华北克拉通壳幔结构与深部孕震环境研究

The North China Craton (NCC) is a classical example of ancient destroyed cratons and is also an earthquake disaster-prone area in China. The tectonic processes of the NCC and the mechanism of strong earthquakes are still topics of debate due to the lack of detailed knowledge of the structure of crustal and mantle in this region. Hypotheses and conclusions concerning the structure of crust and mantle are under debate. At least part of the controversy lies in the fact that different studies with various spatial resolutions and sensitivities to the thermochemical structure of the Earth’s interior, have been used to explain the same phenomena. In this project, we plan to develop techniques that integrate two or more datasets into a formal joint analysis, which is exploiting the complementary benefits of different datasets. We also plan to studying the (velocity, density and anisotropy) structure of the lithosphere and upper mantle beneath North China by combining gravity data and seismic data recorded in this region. These promising results will be helpful to the understanding on the tectonic processes of the NCC and the mechanism of strong earthquakes, and also be essential for monitoring regional-scale seismicity, for modelling of geodynamic processes controlling crust-mantle material exchange and for seismic hazard assessment in this region.

华北是全球古老克拉通遭受破坏最明显、最典型的地区，也是我国地震灾害集中的主要地区。由于对研究区壳幔深部结构认识不清，目前关于华北克拉通形成、演化及强震孕育发生机理等仍存在争议。研究区壳幔结构探测结果的不一致，在一定程度上是由于不同地球物理资料对地球内部热、化学结构具有不同分辨率和敏感性所致。本申请拟针对深部结构研究中不同地球物理资料、不同探测方法分辨能力不同这一特点，开展多种联合成像反演研究。并利用华北地区固定和流动地震台站记录到的地震记录及收集到的重力等观测资料，获取研究区壳幔（速度、密度）结构与各向异性分布特征，从而为克拉通的形成演化、地震发震机理等研究提供深部约束，为研究区地震精确定位和深部动力学过程模拟、地震危险性评价等提供参考模型。

华北是全球古老克拉通遭受破坏的最典型地区，也是我国地震灾害集中的主要地区。通过开展多种联合成像反演研究构建研究区壳幔结构与各向异性分布特征，可为克拉通形成演化、强震发震机理等研究提供深部约束。项目利用研究区固定、流动地震台站及重力等资料，开展了重力、地震联合反演方法研究，并采用接收函数、噪声与地震面波成像、远震剪切波分裂、重力与地震走时联合成像、地震地热大地测量与高程等资料联合反演等方法，获取了研究区壳幔速度、密度、温度等多参数模型与各向异性分布特征。发展了基于重力、接收函数和面波频散联合约束地壳结构的新方法，克服了接收函数多次波不清晰引起的多解性问题，实现了对复杂构造区地壳参数的可靠估计。各向异性研究显示稳定的鄂尔多斯块体各向异性不仅分布在岩石圈内部也存在于软流圈地幔；大同火山附近各向异性快波方向呈“抛物线”分布，推测与地幔柱引起的热物质流动有关。背景噪声和地震面波成像研究显示大同火山区下方S波低速异常从中下地壳延伸至上地幔顶部，推测地幔热物质控制了新生代岩浆活动。开展了重力与走时联合反演成像方法研究，并应用于华北地区地壳上地幔顶部速度结构研究，结果显示研究区强震集中分布在中上地壳高速体内部或高低速相间区，其下地壳乃至上地幔顶部都呈现明显低速异常，推测与地幔热物质上涌引起局部应变能集中有关。利用接收函数方法确定了中国东部900余台站的地壳厚度和波速比，结果显示，研究区地壳厚度介于25-48km，其中四川盆地和鄂尔多斯地壳厚约42-48km，华北平原和华夏块体较薄（25-35km）。接收函数自相关研究显示渤海湾地区沉积层共振频率介于0.09-0.56Hz，沉积层厚度介于0.1km-3km。中国东部壳幔速度、密度、温度和化学组分结构模型显示，鄂尔多斯和扬子克拉通西部热岩石圈较厚，而中国东部岩石圈较薄。首次揭示了扬子克拉通岩石圈地幔交代/富集作用的程度，中国东部岩石圈地幔表现为相对的高/低速、亏损/富集的交替相间模式，暗示岩石圈地幔被部分改造/置换。