东北地区背景噪声的Rayleigh和Love波相速度层析成像

本文利用中国数字地震台网位于东北地区的122个宽频地震台站的18个月记录的三分量连续地震噪声数据,采用互相关方法提取了Rayleigh和Love波经验格林函数,并利用时频自动分析技术获取了相应的相速度频散曲线.通过反演频散曲线,获得了Rayleigh和Love波周期为8~35s的二维相速度分布.结果表明,东北地区相速度的分布存在横向和垂向的不均匀性.短周期的相速度分布同地表地质构造密切相关,松辽盆地及山间沉积盆地呈现低速异常,而大兴安岭、小兴安岭及东部的一些山岭显示高速异常.随着周期的增加,位于中间的松辽盆地变为高低速相间,两侧的造山带呈现低速异常.这种异常的转变,可能是受构造活动或者莫霍面深度的影响.另外,在周期为20~35s频段内,Rayleigh和Love波同一周期的相速度在松辽盆地和位于吉林地区的郯庐断裂带表现不一致,表明可能存在径向各向异性.     

中国东北地区远震P波走时层析成像研究

利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪记录的远震波形数据,采用波形相关方法拾取了57251个有效相对走时残差数据,进一步采用FMTT(Fast Marching Teleseismic Tomography)层析成像的方法,反演获取了研究区下方深达800 km的P波速度结构.结果显示:在长白山下方发现有一个高速异常结构,这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块,由于板块的部分下沉,使得板块的形状并没有呈现出明显的板片状.长白山、阿尔山、五大连池火山下方都有低速异常体,长白山和阿尔山下的低速异常向下延伸至地幔转换带,可能与其上部的火山形成有关.五大连池火山下方的低速异常向下延伸至200 km左右,不同埋深的低速异常结构可能意味着五大连池与长白山和阿尔山有着不同的成因.松辽盆地呈现以高速异常为主导高低速异常混合分布的特性,暗示松辽盆地可能有岩石圈拆沉的过程,盆地南部下方的低速异常与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性,可能是下地幔热物质上涌的一个通道.     

青藏高原东南部地区瑞雷波相速度层析成像

本研究收集了"中国地震科学探测台阵-南北地震带南段"项目325个流动宽频带台站于2011年8月至2012年9月记录的远震垂直向资料,利用双台法测得了3594条独立路径上的瑞雷波相速度频散曲线,反演得到了青藏高原东南部地区周期10~60s瑞雷波的相速度分布图像.空间分辨尺度图表明,在台站覆盖范围内的绝大部分地区横向分辨率达到50km.2D相速度分布图显示,青藏高原东南部地区地壳上地幔S波速度结构存在较明显的横向非均匀性.短周期(如10s)的相速度分布主要受地表沉积层厚度的影响.绝大多数地震发生在周期15s相速度图上的低速区或高低速的陡变梯度带附近,充分说明该区的强震活动与中上地壳速度结构的变化有直接关系.中等周期(如20~30s)的相速度分布主要与中下地壳速度结构、地壳厚度密切相关,小江断裂、松潘—甘孜块体呈现最显著的低速,可能暗示这两处的中、下地壳存在低速层.较长周期(如40~60s)的相速度分布与上地幔顶部热状态和构造活动(如岩浆作用)有关.滇西南地区表现为大范围的显著低速,可能暗示滇西南地区上地幔顶部物质存在部分熔融.不同构造块体下方的频散曲线,具有不同的相速度特征.腾冲火山下方的频散曲线在10~60s一直为较低的速度,尤其是到40s以后,相速度随周期的变大增速明显放缓,至60s比其他任何块体速度都低,暗示腾冲火山区下方的低速至少来自上地幔顶部(约100km).     

华北克拉通与兴蒙造山带体波走时层析成像研究

华北克拉通岩石圈破坏范围与机制、华北地区深部孕震环境以及华北—兴蒙地区的新生代火山成因是地球科学领域的研究热点。本文利用研究区范围内布设的固定地震台网和流动地震台阵所记录到的近震与远震走时资料,开展研究区体波三维速度结构研究,为克拉通破坏、板内地震和火山成因等研究提供深部地球物理证据。本论文首先简要介绍了华北克拉通和兴蒙造山带的地质构造背景以及前人在该区取得的地壳上地幔地球物理观测结果,并就远震层析成像中几个影响因素进行了对比验证分析。在此基础上,充分收集了华北地区176个地震台站记录的677个近震P波和S波走时数据,其中P波走时43 354条,S波走时30 407条;应用SIMULPS14,获得华北地区地壳P波三维速度结构和v_P/v_S波速比。同时还收集华北—兴蒙造山带范围内757个台站记录的965个远震地震事件,应用波形互相关技术,共拾取93 416条P波相对走时残差数据;并收集兴蒙造山带范围内382个台站记录的606个远震地震事件,90 724个P波相对走时残差数据;应用有限频层析成像方法,分别获得了华北克拉通和兴蒙造山带0~800km深度、0.5°×0.5°的P波三维速度结构。获得主要成果及认识如下:(1)张渤地震带孕震环境综合P波速度结构、v_P/v_S波速比结果揭示张渤地震带地壳内存在低速层,且具有高波速比特征,可能反映此低速层与幔源热物质的侵入有关。由于幔源物质侵入,使得地壳深部流体的供给量增加,在地壳发震层下长期存在的流体会影响断裂带的结构,降低断裂带的强度,使区域应力场发生变化从而导致断裂带上应力的集中,进而引发地震。(2)华北克拉通与兴蒙造山带深部结构特征在鄂尔多斯地块下方显示为整体的高速异常,并向下延伸至300km深度甚至更深,是鄂尔多斯作为稳定克拉通地块的表现,暗示克拉通西部块体岩石圈还未遭到破坏。在克拉通中部的山西裂陷下方揭示了一强的低速异常,该低速异常在400km以上深度表现明显,这一显著的低速异常可能是由晚中生代至新生代的岩浆活动引起的,与克拉通活化有关。与之形成对比的是,克拉通东部华北平原地区则表现为高速异常与低速异常交互分布的复杂特征,而燕山地区则为高速异常,表明华北平原地区有明显的岩石圈去根和减薄过程,燕山地区则没有发生该过程或此过程发生的现象不明显。兴蒙造山带速度异常分为东、中、西三个区域,其中东西两个区域为低速异常区,中部松辽盆地内部呈现以高速异常为主导、高低速异常混合分布的特征;松辽盆地上地幔呈现高、低速异常相间的特征,推测可能是松辽盆地岩石圈拆沉的反映;在盆地南部400km以下存在低速异常,该低速异常向下延伸至下地幔中,推测可能是下地幔热物质上涌的产物。(3)华北克拉通与兴蒙造山带新生代火山成因本文的研究结果还揭示了锡林浩特—阿巴嘎火山下方的低速异常局限于400km深度之上;但阿巴嘎火山在200km深度以上,存在明显的高速异常,推测阿巴嘎火山下方的高速异常可能与火山年龄古老,岩浆有不同程度的固结有关,而锡林浩特—阿巴嘎火山下方的低速异常暗示仍有岩浆体的残留。P波速度结构还表明了大同火山及其周边400km深度以上,存在明显的低速异常,且低速异常并没有贯穿地幔转换带到达下地幔,据此我们推测该低速异常可能与深部热物质的存在有关,可能并不是因地幔转换带/下地幔的地幔柱热物质上涌所致。大同火山下方低速异常与锡林浩特—阿巴嘎火山下的低速异常没有相连的迹象,这可能暗示大同火山与锡林浩特火山群具有不同的深部热源。五大连池与长白山和阿尔山具有不同的地下速度异常结构,也意味着它们的成因可能不大相同。其中,五大连池火山下方也有低速异常,但该低速异常向下延伸至150km左右,这个低速异常结构暗示着五大连池火山的热源较浅。长白山下方400km深度以上存在一低速异常,该低速异常体向下继续延伸甚至突破地幔转换带到达下地幔;推测该低速异常代表了热的、上浮的岩石圈地幔,被夹持在太平洋板块岩石圈下方,在太平洋板片俯冲作用下由缺口向上发生上涌,上涌过程产生减压熔融成为长白山火山,是形成长白山火山的深部源泉。阿尔山火山下方存在一低速异常,该低速异常延伸至约600km深度左右,甚至穿过地幔转换带延伸至下地幔,该低速异常有可能就是热物质的输送通道,是阿尔山地区温泉形成的深部原因。     

中国东北地区远震S波走时层析成像研究

利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪在2009年6月-2011年5月所记录的远震波形数据,采用波形相关方法拾取了10301个有效的S震相相对走时残差数据,进一步采用两种射线走时层析成像的方法,反演获取了研究区下方深达800 km的S波速度结构,不同射线走时层析成像方法的结果对本区的S波速度异常结构起到一定的约束作用.S波成像结果与我们先前开展的P波成像研究结果整体相似：在长白山下方发现有一个高速异常结构,这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块,由于板块的部分下沉,使得板块的形状并没有呈现出明显的板片状.长白山、阿尔山、五大连池火山下方都有低速异常体,长白山和阿尔山下的低速异常向下延伸至地幔转换带附近,可能与其上部的火山形成有关.五大连池火山下方的低速异常向下延伸至200 km左右,不同埋深的低速异常结构可能意味着五大连池与长白山和阿尔山有着不同的成因.松辽盆地呈现以高速异常为主导、高低速异常混合分布的特性,暗示松辽盆地岩石圈地幔可能遭受了改造与破坏,可能有岩石圈拆沉的过程,盆地南部下方的低速异常与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性,可能是下地幔热物质上涌的一个通道.S波和P波相似的成像结果从另一个角度展示了中国东北地区的上地幔速度异常结构,对我们认识此区的地下结构提供了重要的约束.     

中国东北地区远震S波走时层析成像研究

利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪在2009年6月—2011年5月所记录的远震波形数据,采用波形相关方法拾取了10301个有效的S震相相对走时残差数据,进一步采用两种射线走时层析成像的方法,反演获取了研究区下方深达800km的S波速度结构,不同射线走时层析成像方法的结果对本区的S波速度异常结构起到一定的约束作用.S波成像结果与我们先前开展的P波成像研究结果整体相似:在长白山下方发现有一个高速异常结构,这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块,由于板块的部分下沉,使得板块的形状并没有呈现出明显的板片状.长白山、阿尔山、五大连池火山下方都有低速异常体,长白山和阿尔山下的低速异常向下延伸至地幔转换带附近,可能与其上部的火山形成有关.五大连池火山下方的低速异常向下延伸至200km左右,不同埋深的低速异常结构可能意味着五大连池与长白山和阿尔山有着不同的成因.松辽盆地呈现以高速异常为主导、高低速异常混合分布的特性,暗示松辽盆地岩石圈地幔可能遭受了改造与破坏,可能有岩石圈拆沉的过程,盆地南部下方的低速异常与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性,可能是下地幔热物质上涌的一个通道.S波和P波相似的成像结果从另一个角度展示了中国东北地区的上地幔速度异常结构,对我们认识此区的地下结构提供了重要的约束.     

基于背景噪声和地震面波联合反演华北克拉通中部岩石圈结构

基于ChinArray三期项目布设于华北克拉通中部的流动台阵观测数据,利用背景噪声互相关和地震面波层析成像获取了研究区内6—140 s周期的瑞雷面波频散,使用蒙特卡罗非线性反演方法获得了华北克拉通中部岩石圈的高分辨率三维S波速度结构。结果显示华北克拉通不同地块的岩石圈速度结构存在显著的横向差异:其中鄂尔多斯盆地腹地整体表现为高速特征,延伸至200 km以下,但其东南缘存在小范围的低速异常;东部的华北盆地整体表现为低速特征,具有较薄的地壳和岩石圈厚度;中部造山带南北两端以及南北重力梯度线下方存在相连接的低速区域,在深处延伸至华北盆地下方;在下地壳和上地幔顶部,大同火山群区域的低速体逐渐向西偏移至鄂尔多斯盆地东北角下方;而在上地幔中,该区域的低速异常随深度增加而逐渐减弱,低速体延伸至东南方向的华北盆地下方。基于本研究获得的S波速度模型,我们认为:鄂尔多斯盆地腹地保持了克拉通特性,但其东南缘存在局部的岩石圈改造作用;华北盆地发生了强烈的岩石圈破坏减薄和地壳伸展变形;中部造山带南北端以及南北重力梯度线下方的岩石圈发生了局部的改造减薄,其机制可能都来源于华北盆地下方地幔热物质的上涌;大同火山群下方上涌的热物质从鄂尔多斯盆地东北角下方侵入下地壳,在地壳内上升过程中受到上地壳的阻挡,向东流动至大同火山群下方,形成了大同火山群的岩浆活动,其深部来源可能与西向俯冲的太平洋停滞板块有关。      

蒙古中南部地区面波相速度层析成像

本文采用小波变换频时分析技术提取了1893条蒙古中南部地区双台间基阶Rayleigh波相速度频散曲线,通过对提取到的相速度频散进行二维反演,首次重构了蒙古高原中南部10~80s周期内分辨率为0.5°×0.5°的相速度分布图.结果表明,短周期相速度频散(10~20s)明显受地表地形控制,表现为杭爱—肯特山盆地为相对高速异常,而南部的戈壁带表现为相对低速异常;在30s到60s周期内,南部的戈壁带和北部的杭爱—肯特山盆地都显示出稳定的高速异常,而中部戈壁带则表现为低速异常.该低速异常区与新生代火山岩出露位置的一致性,暗示该低速异常可能与新生代火山活动有关.穿过蒙古高原中部的两条主要断裂带与研究区内的地震波速度分布具有很好的一致性,可能暗示两条断裂带一直延伸到整个岩石圈.此外,蒙古中南部地区的壳幔速度低于全球平均大陆值,且其相速度频散曲线与遭受破坏的克拉通,尤其大陆裂谷很相似,可能暗示着研究区具有薄的、活跃的岩石圈构造.     

中国东北地区SKS分裂的上地幔各向异性结构与动力学

本研究收集了中国东北地区2008—2016年九年时间内207个固定地震台站和127个NECESSArray流动地震台站的波形资料,利用SKS波分裂的最小切向能量网格搜索方法获得了243个台站的有效分裂结果.研究结果显示,尽管研究区各向异性快波方向基本以NW-SE向为主,但无论是在快波方向上还是快慢波时间延迟上不同构造单元内部与不同构造单元之间均存在着较大差别.大兴安岭造山带北部的各向异性快波方向自北向南由NNE-SSW向转变为NNW-SSE向,在中部以NW-SE向为主,而南部自北而南由NE-SW向逐渐转变为近E-W向;松辽盆地的各向异性快波方向在北部自西向东主要表现为由NNW-SSE向逐渐转变为NW-SE向,在中部自西向东由NE-SW向转变为近E-W向,而在南部既有NE-SW向又有NW-SE向;佳木斯地块各向异性方向由西部的NW-SE转变为东部的NNW-SSE,同时快慢波时间延迟逐渐变大;长白山造山带北部自北向南由NW-SE向逐渐转变为近E-W向,中部各向异性快波方向为NNW-SSE向,且快慢波时间延迟较大,而南部以NW-SE向为主;燕山造山带的各向异性快波方向主要沿E-W向分布,基本平行于燕山造山带的走向.这些结果说明,尽管复杂的各向异性快波方向与局部岩石圈拆沉和热物质上涌有关,但更重要是与"大地幔楔"中物质水平流等动力过程密切相关,也有待将来结合更多地震资料如面波不同深度的特征各向异性进行分析.在阿巴嘎火山群、哈拉哈火山群、长白山火山、龙岗火山和镜泊湖火山区及五大连池火山区等特殊构造区的周边地区,各向异性快波方向围绕这些构造区随方位均发生明显变化,暗示了火山区下方热物质上涌可能影响了"大地幔楔"中的软流圈物质水平流方向.     

长白山火山区地壳S波速度结构的背景噪声成像

利用探测深俯冲的中国东北地震台阵NECsaids的60个流动台与固定地震台2010年7月至2014年12月的垂向连续波形数据,采用地震背景噪声成像方法获得了研究区6~40 s周期的瑞雷波相速度分布,并通过相速度频散反演得到了研究区下方0~50 km的三维S波速度结构.结果表明:研究区下方地壳S波速度结构存在明显的横向和纵向不均匀性,浅部速度结构与浅表地质构造单元有较好的对应,深部速度结构较好地反映了区域火山活动及深部热物质作用的结构特征;在长白山火山下方9~30 km深度范围内存在明显低速区并有向下延伸的趋势,推测可能为长白山火山地壳岩浆囊;在龙岗火山下方12~30 km深度范围内发现较弱的低速区,可能代表火山喷发后的残留物,而在镜泊湖火山下方没有明显的低速异常,说明镜泊湖火山地壳内可能不存在部分熔融的岩浆物质.     

P-wave tomography and relation between shallow and deep structures beneath the Songliao basin

We selected relative travel-time residuals from teleseismic waveform data using the waveform correction method and imaged the P wave velocity structure beneath Northeast China.In combination with other geophysical data,we discussed the relation between the shallow and deep structures of the area.The results show that there is a primary high-velocity zone with some high- and low-velocity distribution characters beneath the Songliao basin.The low-velocity anomalies may extend down to the upper mantle,and may be the result of material upwelling.The low-velocity anomaly beneath the southern part of the Songliao basin is connected to those beneath the Changbaishan and A'ershan volcanic areas.It may be an upwelling channel from the mantle beneath the Songliao basin and adjacent area.This finding indicates the Songliao basin was a result of asthenospheric upwelling caused by subduction of the Pacific plate under the Eurasian plate.     

松辽盆地北缘的上地幔速度结构及该区火山成因探讨

中国东北是研究板内新生代火山活动及其成因的天然场所.以往的研究根据不同的壳幔速度结构,提出多种模型用以解释中国东北地区的火山活动.由于松辽盆地北缘的观测台站相对较少,导致这些模型对盆地北缘的约束较弱.我们利用近年来覆盖松辽盆地北缘的流动宽频带观测台站数据开展远震体波走时层析成像研究,获得了深达800 km的深部速度结构,在盆地北缘的火山群区域内得到如下认识：诺敏河和五大连池火山群共用一个200~300 km深处的地幔岩浆房.该地幔岩浆房内的低速异常为水平展布,未下延至地幔转换带内,并仅在该区域上地幔的局部范围内有所体现.结合前人的研究结果分析,我们认为该水平的局部低速异常可能是中生代晚期岩石圈拆沉导致的软流圈上涌热物质.     

川西地区瑞雷波方位各向异性

本文使用川西密集地震台阵记录的面波资料,利用程函方程面波成像方法获得了周期为14—60 s的瑞雷波相速度及方位各向异性分布。结果显示:川滇菱形地块的川西北地块内部的低速异常明显,其下地壳各向异性快波方向以NS向为主,松潘—甘孜地块内部的低速异常稍弱,下地壳各向异性快波方向以NW?SESE向为主,表明川西北地块可能存在下地壳通道流,松潘—甘孜地块内部存在的通道流相对较弱;龙门山断裂带和丽江—小金河断裂两侧的速度结构和方位各向异性均有明显差异,可推测青藏高原内部的地壳流在东部和南部分别受高速、高强度的四川盆地和滇中地块阻挡,沿高原边界带发生了侧向流动;周期大于25 s的面波方位各向异性方向为NW?SE;与SKS分裂优势方向相近,说明四川盆地的剪切波各向异性可能主要源于上地幔;而龙门山断裂带附近壳幔各向异性较为复杂,面波方位各向异性与SKS分裂的NW?SE向弱各向异性存在差异,表明该处的剪切波各向异性可能来自地幔更深处,有待进一步研究。      

蒙古中南部地区基于天然地震的 勒夫波相速度层析成像

借助中蒙国际科技合作项目获取的宽频带地震台阵观测数据, 采用小波变换频时分析技术提取了蒙古中南部地区901条双台间基阶勒夫波相速度频散曲线. 通过对该曲线进行二维反演, 重构了蒙古中南部地区12—80 s周期内横向分辨率约为50 km的勒夫波相速度分布图. 结果显示, 蒙古中南部地区相速度分布存在一定的横向不均匀性. 短周期内(12—20 s), 相速度分布受地表地形的控制, 杭爱—肯特山盆表现为高速异常, 乌兰巴托盆地、 中戈壁带及南戈壁带均表现为低速异常; 中等周期内(20—40 s), 研究区相速度分布形态与短周期类似, 但横向不均匀性强度减弱; 中长周期内(40—70 s), 南戈壁带和杭爱—肯特山盆为低速异常, 中戈壁带为高速异常, 整个区域表现出南北低速异常夹中部高速异常的形态, 与瑞雷波中长周期速度分布形态显著不同. 结合中戈壁带分布大量新生代火山岩, 推测研究区域内存在较强的径向各向异性.      

长白山火山区壳幔S波速度结构研究

利用面波层析成像和远震接收函数方法对长白山地区的地壳上地幔速度结构进行了研究。结果表明:长白山火山区附近存在岩石圈减薄、上地幔软流圈增厚以及上地幔S波速度降低等与上地幔高温物质有关的现象,它表明长白山的岩浆系统一直延伸到上地幔软流圈范围。天池火山区地壳内部存在明显的S波低速层,在离天池火山口较近的WQD台附近,低速层顶部埋深约8km,厚度近20km,S波最小速度约2.2km/s。在距离天池火山北部50km的EDO台地壳中没有明显的低速层。火山区S波速度结构总体表现出距离天池越近,地壳的V_P/V_S越大,低速层的厚度和幅度增加的特征,表明天池火山口附近地壳内部存在高温物质或岩浆囊。CBS台站不同方位的接收函数及反演结果表明,地表低速层厚度以及莫霍面深度存在随方位的变化。地表低速层在南部方向明显较厚,莫霍面深度在南部天池火山口方向存在小幅度抬升。CBS台站附近特殊的近地表速度结构可能是该台站记录的火山地震波形主频较低的主要因素。天池火山口附近莫霍面的小幅度抬升意味着存在与火山作用有关的壳幔物质交换通道