南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响

2012年发生的苏门答腊大地震激起了强烈的环形地球自由振荡,本文利用南极26个地震台站记录的此次大地震激发的₀T₁₀简正模,分析南极上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响,我们将震后20 h的自由振荡观测数据与利用PREM地球模型模拟的结果进行比较,结果表明：在震后较短时间内区域性（区域的范围远远小于简正模的波长）上地幔结构异常能显著影响长周期自由振荡质点的偏振,引起简正模强烈的偏振异常.以往研究主要关注地球自转和全球范围的上地幔结构异常对长周期自由振荡简正模的影响,局部范围的上地幔结构异常对长周期自由振荡的影响并未被重视.对南极地区₀T₁₀垂向偏振异常的进一步分析表明：南极大陆上地幔存在方位各向异性,上地幔各向异性主要分布在横贯南极山脉下方,深度范围约为70~660 km.利用震后较短时间内的长周期地球自由振荡观测资料可以对局部区域上地幔的各向异性及其深度范围提供约束,可作为剪切波分裂和面波层析成像技术的补充.     

中国第27次和28次南极长城站地震观测

南极洲位于地球最南端,是世界上发现最晚和研究程度最低的一个洲.南极洲以横贯南极山脉为界,东部为东南极地盾,西部为西南极造山带,具有独特的构造环境,是地球上唯一的被地球旋转轴穿过的大陆.南极洲号称世界“寒级”、“冰级”和“风级”,具有极端的气候条件,长期以来,南极大陆的地震观测远远落后其他地方,被认为是没有地震的大陆.     

用地震面波研究上地幔各向异性

本文论述了上地幔各向异性的参数描述和主要证据,以及与地球动力学的关系。并就近几年来国外利用地震面波研究上地幔各向异性的重要成果和主要方法作了综合评述。     

中国大陆及邻区上地幔各向异性研究

为了深化对中国大陆及邻区上地幔介质形变强度和方向的空间变化图象、各向异性和剪切波分裂、各向异性以及应变、应变和构造过程关系的认识，我们以剪切波在分层各向异性介质中的传播理论为指导，以分裂剪切波观测为基础，借助数字化地震资料和高分辨率的信号处理技术，给出了对136次地震的分析结果，得到了20个台站下面的上地幔各向异性介质的变形强度和方向的空间变化图象；并结合已有研究结果，对中国大陆及邻区上地幔各向异性特性及其起源问题进行了讨论．      

横向不均匀介质中的面波及地球内部速度结构研究

近十年中地震面波的理论和应用研究有很大进展。由于资料增加、反演方法的改进及利用了振幅和波形等更多的面波信息，对于全球及区域上地幔速度结构及各向异性有了进一步的认识。同时对于显著不均匀三维介质中面波的传播特征，在理论探讨和实际观测方面取得了较多成果。本文对于面波研究的最新成果作了介绍。     

用Rayleigh面波方位各向异性研究中国大陆岩石圈形变特征

中国大陆地质构造历史非常复杂,岩石圈长期积累的形变较大,而利用地震面波传播的各向异性是研究岩石圈形变特征的强有力手段. 本文利用双台窄带通滤波-互相关方法与基于图像分析的相速度频散曲线提取技术,提取Rayleigh面波相速度频散资料,进而反演中国大陆及邻区20～120 s周期Rayleigh面波相速度方位各向异性空间分布图像. 检测板测试结果显示：中国大陆大部分区域的方位各向异性横向分辨率在5°左右. 各向异性研究结果表明：中国大陆地壳上地幔方位各向异性特征存在显著的空间差异,反映出形变特征的空间差异;104°E以东地区地壳上地幔各向异性弱于西部地区,表明其构造变形总体弱于西部地区. 青藏地块及其东缘地区地壳与上地幔顶部变形最为强烈. 但东部的局部地区如华南地块与珠江口地区、鄂尔多斯盆地西南缘以及秦岭-大别造山带,较强的各向异性显示这些区域在不同时期也经历了强变形. 青藏地块内中短周期快波方向自西向东顺时针旋转变化可能指示板块碰撞与挤压过程中软弱物质的流变方向. 青藏地块西部中下地壳和上地幔形变模式相似,可能处于壳幔耦合状态;而中东部及东缘地区地壳上地幔形变模式存在明显差异,壳幔似乎不具备垂直连贯的形变特征. 位于青藏地块北部的塔里木盆地、柴达木盆地以及祁连褶皱带同样经历了强变形. 包括四川盆地在内的上扬子地块快波方向的变化显示中地壳与下地壳上地幔形变模式不同,而形变特征一致的下地壳与上地幔应为强耦合. 大约以103°E为界,龙门山断裂带可分为南西段和北东段,南西段处于低速区,而北东段位于高速区,且方位各向异性强度明显大于南西段;2008年5月12日汶川M_S8.0级地震沿断裂带的单侧破裂模式除与北东段的高应力积累有关外,还可能与北东段地下介质物性存在密切关系,高速坚硬岩体的发育有利于应变能的积累与集中释放.     

基于约束三维重力反演的南极大陆地壳密度结构研究

地壳密度是表征其物质组成以及结构特征的一个基本参数,是深入理解构造演化、地球动力学等问题的重要基础.本文利用最新发布的布格重力异常数据,以现有的三维S波速度模型、地表热流以及岩石学数据作为约束条件,采用引入深度加权函数的三维重力反演算法,获取了南极大陆三维精细密度结构模型.研究结果显示,南极大陆地壳尺度范围内密度异常在-0.25～0.20g·cm^-3之间.大致以南极横断山脉为界,受中生代与新生代多期拉张活动的影响,西南极上地壳密度异常以低值为主,与东南极克拉通的高密度异常呈现明显对比关系.通过对比发现,反演的密度结构与岩石圈强度信息存在较好的相关性.进一步分析西南极裂谷系统的密度结构与岩石圈强度,认为受新生代拉张活动和岩浆活动影响的局部地区除外,热沉降作用很可能使得地壳趋于冷却.此外,西南极的低密度特征延伸到南极横断山脉,结合现有的研究结果认为可能需要多种机制来解释南极横断山脉的隆升过程.     

中国大陆上地幔各向异性和壳幔变形模式

近10年来,中国布设的宽频带地震台站大幅度增加.宽频带地震记录中含有大量的剪切波分裂信息,它在揭示中国大陆上地幔的各向异性特征起重要作用.本文对这些台站的远震SKS和(或)SKKS记录,采用最小切向能量的分析方法,确定各台站剪切波分裂的快波偏振方向和延迟时间.此外,还收集了前人在中国大陆及其周边地区的剪切波分裂研究的部分结果,形成拥有1020个剪切波分裂参数对的数据集.这些分裂参数展示了复杂的上地幔各向异性图像.统计分析表明,中国大陆存在较强的上地幔各向异性,平均的剪切波时间延迟为0.95 s,其中西部地区为1.01 s,东部地区为0.92 s.西部地区的各向异性强度略大于东部地区.在大尺度意义下,青藏高原及天山地区,其SKS波分裂和地表变形数据共同支持岩石圈变形模式,即地壳与岩石圈地幔是连贯变形的;东部地区的平均快波偏振方向近似平行于绝对板块运动方向,上地幔各向异性归因于软流圈流动.中部的鄂尔多斯至四川盆地一带为东、西部两种变形模式的过渡带,各向异性结构较为复杂,表现为"化石"各向异性和(或)双层各向异性.印度板块和欧亚板块的碰撞是中国大陆西部上地幔各向异性的主要影响因素,东部地区则与太平洋板块和菲律宾板块向欧亚板块俯冲有关.     

中国大陆及邻区上地幔P波各向异性结构

利用分布在中国大陆及邻近地区的213个地震台站记录到的远震P波走时数据和弱各向异性条件下P波速度扰动调和分析方法,研究了中国大陆上地幔P波各向异性结构.研究结果表明中国大陆西部上地幔变形主要受印度大陆俯冲的影响.印度大陆的P波快波方向总体为NNE方向,与绝对板块运动方向一致,这表明印度大陆上地幔流动方向与板块运动方向一致.青藏高原内部、东天山的P波快波方向与主压应力方向接近,而在青藏高原南缘、北缘及东北缘等块体边界地区P波快波方向与主压应力方向垂直.中国大陆东部上地幔变形主要受菲律宾板块和太平洋板块俯冲的影响.在扬子板块内部P波快波方向为SE方向,这与绝对板块的运动方向一致.华北地区的各向异性结构较为复杂,可能与华北克拉通裂解有关.中国大陆东北的东部平均方向为SE,而在兴安岭一侧为SSW方向,即平行于构造线方向.根据各向异性的倾角,中国大陆及邻区上地幔各向异性结构大体可分为三块:1)青藏新疆地区的各向异性倾角接近水平,推测该区形变力源主要为上地幔物质水平流动.2)南北带地区的各向异性倾角较大,特别是在青藏东缘地区的倾角约为40°,这可能是由于青藏向东挤出过程中受华南地块和鄂尔多斯地块的阻挡,在板块边界地区产生了垂直变形.3)中国东部地区各向异性结构较为复杂,在中国大陆东北部各向异性倾角接近水平,这可能是该区上地幔变形主要受太平洋板块俯冲的影响,而在太行山、大别-苏鲁地区各向异性倾角较大,这表明该区上地幔以垂直变形为主.     

上地幔各向异性研究综述及在川滇地区的研究思路

简要介绍了地球介质各向异性研究的发展历程,重点介绍了国内外有关上地幔各向异性的研究工作及成果;阐述了上地幔各向异性的起源及其地球动力学意义;较详细地分析了上地幔各向异性研究的各种方法及其优缺点;论述了川滇地区各向异性研究的意义和目的,并提出了整个研究工作的内容和步骤.     

Combined Gravimetric–Seismic Crustal Model for Antarctica

The latest seismic data and improved information about the subglacial bedrock relief are used in this study to estimate the sediment and crustal thickness under the Antarctic continent. Since large parts of Antarctica are not yet covered by seismic surveys, the gravity and crustal structure models are used to interpolate the Moho information where seismic data are missing. The gravity information is also extended offshore to detect the Moho under continental margins and neighboring oceanic crust. The processing strategy involves the solution to the Vening Meinesz-Moritz’s inverse problem of isostasy constrained on seismic data. A comparison of our new results with existing studies indicates a substantial improvement in the sediment and crustal models. The seismic data analysis shows significant sediment accumulations in Antarctica, with broad sedimentary basins. According to our result, the maximum sediment thickness in Antarctica is about 15 km under Filchner-Ronne Ice Shelf. The Moho relief closely resembles major geological and tectonic features. A rather thick continental crust of East Antarctic Craton is separated from a complex geological/tectonic structure of West Antarctica by the Transantarctic Mountains. The average Moho depth of 34.1 km under the Antarctic continent slightly differs from previous estimates. A maximum Moho deepening of 58.2 km under the Gamburtsev Subglacial Mountains in East Antarctica confirmed the presence of deep and compact orogenic roots. Another large Moho depth in East Antarctica is detected under Dronning Maud Land with two orogenic roots under Wohlthat Massif (48–50 km) and the Kottas Mountains (48–50 km) that are separated by a relatively thin crust along Jutulstraumen Rift. The Moho depth under central parts of the Transantarctic Mountains reaches 46 km. The maximum Moho deepening (34–38 km) in West Antarctica is under the Antarctic Peninsula. The Moho depth minima in East Antarctica are found under the Lambert Trench (24–28 km), while in West Antarctica the Moho depth minima are along the West Antarctic Rift System under the Bentley depression (20–22 km) and Ross Sea Ice Shelf (16–24 km). The gravimetric result confirmed a maximum extension of the Antarctic continental margins under the Ross Sea Embayment and the Weddell Sea Embayment with an extremely thin continental crust (10–20 km).     

南极长城站地壳和上地幔各向异性分析

利用我国第24次和第25次南极科学考察队于2008年2月—2010年3月南极长城站记录到的地震事件数据进行剪切波分裂研究. 选取近震事件对Sg波进行剪切波分裂计算,结果表明快波偏振方向有两个,分别为北东向和近南北向; 慢波延迟时间的范围为1.45—5.17 ms/km,平均值为3.54 ms/km.同时选取长城站记录到的远震数据SKS波震相进行剪切波分裂计算,得出上地幔快波偏振方向优势取向为北东向, 慢波延迟时间平均值为1.60 s. 剪切波分裂结果显示长城站地区地壳和上地幔具有明显的各向异性, 并显示长城站地区地壳与上地幔快波偏振方向几乎平行,表明壳幔变形的一致关系.另外,地壳和上地幔各向异性的快波偏振方向不仅与长城站附近的海沟方向平行,同时也与绝对板块的运动方向平行.该结果进一步说明了绝对板块的运动是构成上地幔各向异性的主要原因.      

Seismic evidence for deep low-velocity anomalies in the transition zone beneath West Antarctica

We present a three-dimensional (3D) SV-wave velocity model of the upper mantle beneath the Antarctic plate constrained by fundamental and higher mode Rayleigh waves recorded at regional distances. The good agreement between our results and previous surface wave studies in the uppermost 200 km of the mantle confirms that despite strong differences in data processing, modern surface wave tomographic techniques allow to produce consistent velocity models, even at regional scale. At greater depths the higher mode information present in our data set allows us to improve the resolution compared to previous regional surface wave studies in Antarctica that were all restricted to the analysis of the fundamental mode. This paper is therefore mostly devoted to the discussion of the deeper part of the model. Our seismic model displays broad domains of anomalously low seismic velocities in the asthenosphere. Moreover, we show that some of these broad, low-velocity regions can be more deeply rooted. The most remarkable new features of our model are vertical low-velocity structures extending from the asthenosphere down to the transition zone beneath the volcanic region of Marie Byrd Land, West Antarctica and a portion of the Pacific-Antarctic Ridge close to the Balleny Islands hotspot. A deep low-velocity anomaly may also exist beneath the Ross Sea hotspot. These vertical structures cannot be explained by vertical smearing of shallow seismic anomalies and synthetic tests show that they are compatible with a structure narrower than 200 km which would have been horizontally smoothed by the tomographic inversion. These deep low-velocity anomalies may favor the existence of several distinct mantle plumes, instead of a large single one, as the origin of volcanism in and around West Antarctica. These hypothetical deep plumes could feed large regions of low seismic velocities in the asthenosphere.     

Results of joint processing of data on nuclear and chemical explosions recorded on the long-range Quartz profile (Murmansk-Kyzyl)

The long-range seismic profile Quartz, measured by the GEON Center (Ministry of Geology of the USSR), crosses a few large geostructures: the East European platform, Timan-Pechora plate, Northern Urals, West Siberian plate (WSP), and Altai. Observations of nuclear and chemical explosions were conducted on the profile. Joint processing of records from sources of both types provided detailed structures of the crust and upper mantle. They have confirmed the known patterns in the structure of these shells of the Earth and revealed new ones. Mountain roots are observed beneath the Urals and Altai, and areas of a higher heat flow are matched by lower velocity zones in the upper mantle. Moreover, it is shown that the Timan-Pechora plate is characterized by a two-layer crust untypical of other young plates of central Eurasia and the upper mantle has the same velocities beneath the ancient East European platform and the young Altai orogen. It is also shown that the vast region including the Timan-Pechora plate, Urals, and WSP is bounded on both sides by deep faults in the upper mantle dipping toward the center of Western Siberia. A few nearly continuous reflectors traceable in the upper mantle are represented by thin-layered heterogeneous beds. The largest horizontal heterogeneity is observed in the upper 100-km layer, often underlain by a lower velocity zone. The asthenosphere, as a layer of lower seismic velocities at the depth of a possible solidus (200–250 km), has not been revealed. The latter is evidently a feature specific to inner parts of the Eurasian continent; in marginal regions, e.g., in Western Europe, the asthenospheric layer is identified almost ubiquitously.     

华东地区SKS波分裂研究

本文搜集整理了华东地区6个区域地震台网的宽频带数字地震台站SKS波记录资料, 使用最小切向能量的网络搜索法, 得到了华东地区157个台站下方上地幔各向异性参数。 测算结果表明, 华东地区各向异性快波偏振方向主体为NW—SE向、 南部近E—W向, 逐渐呈旋转趋势, 与绝对板块运动方向一致; 其各向异性主要来自于上地幔, 地壳与沉积层对各向异性影响较小; 研究区内地下浅部与深部物质的运动模式基本一致, 壳幔变形存在垂直连贯变形的特征。     

中国西部三维速度结构及其各向异性

本文用覆盖中国的358条勒夫面波路径资料,研究了10.45-113.80s范围内中国西部的三维SH波速度结构.结果表明,各构造单元的SH波速度结构均有明显的差别.作为稳定块体的塔里木盆地,壳内重力分异程度较高,上、中、下地壳厚度差别小,壳内无明显的低速层,地壳平均速度比较小;上地幔低速层埋深大且层中速度大;区内横向变化小.构造活动区如天山、青藏高原,其突出的特征是下地壳厚度大且速度大,上地幔盖层速度值相当高.这与西伯利亚、印支板块的挤压有密切的关系.青藏高原东部及其北、东边缘地区壳内存在低速层,上地幔低速层埋深浅,一些地区存在壳幔过渡层.面波各向异性研究表明,青藏高原、天山及印支板块北缘下存在明显的各向异性,以构造边缘地区及上地幔低速层附近最为突出.印度板块、西伯利亚板块与中国大陆间的碰撞引起强大的水平压力和一定的下插作用,是造成青藏高原隆起、地壳增厚、天山隆起的最根本的因素,同时也促成壳幔中辉石、橄榄石的定向排列和物质运移,因而出现明显的各向异性现象.     

青藏高原东南缘地质构造基本形态与地震各向异性基本特征

青藏高原东南缘受印度板块NE向推挤和高原物质SE向挤出及四川盆地、 华南块体阻挡的共同作用, 成为高原物质SE向逃逸的关键通道。 本文综述了青藏高原东南缘由不同震相和不同方法得到的不同深度的地震各向异性结果, 结合区域内断裂分布、 地表运动、 构造应力以及深部结构等方面, 全面分析了青藏高原东南缘上地壳至中下地壳及上地幔的介质各向异性与变形耦合特征。 青藏高原东南缘壳幔地震各向异性的差异反映了区域内复杂的深部构造和壳幔变形。 由于青藏高原形成机制、 壳幔耦合状态和软弱层分布形态等科学问题尚处于学术探讨之中, 有效结合不同数据和综合多种方法, 有益于获得更加准确、 精细的地壳—上地幔地震各向异性图像, 对深部物质运动与动力模式进行更有效的约束。     

东亚及西太平洋边缘海高分辨率面波层析成像

根据欧亚大陆及西太平洋地区58个数字地震台站约12000个长周期波形记录,挑选出4100条面波大圆传播路径,采用面波频散及波形拟合反演方法,对东亚及西太平洋边缘海地区(60°E-160°E,20°S-60°N)的地壳上地幔进行了高分辨率三维S波速度成像. 结果表明,从上地壳到70km深,在东亚东部及西太平洋边缘海地区为高速分布,西部以青藏高原为中心呈极低速分布. 自地中海经土耳其、伊朗、喜马拉雅山到缅甸、印尼群岛的特提斯汇聚碰撞带,显示为低速异常链. 从85km至250km深,在东亚东部及西太平洋边缘海,自北向南显示出一条巨型低速异常带,西部地区为高速异常分布.以东经110°E为界,东西两部分岩石圈、软流圈的结构与深部动力过程有着巨大的差异. 此界线以西主要是印度板块与欧亚板块碰撞引起的岩石圈汇聚增厚区,东部则主要是由于软流圈上涌(地幔热物质上升)引起的岩石圈拉张减薄区.     

川滇地区壳幔地震各向异性研究进展

根据川滇地区已有的地震各向异性研究结果,利用体波、面波资料的结果,分析川滇地区不同构造尺度、不同深度的地震各向异性特征。对比不同方法研究川滇地区介质各向异性的特点,探讨了该地区的介质连续性及壳幔耦合状态。分析认为,地壳上地幔各向异性的差异表明,川滇地区具有复杂的地壳及上地幔形变机制。因此,对于川滇地区壳幔地震各向异性的深入理解,需在理论上和高密度数据资料基础上加强量化分析和综合研究。     

南北地震带岩石圈S波速度结构面波层析成像

本文利用天然地震面波记录和层析成像方法,研究了南北地震带及邻近区域的岩石圈S波速度结构和各向异性特征.结果表明南北地震带的东边界不但是地壳厚度剧变带,也是地壳速度的显著分界.其西侧中下地壳的S波速度显著低于东侧,强震大多发生在低速区内部和边界.青藏高原东缘中下地壳速度显著低于正常大陆地壳,在松潘甘孜地块和川滇地块西部大约25～45 km深度存在壳内低速层;这些低速特征与高原主体的低速区相连,有利于下地壳物质的侧向流动.地壳的各向异性图像与下地壳流动模式相符,即下地壳物质绕喜马拉雅东构造结运动,东向的运动遇到扬子坚硬地壳阻挡而变为向南和向北东的运动.面波层析成像结果支持青藏高原地壳运动的下地壳流动模型.南北地震带的岩石圈厚度与其东侧的扬子和鄂尔多斯地块相似但速度较低.川滇西部地块上地幔顶部(莫霍面至88 km左右)异常低速;松潘甘孜地块上地幔盖层中有低速夹层(约90～130 km深度).岩石圈上地幔的速度分布图像与地壳显著不同,在高原主体与川滇之间存在北北东向高速带,可能会阻挡地幔物质的东向运动.上地幔各向异性较弱且与地壳的分布图像显然不同.因此青藏高原岩石圈地幔的构造运动具有与地壳不同的模式,软弱的下地壳提供了壳幔运动解耦的条件.