基于台阵记录的土层山体场地效应分析

选取2008年5月25日至8月7日期间由甘肃省文县上城山地形效应台阵获取的12次汶川地震余震事件(M_S≥4.0),在分析其地震动基本参数的基础上,采用参考场地谱比(RSSR)法和水平-竖向谱比(HVSR)法,研究了不同地震作用下上城山地形台阵的场地效应.分析结果显示:随着高程和覆盖层的增加,记录台站地震动的PGA呈增大趋势,地震频谱形状由宽变窄;上城山台阵记录到的地震波在地形基阶频段(2—4 Hz)和浅部土层频段(7—9 Hz)的幅值明显放大,RSSR曲线显示山顶NS向的土层频段谱比大于山体地形频段谱比;由于土层山体竖向地震动在中高频段放大,使得HVSR方法谱比结果在中高频段较RSSR方法所得结果明显偏低,而在山体基阶频段附近两种方法的谱比值接近.松散土层山体的台阵记录特征体现了地形和土层对地震动的联合作用,揭示了强震区起伏地形场地震害加重及地震滑坡集中发生的原因所在.      

接收函数方法的研究综述

从远震体波波形数据中提取的P波接收函数和S波接收函数已经成为研究台站下方地壳上地幔速度间断面的最有效的方法之一.P波接收函数已经被广泛应用于获取地壳内部S波速度结构、地壳厚度及物质成分组成、地幔过渡带的厚度变化以及岩石圈地幔的间断面等,而S波接收函数是P波接收函数的一个很好的补充,因为在Moho和地幔过渡带之间的深度范围内,Sp转换波比来自浅部间断面的多次波到达早,而在P波接收函数中,相同深度范围的间断面的Ps转换波往往被来自浅部间断面的多次波干扰或者淹没,因此S波接收函数是目前获取岩石圈地幔深度范围内速度间断面结构(如Moho和LAB)的比较有效的方法,比面波观测具有更高的分辨率.本文详细阐述了P波接收函数和S波接收函数的方法原理以及在地壳上地幔速度间断面的研究中所采用的研究思路.     

P波和S波接收函数的贝叶斯联合反演

S波接收函数对于研究岩石圈速度结构具有重要价值. 本文利用合成地震图技术研究了S波接收函数的动力学特征. 在接收函数非线性复谱比反演方法的基础上,发展了基于贝叶斯理论的P波和S波接收函数的非线性联合反演方法. 结果表明:(1)适用于S波接收函数反演的震中距范围约为55°~80°,S波接收函数反演要求所用远震事件的震级大于5级; (2)与陡变的岩石圈底部界面(LAB)相比,梯度带类型LAB上生成的S_LP转换波相对较弱,台站下方的沉积盖层有助于相对增强S_LP震相; (3)由于S波接收函数径向分量不符合δ脉冲,不依赖于等效震源假定的三分量接收函数多道最大或然性反褶积方法更适合S波接收函数的估计;(4)数值检验的结果表明,在初始模型速度参数偏离真实模型20%的情况下,本文的方法能够预测300 km深度范围内的P波和S波速度结构;(5)观测数据的反演结果表明,由于P波接收函数低频分量相对不足,本文的联合反演方法对于大于100 km深度上地幔的S波速度结构约束相对较弱.     

长白山火山区壳幔S波速度结构研究

利用面波层析成像和远震接收函数方法对长白山地区的地壳上地幔速度结构进行了研究。结果表明:长白山火山区附近存在岩石圈减薄、上地幔软流圈增厚以及上地幔S波速度降低等与上地幔高温物质有关的现象,它表明长白山的岩浆系统一直延伸到上地幔软流圈范围。天池火山区地壳内部存在明显的S波低速层,在离天池火山口较近的WQD台附近,低速层顶部埋深约8km,厚度近20km,S波最小速度约2.2km/s。在距离天池火山北部50km的EDO台地壳中没有明显的低速层。火山区S波速度结构总体表现出距离天池越近,地壳的V_P/V_S越大,低速层的厚度和幅度增加的特征,表明天池火山口附近地壳内部存在高温物质或岩浆囊。CBS台站不同方位的接收函数及反演结果表明,地表低速层厚度以及莫霍面深度存在随方位的变化。地表低速层在南部方向明显较厚,莫霍面深度在南部天池火山口方向存在小幅度抬升。CBS台站附近特殊的近地表速度结构可能是该台站记录的火山地震波形主频较低的主要因素。天池火山口附近莫霍面的小幅度抬升意味着存在与火山作用有关的壳幔物质交换通道     

基于谱比法的江苏强震动台站场地特征分析

选取江苏省强震动台网近年来获得的强震动记录,基于水平竖向谱比法(HVSR),计算了22个强震动台站的速度反应谱平均谱比曲线,采用谱比形状一致法进行场地分类,并结合典型台站场地的工程地质资料进行对比分析。研究结果表明,平均谱比曲线的卓越周期、场地放大等特征与台站场地地质资料相吻合,与传统场地分类方法相比,基于谱比法的场地特征分类方法能够突出不同场地的地震动反应特征,较好地体现了台站的场地反应特征。     

场地地震动水平/竖向谱比与地表/基底谱比差异及修正水平/竖向谱比法研究

局部场地条件是决定场地地震动强度和频谱的重要因素，基于强震动和脉动记录的统计分析，获取表征场地条件影响的特征参数已成为确定工程场地设计地震动的较经济和实用方法，特别是对于大范围或难以开展现场勘测的工程场地。利用日本KiK-net台网强震动记录计算分析了台站场地地震动水平/竖向谱比（HVSR）与地表/基底谱比（SBSR）的差异，揭示SBSR/HVSR与HVSR呈对数线性分布的统计特征，并给出其定量关系，据此提出表征场地对地震动影响的修正水平/竖向谱比法。修正水平/竖向谱比法具有仅需地表观测记录的优势，并进一步考虑了场地竖向地震效应对水平/竖向谱比法精度的影响，更能合理地表征场地对地震动的影响。     

分析P、S波接收函数得到的云南岩石圈结构

P波接收函数通过分离间断面上产生的P-to-S转换波来测量间断面的深度,由于地壳多次相的干扰,导致这一方法用于测岩石圈—软流圈界面(LAB)受到了很大的限制.不过,S波接收函数可以克服这一问题,因为它分离S-to-P转换相,而这一转换相比入射S波提前到达台站,于是避开了迟到的地壳S波振荡相.然而,由于S波的频率比P波低,这将导致S波接收函数的分辨率较P波接收函数的低.为了作对比分析,本文利用云南地区13个固定台站记录的远震三分量资料,分离出台站下方的P、S波接收函数,而且这些接收函数被校正到67°的参考震中距处,以便进行叠加增强信噪比.最后将时间域的叠加信号转换到深度域,分别获取台站下方的地壳和岩石圈的厚度.结果表明:P波接收函数得到的地壳厚度在32~56 km之间,S波接收函数得到的地壳厚度在41~54 km之间,S波接收函数得到地壳厚度系统地偏大8~9 km;P波接收函数得到的LAB深度在65~110 km之间,S波接收函数得到的LAB深度在66~135 km之间,S波接收函数得到的LAB深度偏大15~20 km,最大偏差达到了25 km.     

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.     

利用近震高频接收函数研究四川理县西山村滑坡体结构

远震接收函数已广泛用于反演台站下方的结构,然而由于地球的非弹性衰减作用,远震数据较难获得高频接收函数,对浅地表结构约束不足.为了克服这一问题,我们使用近震数据的高频接收函数来研究浅表速度结构,并应用于四川理县西山村滑坡体上3个宽频带地震仪记录到的近震事件.本文发展了接收函数V_P-k(V_P/V_S)叠加方法,结合接收函数H-k叠加和波形反演方法获得了台站下方滑坡体的厚度、S波速度和平均V_P/V_S比,并与钻孔得到的滑坡体厚度进行对比.结果表明,滑坡体具有小尺度的横向不均匀性,台站下方滑坡体的平均V_P/V_S比在2.4~3.1之间变化并且在底层存在78~143m·s~(-1)左右的S波低速层.本文观测到的高V_P/V_S比和底层低的S波速度结构,与电磁法获得的滑坡体底层低的电阻率和底部富水特征一致,表明滑坡体h1底界面的抗剪强度相对较弱,是潜在的滑坡危险区域.本文研究结果表明,利用近震接收函数能有效约束浅表的速度结构,进而能为滑坡灾害治理提供一定的地震学参考.     

利用接收函数方法确定青藏高原东北缘近地表S波速度

公式推导和数值实验都表明远震接收函数直达波幅度对近地表S波速度比较敏感,可以用于确定近地表（如沉积层）的S波速度值.本文利用该方法分析了青藏高原东北缘区域数字地震台网36个台站的远震资料,得到了研究区近地表S波速度分布特征.研究结果表明：在深度5±2.5 km范围内,祁连山—河西走廊区域近地表S波速度均值较小;位于地形梯度带的甘东南区域近地表S波速度呈现较为复杂的分布.通过与该区域沉积层厚度结果对比,发现近地表S波速度与沉积层厚度呈现较好的负相关.本研究是对目前接收函数方法的有效补充,在探测研究近地表速度结构方面,相比人工地震方法其成本几乎可忽略且环保.在目前地震波观测数据海量增长的背景下,该方法对于确定不同区域近地表结构具有较大潜力.     

中国东部地区的壳-幔过渡带结构

莫霍面是地壳和上地幔的边界,但莫霍面并不是一个简单的"面",而是一个反映地壳和地幔物质交换、相互作用等动力学意义的"过渡带".本文综合深地震反射、宽角地震折射和高温高压岩石物理实验结果,确定壳-幔过渡带的地震P波速度变化范围为6.8~7.5 km·s^-1.在克拉通等构造活动稳定地区壳-幔过渡带内的速度梯度强且壳-幔过渡带厚度薄,而在造山带等构造活动区域壳-幔过渡带内的速度梯度弱且壳-幔过渡带厚.中国东部地区的壳-幔过渡带的平均厚度约为5~10 km,在四川盆地下方最薄（<5 km）,而在华北克拉通中部造山带下方的壳-幔过渡带最厚（~30 km）.综合地球化学结果,华北中部巨厚壳-幔过渡带主要是幔源岩浆的底侵作用和堆晶作用而形成.     

基于地震背景噪声的四川威远地区浅层速度结构成像研究

地震S波速度是防震减灾中场地分类、强地面震动模拟建模等的重要参数.地震背景噪声成像方法可以重建地下浅层三维结构以及探测浅层速度结构变化,为页岩气开采提供参考,有效规避地震灾害风险.本文收集了2015年11月至2016年2月间四川威远地区50个流动台站记录到的垂直分量连续波形记录,利用波形互相关提取2~6 s的基阶Rayleigh波经验格林函数,采用一维地壳结构模型拟合相速度频散曲线,获得了该区域近地表5 km以内的三维S波速度模型.结果表明,威远地区深度2 km以内的S波速度为2.0~2.7 km·s^-1;2.0~5.0 km深度的S波速度横向分布不均匀,西北地区大于2.7 km·s^-1,东南地区在2.3~2.8 km·s^-1之间,分别与背斜构造和较厚的盆地沉积层相对应.3个剖面图均表明S波速度随着深度的增加而逐渐增大,并且在台站S29附近的页岩气田钻井底部与2016年1月7日四川威远M_L3.9地震震源位置较为接近,均处于松散的沉积盖层与较为坚硬的花岗岩基底的分界处,推测它们之间可能存在一定的联系.     

峨眉山大火成岩省地壳横波速度结构特征及其动力学意义

峨眉山大火成岩省是我国境内最早获得国际学术界广泛认可的大火成岩省,对于认识地幔柱形成与作用机理、生物与环境演化、资源富集与成矿机制等具有重要意义.本文利用峨眉山大火成岩省宽频带地震台阵(COMPASS-ELIP)以及云南、四川区域地震台网的部分台站资料,基于分格加权叠加策略实现接收函数和面波频散在信息来源和分辨尺度方面的协同;进而开展联合反演,重建了峨眉山大火成岩省关键剖面下方的地壳横波速度结构.研究结果显示:研究区地壳平均S波速度,沿剖面呈现自西向东先增大后减小的分带性,内带中、下地壳速度较高,尤其是下地壳存在明显的高速异常(V_s约3.8~4.2 km·s~(-1))丽江—小金河断裂带和水城—紫云断裂带的东西两侧,中上地壳存在低速层(V_s约3.3 km·s~(-1)),尤其是水城—紫云断裂带东西两侧的中地壳低速层尤为明显.结合本文以及现有的系列研究结果,进一步确认内带中、下地壳高速对应二叠纪古地幔柱作用的遗迹,大规模岩浆的底侵和内侵,不仅改造了滇中块体的地壳结构和组分,而且也改变了地壳的流变强度,进而对现今青藏高原东南缘的深部过程产生了深远影响.     

中国东部及其邻区上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性

中国东部地处欧亚板块东南部,紧邻西太平洋板块俯冲带,有着复杂的地质构造和深部结构,是国内外学者研究的重点区域.本文采用Pn波层析成像方法反演得到了中国东部及其邻区上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性.研究中应用的Pn到时数据主要来自多种地震观测报告,并特别补充了东北流动台阵、华北流动台阵以及区域地震台网记录的地震事件,拾取了大量高精度的Pn到时数据,最终挑选出2049个台站记录的24072次地震的240814条Pn波到时数据.结果显示,中国东部地区上地幔顶部平均速度为8.06 km·s^-1,速度变化范围为7.81~8.32 km·s^-1.东北地区东部表现为显著的低速异常,华北克拉通中、东部Pn呈现低速,而西部地区则表现为高速异常,华南地块主体表现为高速.反演结果还揭示江汉盆地、下辽河盆地、二连盆地及海拉尔盆地都显示出高速,而四川盆地和松辽盆地内部则呈现出不均匀的结构特征.四川盆地的高速异常显示出明显的分块现象,这可能是该盆地在沉积前具有不同的基底物质;松辽盆地的北部呈现为高速,而南部却表现为低速异常,这一特征与松辽盆地南、北部分别为高、低热流相对应,暗示盆地南部的岩石圈已经历了改造.研究进一步揭示Pn波低速区和高、低速过渡带的各向异性也较为强烈,而大部分强震都发生在这些区域之上的地壳内,说明这些部位容易发生变形而应力集中或产生应力差.     

宁化—大田—惠安地壳构造与速度结构特征

福建地处欧亚大陆东南缘,新构造活动强烈,区内北东向断裂带异常发育,是华南震区中、强地震活动的频发区.为深入认识我国东南沿海地壳上地幔速度结构特征及其深部构造背景,福建省地震局联合中国地震局地球物理勘探中心于2010年至2012年在福建陆域实施由18次人工爆破、四条北西向原生纵测线和四条北东向集成纵测线构成的三维人工地震测深实验.本文对该实验中以北西-南东走向近似垂直穿过政和—海丰断裂的宁化—大田—惠安深地震测深测线数据进行处理解释,采用地震射线走时正演构建了该剖面二维地壳速度模型.结果显示,沿剖面地壳厚度由西向东逐渐减薄,其西北侧地壳厚约31.8km,东南侧地壳厚达28.4km.剖面上地壳P波速度从5.90km·s~(-1)逐渐增加至6.20km·s~(-1),上地壳厚度横向变化不大,厚度在16~17km左右,但是下地壳厚度由西向东减薄较为明显.地壳以政和—海丰断裂为界,东西两段具有明显不同的速度结构,呈西段速度偏低、东段速度较高的特性,且西段在上下地壳分界面下方存在一个低速层.研究表明,剖面不同区段呈现出的速度结构差异与该区大地构造单元的划分基本吻合,剖面解释结果和以往远震接收函数研究结果均印证了作为闽西南坳陷带和闽东火山断陷带分界线的政和—海丰断裂是一条切割至下地壳底部的深大断裂.     

西沙地块地壳结构及其构造属性

西沙地块作为在南海形成演化过程中形成的微陆块,记录了南海演化历史的重要信息,其地壳结构、物质组成及构造属性是探讨南海形成演化的关键.基于采集到的OBS2013-3测线海底地震仪数据,用射线追踪和正演走时拟合方法,获得了西沙地块的二维纵波速度模型.模型显示沉积层速度为2.2~3.2km·s-1,厚度为0.8~3.0km,局部基底面起伏较大,上地壳顶部速度为5.0~5.5km·s-1,下地壳底部速度为6.9km·s-1,上地幔顶部速度为8.0km·s-1.西沙地块的地壳厚度平均为23km,上地壳厚度约为9km,下地壳厚度约为14km,莫霍面埋深为23~27km.从穿过西沙地块的纵、横两条大剖面推算,块体大小约为9.2×105 km3,与华南陆缘相比,表现为整体减薄的陆壳特征.西沙地块与南沙地块垂直于西南次海盆扩张脊分布,根据二者地壳结构的特征对比,二者互为共轭关系.     

新疆东准噶尔花岗岩类岩石高温高压弹性波速度及其对地壳结构的约束

应用超声波反射-透射法,在最高压力为1.0 GPa（室温）,最高温度为700℃（1.0 GPa）的条件下对新疆东准噶尔地区的卡拉麦里花岗岩带和野马泉岩体的典型花岗岩类岩石（碱长花岗岩、碱性花岗岩、花岗闪长岩、二长花岗岩和石英闪长岩）的纵波速度（V_P）和横波速度（V_S）进行了测量.结果显示,在常温、压力0.4~1.0 GPa条件下,东准噶尔地区花岗岩类岩石的V_P和V_S均随压力呈线性增加,说明在这个压力段岩石中的微裂隙已基本闭合.室温、1.0 GPa时花岗岩类岩石的V_P是5.79~6.84 km·s^-1,V_S是3.26~3.85 km·s^-1.依据压力与V_P及压力与V_S的线性关系,拟合得到常温常压下花岗岩类岩石的纵波和横波压力系数分别是0.1568~0.4078 km/（s·GPa）和0.0722~0.3271 km/（s·GPa）,V_P0和V_S0分别是5.62~6.47 km·s^-1和3.15~3.75 km·s^-1.恒压1.0 GPa、室温到700℃条件下,花岗岩类岩石的V_P和V_S均随温度的升高呈线性降低,温度系数分别为（-3.41~-4.96）×10^-4 km/（s·℃）和（-0.88~-3.22）×10^-4 km/（s·℃）.利用实验获得的花岗岩类岩石的V_P0、V_S0及温度系数和压力系数,结合东准噶尔地区的地热资料,建立了V_P和V_S随深度变化的剖面.将获得的V_P和V_S-深度剖面与该区地球物理探测结果对比,发现东准噶尔地区的碱长花岗岩、碱性花岗岩、二长花岗岩和部分花岗闪长岩的V_P和V_S与该区上地壳速度吻合很好,同时这几种岩石的平均泊松比也与上地壳泊松比一致,因此我们认为这几种类型的岩石是该区上地壳的重要组成部分.另外,石英闪长岩的V_P和V_S均符合中地壳的速度,可能为中地壳中的一种岩石.     

华北克拉通东部地壳与地幔盖层结构——长观测距深地震测深剖面结果

利用文登—阿拉善左旗长观测距地震宽角反射/折射剖面东段资料,辩识出4组地壳震相和3组地幔盖层震相.采用二维射线追踪走时反演和正演拟合交替计算方法,得到了包括鲁东隆起和华北裂陷盆地在内的地壳和地幔盖层二维速度结构.研究结果表明:华北裂陷盆地基底深达6km以上,研究区壳内界面C1埋深约15km,C2界面深约25km,Moho面平均埋深约35km.上地壳速度6.0~6.1km·s-1,且横向变化较大;中地壳速度相对均匀约为6.2~6.4km·s-1;下地壳速度为6.5~7.0km·s-1,速度梯度较大.地壳平均速度与隆起和坳陷构造相关.研究区岩石圈底界面一般为75~80km,西端接近太行隆起构造时深至90km左右,向西呈明显加深趋势,地壳厚度呈现相同的增厚特征.地幔盖层上部速度8.0~8.2km·s-1,具明显正梯度特征.岩石圈平均速度在郯庐断裂带附近显著偏低.PmP和PLP震相存在不同程度的复杂性,意味着在本地区Moho界面和岩石圈界面有较为复杂的结构,可能具有一定厚度或过渡带性质.结合其他研究结果认为,地幔盖层和下地壳速度梯度、界面性质差异与华北克拉通破坏相关,意味着破坏是一个渐变、缓慢和不均匀的过程.郯庐断裂带附近的低速应是其为软弱带的证据.     

延怀盆地及其邻区地壳上地幔速度结构的宽频带地震台阵研究

在沙城以东的延庆盆地及其邻近区域内布设了由GDS－1000宽频带数字地震仪组成的流动地震台阵，利用台阵记录的宽频带远震P波波形数据和非线性接收函数反演方法获得了延怀盆地内0-80km深度范围的地壳、上地幔S波速度结构．利用计算机三维彩色剖分显示技术研究了台阵下地壳、上地幔速度结构的横向非均匀变化。结果表明，研究区域内的地壳厚度为40km左右，壳幔界面有4km左右的上下起伏．地表沉积盖层在延庆盆地中心附近厚度约1km，而在向盆地外围延伸的方向上相对变薄．研究区域内上地壳S波速度结构较复杂，而下地壳与上地幔则相对比较均匀．其上地壳最突出的特点是在10km深度附近有明显的S波低速层．在延庆盆地下方，它延伸到6-20km的深度范围．在延庆盆地南侧，该低速层有从西往东逐渐减弱的趋势．研究区域内的地震基本上都发生在延庆盆地下方上地壳低速体外围．据此推断，延庆盆地及其临近区域内的地震活动与该区域地壳内的热状态有密切关系．     

阿坝—遂宁宽角地震剖面重建藏东缘龙门山地区地壳速度结构

龙门山断裂带位于青藏高原东缘,在中生代和晚新生代经历强烈的构造变形,急剧抬升,是研究青藏高原隆升和扩展动力学过程的重要窗口.本文利用起伏地形下的高精度成像方法,对"阿坝一龙门山一遂宁"宽角反射/折射地震数据重新处理,通过走时反演重建研究区地壳速度结构.剖面自西向东跨越松潘一甘孜块体、龙门山断裂带和四川盆地,不同块体速度结构表现了显著的差异.松潘甘孜块体地表复理石沉积层内有高速岩体侵入,低速层低界面起伏不平反映了该区的逆冲推覆构造.中下地壳速度横向上连续变化,平均速度较低(约6.26 km·s~(-1)).四川盆地沉积层西厚东薄,并在西侧出现与挤压和剥蚀作用相关的压扭形态.中下地壳西薄东厚,平均速度较高(约6.39 km.s~(-1)).龙门山断裂带是地壳速度和厚度的陡变带,Moho面自西向东抬升约13 km.在整个剖面上Moho面表现为韧性挠曲,中下地壳横向上连续变化,推测古扬子块体已到达松潘甘孜块体下方.松潘甘孜块体下方中下地壳韧性变形,并在底部拖曳着被断裂切割的脆性上地壳,应力在不同断裂上积累和释放,诱发大量地震.