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    Tectonophysics:中天山地殼結構及其對造山帶活化的重要啟示

    天山造山帶位于印度-歐亞碰撞帶以北約1000-2000 km,是地球上最活躍的陸內造山帶之一。由于印度和歐亞大陸碰撞的遠程效應,天山造山帶在晚新生代發生活化,這也被認為是青藏高原隆升后應力傳遞的重要響應。關于天山造山帶的活化這一科學問題前人提出了多種機制,如地殼縮短(crustal shortening)、單側或雙側陸內俯沖(subduction/underthrusting)和Raleigh-Taylor不穩定性等等,目前仍然存在很大爭議。

     圖片1.png

    圖1 中天山及周邊地區構造背景圖?;緲嬙鞌祿捎肏imaTibetMap數據集,震源機制解資料引自CMT目錄(1976-2020)。右上角圖中GPS觀測數據引自Zubovich et al. (2010)一文。

    中天山地區位于穩定地塊哈薩克地盾(Kazakh Shield)和塔里木盆地(Tarim Basin)之間,具備典型造山帶特征,且具有較好的固定/流動寬頻帶臺站覆蓋。地震各向異性與深部構造研究團隊的崔清輝副研究員及其合作者選定中天山地區地殼結構為研究對象,采用基于Ps及其殼內多次波(PpPs, PpSs+PsPs)球諧改正的H-κ-c方法,對研究區域內43個地震臺站的P波接收函數進行校正并掃描疊加處理,得出了中天山下方更新的地殼厚度(H)和平均縱橫波速比(κ)分布(圖2)。相比于傳統H-κ疊加方法(Zhu and Kanamori, 2000),H-κ-c方法對震相進行校正并對疊加權重進行了優化,提高了對地殼結構的分辨和約束能力。

    圖片2.png

    圖2中天山地區地殼厚度和平均縱橫波速比(κ)圖

    研究結果顯示,中天山地區地殼厚度在50-65 km,而哈薩克地盾和塔里木盆地下方地殼厚度分別約為45 km和42 km (圖2)?;贏A'和BB'兩個剖面對比,地殼厚度和地表高程并不完全呈正相關趨勢(圖3),南部地區地殼較北部而言厚度偏大,證實了該地區地殼存在非均勻增厚的現象。在中天山大部分地區以及哈薩克地盾和塔里木盆地的邊緣,縱橫波速比(κ)普遍大于1.73,而在中天山零星地區小于1.73。地震層析成像研究也發現中天山地區殼內存在大范圍的低速異常。地化證據表明天山地區存在源自上地幔頂部源區的鎂鐵質巖漿的底侵作用,熱幔源物質的涌入可導致地殼出現高溫環境并極易引發大規模的部分熔融。

    基于研究結果,我們提出中天山既存在非均勻地殼增厚的復雜陸內擠壓碰撞作用,同時也存在上涌地幔巖漿所誘發的殼內部分熔融對地殼物質流變的改造作用,這一雙重作用模式共同導致了中天山造山帶的活化和隆升。該作用模式可為陸內造山帶形成過程中的地殼擠壓變形、殼內物質流動以及殼幔圈層作用等深部動力學過程提供參考,同時對于中天山地區防震減災、礦產勘查和地質調查等工作提供地球物理背景場資料。

     圖片3.png

    圖3 沿AA'測線的地表高程及地殼結構剖面。黑色虛線和實線分別表示接收函數球諧改正前后得出的地殼厚度(H),紅色虛線和實線分別表示球諧改正前后得出的縱橫波速比(κ),黑色震源球為沿AA'測線±0.5°內CMT震源機制解(1976-2020)的后半球投影。

    該研究成果以“Crustal thickness (H) and Vp/Vs ratio (κ) images beneath the central Tien Shan revealed by the H-κ-c method”為題發表在地學國際學術期刊《Tectonophysics》(IF=3.933,地學2區)。中國地震局地震預測研究所崔清輝副研究員(E-mail: qhcui@ief.ac.cn)為第一作者,中國科學院大學地球與行星科學學院周元澤教授為通訊作者,合作者還包括武漢大學李江濤特聘研究員、北京大學宋曉東教授、地震預測研究所高原研究員以及中國科學院大學崔冉博士。論文第一署名單位為中國地震局地震預測研究所地震預測重點實驗室。該項基礎研究由國家自然科學基金面上項目(42074101 to Q.C., 41874109和42074103)、中央級公益性科研院所基本科研業務費專項面上項目(2020IEF0509 to Q.C.)和中國科學院戰略性先導科技專項(XDB18010304)聯合資助。

    論文信息:Cui Qinghui, Zhou Yuanze, Li Jiangtao, Song Xiaodong, Gao Yuan, Cui Ran. 2021. Crustal thickness (H) and Vp/Vs ratio (κ) images beneath the central Tien Shan revealed by the H-κ-c method. Tectonophysics. 822(2022): 229157.

    論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S004019512100439X

    中天山地殼結構結果下載:https://doi.org/10.5281/zenodo.6328568

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