高精度莫霍面深度成像结果揭示华北克拉通破坏的空间非均匀性

2019年3月25日，国际著名地球物理学期刊《Journal of GeophysicalResearch: Solid Earth》正式发表了中国科学技术大学地球和空间科学学院姚华建教授课题组与中国科学院地质与地球物理研究所陈凌教授，以及中国地震局地球物理研究所的研究人员的合作研究成果，文章标题为《Moho Depth VariationsFrom Receiver Function Imaging in the Northeastern North China Craton and ItsTectonic Implications》，并被期刊选为featured article。该研究利用地震学接收函数偏移成像方法，获得了华北克拉通地区高精度的莫霍面（即地壳和地幔分界面）深度分布图，为深入认识华北克拉通演化和破坏机制提供重要的深部观测约束。

位于中国东部的华北克拉通，是世界上最古老的克拉通之一。整个克拉通板块在18.5亿年东西板块拼合后一直处于构造稳定状态，但在显生宙期间经历了多期重要的构造事件，造成了岩石圈的活化和破坏。现今，华北克拉通呈现高度不均匀的岩石圈结构，是我们认识大陆岩石圈演化重要的研究场所之一。多年来，大量地震学研究在此展开，但华北克拉通独特“破坏”的动力学机制一直是地球科学的谜团。

论文研究利用华北地区200 个宽频带地震台站提取远震 P 波接收函数，采用波动方程偏移方法对 Ps 转换波和 PpPs 多次波进行成像，获得华北克拉通东北地区高精度的莫霍面深度分布图。研究结果显示，莫霍面深度在南北重力梯度带两侧截然不同，西部深度大于40 km，东部深度小于 32 km，总体呈现显著的大尺度东西差异，与前人结果一致，可能反映中生代以来古太平洋向亚洲板块东部的俯冲对华北克拉通造成的主要破坏作用。

论文进一步揭示新的观测结果：莫霍面深度在南北重力梯度带两侧分别呈现小尺度的南北向变化。（1）在西侧，南边中部造山带的中心区域，莫霍面深度相对较深，约为 42km；北边中部到西部靠近古老造山带的边缘区域，莫霍面深度较浅，约 38km。前者可能与太古代克拉通的残留有关；后者可能反映区域下方强烈的壳幔相互作用，与岩浆底侵和热物质上涌的复杂动力学过程有关。该南北差异可能暗示着南北重力梯度带西侧的岩石圈受到空间不均匀的复杂改造过程。（2）在东侧，北边燕山地区的地壳厚度相对较厚，约为32-40 km；而南边渤海湾盆地下方的地壳明显减薄，约为26-32km。该差异反映：早期西伯利亚克拉通和华北克拉通拼合时发生的一系列构造事件产生的南北向挤压形变可能在克拉通北部边缘地带造成了结构异常，因此，在中生代晚期中国东部的构造拉伸环境中，靠近北部边缘带的燕山山脉与克拉通中心的渤海湾盆地发生了不同的构造响应，进而造成了现今显著的南北向结构差异。（3）此外，渤海湾盆地的地壳厚度从边缘 （~32km）到盆地中心（~26km）进一步减薄，但对应岩石圈的增厚和布格重力异常的下降，说明渤海湾盆地内部的岩石圈地幔可能相对较轻。

通过对莫霍面深度与地质构造、布格重力场和岩石圈厚度的相关性比较，结合其他地球物理观测和岩石地化证据，研究认为以上小尺度的南北差异可能反映华北克拉通古元古代形成时固有的结构差异，或者是克拉通长期演化进程中后续的多期构造事件对岩石圈空间不均匀的复杂改造和综合影响，或者是二者的综合影响。该结论支持：华北克拉通“破坏”不是单独某一次构造事件造成的，而是与长期的复杂的构造演化过程紧密相关。

文章第一作者为地空学院硕士研究生张萍，姚华建教授和陈凌教授为共同通讯作者。该工作得到了中国国家自然基金委、中国科学院比较行星学卓越创新中心和中国科学技术大学学术领军人才培养计划的支持。

华北克拉通东北地区的地质构造简图

华北克拉通东北地区莫霍面深度分布图

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2018JB016122