通过体波层析成像技术揭示了华北克拉通中部造山带的地幔抬升作用以及地壳与地幔之间的解耦现象

《Journal of Asian Earth Sciences》：Mantle uplift and crust-mantle decoupling in the central orogenic belt of the north China Craton revealed by body wave tomography

山西地堑深部结构揭示 crust-mantle decoupling 与岩浆侵入体对地震机制分段的控制，建立地幔对流-地表变形耦合模型解释地震活动差异。

　　
山西构造带深部结构对地震活动分段控制机制研究

山西构造带（SXG）作为中国东部重要的板内伸展构造带，其复杂的地震活动特征与深部结构演变存在密切关联。该构造带自新生代以来持续活动，形成了一系列阶梯状分布的断陷盆地，并记录到多个8级强震事件。研究团队通过综合应用区域体波测深和三维速度建模技术，首次系统揭示了构造带深部结构特征及其与地震活动分段的内在联系。

研究结果显示，构造带深部存在明显的地幔上隆带（H1异常区），该带呈NNE-SSW走向延伸，覆盖整个研究区。在垂直剖面中，该异常带顶部位于莫霍面附近或轻微抬升，显示出显著的 crust-mantle decoupling特征。这种深部结构的不连续性在构造带南北段呈现明显差异：南部构造带完全被地幔上隆带覆盖，而北部构造带仅部分重叠，这种空间配置解释了南北地震活动性的显著分异。

通过高分辨率三维速度建模发现，构造带深部存在由西北向Taiyuan盆地延伸的锥形岩浆侵入体。该岩浆体与 Ordos地块形成机械耦合，导致区域应力场重新分布。这种构造配置能有效解释沿构造带展布的地震机制差异：北部地区主要发育走滑与伸展复合机制（记录到4次7级地震），南部则以单纯伸展机制为主（包含2次8级和1次7级地震）。值得注意的是，位于构造带中段的岩浆侵入体有效屏蔽了深部应力传递，使得该区域未记录到7级以上地震活动。

该研究揭示了深部构造对地震分段的控制机制：地幔上隆带通过 crust-mantle decoupling 释放构造应力，而岩浆侵入体则通过机械耦合改变区域应力场分布。这种深部过程与地表地震活动的耦合作用，为理解板内伸展构造带地震分段机制提供了新的理论框架。研究结果特别强调，地幔对流与岩浆活动的空间配置对地震能量积累和释放具有重要调控作用，这为预测构造带地震活动提供了新的约束条件。

在研究方法上，团队创新性地整合了多源观测数据。通过61个宽频带地震台站（2014-2023年）采集的波形数据，结合近万次中小地震定位数据，构建了 crust-mantle过渡带的三维速度场模型。采用改进的体波测深技术，实现了对地下50公里深度范围内P波和S波速度结构的精细刻画，分辨率达到50×50公里网格。特别设计的 checkerboard测试显示，该方法能有效分辨30公里深度尺度的结构异常。

研究发现构造带深部存在明显的速度梯度变化带（图7d’-e’）。在40-50公里深度层，构造带的东西向延伸方向与高速度异常带（H1）的走向完全一致。这种深部结构形态与地表构造展布的耦合，暗示着地幔对流与 crustal变形的同步演化。值得注意的是，构造带北部存在速度异常带（H2）与H1形成交叉状分布，这种复合结构可能对应于不同时期地幔流变过程。

在地震机制分析方面，研究团队首次系统建立了构造带不同区域地震机制与深部结构的对应关系（图8）。南部构造带（Yuncheng-Beijing段）的地幔上隆直接导致 crust-mantle decoupling，形成持续伸展背景下的纯伸展型地震机制。而北部构造带（Xindong-Datong段）由于地幔上隆带仅部分覆盖，在机械耦合作用下形成走滑与伸展复合型地震机制。这种分段特征与构造带内不同断陷盆地的演化阶段相吻合，南部盆地处于早中期伸展阶段，北部进入晚期走滑主导阶段。

岩浆活动研究揭示了构造带深部过程的重要细节。 northwest of Taiyuan盆地发现的锥形岩浆侵入体，其三维形态与地幔上隆带形成空间互补。热力学模拟显示该岩浆体与地幔对流存在能量交换，可能通过改变上地幔粘滞流变学性质影响区域应力场。地震波速分析表明，岩浆体周边存在0.5-1.5%的速度增幅，这种速度异常在震源定位中可作为重要约束条件。

该研究突破性地将地幔对流与 crustal变形机制统一考虑。通过建立深部速度场与地震活动性的统计关联模型，首次定量揭示了地幔上隆强度与地震矩释放的关系（图7c-e’）。计算显示，南部构造带的地幔上隆速率达到每年0.5毫米，显著高于北部地区的0.2毫米/年。这种速率差异导致南部区域地壳应力释放更为充分，形成纯伸展型地震活动，而北部地区因应力积累不充分，地震活动更多表现为走滑分量。

在构造演化时间尺度上，研究结合火山岩年龄数据和地震活动性分析，提出构造带分段演化的动态模型。南部构造带在新生代以来经历了地幔上隆主导的快速伸展阶段（25-5 Ma），形成典型拉张盆地。北部构造带则处于后期走滑调整阶段（5-0 Ma），伴随岩浆上涌形成复合地震带。这种分段式演化模式解释了构造带内不同区域地震活动性的空间差异。

研究还发现构造带深部存在独特的力学屏障效应。沿构造带的东西向速度梯度带（图8b-e’）显示出明显的上地幔粘滞阻力特征，其阻抗系数比周边区域高30-40%。这种力学不连续面有效阻隔了地幔对流能量向地表传递，导致构造带南北段形成不同的地震能量释放模式。计算显示，该力学屏障使北部构造带地震能量释放效率降低约25%，从而影响地震震级分布。

该成果对区域地震风险防控具有重要指导意义。通过建立构造带深部结构-地震机制-地表活动的多尺度关联模型，首次实现了对8级强震孕育机制的物理解释。研究特别指出，南部构造带的高地幔上隆速率（0.5 mm/yr）与8级地震频发存在显著正相关性（r=0.83，p<0.01）。这种定量关系为预测构造带地震活动提供了新的判据标准。

在科学方法论层面，研究团队创新性地构建了"多尺度数据融合"分析框架。该方法整合了体波测深（分辨率10公里）、接收函数（30公里）和微震定位（1公里）等多尺度观测数据，通过空间匹配和时频分析，实现了地下50公里深度范围内连续速度场建模。计算显示，该方法在30公里深度处的速度分辨率可达±0.5%，较传统方法提升约40%。

该研究还首次揭示了构造带深部动力学的空间分异规律。沿构造带的东西向剖面显示（图8），南部区域存在连续的20公里厚低速层（Vp≈6.2-6.4 km/s），与地幔上隆带形成速度补偿结构。而北部区域则发育不连续的低速异常带，与周边高速上地幔形成明显的速度界面。这种速度结构的空间分异与地震活动性的区域差异形成对应关系。

在应用层面，研究成果已应用于山西构造带地震预警系统的改进。通过建立地壳-上地幔速度场与地震矩张量的耦合模型，成功将地震预警时间从目前的平均12秒延长至18-25秒。特别是在2023年某6.5级地震的预警中，该模型准确预测了震源深度（15±2 km）和破裂扩展方向，验证了其工程适用性。

未来研究可进一步拓展至以下方向：1）结合三维地壳电磁波成像技术，揭示深部电性结构特征；2）建立多物理场耦合模型，定量分析地幔对流与 crustal变形的力学耦合关系；3）开展深部地震探测实验，验证速度模型的空间连续性。这些拓展研究将有助于完善板内伸展构造带动力学的理论体系。