一种改进的适应于倾斜Moho面的H-κ-θ叠加方法及应用

地壳厚度、波速比或泊松比是研究地壳结构和性质的基本地震学参数,对于研究地壳组分特征及构造演化具有重要意义.经典H-κ叠加方法是利用远震接收函数资料求取台站下方地壳厚度和波速比最为简便高效的方法.但该方法隐含着Moho面是水平界面的假设条件,意味着Ps转换波及后续多次波相对P波的走时主要取决于地壳厚度和纵横波速度,而忽略了界面产状的影响.理论模拟表明,如果不考虑Moho面的产状,特别是在Moho面倾角较大的情况下,利用经典H-κ叠加方法得到的地壳厚度和波速比会偏离实际模型,尤其会造成波速比的过高估计,从而影响到对地壳结构和性质的认知.为了解决Moho面倾斜条件下的地壳厚度和波速比求取问题,本文推导了界面倾斜条件下Ps转换波与后续多次波相对于直达P波的理论到时公式;基于经典H-κ叠加方法的思想,提出了一种可以同步求取地壳厚度-波速比-Moho面倾角的H-κ-θ叠加方法.通过理论模型测试,验证了该方法具备较高的稳定性和可靠性,并将此方法应用于青藏高原南部Hi-CLIMB台阵资料,显示出较好的应用潜力.     

利用接收函数方法研究蒙古中南部地区地壳结构

2011年8月至2013年7月中国地震局地球物理研究所与蒙古科学院天文与地球物理研究中心在蒙古中南部区域布设了宽频带流动地震台阵,这为开展远东地区深部结构的精细探测提供了有利的数据基础.利用台阵记录的远震地震事件,采用P波接收函数的H-κ叠加分析和共转换点（CCP）叠加方法获得了台站下方的地壳厚度及平均波速比.结果显示研究区的地壳厚度介于39 km至45 km之间.整体上Moho面埋深从西北往东南方向逐渐变浅.在蒙古主线性构造两侧地壳厚度呈现区域性变化特征,东南部地区地壳厚度较薄,约为39 km,而西北部地区地壳较厚,达45 km,为此推测蒙古主构造线可能是地壳的一个陡变带.此外,研究地区地壳的平均波速比值（V_P/V_S）在1.70到1.79之间,均值为1.75,低于全球大陆的平均值1.78,这可能暗示着该区其地壳是缺少铁镁质的.研究还发现测线的西北与东南地区其地壳波速比值较高,推测是古生代铁镁质地壳的残留或是新生代岩浆底侵的反映.     

用接收函数研究川滇地区国家地震台下地壳厚度及波速比

本文利用远震接收函数的方法,对川滇地区的昆明、腾冲、成都和攀枝花等4个国家地震台的台基下方不同方向的莫霍面深度及波速比进行了研究和分析。结果表明:昆明地震台台基下方的莫霍面深度基本在50km左右,波速比为1.62～1.69,地壳厚度和波速比不因方向不同而发生明显的变化;腾冲地震台台基下方的地壳厚度有着比较明显的方向性,东北方向厚为40.7km,东南方向为49.7km,两个方向的波速比相差也很大,差值达到0.2;成都地震台台基下方莫霍面的深度在40km左右,但是东北和西南方向要加深8km,两个方向波速比相差0.13;攀枝花地震台台基下方的地壳厚度比较稳定,厚度在60km左右,波速比变化也不明显。     

青藏高原东北缘—鄂尔多斯地块地壳上地幔S波速度结构

1999～2000年从青海玛沁到陕西榆林，横跨青藏高原东北缘和鄂尔多斯布设了一条由47台宽频带数字地震仪组成的长约1000km的流动地震台阵观测剖面.利用记录到的远震体波波形资料和接收函数方法获得了剖面下0～100km深度的地壳和上地幔S波速度结构.结果表明，沿观测剖面地壳结构显示了明显的分块特征; 地壳厚度自东向西由40km增加到64km左右；在海原地震带下方和西秦岭断裂以西到日月山断裂之间的区域Moho间断面结构复杂；在1920年海原震区及其西侧，上地壳存在明显的低速层，在该地区的绝大部分地震分布在该低速层东边界偏向高速区一侧；祁连山东缘Moho面有约4km的深度间断，壳内向西逐渐减薄的低速层内有大量微震发生，沿祁连山的逆冲加走滑的构造运动在深度上已经穿透了Moho面；在玛沁断裂和日月山断裂之间，上地壳存在厚度很大的低速层，同时该区域下地壳也明显加厚.研究结果表明，青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块之间的过渡带地壳变形强烈，地壳结构较为破碎，这与该地区地震频发相一致.     

用接收函数方法研究上海地震台阵下地壳结构

利用上海地震台阵16个台站记录的远震资料,采用接收函数线性反演方法,对台阵下的地壳速度结构进行研究,获得了研究区域内地壳厚度和地壳速度的分布特征。研究结果表明,研究区域Moho面深度约为33±2 km,Moho面深度基本不变,地幔顶部S波速度约4.4 km/s,地壳内没有发现明显的低速层。     

利用H-K叠加方法和CCP叠加方法研究中国东北地区地壳结构与泊松比

利用中国东北布设的流动地震台阵（116个）以及国家和区域台网（121个）的宽频带台站记录的824个远震事件,采用P波接收函数CCP叠加和H-K叠加两种方法获得了研究区详尽的地壳厚度图像.研究结果显示,两种方法获得的地壳厚度分布特征具有很好的一致性,中国东北下方地壳厚度存在明显的东西横向差异.重力梯度带西侧和佳木斯地块的台站下方地壳较厚,介于36~41 km之间,而在兴蒙槽地褶带中重力梯度带往东从36 km减薄至34 km左右.松辽盆地北侧、东侧和南侧地壳厚度较薄,为29~34 km,反映了该区复杂的地壳变形过程.CCP剖面显示郯庐断裂深切地壳,敦化—密山断裂下方莫霍面出现错断.H-K叠加得到的地壳平均泊松比显示,东北地区绝大部分台站下方的泊松比值较大,0.24~0.29.长白山、松辽盆地东部、燕山台隆东部和大兴安岭北部,泊松比值达到0.27~0.30,可能有幔源物质上涌,下地壳铁镁组分含量增加.     

利用接收函数研究兴蒙造山带阿巴嘎地区的地壳结构

本文利用内蒙阿巴嘎地区布设的38个宽频带地震台站记录到的远震数据,采用P波接收函数共转换点叠加方法（CCP）揭示台站下方Moho面起伏形态,并利用H-κ方法进一步得到地壳厚度和壳内平均波速比值.结果显示,研究区地壳厚度为35~44 km,均值约为40 km,西南部的鄂尔多斯盆地边缘地壳较厚,东北部的阿巴嘎火山群地区地壳显著变薄.研究区地壳平均波速比值在1.70~1.87之间,均值为1.76,其中阿巴嘎火山地区波速比值明显偏高.CCP叠加结果显示研究区Moho界面较平缓,但在缝合带附近存在明显的变化.我们推测,新生代阿巴嘎火山地区薄的地壳和高波速比值可能是由于火山活动底侵作用引起上地幔铁镁质物质侵入下地壳所致.     

远震接收函数确定的鄂尔多斯西部及邻区Moho面性质和构造意义

基于呈南北向线性分布且穿过鄂尔多斯地块的129个流动台站远震记录,获取了20267条远震P波接收函数.通过叠加转换点相同的接收函数,提取了可靠的P-S一次转换波和多次波到时,进而确定了南北向横跨鄂尔多斯地块剖面的地壳厚度与波速比分布.同时,利用单台速度-密度跃变(δβ-δρ)扫描叠加方法确定了Moho面速度和密度跃变.结果显示:秦岭—渭河盆地下方具有较薄地壳、低波速比(1.66～1.72)以及相对较小的密度跃变(4%～10%),表明该区域地壳主要以长英质酸性岩石为主,引起该现象的主要原因可能是下地壳拆沉;鄂尔多斯南部地壳较厚(41.4±1.3km)、波速比较高、速度跃变相对较小(14%～23%),主要原因可能由青藏高原的挤压增厚导致;鄂尔多斯北部波速比较高(1.87)、速度跃变较大(19%～29%)、密度跃变较小,推测鄂尔多斯北部下地壳发生部分熔融,较大波速比可能是部分熔融与沉积层共同导致的结果.     

利用接收函数方法研究西秦岭构造带及其邻区地壳结构

根据西秦岭构造带及其周边地区117个宽频带地震台站的高质量波形数据, 利用远震P波接收函数的H-k叠加方法, 求得地壳厚度和平均波速比. 通过分析地壳厚度、 波速比及其关系和接收函数CCP叠加剖面, 研究了该区域的地壳结构特征. 结果表明, 研究区域内地壳结构差异大, 呈过渡带特征. 地壳厚度总体上呈北北西向分布, 自西南向东北逐渐减小. 羌塘块体地壳厚度为72 km, 渭河盆地附近为39 km. 西秦岭构造带的地壳厚度为42—56 km, 南北向莫霍界面平坦. 研究区域P波与S波波速比平均为1.74, 其中西秦岭构造带平均为1.72. 较低的波速比主要分布在西秦岭构造带、 祁连山块体、 松潘—甘孜地块北部以及香山—天景山断裂区域, 这可能是由于含长英质酸性岩组分的上地壳叠置增厚而导致的. 该区域缺少超高波速比, 表明这一区域发生岩浆底侵或上地壳熔融的可能性很小. 综合分析表明, 西秦岭构造带及邻区的地壳结构主要是由于青藏高原隆升并在向东北向扩张中受到周边块体的阻挡而引起的地壳构造变形所致. 西秦岭构造带的莫霍界面变化和波速比分布与该构造带经历碰撞地壳增厚后的伸展走滑运动有关.      

利用接收函数研究哀牢山-红河断裂带地壳上地幔特征

对哀牢山-红河断裂带附近宽频带数字地震台阵的远震体波记录, 采用接收函数方法研究台站下方地壳上地幔S波速度结构, 并估算了平均地壳厚度、波速比(Vp/Vs)和泊松比. 研究结果显示, 哀牢山-红河断裂带的壳幔边界不具有简单的速度间断面特征, 表现为速度递增的梯度带, 在Moho深度处速度增大较快, 而上地幔顶部速度偏低, 并呈缓慢递增趋势, 速度结构具有壳幔过渡带特征; 地壳泊松比值偏高(0.26~0.28), 可能与下地壳中镁铁质含量增加有关; 断裂带两侧地壳平均厚度突变, 在断裂带的西南侧约36~37 km, 而东北侧约为40~42 km, 表明红河断裂是陡立的超壳断裂; 下地壳表现为S波低速, 是地壳与壳下岩石圈解耦的有利部位.     

利用远震接收函数揭示的喜马拉雅东构造结台阵下方地壳结构及其动力学意义

在喜马拉雅造山带的东缘,雅鲁藏布江缝合带在这里发生急剧转折,南迦巴瓦变质体快速隆起,然而关于东构造结的形成机制一直未有定论.利用围绕南迦巴瓦峰的48个宽频带地震台站记录的远震数据提取P波接收函数,采用改进的H-κ叠加方法和共转换点叠加方法综合研究了东构造结的地壳厚度、波速比分布和地壳结构特征.结果表明:研究区平均地壳厚度为64.03 km,大部分台站介于60.48~66.55 km范围;平均波速比为1.728,主要集中范围为1.696~1.742.东构造结地壳厚度横向变化剧烈,构造结西端和北端厚而中间薄,东构造结核部Moho面呈现上隆的构造形态,东西向上隆幅度约为6~7 km,南北向的上隆超过9~10 km.东构造结核部地壳上隆减薄可能由高密度、高波速的岩石圈撕裂残片拆沉到上地幔软流圈后重力失衡所致.平均波速比超过1.8的高值异常展布于东构造结的两侧,推测为环东构造结的壳内部分熔融体.东构造结地壳上隆减薄和壳内部分熔融的存在很可能均与幔源热物质的上涌有关,而软流圈地幔的上涌则可能由印度板片的撕裂引起.     

沉积盆地地区地壳结构估计——预测反褶积方法消除接收函数多次波混响

接收函数方法被广泛地应用于地壳上地幔结构的研究中,H-κ叠加方法是其中最常用的方法之一.对于布设在基岩区台站计算的接收函数,H-κ叠加方法可以准确地估计台站下方地壳厚度和平均波速比,但是对于沉积盆地地区计算的接收函数,由于低速沉积层内会产生多次波混响,干扰甚至覆盖接收函数中莫霍面的转换波和多次波震相,从而影响H-κ叠加结果的准确性.为准确估计沉积盆地地区地壳结构,本文提出使用预测反褶积方法去除接收函数中低速沉积层内多次波混响,其中预测步长由接收函数归一化自相关函数获得,物理意义为沉积层内S波双程走时.合成接收函数和实测接收函数试验表明,本文提出的预测反褶积方法可以有效地去除沉积层多次波混响,并结合改进的H-κ叠加方法可以准确地估计沉积层下覆地壳厚度和平均波速比.相比于其他去除接收函数多次波混响的方法,本文提出的预测反褶积方法具有参数设定简单、运算量小、震相幅值较大等特点,适用于大批量数据处理.     

The crust and upper mantle discontinuity structure beneath Alaska inferred from receiver functions

In this study, three receiver function stacking methods are used to study the detailed crust and upper mantle structure beneath south-central Alaska. We used teleseismic waveform data recorded by 36 stations in the Broadband Experiment Across the Alaska Range (BEAAR) and 4 permanent stations in Alaska. H − κ stacking method using P-to-S converted wave and its multiply reflected waves between the Earth's surface and the Moho discontinuity is adopted to estimate the crustal thickness (H) and average crustal V_P/V_S ratio (κ) in this region. The receiver function results for 24 stations show that the crustal thickness under Alaska ranges from 26.0 to 42.6 km with an average value of 33.8 km, and the V_P/V_S ratio varies from 1.66 to 1.94 with an average value of 1.81 which corresponds to an average Poisson's ratio of 0.277 with a range from 0.216 to 0.320. High Poisson's ratios under some stations are possibly caused by partial melting in the crust and the uppermost mantle. Common converted point (CCP) stacking results of receiver functions along three lines show clear Moho and slab images under this subduction zone. The depths of the slab from our CCP stacking images are consistent with those estimated from the Wadati–Benioff Zone (WBZ). In the area between two stations DH2 (147.8°W, 63.3°N) and DH3 (147.1°W, 63.0°N), a Moho depth offset of about 10 km is found by both the H − κ and CCP stacking techniques. Common depth point (CDP) stacking of receiver functions shows not only the 410-, 520- and 660-km discontinuities, but also significant variations (−30 to 15 km) in the transition zone thickness under the southwest and southeast parts of the study region. The transition zone becomes thinner by 20–30 km, indicating that the temperature there is 150–200 K higher than that of the normal mantle.     

兴蒙造山带诺敏河火山群地壳厚度与波速比研究

利用布设于兴蒙造山带诺敏河火山群地区的宽频带流动地震台站资料,基于接收函数方法,获取了该地区的地壳厚度与波速比值.研究结果显示,该地区的地壳厚度介于32~38 km,莫霍面深度在空间上分布特征与五大连池为中心的火山带分布具有较好的一致性：沿着火山带延展方向地壳较薄.该地区的波速比介于1.74~1.84,波速比在空间上与地壳厚度变化具有一致性：高波速比主要集中于靠近五大连池火山带地区,向诺敏河火山和小古里河火山延展.研究认为：诺敏河火山与五大连池火山带可能具有相同的岩浆来源,可能与富钾岩石圈地幔拆沉作用造成的地幔热物质上涌有关.研究区地壳厚度与波速比呈现负相关关系,暗示该地区可能发生过岩浆底侵作用.     

中国华南地区地壳厚度与波速比分布特征及其地质意义

本研究利用中国国家地震台网336个固定地震台站记录的远震波形资料,通过P波接收函数H-κ分析估算了中国华南地区的地壳厚度和地壳平均波速比.研究结果显示,地壳厚度约为25~46 km,整体表现西深东浅的变化特点.研究区地壳厚度变化分别与布格重力异常和地形呈现负相关和正相关.扬子块体东部显示较低地壳波速比(<1.7)可能与地表沉积岩的存在相关.四川盆地内部的平均地壳波速比(约1.71~1.8)与全球大陆地盾/克拉通地区相当.但其周围地区地壳平均波速比明显增高(1.81~1.95),推测可能是克拉通形成过程中岩浆的底侵引起下地壳组分以铁镁质麻粒岩为主.华夏块体西部表现为薄的地壳厚度和低的地壳平均波速比(1.65~1.75),暗示该区基性下地壳物质的缺失可能与增厚的地壳发生拆沉有关.华夏块体东南段呈现出较高的地壳平均波速比(约1.77~1.86),地壳组成以中基性铁镁质为主,推断可能与晚中生代铁镁质岩浆底侵作用密切相关.     

中国东北地区高分辨率地壳结构:远震接收函数

利用分布在东北地区的国家地震局台网、NECESSArray台网、吉林大学在长白山及其周边地区布设的26个临时台站总计259个台站接收到的16,070条高质量的P波接收函数,采用H-k和CCP(Common Conversion Point,共转换点)叠加成像方法,获得该区高分辨率的地壳结构.观测结果显示,东北地区莫霍界面深度和地表高程总体呈镜像关系;西部大兴安岭—太行山重力梯级带附近存在莫霍界面深度陡变带;中部的松辽盆地地区受晚中生代的地壳拉伸作用影响,地壳厚度较薄,北部的小兴安岭地区和南部的华北北缘造山带可能同样受拉伸运动影响,具有较小的地壳厚度;松辽盆地莫霍界面深度由西向东逐渐减小,推测这与太平洋板块俯冲作用有关;东部地区莫霍界面结构比较复杂,依兰—伊通断裂与敦化—密山断裂之间出现复杂震相,可能与该区存在地幔物质的底侵作用有关;长白山火山地区地壳厚度较大,对应较高的波速比,推测在该区地壳内存在岩浆囊.     

基于三重震相拟合的华南地区上地幔P波与S波速度结构

利用中国数字测震台网（CDSN）记录到的台湾地区两个地震事件6°~30°震中距范围的三重震相波形资料,基于观测与理论波形拟合法,获到华南地区上地幔P波和S波的最佳波形拟合速度模型及其V_P/V_S比值.与AK135模型相比,华南地区410 km深度上方存在明显低速层：S波低速区厚度约为70 km,速度降为2%~5%;而P波低速区厚度为70~230 km,速度降为5%~6%.另外,410 km间断面整体表现为一个梯度层,厚度约为10~40 km,V_P跃增量为4.0%~5.4%,而V_S跃增量为2.6%~11.7%.研究区内,低速层的V_P和V_S异常值大小和410 km间断面速度跃变量由北向南逐步减小.结合以往的接收函数和地震层析成像结果,华南地区410 km间断面上方的低速区可能与太平洋俯冲板块脱水有关.     

The crust and upper mantle structure beneath southeastern China

We analyzed teleseismic waveforms recorded by 44 stations in the Fujian and Taiwan provinces of China and obtained 5344 high quality receiver functions. The crustal thickness (H) and average crustal V_P/V_S ratio (k) beneath every station were estimated using the H–k stacking method. Crustal thicknesses near the Fujian Province range from 28.3 to 32.8 km with an average of 31.1 km, and the corresponding V_P/V_S ratios vary from 1.70 to 1.84 with a mean of 1.76. From inland to offshore of the Fujian Province, the crustal thicknesses decrease and Poisson's ratios increase. These may indicate decreasing SiO₂ and increasing calc-alkaline contents in the crust. The discontinuity structures such as the Moho, subducting slab, the 410- and 660-km discontinuities (hereafter we call them the 410 and the 660) are also studied using common converted point (CCP) stacking of receiver functions. Along two NW–SE lines of central and northern Taiwan, the CCP stacking results show a western dipping structure at depths above 50 km, suggesting that the Philippine Sea plate is probably subducting beneath the Eurasian continent plate near the central and northern Taiwan. The CCP stacking results show sharp and flat 410- and 660-km discontinuities, and the transition zone thickness (TZT) is the same as that of ambient mantle beneath Fujian and Taiwan Strait, but thickens in the east of Taiwan. These results suggest that (1) the subducting Eurasian continent plate is confined to the depths above 410 km beneath Fujian and Taiwan Strait; and (2) the South China Sea slab may reach the transition zone beneath the east of Taiwan.