青藏高原东北缘地壳和上地幔顶部三维结构与形变机制的地震学研究

The large-scale surface deformation, uplifting and faulting occurring at the Tibetan plateau are generally believed to be caused by the continuous collisional compression and deep geodynamical process after the collision between the India and Eurasia. The Northeastern Tibet(NE tibet) is the front edge of continental expansion, which is the window to study the surface uplift geodynamical model, the crustal and mantle deformation and the evolution. However, the style and amount of the subsurface deformation induced by the collision, especially those inside the lower crust and upper mantle, are still debated, and are one of the fundamental problems in solid earth science. In this proposal, we plan to take advantage of the high quality waveform data recorded by the regional seismic networks of the China Earthquake Administration. We will apply our recently developed receiver function analysis technique，ambient noise adjoint tomography and other available seismic imaging techniques to develop a seismic image beneath NE Tibet from the crust to the upper mantle. The seismic image of the crust and mantle will include a three-dimensional Rayleigh wave velocity model, a map of crustal and upper mantle anisotropy, the Moho depth and Vp/Vs ratio. Combined with the results from geology, geophysics and geodynamics, we will build a 3D structure of the NE Tibet to study the state of the crust-mantle coupling, the deformation of crust and the mechanism of the crustal deformation and surface uplifting in NE Tibet. This project will provide important insights on the mechanism of the formation and deformation evolution of the Tibetan Plateau.

青藏高原东北缘位于青藏高原向大陆内部扩张的前缘位置，是研究欧亚板块与印度板块碰撞造成青藏高原地表抬升、壳幔形变和演化动力学机制的窗口。但目前对于青藏高原东北部地区大规模的地表运动以及由碰撞引起的地壳、岩石圈形变仍未有定论，这也是地震学和地球动力学研究领域的热点问题。本项目将充分利用中国地震局在青藏高原东北缘区域的台网及其它可观测到的地震波形资料，采用接收函数和背景噪声伴随层析成像等地震学技术，获取青藏高原东北部及其周边区域的地壳和上地幔各向异性、地壳厚度、壳内Vp/Vs、地壳和上地幔顶部三维瑞雷面波精细速度结构等资料。结合已有的地质学、地球物理学以及地球动力学等研究成果，构建青藏高原东北缘区域地壳和上地幔顶部的三维结构图。进而深入探讨青藏高原东北缘的壳幔耦合情况、地壳变形、地表抬升的主要动力学机制。本项目研究对进一步认识青藏高原形成机制和变形演化的动力学过程具有重要的科学意义。

随着印度板块与欧亚板块的继续挤压压缩，青藏高原东北缘作为地壳变形的前缘位置，为研究整个青藏高原的隆升和地面抬升的动力学机制提供了很好的试验基地。地震各向异性和地震波成像是研究壳幔变形的最有效和最直接的方式。为研究青藏高原东北缘地区的变形特征，我们搜集了位于青藏高原东北缘区域包括龙门山、秦岭构造带、鄂尔多斯块体及其周围区域的宽频带固定和流动地震台站资料（共284个台）。首先采用基于接收函数中的Moho面Ps转换波计算了地壳内各向异性特征，结果显示在青藏高原东北缘和秦岭断裂带以及龙门山断裂带附件具有明显的各向异性，其快波方向在龙门山地区与断裂带方向垂直，而在青藏高原东北缘和秦岭地区快波方向顺着断裂带的方向。随后，在剔除地壳各向异性后，又采有了H-k叠加方法计算了地壳厚度和地壳内纵横波速比，获得了研究区域内的地壳各向异性分布、地壳厚度以及地壳内纵横波速比图。结果显示在青藏高原东北边缘区域地壳厚度较厚，达到约56km，秦岭构造带区域地壳厚度次之约为45 km，渭河地区地壳最薄约为30 km其次。但地壳纵横波速比在青藏高原东北缘约1.710相对南秦岭构造带和四川盆地的东北部区域约1.80-1.90较低。地壳各向异性的快波方向基本上呈现北西-南东方向，在对比分析了该地区GPS和反应上地幔各向异性结构的SKS分裂结果，我们发现在青藏高原东北边缘区域地壳和上地幔是垂直耦合构造，而在南秦岭构造带区域以及四川盆地的东北部地区，存在明显的地壳各向异性和纵横波速比高，推断可能是南秦岭地区在扬子板块和华北板块挤压压缩过程中，该地区的下地壳或上地幔发生了物质拆沉和折返所造成的。最后采用地震波层析成像研究了该地区的地壳和上地幔的地震波速度结构，结果发现，在秦岭构造带地区的地壳和上地幔顶部存在明显的低速异常，这与上述推断的地壳和上地幔发生拆沉的结果吻合。在青藏高原东北部的上地幔同样也存在明显的低速异常，而鄂尔多斯和四川盆地区域自下地壳至300km都存在着高速异常，并且在地壳各向异性较弱或者快波方向表现杂乱无章，说明在这两地扔保存着古老的克拉通性质，这些地壳各向异性主要来自于古老的克拉通的话是各向异性。总的来说，通过研究地壳各向异性和地震波速度结构成像研究，为研究青藏高原东北缘以及青藏高原的隆升动力学机制乃至整个中国的壳内变形和上地幔构造提供了有利的地球物理依据。