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我校地球和空間科學學院姚華建教授團隊在華北克拉通巖石圈破壞研究方面取得了重要進展。該團隊采用背景噪聲和地震面波成像獲得了華北克拉通大尺度巖石圈精細速度結構，并聯(lián)合大地測量結果揭示了華北克拉通巖石圈新生代改造的特征，新結果對于認識華北克拉通地區(qū)地震活動性分布特征和地震災害評估具有重要的科學意義。相關成果以“Ongoing Lithospheric Alteration of the North China Craton Revealed by Surface-Wave Tomography and Geodetic Observations”為題發(fā)表于國際著名地球物理學期刊Geophysical Research Letters。

華北克拉通是中國最古老的克拉通之一，也是克拉通活化、破壞的典型案例。中生代以來華北克拉通東部塊體巖石圈顯著減薄，并且克拉通中部和東部經歷了強烈的內部變形、火山活動和地震活動，失去了穩(wěn)定克拉通的典型特征，這個過程被稱為去克拉通化或克拉通破壞。

盡管中生代-新生代華北克拉通破壞以及現(xiàn)今主要巖石圈結構特征被認為主要受控于古太平洋板塊的西向俯沖，但是印度-歐亞大陸持續(xù)碰撞和周邊大陸板塊向東擠出對現(xiàn)今中國大陸區(qū)域的變形特征和地震活動性分布起到了重要控制作用，6級以上的地震主要分布在青藏高原和周邊區(qū)域（圖1a）。GPS觀測結果顯示由于印度板塊持續(xù)向北擠壓，強度較高的華南板塊整體被向東擠出，中亞造山帶幾乎保持不動，介于兩者之間的華北克拉通正在經受顯著的左旋剪切（圖1c和d），伴隨著強烈的區(qū)域地震活動性（圖1a）。

圖1.（a）平滑后的地形圖和中國境內大地震分布，陰影區(qū)域代表地震活動密集區(qū)域。圖中藍色實線和虛線框指示了c和d圖展示的剖面位置。（b）研究使用的地震臺站分布圖，圖中黑線表示華北克拉通主要構造邊界位置。（c）為沿a圖中藍色實線的地表GPS速度剖面(Wang & Shen, 2020。參考文獻見論文正文)，綠色和藍色點分別代表GPS速度的東西和南北分量，黃邊紅色五角星代表震級大于6的地震事件。（d）為沿a圖中藍色實線的應變率剖面。

中生代-新生代華北克拉通破壞：古太平洋板片西向平俯沖→巖石圈結構的東西向差異

大尺度的精細巖石圈結構對我們認識華北克拉通破壞和后續(xù)演化至關重要，本研究同時利用華北地區(qū)固定和流動地震臺站（圖1b）記錄的背景噪聲面波信號和遠震面波信號測量寬頻帶（5-100 s）的瑞利面波相速度頻散數(shù)據(jù)，反演巖石圈尺度的三維橫波速度結構。

成像結果顯示華北克拉通中部和東部塊體巖石圈結構存在顯著的東西差異（圖2），地殼和巖石圈厚度都由東向西逐漸增厚，并且華北克拉通中部和東部都經歷了顯著的巖石圈減薄。華北克拉通東部塊體在中生代-新生代克拉通破壞的過程中經受了最顯著的巖石圈減薄，中部轉換造山帶是克拉通破壞和穩(wěn)定克拉通之間的過渡區(qū)域。動力學模擬和地球化學觀測都顯示可能是古太平洋板片向西平俯沖到華北克拉通東部下方，俯沖板片脫水造成了上覆大陸板塊弱化，后續(xù)平俯沖大洋板塊回卷后撤最終導致了華北克拉通破壞。華北克拉通東部巨厚（>180 km）古老難熔的克拉通巖石圈地幔已經被薄的（～80 km）年輕富集巖石圈地幔取代。新的速度模型很好地刻畫了破壞后的華北克拉通中部和東部巖石圈結構。

晚新生代巖石圈改造：印度-歐亞大陸持續(xù)碰撞→華北克拉通左旋剪切→巖石圈結構的南北差異

盡管華北克拉通主要的巖石圈結構特征是東西向的巖石圈結構差異，新的橫波速度結構模型同時揭示了顯著的南北向速度結構差異。在70 km深度，中部轉換造山帶北部和華北平原北部的橫波速度結構為顯著低速，與沿張家口-渤海斷裂帶的顯著左旋剪切帶呈現(xiàn)很好的一致性，并且淺部對應強烈的區(qū)域地震活動。作者認為中生代-新生代華北克拉通破壞顯著降低了華北克拉通中、東部巖石圈的結構強度，在印度-歐亞大陸持續(xù)碰撞和周邊陸塊向東擠出的過程中，華北克拉通東部和中部塊體作為介于華南塊體和中亞造山帶之間的薄弱地帶吸收了大量的左旋剪切，其中大部分左旋剪切發(fā)生在張家口-渤海斷裂帶附近。沿張家口-渤海斷裂帶的左旋剪切進一步減薄了巖石圈，并且產生了大量地震活動，包括著名的1976年唐山大地震。精細的巖石圈結構和左旋剪切的動力學過程應該在后續(xù)的地震災害評估中考慮進去。堅硬的鄂爾多斯地塊主要通過逆時針旋轉吸收左旋剪切，地震活動也主要集中發(fā)生在鄂爾多斯塊體邊緣。

中部轉換造山帶北部和華北平原北部的應變率也存在顯著的差異，作者認為這可能是深部巖石圈狀態(tài)（溫度和巖石圈強度）體現(xiàn)。中部轉換造山帶北部存在大量新生代玄武巖巖漿活動和下地殼巖漿底侵，成像結果也顯示該區(qū)域下地殼和上地幔頂部為顯著低速，說明中部轉換造山帶北部巖石圈溫度較高，巖石圈強度弱，所以左旋剪切應變發(fā)生在一個更寬的范圍內（圖2b）。而華北平原北部的上地幔頂部仍然是高速，暗示巖石圈溫度較低，巖石圈強度較強，等量的左旋剪切應變集中在更窄的區(qū)域發(fā)生，從而更容易促使地震的發(fā)生（圖2c）。

圖2.（a-c）華北克拉通從東到西的三條速度結構剖面。頂部圖展示了沿剖面的GPS速度場的東西分量，中間圖展示了三維地形，底部三幅圖展示了橫波速度結構成像結果。白色圓點代表地震分布，黃色和白色虛線指示由橫波速度結構得到的地殼和巖石圈深度。紅色區(qū)域和黃色箭頭指示熱的軟流圈物質上涌，并最終導致巖漿底侵和新生代玄武巖火山。

本研究的第一作者為中國科學技術大學地球和空間科學學院特任副研究員馮吉坤，姚華建教授和馮吉坤博士為共同通訊作者，中國科學院地質與地球物理研究所陳凌研究員和中國科學院海洋研究所李翠琳副研究員為合作作者。本研究得到了國家自然科學基金委杰出青年基金（42125401）、青年基金（41904048）及基礎科學中心項目（42288201）的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1029/2022GL099403

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(地球和空間科學學院、科研部)