青藏高原中东部地壳和上地幔顶部P波层析成像

为获取青藏高原中东部地壳和上地幔顶部的精细结构,本文基于1万4 484条天然地震的P波（Pg和Pn）到时数据,对青藏高原中东部地壳和上地幔顶部进行P波三维速度结构层析成像,获取了该区域内地壳P波、上地幔顶部Pn波的速度结构和地壳厚度信息。层析成像结果显示,青藏高原中东部地壳P波速度范围为5.2—7.2 km/s,上地幔顶部Pn波速度范围为7.7—8.4 km/s,地壳厚度范围为48.0—68.6 km,地壳和上地幔顶部存在强烈的横向不均匀性,与地质块体分布有较好的对应关系。地壳P波速度结构显示,研究区中、下地壳分布有较大范围的低速区,上地壳与中下地壳P波分布存在明显的差异:羌塘地块和巴颜喀拉地块在上地壳主要表现为高速异常,随着深度增加逐渐表现为低速异常;而柴达木地块在上地壳主要表现为低速异常,下地壳则表现为高速异常;柴达木地块和拉萨地块在上地幔顶部表现为较高的Pn波速度,最高约为8.4 km/s,而在巴颜喀拉地块和羌塘地块东部,Pn波总体上表现为低速,最低约为7.7 km/s。研究区内地壳厚度的总体特征表现为南厚北薄,其中羌塘地块东部和拉萨地块的地壳较厚,而柴达木地块和巴颜喀拉地块东部的地壳相对较薄,羌塘地块西部存在局部的地壳变薄现象,反映了印度板块对欧亚板块北向俯冲作用下的岩石圈变形特征。      

西藏西部地区的远震P波层析成像研究

采用快速行进法正演计算了西藏西部地区的远震P波理论走时,随后基于该地区台阵提取到的相对到时残差利用子空间迭代算法反演得到该地区的地壳上地幔速度相对分布。层析成像结果显示:西藏西部地区在下地壳深度显示高速异常,上地幔深度该地区内部的高速异常范围从西往东逐渐减小,且研究区域东部存在高低速异常相间分布。据此认为印度板块在青藏高原内部近水平俯冲,西部俯冲范围较大,且俯冲过程中存在板块撕裂现象,撕裂的印度板块拆沉进入上地幔,而撕裂产生的间隙由于应力释放导致了西藏西部地区新生代裂谷的形成。      

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.     

华北地区地壳上地幔三维P波速度结构

利用华北地震科学台阵和首都圈地震台网记录的4511次近震和625次远震的P波到时数据,采用纬度和经度方向分别为0.5°×0.5°的网格划分,反演得到了华北北部地区(111°E—120°E,37°N—42°N)深至400km的地壳上地幔三维P波速度结构.层析成像结果表明,研究区的速度存在明显的横向不均匀性,随着深度增加横向不均匀性总体呈现减弱趋势.燕山隆起带在60—120km深度内存在明显的高速异常,这与较大的岩石圈厚度有关;山西裂陷盆地、华北平原下方60km深度存在明显低速异常,与软流圈的出现有关.燕山隆起带岩石圈厚度在120km以上,明显比太行山隆起的岩石圈厚度大,与稳定大陆地区的岩石圈厚度一致.太行山山前断裂已切穿莫霍面,贯入岩石圈.研究区上地幔顶部大范围的低速异常反映了软流圈上隆的特点.在华北平原及燕山隆起下方200—300km存在高速异常可能与太古代大陆板块岩石圈的残留体有关.     

华北克拉通及东邻西太平洋活动大陆边缘地区的P波速度结构：对岩石圈减薄动力学过程的探讨

本文通过地震层析成像研究获得了华北克拉通及其东邻地区（30°N-50°N,95°E -145°E）1°×1°的P波速度扰动图像.结果显示,在西太平洋俯冲带地区,上地幔中西倾的板片状高速异常体与其上方的低速异常区构成俯冲带与上覆地幔楔的典型速度结构式样.俯冲板片高速体在约300~400 km深度范围内被低速物质充填,暗示俯冲板片可能发生了断离.在华北克拉通地区的上地幔中发现三个东倾排列的高速异常带.在此基础上,本文构建了华北克拉通及其东邻西太平洋活动大陆边缘地区的上地幔速度结构模式图,并据此探讨克拉通岩石圈减薄与西太平洋活动大陆边缘的深部动力学联系.本文认为,太平洋板片的俯冲（断离）,触发热地幔物质上涌并在上覆地幔楔中形成对流,使克拉通岩石圈受到改造（底侵与弱化）.随着俯冲板片后撤,地幔楔中的对流场以及对岩石圈改造的影响范围均随之东移,最终导致华北克拉通岩石圈自下而上、从西向东分三个阶段依次拆沉减薄.这一模式能很好地解释现今克拉通岩石圈自西向东呈台阶状减薄的深部现象.     

体波波形反演对青藏高原上地幔速度结构的研究

采用波形反演方法对青藏高原地区震中距8°-38°范围内的宽频带炸波波形进行拟合,研究该地区上地幔平均速度结构以及上地幔纵、横波速度的横向不均匀性结果表明青藏高原地区的平均地壳厚度约为68km,上地幔盖层平均厚度约为30－40km,速度约为8.10km／s雅鲁藏布江附近地壳厚度最大,约80km,相应的上地幔Pn速度为8．15km／s左右,青藏高原中部地区的地壳平均厚度约68-70km．位于拉萨地块北部的羌塘地块S波速度相对较低,其地壳和上地慢的平均S波速度分别比拉萨地块低1％和2％以上34°N以北,90°E附近的区域存在明显的上地幔P波低速异常区,P波的平均速度小于7．8km／s据此结果及前人工作,推断印度板块的俯冲可能以雅鲁藏布江缝合带附近为界,青藏高原巨大的地壳厚度是由于欧亚板块碰撞造成地壳缩短与增厚引起.     

青藏高原瑞利波相速度与深部结构的横向变化

利用中美合作在青藏高原布设的11台 PASSCAL 宽频带数字地震仪记录到的瑞利面波资料,测得青藏高原内不同块体的瑞利面波相速度(周期为10——120s),并反演了不同路径的地壳上地幔 S 波速度结构,发现青藏高原 S 波速度结构的横向变化显著.亚东——安多裂谷带的面波频散与相邻的块体差异最大,温泉至日喀则路径的相速度比其它路径的相速度明显偏高.该路径的地壳平均速度为3.79km/s,比其它路径的地壳平均速度3.40——3.50km/s高得多.青藏高原内不同块体的地壳中均有低速层存在,但低速层的厚度和速度不尽相同.位于北部的松潘甘孜块体。其地壳较薄约为65km,Sn 速度为4.48km/s,而且在约120km 深处的上地幔中存在一厚度为60km,速度为4.15km/s 的上地幔低速层.其它路径的上地幔速度相近,均没有明显的上地幔低速层出现.羌塘块体与拉萨块体的瑞利波相速度和 S 波速度结构极为相似,上地幔顶部的速度较松潘甘孜块体略高.在青藏高原广大地区中,地壳的平均速度低,普遍存在地壳低速层;上地幔顶部的横波速度为4.50——4.65km/s,上地幔中或者没有低速层或者低速层埋藏较深.      

中国东北地区地壳上地幔三维S波速度结构

收集了中国东北地区159个固定地震台2011年1月至2012年6月和27个流动地震台2011年1月至2011年6月间的垂向连续记录,根据噪声成像方法得到研究区（105°E-135°E, 39°N-52°N）较短周期（8~30 s）的瑞雷波群速度和相速度频散资料,再结合该区已有的天然地震长周期瑞雷波（36~145 s）的群速度频散资料,我们反演得到了中国东北地区200 km以浅深度范围内的三维壳幔S波速度结构,并得到了该区的岩石圈厚度分布图.结果表明：研究区中、下地壳S波速度结构的横向分布,在重力梯度带两侧有很大的不同,以东地区显示为大范围的高速,以西地区则呈现为大面积的低速;松辽盆地下方岩石圈地幔表现为显著的高速,岩石圈地幔底界面深度可能在90~100 km,薄的岩石圈盖层暗示东北地区的岩石圈可能发生了减薄;郯庐大断裂下方呈现出大范围的比较显著的低速特征,断裂下方上地幔顶部可能有热物质活动.     

中国境内天山地壳上地幔结构的地震层析成像

根据横跨中国境内天山的库车—奎屯宽频带流动地震台阵和区域地震台网记录的近震和远震P波走时数据,利用地震层析成像方法重建了沿该地震台阵剖面下方400 km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构.结果表明：沿新疆库车—奎屯剖面,天山地壳具有明显的横向分块结构,且南、北天山地壳显示了较为强烈的横向变形特征,表明塔里木地块对天山地壳具有强烈的侧向挤压作用;在塔里木和准噶尔地块上地幔顶部有厚度约60～90 km的高速异常体,塔里木—南天山下方的高速异常体产生了较为明显的弯曲变形,而准噶尔—北天山下方的高速异常体向南一直俯冲到中天山南侧边界下方300 km的深度,两者形成了不对称对冲构造;在塔里木和准噶尔地块下方150～400 km深度存在上地幔低速体,其中塔里木地块一侧的上地幔低速物质上涌到南天山地块的下方;在塔里木—南天山200～300 km深度范围的上地幔存在高速异常体,它可能是地幔热物质向上迁移过程融断的塔里木岩石圈的拆离体. 上述结果表明,塔里木地块的俯冲可能涉及整个岩石圈深度,但其前缘仅限于南天山的北缘;青藏高原隆升的远程效应可能不但驱动塔里木岩石圈向北俯冲,同时还造成天山造山带南侧上地幔物质的涌入;天山造山带上地幔广泛存在的低速异常有助于其上地幔的变形,而上地幔物质的强烈非均匀性应有助于推动天山造山带上地幔小尺度地幔对流的形成;根据研究区地壳上地幔速度结构特征推断,新近纪以来天山快速隆升的主要力源来自青藏高原快速隆升的远程效应,相对软弱的上地幔为加速天山造山带的变形和隆升创造了必要条件.     

蒙古中南部地区与青藏高原东北缘地震面波层析成像

青藏高原东北缘与蒙古高原分别受到印度-欧亚板块碰撞的直接影响和远场效应作用,对这两个地区开展深入研究对我们了解碰撞导致的变形和构造运动、以及碰撞作用的边界范围有着重要意义。基于现有的台阵观测数据,我们分别开展了蒙古中南部地区与青藏高原东北缘的地震面波层析成像。1蒙古中南部地区位于中亚造山带腹地的蒙古地区,是公认的研究大陆岩石圈变形的关键地区之一。由于之前地震资料的不足,我们对其认识十分匮乏。本研究收集了架设在蒙古中南部的69个地震台站观测数据。运用小波变换频时分析技术提取了7 181条瑞利波和901条勒夫波台站间相速度频散。采用连续分区(continuous regionalization)方法构建了蒙古中南部地区12~80s周期内的相速度及其方位各向异性分布图。与已有结果相比,本文结果具有更高的分辨率。基于获得的纯路径频散,遵循Montagner提出的各向异性表述,采用非线性最小二乘算法,我们逐点反演了研究区内每个网格点下的相关参数,获得了蒙古高原中南部地区三维SV波的速度结构分布。结果表明:(1)中戈壁带在整个地壳和上地幔顶部都表现为低速异常,且深度大致延伸到70km左右,其各向异性强度较弱且快波方向较为杂乱。地质资料也显示,在中戈壁带有大量分布的新生代火山岩,可以推断出露的火山岩跟中戈壁带地壳和上地幔顶部的低速结构有直接关系,且中戈壁带下方可能存在垂向的地幔流。(2)在蒙古主断裂带(MML)两侧,S波速度结构与方位各向异性都表现出极大的差异,证实了该断裂带的存在且可能延伸到整个岩石圈。(3)在断裂带MML以南的南戈壁带,地壳内方位各向异性表现为NNE-SSW方向,推测跟印度-欧亚板块碰撞产生的远程效应有关。进入上地幔后,南戈壁带相速度方位各向异性主要表现为NWW-SEE方向,非常接近APM方向。这可能表明南戈壁带上地幔方位各向异性受地幔流动的影响。地壳与上地幔表现出来的完全不同的方位各向异性特征,可能暗示南戈壁带地壳与上地幔变形是解耦的。(4)杭爱—肯特山盆地及其周边地区的方位各向异性在我们给出的周期范围内基本上保持为NNW-SSE方向,表现出垂直连贯变形的特征。其快波方向垂直于贝加尔湖裂谷,与裂谷张开的方向一致,我们推测该区域的应力场受到贝加尔湖裂谷的控制。2青藏高原东北缘利用青藏高原东北缘地区固定和流动地震台网2007年8月~2012年1月期间记录的远震波形,运用小波变换频时分析方法分别测定了1 216和653条周期为15~140s的台站间基阶瑞利波相速度和群速度频散曲线。通过对上述频散进行反演,重构了青藏高原东北缘分辨率高达0.5°×0.5°的二维相速度和群速度分布图。然后通过对所提取到的每个网格点瑞利波相速度和群速度频散进行联合反演,得到了研究区下方一维S波速度结构。最后通过线性插值,得到了青藏高原东北缘下方地壳上地幔三维S波结构。结果表明:(1)在本文的速度结构图上,班公—怒江缝合带下方存在显著的深达180km的高速异常,我们推断位于班公—怒江缝合带下面的高速块体可能就是印度板块,这表明印度板块的前缘已经俯冲到了班公—怒江缝合带附近。(2)我们的结果显示,在青藏高原东北缘的柴达木盆地北部和祁连山地块下面100~250km深处存在板片状高速异常体。结合已有的研究结果和该高速异常体的形态,我们推测此高速异常体可能就是亚洲板块,其前缘已经抵达柴达木盆地北部,且没有明显的向南俯冲的迹象。(3)在印度、亚洲岩石圈地幔中间,我们可以看到显著的延伸到250km深度的低速异常,此低速且低阻异常体的深度远超过南侧的印度板块和北侧的亚洲板块,可能是地幔物质底辟上涌现象造成的。     

基于Love波相速度反演南北地震带地壳上地幔结构

收集了南北地震带区域地震台网中292个地震台站2008年1月至2011年3月期间的地震波形数据,由频时分析方法提取了Love波相速度频散曲线,经过反演得到了研究区内的Love波相速度分布.根据Love波纯路径频散,采用线性反演方法对0.25°×0.25°的网格点进行了一维S波速度结构反演,利用线性插值获取了南北地震带地区的三维S波速度结构.结果显示了松潘—甘孜地体和川滇菱形块体地区的下地壳具有明显的S波低速层分布,该异常分布特征支持解释青藏高原隆升及其地壳物质运移的下地壳流模型.在100至120km深度上,川滇菱形块体西北部呈现较强的S波高速异常,这可能是印度岩石圈板块沿喜马拉雅东构造结下插至该区域所致,该区域下地壳的低速软弱物质与上地幔的高速强硬物质形成了鲜明对比,暗示了地壳和上地幔可能具有不同的构造运动和变形方式,这为该区域的壳幔动力学解耦提供了条件.     

西藏高原上地幔的精细结构与构造--地震层析成像给出的启示

用布置在亚东—格尔木的164个流动地震台站记录的926个远震事件的24241条射线,进行远震P波层析成像处理,高分辨率的西藏高原上地幔的速度结构图,显示了印度巨厚地幔岩石圈在向高原之下推进的过程中,在高喜马拉雅之下拆分成上、下两层,这是发生的第一次拆沉. 下层从高喜马拉雅以下约以22°的角度向高原北部插入到350km 深;而其上层则向北伸展直到雁石坪,并构成了高原薄的地幔岩石圈. 在雁石坪北（33.7°N）,当其与亚洲大陆岩石圈地幔相遇后发生断离并下沉. 再次证实了五道梁（35.27°N）深部低速体的存在,本区内地壳内低速物质可能与上述运动有联系,反映了深层热物质的上涌.     

南北地震带北段的远震P波层析成像研究

本文利用"中国地震科学台阵"探测项目在南北地震带北段布设的678个流动地震台站在2013年10月至2015年4月期间记录到的远震波形数据,经过波形互相关拾取到473个远震事件共130309条P波走时残差数据,通过远震层析成像研究获得了该区(30°N-44°N,96°E-110°E)下方0.5°×0.5°的P波速度扰动图像.结果显示,研究区下方P波速度结构显示强烈的不均一性和显著的分区、分块特征.岩石圈速度结构具有显著的东西差异:祁连、西秦岭和松潘甘孜地块组成的青藏东北缘地区显示明显的低速异常,而属于克拉通性质的鄂尔多斯地块和四川盆地则显示高速异常,表明东部克拉通块体对青藏高原物质的东向挤出起到了强烈的阻挡作用.阿拉善地块显示出弱高速和局部弱低速的异常并存的特征.阿拉善地块西部显示低速异常,而东部与鄂尔多斯相邻的地区显示高速异常,可能表明该地区的岩石圈的变形主要受到青藏高原东北缘的挤压作用.在鄂尔多斯和四川盆地之间的秦岭下方100~250 km深度上表现为明显的低速异常,表明该处可能存在软流圈物质的运移通道.鄂尔多斯北部的河套裂陷盆地下方在100~500 km深度内低速异常表现明显,说明该区有深部热物质上涌且至少来源于地幔过渡带.青藏东北缘上地幔显示低速异常且地幔过渡带中出现明显的高速异常,这种结构模式暗示了在青藏高原东北缘可能发生了岩石圈拆沉作用,而高速异常体可能是拆沉的岩石圈地幔.     

青藏高原东北缘上地幔多尺度层析成像

利用布设在青藏高原东北缘地区的甘肃宽频带地震台阵记录到的远震P波走时数据,采用小波域参数化和基于L1范数的稀疏约束反演算法的多尺度层析成像方法,得到了该地区400km深度范围内上地幔的P波速度结构.本文采用的多尺度层析成像方法可以自适应数据非均匀采样的情况,有效降低谱泄漏效应和反问题的多解性,明显提高解的分辨率和可靠性.层析成像结果表明青藏高原东北缘上地幔整体上显示为低速特征,扬子地块上地幔则显示为高速特征,两者之间上地幔存在清晰的块体边界带,该边界带位于东经104°—105°之间并且随深度的增加逐渐东移.该特征暗示了青藏高原上地幔物质向东扩张的机制,但在西秦岭上地幔顶部不存在物质运移的通道.青藏高原东北缘内部也具有明显的分区特征,松潘—甘孜地块上地幔P波速度整体呈低速特征,而柴达木地块的上地幔顶部具有相对高速特征,而在上地幔200km以下这两个地块间的差别逐渐减小.1654年天水地震和1879年武都地震都发生在扬子地块与青藏高原的碰撞交汇区,其震中下方上地幔显示为高低速转换结构.     

青藏高原中部INDEPTH-Ⅲ剖面上地幔远震S波层析成像

印度板块向欧亚俯冲前缘位于班公—怒江缝合带附近,但是印度岩石圈地幔的俯冲形态和形变过程仍然缺乏共识,在不同地区使用不同方法获得的结果之间存在明显差异.本文使用青藏高原中部INDEPTH-Ⅲ剖面远震S波波形数据,提取走时信息,通过层析成像方法获得剖面下方S波速度扰动图像.结果显示:在班公—怒江缝合带下方100至300km深度范围内存在一个高角度(约65°)北倾的S波高速体,推测可能是回退的印度岩石圈板片或/和小规模对流引起的岩石圈拆沉后残留的印度大陆岩石圈板片.     

青藏高原东北缘远震P波走时层析成像研究

利用青藏高原东北缘地区固定地震台网2010年4月至2015年3月期间记录的远震事件,采用多道波形互相关方法（Multi-Channel Cross-Correlation）拾取了10697个有效P波相对走时残差数据,进而采用FMTT （Fast Marching Teleseismic Tomography）方法获得了青藏高原东北缘上地幔400 km深度范围内的P波速度结构,结果显示：秦祁地块下面存在深达70 km的高速异常,阻断了青藏高原块体中下地壳低速层向东北方向的延伸;40~140 km深度范围内,四川西南部存在一个低速区,该低速区穿过龙门山断裂带进入到四川盆地内部;祁连山造山带东部低速异常区从地壳一直延伸到上地幔400 km处,表明这里可能存在一个上地幔到地壳间的热流通道;松潘-甘孜地块分布大面积的低速异常区,而鄂尔多斯地块西南缘相对速度较高,这与青藏高原为软块体、介质密度低和鄂尔多斯块体为硬块体、介质密度高相吻合.     

鄂尔多斯地块深部岩石圈电性结构研究

近年来新的研究成果反应出鄂尔多斯地块岩石圈并不是一个具有深根的完整的刚性块体,尤其在鄂尔多斯北部以及河套地堑发现有大范围的下地壳-上地幔低速低阻物质,如果这一情况属实,那么人们对鄂尔多斯地块的认识将发生大的变化.为此,我们在华北克拉通西部布设了一条穿过鄂尔多斯地块、河套地堑和阴山造山带的南北向大地电磁剖面,试图通过深部电性结构的探测提供更多信息.该剖面全长约850 km,共布设54个宽频测点和17个长周期测点.二维和三维反演结果均表明:鄂尔多斯地块内部以38°N为界,南部和北部电性结构存在明显差异.鄂尔多斯地块南部地壳至上地幔150 km深度范围内整体表现为高阻,具有刚性克拉通的特征;鄂尔多斯地块北部到河套地堑之间下地壳出现低阻层,特别是鄂尔多斯北端与河套地堑接壤地段,深部存在一个规模较大的下地壳-上地幔低阻异常体,该异常体从河套地堑开始,横向上向南延伸到鄂尔多斯地块内部约200 km,纵向上从下地壳向下延伸到上地幔(约100 km深度).根据该异常体的空间特征,参考该区地震波低速异常体的分布,我们认为鄂尔多斯北部及河套地堑中下地壳到上地幔存在热物质,其原因与深部的构造活动有关(软流圈热物质上涌、侧向流动等),这一情况可能反映出鄂尔多斯地块北部岩石圈深部正处于被改造(或者破坏)阶段,这对进一步认识青藏高原东北缘与华北克拉通之间的深部关系具有一定的启示作用.