新老造山带的深部结构特征:以华南和青藏高原西部为例

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造山带一直是固体地球科学的研究重心,在全球大陆范围内,显生宙以来的巨型造山带的面积占30%左右以上。这些巨大的造山带不仅记录了板块汇聚造山的历史,也记载了板块裂解、洋盆扩张、俯冲和消亡的过程。华南大陆是扬子块体和华夏块体两个微陆块在新元古代晚期碰撞拼合形成的,它记录了多期板块聚散过程,经历了不同时代的构造运动和变形,是研究大陆再造和造山带演化的天然实验室。而青藏高原是新生代大约45Ma印度板块与欧亚板块发生陆陆碰撞,并吸收了至少1400km的南北向缩短量,形成的全球最壮观的大陆碰撞造山带。青藏高原西部是碰撞挤压变形最强烈的部位,它的隆升过程可以为研究青藏高原演化过程提供重要信息。而进行岩石圈结构三维成像可以探明造山带的现今构造,为理解碰撞造山带的演化过程提供重要约束,也为探明造山带内部正在发生的动力学过程提供重要的深部信息。因此,开展华南地区和青藏高原西部地区的岩石圈深部结构成像研究,刻画这两个新老碰撞造山带典型地区的现今深部结构特征,可以为研究大陆板块汇聚碰撞造山带的深部构造演化和动力学过程提供重要线索,并对认识大陆板块的形成和演化过程具有重要意义。  本文基于华南及周边地区宽频带地震台站的瑞利面波资料,考虑到实际地震射线的覆盖情况以及华南地区主要构造的主体展布特征,同时采用传统的规则网格剖分和平行主要构造走向的非规则网格剖分方法,分别进行分格频散反演,开展了不同参数化方案对反演结果影响的对比分析研究。对比两种不同网格化方案获得的华南地区瑞利波群速度成像结果,表明:在本文所利用的射线覆盖条件下,不同的模型参数化方案对总体的速度异常分布特征影响不大,但是对异常的具体形态会有影响。因此,在射线覆盖有限、网格剖分尺寸较大的情况下,针对某些异常体形态的讨论过程中,需考虑到不同模型参数化方案对反演结果带来的潜在影响。之后,对获得的瑞利波群速度进行S波速度反演得到了研究区地壳上地幔三维S波速度结构,并分析了这些结构特征所指示的华南地区雪峰山造山带可能的岩石圈遗迹及其地球动力学意义。瑞利波群速度图像及S波速度结构反演结果,揭示了扬子、华夏、南海北部陆缘及南海海盆等典型构造部位壳幔速度结构与分层特征之间的差异。结果显示:扬子和华夏块体壳幔结构特征差异显著,扬子块体地壳和岩石圈厚度均大于华夏块体,扬子块体上地幔顶部速度较低,且在雪峰山造山带下方岩石圈厚度发生过渡和转换,同时在雪峰山造山带内部岩石圈速度存在一个自西向东的变化;南海海盆速度较高,很好地勾勒出了海盆的轮廓,南海海盆岩石圈厚度为60-80km;南海北部陆缘盆地上地幔顶部速度较高且异常形态相对完整,表现为非火山型大陆边缘的特征;南海海盆地幔速度较高并且软流圈内低速不明显,表现为一个已停止扩张的年轻海盆的结构特征。  基于青藏高原西部布设的TW80宽频带流动地震观测剖面的波形数据,采用多通道互相关方法提取不同频带的P波和S波震相的相对走时残差。方位角平均走时残差图像显示在青藏高原西缘的南部P波和S波的走时表现为相对一维地球参考速度模型走时偏快的负异常,而北部则表现为相对一维地球参考速度模型走时偏慢的正异常。运用有限频远震体波层析成像技术,对地壳和上地幔P波和S波速度结构进行了反演。得到的P波和S波速度模型显示:在研究区南部上地幔有一个明显的高速异常,它以一个很高的角度延伸到大约350公里深度,这个高速异常可能是俯冲的印度岩石圈。在班公湖-怒江缝合带附近以及其北侧,速度模型显示为明显的低速异常。结合这两者,初步推测印度岩石圈板片以高角度俯冲到了班公湖-怒江缝合带附近,没有继续向北俯冲,班公湖-怒江缝合带以北的低速异常可能是由于发生岩石圈地幔拆沉引起的软流圈物质上涌所导致的。这些速度结构图像对确定青藏高原西部印度板块和欧亚板块的接触关系给出了更多信息,并为高原隆升机制提供了更多约束。
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