地球自由振荡弹性简正模研究进展与展望

在构建现代地球模型时,地球内部分层结构主要是根据地震波资料确定的;而地球内部密度及弹性参数,特别是地幔以下大尺度结构的密度分布,则主要是根据地球自由振荡的弹性简正模观测资料确定的.本文概述了地球自由振荡简正模本征值的求解理论和方法,介绍了球型和环型模态位移场表达式,讨论了地球自由振荡模态的衰减、分裂与耦合效应;总结了多线态分裂谱线探测和分裂参数估计的方法,综述了利用弹性简正模开展地震矩张量、地球三维非均匀性结构和内核超速旋转约束与反演研究的主要进展和存在的问题.最后作为展望,本文还讨论了地球自由振荡简正模的未来研究趋势.     

利用海底电缆探测太平洋地区地幔结构的研究进展

介绍了地幔电性结构、地幔温度、地幔含水量等参数对地球动力学和地幔动力学过程的重要科学意义,综述了近年来利用海底电缆在该领域的主要研究进展.本文首先介绍了日本利用海底电缆探测地幔深部结构的方法原理与发展历程,然后阐述了该方法的观测方式、观测系统与仪器,综述了国际上近年来利用海底电缆在环太平洋地区海底的观测资料进行地幔一维电导率结构、三维电导率分布的研究进展.基于海底电缆的观测数据进行反演的结果表明,太平洋海域地区地球深部存在410 km,660 km的电导率不连续面,此不连续面与地震资料的波速不连续面基本一致,为地幔不连续面提供了新的地球物理证据.在根据由海底电缆观测数据反演得到的太平洋地区地球内部电导率分布基础上,综述了综合深部地震波速、岩石高温高压实验等,将电导率的分布转换为地球内部的温度场分布、推导地幔过渡带水的浓度进而转换为地幔过渡带的含水百分比(含水量)的方法技术与研究进展.研究结果表明,夏威夷和北日本海地幔过渡带电导率异常主要受温度控制,菲律宾海域地幔过渡带的电导率异常除了和温度有关外,还受含水量影响,该处地幔过渡带的含水量大约在1％左右.这些研究表明,海底电缆探测方法,在地球深部探测尤其是地幔不连续面的探测、地幔温度场分布与特征、地幔含水量等方面有重要的作用.最后,展望了海底电缆探测方法的研究与发展,这些研究方法及成果对认识中国海域地球内部机构提供一定的参考.     

利用GPS观测的时间序列资料反演地壳地幔黏性结构

地球介质的黏度是地球动力学研究中的重要参数. 在考虑震后震源区介质物性变化的情况下,本文提出利用GPS观测的时间序列资料反演地壳、地幔黏度的方法. 计算中,将遗传算法与Marquardt法相结合,利用遗传算法搜索结果作为Marquardt法反演的初始模型,运用微扰法形成Jacobian矩阵. 根据余震分布及地震波速度变化确定震源区的范围及介质的物性变化情况,利用黏弹性有限单元模型（Maxwell体）及台湾集集地震后GPS观测的时间序列数据,反演了台湾地区地壳、地幔的黏性系数. 反演计算及数值实验表明,该方法反演黏度的效率高,稳定性好. 反演结果初步显示台湾地区的地壳、地幔的黏度分别为12×1018Pa·s和36×1019 Pa·s.     

震后GPS观测数据揭示的日本M_W9.0地震周边地区地幔黏滞性结构垂向变化

本文利用大范围的震后GPS数据和黏弹性球形地球位错理论,定量研究了日本M_W9.0地震周边地区地幔黏滞性结构的垂向变化.首先结合陆地和海底的GPS观测数据,以及基于球形地球位错理论格林函数和贝叶斯反演方法,反演了该地震的同震滑动分布,发现其最大错动量高达59m.然后在均一地幔黏滞性结构的假设前提下,确定了震源周边地区地幔黏滞因子的最优解,发现依据该地幔黏滞因子获得的理论远场震后位移和GPS观测结果之间的均方根误差高达0.81cm,不能解释远场观测结果.为解决上述问题,本文对震中周边地区地幔黏滞性结构沿垂向方向进行分层,建立了一个随深度变化的地幔黏滞性构造模型,然后综合利用远近场的GPS数据对该地区地幔黏滞因子进行反演研究,结果表明,震源周边地区岩石圈弹性层厚度最优解为40km,40～220km深度的地幔黏滞因子最优解为6×10~(18)Pa·s,220～670km深度之间的地幔黏滞因子最优解为1.5×10~(19)Pa·s.上述地幔黏滞性构造使远场的均方根误差降为0.12cm,仅为利用均一地幔黏滞性构造所得均方根误差值的15%,大大提高了远场模拟结果的准确性.最后,观测值和模拟值之间的均方根误差分析表明,近场震后形变数据主要约束浅层的地幔黏滞性结构,而远场震后形变数据主要约束深部的地幔黏滞性结构.     

考虑非均匀地幔的重力-地震联合建模

本文提出在综合地球物理研究中,为了使重力数据处理和反演更加符合实际的地质情况,重力-地震联合建模分析时应当考虑非均匀地幔物质的重力效应.本文针对含油气盆地结构、断裂构造、大陆边缘演化和洋陆转换带等热点地质问题,广泛调研了全球范围内多个地区的综合地球物理研究成果,及其对应的地幔深部结构,发现地幔的横向不均一性是普遍存在的.在以往许多基于重力、地震数据的综合研究实践中,重力异常分离和建模分析通常都是在地壳内部（莫霍面以上）进行的.这种处理方式实际上是以均匀地幔为假设前提,虽然简化了重力异常分离和建模分析的难度,但忽略了地球深部的不均匀性所带来的重力异常,所获得的剩余重力异常和在此基础上进行的密度结构反演、地质解释会存在偏差.本文通过对模型界面的2D正演,定量探讨了非均匀地幔对布格重力异常的影响.在对四川盆地的实例研究中,剥离了非均匀地幔的重力效应,2.5D重震联合模拟的结果明显优于均匀地幔假设条件下的结果.     

三维变粘度地幔对流的理论研究

在朱涛等的"球层中的非线性自由热对流-变粘度模型"研究中(2004),我们建立了变粘度地幔对流模型,不仅获得了描述地幔物质垂直运移特征的极型场,而且获得了描述地幔物质水平运移的环型场.在计算中,假定在常粘度背景下的小粘度横向扰动形式非常简单,仅仅随着纬度而变化,其它参数取值非常接近真实地球,依此从理论上获得了变粘度情形下环型场的某些认识.但是,它还不能被直接用来解释或联系实际的地球构造运动及其分布,因为在模型中还没有引入任何实际地球物理观测资料来约束模型.建立模型的目的是希望它能为合理认识和理解现今的地球构造现象及其动力学演化过程提供帮助,为此,必须使得地幔对流模型更加合理、更加接近真实情况.一般情况下,主要采用两种方式将地球物理资料引入地幔对流模型:     

全地幔三维异常密度的联合反演

由Hager(1981)提出的,叶正仁(1989)进一步发展的传播矩阵方法,提供了一种运用地球重力位、板块运动速度资料来探求地幔内部横向不均匀性的一条途径.但由于地球重力位、板块运动速度资料均是二维资料,故仅运用上述两种资料来反演三维异常密度会导致反演结果很强的不唯一性、不稳定性.作为80年代地球物理学最富有成效的成果之一就是利用地震P 波和S波的层析技术,提供了上、下地幔三维异常速度分布,从而为地球物理及地球动力学的研究提供了最新的先验知识.把传播矩阵方法、粘滞损耗最小原理运用于全地幔对流的地球动力学模型,并同时把长波地形起伏、板块运动速度、重力位资料以及傅容珊根据地震层析结果所合成的全地幔三维异常密度作为约束条件,联合反演全地幔的三维异常密度结构.计算结果显示:(1)从计算所及的密度横切剖面来看,至少在250—670km 深度范围内异常密度的高低与地表构造有一定的相关性:即全球的大部分发散边界和相当部分的大陆分别对应低异常密度区和高异常密度区,地幔的异常密度数值在1500km 深度附近达到最小.(2)从计算所得的密度纵切剖面来看,对应太平洋中脊、印度洋中脊、红海及亚丁湾地区,低密度的异常区从地表一直延伸到核一幔边界,不过太平洋中脊相对明显.除上述区域外全地幔的异常密度基本上(按数值大小及正负)分三层.     

利用前驱波研究地幔间断面的若干进展

地幔速度结构提供了地球内部热和化学状态及其构造演化历史的重要信息。对于地幔间断面的研究可以更清楚地了解地球内部温度分布特征和化学结构,并对确定地幔间断面成因及地幔对流模式等地球动力学问题具有重要的意义。地震学观测显示在410 km、660 km深度普遍存在速度间断面,并且在全球特定区域的上地幔(220 km、300～350 km、520 km、560 km)和下地幔(800～900 km、1 100～1 200 km、1 800 km、2 400 km)也有速度间断面的存在,不同区域地幔间断面的起伏可能受到温度、含水量、矿物相变及俯冲板块的影响。利用前驱波来研究地幔间断面具有独特优势,前驱波相比参考震相较早到达观测台站,从而避免其他震相的干扰,可以更准确地研究较弱的速度间断面。文章收集整理近些年来地震学家利用前驱波研究地幔间断面的成果,包括长周期反射震相SS或PP的前驱波、深震震相sP、pP的前驱波和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)的前驱波等,并对不同前驱波的特点及地幔间断面的相关研究成果进行总结。利用前驱波研究地幔间断面的方法已较为成熟,及时收集总结相关的研究成果对认识地球内...     

全球地磁感应测深数据三维反演

全球地磁感应测深能获得地幔转换带及下地幔上部的导电结构.但目前稀疏的地磁台站分布及部分台站的观测数据稳定性较差,影响了三维反演对地下电性结构的分辨力和反演可靠性.为此,区别于传统的L2-范数反演方法,本文提出并实现了基于L1-范数的地磁测深响应三维反演技术.在反演中,利用L1-范数度量数据预测误差,降低"飞点"数据的影响,将相关系数较小的C-响应估计也纳入反演数据中.三维正演模拟采用球坐标系下的交错网格有限差分法,反演采用有限内存拟牛顿法.文中利用指数概率密度分布函数构造非高斯噪声的合成数据,并采用棋盘模型对反演方法的可靠性进行了验证.之后,我们将本文提出的三维反演方法用于全球129个地磁观测台站的C-响应数据反演,结果表明在地幔转换带深部,中国东北地区为高导电异常,南欧和北非则均为高阻;夏威夷在900km以下为高导;菲律宾海及以东地区在转换带表现为明显的高阻,这些结果与前人研究结果一致.由于采用了更多的台站数据,我们的反演结果还发现一些新的异常:南美洲南端,转换带表现为明显的高导;澳大利亚东南部,地幔转换带深部,也存在一个明显的高导异常,这些异常分布和地震层析成像的低速区一致.因此,L1-范数三维反演能够充分利用全球C-响应数据信息,提高地磁测深对地球深部电性结构的分辨能力,更好的研究全球地幔电性结构.     

利用天然地震转换波及二次波反演地壳上地幔速度结构的尝试

本文是研究利用天然地震PS转换波及PPP等二次波到时资料反演地壳上地幔速度结构的尝试。提出了分步逐层的反演方法使反演问题部份线性化,同时还利用联合反演的方法降低反演误差。文章分析讨论了反演误差,给出了反演实例,并指出了存在的问题及进一步工作的方向。     

Post-glacial rebound and present-day three-dimensional deformations

The WEGENER^† activities related to the study of post-glacial rebound are presented together with a review of the present state-of-the-art in this study field. Post-glacial rebound research is an unique tool for studying the viscoelastic behaviour of the Earth's mantle on time scales of thousands of years. The viscosity structure of the Earth's mantle determined from an inversion of observations of glacially induced deformations is a basic requirement for modelling long-term phenomena such as the convection in the Earth's mantle, and for better understanding unsolved questions such as the nature of the mantle discontinuities or the vertical scale of convection.First, an introduction to the scientific background is given, and the three principal ingredients for post-glacial rebound studies, namely the ice model, the Earth model, and the observations are briefly considered. For the ice model, the uncertainties due to a trade-off between ice model and Earth rheology are outlined. The different approaches used to model the Earth and its deformations in post-glacial rebound studies are discussed emphasising the preliminary nature of the derived rheologies and depth dependencies. The observations, in particular the relative sea-level changes and three-dimensional surface deformations, are described with special emphasis on observational gaps. Based on the discussion of the ingredients, an outline of the future developments in post-glacial rebound research is attempted with particular emphasis on the Earth model and the theory of deformations.For several decades extreme efforts have been made to precisely monitor the land uplift in Scandinavia. However, for the height component the existing data still are associated with large uncertainties while reliable data on the horizontal component are practically nil. The ongoing long-term (longer than ten years) spacegeodetic measurements are likely to provide the three-dimensional deformations with the spatial resolution and accuracy required in order to substantially contribute to post-glacial rebound studies. Thus, present-day three-dimensional deformations of the Earth's surface beneath and around the former ice sheets as a constraint for the mantle rheology and viscosity structure will increasingly become important as they become known from space-geodetic measurements with high spatial resolution and an accuracy approaching the mm/a-level.     

中国及邻域强震震后变形监测及岩石流变性质研究

大地测量技术观测的震后变形是地壳和地幔岩石对同震应力扰动的变形响应,震后变形的强度及时空演化特征主要受断层面的摩擦性质、下地壳及上地幔岩石的流变参数等控制。震后大地测量被广泛用于研究断层及深部岩石的流变性质及其动力学过程,是对岩石力学实验、冰后回弹等手段探测结果的检验和补充。本文回顾性地总结了中国及邻域中强地震震后变形监测成效,这些震例主要集中在青藏高原内部和边界带。通过对包括昆仑山口西地震、汶川地震和尼泊尔地震在内的发生在青藏高原及周缘的强震震后变形机制、岩石圈流变参数约束等方面的研究,大大提升了对青藏高原不同区域深部岩石流变结构和性质的认识,为研究地震周期变形、地震危险性、青藏高原的形变模式、高原演化动力学提供了观测依据和定量参数。同时,指出进一步约束青藏高原深部岩石流变参数,一方面需要进一步提高西部地区连续GNSS监测能力,另一方面需要与地球物理成像技术进行融合。     

Influence of variable uncertainties in seismic tomography models on constraining mantle viscosity from geoid observations

The radial viscosity structure of the Earth is explored on the basis of the geoid observations. The variations of uncertainty in seismic tomography models are accounted for when finding the radial viscosity structure. The new methodology we propose attempts to fit more closely those features of the geoid that are better constrained by tomography models and avoids to fit those features that are poorly constrained. This approach is particularly important because the error of geoid predictions caused by uncertainties in seismic tomography models is overwhelmingly larger than the noise in the geoid measurements. The synthetic tests indicate that the viscosity structures obtained by disregarding the uncertainty variations in seismic tomography models can be biased depending on the geoid spectral band and on the ‘input’ seismic tomography model. When the uncertainty variations in seismic models are considered in the inversion process, results do not indicate a viscosity in the transition zone lower than in the upper mantle. A robust feature found with the new method is a viscosity in the upper mantle two orders of magnitude smaller than in the lower mantle. The error covariance of seismic tomography models is critical for the method we suggest. A covariance matrix rigorously derived by seismologists should help to even more reliably infer the viscosity structure and relation between anomalies in density and seismic velocities from surface observations such as the geoid, and thus lead to a better knowledge of the Earth interior.     

关于区域性的地震面波层析反演方法的讨论

讨论了在地球表面局部区域进行面波层析反演时所用的各种反演方法，指出各种方法用于区域性层析反演时的优缺点，并就由面波资料对区域性的地壳和上地幔结构进行反演的方法──分块反演方法、本征函数展开法、球面雷当变换方法、Ｔａｒａｎｔｏｌａ概率方法和波形反演的方法进行了讨论。指出了各种方法的优缺点及适用范围，并对一些方法进行了数值模拟，给出了计算实例。关键词     

On Earth’s Mantle Constitution and Structure from Joint Analysis of Geophysical and Laboratory-Based Data: An Example

Determining Earth’s structure is a fundamental goal of Earth science, and geophysical methods play a prominent role in investigating Earth’s interior. Geochemical, cosmochemical, and petrological analyses of terrestrial samples and meteoritic material provide equally important insights. Complementary information comes from high-pressure mineral physics and chemistry, i.e., use of sophisticated experimental techniques and numerical methods that are capable of attaining or simulating physical properties at very high pressures and temperatures, thereby allowing recovered samples from Earth’s crust and mantle to be analyzed in the laboratory or simulated computationally at the conditions that prevail in Earth’s mantle and core. This is particularly important given that the vast bulk of Earth’s interior is geochemically unsampled. This paper describes a quantitative approach that combines data and results from mineral physics, petrological analyses of mantle minerals, and geophysical inverse calculations, in order to map geophysical data directly for mantle composition (major element chemistry and water content) and thermal state. We illustrate the methodology by inverting a set of long-period electromagnetic response functions beneath six geomagnetic stations that cover a range of geological settings for major element chemistry, water content, and thermal state of the mantle. The results indicate that interior structure and constitution of the mantle can be well-retrieved given a specific set of measurements describing (1) the conductivity of mantle minerals, (2) the partitioning behavior of water between major upper mantle and transition-zone minerals, and (3) the ability of nominally anhydrous minerals to store water in their crystal structures. Specifically, upper mantle water contents determined here bracket the ranges obtained from analyses of natural samples, whereas transition-zone water concentration is an order-of-magnitude greater than that of the upper mantle and appears to vary laterally underneath the investigated locations.     

联合GPS和GRACE观测研究日本MW9.0地震震后变形机制

利用GPS和GRACE观测数据研究了日本M_W9.0地震的震后变形特征.GPS观测显示,区域震后位移呈现随指数函数变化特征,变化速率符合大森公式的衰减特性;近五年的震后水平位移累积已达到东向60~165 cm,南向20~65 cm的量值,距震中较远站点已超过同震变化量,且震后变形仍然持续.GRACE观测到显著的震后重力变化,地震破裂两侧的重力变化总体均呈上升趋势,但海洋侧的变化速率较快.联合震后余滑和黏弹性位错理论对震后变形进行了模拟,探索了GPS和GRACE观测的综合应用方法.研究发现,综合考虑震后余滑和黏滞性松弛效应可以对日本地震的震后变形做出较合理的解释,震后初期余滑起主要作用,1至2年以后逐渐减弱,黏滞性松弛作用逐渐增强.在震后变形模拟和区域黏滞性结构反演中形成GPS和GRACE观测结合应用的方法,先基于震后GPS形变估算区域黏滞性结构,而后利用GRACE观测修正深部的黏滞系数,并综合利用这两种观测微调浅层黏滞系数,最终确定区域黏滞性结构.基于该方法反演了日本震源区的地幔黏滞性结构,地震断层破裂两侧的流变参数存在差异,大陆侧的地幔顶层黏滞系数在1.0×10¹⁹ Pa·s量级,而海洋侧的则略小于大陆的,在6.0×10¹⁸ Pa·s量级.     

用转换函数方法研究腾冲—临沧地区地壳结构

根据流动数字地震台网提供的三分量地震波形记录资料,应用转换函数及快速模拟退火算法对腾冲－临沧地区30个地震台站下的地壳横波速度结构进行了反演.反演结果说明,研究区壳幔边界清晰、莫霍界面附近速度跳跃明显,由此得出该区地壳厚度在40 km左右、并具有从南向北增厚趋势.一个普遍的现象是,在腾冲-宝山地块下地壳存在明显的低速带,低速带的厚度在10～20 km间.研究结果进一步表明各台站下方上地幔速度结构复杂.这些结果为探讨青藏高原东南缘下地壳的侧向黏性流动、碰撞板块边界处壳幔物质交换等均提供了重要的地球物理证据,为探讨印-藏汇聚过程中青藏高原东构造结岩石圈变形、高原隆升及其深部动力学有一定理论意义.     

中国东部海域地壳-上地幔瑞利波速度结构研究

为了进一步了解中国东部沿海及相邻海域的地壳－上地幔结构特征,对该区域的构造演化历史、地震活动及深部构造等方面研究提供一些基础资料,利用３１个数字地震台记录的高质量瑞利波资料,采用一种新的混合路径频散的网格反演方法（Ｏｃｃａｍ方法）,对中国东部海域瑞利波群速度横向不均匀分布进行了初步研究．根据反演得到的１０-１５０ｓ共３６个中心周期的群速度分布特征,以及几个典型地点的剪切波速度结构的深度变化,对研究区域内各构造单元的划分以及它们在速度结构和上地幔低速层埋深等方面的特征进行了讨论。