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青藏高原东南缘地壳方位各向异性结构与地壳变形模式等研究方面取得新进展。相关成果以“Continental Extrusion and Laterally Heterogeneous Deformation Characteristics Within Southeast Tibet”为题发表于地学权威期刊《Tectonics》。
青藏高原东南缘地区是现今地壳形变和地震活动最强烈的地区之一 （图1）。针对青藏高原的变形机制，一直以来存在很大的争议（Tapponnier et al, 1982; Royden et al, 1997）。因此，对该区域的地壳速度和各向异性结构的研究有助于理解该区域的构造演化机制。
图1. 青藏高原东南缘构造背景及台站分布。
在该研究中，研究人员通过处理中国科学台阵（ChinArray）Ⅰ期和研究区内固定台（图1）的连续波形数据，利用地震背景噪声互相关函数提取了瑞利面波3-50 s基阶相速度频散曲线，进而使用面波方位各向异性直接反演方法 (DAzimSurfTomo, Liu et al., 2019），获得了该区域的地壳方位向各向异性结构（图2）。
在本研究得到的地壳方位各向异性速度模型展示出两个主要特征：1. 在中地壳（~25km），松潘甘孜块体（SGB）和小江断裂系统（XJFS）下方存在两个低速带（LVZ），它们被位于滇中块体下方的带状高速异常所分隔；2. 该带状高速异常整体上与峨眉山大火成岩省（ELIP）的内带一致（He et al., 2003），并且向四川盆地延伸，呈现出沿NNE-SSW的快波方向。
图2. 各向异性横波速度模型的水平剖面（a-e）和垂直剖面（g和h）。黑色短线表示快波方向，其长度表示各向异性的强度。图（f）显示了预测和观测到的Pms横波分裂数据。
结合本研究区域大量的前人研究结果，本研究认为青藏高原东南缘存在的地壳结构显著的横向差异，这可能源于峨眉山火山岩省喷伴随的岩浆上涌对岩石圈的改造。迁移的地幔柱头部“焊接”了这条带状区域，这不仅促进了二叠纪期间地壳的垂直增长和地表隆起，还在冷却后增强了该区域内岩石圈的强度，导致扬子克拉通西缘岩石圈刚性的显著横向不均一性（图3，图4）。
图3. 研究区域内的多学科观测。（a） ELIP的一些地质证据，修改自Liu et al.,2021。（b） 25km深处的纵波速度。（c） 175km深处的横波速度。（d）地壳平均泊松比。（e） 莫霍面深度及其水平梯度带。（f） 残余地壳重力异常。具体参考文献见文章。
图4. 研究区域内的多学科观测。a） 应变第二不变量和GPS垂直速率。黑色实线CC’表示（b-f）中所示的选定剖面的位置，黑色虚线框概述了（c和g）中用于计算平均速度和地形的区域。菱形符号表示沉积盆地的位置。（b） GPS垂直速率，根据（a）中显示的数据垂直投影到CC剖面。（c） 30公里深处的平均海拔和平均地震波速度。（d） 沿CC'的速度剖面。（e） CC’沿线残余地壳重力异常（RCG）。（f） 接收器函数CCP剖面。（g） 古海拔研究总结。
目前，青藏高原东南缘的地壳正在经历大陆内部的非均匀变形，其特征是在大陆挤压背景下弱（SGB）-强（ELIP）-弱（XJFS）块体的横向差异变形模式（图5）。东南缘北部区域广泛的地表沉降和较高的地壳泊松比是早期“原始高原”隆起以及其中下地壳更强烈部分熔融的响应。ELIP中央区域的带状微块体在二叠纪地幔柱头的强化作用下，作为一个相对刚性的块体，内部变形微弱，阻挡了来自东南缘北部的弱地壳物质，并向南传递压应力。在这一力量的作用下，XJFS地区由于强度较低而发生变形，吸收了部分大陆挤出，导致持续的地壳缩短和地形隆起。XJFS地区原位长英质地壳的部分熔融形成了大规模的低速异常，塑造了现今高原的低地形梯度。
图5. 青藏高原东南缘地壳变形模式漫画图。峨眉山大火成岩省遗迹（ELIP relics）代表了地幔柱强化区域。“原始高原”代表了东南缘北部在晚始新世至渐新世期间的隆起。
本研究的第一作者为中国科学技术大学硕士研究生赵圣哲，通讯作者为中国科学技术大学地球和空间科学学院姚华建教授和冯吉坤副教授。此次研究得到了国家自然科学基金（42125401,42274061）和中国地震局地震预测研究所基本科研业务费专项项目(2021IEF0103)的资助。
相关文献：
Zhao, S., Yao, H., Feng, J., & Liu, Y. (2024). Continental extrusion and laterally heterogeneous deformation characteristics within southeast Tibet. Tectonics, 43, e2024TC008438. https://doi.org/10.1029/ 2024TC008438
Liu, C., Yao, H., Yang, H., & Shen, W. (2019). Direct Inversion for Three‐Dimensional Shear Wave Speed Azimuthal Anisotropy Based on Surface Wave Ray Tracing: Methodology and Application to Yunnan, Southwest China. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 124(11), 11394–11413. https://doi.org/10.1029/2018JB016920