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2022年07月26日
地震波成像和大地测量结果联合揭示华北克拉通岩石圈新生代改造过程

我校地球和空间科学学院姚华建教授团队在华北克拉通岩石圈破坏研究方面取得了重要进展。该团队采用背景噪声和地震面波成像获得了华北克拉通大尺度岩石圈精细速度结构,并联合大地测量结果揭示了华北克拉通岩石圈新生代改造的特征,新结果对于认识华北克拉通地区地震活动性分布特征和地震灾害评估具有重要的科学意义。相关成果以“Ongoing Lithospheric Alteration of the North China Craton Revealed by Surface-Wave Tomography and Geodetic Observations”为题发表于国际著名地球物理学期刊Geophysical Research Letters

华北克拉通是中国最古老的克拉通之一,也是克拉通活化、破坏的典型案例。中生代以来华北克拉通东部块体岩石圈显著减薄,并且克拉通中部和东部经历了强烈的内部变形、火山活动和地震活动,失去了稳定克拉通的典型特征,这个过程被称为去克拉通化或克拉通破坏。

尽管中生代-新生代华北克拉通破坏以及现今主要岩石圈结构特征被认为主要受控于古太平洋板块的西向俯冲,但是印度-欧亚大陆持续碰撞和周边大陆板块向东挤出对现今中国大陆区域的变形特征和地震活动性分布起到了重要控制作用,6级以上的地震主要分布在青藏高原和周边区域(图1a)。GPS观测结果显示由于印度板块持续向北挤压,强度较高的华南板块整体被向东挤出,中亚造山带几乎保持不动,介于两者之间的华北克拉通正在经受显著的左旋剪切(图1c和d),伴随着强烈的区域地震活动性(图1a)。

图1.(a)平滑后的地形图和中国境内大地震分布,阴影区域代表地震活动密集区域。图中蓝色实线和虚线框指示了c和d图展示的剖面位置。(b)研究使用的地震台站分布图,图中黑线表示华北克拉通主要构造边界位置。(c)为沿a图中蓝色实线的地表GPS速度剖面(Wang & Shen, 2020。参考文献见论文正文),绿色和蓝色点分别代表GPS速度的东西和南北分量,黄边红色五角星代表震级大于6的地震事件。(d)为沿a图中蓝色实线的应变率剖面。

中生代-新生代华北克拉通破坏:古太平洋板片西向平俯冲→岩石圈结构的东西向差异

大尺度的精细岩石圈结构对我们认识华北克拉通破坏和后续演化至关重要,本研究同时利用华北地区固定和流动地震台站(图1b)记录的背景噪声面波信号和远震面波信号测量宽频带(5-100 s)的瑞利面波相速度频散数据,反演岩石圈尺度的三维横波速度结构。

成像结果显示华北克拉通中部和东部块体岩石圈结构存在显著的东西差异(图2),地壳和岩石圈厚度都由东向西逐渐增厚,并且华北克拉通中部和东部都经历了显著的岩石圈减薄。华北克拉通东部块体在中生代-新生代克拉通破坏的过程中经受了最显著的岩石圈减薄,中部转换造山带是克拉通破坏和稳定克拉通之间的过渡区域。动力学模拟和地球化学观测都显示可能是古太平洋板片向西平俯冲到华北克拉通东部下方,俯冲板片脱水造成了上覆大陆板块弱化,后续平俯冲大洋板块回卷后撤最终导致了华北克拉通破坏。华北克拉通东部巨厚(>180 km)古老难熔的克拉通岩石圈地幔已经被薄的(~80 km)年轻富集岩石圈地幔取代。新的速度模型很好地刻画了破坏后的华北克拉通中部和东部岩石圈结构。

晚新生代岩石圈改造:印度-欧亚大陆持续碰撞→华北克拉通左旋剪切→岩石圈结构的南北差异

尽管华北克拉通主要的岩石圈结构特征是东西向的岩石圈结构差异,新的横波速度结构模型同时揭示了显著的南北向速度结构差异。在70 km深度,中部转换造山带北部和华北平原北部的横波速度结构为显著低速,与沿张家口-渤海断裂带的显著左旋剪切带呈现很好的一致性,并且浅部对应强烈的区域地震活动。作者认为中生代-新生代华北克拉通破坏显著降低了华北克拉通中、东部岩石圈的结构强度,在印度-欧亚大陆持续碰撞和周边陆块向东挤出的过程中,华北克拉通东部和中部块体作为介于华南块体和中亚造山带之间的薄弱地带吸收了大量的左旋剪切,其中大部分左旋剪切发生在张家口-渤海断裂带附近。沿张家口-渤海断裂带的左旋剪切进一步减薄了岩石圈,并且产生了大量地震活动,包括著名的1976年唐山大地震。精细的岩石圈结构和左旋剪切的动力学过程应该在后续的地震灾害评估中考虑进去。坚硬的鄂尔多斯地块主要通过逆时针旋转吸收左旋剪切,地震活动也主要集中发生在鄂尔多斯块体边缘。

中部转换造山带北部和华北平原北部的应变率也存在显著的差异,作者认为这可能是深部岩石圈状态(温度和岩石圈强度)体现。中部转换造山带北部存在大量新生代玄武岩岩浆活动和下地壳岩浆底侵,成像结果也显示该区域下地壳和上地幔顶部为显著低速,说明中部转换造山带北部岩石圈温度较高,岩石圈强度弱,所以左旋剪切应变发生在一个更宽的范围内(图2b)。而华北平原北部的上地幔顶部仍然是高速,暗示岩石圈温度较低,岩石圈强度较强,等量的左旋剪切应变集中在更窄的区域发生,从而更容易促使地震的发生(图2c)。

图2.(a-c)华北克拉通从东到西的三条速度结构剖面。顶部图展示了沿剖面的GPS速度场的东西分量,中间图展示了三维地形,底部三幅图展示了横波速度结构成像结果。白色圆点代表地震分布,黄色和白色虚线指示由横波速度结构得到的地壳和岩石圈深度。红色区域和黄色箭头指示热的软流圈物质上涌,并最终导致岩浆底侵和新生代玄武岩火山。

本研究的第一作者为中国科学技术大学地球和空间科学学院特任副研究员冯吉坤,姚华建教授和冯吉坤博士为共同通讯作者,中国科学院地质与地球物理研究所陈凌研究员和中国科学院海洋研究所李翠琳副研究员为合作作者。本研究得到了国家自然科学基金委杰出青年基金(42125401)、青年基金(41904048)及基础科学中心项目(42288201)的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1029/2022GL099403

 

(地球和空间科学学院、科研部)

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