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东秦岭—大别—苏鲁造山带横波速度及径向各向异性结构研究

【摘要】:东秦岭—大别—苏鲁造山带位于中国中部,是华北板块和扬子板块的构造结合地带。该地区是世界上超高压变质岩出露规模最大的区域之一,是研究超高压变质岩的折返机制等动力学问题的重要场所。该地区自西向东分别出露浅、中、深不同层次的构造特征,是研究碰撞造山带形成演化等动力学过程的天然实验室。地球科学家在东秦岭—大别—苏鲁造山带开展了大量的研究工作,为进一步认识造山带的演化过程提供了重要的基础数据。与此同时,针对东秦岭—大别—苏鲁造山带的地震学研究尤其是横波速度和各向异性研究,还存在许多模糊之处。基于此,本文利用国家地震台网和区域地震台网布设在造山带及周边区域的352个地震台站从2009年1月1日至2014年6月30日记录的三分量连续波形数据,使用有限频背景噪声层析成像技术与远震面波双平面波层析成像技术,通过反演得到了研究区高精度Rayleigh面波和Love面波8秒~83秒的相速度结构。通过反演Rayleigh面波和Love面波频散曲线,本文构建了造山带及周边区域岩石圈三维横波速度结构及地壳径向各向异性结构,旨在为造山带的形成演化和超高压变质岩的形成折返等动力学过程研究提供基础。本文的主要工作及成果如下:(1)发展了面波层析成像方法。本文提出了有限频背景噪声层析成像技术,即在背景噪声层析成像方法中考虑了有限频效应,该方法可根据背景噪声数据获取大陆尺度高精度的宽频带(10~150秒)面波相速度结构。本文以美国西部为例,通过对比基于背景噪声数据利用有限频背景噪声层析成像获得的相速度结构与该区域已有的基于背景噪声数据获取的相速度结构(20秒和30秒)和基于远震面波数据得到的相速度结构(60秒和70秒),证明有限频背景噪声层析成像技术在获取高精度宽频带相速度结构方面的可靠性。此外,本文发展了基于有限频的远震面波双平面波层析成像技术。通过对比基于背景噪声数据得到的Love面波相速度结构(30秒和40秒)和基于远震面波数据得到的相速度结构,证明远震面波双平面波层析成像可以获取高精度的Love面波相速度结构。(2)构建了东秦岭—大别—苏鲁造山带地壳上地幔横波速度结构及地壳径向各向异性结构。根据三分量背景噪声数据和远震面波数据,利用有限频背景噪声层析成像技术和远震面波层析成像技术,获取了研究区8秒至83秒的Rayleigh面波和Love面波相速度结构。通过反演Rayleigh面波和Love面波频散曲线,本文构建了研究区地壳上地幔的横波速度结构及地壳的径向各向异性结构。(3)横波速度及径向各向异性结构显示与造山带及周边区域相对应的分区特征。在上地壳(10km),速度结构与地表地质构造有很好的对应性。渭河盆地、华北盆地、江汉盆地等区域表现为低速及较强的正径向各向异性。大别—苏鲁造山带超高压变质岩下方表现为高速和弱径向各向异性,结合研究区已有的地质及地球物理资料,推断超高压变质岩厚度不超过10km。在中地壳(15~25km),与周边区域相比,麻城—罗田—岳西显示为高速和弱负径向各向异性,推断与岩石圈拆沉及软流圈上涌等动力学过程有关。下地壳及上地幔(25~45km),以太行山—武陵山重力梯度带为界,中国西部呈现为低速及弱径向各向异性。东部为高速和较强的正径向各向异性。速度结构及各向异性结构东西向的转换可能与晚侏罗世以来太平洋板块向西快速俯冲和消减且俯冲带向西迁移有关。在岩石圈地幔(50~70km),研究区域岩石圈横波速度横向不均一,鄂西地区在70km仍然呈现为高速,暗示该区域的岩石圈厚度大于70km。在大别造山带南缘有明显的高速异常,推断与扬子板块向华北板块的俯冲以及超高压变质岩的折返有关。(4)东秦岭造山带“立交桥”三维岩石圈结构。穿越东秦岭造山带的横波速度结构及径向各向异性结构显示,东秦岭上地壳为低速和负径向各向异性,推断其上地壳为脆性、粘弹性、韧性构造变形带。中地壳存在低速层且表现为很强的负的径向各向异性,认为是秦岭板块向华北板块和扬子板块逆冲推覆的构造滑脱层。中下地壳表现为正径向各向异性,推断其软流圈上涌的影响,中下地壳受热熔融形成具有水平状流变特征的变形带。在岩石圈地幔中,南北秦岭的岩石圈厚度不均一,可能与岩石圈拆沉等因素有关。扬子板块与秦岭造山带的岩石圈厚度具有明显差别,推断襄樊—广济断裂带可能为扬子板块与秦岭造山带的碰撞缝合带。(5)大别—苏鲁造山带超高压变质岩折返机制。东秦岭—大别—苏鲁造山带都存在扬子板块俯冲于造山带之下的痕迹。在构造变形方面,秦岭造山带保留了碰撞造山期地壳变形的信息。而大别—苏鲁地区在后造山期发生了一系列的壳幔相互作用。穿越大别—苏鲁造山带的横波速度剖面显示在造山带岩石圈地幔中存在向北倾的高速体,这为甄别不同的折返动力学模型提供了基础数据。结合前人研究,本文认为超高压变质岩在出露地表的过程中经历了多期折返:(1)在三叠纪中晚期,扬子板片向华北板片俯冲过程中发生断离,使整个扬子板块岩石圈后退,进而引起高压/超高压变质岩从地幔岩石圈深度折返至中下地壳;(2)在晚三叠世和早—中侏罗世,两大板块继续汇聚,超高压变质岩在浮力的作用下沿着俯冲隧道折返至中上地壳;(3)在白垩纪,大别造山带岩石圈发生拆离,导致大规模岩浆上涌,在造山带内形成穹窿构造,从而使超高压变质岩进一步折返至地表。

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