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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院姚華建教授團(tuán)隊(duì)在郯廬斷裂帶中南段結(jié)構(gòu)成像及郯廬斷裂帶的形成和演化研究中取得新進(jìn)展。他們聯(lián)合地震背景噪聲和遠(yuǎn)震面波數(shù)據(jù)反演得到了郯廬斷裂帶中南段地殼上地幔高分辨的橫波速度結(jié)構(gòu)模型。新的地震成像結(jié)果揭示了區(qū)域內(nèi)多個(gè)以前未發(fā)現(xiàn)的速度異常體，并獲得了三維方位各向異性特征，這對(duì)認(rèn)識(shí)郯廬斷裂帶的形成和演化起到了重要的約束作用。相關(guān)成果以“High-resolution crustal and upper mantle shear-wavevelocity structure beneath the central-southern Tanlu fault: Implications for its initiation and evolution”為題于2022年8月16日發(fā)表在國(guó)際著名地球科學(xué)學(xué)術(shù)期刊《Earth and Planetary Science Letters》上。

郯廬斷裂帶是中國(guó)東部一條呈北北東向延伸長(zhǎng)達(dá)2400公里的大型左行走滑型斷裂帶（圖1）。自中生代以來，郯廬斷裂帶歷經(jīng)了多期次走滑、擠壓以及拉張等構(gòu)造活動(dòng)，不但控制了周邊地區(qū)地震災(zāi)害分布、盆地形成、多金屬及油氣資源成藏等，也在區(qū)域內(nèi)華南板塊、華北板塊、大別造山帶和蘇魯造山帶等之間的構(gòu)造活動(dòng)中扮演了重要的角色?，F(xiàn)今業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為郯廬斷裂帶形成于華南板塊與華北板塊的碰撞擠壓過程中，之后水平位錯(cuò)出露有高壓/超高壓變質(zhì)巖的大別和蘇魯造山帶達(dá)400余公里，并且郯廬斷裂帶在其南端突然神秘終止。前人基于航磁、古地磁、地質(zhì)（例如近地表變形、巖石分布、地質(zhì)年代學(xué)）等數(shù)據(jù)提出了多個(gè)關(guān)于郯廬斷裂帶的形成與演化模型，但至今仍存在較大爭(zhēng)議，而這部分原因是缺乏來自深部變形結(jié)構(gòu)約束。

在該研究中，研究人員通過利用區(qū)域內(nèi)的253個(gè)固定地震臺(tái)和新增加的111個(gè)流動(dòng)地震臺(tái)的地震數(shù)據(jù)，通過地震背景噪聲互相關(guān)技術(shù)以及面波雙臺(tái)法技術(shù)提取到5-150s瑞利面波相速度頻散數(shù)據(jù)，采取面波成像一步法反演得到郯廬斷裂帶中南段地殼上地幔尺度的三維各向同性和方位各向異性剪切波速度模型。

地震成像結(jié)果顯示在華南板塊地殼內(nèi)存在一包裹大別造山帶東南角的方位各向異性弧形快波異常，這為郯廬斷裂帶在南端的突然終止提供直接證據(jù)。在徐淮弧形逆沖帶以及魯西隆起區(qū)域存在半圓形的快波異常，可能與郯廬斷裂帶兩期走滑擠壓事件有關(guān)。在軟流圈深度范圍觀測(cè)到大范圍低速和近東西向扇形分布快波異常，反映現(xiàn)今由滯留在地幔轉(zhuǎn)換帶中的太平洋板片脫水熔融所形成的地幔流。在110-200km深度顯示存在與大別和蘇魯造山帶平行的高速異常體（圖1中HV1和HV2）和快波方向，且與地表出露中生代埃達(dá)克巖具有一致性，可能代表早白堊世巖石圈拆沉后的遺跡。

圖1.大別造山帶和蘇魯造山帶下方的高速異常體（HV1和HV2）三維視角分布圖。藍(lán)色和紅色分別表示高和低的剪切波速度。

基于這些新發(fā)現(xiàn)并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，作者進(jìn)一步提出郯廬斷裂帶自早中生代以來的四階段構(gòu)造演化模型（圖2）。中三疊世，華北板塊南緣可能存在一堅(jiān)硬凸起，它在華北與華南板塊碰撞以及古特提斯洋閉合過程中撕裂大洋和大陸巖石圈，進(jìn)而形成早期的郯廬斷裂帶。以郯廬斷裂帶為參考，其東西側(cè)華南板塊區(qū)域由于擠壓過程分別發(fā)生逆時(shí)針和順時(shí)針旋轉(zhuǎn)俯沖至華北板塊之下，進(jìn)而形成蘇魯和大別造山帶。郯廬斷裂帶的兩期大規(guī)模左行走滑與大洋巖石圈拆離、大陸巖石圈拆沉、高壓/超高壓變質(zhì)巖兩期折返、徐淮弧形逆沖帶形成、環(huán)魯西隆起半圓形快波異常等對(duì)應(yīng)。新生代以來，研究區(qū)域受到由太平洋板片的俯沖與在地幔轉(zhuǎn)換帶的滯留所引起的東西向地幔流的侵蝕，導(dǎo)致了地殼與上地幔變形結(jié)構(gòu)的解耦。

圖2 （a-d）郯廬斷裂帶四階段構(gòu)造演化卡通圖。圖b-d中拉長(zhǎng)的灰色小橢圓代表介質(zhì)節(jié)理方向，指示各向異性的快波方向。圖d中紅色箭頭指示地幔流方向。綠色與紅色五角星分別表示高壓/超高壓變質(zhì)巖和埃達(dá)克巖。

本研究的第一作者為中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)地球和空間科學(xué)學(xué)院特任副研究員羅松，姚華建教授和羅松博士為共同通訊作者，中國(guó)科大博士生張智奇和博士后Terhemba Shadrach Bem為合作作者。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（42004031）和杰出青年基金項(xiàng)目（42125401）、安徽省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（202104a07020016）、安徽蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站聯(lián)合開放基金項(xiàng)目（SA2080000018）的聯(lián)合支持。

姚華建教授團(tuán)隊(duì)近年來聚焦于郯廬斷裂帶中南段多尺度結(jié)構(gòu)成像和變形模式研究，開展了不同尺度的地震學(xué)各向異性成像研究，獲得了郯廬斷裂帶中南段中部地區(qū)的地殼上地幔頂部（Bem et al., 2022，JGR-Solid Earth）、安徽巢湖段上地殼（Luo et al., 2021，Tectonophysics）、山東濰坊段上地殼（靳佳琪等, 2022，地球物理學(xué)報(bào)）以及此次研究中的郯廬斷裂帶中南段地殼上地幔（Luo et al., 2022）的三維速度結(jié)構(gòu)和變形特征。這些研究工作為建立沿郯廬斷裂帶地區(qū)多尺度結(jié)構(gòu)模型、孕震構(gòu)造分析、強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)模擬及地震災(zāi)害評(píng)估等方面的研究奠定了重要基礎(chǔ)。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X22003995

相關(guān)發(fā)表論文：

Luo S., Yao H., Zhang Z., Bem T. S. 2022. High-resolution crustal and upper mantle shear-wavevelocity structure beneath the central-southern Tanlu fault: Implications for its initiation and evolution. Earth and Planetary Science Letters, 595. doi: 10.1016/j.epsl.2022.117763.

Bem T. S., Liu C., Yao H., Luo S., Yang Y., Liu B. 2022. Azimuthally Anisotropic structure in the Crust and Uppermost Mantle in Central East China and its Significance to Regional Deformation around the Tan-Lu Fault Zone. Journal of Geophysical Research:Solid Earth. doi: 10.1029/2021jb023532.

Luo S., Yao H. 2021. Multistage tectonic evolution of the Tanlu fault: Insights from upper crustal azimuthal anisotropy of the Chao Lake segment. Tectonophysics, 806. doi: 10.1016/j.tecto.2021.228795

靳佳琪,羅松,姚華建,田曉峰. 2022.密集臺(tái)陣背景噪聲成像揭示郯廬斷裂帶濰坊段地殼淺層速度結(jié)構(gòu)及變形特征.地球物理學(xué)報(bào). doi: 10.6038/cjg2022P0934.

（地球和空間科學(xué)學(xué)院、科研部）