利用P波接收函数研究青藏高原东南缘地幔转换带结构

研究青藏高原东南缘的深部结构对于理解印度-欧亚板块的碰撞机理和青藏高原的形成演化具有重要的科学意义.本研究对布设在研究区域内566个固定和流动地震台站的波形资料进行了处理,获得77853条高质量P波接收函数,应用接收函数共转换点（CCP）叠加技术获得了研究区域下方精细的地幔转换带间断面起伏形态及转换带厚度变化图像.结果表明：研究区域南北方向上具有两个明显的转换带增厚异常区,南侧异常区位于滇中次级块体与印支块体下方,可能是新特提斯洋板片与上部印度板块间断离并部分滞留在转换带底部的结果;北侧川西地区异常增厚可能与上方岩石圈拆沉并降至转换带有关;腾冲火山起源可能是板块俯冲过程中发生断离造成软流圈物质部分熔融,湿热物质上涌所致.     

面波频散与接收函数联合反演南北地震带北段壳幔速度结构

通过对南北地震带北段区域所布设的676个流动地震台站观测资料进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了研究区内地壳厚度、沉积层厚度的分布情况以及地壳上地幔高分辨率S波速度结构成像结果.反演结果显示研究区地壳厚度从青藏高原东北缘向外总体逐渐变薄,秦岭造山带地壳厚度较同属青藏高原东北缘的北祁连块体明显减薄;鄂尔多斯盆地及河套盆地分布有非常厚的沉积层,阿拉善块体部分区域也有一定沉积层分布,沉积层与研究区内盆地位置较为一致;松潘—甘孜块体、北祁连造山带等青藏高原东北缘总体表现为S波低速异常;在中下地壳,松潘—甘孜块体下方的低速体比北祁连造山带下方的低速体S波速度值更小、分布深度更浅,更有可能对应于部分熔融的地壳;鄂尔多斯盆地在中下地壳以及上地幔内有着较大范围的高速异常一直延伸到120 km以下,而河套盆地地幔只在80 km以上部分有着高速异常的分布,此深度可能代表了河套盆地的岩石圈厚度,来自深部地幔的热物质上涌造成了该区域的岩石圈减薄;阿拉善块体在地壳和上地幔都表现出高低速共存的分布特征,暗示阿拉善块体西部岩石圈可能受青藏高原东北缘的挤压作用发生改造.     

应用接收函数方法研究海南及其邻区地幔转换带结构

利用海南、广东及广西区域台网和国家台网共88个宽频带地震台站记录的2007年8月至2010年3月75个远震事件波形资料,采用接收函数共面元叠加的方法,得到了海南及其邻区上地幔410 km和660 km间断面结构和转换带厚度.结果表明,研究区410 km间断面形态较复杂,局部下沉到447 km,而660 km间断面相对简单,其深度分布在670 km左右.海南岛东北部存在一个直径约200 km的转换带异常薄的区域,其厚度较全球平均值薄25±5 km,相当于转换带中存在约180℃的高温异常,转换带厚度局部偏薄暗示海南地幔柱可能起源于下地幔.     

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.     

呼包盆地周缘壳、幔结构研究

对呼包盆地周边七个台站的远震接收函数研究表明：研究区地壳厚度为43～46 km,地壳速度比和S波速度结构均无异常;阴山造山带岩石圈埋深为65～85 km,且上地幔S波平均速度偏低,是典型的异常地幔区.根据S波速度结构和地壳厚度随地形高程反比的变化关系,以及地表广泛出露的幔源玄武岩分布,推测该区地幔深部热物质上涌是阴山造山带隆升的原因之一.上升的软流层物质与地幔发生交代、侵蚀作用导致岩石圈减薄,S波速度降低.呼包盆地的形成可能与深部物质上涌造成的拉张效应有关.     

华北克拉通东北部及邻区地壳和地幔转换带厚度研究

本文利用宽频流动台阵记录的远震波形资料和接收函数波动方程叠后偏移方法,获得了华北克拉通东北部边界及其邻近地区的地壳和地幔转换带的间断面结构图像.结果显示研究区域的地壳厚度存在显著的横向变化:以南北重力梯度带为界,西北部的兴蒙造山带地壳较厚(~40 km),东南部的燕山带、松辽盆地和辽东台隆地壳明显较薄(30~35 km).这有可能反映,研究区南北重力梯度带两侧地壳在中-新生代区域构造伸展过程中经历了不同程度的改造和减薄.地幔转换带成像结果显示,研究区410 km和660 km间断面结构存在横向差异.经度121°E-122°E之间,上地幔底部出现双重间断面,深度分别为660 km和690 km.经度122.5°E以东(北黄海地区),410 km间断面有5~20 km幅度的下沉,660 km间断面有5~15 km幅度的抬升;该地区地幔转换带厚度相对全球平均偏薄10~20 km,指示着该地区较热的上地幔底部温度环境.我们认为太平洋俯冲板块可能停滞在研究区119°E-122°E经度范围的地幔转换带中,但未延伸至118°E以西;而俯冲板块在124°E以东可能局部穿透了上地幔底部而进入下地幔,同时引起小尺度的地幔对流,导致北黄海地区下地幔物质的上涌.     

利用接收函数散射核方法探测中国东北地区地幔转换带界面三维形态

地幔转换带是上下地幔物质运移和能量交换的必经通道,其速度结构和上下界面的起伏能够为认识地幔内部的温度和物质变化、地幔对流模式等地球演化相关的科学问题提供关键约束.本文利用布设在中国东北地区的高密度固定台网和流动台阵所记录的远震体波接收函数,采用Ps散射核叠前深度偏移成像方法,获得了台站下方地幔转换带界面及其内部速度间断面的三维精细图像.研究结果表明:西北太平洋俯冲板片上下界面在地幔转换带内清晰可见,在高纬度(44°N)区域存在约 30°的倾角;660-km间断面的深度起伏具有明显的分区性,在与俯冲板片相交处以西 200～300 km,界面出现约 20～40 km的下沉,而长白山和龙岗火山的西北区域存在约 5～15 km的抬升,分别与板片滞留引起的低温异常和局部热物质上涌相对应;410-km间断面的起伏形态较复杂,在大部分区域观测到大于 10 km的下沉,且表现出明显的区域性横向变化,与深俯冲动力学背景下冷的温度异常造成的影响不一致.我们认为板片俯冲、停滞和海沟后撤过程中引起的地幔转换带物质异常、含水状态及分布的变化是显著改变410-km间断面形态的主要原因.本文获得的高精度地幔转换带界面三维形态为更好地认识东北亚地区俯冲板片在地幔物质分布和能量交换中的作用提供了重要参考.     

华北克拉通东北部的远震S波走时层析成像研究

华北克拉通是近年来我国地学界研究的热点之一.本文利用布设在华北东北部地区的华北地震科学台阵所记录的远震波形资料,用波形互相关方法拾取了9105条S波走时残差数据,进而用体波走时层析成像方法反演获得了研究区从地表至600 km深度的S波速度结构.所获得的S波层析成像结果表明,华北克拉通中部块体的山西断陷带低速异常一直从地面延伸至上地幔约300 km深处,推测该低速异常体可能与中、新生代的大同火山群的形成与活动有关.研究发现华北东部存在一高速异常体由东部渤中凹陷的地壳一直向西延伸至太行山山前断裂下方地幔转换带410 km附近,推测该高速异常体可能为太平洋板片向西俯冲在华北克拉通东部块体下方地幔过渡带内的滞留.研究结果显示华北克拉通东部的华北盆地表现为高低速相间分布,表明该地区下方的岩石圈发生了破坏,而位于华北克拉通北缘的燕山造山带显示为高速异常,表明燕山造山带下方的岩石圈没有明显的破坏迹象.     

基于三重震相方法探测日本海俯冲区地幔转换带的速度结构

本文基于中国数字地震台网记录的发生于日本北海道地区的一次中源地震的三重震相资料研究了日本海俯冲区地幔转换带的速度结构．结果表明,该区域P波速度结构与S波速度结构的一致性整体上较强．冷的西太平洋俯冲板块导致410 km间断面出现了10 km的抬升,660 km间断面出现了25 km的下沉;410 km和660 km间断面之上均存在与俯冲板块相关的高速层;660 km间断面下方存在厚度为65 km的低速异常．纵横波波速比vP/vS值在210—400 km深度范围内偏低,约为1.827,体现出海洋板块低泊松比的特征;在560—685 km深度范围内,该值偏高,约为1.831,可能预示地幔转换带底部含有一定量的水．      

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.     

Crust and upper mantle structures beneath Northeast China from receiver function studies

P-wave and S-wave receiver function analyses have been performed along a profile consisted of 27 broadband seismic stations to image the crustal and upper mantle discontinuities across Northeast China. The results show that the average Moho depth varies from about 37 km beneath the Daxing’anling orogenic belt in the west to about 33 km beneath the Songliao Basin, and to about 35 km beneath the Changbai mountain region in the east. Our results reveal that the Moho is generally flat beneath the Daxing’anling region and a remarkable Moho offset (about 4 km) exists beneath the basin-mountain boundary, the Daxing’anling-Taihang Gravity Line. Beneath the Tanlu faults zone, which seperates the Songliao Basin and Changbai region, the Moho is uplift and the crustal thickness changes rapidly. We interpret this feature as that the Tanlu faults might deeply penetrate into the upper mantle, and facilitate the mantle upwelling along the faults during the Cenozoic era. The average depth of the lithosphere-asthenosphere boundary (LAB) is ~80 km along the profile which is thinner than an average thickness of a continental lithosphere. The LAB shows an arc-like shape in the basin, with the shallowest part approximately beneath the center of the basin. The uplift LAB beneath the basin might be related to the extensive lithospheric stretching in the Mesozoic. In the mantle transition zone, a structurally complicated 660 km discontinuity with a maximum 35 km depression beneath the Changbai region is observed. The 35 km depression is roughly coincident with the location of the stagnant western pacific slab on top of the 660 km discontinuity revealed by the recent P wave tomography.     

应用远震有限频率层析成像反演中国东北地区上地幔P波三维速度结构

选取黑龙江、 吉林、 辽宁、 内蒙古区域地震台网, 以及NECESSArray流动台阵记录的223个远震事件的波形资料, 采用多道互相关方法得到了22569个P波相对走时数据, 并计算了相应的走时灵敏度核, 应用有限频率层析成像反演得到中国东北地区上地幔600 km以上的P波三维速度结构模型, 利用检测板评估了反演结果的分辨率。 结果表明, 松辽盆地下方80~200 km的深度上呈主体的低速异常, 与这一地区上地幔浅部的高地温值和低密度的特征相互对应, 可能暗示了部分熔融的地幔。 南北重力梯度带两侧的速度结构明显不同, 这一差异可以延伸到200 km以下, 表明在中国东北地区南北重力梯度带有可能是一条上地幔内部结构的变化带, 或是深部结构的分界线。 长白山火山区下呈大范围的低速异常, 并可从上地幔浅部延伸到地幔转换带中, 推测此低速异常可能反映了地幔转换带内上涌的热物质, 上涌的原因则主要是受到太平洋板块俯冲运动的作用。     

Topography of the mantle discontinuities beneath the South Pacific superswell as inferred from broadband waveforms on seafloor

We analyzed seismic waveforms recorded by the broadband ocean bottom seismographs deployed in the South Pacific superswell to determine the depths of the mantle discontinuities using a receiver function method. We estimated the thickness of the mantle transition zone (MTZ) to be 245 km on average beneath the superswell region, which is close to the global average. The MTZ is found to be thinned locally beneath the Society hot spot by 30 km. Temperature anomalies computed from the thinned transition zone and the Clapeyron slope of the olivine phase transformations are 150–200 K beneath the Society hot spot. Previous studies, using land-based data, suggested the presence of a hot MTZ beneath the Pitcairn hot spot. The locally hot transition zone beneath the hot spots is attributed to narrow mantle plumes probably rising from the lower mantle. The normal average thickness obtained from the present study indicates that there is no broad upwelling across the transition zone beneath the entire superswell region at present.     

New constraints on lithospheric thickness of the Iranian plateau using converted waves

The study of mantle lithosphere plays a key role to reveal predominant tectonic setting process of a region. The current geological and tectonic setting of Iran is due to the ongoing continental–continental collision of the Arabian and Eurasian plates. We applied a combined P and S receiver function analysis to the teleseismic data of nine permanent broadband seismic stations of the International Institute of Earthquake Engineering and Seismology located in different tectonic zones of Iranian plateau. More than 4 years of data were used to estimate the thickness of the crust and mantle lithosphere. According to our results, the crust is 50 km thick beneath the Zagros fold and thrust belt (ZFTB). We found the maximum Moho depth of approximately 70 km under the Sanandaj-Sirjan zone (SSZ) indicating the overthrusting of the crust of Central Iran onto the Zagros crust along the main Zagros thrust (MZT). Below the northeasternmost part of the Urumieh–Dokhtar Magmatic Arc (UDMA) and Central Iran, the Moho becomes shallower and lies at 40 km depth. Towards northeast, beneath the Alborz zone, the crust is 55 km thick. Based on S receiver functions, we provided new insights into the thickness of the Arabian and Eurasian lithospheres. The location of the boundary between these plates was estimated to be beneath the SSZ, which is slightly shifted northeastward relative to the surficial expression of the MZT. Furthermore, the Arabian plate is characterized by the relatively thick lithosphere of about 130 km beneath the ZFTB reaching 150 km beneath the SSZ, where the thickest crust was also observed. This may imply that the shortening across the Zagros is accommodated by lithospheric thickening. In contrast, UDMA and Central Iran are recognized by the thin lithosphere of about 80–85 km. This thin lithosphere may be associated with the asthenospheric upwelling caused by either lithospheric delamination or Neo-Tethys slab detachment beneath the Zagros collision zone.     

秦岭造山带与南北相邻地带远震接收函数与地壳结构

从2013年3月至2014年11月,我们布设了一条延川—涪陵的流动宽频带地震台阵,剖面由70个流动台站组成,全长约900km,穿越华北克拉通、秦岭—大巴造山带和扬子克拉通东北缘陆内三大构造单元.利用记录到的远震波形资料,提取得到5638个远震P波接收函数,使用H-κ叠加扫描和CCP偏移叠加方法刻划了秦岭造山带与南北相邻地带的地壳厚度、泊松比以及构造界带.研究结果显示,(1)关于地壳厚度:地壳最厚的区域出现在大巴山,地壳厚度集中在47~51km之间,秦岭的地壳厚度相对大巴山较薄,且呈向北减薄趋势,集中在37~46km之间,渭河盆地地壳厚度为本区域最薄地带,在34°N左右处达到最薄为35km,剖面北侧的南鄂尔多斯盆地的地壳厚度变化缓慢,多为44km左右,南侧的四川盆地东北缘的地壳厚度向南缓慢减薄,集中在42~48km之间;(2)关于泊松比:使用接收函数H-κ叠加扫描法得到了沿剖面各台站下方地壳的平均纵、横波速度比VP/VS(κ),进一步计算得到泊松比σ,泊松比具有明显的横向分块特征,秦岭造山带的泊松比明显低于南北两侧区域,其小于0.26的泊松比表征着该区域地壳物质组分主要为酸性岩石,亦即其酸性长英质组分上地壳相对于基性铁镁质组分下地壳较厚,该区域没有高泊松比分布则表明不存在广泛的部分熔融.(3)关于构造界带:秦岭—大巴造山带与扬子克拉通的边界并非在勉略构造带,应向南移至四川盆地的东北缘,华北克拉通和扬子克拉通分踞秦岭—大巴造山带南、北两侧,且分别以较陡倾角向南和相对较缓的倾角向北俯冲于秦岭—大巴造山带之下,使得秦岭—大巴造山带呈不对称状扇形向外扩展与向上抬升的空间几何模型.秦岭和大巴山之间33°N附近存在分界面,两区域地壳厚度与泊松比特征各异.     

下扬子及周边地区深部泊松比结构及深部动力过程约束研究

下扬子及周边地区存在着丰富的地质构造和多金属矿产资源,其深部结构和动力学过程已成为地学界研究的热点.为了更好地讨论下扬子及周边地区的深部动力学过程和岩浆活动机制,本文基于均匀网格层析成像方法提出了非均匀网格远震层析成像方法,利用大量的天然地震相对走时残差数据反演获得了下扬子及周边地区深至700 km范围内的三维S波和P波速度结构,并根据纵横波的比值关系计算出泊松比异常.由于S波速度比P波对流体的反应更加敏感,所以泊松比异常反映了物质是否包含流体或者物质的软硬、冷热程度.本研究结果显示：（1）长江中下游成矿带下方的上地幔内存在明显的高泊松比异常,而地幔过渡带内则存在明显的低泊松比异常;（2）大别造山带及其南侧的中扬子地块的上地幔中下部及地幔过渡带内都存在明显低泊松比异常,且呈现东深西浅的空间分布特征.结合已有的地质、地球物理和地球化学等资料,我们认为长江中下游成矿带下方的地幔过渡带内滞留着古太平洋俯冲板块,其上地幔内则赋存着软的上地幔热物质,为深部成矿提供了热量或幔源物质.因此,古太平洋板块的俯冲对长江中下游成矿带的形成发挥了至关重要的作用.     

长江中下游成矿带及邻区三维Moho面结构:来自人工源宽角地震资料的约束

为深入理解长江中下游地区在中生代成矿的深部动力学过程,对跨越宁芜矿集区地质廊带内的非纵剖面反射/折射地震数据进行动校正和时深转换处理,获得了非纵方向的Moho面深度;联合纵测线和非纵测线上Moho面深度数据,获得了长江中下游成矿带及邻区的三维Moho面深度结构.结果显示宁芜矿集区下方的Moho面整体较浅,约32~34km,华北块体合肥盆地内Moho面整体较深,约34~35km.Moho面深度和区域布格重力异常变化趋势对应良好.宁芜矿集区下方Moho面呈上隆特征,支持长江中下游地区成矿模式中增厚岩石圈发生拆沉、软流圈的上隆及底侵作用等动力学过程.Moho面平行于成矿带走向的变化趋势,预示长江中下游成矿带地壳和上地幔在板块边界发生了NE-SW向的切向流动变形.郯庐断裂带两侧,Moho面深度变化较大,表明地表近陡立的郯庐断裂为深大断裂,深部可能切穿Moho面并延伸至上地幔.     

复杂地壳接收函数H-κ叠加——以安纳托利亚板块为例

本文理论分析了具有不同沉积层和壳幔过渡带结构的接收函数及其相关的H-κ叠加结果,然后采用接收函数H-κ叠加和波形反演方法获得了具有复杂构造演化历史的中北安纳托利亚板块的地壳厚度(H)、V_P/V_S(κ)和V_S结构.理论分析表明:厚的沉积层或沉积层和厚的壳幔过渡带共存都会使H-κ叠加失效;渐变型壳幔过渡带导致H-κ叠加的H位于过渡带中间,且随着频率增大逐渐靠近过渡带上方;倒转型壳幔过渡带导致H-κ叠加具有多极值,其结果可能反应过渡带内最大波阻抗界面上的地壳结构;1km·s~(-1)的V_P变化会导致H-κ叠加的H变化7km,而κ变化较小.实际资料分析表明:中北安纳托利亚H,κ和V_S具有强烈的横向不均匀性,大部分区域沉积层厚度0.5km,局部地区壳幔过渡带厚度3km;北安纳托利亚断层切穿地壳,在局部地区可能存在流体;研究区存在残留古老的小陆块体.本文研究表明,仔细分析接收函数波形和其随方位角的变化特征且用其他地震学方法进行约束,有助于采用H-κ叠加方法获取复杂地壳结构信息.