海洋所研究揭示青藏東北緣及鄰區(qū)地殼變形機(jī)制
近日,中科院海洋所董冬冬研究員團(tuán)隊(duì)與南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系海洋地球物理團(tuán)隊(duì)合作,利用地震學(xué)背景噪聲成像技術(shù),在青藏高原東北緣及鄰區(qū)的地殼變形機(jī)制研究中取得重要進(jìn)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(xué)自然指數(shù)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(jié)果。關(guān)于青藏高原巖石圈形變的動力學(xué)機(jī)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(nèi)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(zhì)的橫向運(yùn)動)等。青藏高原東北緣作為高原向華北塊體擴(kuò)張的前緣地帶,是研究高原隆升、向外擴(kuò)張生長的關(guān)鍵區(qū)域,而關(guān)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(xué)成像手段構(gòu)建高分辨率的地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)可以為認(rèn)識青藏東北緣地殼形變機(jī)制提供關(guān)鍵證據(jù)。
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(guān)系,是研究地殼(巖石圈)變形模式的重要手段。研究團(tuán)隊(duì)利用中國地震科學(xué)探測項(xiàng)目ChinArray II地震臺網(wǎng)記錄的三分量連續(xù)地震波形數(shù)據(jù),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(shí)提取相速度和方位各向異性信息。進(jìn)而構(gòu)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(jié)構(gòu)(圖2)和方位各向異性模型(圖3)。
研究結(jié)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(qiáng)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(qiáng)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(jī)制存在差異。進(jìn)一步結(jié)合區(qū)域其他地質(zhì)地球物理資料(徑向各向異性,接收函數(shù),熱力學(xué)模擬等),我們認(rèn)為青藏高原是呈階梯式擴(kuò)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(kuò)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(dǎo),但不排除其正處于地殼流發(fā)育的萌芽階段;(2)通過計(jì)算殼內(nèi)剪切波分裂延遲時(shí)間及快軸方向(圖4a)并與觀測的SKS做對比(圖4b),發(fā)現(xiàn)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(rèn)識青藏高原東北緣地殼變形機(jī)制、推斷青藏高原擴(kuò)張生長過程提供了重要的地震學(xué)觀測證據(jù)。
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(xué)海洋科學(xué)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(xué)海洋科學(xué)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(xué)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(jī)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度,(c)剪切波速度擾動. 黑色實(shí)線表示Moho面,黑色虛線表示巖石圈有效彈性厚度

圖4(a)預(yù)測的殼內(nèi)剪切波分裂延遲時(shí)間,(b)預(yù)測的殼內(nèi)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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