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.     

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.     

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.     

云南地区地壳中上部横波速度结构研究

根据云南地区的基阶瑞利波相速度频散资料，用面波层析成像方法反演得到该区域中上地壳S波速度结构. 给出了研究区域内在4个深度上的S波速度水平分布图像和沿100.5°E、24°N、25°N、26°N及27°N的S波速度-深度剖面图. 结果表明：在小江断裂与红河断裂围成的川滇菱形块体内，26～30km深度处的速度明显低于周边地区，其南段从地表到15km深度均为明显的低速区域. 云南地区的强震（M＞6.0）震中位置与S波速度分布图像具有明显的相关性，主要分布于高速与低速的过渡区域.     

南北地震带南段远震P波走时层析成像研究

南北地震带南段位于青藏高原东南缘,是青藏高原与扬子克拉通的过渡地带.本文收集了该区域内90个固定台站和356个流动台站的远震波形数据,采用波形互相关方法拾取了88691个P波走时残差数据,应用FMTT(Fast Marching Teleseismic Tomography)层析成像方法获取了南北地震带南段深部的三维P波速度结构.结果显示了研究区深部的结构具有显著的不均匀性:腾冲火山地区深部400km以浅的深度内分布着明显的低速异常;四川盆地西南部下方300km内具有较强的高速异常;在上地幔顶部,沿川滇菱形块体周边的大型断裂带及川滇菱形块体南端分布着显著的低速异常,这些低速异常为青藏高原物质向东南方向挤出提供了必要的通道;保山地块下方存在一东倾的高速异常带,该高速异常带为印度板块岩石圈向东俯冲的体现.     

利用地震面波频散重建川滇地区壳幔S波速度

利用适配滤波频时分析技术分析覆盖川滇地区的长周期面波记录,计算了周期10~100 s内的面波群速度频散,对研究区进行划分尺度大小1.5°×1.5°分格后,采用射线追踪方法求取各分段射线的长度和时间,得到各个格子的纯路径频散.继而采用阻尼最小二乘法求解,反演得到该研究区壳幔S波速度分布.研究结果表明,川滇地区表现出地壳增厚和缩短,在地壳和上地幔顶部,川滇菱形块体内部与其外部相比,虽然存在局部速度负异常,总体上呈相对高速,其周边的走滑断裂带呈现深至上地幔顶部的负速度异常,这有助于地壳块体沿断裂的侧向挤出;此外,云南西部和四川西部壳内和上地幔高导层的存在被认为是与部分熔融的物质或与滑脱构造相关联;从纬向剖面和经向剖面可以得到四川盆地莫霍面平均深度大约为45 km,云南地区莫霍面深度南北方向不一致,云南地区最北端深度达到49 km,南端莫霍面深度大约为36 km,这说明不同构造块体在构造运动过程中受到影响的程度不同.     

青藏高原东南缘地壳上地幔三维S波速度结构及动力学意义

青藏高原东南缘地形地貌复杂,构造运动强烈,是研究青藏高原地下变形和物质运移的重点区域.文章通过该区域132个固定台站的10年地震瑞利面波的双台法频散分析,并融合背景噪声方法的面波频散数据,获得了周期为5～150s的瑞利面波相速度频散资料,然后使用面波直接反演方法得到了该区域从地壳到上地幔顶部的三维S波速度结构模型.观测到该区域中下地壳存在两条低速带,分别分布在松潘-甘孜块体与川滇菱形块体西北部地区,以及小江断裂带及其东侧的云贵高原地区.小江断裂带及东侧的低速体很可能是其地壳本身增厚导致了壳内长英质物质发生塑性变形甚至部分熔融而造成的.此外,该区域中下地壳呈现显著的正径向各向异性(VSHVSV)也增强了VSV结构的低速异常幅度.小江断裂带的壳内低速异常体向南跨过红河断裂带延伸到越南北部,其形成可能与上地幔热源密切相关.两条壳内低速带在安宁河-则木河断裂带附近被一个高速体所隔开,其正好位于峨眉山大火成岩省的内带和中带区域.在云南中部峨眉山大火成岩省内带地壳中观测到了一个非常明显的柱状高速体,可能是峨眉山大火成岩省形成时残留在地壳中的基性-超基性物质.在上地幔顶部,红河断裂以南的印支和华南块体中出现了大范围的低速异常,并随着深度增加逐渐沿着小江断裂带向北延伸进入扬子克拉通.基于成像结果,认为青藏高原东南缘正同时经历三种不同模式的构造运动:(1)上地壳物质强度较大,在大型走滑断层的控制下呈刚性挤出;(2)中下地壳存在被较高强度物质分隔开的两片黏塑性物质区域,在区域应力场和断裂带的控制下向南发生塑性运移;(3)红河断裂以南的上地幔主要受控于大规模的软流圈物质上涌,与岩石圈拆沉和缅甸下方印度板块的东向俯冲与后撤密切相关.     

青藏东南缘背景噪声的瑞利波相速度层析成像及强震活动

为研究青藏东南缘的速度结构及其与地震的关系,本研究使用云南区域地震台网的55个宽频带地震台站连续地震背景噪声数据,采用双台站互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,提取相速度频散曲线,根据面波层析成像反演得到云南地区周期5~34 s范围内相速度分布图像.反演结果揭示研究区地壳及上地幔速度结构存在明显横向不均匀性.短周期(5~12 s)相速度异常与研究区内沉积层厚度、结晶基底埋深等区域地质构造有密切的关系;16~26 s周期内由红河断裂、小江断裂和剑川断裂围成的"川滇菱形块体"内呈现大范围的低速异常,至30~34 s时"川滇菱形块体"下方又变为高速异常,纵观整个范围川滇菱形块体内相速度的变化情况,暗示中下地壳处的低速异常区很可能就是青藏高原下地壳流的通道.1970年以来的地震活动显示,云南区域强震活动空间分布不均匀,具有比较显著的块体活动特点,但大多数集中在上地壳,除滇中块体外,地震主要发生在高低速分界面和低速异常区,震级一般不超过7级.在深度15~30 km范围内,5级以上强震的数量很少,但7级以上地震却集中在这个深度范围,主要发生在高低速分界面并更深入到相对高速的异常体内.     

南北地震带的瑞利波群速度与地壳结构

本文用长周期面波资料研究了南北地震带及其西侧的地壳结构。结果表明:南北地震带的地壳厚度具有南薄北厚,西厚东薄的特征,南北带和其西侧区域地壳内都存在有低速层;地壳横波平均速度很低,约为3.37公里/秒;上地幔顶部的横波速度只有4.40公里/秒;南北带北段可能存在上地幔物质上隆,岩石圈厚度只有60多公里,该区域地壳底部存在有低速层。     

云南数字地震台站下方的S波速度结构研究

通过对云南数字地震台站的宽频带远震接收函数反演，获得了云南地区数字地震台站下方0-0km深度范围的S波速度结构.结果表明，云南地区地壳厚度变化剧烈，中甸、丽江等西北部地区，地壳厚度达62km左右，景洪、思茅和沧源等南部地区，地壳厚度仅为32-34km.厚地壳从西北部向东南方向伸展，厚度和范围逐渐减小，至通海一带地壳厚度减为42km，其形态和范围与小江断裂和元江断裂围成的川滇菱形块体相一致.地壳厚度较小的东、南部地区Moho面速度界面明显；在地壳厚度较大或变化剧烈的地区，Moho面大多表现为S波速度的高梯度带.云南地区S波速度结构具有很强的横向不均匀性.km深度以上，北部地区S波速度明显低于南部地区，在-20km深度范围内，北部地区的S波速度比南部地区高.地壳内部S波速度界面的连续性较差，低速层的深度和范围不一，近一半的台站下方不存在明显的低速层.受南部地区上地幔的影响，40-50km深度范围内，S波速度南部高、北部低，高速区随深度增加逐渐向北推移，低速异常区形态与川滇菱形块体的形态趋向一致.70-80km深度的上地幔速度分布与云南地区大震分布具有一定的相关性.     

青藏高原东南部地区瑞雷波相速度层析成像

本研究收集了"中国地震科学探测台阵-南北地震带南段"项目325个流动宽频带台站于2011年8月至2012年9月记录的远震垂直向资料,利用双台法测得了3594条独立路径上的瑞雷波相速度频散曲线,反演得到了青藏高原东南部地区周期10~60s瑞雷波的相速度分布图像.空间分辨尺度图表明,在台站覆盖范围内的绝大部分地区横向分辨率达到50km.2D相速度分布图显示,青藏高原东南部地区地壳上地幔S波速度结构存在较明显的横向非均匀性.短周期(如10s)的相速度分布主要受地表沉积层厚度的影响.绝大多数地震发生在周期15s相速度图上的低速区或高低速的陡变梯度带附近,充分说明该区的强震活动与中上地壳速度结构的变化有直接关系.中等周期(如20~30s)的相速度分布主要与中下地壳速度结构、地壳厚度密切相关,小江断裂、松潘—甘孜块体呈现最显著的低速,可能暗示这两处的中、下地壳存在低速层.较长周期(如40~60s)的相速度分布与上地幔顶部热状态和构造活动(如岩浆作用)有关.滇西南地区表现为大范围的显著低速,可能暗示滇西南地区上地幔顶部物质存在部分熔融.不同构造块体下方的频散曲线,具有不同的相速度特征.腾冲火山下方的频散曲线在10~60s一直为较低的速度,尤其是到40s以后,相速度随周期的变大增速明显放缓,至60s比其他任何块体速度都低,暗示腾冲火山区下方的低速至少来自上地幔顶部(约100km).     

JOINT INVERSION OF AMBIENT NOISE AND SURFACE WAVE FOR S-WAVE VELOCITY OF THE CRUST AND UPPERMOST MANTLE BENEATH WEIHE BASIN AND ITS ADJACENT AREA

The Weihe Basin is the main component of the extrusion and escape shear zone between the ancient North China craton block in Ordos and the ancient Yangtze platform in Sichuan Basin, and carries the dynamic transmission from the main power source of the Qinghai-Tibet Block in the west to the North China and South China regions in the east. The basin itself plays multi roles in the east-west and north-south tectonic movement, and is an excellent site for studying the structural interlacing, dynamic transformation and transmission. At the same time, Weihe Basin is also a famous strong earthquake zone in China. Historically, there was a strong earthquake of magnitude 8 1/4 occurring in Huaxian County in 1556, causing huge casualties and property losses. In view of the special geological structures and the characteristics of modern seismicity activities in the Weihe fault-depression zone, it is necessary to carry out fine three-dimensional velocity structure detection in the deep part of Weihe Basin and its adjacent areas, so as to study the relationship between velocity structure and geological structural units and their evolution process, as well as the deep medium environment where earth￣quakes develop and occur. We investigate the S-wave velocity structure beneath Weihe Basin and its adjacent regions based on continuous background noise data and teleseismic data recorded by 257 broadband stations in Shaanxi Province and its adjacent regions and China Seismological Science Array Exploration Project, and by adopting seismic surface wave inter-station method and background noise cross-correlation method, a total of 10 049 fundamental-mode Rayleigh surface wave phase velocity dispersion curves in the periods of 5~70s are obtained. Firstly, using the average dispersion curve in this study area, we obtain the one-dimensional average S-wave velocity structure model of the study area, and then we apply the ray-tracing surface-wave-dispersion direct inversion method to obtain the S-wave velocity structure of the crust and uppermost mantle (3~80km) beneath Weihe Basin and its adjacent regions. The test results of a 1°×1° grid checker board show that the recovery is good, except for the areas east of 111° and south of 32° of the study area, where there is almost no resolution. The imaging results show that the velocity structure beneath each tectonic unit in the study area has a certain distribution rule, and there is a good correlation between surface geological structure and deep velocity structure. Based on the analysis of velocity slices at different depths and S-wave velocity structures of three profiles, and combined with existing geological structures, geophysics and other deep exploration research results, we obtain the following knowledge and conclusions:1)The thick sedimentary layer covering the top of Weihe Basin is the cause of low velocity anomaly in its shallow crust, the middle and upper crust of the basin are of low velocity structure, and the low-velocity zone extends about 25km, the Moho interface uplifts abruptly relative to both the Ordos Block and the Qinling orogenic belt on opposite sides, and high-speed materials from the upper mantle intrude into the lower crust, which may be related to the underplating of mafic-ultramafic materials from the upper mantle in Mesozoic-Cenozoic period; 2)The south Ordos Block is not a homogeneous whole, the low-velocity structure of the shallow crust in southern Ordos Block is thin in east and thick in west, which may be related to the overall tilting of the Ordos Basin since the Phanerozoic, as well as the differential uplift and strong and uneven denudation of the Ordos Block since the Late Cretaceous. The crustal structure of the south Ordos Block is relatively simple and homogeneous. There is no significant low-velocity structure in the curst of the block, which shows that the low-velocity structure in the crust does not penetrate the whole Ordos block. We speculate that the southern Ordos Block still maintains the stable craton property, and has not been reformed significantly so far; 3)The variation characteristics of deep structure of the Qinling orogenic belt reflect the deep crustal structure and tectonic deformation characteristics of the orogenic belt which are strongly reformed by land-land collision and suture between North China plate and Yangtze plate, intracontinental orogeny, uplift of Qinghai-Tibet Plateau and its northeastern expansion since the Late Hercynian-Indosinian period. The deep structure beneath the eastern and western Qinling orogenic belt is different and has the characteristics of segmentation. The low-velocity anomaly at the bottom of the lower crust of the orogenic belt may be affected by tectonic activities such as uplift and outward extension of the NE Tibetan plateau, and the analysis considers that there is little possibility of the existence of lower crustal circulation channel for the eastward flowing of Tibetan plateau materials in the Qinling orogenic belt. However, since the maximum depth from the inversion of this paper is 80km, which is located at the top of the upper mantle, our results cannot prove that there exists a mantle flow channel for the eastward flow of Tibetan plateau material beneath the Qinling orogenic belt.     

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.     

川西龙门山及邻区地壳上地幔远震P波层析成像

本文利用川西地震台阵记录到的远震P波走时数据和非线性层析成像算法,获得龙门山地区400 km深度范围内的三维P波速度结构.为了适应川西地区复杂的地质结构,本文的层析成像方法采用了快速行进三维走时计算算法和Tarantola非线性反演算法.我们的结果揭示了川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地三个不同地块构造差异及该区深部动力学特征.本文的研究表明：1）研究区地壳上地幔P波速度结构具有较为明显的分区特征,松潘-甘孜地块和川滇地块岩石圈速度较低,四川盆地岩石圈速度较高,四川盆地的岩石圈厚度从南250 km向北逐渐减薄至100 km.松潘-甘孜地块上地幔存在地幔上涌的特征.2）川滇地块和四川盆地仅是垂直接触关系,而在龙门山地区四川盆地前缘存在减薄的现象,并伴随松潘-甘孜地块上地幔低速物质有侵入四川盆地岩石圈下方的特征,这显示了四川盆地与松潘-甘孜地块和川滇地块的动力学关系的差异.3）以映秀为界,龙门山断裂带被从松潘-甘孜侵入的低速异常分为南北两段：龙门山南段和龙门山北段,汶川大地震及其余震序列均分布在龙门山断裂带的北段.在青藏高原向东挤压和地幔上涌的双重作用下造成松潘-甘孜地块隆升,由于汶川处于龙门山北段的最南端,应力容易在此集中.这些因素可能是汶川M_S8.0地震的基本动力学背景.本文的结果不支持四川盆地的俯冲及层间流动的动力学模型.     

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.     

Crustal structure of the northeastern Tibetan plateau,the Ordos block and the Sichuan basin from ambient noise tomography

We apply ambient noise tomography to significant seismic data resources in a region including the northeastern Tibetan plateau,the Ordos block and the Sichuan basin.The seismic data come from about 160 stations of the provincial broadband digital seismograph networks of China.Ambient noise cross-correlations are performed on the data recorded between 2007 and 2009 and high quality inter-station Rayleigh phase velocity dispersion curves are obtained between periods of 6 s to 35 s.Resulting Rayleigh wave phase velocity maps possess a lateral resolution between 100 km and 200 km.The phase velocities at short periods (20 s) are lower in the Sichuan basin,the northwest segment of the Ordos block and the Weihe graben,and outline sedimentary deposits.At intermediate and long periods (25 s),strong high velocity anomalies are observed within the Ordos block and the Sichuan basin and low phase velocities are imaged in the northeastern Tibetan plateau,reflecting the variation of crustal thickness from the Tibetan plateau to the neighboring regions in the east.Crustal and uppermost mantle shear wave velocities vary strongly between the Tibetan plateau,the Sichuan basin and the Ordos block.The Ordos block and the Sichuan basin are dominated by high shear wave velocities in the crust and uppermost mantle.There is a triangle-shaped low velocity zone located in the northeastern Tibetan plateau,whose width narrows towards the eastern margin of the plateau.No low velocity zone is apparent beneath the Qinling orogen,suggesting that mass may not be able to flow eastward through the boundary between the Ordos block and the Sichuan basin in the crust and uppermost mantle.