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2022年08月22日
中国科大在郯庐断裂带结构成像及其形成和演化研究中取得新进展

近日,中国科学技术大学地球和空间科学学院姚华建教授团队在郯庐断裂带中南段结构成像及郯庐断裂带的形成和演化研究中取得新进展。他们联合地震背景噪声和远震面波数据反演得到了郯庐断裂带中南段地壳上地幔高分辨的横波速度结构模型。新的地震成像结果揭示了区域内多个以前未发现的速度异常体,并获得了三维方位各向异性特征,这对认识郯庐断裂带的形成和演化起到了重要的约束作用。相关成果以“High-resolution crustal and upper mantle shear-wavevelocity structure beneath the central-southern Tanlu fault: Implications for its initiation and evolution”为题于2022年8月16日发表在国际著名地球科学学术期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。

郯庐断裂带是中国东部一条呈北北东向延伸长达2400公里的大型左行走滑型断裂带(图1)。自中生代以来,郯庐断裂带历经了多期次走滑、挤压以及拉张等构造活动,不但控制了周边地区地震灾害分布、盆地形成、多金属及油气资源成藏等,也在区域内华南板块、华北板块、大别造山带和苏鲁造山带等之间的构造活动中扮演了重要的角色。现今业内普遍认为郯庐断裂带形成于华南板块与华北板块的碰撞挤压过程中,之后水平位错出露有高压/超高压变质岩的大别和苏鲁造山带达400余公里,并且郯庐断裂带在其南端突然神秘终止。前人基于航磁、古地磁、地质(例如近地表变形、岩石分布、地质年代学)等数据提出了多个关于郯庐断裂带的形成与演化模型,但至今仍存在较大争议,而这部分原因是缺乏来自深部变形结构约束。

在该研究中,研究人员通过利用区域内的253个固定地震台和新增加的111个流动地震台的地震数据,通过地震背景噪声互相关技术以及面波双台法技术提取到5-150s瑞利面波相速度频散数据,采取面波成像一步法反演得到郯庐断裂带中南段地壳上地幔尺度的三维各向同性和方位各向异性剪切波速度模型。

地震成像结果显示在华南板块地壳内存在一包裹大别造山带东南角的方位各向异性弧形快波异常,这为郯庐断裂带在南端的突然终止提供直接证据。在徐淮弧形逆冲带以及鲁西隆起区域存在半圆形的快波异常,可能与郯庐断裂带两期走滑挤压事件有关。在软流圈深度范围观测到大范围低速和近东西向扇形分布快波异常,反映现今由滞留在地幔转换带中的太平洋板片脱水熔融所形成的地幔流。在110-200km深度显示存在与大别和苏鲁造山带平行的高速异常体(图1中HV1和HV2)和快波方向,且与地表出露中生代埃达克岩具有一致性,可能代表早白垩世岩石圈拆沉后的遗迹。

图1.大别造山带和苏鲁造山带下方的高速异常体(HV1和HV2)三维视角分布图。蓝色和红色分别表示高和低的剪切波速度。

基于这些新发现并结合区域构造背景,作者进一步提出郯庐断裂带自早中生代以来的四阶段构造演化模型(图2)。中三叠世,华北板块南缘可能存在一坚硬凸起,它在华北与华南板块碰撞以及古特提斯洋闭合过程中撕裂大洋和大陆岩石圈,进而形成早期的郯庐断裂带。以郯庐断裂带为参考,其东西侧华南板块区域由于挤压过程分别发生逆时针和顺时针旋转俯冲至华北板块之下,进而形成苏鲁和大别造山带。郯庐断裂带的两期大规模左行走滑与大洋岩石圈拆离、大陆岩石圈拆沉、高压/超高压变质岩两期折返、徐淮弧形逆冲带形成、环鲁西隆起半圆形快波异常等对应。新生代以来,研究区域受到由太平洋板片的俯冲与在地幔转换带的滞留所引起的东西向地幔流的侵蚀,导致了地壳与上地幔变形结构的解耦。

图2 (a-d)郯庐断裂带四阶段构造演化卡通图。图b-d中拉长的灰色小椭圆代表介质节理方向,指示各向异性的快波方向。图d中红色箭头指示地幔流方向。绿色与红色五角星分别表示高压/超高压变质岩和埃达克岩。

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罗松,姚华建教授和罗松博士为共同通讯作者,中国科大博士生张智奇和博士后Terhemba Shadrach Bem为合作作者。本研究得到了国家自然科学基金青年项目(42004031)和杰出青年基金项目(42125401)、安徽省重点研发项目(202104a07020016)、安徽蒙城地球物理国家野外科学观测研究站联合开放基金项目(SA2080000018)的联合支持。

姚华建教授团队近年来聚焦于郯庐断裂带中南段多尺度结构成像和变形模式研究,开展了不同尺度的地震学各向异性成像研究,获得了郯庐断裂带中南段中部地区的地壳上地幔顶部(Bem et al., 2022,JGR-Solid Earth)、安徽巢湖段上地壳(Luo et al., 2021,Tectonophysics)、山东潍坊段上地壳(靳佳琪等, 2022,地球物理学报)以及此次研究中的郯庐断裂带中南段地壳上地幔(Luo et al., 2022)的三维速度结构和变形特征。这些研究工作为建立沿郯庐断裂带地区多尺度结构模型、孕震构造分析、强地面运动模拟及地震灾害评估等方面的研究奠定了重要基础。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X22003995

相关发表论文:

Luo S., Yao H., Zhang Z., Bem T. S. 2022. High-resolution crustal and upper mantle shear-wavevelocity structure beneath the central-southern Tanlu fault: Implications for its initiation and evolution. Earth and Planetary Science Letters, 595. doi: 10.1016/j.epsl.2022.117763.

Bem T. S., Liu C., Yao H., Luo S., Yang Y., Liu B. 2022. Azimuthally Anisotropic structure in the Crust and Uppermost Mantle in Central East China and its Significance to Regional Deformation around the Tan-Lu Fault Zone. Journal of Geophysical Research:Solid Earth. doi: 10.1029/2021jb023532.

Luo S., Yao H. 2021. Multistage tectonic evolution of the Tanlu fault: Insights from upper crustal azimuthal anisotropy of the Chao Lake segment. Tectonophysics, 806. doi: 10.1016/j.tecto.2021.228795

靳佳琪,罗松,姚华建,田晓峰. 2022.密集台阵背景噪声成像揭示郯庐断裂带潍坊段地壳浅层速度结构及变形特征.地球物理学报. doi: 10.6038/cjg2022P0934.


(地球和空间科学学院、科研部)

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