据

2．1．1双差地震层析成像方法原理简介

2．1．2数据选取与反演计算

2．2反演结果

2．2．1重定位结果

2．2．2 P波三维速度结构

2．3结果的解释与讨论

2．3．1唐山地震带和夏垫地震带重定位后地震分布与活动断裂的关系

2．3．2华北北部地区地震分布与速度结构的关系

2．3．3华北北部地区深浅结构的内在联系

2．4本章小结

第三章华北裂陷盆地上地壳高精度P波三维速度模型的构建

3．1资料及处理

3．1．1叠加速度资料及处理

3．1．2人工地震测深资料与处理

3．2上地壳速度模型的建立

3．3结果分析

3．3．1不同深度层上的速度结构

3．3．2垂直剖面上的速度结构

3．4讨论

3．4．1华北裂陷盆地结晶基底结构特征

3．4．2张渤断陷带、太行山和燕山隆起区结晶基底结构特征

3．4．3与人工地震测深结果的比较

3．5本章小结

第四章应用远震有限频率层析成像反演东北地区上地幔P波三维速度结构

4．1远震有限频率层析成像方法的基本原理

4．2数据及预处理

4．3模型反演和结果评价

4．4反演结果

4．4．1速度结构平面图

4．4．2速度结构剖面图

4．5讨论

4．5．1松辽盆地上地幔的低速异常体

4．5．2南北重力梯度带两侧深部结构差异

4．5．3长白山火山起源的深部结构

4．6本章小结

第五章结论与展望

5．1主要结论

5．2存在的问题与未来的工作设想

参考文献

致谢

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