中国大陆壳幔运动耦合作用分析

板块运动是地壳和上地幔变形的主要动力来源之一。因为只有地壳变形能被直接观测到,所以将上地壳变形场与下地壳和上地幔变形场比较是研究壳幔运动耦合作用的主要方法之一。利用中国大陆GPS观测结果,结合第四纪活动断层和由20世纪以来发生的地震资料反演获得的地球表层的水平应变率场,并将相关结果与Pn波各向异性及剪切波分裂的快波方向相比较,探讨中国大陆壳幔运动耦合作用。结果发现,总体来看活动性强的构造单元,其深部上地幔塑性剪切带的展布与上地壳脆性剪切带的方位有较大的差异;反之,活动性弱的构造单元,差异较小。活动构造单元其上地壳与下地壳—上地幔之间构造变形活动差异较大的原因,可能是在这个部位上、下地壳之间构造活动有一定程度的解耦,使下地壳以上部分的活动与其下“大地幔流”的运动趋势发生差异,从而产生构造应变能积累     

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.     

青藏高原东北缘上地幔地震各向异性:来自SKS、PKS和SKKS震相分裂的证据

基于青藏高原东北缘甘肃区域台网41个宽频带地震台站的远震记录资料,通过PKS、SKS和SKKS震相的剪切波分裂分析,获取了台站下方介质的各向异性分裂参数,得到该地区上地幔各向异性分布图像,并结合GPS速度场和地壳剪切波各向异性分析青藏高原东北缘各向异性形成机制及壳幔各向异性特征.分析结果认为,在阿尔金断裂带西侧,各向异性快波偏振呈NWW-SEE方向,与断裂带走向有一定夹角,与塔里木盆地向柴达木盆地俯冲方向一致,说明该地区上地幔物质变形主要受古构造运动的影响,属于"化石"各向异性.在祁连山-河西走廊构造区,XKS快波偏振呈NW-SE方向,一致性较好,与区域断层走向方向相同;由区域小震的地壳剪切波分裂分析得到的地壳剪切波快波偏振在该区域呈NE-SW方向,与相对于稳定欧亚大陆GPS运动速率一致,地壳和地幔快波偏振方向的差异表明壳幔变形可能有不同的形变机制.在陇中盆地及其周缘,由于处于活跃青藏地块与稳定鄂尔多斯地块之间的过渡带,相对于其他区域具有更加复杂的构造背景,地壳快波偏振和地幔快波偏振总体上呈NWW-SEE方向,说明壳幔变形机制可能相同;但不同台站结果之间存在一定离散性,推测是由于受局部构造特征差异性造成.     

青藏高原东南缘南段现今变形特征研究

本文以青藏高原东南缘南段1999—2017年的GPS速度场为主,结合小震分布、历史地震和活断层探测等资料,首先,基于Okada断层位错模型反演了研究区域主要活断层的滑动速率;其次,以断层滑动速率和GPS速度场观测资料作为约束,利用DEFNODE负位错方法反演了研究区域的块体内部变形及主要活断层的闭锁程度和滑动亏损;最后,计算研究区域现今应变率场,并结合Pms和XKS剪切波分裂结果,探讨分析了青藏高原东南缘的动力学特征.研究结果表明:(1)红河断裂带现今滑动速率明显低于南华—楚雄—建水断裂和无量山断裂;(2)红河断裂带的元江—元阳段、鹤庆—洱源段和小江断裂带北段处于强闭锁状态,南华—楚雄—建水断裂带和无量山断裂带中—北段的闭锁程度强于南段;(3)青藏高原东南缘南段现今地壳变形表现为近E-W向的拉张和近N-S向的挤压,最大剪切方向与Pms和XKS剪切波分裂的快波方向呈一定角度,表明地壳与地幔处于完全解耦状态,而中-下地壳低速层可能是壳幔解耦的主要原因之一;(4)青藏高原东南缘的整体变形受控于印度板块的推挤、印缅俯冲带的深源俯冲以及缅甸微板块与巽他板块的后撤/回退的共同作用.     

Seismic anisotropy of upper mantle in Sichuan and adjacent regions

Based on the polarization analysis of teleseismic SKS waveform data recorded at 94 broadband seis-mic stations in Sichuan and adjacent regions, the SKS fast-wave direction and the delay time between the fast and slow shear waves were determined at each station using the grid searching method of minimum transverse energy and the stacking analysis method, and the image of upper mantle anisot-ropy was acquired. The fast-wave polarization directions are mainly NW-SE in the study area, NWW-SEE to its northeast and NS to its west. The delay time falls into the interval [0.47 s, 1.68 s]. The spatial variation of the fast-wave directions is similar to the variation of GPS velocity directions. The anisotropic image indicates that the regional tectonic stress field has resulted in deformation and flow of upper mantle material, and made the alignment of upper mantle peridotite lattice parallel to the di-rection of material deformation. The crust-upper mantle deformation in Sichuan and adjacent regions accords with the mode of vertically coherent deformation. In the eastern Tibetan Plateau, the crustal material was extruded to east or southeast due to SE traction force of the upper mantle material. The extrusion might be obstructed by a rigid block under the Sichuan Basin and the crust has been de-formed. After a long-term accumulation of tectonic strain energy, the accumulative energy suddenly released in Yingxiu town of the Longmenshan region, and Wenchuan MS8.0 earthquake occurred.     

2014年新疆于田MS7.3地震前 地壳变形特征研究

利用1999—2007年和2009—2013年两期GPS速度场资料, 采用最小二乘配置方法分别计算了2008年和2014年新疆两次于田M_S7.3地震前新疆及周边地区的主应变率、 面应变率及最大剪应变率, 分析了该区域的变形动态特征, 并结合速度剖面分析方法给出了震源区的构造变形特征. 速度场及应变率场动态结果表明: 新疆天山地区的地壳变形特征整体表现为由南向北缩短, 相对运动速率表现为由南向北、 由西向东逐渐减小; 震源区东侧的左旋剪切变形明显大于西侧; 2008年与2014年两次于田M_S7.3地震的震源区均处于拉张与挤压变形的过渡地带, 易于强地震的发生; 2008年于田M_S7.3地震的张性兼有少量剪性破裂的发生使得阿尔金断裂的左旋剪切变形增强. GPS速度场剖面分析结果表明, 2014年于田M_S7.3地震前震源区西侧的变形宽度大于东侧, 剪切应变积累程度西侧高于东侧. 综合分析认为, 震源周边构造区应变积累的差异性有利于强震的孕育, 2008年于田M_S7.3地震对2014年于田M_S7.3地震可能有促进作用.      

华北地区壳内低速层与地壳流变的关系及其对强震孕育的影响

京津唐张地区普遍存在壳内低速层 ,鄂尔多斯块体内部没有发现低速层 ,壳内低速层的这种分布受新生代裂陷伸展的控制。华北地区中地壳下部和下地壳低速层是岩石塑性流变的结果 ,中地壳上部低速层是地壳裂陷伸展时形成的水平拆离带和韧性剪切带 ,岩石各向异性和流体作用可能是引起低速的原因。壳内软弱层 (低速和塑性流变层 )增强了块体层间的解耦作用 ,对地震孕育起着重要作用     

青藏高原东北缘上地幔各向异性研究

通过分析位于青藏高原东北缘的区域数字地震台网30个台站的远震SKS波形资料,采用最小切向能量的网格搜索法和叠加分析方法求得每一个台站的SKS快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,获得了青藏高原东北缘上地幔各向异性图像.从得到结果看,青藏高原东北缘的各向异性快波方向基本上呈NW-SE方向,并有一顺时针旋转趋势,快、慢波时间延迟是0.70～1.51 s.青藏高原东北缘的SKS快波偏振方向与区域内主要构造断裂走向基本一致;各向异性快波偏振方向变化与区域内最小平均主压应力方向变化相似,也与由GPS测量得到的速度场方向变化相似.研究表明青藏高原东北缘上地幔物质在区域构造应力场的作用下,发生了顺时针旋转的形变以至流动,使得上地幔中橄榄岩的晶格排列方向平行于物质形变或流动方向,上地幔变形和上覆地壳变形可能存在垂直连贯变形特征.     

Upper crustal P-wave velocity structure beneath two volcanic areas in northern Iran

Detailed information about the crustal structure is essential for better understanding the occurrence and mechanisms of earthquakes and volcanoes. Here we present a study of the upper crustal P-wave velocity structure of two seismically and volcanically active areas in northern Iran using the two-dimensional Pg travel time tomography method. The imaging results suggest low velocities in the upper crust beneath the Damavand and Sahand-Sabalan volcanic areas in the central and western parts of northern Iran, respectively. The upper crustal low velocities in these two areas roughly coincide with previously imaged low Pn velocity anomalies, suggesting that the Late Cenozoic volcanic activity was probably caused by the upwelling of hot materials from the mantle. The image feature of the Pg velocity structure beneath the Sahand-Sabalan volcanic area further indicates that the hot materials stored in the upper crust beneath Sahand may be larger in size than those stored beneath Sabalan. Comparison of the Pg velocity images with the earthquake distribution in north Iran suggests that earthquakes mainly occur at moderately low velocity or low to high velocity boundary areas instead of significantly low or high velocity regions. The anisotropy results show that the Pg wave fast direction is consistent with the GPS direction at high Pg velocity areas and the fast direction is inconsistent with the GPS direction but consistent with the strike direction of faults at low velocity areas. Our new upper crustal structural images provide the basic observation for better understanding of the regional seismicity and volcanism, and link the surface geological phenomena to deep crustal and mantle processes associated with the active tectonics in northern Iran.     

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.     

Upper mantle anisotropy of the eastern Himalayan syntaxis and surrounding regions from shear wave splitting analysis

Polarization analysis of teleseismic data has been used to determine the XKS(SKS,SKKS,and PKS)fast polarization directions and delay times between fast and slow shear waves for 59 seismic stations of both temporary and permanent broadband seismograph networks deployed in the eastern Himalayan syntaxis(EHS)and surrounding regions.The analysis employed both the grid searching method of the minimum tangential energy and stacking analysis methods to develop an image of upper mantle anisotropy in the EHS and surrounding regions using the newly obtained shear wave splitting parameters and previously published results.The fast polarization directions are oriented along a NE-SW azimuth in the EHS.However,within the surrounding regions,the fast directions show a clockwise rotation pattern around the EHS from NE-SW,to E-W,to NW-SE,and then to N-S.In the EHS and surrounding regions,the fast directions of seismic anisotropy determined using shear wave splitting analysis correlate with surficial geological features including major sutures and faults and with the surface deformation fields derived from global positioning system(GPS)data.The coincidence between structural features in the crust,surface deformation fields and mantle anisotropy suggests that the deformation in the crust and lithospheric mantle is mechanically coupled.In the EHS,the coherence between the fast directions and the NE direction of the subduction of the Indian Plate beneath the Tibetan Plateau suggests that the lithospheric deformation is caused mainly by subduction.In the regions surrounding the EHS,we speculate that a westward retreat of the Burma slab could contribute to the curved anisotropy pattern.The Tibetan Plateau is acted upon by a NE-trending force due to the subduction of the Indian Plate,and also affected by a westward drag force due to the westward retreat produced by the eastward subduction of the Burma slab.The two forces contribute to a curved lithospheric deformation that results in the alignment of the upper mantle peridotite lattice parallel to the deformation direction,and thus generates a curved pattern of fast directions around the EHS.     

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.     

青藏高原东北缘地壳各向异性及其动力学意义

利用中国地震科学探测台阵项目二期(ChinaArrayⅡ)81个台站的地震数据,使用时间域反褶积方法提取接收函数,挑选满足要求的高质量Ps震相,通过改进的剪切波分裂计算方法获取了53个台站共130对高质量各向异性参数对.地壳各向异性分析指出,研究区东南部地区地壳各向异性方向为NWW向,与XKS各向异性方向、GPS速度场三者近平行关系,说明该地区在青藏高原向欧亚大陆增生的过程中是一个耦合的连贯变形过程;位于研究区中、北部地区的地壳各向异性方向表现为NEE-SWW或E-W方向,与GPS速度场方向一致,而与XKS结果的偏振方向大角度相交,说明该地区受到青藏高原下地壳塑性管道流的影响,可能存在壳幔解耦作用.     

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.     

乌恰伽师地区GPS地壳运动监测网研究

通过对乌恰、伽师地区GPS监测网进行的6期复测，结合周边地区的IGS站数据，计算得到了该区50多个GPS点位在ITRF2000下的最新运动速率及相对欧亚板块(在NNR-NUVEL 1A地质模型下)的运动速率，由此得到了该区的现今地壳形变速率图．结果表明GPS站主要运动方向为北北西，基本上与天山褶皱带走向正交，形成对天山的正向挤压．同时对乌恰一伽师(20021225 Ms5．8)及伽师一巴楚(20030224 Ms6．8)地震前后的地壳运动进行了应变计算及分析，得出大震前震中及邻近地区会大面积产生高剪应变集中区的结论．     

Study and review on crust-mantle velocity structure in Bohai Bay and its vicinity

Introduction Bohai Bay, along with its adjacent areas, is one of the seismically active areas in North China. Understanding its crust/upper-mantle structural characteristics and lateral heterogeneity of the medium in this area is of great significance to the study of seismogenic environment, thus improvimg the level of earthquake prediction. For years, scientists have studied the area by gravity and magnetic methods (FENG, et al, 1989), geothermal field (WU, et al, 1988; TIAN, ZHANG, 19…     

福建沿海、台湾海峡GPS观测分析及地球动力学特征研究

利用 3期GPS联测结果所获得的福建沿海地壳水平运动信息 ,采用ITRF94全球框架为基础的GPS测站地壳运动模型及其处理软件 ,对所获得的观测数据进行处理和精度分析。得到福建省高精度的GPS测站大地坐标、边长及其位移矢量 ,其精度达到 1 7×10 - 8。计算了福建地壳运动速率、主应变率 ,东西与南北向线应变率、面应变率、剪应变率、大地转动率和最大剪应变率等值线并给出了它们的分布图象。根据多年形变和现今GPS观测资料 ,分析福建地壳垂直运动与水平运动 ,显示区域应力场优势分布特征。最后 ,对福建沿海及台湾海峡地壳动力学特征作了初步的探讨     

青藏高原东南缘的地壳结构与动力学模式研究综述

青藏高原东南缘的川滇地区壳幔变形特征及地球动力学模式一直是研究的热点问题之一,多年来一直受到各国地球科学家的高度关注.青藏高原演变的"下地壳流模型"模拟得到的地表速度和变形场与GPS观测具有很好的一致性,该模型在当前国际地学界很流行,因而寻找下地壳流存在与否的证据,是深部地球物理学必须面对的一个科学问题.本文综合了川滇地区GPS观测、震源机制解和Pms相分裂的结果,旨在探讨川滇地区地壳演变模式的合理性;另外,从层析成像、接收函数反演和大地电磁测深结果分析,认为川滇地壳内存在大范围的低速层,但分布的几何形态较复杂.在云南地区,这一壳内低速区似乎被小江断裂和金沙江—红河断裂限制在特定的区域内.     

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.     

青藏高原东北缘壳幔各向异性研究:基于SKS和Pms震相分析

利用甘肃和青海两省固定宽频带地震台记录的远震波形资料,挑选高质量SKS震相,联合使用最小切向能量方法和旋转互相关方法获得230对高信噪比分裂参数;同时对接收函数中Pms震相随方位角的变化进行拟合,得到了24个台站的地壳各向异性分裂参数.整个区域SKS分裂快波方向均值为123°,Pms分裂快波方向均值为132°,且大部分区域SKS、Pms快波方向与地表构造走向相一致,说明青藏高原东北缘以岩石圈垂直连贯变形为主,地壳上地幔相互耦合.SKS、Pms分裂时差均值分别为1.0s和0.6s,显示地壳各向异性对于SKS分裂时差有较大贡献.昆仑断裂附近Pms、SKS分裂快波方向与昆仑断裂走向基本一致,说明昆仑断裂可能是岩石圈尺度深大断裂;而阿尔金断裂东缘二者快波方向显著差异意味着阿尔金断裂在东缘可能仅为地壳尺度的断裂.