基于模拟退火法的青藏高原东缘噪声层析成像研究

青藏高原是全球造山带研究的热点地区,此前在青藏高原开展的三维层析成像研究大多基于线性反演方法.本文利用青藏高原东缘及邻区布设的127个宽频带固定地震台站记录的连续波形资料,首先通过噪声互相关提取了3～50sRayleigh波群速度频散曲线并反演得到群速度分布,再进一步采用模拟退火法反演了研究区的三维S波速度及泊松比结构.结果显示:(1)松潘—甘孜地块的中下地壳低速异常主要分布在龙日坝断裂带、鲜水河断裂带、龙门山断裂带和岷山隆起所围限的区域,而该区域的中下地壳仅具有中等泊松比值,推测松潘—甘孜地块中下地壳的低速物质可能是青藏高原与扬子块体长期相互作用产生的塑性低速滑脱层;上地壳脆性物质在板块作用下沿中地壳低速滑脱层顶界面发生逆冲增厚,造成龙门山的持续抬升和地形起伏,并在构造边界带形成了应变积累和应力集中;而龙门山断裂带的上地壳低速软弱物质为地壳发生破裂提供了有利条件,从而在某种程度上促进了汶川地震和芦山地震的发生.(2)岷山隆起一带中下地壳的高泊松比异常呈"凸起"形态,结合前人研究发现的较高热流和岩石快速抬升现象,推测岷山隆起一带可能存在岩石圈的拆沉,导致地幔热物质上涌而形成下地壳高泊松比物质.(3)川滇地块的北部和南部具有不同的S波速度和泊松比分布特征.30km深度下川滇地块北部具有明显的低速异常,而该深度下并不具有明显的高泊松比值特征;此外剖面成像结果也显示川滇地块内的低速异常与高泊松比的分布不一致,因此川滇地块的研究结果不支持下地壳流模型.综合其他地震学证据,本文认为川滇地块的变形模式为上地壳纯剪切增厚,块体变形主要受块体内部的走滑断裂及活动边界断裂控制.     

川滇地区下地壳流动对上地壳运动变形影响的数值模拟

根据活动断裂分布和区域流变结构建立川滇地区三维有限元模型， 采用上地壳为弹性介质，下地壳和上地幔为Maxwell体的粘弹性模型，模拟川滇地区地壳现今运动和应力分布，探讨川滇地区地壳运动变形的动力学机制. 通过4种不同边界条件和深度分层结构有限元模型的计算结果的对比，认为川滇地区绕喜玛拉雅东构造结顺时针旋转的地壳运动模式主要受川滇地区特殊的边界动力作用控制，川滇菱形块体下地壳流动对上地壳的拖曳作用亦不容忽视. 同时，川滇地区各块体的现今地壳运动场和应力场还受到区域主要活动断裂带的影响， 呈现分块特征.      

川滇地区三维P波速度结构研究

根据本文提出的更为严格的地震数据筛选方法——横向分区地震均值筛选法,选取了四川、云南、重庆和贵州地震台网的224个固定台站和49个流动台站在2008年1月1日—2017年12月31日期间记录的48,177个地震、372,483条初至P波绝对到时数据以及2,413,407条精度较高的相对到时数据,利用区域双差地震层析成像方法联合反演了青藏高原东南缘川滇地区三维P波速度结构和地震震源参数.研究结果表明:(1)川滇地区上地壳结构横向不均匀性明显,四川盆地上地壳10 km深度范围内表现为低速异常,而松潘—甘孜地块、滇中地块则表现为明显的高速异常;(2)川滇地区地震主要沿着边界断裂分布,大多数地震为浅源地震,震源深度主要集中在5～15 km深度范围内,震源主要位于高速异常与低速异常交界区域,且偏向高速异常体一侧;(3)震源分布研究推测龙门山断裂带前山断裂东南侧可能存在一条倾向北西、倾角约为40.的北东向走向的隐伏断裂,且为芦山地震的主要发震断裂;(4)川滇地区中下地壳低速异常体可能反映了中下地壳弱物质流的存在,中下地壳物质流不是广泛分布在川滇地区,而是沿着川滇块体东部有限的通道向南流动.中下地壳流可能是沿着鲜水河断裂带向东南方向流出,在雅安一带遇到坚硬稳定的四川盆地的阻挡,一部分物质向北东方向流动,而另一部分物质转向南沿着安宁河断裂带和则木河断裂带分布,并继续向南沿着小江断裂带流动.     

川滇地区速度结构的区域地震波形反演研究

利用云南数字地震台网的区域地震波形资料,对川滇地区的地壳上地幔速度结构进行了初步研究. 结果表明,川滇地区上地幔顶部P波速度较小,约78 km/s,P波速度在上地幔表现为较小的正速度梯度,S波在100～160 km深度范围内表现为弱低速层. 对于较短的观测路径,不同路径的平均P波和S波速度存在明显的横向变化. 与川滇菱形块体内部的速度结构不同,在块体边界附近可以观测到比较明显的上地壳低速层,我们认为它可能与块体边界的断裂带有关;川滇菱形块体内部存在的下地壳低速层,有利于块体向南滑动,而中上地壳没有明显低速结构,可能表明川滇菱形块体向南滑动的解耦深度至少在下地壳. 根据不同路径的反演结果,给出了云南中部地区地壳内部的平均速度结构.     

通过接收函数和瑞利波联合反演揭示青藏高原东南缘两个壳内低速通道

目前解释青藏高原东缘的生长与扩张有诸多动力学模型,如:刚性块体挤出模型、连续变形和中下地壳流模型。由于受到岩石层结构模型分辨率的限制,青藏高原演化和变形的动力学过程仍不清楚。我们利用最新布设在青藏高原东南缘的地震台阵,通过接收函数和瑞利波联合反演得到了该区高分辨率三维岩石层横波速度模型,更好地揭示了壳内低速带(LVZ)分布特征。我们的速度模型显示研究区壳内存在两个低速通道,这两个低速通道边界与该区主要走滑断裂相对应,且沿着东喜马拉雅构造结顺时针分布,这与该区地壳物质顺时针运动模式比较一致。此外,我们观测到该区域主要大地震分布在这两个低速通道边界区域。据此,我们提出塑性流动和剪切变形在青藏高原的隆升和变形过程中都起了重要作用。     

按方位叠加接收函数分析青藏高原东南缘的地壳各向异性

在各向异性地壳中,来自Moho的P-to-S转换波(Pms)的到时不仅取决于入射角和地壳厚度,而且还随地震事件方位角而变化.地处青藏高原东南缘的川滇地区,地壳变形十分强烈.本文利用川滇地区的108个固定台站记录的远震三分量地震波形数据提取台站下方的P波接收函数,并把接收函数被校正到了同一参考震中距处(例如67°).然后按后方位角10°为间隔将接收函数叠加成一道信号以增强信噪比,并从叠加信号里拾取不同后方位角对应的Pms相的观测到时.在快波极化方向和分裂时间构成的解的平面上,能使观测到时与理论到时之差最小的点即为所求的分裂参数的位置.合成地震图和实际观测数据的实验表明,这个方法不但稳定性较好,而且误差估计也较小.我们从108个台中获得了96个Pms相的分裂参数,结果表明,川滇地区地壳各向异性十分强烈,Pms相分裂时间在0.05s±0.06s到1.27s±0.10s之间,平均值为0.54s±0.12s.地壳各向异性的快波极化方向与地表GPS速度场的差异性表明,印支块体的上下地壳之间是解耦的,而川滇菱形块体北部、松藩—甘孜和四川盆地的上下地壳之间是耦合的.然而,川滇菱形块体南部,地壳变形主要受控于小江断裂和金沙江—红河断裂.     

川西及其邻近地区活动构造基本特征与强震复发模型

川西及其邻近地区位于青藏高原东缘川滇、巴颜喀拉和华南三大活动块体的交接部位,发育着多组具有发震能力的活动断裂。由于横向次级活动断裂的存在,川滇块体可进一步划分为滇中和川西北2个次级块体,巴颜喀拉块体可划分出东端的龙门山次级块体。深部探测反映出川滇和巴颜喀拉块体地壳中均存在着低速-高导层(体),它们是上地壳多震的原因之一。地质研究和现今GPS观测表明:各级块体均存在着SE向或SSE向平移运动、顺时针转动和隆升运动,但量值存在着一定差异。文中还给出了各主要活动断裂带的地质或GPS滑动速率,讨论了目前存在的主要科学问题     

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.     

利用GPS连续资料分析川滇地区的地壳变形特征

利用最小二乘配置、主成分分析、非线性回归等方法,对2010年5月至2013年5月川滇地区GPS连续资料进行分析。结果表明,川滇地区的地壳变形在此时间段呈整体比较稳定的准线性变化趋势,没有出现明显的趋势转折现象;川滇地区的变形速率分布很不均匀,受活动断裂走向、倾向、活动性质的影响,变形速率高值区主要集中在滑动速率比较大的断裂带两侧,这些活动性断裂形成地壳变形速率的梯度带;在小金河断裂南侧、石屏一建水断裂与小江带南段的西北侧、红河断裂与澜沧江断裂的西北段一带分布着一个典型的变形速率低值区,且呈NE/SW走向的低速条带状分布。     

用遗传有限单元法反演川滇下地壳流动对上地壳的拖曳作用

利用震源机制解和地质调查资料,运用伪三维遗传有限单元法反演了中国川滇部分地区（96°E～104°E, 22°N～30°N）受到的边界作用和该地区底部所受的剪切作用力. 对反演方法进行了讨论,获得了稳定的反演结果. 结果显示,该区川滇菱形块体上地壳底部受下地壳南南东向剪切力,与GPS反映的现今地块运动方向大体一致;而研究区域其他地区底部没有受到统一显著的剪切力作用. 结合该地区的研究资料,初步认为青藏高原物质受挤压向东和东南运动过程中,下地壳物质比上地壳更易于流动,从而对川滇菱形块体上地壳有拖曳作用. 从应力场反演的模型位移与GPS实测的现今位移资料也大体吻合,反映结果有合理的物理意义.     

青藏高原东北缘地壳S波速度结构及其动力学含义——远震接收函数提供的证据

利用青海和甘肃地震台网2007—2009年记录的远震波形资料,提取多频段P波接收函数,反演得到了青藏高原东北缘及相邻地块下方0~100km深度的地壳和上地幔S波速度结构.结果表明:(1)青藏高原东北缘的上、下地壳之间普遍存在一个S波速度低速层,其深度由南端的约35km向北变浅约为20km,推测该低速层为一壳内滑脱层,表明东北缘地区的上地壳变形与下地壳解耦,从滑脱层的深度分布可以认为青藏高原东北缘的地壳缩短自南向北进行,现阶段以上地壳增厚为主;(2)昆仑—西秦岭造山带的下地壳厚度较北侧的祁连地块薄,一种推测是西秦岭造山带的下地壳抗变形能力更强,也可能这种差异在块体拼合前已经存在;(3)青藏高原东北缘及鄂尔多斯和阿拉善地块的下地壳S波速度随深度的增加而增加,这种正梯度增加的S波速度结构反映较高黏滞性的下地壳,推测青藏高原东北缘的地壳结构不利于下地壳流的发育.     

利用远震接收函数探测四川盆地及周边地区的地壳结构

青藏高原东南缘的龙门山断裂两侧具有陡峭的地形特征,在约50~100 km的水平距离内,地形高程从2000 m增加到4000 m,该区强烈的壳幔变形特征及地球动力学模式一直是研究的热点问题.本文从四川地区49个固定台站记录的远震资料提取了P波接收函数,获得了四川盆地及周边的地壳厚度和泊松比,并以此构建反演的初始模型.在线性反演的基础上,引入了分别拟合低频和高频接收函数的两步反演技术,用以反演台站下方的地壳S波速度结构.数字试验表明,该方法可以有效抑制接收函数反演的不唯一性,为了得到最优解,最后用Bootstrap重采样技术估计解的不确定性.结果表明,四川盆地的地壳厚度在40~46 km,松潘-甘孜块体北部的地壳厚度为46~52 km,而南部增厚到50~60 km.从四川盆地向西跨过龙门山断裂,地壳厚度增加了10~15 km.在四川盆地及周边地区,地壳泊松比在0.26~0.32之间,呈块体分布特征,高泊松比（0.28~0.32）主要沿龙门山断裂以及安宁河-小江断裂分布.地壳S波速度结构表明,来自青藏高原中部的中下地壳低速层可能受到了坚硬的四川盆地阻挡,改变原来的运动方向并沿龙门山断裂展布,由于低速层的囤积导致该区地形陡峭和下地壳增厚.     

Azimuthal anisotropy of Rayleigh waves beneath the Tibetan Plateau and adjacent areas

The crustal and upper mantle azimuthal anisotropy of the Tibetan Plateau and adjacent areas was studied by Rayleigh wave tomography. We collected sufficient broadband digital seismograms trav-ersing the Tibetan Plateau and adjacent areas from available stations, including especially some data from the temporary stations newly deployed in Yunnan, eastern Tibet, and western Sichuan. They made an adequate path coverage in most regions to achieve a reasonable resolution for the inversion. The model resolution tests show that the anisotropic features of scope greater than 400 km and strength greater than 2% are reliable. The azimuthal anisotropy pattern inside the Tibetan Plateau was similar to the characteristic of tectonic partition. The crustal anisotropy strength is greater than 2% in most re-gions of East Tibet, and the anisotropy shows clockwise rotation surrounding the eastern Himalayan syntaxis. Vertically, the anisotropy direction indicates a coherent pattern within the upper crust, lower crust, and lithosphere mantle of the Tibetan Plateau, which also is consistent with GPS velocity field and SKS fast polarization directions. The result supports that the crust-mantle deformation beneath the Tibetan Plateau is vertically coherent. The anisotropy strength of crust and lithospheric upper mantle in Yunnan outside the Tibetan Plateau is lower than 2%, so SKS splitting from core-mantle boundary to station should largely be attributed to the anisotropy of asthenosphere.     

利用接收函数反演青藏高原西部地壳S波速度结构

相对于宽阔的腹地,青藏高原西部南北向宽度仅约600km,却记录了印度和欧亚板块汇聚的深部过程及其响应.本文用22台宽频带流动地震台站在西缘构建了一条南北向探测剖面(~80°E,TW-80试验).利用接收函数反演剖面下方S波速度结构,综合西部已有的宽频带探测结果,分析认为:印度板块向北俯冲可能已到达班公湖—怒江缝合带附近,俯冲过程中下地壳发生榴辉岩化;喀拉昆仑断裂带、班公湖—怒江缝合带、阿尔金断裂带均为切穿地壳的深断裂,莫霍面发生错断;喀拉昆仑断裂带和龙木错断裂带之间的中上地壳没有发现连续的S波低速体,说明可能缺乏解耦层,支持青藏高原西部地壳为整体缩短增厚模式.     

青藏高原东边缘冕宁—宜宾剖面电性结构及其构造意义

在青藏高原东边缘沿冕宁—宜宾进行了大地电磁探测研究,剖面西起康滇地轴,向东穿过大凉山地块,终止于四川盆地.利用带地形的NLCG(非线性共轭梯度)方法对资料进行了反演,得到沿剖面的二维电性结构.康滇地轴和大凉山地块地壳中存在向上拱起的高导层(HCL),顶面埋深为10～15 km,最浅处不足10 km,厚度大约15～25 km,最小电阻率小于10 Ωm.四川盆地中下地壳不存在高导层.和该剖面北侧的石棉—乐山剖面的地壳电性结构对比分析表明,高导层在南北方向上可能连续延伸,长度大于100 km.壳内高导层的高导电性与岩石的部分熔融有关,并可能含有百分之几的含盐流体,易于流动和变形.青藏高原东部地壳内的可流动层在向东或东南方向流动过程中,由于受到四川盆地的阻挡,转向南或南南东方向,大体沿着大凉山地块的走向.在东西方向,壳内高导层自川滇地块向东运动,穿过大凉山地块西边界的安宁河断裂和则木河断裂,在大凉山地块东部,向四川盆地深部倾俯.本文对于壳内可流动层的存在及其与青藏高原东边缘的变形和地震活动性的关系进行了探讨.     

Structure and Significance of S-wave Velocity and Poisson’s Ratio in the Crust beneath the Eastern Side of the Qinghai-Tibet Plateau

The receiver functions of body waves of distant earthquakes obtained for the regions beneath 41 digital stations (Lhasa and GANZ in Tibet, Mandalay and Rangoon in Myanmar, SHIO in India, CHTO in Thailand, and station network in Sichuan and Yunnan) were used to invert for S-wave structure in the crust and upper mantle in Sichuan, Yunnan, and their surrounding areas. Meanwhile the distribution characteristics of the Poisson’s ration and the crustal thickness in Sichuan and Yunnan areas were also obtained. Results indicate that the depth of Moho beneath the eastern side of Qinghai-Tibetan plateau varies strikingly. It is obvious that the greatest changes in crustal thickness occur in a north-south direction. The crustal thickness decreases from north to south, being as thick as 70 km in eastern Tibet, the northern portion of our area of interest, and less than 30 km in Chaing Mai and Rangoon, the southern portion of our area. There are, however, exceptions regarding the trend. The thickness exhibits an east-west variation trend in the area from Ma’erkong-Kongding in Sichuan to Lijiang in Yunnan. In general the Jinpingshan-Longmenshan fault and Anninghe fault can be taken as the boundaries of this exception area. The thickness in Kongding in the west is 68 km, while it is only 39 km in Yongchuan in the east. Moreover the Poisson’s ratio values in the blocks of central Sichuan and Sichuan-Yunnan Diamond are high, and a low velocity layer in the crust of this area can be obviously detected. The distribution characteristics of the high Poisson’s ratio and the low velocity of the crust in this block correspond to the tectonic structure, being in contrast with the surrounding areas. Combining with the distribution features of the modern tectonic stress field, it is deduced that the Sichuan-Yunnan area is probably the channel through which the materials of the lithosphere flow eastward.     

基于2001年MW7.8可可西里地震震后形变模拟研究藏北地区岩石圈流变学结构

青藏高原岩石圈的流变学结构和形变机制是地学界长期争论的重大科学问题.2001年发生在东昆仑断裂带的M_W7.8可可西里地震造成青藏高原北部地区岩石圈构造应力场的很大改变,引起下地壳与上地幔的快速弛豫形变,从而为研究这一问题提供了难得的机会.本研究采用该区域的GPS震后观测,反演这一地区岩石圈的流变学参数并探讨其形变机制.反演所采用的数据来自45个GPS观测点,其中包括一个中国地壳运动观测网络的基准站,数据最长时间跨度达6.4年.大地震震后形变场主要来源于地壳、上地幔的黏弹性松弛与断层面上的震后余滑,因此本研究同时反演介质的黏滞系数和断层的震后余滑.考虑到东昆仑断层南侧的巴颜喀拉-羌塘地区与北侧的柴达木盆地地区具有明显不同的地壳结构,断层南北两侧采用不同的Burgers体流变学结构,其下地壳-上地幔的短期和长期黏滞系数采用网格搜索法获得;断层震后余滑反演则同时施加近似正比于库仑应力的约束.最终结果显示：东昆仑断层北侧柴达木盆地地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10²⁰ Pa·s;东昆仑断层南侧巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔短期和长期黏滞系数分别为1.5×10¹⁸ Pa·s和1.5×10¹⁹ Pa·s.这一结果表明：巴颜喀拉-羌塘地区下地壳-上地幔黏滞系数显著低于柴达木盆地,意味着巴颜喀拉-羌塘地区下地壳可能存在部分熔融,其地壳形变模式更趋近于连续形变,而柴达木盆地形变模式更趋近于块体运动.研究区下地壳长期黏滞系数比下地壳流模型所主张的黏滞系数高2~3个数量级,表明下地壳流在本地区可能不存在.     

云南地区地壳各向异性及其动力学意义

本文使用中国地震局地壳应力研究所2010—2011年期间在云南地区布设21个宽频带野外流动地震台记录到的波形资料,经时间域迭代反褶积求取远震接收函数,并挑选高质量Pms （莫霍面转换）震相,利用切向能量最小化方法获得283对高信噪比的径向和切向对应的Pms分裂参数,从而得到云南地区各台下方地壳各向异性. 结果显示,研究区内慢波时间延迟量在0.125 s和0.40 s之间变化,平均为0.25 s,且各向异性强弱与构造分布有一定相关性. 在扬子地台和保山地块表现为相对较强的各向异性,而思茅地块相对弱些,说明这些块体受下地壳流的影响作用各不相同. 从各向异性快波方向分布来看,在扬子地台和思茅地块除红河断裂带和澜沧江断裂带走向变化明显地区（如YNL04和YNL12台）外,各向异性方向均与断裂带走向近似平行,说明研究区内大型断裂带控制着下地壳流的构造变形. 腾冲地区的各向异性与其他三个块体均不相同,在该块体内部各向异性快波方向近似呈现出以火山为中心发散状分布,可能说明腾冲火山下方地幔热物质上涌到达下地壳后受上地壳的阻挡作用向四周发散的原因.     

利用接收函数方法研究四川地区地壳结构

采用接收函数反演和共转换点(CCP)偏移叠加成像方法, 利用四川数字地震台网宽频带的52个区域固定地震台站和布设的两条52个宽频带流动地震观测台站的远震地震波形数据资料, 对四川地区地壳结构进行研究。 结果表明, 四川地区的Moho面深度在青藏高原和四川盆地差异明显, 在川西高原地区地壳厚度为52~68 km, 在川滇地块地壳厚度为50~60 km, 在中地壳内存在不连续的低速层分布; 而在四川盆地地壳厚度为38~45 km, 地壳内没有低速层存在。 Moho面深度从川西高原的60多公里至四川盆地的约40 km, 在二者的交界处龙门山断裂带下面, 存在厚度约30 km左右宽的下降过渡带, 说明其下的Moho面可能受断层影响, 结构比较复杂; 在高原地区的上地壳界面和下地壳上界面比四川盆地的相应界面深; 高原地区在中地壳的上部有不连续的低速层分布, 在松潘—甘孜地块的上地壳下部存在向南东运动的脆性推覆体, 在羌塘—理塘地块的上地壳下部存在向南东和南运动的脆性物质流动。