安徽气枪实验固定台层析成像初步结果

为探索气枪震源在探测区域性地壳结构中的应用,2015年10月10~20日在长江马鞍山-安庆段开展了气枪流动激发实验(安徽实验),在20个固定点激发2973炮,中间流动激发1872炮,由周边109个固定台、700个流动台(包括11条测线)进行接收。为获取郯庐断裂带南端较为精细的地壳速度结构,本文利用安徽气枪实验中采集到的固定台数据进行初至P波震相拾取,对20个气枪源、52个台站、335个震相进行体波层析成像,验证了利用气枪震源激发进行体波层析成像的可行性,并得到了P波速度结构的初步研究结果:1利用大容量气枪震源激发可进行三维体波层析成像;215km深度的成像结果显示出大区域高、低速异常区的清晰轮廓,即从研究区中心向外整体呈现出低-超低-低-高的分布特征,该特征与地质构造背景相关,具有显著的横向不均匀性;3秦岭-大别造山带显示出高速异常,与其深部超高压变质岩相对应,而长江中下游地区整体呈现低速异常,与其特殊的成矿背景相对应。     

大容量气枪震源长江定点激发信号检测

地学长江计划安徽段实验是大容量气枪震源在长江的首次激发。本文对布设在气枪固定激发点附近的流动台和周边固定台接收到的气枪信号进行线性叠加,以分析近场、远场信号的时频特性,并利用叠加结果检测气枪信号的传播特性,分析不同环境因素对信号传播距离的影响。结果表明:1近岸首台可以接收到清晰的压力脉冲、气泡脉冲的体波和面波信号;2气枪信号主频为5Hz左右,随着震中距的增加,压力脉冲信号衰减很快,信号主频频带变窄;3对信号传播距离进行初步检测发现,最近的传播距离为180km,最远共有3个激发点传播达到260km,夜晚激发时信号传播距离较远。     

大容量气枪震源长江定点激发信号检测

地学长江计划“安徽段实验”是大容量气枪震源在长江的首次激发。本文针对布设在气枪固定激发点附近的流动台和周边固定台接收到的气枪信号进行线性叠加分析近场和远场信号的时频特性,利用叠加结果检测气枪信号的传播特性,分析不同环境因素对信号传播距离的影响。结果表明：①近岸首台可以接收到清晰的压力脉冲、气泡脉冲的体波和面波信号;②气枪信号主频为5Hz左右,随震中距的增加,压力脉冲信号衰减很快,信号主频频带变窄;③对信号传播距离进行初步检测,最近的传播距离为180km,最远共有3个激发点传播达到260km,夜晚激发信号传播距离较远。     

利用固定台站分析长江激发气枪信号特征

“地学长江计划”安徽实验是以气枪震源为核心的大型主动源探测实验。通过在长江安徽段20个固定点定点激发气枪震源,结合109个固定台站、11条流动测线组成的观测网络,首次利用主动源实现了对长江流域安徽段约6万km2面积的三维地下结构探测。本文利用固定台站对长江激发气枪信号进行了分析,结果表明,长江中气枪信号激发效果良好,固定台记录中气枪信号可识别的最远距离达300km。对气枪信号绝对振幅的研究结果表明：① 50km处的气枪信号约为10nm量级,200km处的气枪信号小于1 nm;② 气枪信号强度的空间分布存在一定的方位各向异性,可能与长江的几何形状有关;③ 台站背景噪声对于提取气枪信号至关重要,高质量的固定台网为识别nm量级气枪信号提供了可能。     

利用固定台站分析长江激发气枪信号特征

地学长江计划安徽实验是以气枪震源为核心的大型主动源探测实验。通过在长江安徽段20个固定点定点激发气枪震源,并结合由109个固定台站、11条流动测线组成的观测网络,首次利用主动源实现了对长江流域安徽段约6万km~2面积的三维地下结构探测。本文利用固定台站对长江激发气枪信号进行了分析,结果表明,长江中气枪信号激发效果良好,固定台记录中气枪信号可识别的最远距离达300km。对气枪信号绝对振幅的研究结果表明:150km处的气枪信号约为10nm量级,200km处的气枪信号小于1nm;2气枪信号强度的空间分布存在一定的方位各向异性,可能与长江的几何形状有关;3台站背景噪声对于提取气枪信号至关重要,高质量的固定台网为识别nm量级气枪信号提供了保障。     

大容量气枪震源特征及地震波传播的震相分析

利用大容量气枪震源在陆上水库进行地震波激发试验,研究陆上水库环境下激发气枪震源所产生的地震波特征及传播距离. 试验结果表明,大容量气枪震源是具有丰富的10 Hz以下低频信号的低频震源,其激发的地震波具有传播距离远,穿透深度深的特点. 在185 km长的测线上均记录到了气枪信号,成功检测到Pg,Pc,P2,PmP和Pn等多组震相,并在此基础上对地下深地壳结构进行了一维速度结构正演,讨论了该区域壳幔过渡带的低速结构. 气枪震源还具有一般炸药震源不具有的特征,如长期定点重复激发和有效转换S波的优点,是陆上进行长炮检距深穿透地下结构研究的一种优良人工震源.     

青藏高原东北缘地壳及上地幔顶部速度结构研究

本文利用青藏高原东北缘71个固定台站与418个流动台站记录到的天然地震事件资料,采用双差层析成像方法对近震走时数据进行反演,获得了研究区高分辨率的三维P、S波速度结构和地震重定位结果.研究结果表明,本文给出的P、S波速度模型较已有的全球模型能更好的解释体波走时与面波相速度观测资料.松潘—甘孜和祁连构造带下方20～40 km深度范围表现为显著的P、S波低速异常,其中松潘—甘孜地块的壳内低速层可能与地壳部分熔融有关,而祁连构造带的壳内低速层则可能与地壳增厚有关.精定位后的岷漳6.7级地震和九寨沟7.0级地震震源深度都位于脆性的上地壳.两个地震的震源区地处不同块体的边界,均处在高、低速过渡带.震源区的壳内低速层可能处于部分熔融或易于蠕变的状态,脆性上地壳更容易积累应变能,从而导致地震的发生.     

长三角地区地壳P、S波速度结构模型

利用收集到的瑞利面波频散数据和区域地震台网震相数据,分别采用面波层析成像和体波走时层析成像方法反演了长三角地区地下速度异常分布,获得了该区地壳P、S波速度结构.层析成像结果表明速度结构模型与地质特征基本一致,研究结果有助于深化对长三角地区沉积盖层和地壳结构以及强震活动深部环境的认识.     

基于气枪震源信号和背景噪声的2016年呼图壁6.2级地震前后波速变化特征初步研究

本文选取呼图壁气枪发射台周边流动台记录的2016年6月至2017年12月气枪震源信号和背景噪声信号,分别采用互相关时延检测法和移动窗互谱法研究2016年12月呼图壁6.2级地震前后波速变化特征,得到以下初步结果:呼图壁6.2级地震前后,距6.2级地震60 km的流动台记录的气枪震源信号未发现明显的波速变化,距6.2级地震27 km的固定台石梯子台在6.2级地震前出现了较为明显的波速变化异常,可能与信号传播路径不同有关;流动台记录到的背景噪声信号出现与呼图壁6.2级地震有关的波速异常变化;气枪主要利用体波信号,背景噪声主要利用面波信号,两者射线路径不同可能是导致不同波速变化特征的主要原因。     

小江断裂带北段上地壳三维速度结构研究及鲁甸Ms6.5地震构造分析

利用巧家流动台阵2012-2017年期间记录到的近震P波和S波到时数据,采用地震体波走时层析成像方法,反演得到了小江断裂带北段及鲁甸地震震源区上地壳的高分辨率VP和VP/Vs模型.成像结果显示:小江断裂带北段在0～6 km左右的深度表现为低波速、高波速比异常,在9～12 km左右的深度以下,小江断裂带北段整体开始呈现显...     

1927年古浪8级大震及其周边地区三维地壳P波速度结构特征

本文联合利用甘肃及周边测震台网记录的古浪及周边地区4592次地震的P波绝对到时资料和相对到时资料,采用双差地震层析成像方法反演了古浪震源区高分辨率的三维P波速度精细结构.结果显示,浅部P波速度分布与地表地质之间具有很好的对应关系.皇城—双塔断裂带在6 km以上深度表现为高速异常带,而在6~15 km逐渐转换为明显的低速特征,之后再次转换为高速体.震区下部在10~20 km深度有一个尺度约200 km²的低速异常体,地震发生时破裂首先在该低速体发生,与主震空间位置非常吻合.主震区的岩石结构主要由奥陶纪变质砂岩、石英岩和加里东期的花岗岩等坚硬岩体组成.这种坚硬岩体对应的P波速度结构为高速体,有利于能量积累.武威盆地在20 km以上深度表现为明显的低速异常,在25 km深度之下,整体显示为高速体,表现出稳定块体的特征.表明武威盆地中下地壳和上地幔顶部已插入到冷龙岭隆起带之下.震区小震重新定位发现,皇城—双塔断裂带东、西两段表现出不同的力学运动性质,西段以逆冲运动为主,地震主要发生在断裂的下盘.而东段地震却主要发生在上盘,断层活动以局部拉张为主.我们还首次发现在皇城—双塔断裂带的中段与主破裂呈垂直方向存在有在主震发生时新产生的一条共轭断层,基于小震的断层面参数反演显示该断裂是一高倾角运动性质以右旋为主兼具正断的断裂.     

Experiments on Exploration of Shallow Fine Structures and the Construction of the 1-D Velocity Model in the Pingtan Island, Fujian

112 short-period seismographs were set up in the 400km² area of Pingtan Island and its surrounding areas in Fujian. The combined observations of the airgun source and ambient noise source were carried out using a dense array to receive the 387 airgun signals excited around the island and one month of continuous ambient noise recording. The 1-D P-wave and S-wave shallow velocity model of Pingtan Island is obtained by the inversion of the airgun body wave''s first arrival time data, and the reliability of the velocity model is verified by using the surface wave phase velocity dispersion curve, which can provide initial model for subsequent 3-D imaging. The experimental results show that this experiment is a successful demonstration of local scale green non-destructive detection, which can provide basic data for shallow surface structure research and strong vibration simulation of the Pingtan Island.     

祁连山气枪主动震源浮台漂移钢索悬吊控制技术

针对地下介质动态变化监测研究中的信噪比、震源可重复性和波速精确测量等关键问题,利用大容量气枪作为主动震源,构建了一套高性能的主动源探测技术系统,该系统主要由气枪震源和信号接收部分组成。为了解决浮台偏离设定位置的问题 ,提出了浮台漂移控制技术。实验结果表明,该技术可以有效地解决气枪激发后浮台受到水流冲击作用而偏离设定位置的问题。本研究结果可为一定激发场地情况下的气枪主动震源重复探测工作所借鉴。     

The P-wave velocity structure of Deception Island,Antarctica, from two-dimensional seismic tomography

Deception Island is a volcanic island with a flooded caldera that has a complex geological setting in Bransfield Strait, Antarctica. We use P-wave arrivals recorded on land and seafloor seismometers from airgun shots within the caldera and around the island to invert for the P-wave velocity structure along two orthogonal profiles. The results show that there is a sharp increase in velocity to the north of the caldera which coincides with a regional normal fault that defines the northwestern boundary of the Bransfield Strait backarc basin. There is a low-velocity region beneath the caldera extending from the seafloor to > 4 km depth with a maximum negative anomaly of 1 km/s. Refracted arrivals are consistent with a 1.2-km-thick layer of low-velocity sediments and pyroclastites infilling the caldera. Synthetic inversions show that this layer accounts for only a small portion of the velocity anomaly, implying that there is a significant region of low velocities at greater depths. Further synthetic inversions and melt fraction calculations are consistent with, but do not require, the presence of an extensive magma chamber beneath the caldera that extends downwards from ≤ 2 km depth.     

Eastward subduction of the Indian plate beneath the Indo-Myanmese arc revealed by teleseismic P-wave tomography

The deep structure of the eastward-subducting Indian plate can provide new information on the dynamics of the India-Eurasia collision. We collected and processed waveform data from temporary seismic arrays (networks) on the eastern Tibetan Plateau, seismic arrays in Northeast India and Myanmar, and permanent stations of the China Digital Seismic Network in Tibet, Gansu, Qinghai, Yunnan, and Sichuan. We combined these data with phase reports from observation stations of the International Seismological Center on the Indian plate and selected 124,808 high-quality P-wave relative travel-time residuals. Next, we used these data to invert the 3-D P-wave velocity structure of the upper mantle to a depth of 800 km beneath the eastern segment of the arcuate Himalayan orogen, at the southeastern margin of the Tibetan Plateau. The results reveal a high-angle, easterly dipping subducting plate extending more than 200 km beneath the Indo-Myanmese arc. The plate breaks off at roughly 96°E; its fragments have passed through the 410-km discontinuity (D410) into the mantle transition zone (MTZ). The MTZ beneath the Tengchong volcanic area contains a high-velocity anomaly, which does not exceed the Red River fault to the east. No other large-scale continuous subducted plates were observed in the MTZ. However, a horizontally spreading high-velocity anomaly was identified on the D410 in some regions. The anomaly may represent the negatively buoyant 90°E Ridge plate or a thickened and delaminated lithospheric block experiencing collision and compression at the southeastern margin of the Tibetan Plateau. The Tengchong volcano may originate from the mantle upwelling through the slab window formed by the break-off of the subducting Indian continental plate and oceanic plate in the upper mantle. Low-velocity upper mantle materials on the west side of the Indo-Myanmese arc may have supplemented materials to the Tengchong volcano.     

利用区域双差层析成像方法研究川滇南部地壳结构特征

本文联合使用云南、四川和贵州地震台网的85个地震台站在2008年1月—2017年12月期间记录的49130个地震、317366个初至Pg震相绝对到时数据和2674110条高精度的相对到时数据,采用区域双差地震层析成像方法联合反演了川滇南部地壳三维P波速度结构和39621个地震的震源参数,探究了川滇南部中下地壳流和腾冲火山区岩浆囊的分布特征.研究结果表明：（1）川滇南部上地壳的速度异常特征与地表地形密切相关;（2）小江断裂带的中下地壳存在一条绵延近二百多公里的低速异常结构,最南端受到红河断裂带的阻挡而终止于断裂带南段北侧,这可能是川滇南部的一条中下地壳流,低速异常结构在红河断裂带南段转而向南东流动反映了红河断裂带可能为川滇菱形块体的西南边界;（3）红河断裂带各段速度异常存在明显的差异,重定位后的震源分布显示红河断裂带中段和南段虽然不如北段地震活动强烈,但地震震源深度分布较北段深;（4）腾冲火山区西侧和北侧下方10~20 km深度范围内存在的低速异常体推测为通过怒江断裂带形成的岩浆通道从中地壳涌入上地壳的岩浆囊,可能反映了自更新世延续至今的以橄榄玄武岩和安山岩为主要岩性的壳内岩浆活动,持续的岩浆活动为地表热活动提供了主要动力.     

南北地震带南段远震P波走时层析成像研究

南北地震带南段位于青藏高原东南缘,是青藏高原与扬子克拉通的过渡地带.本文收集了该区域内90个固定台站和356个流动台站的远震波形数据,采用波形互相关方法拾取了88691个P波走时残差数据,应用FMTT(Fast Marching Teleseismic Tomography)层析成像方法获取了南北地震带南段深部的三维P波速度结构.结果显示了研究区深部的结构具有显著的不均匀性:腾冲火山地区深部400km以浅的深度内分布着明显的低速异常;四川盆地西南部下方300km内具有较强的高速异常;在上地幔顶部,沿川滇菱形块体周边的大型断裂带及川滇菱形块体南端分布着显著的低速异常,这些低速异常为青藏高原物质向东南方向挤出提供了必要的通道;保山地块下方存在一东倾的高速异常带,该高速异常带为印度板块岩石圈向东俯冲的体现.     

基于人工地震资料的珠江口地区最小一维P波速度模型

珠江口地区位于南海北部大陆的边缘,具有洋陆过渡型地壳特征,且NE向滨海断裂带从其中穿过,强震风险不可忽视。文中基于2015年珠江口海陆联合三维人工地震探测数据,人工进行初至P波震相拾取,并使用VELEST程序分别反演了陆域和海域的最小一维P波速度模型(走时残差均方根最小)和台站校正结果。台站校正结果的空间分布与区域地形、地质构造和沉积厚度相关较好,正值多分布在珠江三角洲沉积盆地和珠江口盆地内,而负值多分布在花岗岩等基岩出露地区以及滨海断裂带北侧和北部断阶带内的部分隆起地区。新模型对人工地震走时的拟合精度较高,陆域走时残差均方根为0.07s,海域为0.21s。与华南模型相比,新模型对区域地震定位的效果更好,重定位后,陆域的P波地震走时残差降低了22.6%、S波降低了21.2%;海域的P波地震走时残差降低了25.7%、S波降低了15.6%。新模型可为区域地震定位、地震参数和三维成像研究提供参考。     

Regional Scale Seismological Investigation on the Continent Crust Using Airgun Sources——A Perspective Review

The investigations on the structure and temporal variations of the continent crust have been the long-lasting topics of seismology. The artificial sources play the most important role in these studies for their well-known locations and occur times among all the sources producing elastic waves, so that precise results are obtained. In past decades, we have successfully excited the airgun sources in on-land water bodies such as reservoirs, expanding their applications in marine seismology. Large volume airguns have been used to produce low frequency signals which can travel hundreds of kilometers after stacking, providing a source connecting the exploration seismology and traditional seismology at regional scale. In this review, we introduce the changes through which we turn the airgun into scientific instruments by experiments. We also present the advances on imaging the continental crust structure and monitoring the velocity variations using the highly repeatable signals emitted by airgun sources. The potential applications such as imaging the subsurface of urban areas and high resolution illuminating of mines are proposed and the challenges for further investigations are also discussed.