基于变密度模型的位场界面反演

在波数域中用重力反演莫霍面深度时通常假定壳幔密度差为一常数,但这只是一种近似的密度模型,本文采用了密度随深度呈指数变化的变密度模型来反演莫霍面深度,给出了利用指数密度模型在波数域中计算重力异常的正演公式及界面深度的反演公式.利用指数密度模型及重力资料反演了青藏高原莫霍面的深度,分析了莫霍面的特征.结果表明,青藏高原莫霍面呈现出边缘浅、中部深的特点,边缘变化快、梯度大,中间变化梯度趋缓.中心地带的羌塘地体莫霍面深度达74 km,向四周慢慢变浅至67 km左右,边缘地区突然变浅至50km左右.通过常密度模型、变密度模型及地震反演得到的莫霍面的比较,证实变密度模型更适合于莫霍面结构的反演.     

基于接收函数约束的川滇地区莫霍面深度反演研究

本文利用川滇地区宽频地震接收函数结果和WGM2012全球布格重力场模型数据,采用正则化参数和接收函数结果交叉验证得到最优莫霍面参考深度和上下界面密度差,使用基于球坐标系下的快速非线性重力反演方法建立川滇地区莫霍面深度模型.研究结果显示,川滇地区整体莫霍面深度介于30～69km,青藏高原内部地区莫霍面深度大于50km;四川盆地莫霍面深度在36～38km;攀枝花地区莫霍面出现明显的隆起和下凹,变化范围在42～48km;川滇菱形地块莫霍面深度在40～50km;滇西和滇南地块莫霍面深度由南向北逐渐变深,变化范围在38～44km.本文反演莫霍面深度与接收函数结果平均误差为0.18km,与该区域天然地震层析成像、人工地震探测以及重力数据反演结果基本一致,但细节更加丰富,进一步确认了莫霍面在攀西裂谷地区存在隆起,小江断裂带下方存在下凹的特征.该结果可作为精细化川滇地区地壳密度界面模型,为研究该地区岩石圈结构和地质构造演化提供参考.     

利用重力资料探讨宁夏地区地壳结构的基本形态及其与强震活动的关系

本文利用布格重力异常资料经过“剥皮”、“上延”反演计算,得出了宁夏地区十六条剖面的莫霍面及康拉界面的埋藏深度,並绘制出宁夏及其邻近地区的深部重力异常图、莫霍面等深度平面图。此结果与地质构造、测深资料基本相近。由此得出如下认识:宁夏地区的地壳厚度比东部的陕西地区增厚1—5公里,比西部的甘肃地区薄6公里左右。全区有几个莫霍面凹陷区和隆起区,即银川—平罗莫霍面凹陷区、中卫—中宁莫霍面隆起区、吴忠—马家滩莫霍面凹陷区、海原—李俊堡莫霍面凹陷区。另外还清楚地看到,在宁夏南部地区,大致以大、小罗山、预旺、泾原一线为界,往东地壳厚度逐渐变薄,往西地壳厚度逐渐变厚。历史上宁夏地区的强震位置恰巧与上述凹陷区和隆起区之间的变化梯度带相吻合。     

中国南海地区重力剥离对莫霍面反演的影响分析

确定更为精细的中国南海地区莫霍面对认识该地区内部结构、形成机制及相关动力学问题具有重要意义.重力剥离的精度直接影响莫霍面反演结果的质量.本文将由XGM2019e解算的自由空气重力扰动进行地形水深、沉积层、固体地壳密度异常和岩石圈热膨胀重力剥离,提取出莫霍面重力扰动,结合线性回归法和地震资料估计反演参数,并采用直接迭代法反演南海莫霍面模型,最后利用地震资料对反演结果进行精度评定.研究结果表明：仅顾及地形水深重力剥离的莫霍面反演结果整体精度较高,为1.94 km;在沉积物较厚的陆坡盆地,忽略沉积层的影响可使莫霍面最大加深6.30 km,但在沉积物较薄的南海海盆,考虑沉积层重力剥离会降低反演精度;利用CRUST1.0进行固体地壳重力剥离会使反演结果的精度降低0.22 km,表明CRUST1.0在南海地区并不准确;热膨胀重力剥离对反演精度的影响不大,但若忽略该效应,可能会高估洋壳区的莫霍面深度．针对南海重力莫霍面研究,笔者建议:若无精细地壳资料,忽略固体地壳重力剥离;若主要关注南海海盆可忽略沉积层的影响,但应考虑热膨胀重力剥离;若研究区覆盖沉积盆地,则应考虑沉积层重力剥离,并仔细选取密度-深度...     

辽宁地区地壳垂直形变特征与地震危险性分析

利用辽宁地区三期复测水准资料,计算得出1988—1998年和1998—2016年两个时段的地壳垂直形变速率, 并绘制相应的地壳垂直形变速率矢量图和等值线图.结合辽宁地区的区域地质背景及构造断裂活动性,分析了区域地壳垂直形变特征与地震活动性之间的相关性,明确了该区域的整体地壳垂直形变趋势及需重点关注的区域.结果表明:海城M_S7.3地震后较长时间内,辽宁地区整体以继承性运动为主,辽东隆起和辽西隆起以上升为主,下辽河断陷带下沉;1998年后,辽宁地区整体形变差异量减小,该地区垂直形变正趋于稳态,垂直形变速率梯度高值区仍集中于下辽河断陷带与辽东隆起、辽西隆起的交界地带,因此该区域的潜在危险性较高,需要持续并重点关注.      

1605年琼山大地震深部构造和应力状态研究

利用1605年琼山地震区已有的浅部地质、物探和钻井等资料,采用空间域三维重力正反演计算,消除了地壳浅部影响,依次得到由浅到深的各剩余深部重力异常值。然后由基底剩余重力异常值反演得到莫霍界面深度及起伏形态。分析上述结果可知:1605年的琼山大地震是一个以垂直向差异运动为主的地震,位于琼北莫霍面隆起区东北部、隆起向外凸出部位的陡坡上;北东东向的马袅-铺前断裂(中东段)呈反扭(左旋)状态,而北西向的铺前-清澜断裂(北段)呈顺扭(右旋)状态;云龙地区地下地幔物质上涌,造成云龙地块的上隆;如果1605年地震区出现NE30°左右的主压应力场作用和云龙地块异常上隆时,应考虑地震的复发问题。另外,分析各剩余深部重力异常等值线分布,还可以判定地质学给出的各断裂构造展布和延伸情况。     

河西地区地壳垂直形变的小波分析结果与中强震关系研究

讨论了小波分析在地壳垂直形变测量数据分析中应用的可能性,并采用基于样条函数的多分辨分析及其相应的B小波,推导了适合区域地壳垂直形变分析的平面二维小波计算公式．在此基础上,利用样条B小波计算了河西-祁连山地区1971～1995年的多期垂直形变观测资料,所得结果如下:①小波多分辨分解可有效地分离地壳垂直形变的不同空间波长成分,使我们更清晰地看清垂直形变在不同尺度上空间分布的不均匀性,是我们研究地壳垂直形变不均匀性与地震活动关系的一个有力工具;②河西地区地壳垂直运动的一阶、二阶小波分解结果主要与地质构造一致,说明了河西地区地壳垂直运动的短波主要是断层活动;③河西-祁连山地区地壳垂直运动的变化反映了该地区地质构造活动东南部较强烈,与1986年青海门源 6.4级、1990年甘肃景泰6.2级和1995年甘肃永登5.8级地震前河西地区地应力加强和地震活动有关,而西北部运动较弱,无中强以上地震发生．      

河西地区地壳垂直形变的小波分析结果与中强震关系研究

讨论了小波分析在地壳垂直形变测量数据分析中应用的可能性,并采用基于样条函数的多分辨分析及其相应的Ｂ小波,推导了适合区域地壳垂直形变分析的平面二维小波计算公式．在此基础上,利用样条Ｂ小波计算了河西－祁连山地区１９７１～１９９５年的多期垂直形变观测资料,所得结果如下：①小波多分辨分解可有效地分离地壳垂直形变的不同空间波长成分,使我们更清晰地看清垂直形变在不同尺度上空间分布的不均匀性,是我们研究地壳垂直形变不均匀性与地震活动关系的一个有力工具;②河西地区地壳垂直运动的一阶、二阶小波分解结果主要与地质构造一致,说明了河西地区地壳垂直运动的短波主要是断层活动;③河西－祁连山地区地壳垂直运动的变化反映了该地区地质构造活动东南部较强烈,与１９８６年青海门源６．４级、１９９０年甘肃景泰６．２级和１９９５年甘肃永登５．８级地震前河西地区地应力加强和地震活动有关,而西北部运动较弱,无中强以上地震发生     

汶川MS8.0地震震前近震源区地壳形变机制探究

多种形变资料表明, 汶川地震震前越靠近震源区, 其形变特征越不明显, 且在近震源区震前呈现短期平静状态． 为研究这种小变形现象的深部动力学因素及形变机制, 本文基于成都地区1996—2007年13期重复重力观测数据, 经平差处理后进行密度的三维反演, 得到了汶川地震近震源区震前10年的地壳深部密度变化水平向和垂直向的时空分布特征． 结果表明: 密度变化在空间上呈有序分布, 主要集中在龙门山断裂带及其附近区域, 且深部变化幅度显著大于浅部, 表明近震源区断裂带深部活动较为显著; 从时间上来看, 密度变化速率并不均衡, 在震前3—8年介质密度变化剧烈, 而在震前短期变化却不明显． 根据震前形变特征和不同深度密度变化的动态演化过程, 本文认为龙门山断裂带的地壳分层运动, 导致了浅层地壳的小形变和深部显著的密度变化． 此外, 根据该断裂带及其附近地区的密度变化特征, 本文选取和改进了适合汶川地震的孕震模型, 即改进的组合-硬化模型, 将动力学过程与孕育机制结合起来, 以期对汶川地震震前近震源区的形变机制作出合理解释．      

鄂尔多斯地块及邻区重力均衡研究

为更加精细地了解鄂尔多斯及其邻区的地壳均衡状态,本文在考虑地壳密度横向变化的基础上计算了该区域的重力均衡异常。首先,利用研究区内重力异常和真实莫霍面深度进行反演得到壳幔密度差分布,以艾里均衡理论为基础计算了莫霍面的理论深度;其次,通过莫霍深度理论值与真实值对比来获得研究区的重力均衡异常;最后,结合区内地震分布,讨论了重力均衡异常与地震活动的关系。结果表明:研究区内盆地以负均衡异常为主,山地则表现为正均衡异常,鄂尔多斯地块内部基本均衡;研究区内中强地震主要分布在重力均衡异常梯度带上。      

DEEP STRUCTURE OF NORTHERN HENAN PROVINCE AND ADJACENT AREAS DERIVED FROM GRAVITY AND SEISMIC SOUNDING DATA IN RELATION TO DISTRIBUTION OF EARTHQUAKES

We conduct the wave field separation of the gravity field for northern Henan Province and adjacent areas by the wavelet multi-scale decomposition method, and obtain multi-order gravity wavelet details and regional gravity field information. Then the Parker density surface inversion is used to invert the Moho interface. Based on the analysis of wavelet details in different orders and results of three seismic sounding profiles available in this area, we attempt to reveal the deep crustal structure of the study area. Research results show that the crustal structure is dominated by uneven density distribution accompanied by uplifts and depressions in the region with obvious heterogeneities of the density in horizontal and vertical directions. The gravity field characteristics in the middle-upper crust correspond to the surface topography, the lower crust is dominated by the large-scale high-low gravity anomalies, and several major depression basins show the characteristics of low velocity and low density. At the same time, the depth of the Moho interface changes greatly, which forms the block structure pattern of the regional crustal thickness. Among these features, the area with relatively large variations of the Moho is located in the transition zone of the basin to the Taihang Mountains, or exactly the Moho mutation belt. The Moho interface of the basin area as a whole is dominated by the uplift intertwined with local variations, of which the least and largest depths are 31km and 37km, respectively. Due to the gravity isostasy, the crustal thickness is larger(about 41km)in the northwest of the Taihang Mountains, with less average crustal density. In the study area, earthquakes tend to occur around the transition zone with density changes where the Moho is locally convex. The seismogenic mechanism may be associated with upwelling of upper mantle materials, low-velocity and low-density structures in the middle-lower crust and connection of deep large faults. Moreover, the deep large faults play a controlling role in the distribution of regional earthquakes.     

南北地震带南段地壳厚度重震联合最优化反演

重力反演方法是研究地壳结构和物性界面起伏的有效地球物理手段之一.本文收集了南北地震带南段67个已有的固定台站接收函数反演的Moho面深度结果,并使用基于EGM2008重力异常模型计算的布格重力异常,验证了本文提出的重震联合密度界面反演方法的有效性.利用接收函数对台站下方Moho面深度估计作为先验约束,定义了一类评价函数,通过对重力反演算法中尺度因子,平移因子和稳定性因子的最优选择,最小化重力反演结果与接收函数模型之间的差异.结果表明,本文提出的方法,可以有效地同化不同地球物理方法获得的反演模型,且通过重震联合反演可以改进由于对空间分布不均匀的接收函数结果插值可能而引起的误差.本文还通过引入Crust1.0的Moho面深度为初值,同时考虑地壳密度的横向不均匀分布,通过模型之间的联合反演有效改善了地球物理反演模型间的不一致性问题.本文反演得到的最优化Moho面深度模型与已知67个台站位置接收函数模型之间的标准差约1.9km,小于Crust1.0与接收函数结果模型之间标准差为3.73km的统计结果.本文研究结果对于同化重震反演结果、精化地壳密度界面模型,都具有十分重要的参考意义.     

THE COMPREHENSIVE ANALYSIS AND RESEARCH OF RECENT GRAVITY AND CRUSTAL DEFORMATION IN NORTHEASTERN EDGE OF THE TIBETAN PLATEAU

In this study, we systematically analyzed the relationship between regional gravity changes, 3D crustal deformation, regional tectonic environment and strong earthquakes based on the relative gravity measurements(2011-2014), GPS data and the background vertical deformation from the leveling measurements conducted from 1970 to 2011. Subsequently, we further characterized the temporal-spatial patterns and discussed the mechanism of regional gravity changes and the crustal deformation. The results can be summarized as follows:1)The regional gravity changes, the GPS-derived horizontal deformation and the vertical deformational obtained from leveling data showed a close spatial relationship:The gravity increased along with the direction of horizontal movement, and the gravity decreased with the crustal uplift and vice versa, which reflects the inherited characteristics of neotectonic activities. 2)The crustal deformation was closely related to the active faults. The contour lines of gravity changes and vertical deformation were generally along with the Qilian-Haiyuan Fault(the strike is NWW), and the crustal horizontal deformation showed left-lateral strike slip motion near the Qilian-Haiyuan Fault. 3)The strong earthquakes usually occur in the active faults where intensive gravity change and vertical and/or horizontal deformation occurred. The extrusion deformation, surface compression rate and gravity changes were obvious near the epicenter of 2016 Menyuan earthquake. The 2013 Minxian-Zhangxian M_S6.6 earthquake occurred in the direction-turning area of intense gravity gradient zone and the transitional area of surface compression and vertical deformation. The first author of this paper has made a medium-term forecast before the Minxian and Menyuan earthquakes, especially the location of the earthquake. Based on the above understandings, we emphasized that:there are still possibilities of strong or huge earthquakes within medium-long term in the areas of crustal deformation anomalies in the study region.     

中国西部地区地壳结构特征与强震活动相关性研究

中国西部地区是地震活动十分强烈的地区,天山、阿尔泰、帕米尔和西昆仑都是著名的地震构造带,在这些地震构造带和周边地区发生了多次震级大于5级的强震.本文通过分析西部地区的重力场特征,根据重力数据结合地震剖面、应用Parker-Oldenburg方法反演得到了研究区莫霍面深度,通过对比地震层析成像的反演结果,分析了研究区的地壳结构特征.计算结果表明,研究区地壳结构不均匀特征明显,在造山带地区一般是莫霍面坳陷区,盆地则是莫霍面隆起区,主要造山带地壳速度结构表现为高速区,盆地和主要凹陷区为低速区.根据计算结果和以往强震震中位置分析了地壳构造与强震活动的相关性,西部地区的地震活动与地壳结构的横向不均匀密切相关,强震主要发生在地壳速度变化带附近和地壳速度结构差异较大的地区,在构造应力作用下,这些地壳介质非均匀地区易发生强震,这是中国西部造山带和盆-山边界附近频发强震的构造原因之一.     

青藏高原东北缘重力场深部结构及其动力学特征

本文采用欧拉反褶积、场源参数成像(SPI)、场源边界提取(SED)、莫霍面反演、地壳三维可视化等多源方法,对青藏高原东北缘地区的布格重力场进行反演与分析,深入研究该地区的深部结构与变形特征,探讨区域深部孕震环境及动力学机制.研究表明,青藏高原东北缘的布格重力场整体呈负异常值,具有明显的分区性,表现出鄂尔多斯盆地异常值相对偏高、阿拉善块体次之、青藏高原块体极低的特点,其中海源断裂系形成了一条宽缓的弧形重力梯度条带,梯度值达1.2 mGal·km^-1.欧拉结果显示,鄂尔多斯盆地相比于青藏高原块体而言,场源点具有较强的均一性,场源强度值高(密度值高)且深度稳定在25~32 km范围内,而高原块体的中下地壳尺度广泛分布着低密度异常体.SPI图可知,海源弧形断裂系位于“浅源异常”弧形区,反映其地壳较为活跃,易发生中强地震.SED图揭示青藏高原地壳向东北扩展,经过几大断裂系的调节后运动矢量向东或东南转化,SED与GPS、SKS运动特征大致相同,说明地表-地壳-地幔的运动特征有着较强的一致性.青藏高原东北缘地区壳幔变形是连贯的,加之莫霍面由北向南、由东向西是逐渐加深的,因此属于垂向连贯变形机制,不符合下地壳管道流动力学模式.区域形成了似三联点构造格局,其中海源弧形断裂系的深部地壳结构复杂,高低密度异常体复杂交汇,是青藏高原、阿拉善、鄂尔多斯三大块体相互作用的重要枢纽,其运动学特征总体为中段走滑尾端逆冲,而断裂系正处于大型的弧形莫霍面斜坡带之上,具备强震的深部孕震环境,因此大尺度的运动调节与深部孕震条件共同促使了该地区中强震的多发.     

贝叶斯同化重力反演方法构建龙门山地壳密度模型

重力异常对地壳横向密度变化敏感,而无约束重力反演得到的密度模型其垂向分辨能力往往不理想.为了改善反演结果的垂向分辨率,本文参考已有先验分层模型,基于贝叶斯原理,提出了一种重震联合反演的新策略,可实现多种参考模型和复杂加权参数条件下的最大后验概率估计.理论模型测试结果表明,对于深度加权、多参考模型约束等多种问题,本文提出的新方法都可以稳健地获得最优化的模型参数.本文同时以中国地震科学台阵在龙门山地区及周边的一维接收函数分层模型和地震层析成像结果为参考,通过此方法对该区的重力异常进行反演,获得了该区的高精度三维密度结构,其水平分辨率优于10 km,垂直分辨率优于5 km.结合四条通过汶川和芦山地震震中的剖面进行分析后发现,反演得到的密度结构模型在过强震震源区位置横向变形显著,其揭示的分层地壳结构和变形模式与地表已知断裂构造具有相关性.本文提出的重震联合反演新策略,可为研究潜在强震风险源区的地壳结构和物性特征提供有效的科技方法支撑.     

首都圈地区精细地壳结构——基于重力场的反演

本文以地质与地球物理资料作为约束条件,利用小波多尺度分析方法,对首都圈地区重力场进行了有效分离,应用Parker位场界面反演法及变密度模型对莫霍界面进行了反演分析,并构建了两条地壳密度结构剖面模型,对该区精细地壳结构进行了深入研究.研究结果表明首都圈地区受多期构造运动的改造,形成坳、隆相邻,盆、山相间,密度非均匀性,壳内结构与莫霍面埋深相差比较大的地壳分块构造格局.受华北克拉通岩石圈伸展、减薄以及岩浆的上涌底侵作用,首都圈地区莫霍面起伏比较大,莫霍面区域构造方向呈NE-NNE方向,在盆地向太行山、燕山过渡地带形成了莫霍面陡变带;盆地内部莫霍面形成东西向排列、高低起伏的框架,最大起伏约5 km,但平均地壳厚度比较小,北京、唐山地区地壳厚度最小约29 km,武清凹陷地壳厚度最大约34 km.在重力均衡调整作用下,西部太行山区地壳厚度较大,但地壳密度小于华北裂谷盆地内部;中上地壳重力场特征与地表地形及地貌特征具有很大的相关性.受新生代裂谷作用影响,首都圈中上地壳结构非常复杂,形成了NNE方向为主体的构造单元,断层多下延至中地壳;下地壳发生明显的褶曲构造,表现出高低密度异常相间排列的典型特征;首都圈地区地壳密度具有明显的非均匀性.研究认为首都圈地区地震的发生与上地幔顶部及软流层物质的上涌有一定关系.     

Study on Relation Between Dynamic Pattern of Regional Vertical Strain Rate and Several Strong Earthquakes such as Lijiang (Ms7. 0) and Menyuan (Ms6.4) Earthquakes

Making use of the method of obtaining regional vertical strain rate from regional preciseleveling data and gaining dynamic pattern combining with deformation data on spanningfaults, the regional vertical strain dynamic evolution characteristics of several moderatelystrong earthquakes such as Lijiang (M_s 7.0) and Menyuan (M_s 6.4) earthquakes occurredin crustal deformation monitoring areas located in the western Yunnan and Qilianshan-Hexiregion. Based on the above-mentioned facts, by studying the time-space nonhomogeneity andstrain energy accumulation status, some criteria for judging the medium. and short-termstrong seismic risk regions according to the regional vertical strain rate dynamic informationare proposed.     

攀西地区重力场特征及地壳密度结构

攀西地区位于峨眉山大火成岩省中西部,构造和岩浆特征显著,地震活动强烈.通过对野外重力测量得到的云县—会东和普洱—七甸两条剖面的高精度重力观测数据进行处理和分析,构建了沿剖面的二维地壳密度结构,其中普洱—七甸剖面与孟连—马龙宽角地震剖面部分位置重合.同时结合区域重力异常特征及下地壳视密度填图结果,得到如下初步认识:红河断裂带是南北地震带南段地区重要的构造分界线,断裂带南北向密度结构和莫霍面分布形态存在较大差异,沿走向构造变化.云县—会东剖面上大姚—会东段下地壳底部存在密度较高的壳幔过渡层,结合研究区下地壳底部壳幔过渡层的密度分布特征,认为该过渡层不是攀西裂谷下的"裂谷垫",而是由岩浆底侵作用造成的.     

基于Lp范数正则化的V字型密度界面重力反演

V字型密度界面是一类常见的密度界面,如海沟、半地堑以及俯冲带之下的莫霍面,利用重力数据刻画此类密度界面形态对于区域构造研究、油气勘探以及物理海洋学等都具有重要意义.本文首先建立了L_p-范数形式的模型约束函数,并利用正则化原理将其与重力数据误差函数和已知深度约束函数结合形成V字型密度界面反演的目标函数,推导了目标函数的梯度表达式,并以非线性共轭梯度法为核心给出了反演流程.二维简单模型试算结果表明p=5时该方法能准确地刻画V字型密度界面起伏特征,且亦能准确地应用于二维复杂密度界面和三维界面的反演.最后将反演方法应用于挑战者深渊及邻区的实际资料处理之中,利用研究区海底地形数据和沉积层厚度数据对自由空间重力异常逐层剥离而得到莫霍面引起的重力异常,用本文方法对此重力异常进行反演,结果呈现了板块俯冲作用引起的V字型莫霍面起伏特征.