中国及邻区岩石层密度三维结构

利用中国及邻区２×２Ｓ波速地震三维层析成像和３０’×３０’重力资料．首先采用密度差与Ｓ波速差的经验关系式,建立起中国及邻区的岩石层密度初始模型,再利用布格重力异常进行阻尼最小二乘法反演,得到该区岩石层三维密度分布结果．反演结果表明：１．中国地区密度异常分布与大地构造分区有着明显的相关性,高密度区对应古老地块,低密度区对应高原及山区,在不同块体边界存在着密度异常梯级带;２．岩石层地幔密度分布与地壳密度分布特征不一致．     

华北克拉通岩石圈三维密度结构

显生宙以来华北克拉通岩石圈遭到破坏,这一现象的科学问题已受到世界地学家广泛关注.本文首先将地震层析成像反演得到的P波速度扰动转化为密度扰动,以此作为初始密度模型,然后利用布格重力异常反演得到了华北克拉通岩石圈高分辨三维密度结构.为了避开大型稀疏矩阵求逆计算,提高计算效率,我们将代数重构技术用于密度反演解算.反演结果表明:华北克拉通岩石圈密度在横向和纵向上均存在明显的不均匀性,密度分布形态与地表构造格局有很好的相关性;研究区地壳整体表现为低密度异常,地壳以下岩石圈部分则以高密度异常为主;鄂尔多斯块体地壳范围内以低密度异常为主,80~120 km深度上为呈南北两端集中分布的高密度异常,并分别与秦岭造山带和阴山造山带的高密度异常分布相连,这暗示了鄂尔多斯块体可能受到了来自其南北两端造山带深部动力学过程的影响;80~120 km深度上,华北克拉通东部地区呈现出显著的南北向非均匀的高密度异常,这表明遭到破坏后该地区上地幔物质分布具有强烈的南北向非均匀性.     

青藏高原及邻近区域的S波三维速度结构

本文收集了WWSSN台网和我国台网中13个地震台站的长周期地震记录,用140条10-90s瑞利波频散曲线和作者提出的Tarantola-Backus面波频散层析成象方法,作了青藏高原及邻区的速度反演,得出该地区岩石层速度结构的三维图象.结果表明,1.在10-110km深度范围内,速度结构出现与大地构造特征相关的分区性,显示出四个构造单元:青藏块体、柴达木-巴颜喀拉-三江块体、塔里木块体和印度块体.2.高原内部,深度为10-70km内速度较低,莫霍界面呈不对称盆形分布,藏北那曲附近地壳厚度超过70km,高原边缘壳厚为45-50km,90-110km为高速异常,表明高原内部存在上地幔盖层.3.高原北部的班公湖断裂和东部的三江断裂系是该区重要的分界线,是岩石层结构存在明显差异的重要接触部位,可能是冈瓦纳古陆与欧亚古陆的缝合带.4.柴达木-巴颜喀拉-三江块体内部速度分布不均匀,地壳厚度由北向南从45km加深到60km;在深度90-110km存在一低速层.5.塔里木地块内速度随深度均匀增加,从地壳到上地幔110km内没有发现低速层.地壳厚度约50km.     

青藏高原及周边地壳均衡模式与强震活动

青藏高原作为中国大陆强震活动的主体区,不但构造变形历史复杂,而且高原内部与周边块体之间的重力异常差异也十分显著。本文基于EGM2008重力模型,计算得到了青藏高原及周边地区的区域布格重力异常和艾里均衡重力异常;并依据复合均衡模型原理,以Crust1.0地壳模型中莫霍面的深度为参考,反演得到了地壳剩余密度的分布,该结果适用于研究地壳横向密度的差异;最后,将反演结果与弹性板均衡理论模型反演得到的岩石层有效弹性厚度进行对比,结果表明,青藏高原与周边地块之间的地壳力学特性和平均密度存在显著差异,为强震孕育提供了动力学背景。以此为依据,可为潜在强震危险区位置的判断提供参考。      

龙门山中南段地壳上地幔三维密度结构

基于高精度布格重力异常资料,以川滇地区P波速度三维层析成像结果为约束建立初始模型,采用预优共轭梯度(Preconditional Conjugate Gradiem,PCG)反演方法得到了龙门山断裂带中南段的地壳上地幔(深度范围0～65km)三维密度结构(网格间距为10km(横向)×10km(纵向)×5km(深度))。密度成像结果表明:龙门山断裂带中南段两侧地壳密度结构存在明显差异,四川盆地有约10km厚的低密度沉积层,松潘-甘孜块体因沉积层较薄,且部分地区有基岩出露,上地壳表现为高密度结构;松潘-甘孜块体中、下地壳有大范围低密度层分布,介质强度明显低于高密度的四川盆地,青藏高原东移物质受到四川盆地阻挡后更易于在低密度的一侧发生挤压形变及隆升,从而形成龙门山逆冲推覆构造带;龙门山断裂带内部在地壳结构上具有明显的分段特征,表现为沿着龙门山断裂带地壳密度变化不连续,以汶川地震和芦山地震震中为界,形成多个高、低密度异常区;同时,结合地震精定位结果分析,汶川地震及其余震多分布于壳内中央断裂带西侧高密度体内,芦山地震及其余震则集中在地壳密度变化梯级带附近并偏向高密度体一侧。四川盆地下地壳密度较高,其前缘随深度增加向青藏高原方向扩展,在上地幔顶部接近龙门山断裂带以西。松潘-甘孜块体中、下地壳虽然有一定规模的低密度体分布,但其连通性差,在平面上多形成局部低密度异常区,是否存在下地壳流仍无法给出明确的证据。     

重力及重力梯度联合反演青藏高原及邻区岩石圈三维密度结构

本文利用GOCEL2观测重力梯度的五个独立分量(T_(xx),T_(zz),T_(xy),T_(xz),T_(yz)),联合EGM2008地球重力场模型计算垂直重力,反演计算了青藏高原及邻区0~120 km深度岩石圈三维密度结构.将经过低阶项改正、地形效应改正、沉积层界面起伏效应改正得到的剩余重力及重力梯度异常值作为观测值,以改正剩余量归一化权重作为观测权重,基于Tikhonov正则化理论建立反演目标函数.反演过程中,利用地震层析S波速度转换密度作为初始约束,通过非等权最小二乘迭代法计算得到最终反演密度.反演结果表明:(1)40 km深度,青藏高原内部为中地壳,表现为低密度,邻区为中下地壳,表现为高密度.青藏高原内部中地壳强低密度层主要分布在高原边界.其成因是印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡作用导致在高原边界形成的高应变积累闭锁区,为壳内低密度软弱物质的形成提供了条件.(2)80 km深度,青藏高原上地幔顶部显示出低密度的特征.高原内部东、中、西密度特征差异明显,低密度以95°E为中心线呈东西对称分布.以班公一怒江缝合带为中心,在拉萨块体和羌塘块体内从北向南出现了"低-高-低"的密度分布起伏特征.该特征与GRACE得到的莫霍面起伏特征一致,结合大地构造结果,这种起伏特征验证了印度、羌塘块体从南北两侧分别向喜马拉雅、拉萨地块挤入的双向俯冲模式.(3)四川盆地和鄂尔多斯盆地内,地壳高密度异常较地震波速异常明显偏低,表明古老的四川盆地和鄂尔多斯盆地比想象中更冷、更坚硬.塔里木盆地和柴达木盆地内壳、幔高密度的结构特征,对应地幔物质上涌.     

青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构

综合重力观测资料和地震波走时资料反演了青藏高原东北缘岩石圈三维密度结构,并对该区岩石圈结构及动力学特征进行了讨论.首先利用收集到的P波近震和远震走时数据进行地震层析成像,得到研究区岩石圈三维P波速度结构.然后利用速度-密度经验关系式,将速度扰动转化为密度扰动建立研究区三维初始密度模型.最后利用分离的布格重力异常反演得到了岩石圈三维密度结构.反演结果表明:青藏高原东北缘地壳密度结构特征有利于地震孕育发生和地壳物质侧向流动;地壳内,密度异常等值线走向与地表断裂走向基本一致,进入地幔后,密度异常等值线走向发生了顺时针旋转,这表明青藏高原东北缘地壳和地幔具有不同的构造运动模式,暗示该区可能发生了壳幔解耦;80~100 km深度上,P波速度异常较密度异常明显偏低,推测该区可能发生了部分熔融或者岩石含水量的增加;印度板块俯冲和周围坚硬块体阻挡联合作用,使得青藏高原东北缘形成了强大的区域构造应力场,并导致深部软流圈热物质上涌,为该区壳幔解耦、部分熔融和P波速度降低创造了条件.     

青藏高原地壳三维密度结构的重力反演

在阻尼最小二乘法的基础上,提出了利用重力进行三维密度反演的选权拟合法,并利用密度分布的特点构造了约束权矩阵.为了改善单一重力反演的非唯一性,利用地震面波层析成像资料进行约束,得到了青藏高原不同深度高分辨率三维密度异常分布图.反演结果显示,青藏高原地壳内密度很不均匀,不同块体具有不同的密度异常特征,拉萨和羌塘地体为低的负密度异常区,松潘-甘孜地体东部存在较低的负密度异常区,塔里木盆地存在较高的正密度异常区.从中部到东部,上地壳物质存在差异,而下地壳物质存在一定连续性.     

基于重力异常反演的三维地震波速度结构分析方法研究

利用重力异常反演测试三维地震波速度结构,存在解不唯一、可靠性不高的问题。将面波反演充分融合到重力异常反演方程中,降低传统反演方法的非唯一性,并提升可靠性。以川滇地区为例,采用融合后的重力异常反演方法分析三维地震波速度结构。通过速度和密度的关系转换,得到对应的重力异常数据。由于面波频射数据主要对地震波横波速度敏感,因此将重力异常数据和初始横波速度相连,依据地震波速度和岩石密度之间的关系,获取重力异常反演方程,用于分析速度结构。选取21.6°~34.2°N、97.1°~105.9°E范围内的川滇地区活动块体作为实验数据,经过实验分析发现：使用该方法迭代反演川滇地区地壳上地幔顶部横波速度,重力异常数据和面波频射数据的残差值分别是6.24 mGal和0.027 km/s,实际拟合效果较好;分析该地区不同深度切面横波速度发现,在24 km深度处,上地壳中含有相对低速层,在44 km深度处,中下地壳中存在低速层;且该方法分析川滇地区三维地震波速度结构解的分辨率较高。     

2008年汶川Ms8．0级地震的深部构造环境——远震P波接收函数和布格重力异常的联合解释

对龙门山及其邻近地区20个宽频带地震台站的记录提取远震P波接收函数,并应用H-k叠加方法,求得每个台站下方的地壳厚度和波速比．以此为约束,进一步作接收函数反演,获得各个台站下方的s波速度结构．后龙门山与松潘-甘孜地块的地壳速度结构相似,而前龙门山的地壳速度结构则与四川盆地相似．由此说明,中央主断裂带是青藏高原东部与扬子地块之间主要的边界断裂．松潘甘孜地块至后龙门山中南部地区存在下地壳低速层,有利于中上地壳物质的滑脱作用．远震接收函数和布格重力异常的分析结果支持龙门山断裂带深部构造为滑脱-逆冲型的论断．在松潘-甘孜地块内可能具有双层的滑脱构造．上层滑脱发生在10—15km的深度上,该滑脱带表现为高温韧性滑脱剪切带．下层滑脱则发生在30km左右的深度上,其下方为青藏高原东部广泛存在的下地壳流．布格重力异常的分析表明,在中上地壳,四川盆地的密度较高,松潘．甘孜地块密度相对较低．龙门山断裂带位于密度较高的一侧,是松潘-甘孜地块向东南方的四川盆地逆冲的结果．在地壳下部,四川盆地为高P波速度和高密度区,表明地壳物质是坚硬的,松潘-甘孜块体是低s波速度和低密度区,表明物质比较软弱．高密度块体阻挡了青藏高原东部下地壳物质向四川盆地下方的流动．受印度板块往北运动的影响,青藏高原下地壳物质向东流动．中上地壳物质向东运动受到刚性强度较大的扬子地块的阻挡,在龙门山断裂带上产生应力集中,导致中央断裂带上应力突然释放,产生汶川Ms8．0级地震．     

基于变密度模型的位场界面反演

在波数域中用重力反演莫霍面深度时通常假定壳幔密度差为一常数，但这只是一种近似的密度模型，本文采用了密度随深度呈指数变化的变密度模型来反演莫霍面深度，给出了利用指数密度模型在波数域中计算重力异常的正演公式及界面深度的反演公式.利用指数密度模型及重力资料反演了青藏高原莫霍面的深度，分析了莫霍面的特征.结果表明，青藏高原莫霍面呈现出边缘浅、中部深的特点，边缘变化快、梯度大，中间变化梯度趋缓.中心地带的羌塘地体莫霍面深度达74 km，向四周慢慢变浅至67 km左右，边缘地区突然变浅至50km左右.通过常密度模型、变密度模型及地震反演得到的莫霍面的比较，证实变密度模型更适合于莫霍面结构的反演.     

THE DEPTH OF MOHO INTERFACE AND CRUSTAL THICKNESS IN SICHUAN-YUNNAN REGION,CHINA

By using moving average method to separate Bouguer gravity anomaly field in Sichuan-Yunnan region, we got the low-frequency Bouguer gravity anomaly field which reflects the undulating of Moho interface. The initial model is obtained after seismic model transformation and elevation correction. Then, we used Parker method to invert the low-frequency Bouguer gravity anomaly field to obtain the depth of Moho interface and crustal thickness in the area. The results show that the Qinghai-Tibet block in the northwest of the study area deepens and thickens from the edge to the interior, with the depth of Moho interface and the crust thickness of about 52~62km and 54~66km, respectively. The depth of Moho interface in Sichuan Basin is about 38~42km. In Sichuan-Yunnan block, the depth of Moho interface is about 42~62km from southeast to northwest. Beneath the West Yunnan block, west of the Red River fault zone, the Moho depth is about 34~52km from south to north. The Longmen Mountains and Red River fault zone are the gradient zone of the Moho depth change. Along the Red River fault zone, the depth difference of Moho interface is increasing gradually from north to south. No obvious uplift is found on the Moho interface of Panzhihua rift valley. The depth of Moho interface distribution in Sichuan and Yunnan is obviously restricted by the collision between the Indian plate and the Eurasian plate and the lateral subduction of the Indo-China peninsula. The mean square error of the depth of Moho interface is less than 1.7km between the result of divisional density interface inversion and artificial seismic exploration. At the same time, we compared the integral with divisional inversion result. It shows that:in areas where there is obvious difference between the crust velocity and density structure in different tectonic blocks, the use of high resolution seismic exploration data as the constraints to the divisional density interface inversion can effectively improve the reliability of inversion results.     

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。      

基于接收函数约束的川滇地区莫霍面深度反演研究

本文利用川滇地区宽频地震接收函数结果和WGM2012全球布格重力场模型数据,采用正则化参数和接收函数结果交叉验证得到最优莫霍面参考深度和上下界面密度差,使用基于球坐标系下的快速非线性重力反演方法建立川滇地区莫霍面深度模型.研究结果显示,川滇地区整体莫霍面深度介于30～69km,青藏高原内部地区莫霍面深度大于50km;四川盆地莫霍面深度在36～38km;攀枝花地区莫霍面出现明显的隆起和下凹,变化范围在42～48km;川滇菱形地块莫霍面深度在40～50km;滇西和滇南地块莫霍面深度由南向北逐渐变深,变化范围在38～44km.本文反演莫霍面深度与接收函数结果平均误差为0.18km,与该区域天然地震层析成像、人工地震探测以及重力数据反演结果基本一致,但细节更加丰富,进一步确认了莫霍面在攀西裂谷地区存在隆起,小江断裂带下方存在下凹的特征.该结果可作为精细化川滇地区地壳密度界面模型,为研究该地区岩石圈结构和地质构造演化提供参考.     

东亚及西太平洋边缘海高分辨率面波层析成像

根据欧亚大陆及西太平洋地区58个数字地震台站约12000个长周期波形记录,挑选出4100条面波大圆传播路径,采用面波频散及波形拟合反演方法,对东亚及西太平洋边缘海地区(60°E-160°E,20°S-60°N)的地壳上地幔进行了高分辨率三维S波速度成像. 结果表明,从上地壳到70km深,在东亚东部及西太平洋边缘海地区为高速分布,西部以青藏高原为中心呈极低速分布. 自地中海经土耳其、伊朗、喜马拉雅山到缅甸、印尼群岛的特提斯汇聚碰撞带,显示为低速异常链. 从85km至250km深,在东亚东部及西太平洋边缘海,自北向南显示出一条巨型低速异常带,西部地区为高速异常分布.以东经110°E为界,东西两部分岩石圈、软流圈的结构与深部动力过程有着巨大的差异. 此界线以西主要是印度板块与欧亚板块碰撞引起的岩石圈汇聚增厚区,东部则主要是由于软流圈上涌(地幔热物质上升)引起的岩石圈拉张减薄区.     

中国及其邻区地球三维结构初始模型的建立

对人工地震测深及天然地震面波体波三维层折反演数据进行统一处理，建立了中国及其邻区地球三维结构初始模型．此模型图像表明，中国及其邻区地球各圈层横向变化明显．岩石圈及软流圈内速度分布主要反映这一区域自古生代以来板块及地块拼合模式．各主要板块或地块（塔里木、扬子、中朝、青藏、哈萨克斯坦、印度、印度支那）岩石圈增厚或有很深的地慢根，板块或地块间的造山带岩石圈减薄，软流圈速度降低。下地幔底部及核幔边界D″层出现高速异常，表明古太平洋及古特提斯洋俯冲板块因重力坍塌已进入地球深层，形成亚洲超级下降地幔柱。这一下降地幔柱引起地球表层物质向中亚、东亚地区集中，印度半岛、青藏高原、新疆、蒙古至贝加尔一带，成为全球岩石圈最大的汇聚场所．     

中国大陆及邻近海域的Rayleigh波群速度分布

利用Rayleigh波群速度资料反演得到中国大陆及其临近海域的(70°E-145°E,10°N-55°N)15-120s周期的群速度分布图像. 塔里木盆地在15s处清楚地显示为低速,在16-33s左右没有显示,但在36-5s显示为高速,说明塔里木盆地有较深的根. 青藏高原块体是44s至120s图像中最为突出的低速块体,南面与印度板块的分界线以及与北面的塔里木盆地、柴达木盆地的分界清晰,其块体中西部的速度低于东部. 泰国清迈附近存在一尺度为1000km左右的低速带,可能是青藏高原块体的物质向东南方向迁移造成上地幔物质上涌的结果. 南北地震带表现为强烈的速度梯度带,西面为低速,东面为高速. 中国南海的中央、日本海中央、菲律宾海表现为海洋性地壳. 菲律宾海的图像与地形及地震带完全吻合. 环绕菲律宾海及日本海存在400km左右宽的低速带,可能是岩浆活动带.     

帕米尔及邻区地壳上地幔P波三维速度结构的研究

研究了帕米尔及邻区(65°E-80°E,30°N-45°N,深度0-2km)的P波三维速度结构. 所使用的59054条初至P波到时数据取自ISC的73个台站对5402个地震的记录报告,这些地震和台站都在研究区内. 以水平面上1°×1°和不等的深度间隔(随深度在20-90km之间变化)划分网格并设置初始三维速度模型,用近似弯曲快速射线追踪方法计算走时和射线路径,用LSQR方法进行反演. 反演结果的分辨率用检验板方法进行了讨论,并引入了定量描述还原程度质量的两个参数. 初步结果表明:(1)天山山脉的km深度处,在东部和西部各有一个明显高速区,而在74°E、41°N附近的低速区可能与天山地表大断层在该处被大幅错开相关. 在75°E附近的天山山脉下,波速在40-60km深度偏高,而在60-90km深度(或更深)又偏低,反映了天山下方构造和物性的复杂性. (2)在由帕米尔构造"结"南侧往北直至天山以北的速度纵剖面上,显示了印度-欧亚板块在帕米尔构造"结"地区的强烈碰撞挤压作用:在抬高地面形成高原的同时,也把浅部速度较低的地壳岩石层介质俯冲拖曳到了深部.