S-wave velocity structure in Tangshan earthquake region and its adjacent areas from joint inversion of receiver functions and surface wave dispersion*

Using the seismic records of 83 temporary and 17 permanent broadband seismic stations deployed in Tangshan earthquake region and its adjacent areas (39°N–41.5°N, 115.5°E–119.5°E), we conducted a nonlinear joint inversion of receiver functions and surface wave dispersion. We obtained some detailed information about the Tangshan earthquake region and its adjacent areas, including sedimentary thickness, Moho depth, and crustal and upper mantle S-wave velocity. Meanwhile, we also obtained the v_P/v_S structure along two sections across the Tangshan region. The results show that: (1) the Moho depth ranges from 30 km to 38 km, and it becomes shallower from Yanshan uplift area to North China basin; (2) the thickness of sedimentary layer ranges from 0 km to 3 km, and it thickens from Yanshan uplift region to North China basin; (3) the S-wave velocity structure shows that the velocity distribution of the upper crust has obvious correlation with the surface geological structure, while the velocity characteristics of the middle and lower crust are opposite to that of the upper crust. Compared with the upper crust, the heterogeneity of the middle and lower crust is more obvious; (4) the discontinuity of Moho on the two sides of Tangshan fault suggests that Tangshan fault cut the whole crust, and the low v_S and high v_P/v_S beneath the Tangshan earthquake region may reflect the invasion of mantle thermal material through Tangshan fault.     

华北盆地强震的震源模型兼论强震和盆地的成因

华北盆地自第三纪以来产生不均匀沉降,形成众多凹陷和隆起.传统的热张裂模型或是拉一分模型均不适用于华北盆地.我们根据反射和折射地震探测以及地震体波层析成象的结果,说明震源区附近存在Moho界面断裂,而且有明显的迹象表明,上地幔高温物质（低速度）向地壳下部入侵.因此,作者提出华北盆地强震以及凹陷形成的新模型,即在水平板块构造应力场的背景中,上地幔热物质向地壳下部入侵,它所产生的扰动应力场不仅在横向是不均匀的,而且在垂向也是不均匀的.它能够在地壳上部产生足够大的伸张应力场,同时在地壳中部或下部产生水平切应力场.这个新模型也能解释华北盆地的地壳厚度没有减薄,而地面热流又较大的现象. 由于地壳中力学性质随深度而改变,所以强震可能是由中部地壳的塑性形变以及上部地壳的脆性断层所组成的,即所谓两层破裂的震源模型.     

三维黏弹性数值模拟华北盆地地震空间分布与构造应力积累关系

华北盆地为我国板内地震多发区域,历史以来相继发生多次破坏性大地震.前人地震勘探与震源定位结果揭示了华北地震的空间分布特征:横向上,华北地震基本发生在地壳的薄弱地带(Moho面上隆),或者地壳厚度的急剧变化带;纵向上,华北地震在地壳一定深度范围内呈现成层分布特征;主震一般在上地壳底部9~15 km深度范围,余震多发生在大约深5~25 km的上地壳与中地壳范围内,在中地壳下层与下地壳中仅有少量或者鲜见有余震发生.为研究解释华北盆地地震空间分布的以上特征,本文建立了华北盆地岩石圈三维黏弹性有限元模型.震源机制和GPS反映华北盆地处于NNE最大主压应力方向挤压,因此对模型边界施以恒定的位移速率边界条件;数值模拟华北岩石圈各层位在数百年以上长期匀速构造挤压作用下的应力积累特征,分析了华北地震空间分布与构造应力积累速率的关系,探讨了地壳结构与地壳分层流变性质对地壳应力积累的影响.计算结果表明,Moho面的隆起与地壳各层位岩石介质的黏滞系数是华北盆地地震孕育的重要因素.华北盆地在构造挤压的持续作用下,Moho面隆起处产生明显应力集中现象.该区域应力在长时期的积累过程中,在脆性的上地壳与中地壳上层,应力表现近于线性增长趋势,上地壳底部较其它深度有最大的应力增长率,其主震可以在应力积累至岩石破裂强度时发生;在脆、韧性转换的中地壳下层,应力增长速率次之,华北地震的大部分余震可能在该层位为主震所触发;而在柔性的下地壳应力增长近于指数形式,稳定状态之后其应力增长速率近于零,而鲜有地震发生.地壳各层位的应力增长率差异与地震成层分布的现象揭示了华北地壳的分层流变性质:脆性(上地壳)-较弱脆性(中地壳上层)-较弱韧性(中地壳下层)-较强韧性(下地壳)-韧性(岩石圈上地幔)的分层流变结构.     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

The vP Velocity Structures of Sub-blocks in the North China Craton from Active Source Waveform Modeling and Tectonic Implications

We present the 1-D crustal velocity structure of the major tectonic blocks of the North China Craton(NCC) along 36°N based on synthetic seismogram modeling of long-range wide-angle reflection/refraction data. This profile extends from southwest Yan'an of central Shaanxi Province of China(109.47°E), across the southern Trans-North China Orogen(TNCO), the southwestern part of the North China Plain(NCP), the Luxi Uplift(LU) and the Sulu Orogen(SLO), ending at Qingdao City of Shandong Province, the eastern margin of China(120.12°E) along 36°N. We utilized reflectivity synthetic seismogram modeling of the active source data to develop 1-D velocity structures of the sub-blocks of the NCC. Our final model shows that the NCC crust varies remarkably among the tectonic units with different velocity structure features. Higher lower crustal velocity and Moho depth ～42 km is a major feature of the crust beneath southern Ordos Blockt. The TNCO which is composed of Lyuliangshan Mountains(LM), Shanxi Graben(SXG) and Taihangshan Mountains(TM) shows dominant trans-orogenic features. The NCP shows a dominant thickening of sediments, sharp crust thinning with Moho depth ～32 km and significant lower average velocity. The SLO and the LU shows a stratified crust, higher average velocity and crust thinning with Moho depth of ～35 km. Our model shows the coincidence between the deep structure and the surface geology among all the tectonic sub-blocks of the NCC.     

华北克拉通东部地壳与地幔盖层结构——长观测距深地震测深剖面结果

利用文登—阿拉善左旗长观测距地震宽角反射/折射剖面东段资料,辩识出4组地壳震相和3组地幔盖层震相.采用二维射线追踪走时反演和正演拟合交替计算方法,得到了包括鲁东隆起和华北裂陷盆地在内的地壳和地幔盖层二维速度结构.研究结果表明:华北裂陷盆地基底深达6km以上,研究区壳内界面C1埋深约15km,C2界面深约25km,Moho面平均埋深约35km.上地壳速度6.0~6.1km·s-1,且横向变化较大;中地壳速度相对均匀约为6.2~6.4km·s-1;下地壳速度为6.5~7.0km·s-1,速度梯度较大.地壳平均速度与隆起和坳陷构造相关.研究区岩石圈底界面一般为75~80km,西端接近太行隆起构造时深至90km左右,向西呈明显加深趋势,地壳厚度呈现相同的增厚特征.地幔盖层上部速度8.0~8.2km·s-1,具明显正梯度特征.岩石圈平均速度在郯庐断裂带附近显著偏低.PmP和PLP震相存在不同程度的复杂性,意味着在本地区Moho界面和岩石圈界面有较为复杂的结构,可能具有一定厚度或过渡带性质.结合其他研究结果认为,地幔盖层和下地壳速度梯度、界面性质差异与华北克拉通破坏相关,意味着破坏是一个渐变、缓慢和不均匀的过程.郯庐断裂带附近的低速应是其为软弱带的证据.     

根据接收函数反演得到的首都圈地壳上地幔三维S波速度结构

利用2002~2003年中国地震局地质研究所台阵实验室以唐山大震区为中心布设的40个流动宽频带地震台站和首都圈数字台网的33个宽频带台站的远震数据,采用接收函数非线性反演方法得到其中72个宽频带台站下方60 km深度范围内的S波速度结构.根据得到的各台站下方地壳上地幔的S波速度结构,并综合刘启元等（1997）用接收函数非线性反演方法得到的延怀盆地15个宽频带流动台站下方的地壳上地幔S波速度结构模型,给出了39°N～41°N,114°E~119.5°E区域内沿不同走向、不同深度S波速度分布.由于综合了利用首都圈数字地震台网的宽频带台站以及流动地震台阵的观测数据,本文给出了较前人同类研究空间分辨率更好的结果.结果表明: (1)研究区的速度结构,特别是怀来以东的速度结构十分复杂.在10~20 km深度范围内,研究区地壳具有高速和低速异常块体的交错结构.研究区中上地壳速度结构主要被与张渤地震带大体重合的NW向高速条带和穿越唐山大震区的NE向高速条带所控制,而其中下地壳的速度结构主要为延怀—三河—唐山地区上地幔隆起所控制.(2)研究区内存在若干壳内S波低速体,它们主要分布在唐山,三河及延怀盆地等地区.在这些地区,壳内低速体伴随着壳幔界面的隆起和上地幔顶部速度结构的横向变化.(3)地表断层分布与地壳速度结构分区有较好的相关性,表明断层对不同块体有明显的控制作用.其中,宝坻断裂,香河断裂和唐山断裂均为超壳断裂.(4)首都圈内大地震的分布与壳内低速体及上地幔顶部的速度结构有密切关系.对于唐山大地震的成因,仅考虑板块作用引起的水平应力场是不够的,有必要充分重视由于上地幔变形引起的地壳垂直变形和上地幔物质侵入造成的热效应.     

Two-step interface and velocity inversion

This paper studies the computation method of two-step inversion of interface and velocity in a region. The 3-D interface is described by a segmented incomplete polynomial; while the reconstruction of 3-D velocity is accomplished by the principle of least squares in functional space. The computation is carried out in two steps. The first step is to inverse the shape of 3-D interface; while the second step is to do 3-D velocity inversion by distributing the remaining residual errors of travel time in accordance with their weights. The data of seismic sounding in the Tangshan-Luanxian seismic region are processed, from which the 3-D structural form in depth of the Tangshan seismic region and the 3-D velocity distribution in the crust below the Tangshan-Luanxian seismic region are obtained. The result shows that the deep 3-D structure in the Tangshan seismic region trends NE on the whole and the structure sandwiched between the NE-trending Fengtai-Yejituo fault and the NE-trending Tangshan fault is an uplifted zone of the Moho. In the 3-D velocity structure of middle-lower crust below that region, there is an obvious belt of low-velocity anomaly to exist along the NE-trending Tangshan fault, the position of which tallies with that of the Tangshan seismicity belt. The larger block of low-velocity anomaly near Shaheyi corresponds to a denser earthquake distribution. In that region, there is an NW-trending belt of high-velocity anomaly, probably a buried fault zone. The lower crust below the epicentral region of the Tangshan M _S=7.8 earthquake is a place where the NE-trending belt of low-velocity anomaly meets the NW-trending belt of high-velocity anomaly. The two sets of structures had played an important role in controlling the preparation and occurrence of the M _S=7.8 Tangshan earthquake. Contribution RCEG97006, Research Center of Exploration Geophysics, China Seismological Bureau, China. This project is supported by the Chinese Joint Seismological Science Foundation.     

豫北及其外围地区地壳上地幔结构研究

利用菏泽～长治和郑州～济南深地震测深剖面资料，进行了一维、二维射线追踪走时拟合与合成地震图计算，获得了该区地壳上地幔速度结构。结果表明，地壳上地幔速度结构在纵向和横向上具有明显的不均一性。浅部断裂较发育，对应其地壳深部界面和速度等值线起伏变化较明显。在华北坳陷区南部上地幔隆起的背景上存在两个局部凸起，凸起最高处与浅部的东濮凹陷、汤阴地堑基本对应，Ｍ面埋深分别约３１ｋｍ和３４ｋｍ     

唐山大震区深部构造的初步研究

本文介绍利用地震转换波测深法研究1976年7.8级唐山大震区深部构造的某些结果,得出了沿两条测线的深部构造剖面图。发现在极震区的数十公里的范围内,地壳和上地幔具有异常结构,在地壳中部比震区外围多出一个中间层位,埋深约12-20km,地壳上部界面向上挠曲,而莫霍面和上地幔顶部界面却强烈地向下挠曲,引起了震区岩石圈厚度的加大,在震区存在深浅不等的深部断裂。深部构造与震源分布的对比表明,唐山主震和绝大多数余震均分布在壳内中间层之上,有的甚至就分布在壳内中间层的上、下界面附近。转换波测深结果表明,本区地壳上地幔中强烈的升降差异运动可能是唐山大震的重要促发因素。     

华北北部地区地壳三维P波速度结构的双差地震层析成像

利用区域固定台站和华北科学探测台阵记录的10 461个近震事件的183 909个Pg波绝对走时和495 753个相对走时数据,采用双差地震层析成像获得华北北部(37.5°～41.5°N,111.5°～119.5°E)范围内的地壳三维P波速度结构模型。结果表明:研究区内各主要构造单元具有明显不同的速度结构特征,速度异常的走向与区域构造的走向一致,浅层速度图像很好地反映了地表地质和岩性的变化;重定位后的大部分地震集中在0～20km的深度上,主要位于低速区的内部或高速和低速区的交界部位;三河—平谷和唐山地震震源区中、下地壳的低速异常可能是流体的显示。结合前人成果和本文模型所揭示的深、浅结构,我们认为太平洋板块在中国东部之下的俯冲和滞留引起板块脱水、软流圈物质上涌等一系列过程,软流圈热物质到达上地幔顶部并沿超壳断裂上侵进入地壳,致使上地幔顶部和下地壳中的含水矿物发生脱水作用产生流体,流体继续上移造成中、上地壳发震层的弱化,从而导致大地震的发生。因此华北北部地区的强震活动,以及地壳结构的非均匀性应是与太平洋板块俯冲、滞留引起的深部过程密切相关的。     

邢台地震区深部构造背景的地震转换波探测和研究

1982-1986年期间,在东汪、隆尧和百尺口邢台地区的强震震源区完成了3条近NW向地震转换波测深剖面。利用转换波数据处理新方法,实现了转换震相的相位对比追踪,得出了震源区较详细的深部构造剖面图和速度结构模型。发现强震震源区深部构造的特点为:上地壳强烈褶皱变形;中地壳急剧减薄;下地壳和上地幔局部上隆;存在一组深部超壳断裂;低速层急剧增厚,波速比增大以及上地幔波速偏低。表明研究区的下地壳和上地幔的温度可能偏高,其地震活动可能与上地幔物质的侵入作用有关。     

中国大陆东部强震区和火山区人工地震探测研究综述

介绍了东北、华北、华东和华南的强震区和火山区的地震测深研究成果,揭示了强震区和火山区的地壳深部构造背景.分析表明,地壳深部断裂、中下地壳低速层、速度结构的差异、波速比异常、泊松比和岩性的不同、上地幔顶部隆起、莫霍界面较大的起伏、复杂的壳幔过渡带、滑脱构造、深部岩浆活动等构造特征与东部地区强震形成和发生有较为密切的关系.     

青藏高原及邻近地区地壳与上地幔剪切波三维速度结构

本文利用30个基准台所记录的238条长周期面波资料,经过适配滤波和分格频散反演,得到中国大陆及邻区147个分格10-105s的纯路径频散,进而反演出青藏高原及邻近地区深至170km的剪切波三维速度结构.研究表明,青藏高原中西部地区和东部地区的地壳平均厚度分别为70±7km和65±7km,地壳平均剪切波速度分别为3.55和3.62km/s,上地幔顶盖平均速度分别为4.63和4.61km/s; 岩石层厚度均为120±10km;东部地区下地壳内30-40km深度处普遍存在低速层;青藏高原及其东侧的上地幔低速层内有横贯东西且明显向上隆起的低速腔.滇西缅北地区的地壳厚45±5km,上地壳及下地壳内都有低速层;上地幔顶盖的速度为4.42km/s,比青藏高原本体及恒河平原都低.恒河平原地壳厚34±2km,速度平均为3.45km/s;上地幔顶盖厚86±10km,速度平均为4.63km/s,顶盖内55-83km深处有一个低速夹层.     

唐山及邻区双差层析成像研究

收集唐山及邻区2010—2018年76个固定地震台站的震相数据,采用双差层析成像的方法,联合反演了唐山及其邻区中上地壳的震源位置和P波三维速度结构。结果表明:在浅层研究区P波速度的变化特征与地表地质构造和活动断裂的展布具有较好的一致性。唐山断裂两侧速度差异明显,其附近P波速度结构横向不均性显著;中地壳存在明显的低速异常,推测可能与幔源物质侵入有关。重新定位后震中位置更加集中,M_L3.0以上地震主要位于P波高、低速变化较强烈的区域。     

华北地区地壳P波和S波速度结构的双差层析成像

基于华北地区(37°N—42°N,113.5°E—118.5°E)133个固定地震台站收集到的P波和S波震相数据,利用双差层析成像法反演了该地区地壳三维速度结构并对所用地震进行了重定位.结果显示:地震走时残差均方根的平均值由重定位前的0.265 s下降至0.008 s;重定位后的震源主要分布于6—16 km深度范围内;...     

应用层析成像技术研究华北地壳速度结构

利用华北地区１６９个地震台站记录的１９８４￣１９９５年的１６９６个地震的Ｐ波到时资料,重建了华北地区地壳三维速度图像,不同深度的速度图像表明：地壳中地震波速度的横向不均匀性显著,上地壳的速度分布与地有已知构造特征相联系;太行山山前断裂带是切割到地壳底部的深断裂带,２５ｋｍ深度普遍存在速度间断面;地壳底部起伏明显;强震孕育发生与其周围介质的不均匀性和土地幔的隆起或凹陷密切相关。     

用接收函数方法研究汶川和芦山地震之间未破裂段的地壳结构

芦山与汶川地震之间存在约40 km的地震空区.震源区和地震空区的深部构造背景的研究对深入了解中强地震的深部孕育环境及地震空区的地震活动性具有重要科学意义.利用本小组布设的15个临时观测地震台以及21个芦山科考台站和21个四川省地震局固定台站记录的远震数据,用H-K叠加方法得到各个台站的地壳厚度和平均泊松比,并构建了接收函数共转换点(CCP)偏移叠加图像以及反演得到台站下方的S波速度模型.我们的结果揭示了震源区和地震空区地壳结构特征差异:(1)汶川震源区的地壳平均泊松比为~0.28;芦山震源区为~0.29;而地震空区处于泊松比变化剧烈的区域;(2)汶川地震与芦山地震的震源区以西下方的Moho面呈现深度上的突变(这与前人的研究成果基本一致),分别从~44 km突变到~59 km,~40 km突变到~50 km,而地震空区地壳平均厚度呈现渐变性变化;(3)地震空区Moho面下凹且具有低速的上地壳.综合一维S波速度结构和H-k以及CCP的初步结果,这可能显示汶川地震的发震断裂在深部方向上向西倾斜并形成切割整个地壳的大型断裂;芦山地震则可能是由于上、下地壳解耦引起的;而地震空区处于两种地震形成机制控制区域的过渡带中.     

唐山地区深部电性研究

大地电磁测深结果表明,唐山地区深部电性中存在壳内高导层和上地幔高导层,其分别埋深为20公里和100公里左右,均显示为南浅北深。资料对比表明唐山、宁河地震都发生在两个高导层埋深变化梯度带上,其震源深度都不超过壳内高导层的埋深。此外,在该区南部发现埋深约45公里高导层,我们认为有可能为上地幔中间高导层     

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。