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华北克拉通自中生代以来遭受了强烈的活化改造，发生了大规模的构造变形和岩浆活动，致使原有的克拉通结构和性质遭到不同程度的破坏，现今的岩石圈结构具有明显的横向非均匀性。详细的深部结构信息是深入认识华北克拉通显生宙改造和破坏的重要依据。基于GRACE卫星重力资料的正反演研究，获得了整个华北克拉通的岩石圈三维密度结构，以及跨越华北克拉通东、中、西部的多条剖面的岩石圈结构图像，揭示了克拉通不同区域深部结构特征的显著差异。论文主要工作和认识如下：
(1)利用最新的地球重力场模型(EGM08)，笔者首先计算了华北克拉通布格重力异常，详细分析了异常的空间分辨率和精度；其次，采用方向导数和总梯度模等方法对重力异常进行了断裂分析和结构单元划分；然后采用Parker频率域重力界面快速反演方法得到了研究区的莫霍面(Moho)和岩石圈-软流圈分界(LAB)的起伏情况，大致刻画了研究区地壳和岩石圈厚度变化的基本规律。
(2)论文将Occam’s反演方法中的粗糙度引入目标函数，对模型参数进行光滑约束，建立了密度成像的光滑反演方法。同时采用深度加权函数克服了密度成像反演结果集中趋于地表的现象。利用华北地区的0.5°×0.5°网格P波速度三维层析成像结果，采用深度加权约束的预优共轭梯度反演方法(PCG)得到了华北克拉通的岩石圈三维密度结构(250km深度范围内)。为了细致地分析研究区的岩石圈密度分布特征，论文选取了8个水平切片(10,25，40，60，80,120，160，200km深度)和8个垂直剖面(沿北纬35°，36°，37°，38°，39°，40°；东经108°和119°)，将每个剖面的密度分布与地震层析成像结果进行了详细对比，给出了华北克拉通不同块体的密度分布特征。除块体存在的明显横向不均匀性，密度成像结果还显示东部，中部和西部三个块体的密度分布特征明显不同，并具有不同的深度展布。这表明南北重力梯度带(NSGL)东两两侧区域在显生宙可能经历了不同的岩石圈构造演化和深部地幔动力学过程。
(3)为了精细描述华北岩石圈的厚度变化特征，论文采用重力异常交互反演的方法建立了横跨整个研究区不同构造单元的6条剖面(A-A，D-D’，E-E, F-F’，G-G’，Ⅳ-Ⅱ地震剖面)的地下岩石圈结构模型。初始模型的建立来自三个方面的约束信息：(1)P波层析成像的结果；(2)接收函数分析结果；(3)基于连续小波变换的谱分析方法结果。其中论文重点论述了重力异常的谱分析的理论及6条剖面谱分析得到的岩石圈厚度的分布，并以接收函数分析结果进行了对比分析。在此基础上，论文以谱分析得剑的各个界面深度为初始模型，参考岩石物理测量得到的密度值，建立了交互反演的初始模型。我们将每条剖面的交互反演结果与重力异常，地表地形及P波层析图像综合进行分析，发现华北克拉通岩石圈厚度存在明显的横向变化，东南部盆地和沿海地区岩石圈厚度大约为60-70km，到了两北部的山系为140km左右，而在鄂尔多斯克拉通则为大约200km。特别是，岩石圈厚度在东、中部边界附近的约100km横向范围内显示出20～40km的迅速增加。岩石圈厚度的快速变化与地表地形从东向西的突然改变以及南北重力梯度带的位置大致吻合，这种特征表明，东西两侧区域在显生宙可能经历了不同的岩石圈构造演化和深部地幔动力学过程。
(4)与东部普遍减薄的岩石圈(60-100km)相比，中、西部表现出厚、薄岩石圈共存的强烈横向非均匀性，既在稳定的鄂尔多斯盆地之下保留着厚达200km的岩石罔，又在新生代银川-河套和陕西-山两裂陷区存在厚度＜100km的薄岩石圈，差异最大的厚、薄岩石圈仅相距约200km。为了更好的理解这种现象，我们将从不同方向横穿华北克拉通中、西部地区的6条剖面(A-A, G-G’，ABC，沿北纬40°，沿东经108°和111°剖面)重力异常，交互反演得到的岩石圈厚度，地表地形，2D密度成像结果，P波层析图像及S波分裂结果进行了综合对比和分析，并探讨了其地幔动力学特征。结合岩石、地球化学资料表明，克拉通岩石圈改造和减薄不仅发生在东部，而且可能影响了包括中、西部在内的更广泛的区域。岩石圈薄于100km的中、两部裂陷区可能与先前存在于岩石圈中的局部构造薄弱带相联系。这些古老岩石圈薄弱带可能经历了后期构造事件的多次改造，并在新生代印度-欧亚陆陆碰撞过程中被进一步弱化、减薄，最终造成地表裂陷。
详细的深部结构信息是深入认识华北克拉通显生宙改造和破坏的重要依据。论文所采用的深度加权约束的预优共轭梯度密度成像方法以及复小波频谱分析方法，为华北克拉通内部结构研究提供了定量化的手段；所采用的卫星重力异常正反演方法，可用于华北克拉通及全球其它类似地区岩石圈三维结构分析，为克拉通结构及演化研究提供了新的途径。