海洋所研究揭示青藏東北緣及鄰區(qū)地殼變形機制
近日,中科院海洋所董冬冬研究員團隊與南方科技大學海洋科學與工程系海洋地球物理團隊合作,利用地震學背景噪聲成像技術,在青藏高原東北緣及鄰區(qū)的地殼變形機制研究中取得重要進展。研究成果以“Seismic azimuthal anisotropy of northeastern Tibetan Plateau from ambient noise double beamforming tomography: implication for crustal deformation”為題發(fā)表在地球科學自然指數期刊Journal of Geophysical Research-Solid Earth。
青藏高原的隆起(圖1)是新生代(~50 Ma)以來印度板塊與歐亞板塊持續(xù)碰撞的結果。關于青藏高原巖石圈形變的動力學機制,目前主要有幾種端元模型:分布式縮短模型(巖石圈純剪切增厚);陸內俯沖模型(亞洲巖石圈俯沖到印度巖石圈之下,巖石圈地幔與地殼解耦);地殼通道流模型(下地殼物質的橫向運動)等。青藏高原東北緣作為高原向華北塊體擴張的前緣地帶,是研究高原隆升、向外擴張生長的關鍵區(qū)域,而關于該區(qū)域的地殼形變模式一直存在較大爭議。因此,通過地震學成像手段構建高分辨率的地殼精細結構可以為認識青藏東北緣地殼形變機制提供關鍵證據。
地震波方位各向異性是指地震波速度對傳播方位的依賴關系,是研究地殼(巖石圈)變形模式的重要手段。研究團隊利用中國地震科學探測項目ChinArray II地震臺網記錄的三分量連續(xù)地震波形數據,發(fā)展了一種基于密集臺陣的背景噪聲成像方法——雙聚束成像(Double Beamforming Tomography),可同時提取相速度和方位各向異性信息。進而構建了青藏高原東北緣高分辨率地殼及上地幔剪切波速度結構(圖2)和方位各向異性模型(圖3)。
研究結果顯示:(1)松潘—甘孜東北部和祁連造山帶中下地殼(> 15 km, 圖2b,c,d)具有明顯的低速異常,但具有不同的方位各向異性特征。其中,松潘-甘孜東北部的中下地殼Vs < 3.4 km/s,且具有較強的近E-W指向方位各向異性特征;而祁連造山帶下方的各向異性強度相對較弱,Vs約為3.4-3.6 km/s,高于松潘-甘孜中下地殼。這些觀測表明,兩者的中下地殼變形機制存在差異。進一步結合區(qū)域其他地質地球物理資料(徑向各向異性,接收函數,熱力學模擬等),我們認為青藏高原是呈階梯式擴張模式,而松潘-甘孜東北部和祁連造山帶分別代表了高原發(fā)育的不同階段。其中,松潘-甘孜的隆起是與印度-歐亞板塊的碰撞同期的,代表了高原發(fā)育相對成熟的地帶,地殼變形主要受地殼通道流控制(各向異性模型限定的地殼流上邊界約為30 km深,圖3a,b);而祁連造山帶是青藏高原擴張的前緣地帶,其隆升代表了高原生長的早期階段,主要由地殼剪切增厚主導,但不排除其正處于地殼流發(fā)育的萌芽階段;(2)通過計算殼內剪切波分裂延遲時間及快軸方向(圖4a)并與觀測的SKS做對比(圖4b),發(fā)現在阿拉善塊體東部至鄂爾多斯地塊西邊界處存在殼幔解耦變形,而西秦嶺造山處伴隨造山活動殼幔發(fā)生垂直相干變形。本研究為認識青藏高原東北緣地殼變形機制、推斷青藏高原擴張生長過程提供了重要的地震學觀測證據。
論文的第一作者為中科院海洋所博士后吳曉陽。南方科技大學海洋科學與工程系郭震副教授,陳永順講席教授為論文共同通訊作者,合作者還包括南方科技大學海洋科學與工程系李世林、于勇研究助理教授和博士后白啟鵬。研究得到國家自然科學基金資助。
論文信息:Wu, X. Y., Guo, Z., Li, S. L., Yu, Y., Bai, Q. P. & Chen, Y. S. (2023). Seismic azimuthal anisotropy of northeastern Tibetan Plateau from ambient noise double beamforming tomography: implication for crustal deformation. Journal of Geophysical Research-Solid Earth. Doi: 10.1029/2022JB026109

圖1 青藏高原隆升及東北緣地殼變形機制示意圖

圖2 分別位于地下5, 15, 25, 40 km深度處各向異性剪切波速度結構模型

圖3 剖面D-D’-D’’,其中(a)各向異性快軸方向,(b)各向異性強度,(c)剪切波速度擾動. 黑色實線表示Moho面,黑色虛線表示巖石圈有效彈性厚度

圖4(a)預測的殼內剪切波分裂延遲時間,(b)預測的殼內剪切波分裂與觀測的SKS對比,底圖表示二者方位角之差
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