（地球探测与信息技术专业论文）利用接收函数研究印度和欧亚大陆碰撞带的深部构造.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 宽频远震体波的波形反演理论与方法是近几十年来迅速发展起来的、对地 球内部结构研究行之有效的方法，接收函数法就是其中的典型代表。远震波形 中包含了丰富的地下介质的物理特性信息，如震源时间函数、源区介质结构、 地震波传播路径以及接收区介质结构等接收函数是将三分量远震波形记录的 两个水平分量旋转成径向分量和切向分量，然后用垂直分量分别对它们作反褶 积得到的径向和切向方向上的时问序列，即所谓的接收函数。根据初始模型参 数使用k e n n e t t t ( 1 9 8 3 ) 的广义反射透射系数矩阵方法计算理论三分量地震图， 再由理论地震图计算初始模型的接收函数，通过比较初始模型的接收函数与实 际观测的接收函数，对初始模型不断修i e ，直至达到精度要求，获得地震台下 地球内部结构。 为克服反演结果对切始模型的依赖，在反演时引入了误差反传人工神经网络 算法( b p 算法) 。利用人工神经网络对接收函数进行非线性反演，这种反浈法 既可避免复杂的地震图合成计算及耗时的迭代计算。又具有记忆功能，从而使 得接收函数法的反演工作具有延续性和可继承性其缺点是对于未曾学习过的 模型或与学习过的模型差异较大的模型，其反演结果误差较大。但随着人工神 经网络反演系统的不断完善，该方法将有广阔的应用前景。 结合中美合作h i c l i m b 项目取得的近8 0 0 k m 主剖面的宽频带远震数字波 形数据，提出了用接收函数反演地壳和上地幔速度结构和问断面深度的新方法 接收函数人工神经网络反演算法，反演了尼泊尔至中国西藏中部穿越喜马拉 雅造山带的地壳上地幔速度结构，获得了对印度和欧亚板块碰撞带深部构造特 征的新的认识，为进一步揭示印度和欧亚板块碰撞带的深部构造特征、演化及 地球动力学过程提供了可靠的地球物理证据，并结合有关资料初步探讨了其地 质意义 关键词：接收函数人工神经网络大陆板块碰撞带深部构造 桂林工学院硕士学位论文 a d s t r a c t t h et h e o r ya n da p p r o a c ho f t b eb r o a d b a n dt e t e s e i s m i cb o d yw a v e f o r mi n v e r s i o n w a sa g o o dm e t h o do ft h er c s e a r c ho nt h ee a r t hi n s i d es t r u c t t i r e w h i c hd e v e l o p e d r a p i d l ys c v e f a it e ny e a r s t h er e c e i v e rf u n c t i o ni st h er e p r e s e n t a t i o no f t h eb r o a d b a n d t e l e s e i s m i cb o d yw a v e f o r i l l t h eb r o a d b a n db o d yw a v e f o r i l lc o n t a i nai o to fp h y s i c c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o no ft h eu n d e r g r o u n dm e d i u m s u c ha ss e i s m i cs o u r c et i m e f u n c t i o n ，s o u r c es e c t i o nm e d i u ms t r u c t u r e ，t h et r a n s m i tp a t ho fs e i s m i cw a v e sa n d t h em e d i u ms t r u c t u r eo ft h er e c e i v e rs e c t i o n r e c e i v e rf u n c t i o n sa r et i m es e d e s c o m p u t e df r o mt h r e e - c o m p o n e n ts e i s m o g r a m s 。a c c o r d i n gt o t h ei n i t i a lm o d e l p a r a m e t e r , u s i n gt h em a t r i xm e t h o do fk e n n e t t t s ( 1 9 8 3 ) g e n e r a l i z e dr e f l e c t i o n l t a n s m i s s i o nc o e f f i c i e n tt oc o m p u t et h et h e o r yt h r e e c o m p o n e n ts e i s m o g r a m 。t h e l l t h er e c e i v e tf u n c t i o no ft h ei n i t i a lm o d e lc o b l db eg o t t e nb yt h et h e o r ys e i s m o g r a m t h ee a r t hi u s i d es t r u c t u r eu n d e rt h es e i s m i cs t a t i o nc o u l db eo b t a i n e db yc o m p a r i n g t h ei n i t i a im o d e lr e c e i v e rf u n c t i o nw i t hr e a lo b s e r v a t i o nr e c e i v e rf u n c t i o na n d c o r r e c t i n gt h ei n i t i a lm o d e l t h ee r r o rb a c kp r o p a g a t i o nt r a i n i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( b pt r a i n i n g ) w a s i n t r o d u c e di n t oi n v e r s i o nt oo v e r c o m et h ed e p e n d e n c eo fi n i t i a 【m o d e l i tc o u i d n t o n l ya v o i dc o m p l e xs e i s m o g r a mc o m p o u n da n di t e r a t i o nc o m p u t a t i o n b u ta l s oh a v e m e m o r yf u n c t i o nb yu s i n gt h en o n l i n e a ri n v e r s i o no fa r t i f i c i a ln c u r a ln e t w o r k s ot h e i n v e r s i o no f t h er e c e i v e rf u n c t i o nh a sc o n t i n u i t ya n di n h e f i t a n c e t h ed i s a d v a n t a g eo f t h eb pt r a i n i n gw a st h a tt h ee r r o ro ft h ei n v e r s i o nr e s u l t sw a sb i g g i s hf o ru n s t u d i e d m o d e lo r g l e a td i f f e r e n c er o o d e l t h i sm e t h o dw o u l dh a v ee x p a n s i v ea p 西i e d f o r e g r o u n da st h ep e r f e c t i o no ft h ea r t i f l c i a ln e u r a ln e t w o r kj n v e r s i o ns y s t e m a c c o r d i n gt ot 1 1 eb r o a d b a n dd i g i t a lt e l e s e i s m i cw a v e f o r b td a t ao fn e a r8 0 0 k i n m a i np r o f i l ei nc h i n a - a m e r i c ac o o p e r a t e dh i c l i m bi t e m an e wm e t h o dw a sp u t f o r w a r d e d ：r e c e i v e rf u n c t i o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt r a i n i n g w h i c hi n v e r s e dt h e c r u s t ，u p p e fm a n t l ev e l o e i t ys t r u c t n r ea n di n t e r r u p t e dp r o f i l ed e p t h t h ec r u s ta n d u p p e rm a n t l ev e l o c i t ys t r u c t u r eo ft h en e p a l c h i n at i b e tc e n t r a ls e c t i o nt h r o u g h h i m a l a y ao r o g e n i cb e l tw e r ei n v e r s e d 1 1 佗n e wc o g n i t i o no ft h ed e e ps t r u c t u r e b e n e a t ho ft h ei n d i a n e u r a s i a nc o n t i n e n t a lc o l l i s i o nz o n ew a so b t a i n e d t h es t u d y c o u l dp r o v i d et h ec r e d i b l et h e o r yo fp h y s i c a l g e o g r a p h yf o rp o s t i n gt h ed e e p s t r u c t u r eb e n e a t h ，e v e n l e n ta n dg e o d y n a m i c so ft h ei n d i a n - e u r a s i a ne o n t i n e n t a l c o l l i s i o nz o n eu l t e r i o r l y ，t h eg e o l o g ys i g n i f i c a t i o na i mw a sd i s c u s s e dw i t hr e l a t e d i n f o r m a t i o ni nt h i sp a p e r k e yw a r d s r e c e i v e rf u n c t i o n , a n i f i e i a ln e u r a ln e t w o r k ；c o n t i n e n t a lc o l l i s i o nz o n e ； d e e ps t r u c t u r eb e n e a t h 桂林工学院硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机 构的学位或证书丽使用过妁材斟。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解桂林工学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公亦论文的全部或 部分内容，可以采用影印，缩印或其他复制手段保存论文。 签名：j 瓯导师签名：蛾日 期： 桂林工学院硕士学位论文 第1 章绪论 穿越喜马拉雅山的地震探测( h i - c u m b ) 项目的地震探测剖面是迄今为止 唯一一条完整地横穿印度大陆、亚洲大陆及其碰撞造山带的天然地震探测剖面。 它的实施将对人类完整地、系统地研究喜马拉雅构造带及其邻近地区的深部构 造，重建剖面沿线及其邻近的岩石圈三维结构图像，进而研究两大板块碰撞带 在其造山过程中的岩石圈构造的动力学过程和机制探索喜玛拉雅造山带的深 部活动构造形变特征提供最直接的深部地球物理证据同时，根掘研究成果可 以对由于大陆碰撞引发了强烈的岩浆热液活动所形成的各种矿产资源进行预 测，并且对于矿产勘查的重大突破、找矿效益的提高提供非常重要的基础性资 料。 1 ，1 地质、地球物理研究程度 从1 9 2 9 年至2 0 世纪4 0 年代初期，先后有谭锡畴、李春昱等人对青藏高原 进行过地质矿产调查研究【2 3 1 青臧高原大规模的地质调查始于新中国建立之 后。2 0 世纪5 0 年代到7 0 年代是青藏高原地质调查研究的大发展阶段4 1 ，调 查地区已遍及整个高原，丌展了大面积的中，小比例尺地质调查、路线地质调 查、地球物理探测、航空磁测、矿产普查勘探、综合考察等地质科学研究，外 国一些学者也在高原西部、南部边缘进行了地质、地球物理调查0 5 - j 8 1 。 1 9 8 0 年以来，随着科学技术的蓬勃发展和我国改革开放政策的实施，青藏 高原成为国际上发展地球科学的汇聚点和验证当代一些地球科学理论的天然实 验室，国内外地球科学界研究探讨青藏高原的积极性空前高涨这一阶段主要 以岩石圈结构及其动力学以及高原隆升机制研究为主题，开展了高层次、多学 科的综合研究，进行了多种形式的国际合作研究与交流，深化了对若干重大科 学问题的认识。7 0 年代以来的主要研究情况如下： 1 9 8 0 1 9 8 2 年中国科学院与法国科学家合作，沿藏南亚东纳木错一线进 行了地质地球物理结果调查研究1 1 9 - 1 ，实施了一系列地震剖面，包括藏南佩枯 错一定结一普莫雍错纵剖面、藏北色林错一蓬措一雅安多纵剖面、以色林为炮 桂林工学院硕士学位论文 点的嘎拉一安多扇形剖面、以昂仁为炮点的嘎拉一那曲扇形剖面、以定结为炮 点的聂拉木扇形剖面、以佩枯错为炮点的马哈巴拉特扇形剖面、以蓬错为炮点 的谷磊一曲水扇形剖面，完成了那曲至洛扎的大地电磁铡深剖面的探测。 1 9 8 6 1 9 8 9 年期问原地质矿产部在亚东一格尔木沿线进行了地学断面研 究，1 9 9 2 年进行格尔木一额济纳旗地学断面等多学科综合调查研究m - 3 1 1 。 1 9 9 2 2 0 0 0 年中美合作的“国际喜马拉雅和青藏高原深部剖面及综合研 究”( i n d e p t h ) 计划，沿亚东谷露裂谷进行天然地震、深反射地震、重力， 大地电磁测深等地质地球物理调查 3 2 - 4 1 】。 1 9 9 5 年，中法合作在阿尔金地区布设5 4 台宽频带数字台站，通过层析成像 和接收函数等方面研究，得出塔里木俯冲，阿尔金冲断楔嵌入和阿尔金走滑使 柴达木与塔里木的莫霍面变化较大的构造模式，使对青藏高原的研究由腹地推 向邻区【4 2 - 4 4 1 1 9 9 8 年6 月至1 月中国地质科学院与法国j o s e p h 大学地球物理及构造研究 所在青海共和至玉树公路沿线进行天然地震观测；1 9 9 8 年l o 月中国地质科学院 与法国巴黎科研中心地球物理研究所合作，在西藏玉树至四川玛多公里沿线布 置2 0 0 多台三分量天然地震仪，在治多至刚察等地进行人工爆破，人工地震台 站间距5 6 k m ，主要接收地壳和上地幔反射t 4 s 4 6 1 。 1 9 9 8 2 0 0 0 年，国土资源部在青藏高原中西部进行了1 ：1 0 0 万的航磁概查 工作【4 7 】。 2 0 0 1 年中园地质科学院与法国科研中心合作在叶城一狮泉河路线稚设了4 9 台宽频地震仪器，探测青藏高原西缘的深部构造【4 3 5 0 l 。 2 0 0 2 2 0 0 5 年，巾美合作在尼泊尔与中国西藏境内实施了h i c l i m b ( h i m a l a y a n t i b e t a nc o n l i n e n t a ll i t h o s p h e r ed u r i n gm o u n t a i nb u i l d i n g ) 科技合作项目， 在主剖面测线沿线一共确i 嚣1 0 0 多台宽频带地震仪，跨越了主边界逆冲带 ( m b t ) 、主中央逆冲带( m c t ) 、雅鲁藏布江缝合带( y z s ) 、班公错一怒江缝 合带( b n s ) 四个主要的构造带。h i c l i m b 计划的主要目的是直接探测喜马拉 雅一西藏高原碰撞带地区地壳下部和上地幔的深部结构为探讨大陆动力学中 最基本的问题一大陆岩石圈在造山运动期间变形和演化特征提供直接的深部地 球物理证据。 2 桂林工学院硕士学位论文 1 2 地质构造背景 青藏高原的地质调查研究已经有1 5 0 多年的历史，是世界上地质调查起步 较早的地区之一。但是由于自然环境与社会条件诸原因，调查研究工作进展十 分缓慢- 其研究程度远远落后于欧洲的阿尔卑斯山、美洲的阿帕拉契亚山和我 国东部地区。1 9 世纪为启蒙阶段，地质调查主要由西方一些国家和印度等国地 球科学家及探险家完成，他们在高原西、南边缘开展地形测量及路线地质调查， 初步进行了地层划分和构造研究，这一阶段的重要贡献是根据喜马拉雅山的大 地测量提出了均衡说。1 9 世纪未叶到2 0 世纪4 0 年代是地质学蓬勃发展时期， 学术思想十分活跃，提出了各式各样的大地构造假说，青藏高原的地质研究也 进入奠基阶段，除在西，南边缘进行详细调查研究，确定了地层系统，奠定了 喜马拉雅山构造格局外，调查研究已深入到略喇昆仑、臧东及高原腹地邦分地 区，我囤许多地质学家对高原的地质构造进行了深入的调查研究，提出许多颇 具建树的学术观点和思想。 青减高原由于不同时期、不同性质的断裂纵横交错，互相重叠，具有十分复 杂的构造系统，其中以与区域构造走向平行发育的断裂为主，它们往往是划分 各级构造单元的界线，有的是板块缝合线演化而成。多数断裂以压性为主，有 的兼扭性。剪切断裂虽多，但一般规模较小，仅个别规模较大，往往切断走向 断裂，有的是裂谷带的边界。 许多学者对青藏高原地质进行过深入的研究，但基本构造单元的划分却是众 说纷纭。王鸿祯( 1 9 8 3 ) 把西藏分为羌塘、冈底斯、喜马拉雅三个前寒武地块， 其l n j 以修沟一玛沁、班公错一定青，雅鲁减柑江三个主要地壳消减带相隔。黄 汲清等( 1 9 8 4 ) 将青藏高原划分为喜马拉雅、拉萨措勤、保山一掸邦、唐古 拉、可可西里一巴颜喀拉、东昆仑等6 个构造区，各构造单元之间的分界分别 为印度河一雅鲁藏j 江、班公错一丁青、龙木措一玉树等缝合带。李春昱( 1 9 8 4 ) 将本区划归土耳其一中伊朗一冈底斯中问板块，北以班公锗一丁青断裂带同塔 里木一中朝板块相隔，南以印度河一雅鲁减布江断裂带与印度板块相接，并认 为班公错一丁青断裂带代表了欧亚大陆和冈瓦纳大陆的边界。 根掘地质发展和区域地质概况，多数学者认为青减高原及其周边地区可划分 3 桂林工学院硕士学位论文 为6 个地块1 5 ”，其问以缝合带( 或断裂带) 为边界。由北往南( 图1 1 ) 依次为： 柴达木地块 昆仑地块 松潘甘孜地块 羌塘地块 拉萨地块 喜马拉雅地块 中昆仑缝合带 市昆仑缝合带 盒沙江缝合带 班公错怒江缝合带 雕鲁藏棚i 江缝合带 主边界逆冲断裂 印度板块 q ，美合作的穿越喜马拉雅山地震探测主剖面主要分枷于尼泊尔和西藏南部， 覆盏了日j 度板块、欧业板块( 包括喜马拉雅地块、拉萨地块、羌塘地块) 及其 它们之问的碰撞带( 缝合带) 4 桂林工学院硕士学位论文 1 2 1 喜马拉雅地块 图1 1青藏高原区域地质构造图 喜马拉雅地块足印度板块北部的前陆。中新世纪以来，在喜马拉雅山南麓 的西瓦利克一带发生陆内俯冲( a 型俯冲) ，使其从印度板块北缘主边界断裂剥 离分割而成西减高原造山带的一部分，它夹持在主边界断裂与雅鲁减枷江缝合 带之问。 喜马拉雅地块可划分为南部的高喜马拉雅结晶岩带和北部的特提斯喜马拉 雅沉降带，商喜马拉雅结晶岩带由片麻岩、结晶片岩和混合岩组成，称为聂拉 木群，属中、新元古界，代表喜马拉雅地块的结晶基底。特提斯喜马拉雅沉降 带古生界由稳定的地台型碳酸盐岩和碎屑岩组成。 喜马拉雅地块的基底主要分和于高喜马拉雅的前震旦系聂拉木群，岩性为 5 桂林工学院硕士学位论文 一套高绿片岩一角闪岩相副变质岩t 原属火山岩的巨厚砂泥质陆源碎屑沉积 古生界及下中三叠统盖层多属稳定的地台型沉积，至晚三叠世构造环境开始转 化和分异。商喜马拉雅此时仍保持稳定的地台状态，只是雅鲁藏布江附近地带 变得比较活跃一不断沉陷，沉积了巨厚的复理石建造，其后活跃的地槽向南扩 展至洛扎一定日一带。上白垩纪的日喀则群是一套典型的地槽型沉积建造，几 乎遍枷整个地槽带，此地槽带在晚侏罗世前曾发生过一次构造活动，但地槽全 面回返裙皱是发生在晚始新世的喜马拉雅运动，上新一更新世的构造活动最为 强烈，导致高原的急剧隆起。 i 2 2 雅鲁藏布江缝合带 雅鲁藏稚江缝合带西起印度河，向东大致沿雅鲁藏布江河谷呈东西向延伸， 至大拐弯处转向南延出国境，境内全长超过l t ) o o k r n 。缝合带沿线蛇绿岩、混杂 堆积及高压变质带均较发育，并保存较完整的洋壳系列，自下而上包括超镁铁 岩、堆晶辉长岩、块状辉长岩、枕状拉斑玄武岩、席状辉绿岩墙群和放射虫硅 质岩，可与世界上典型蛇绿岩层对比蛇绿岩带南侧的拉孜，日喀则、仁布一 线。发育一套以三叠系复理石为基质，上侏罗统一自垩系硅质岩、碎屑岩和二 叠系扶岩为外来块体的混杂堆积。前人研究认为，雅鲁藏枷江缝合带是印度板 块与欧亚大陆最终碰撞的缝合带，新特提斯经过洋内剪切( i o o m a ) 、蛇绿岩侵 位仰冲( 8 1 m a ) 和陆内俯冲( 4 0 m a 一至今) 形成的。 1 2 3 拉萨地块 拉萨地块又称网底斯一念青唐古拉地块，该地块位于雅鲁藏前j 江缝合带和 班公锚怒江缝合带之问，其陆壳基底建造具有与喜马拉雅地块相似的组构特 征，因此推断它可能是早期冈瓦纳大陆北缘前陆的一部分 拉萨地块的前震旦系结晶基底分布于念青唐古拉山柱脊一带，被称为念青 唐古拉群，由一套高绿片岩相一角阅岩相副变质岩组成，其原岩为类复理石建 造及少量基性火山岩，可能代表冈瓦纳大陆北部边缘的陆坡沉积增生带，为早 期陆壳生长的一个环节。基底增生带之上的奥陶一二叠系为陆表建造，屑地台 6 桂林工学院硕士学位论文 沉积，其中的奥陶一志留系为地台碳酸盐岩碎屑岩组合，为稳定背景下的浅 海环境沉积建造；泥笳系一下石炭统为台地碳酸盐岩一滨海碎屑岩一少量基性 火山岩组成，所含火山岩表明是在拉张背景下形成的岩石组合：措勤一申扎的 上石炭一下二叠统为台地碳酸盐岩林海碎屑岩组合，反映了冰海沉积环境。 基底增生带于三叠纪丌始转化，出现复理石沉积，分布广泛的上侏罗一下白垩 统为复理石和类复理石建造，其中夹安山凝灰岩。早自垩世期间发生过强烈的 构造运动，使下白垩下部及其以前的底层发生强烈褶皱，并在措勤幕黎断裂 带北侧附近分都着具有沉积建造特点的燕山期断陷盆地或山间盆地，这是碰撞 造山背景下的弧后磺推作用所形成的特定的岩石组合。 1 2 4 班公错怒江缝合带 班公错一怒江缝合带北以班公错康托兹格塘错断裂为界，南以革吉一 果忙错断裂和隆格尔一纳木错仲沙断裂的东段( 纳木错以东) 为界，该带主 要由规模巨大的蛇绿岩及混杂岩带构成。蛇绿岩沿班公错怒江一线分御较广， 从西向东可分为三段：西段为班公错一改卿j 蛇绿岩带，中段为藏北湖区蛇绿岩 带，东段为丁青蛇绿岩带，三段蛇绿岩带彼此孤立。该蛇绿岩带的地球化学特 征表明，缝合带具有初始洋笳性质，发育有彼此孤立的小规模分异岩浆房反 映出某种不稳定的有限扩张环境，并具有从离散大陆边缘向活动岛弧转化的特 点。 。 1 2 5 羌塘地块 羌塘地块分别以班公错一怒江缝合带和金沙江缝合带为边界，该地块广泛 发育三叠纪和侏罗纪地层，厚达数千米，似属印支燕山期褶皱带。但从沉积 组合分析，三叠纪、侏罗纪沉积均以含较多复陆屑成分的滨、浅海沉积组合为 主，反映其发育是以桶对稳定的陆壳作为沉积基底。因此，印支一燕山期褶皱 系可能属于“后艇回”范畴。 羌墉地块基底的构成十分复杂。但表现出大陆边缘基底增生的建造特点， 上古生界为具有一定活动性的准陆表建造，发育于羌南地区的上石炭一下二叠 桂林工学院硕士学位论文 统擦蒙组一龙格组，在西部多玛一拉雄错一带为冰海浊积岩礁碳酸盐岩一基 性火山岩组合，沉积厚度达8 0 0 0 米以上；在东部鲁谷一查叠以及滇西傈山地区 一带的石炭一二叠系，为一套冰海碎屑岩一台地碳酸盐岩基性火山岩组合， 反映了网瓦纳大陆北缘台拉边缘海拉张沉陷活动背景下形成的建造。二叠统与 下伏地层普遍存在不整合关系，与其上的二叠系主要显示出与古特提斯演变相 关的活动大陆边缘弧一盆系建造。由于中生代雅鲁藏布江缝合带和班公错一怒 江缝合带的相继扩张，羌塘地块成为活动边缘的后陆区，在海侵一海退过程中 形成一系列准稳定建造，从侏罗纪开始，由地台转化为地槽，并在侏罗纪术回 返褶皱，隆升为陆地。 1 2 6 金沙江缝合带 金沙江缝合带构成松潘一甘孜地块与羌塘地块的分界，总体呈东西向延伸， 东段向南偏转，主要表现为右行走滑断裂，是一个地震活动带在西段西金乌 兰湖、大鹏湖、玛尔盖茶卡一带分布有三叠纪复理石，砂板岩中夹有大量二叠 纪狄岩岩块和镁铁、超镁铁岩块；中段的胜刹湖一若拉岗狮头山一带，构造 混杂堆积和蛇绿混杂堆积也十分发育；东段金沙江一带的蛇绿岩套由超镁铁岩、 辉长岩、枕状熔岩和硅质岩组成，具洋中脊蛇绿岩的特征，时代为晚三叠世： 在缝合带南段三江、滇西地区可见双变质带。 1 3 区域地球物理特征 1 3 i 区域重力场特征 l 、整个高原以高负值重力异常为特征1 5 2 l ( 如图1 _ 2 ) ，大部分地区异常值为 - 4 0 0 m o a l 以上，最高负值为5 0 0 6 0 0 m o a l ，这表明高原内部有较厚的地壳。 高喜马拉雅地带异零值为3 5 0 3 9 0 r e g a l 并里线性分布，这说明该区地壳较高 原内部要薄，从而说明地势最高，地壳并非最厚 2 、沿青藏高原四周为布格重力异常等值线的密集梯度带，它可能是高原与 其周围地区地壳结构有明显差异的反映。 桂林工学院硕士学位论文 3 、据重力异常推算，青藏高原具有世界上最大的地壳厚度，一般推算结果 为7 0 k i n 左右。大多数研究者认为，高喜马拉雅至今尚未达到均衡，此时地面 理应下降，而实际上却在不断抬升。 在巾格重力异常图上，青藏高原显示为一封闭的高负异常区，异常值变化范 围一般2 0 0 左右。高原内部异常值高达5 0 0 x 1 0 5 5 5 0 x 1 0 弓1 ，s 2 ，为重力异常缓 变区；在高原周边多为3 5 0 x 1 0 5 m s 2 ，为重力异常商梯度带。重力异常的这种展 布格局清楚地显示出青藏i 宜i 原是一个相对封闭、独立的构造系统，重力异常的 起伏反映了高原莫霍面的起伏变化。 图1 2青藏高原j x1 重力布格异常图 这些资料表明，高原内部基本上已达到重力均衡状态，高原周边尚不同程度 地处于重力均衡补偿不足状态。但是，喜马拉雅地区较高的正均衡异常表明， 9 桂林工学院硕士学位论文 喜马拉雅地区目前仍处于印度板块与欧亚板块强烈挤压之中，印度板块向北强 烈挤压，阻碍了该区地壳的均衡调整，使之继续处于隆升之中 1 3 2 大地电磁测深研究 本地区的大地电磁测深先后进行了数次，取得了不少有意义的成果，其中 以i n d e p t h 项目中的大地电磁测深的资料最为完整，在两条断面( 图1 _ 3 ) 上 总共测定了3 3 个l i m s 点，5 4 个v 5 点，测线长约6 0 0 k i n ，取得的成果主要如 下i 删： l 、亚东一堆纳南浅处为低阻带，5 k m 以下为高阻区，并向下延伸到4 0 k i n ， 边界电性变化很陡，4 0 k i n 以下为中阻区 2 、多庆一嘎拉地表为中阻区，1 0 2 0 k m 深度上下为大面积导电区，向下 逐渐增高，到5 0 k i n 以下转变为高阻区 3 、康马一江孜近地表为高阻区，一直延伸到雪古拉：深层则为低阻体分布， 在江孜下部的低阻体向北倾斜延深到4 0 k i n ，这一低阻体在4 0 k m 以下与雪古拉 低阻层相连。 4 ，雅鲁藏枷江高阻区跨越了雅鲁藏靠江，呈蘑菇状，深达2 0 2 5 k m ，截 断了南北低阻层。 5 ，雪古拉一当雄走向近北东，为楔状高阻区，南西薄北东厚，北东端最厚 为2 5 k m ；深部为低阻区，在南部和北部1 0 2 0 k m 深处都有低阻层出现，这是 有名的羊八井地热区所在。 6 、当雄附近地表几千米范围内有一低阻体，向南倾斜，其上下均为高阻区， 而在高阻区之下约5 k m 深处有一局部极低阻区。下延达4 0 k m 深。 7 、下地壳普遍表现为低阻特征，局部有高阻体，如多庆深部及江孜到雪古 拉的深部。以仁斫j 为界5 0 k m 以下南边的电阻率略高，北边的电阻率偏低。 8 、达孜到巴木错的1 0 2 0 k m 深度以上为高阻层，仅在当雄裂谷附近有一 低阻体，它从纳木错附近近地表处向当雄地堑之下延伸，深度达几千米：1 0 2 0 k m 深度以下，电阻率相对较低，中地壳有几个低阻体，这与i n d e p t h 深反 射剖面的亮点层位一致：3 0 k m 之下该地段的电阻率随深度增加而迅速减小 i o 桂林工学院硕士学位论文 1 3 3 航磁异常特征 图1 3 大地电磁测深推断示意剐面图 原地质矿产部和现国土资源部于1 9 9 8 2 0 0 0 年期间完成的青藏高原中西部 1 ：1 0 0 万航磁概查项目厂填补该区航磁空白( 见图1 4 ) 研究结果表明【州： l 、高原基底属于弱磁性，不存在大范围太古宇强磁性结晶基底，青藏高原 具有与塔里木铈地截然不同的区域磁场。 2 、雅鲁藏邪江航磁异常出北、南两条平行分靠的线性异常带组成，这可能 主要山蛇绿岩所引起，北带是一条规模更大的蛇绿岩带；新特提斯洋可能存在 两次成洋、两次闭合的演化过程。 3 、青藏高原与塔里木贫地之间的西昆仑山一阿尔金山弧形航磁异常带构成 相邻两大区域磁场的分界线阿尔金断裂并未伸入可可西晕一巴颜喀拉地块。 4 、北北东向深部负磁异常带与地壳表层北西西一近东西向分和的磁异常带 呈“立交桥式”结构，这可能是高原深部热流沿北北东方向上升引起磁性底部 部分消磁作用所致，这与印度板块持续向北挤压有关。 桂林工学院硕士学位论文 1 3 4 地震；卿深研究 图1 4青藏高原航空磁测a t 等值线图 1 9 8 1 年中法西固科学家在西藏南部喜马拉雅山北麓一雅鲁藏振江地区，进 行了人工爆炸地震，滕吉文等1 5 5 1 得出该地区的地壳特点有：西藏南部地壳巨厚， 莫霍面深度较大，为7 3 7 7 k m ，相当于一般地壳的两倍：地壳为商低速层相间 的多层结构，其中有两个低速层，分别位于地壳上部和下部，上部低速层深度 在1 5 1 6 k m 处，厚度是3 4 k m ，层速度为5 6 k m s ，下部低速层靠近莫霍界面， 深度约是6 5 k m ，厚度1 0 k m ，速度为6 o 6 1 k m s ：从速度结构图看岗巴附近莫 霍面显示上升现象，幅度近1 0 k m ；由于地壳内的上部低速层的存在，使地壳结 构出现周期性变化，可能存在“双地壳现象”，可解释为板块俯冲结果 1 2 桂林工学院硕士学位论文 帖 惜 ( 公里秒 i i l i i 竹 莫 囊 懦 ( 公哩钞) 图1 5 1 9 8 1 年中法合作得到喜马拉雅山北麓一雅鲁藏布江地区地壳结构模型 1 9 9 2 2 0 0 0 年中美合作在西藏进行的i n d e p t h 项目对雅鲁藏布江缝合带 进行了深入的调查研究，建立了雅鲁藏布江缝合带及其附近地区的深部构造模 型( 如图1 6 ) ，取得的科学成果主要有1 5 6 j ：在喜马拉雅构造带之下存在一个强反 射带，为一低速拆离层，相当于一个陆内俯冲带，在喜马拉雅山脊之下深2 6 2 8 k m ，向北延伸了1 5 0 k m ，深度加大到4 0 k m ，表明印度大陆地壳或印度大陆 的下地壳从尼泊尔的m f r 之南向北向下俯冲，到达康马一江孜一带，并进一步 向北推进和挤压增厚；发现第二条强反射带，由雅鲁藏布江南跨越雅鲁藏布江， 并沿冈底斯逆冲断裂向北向下延伸；莫霍面在喜马拉雅山脊处达到7 5 8 0 k m 深，向北延伸深度变化不大，向南则是逐步变钱，尚未能肯定有延深超过中地 壳的深大断裂。 桂林工学院硕士学位论文 图i - 6 喜马扛雅山到雅鲁藏布江缝合带深部结构模型 1 9 9 8 年中法合作青藏高原地震探测研究【5 7 5 鲥，王有学对测区的爆破地震测 深资料进行研究结果表明，巴颜喀拉地块的地壳厚度为6 8 k m ，平均速度为 6 3 0 k i n s ：而在金沙江缝合带以南地区的羌塘地块，其莫霍面在玉树以北至清水 河一带发生明显的错动( 如图1 7 ) ，其地壳厚度剧增为约7 6 k r n ，平均速度为 6 , 3 5 k n f f s ，并且向北北东方洵以缓角度插入巴颜喀拉地块之下。 宣柏 亩 嚷印 f , o7 1 1l 艳离n 一 图i 7青海共和一玉树非纵地震记录处理结果围 中国地质科学院与法固科研中心于2 0 0 1 年在叶城一狮泉河进行宽频地震探 耵=墓荔澎蘩 ，_：=扣：，曩t专毫_一 键搿囊冀撼鬻粪训割引副娄震浆川=j；_l；嚣臻谨灌霪r05；1t0p 、0一袋酊强唧如“豢粪；。二姊章曩游“雾=：“昝：蕃“豁=铋辨二t-虹“k襄嚣o，1备一封钤 桂林工学院硕士学位论文 测，薛光骑等1 4 9 】利用层析成像研究该地区深部构造，获得了速度结构特征( 见 图1 8 ) ：昆仑地体内以高速扰动分布为主，甜水海地体为低速扰动所覆盖，羌 塘地体北部分布着宽约1 0 0 k m 的高速扰动体，这可能与深源物质有关，羌塘地 体南部大范围分砸的低速异常区与其南缘的班公一怒江断裂带有关，此处的断 裂带可能是深部物质向地表运动的通道：班公怒江断裂带以南为冈底斯一拉萨 地体的西段，为高速异常值所覆。班公一怒江断裂带略向北倾斜地深入上地幔。 图1 ，8叶城一狮泉河速度结构图 2 0 0 0 年8 1 0 月在川西藏东地区沿北纬3 0 度线进行人工地震探测获得了这 一地区速度结果的新认识【6 晰2 i ( 见图1 9 二维速度结构图) ： 桂林工学院硕士学位论文 图1 9川西藏东地区的地壳二维p 波速度结构图 川滇地区的地壳平均速度偏低，仅为6 2 5 k m s ，且该地区在较大范田内下 地壳存在负速度异常，在川西地区的l o k m 左右深度上的低速异常现象与青藏 高原东部相一致另外，川滇地区的上地幔顶部平均速度为7 7 5 k m s ，明显低 于在大陆下方全球的p n 平均速度8 1 k m s ，上地幔顶部的负速度异常使莫霍界 面反射波能量很弱。鲜水河断裂带是一条形成于造山后期的大型左旋走滑断裂 带，它与本文测线在康定至泸定之间相交，该地区的下地壳和上地慢顶部为相 对低速，其速度值分别为6 6 k m s 和7 6 7 7 l , n s 推测在康定至泸定的下方存 在一系列与上地壳低速层相连、向西倾斜的铲型断裂，它们向上延伸，与地表 的龙门山山前逆冲断裂带相连。 1 4 喜马拉雅构造带岩石圈的演化模式 在喜马拉雅构造带形成过程中，岩石圈的变形特征始终存在激烈争论，一般 分为三种观点l ”j ： 第一种为印度大陆向青藏高原俯冲模型。印度岩石圈近水平地向藏南之下俯 冲，岩石圈内部基本无变形( 见图1 1 0 a ) ，山脉呈强烈变形的楔状覆盖于基底 滑脱层( m h t ) 之上，亦即覆盖于印度板块结晶地壳的上部，可把这种模型视 为“边界尖锥模型”在发生连续变形时，当楔形处处都达到机械破裂的i 临界值 1 6 桂林工学院硕士学位论文 时，山脉即会达到一种幅界几何形态( 临界尖锥) ，其平衡是通过沿基底滑脱断 层发生的磨擦滑动而实现的。这种模型的一个重要前提是：假设磨擦滑动为基底 断层之下的俯冲板块与上覆楔形体之间的唯一机械接触类型，并且楔形体几乎 不受俯冲板块变形的任何影响。 第二种为地壳叠瓦状俯冲模型。喜马拉雅构造带的形成是包括印度地盾北缘 在内的地壳叠瓦状叠置的结果，整个地壳和上地幔都参加了造山过程( 图 1 1 0 b ) 。第一个地壳叠覆层沿主中央逆冲断层( m c t ，即整个地壳都参与运动 的陡冲逆断层) 向南滑动、超覆至相邻大陆之上。当沿m c t 的运动停止时，第 二叠覆层( 包括m c t 之上的物质) 丌始沿主边缘断裂( m b t ) 逆冲，而该m b t 至今仍在活动中。根据这种观点，1 9 8 8 年发生在前陆地壳之下的地震应该反映 了正在形成中的第三个地壳叠覆层。下地壳的形变是通过地壳陡冲逆断层与近 地表“薄应”地质构造直接发生关联的 第三种为挤压缩短模型。在造山作用过程中，上地壳与上地幔同时缩短，但 二者因其间的柔软、流体状下地壳而发生分离( 见图1 1 0 e ) 。近地表褶皱逆冲 带中的不连续构造单元之下是下地壳分散流体，再下则是经裂解后叠覆在一起 的上地幔块体。虽然地幔断裂与近地表地壳断裂无直接关系，但莫霍面却表现 为巨大的差异，垂直落差最大可达2 0 k m 。 要验证这些迥异的假说，必须掌握地壳及上地幔中的深部构造在几何形态及 运动学方面的准确信息。比如，边界尖锥模型要求有一个连续的缓倾斜滑脱断 层，并且整个滑脱带必须至今都是活动的。相反，印度板块岩石圈不断叠置的 模型则意味着两个或两个以上中等倾斜的断层系列，插入喜马拉雅造山带之下 至少5 0 k m ：而最上部的地壳陡倾逆断层现今并不活动。第一种模型中的莫霍面 平缓而稳定，这与第三种模型中彼此相互叠覆的情况大相径庭。 目前已有一些项目通过其它地质现象对上述问题进行了探讨。根据构造与地 质年代学的关系及重力模拟成果，不少专家倾向于接受第二种模型。但在近期 文献中州。6 7 1 ，拥护其它模型的专家也很多。下地壳、上地幔深部构造图像无疑 将是鉴别这些模型最直接、最有力的手段。 桂林工学院硕士学位论文 ) 印度大陆向青藏高原俯冲模型 ，o “ 一二i t z b ) 地壳叠瓦状俯冲模型 n _ 爵 。竺! ：，孓；、。 i o o k m 谲 t 一 c ) 挤压缩短模型 n 图i 1 0喜马拉雅、藏南形成过程中岩石圈地幔的定形特征 1 5 研究目标和内容 1 5 1 课题来源 本项目柬源于中国国土资源郏与美国科学基金( u sn s f ) 合作的课题“穿 1 8 “ n 桂林工学院硕士学位论文 f 越喜马拉雅山的地震探测( h i c l i m b ) ”( 国土资源部合同编号：2 0 0 1 0 1 0 2 0 6 ) 。 穿越喜马拉雅山的地震探测项目主要由美国俄勒冈州立大学、美国伊利诺大 学、中国地质科学院地质研究所等单位参加，桂林工学院资源与环境工程系王 有学教授作为中方技术负责人参加该项目的实施。本人也参加了部分野外台站 的和置与资料的收集工作。 1 5 2 研究目标 通过根据中荚合作项目h i c l i m b 所采集到的天然地震观测资料，利用接收 函数方法对南自尼泊尔一印度边界，穿过全球巨大的东西向构造带一喜马拉 雅造t h f l j = ，北至青藏高原腹地沿线的深部地壳上地幔速度结构进行系统的分析 研究，探讨其结构特征，为研究岩石圈在大陆碰撞过程中的作用及贡献提供可 靠的深部地球物日! 依据。 一 1 5 3 研究内容 本文研究的主要内容包括以下3 个方面： l 、利用接收函数方法及转换波资料对印度欧亚大陆碰撞带的地壳上地幔深 部结构及其特征进行研究； 2 、对接收函数的反演方法进行改进，提出接收函数的神经网络系统反演方 法： 3 、根掘对获得的速度结构特征的分析，对青减高原隆升及其与周边地区的 接触关系及深部构造背景进行初步的分析与研究。 桂林工学院硕士学位论文 第2 章接收函数方法的基本原理 在远震体波波形模拟基础上发展起来的接收函数方法，已逐步成为地球内部 物理、地壳上地幔结构研究的重要手段，特别是反演台站下方s 波速度结构的有 效手段。与人工地震测深、天然地震走时分析和面波频散等手段相比，具有简 单易行，分辨率高等特点。 2 1 接收函数方法的发展与沿革 一次地震所产生的地震波携带着大量的有关地球内部速度结构的物理特征 信息，譬如速度变化及其突变界面( 带) ，尤其是地震体波中的横波成分，它对 速度差异界面非常敏感，并且会在速度差异界面上发生转换，形成转换波。接 收函数正是利用横波的这种特性来研究地球内部的速度结构 1 9 6 4 年，美国科学家p h i 衄e y l 6 8 l 首次提出用地震波位移的水平分量与垂直分 量的谱振幅比值来研究