利用海底电缆探测太平洋地区地幔结构的研究进展

介绍了地幔电性结构、地幔温度、地幔含水量等参数对地球动力学和地幔动力学过程的重要科学意义,综述了近年来利用海底电缆在该领域的主要研究进展.本文首先介绍了日本利用海底电缆探测地幔深部结构的方法原理与发展历程,然后阐述了该方法的观测方式、观测系统与仪器,综述了国际上近年来利用海底电缆在环太平洋地区海底的观测资料进行地幔一维电导率结构、三维电导率分布的研究进展.基于海底电缆的观测数据进行反演的结果表明,太平洋海域地区地球深部存在410 km,660 km的电导率不连续面,此不连续面与地震资料的波速不连续面基本一致,为地幔不连续面提供了新的地球物理证据.在根据由海底电缆观测数据反演得到的太平洋地区地球内部电导率分布基础上,综述了综合深部地震波速、岩石高温高压实验等,将电导率的分布转换为地球内部的温度场分布、推导地幔过渡带水的浓度进而转换为地幔过渡带的含水百分比(含水量)的方法技术与研究进展.研究结果表明,夏威夷和北日本海地幔过渡带电导率异常主要受温度控制,菲律宾海域地幔过渡带的电导率异常除了和温度有关外,还受含水量影响,该处地幔过渡带的含水量大约在1％左右.这些研究表明,海底电缆探测方法,在地球深部探测尤其是地幔不连续面的探测、地幔温度场分布与特征、地幔含水量等方面有重要的作用.最后,展望了海底电缆探测方法的研究与发展,这些研究方法及成果对认识中国海域地球内部机构提供一定的参考.     

利用前驱波研究地幔间断面的若干进展

地幔速度结构提供了地球内部热和化学状态及其构造演化历史的重要信息。对于地幔间断面的研究可以更清楚地了解地球内部温度分布特征和化学结构,并对确定地幔间断面成因及地幔对流模式等地球动力学问题具有重要的意义。地震学观测显示在410 km、660 km深度普遍存在速度间断面,并且在全球特定区域的上地幔(220 km、300～350 km、520 km、560 km)和下地幔(800～900 km、1 100～1 200 km、1 800 km、2 400 km)也有速度间断面的存在,不同区域地幔间断面的起伏可能受到温度、含水量、矿物相变及俯冲板块的影响。利用前驱波来研究地幔间断面具有独特优势,前驱波相比参考震相较早到达观测台站,从而避免其他震相的干扰,可以更准确地研究较弱的速度间断面。文章收集整理近些年来地震学家利用前驱波研究地幔间断面的成果,包括长周期反射震相SS或PP的前驱波、深震震相sP、pP的前驱波和地球表面反射震相PKPPKP(P′P′)的前驱波等,并对不同前驱波的特点及地幔间断面的相关研究成果进行总结。利用前驱波研究地幔间断面的方法已较为成熟,及时收集总结相关的研究成果对认识地球内...     

华北东部复杂的660km相变界面

利用华北固定台网的宽频带地震远震记录波形资料,提取P波接收函数,通过偏移成像和共转换点叠加,得到华北地区东部地幔过渡带深度及厚度的图像.研究结果显示,地幔过渡带上界面(410km间断面)深度起伏变化不大;在华北地区东部,存在较厚的地幔过渡带,地幔过渡带下界面(660km间断面)在660km深度附近出现两个不同的界面.造成地幔过渡带增厚并出现两个深度不同的界面的原因可能是存在橄榄岩以外的地幔物质相变,该物质相变拥有与橄榄岩向钙钛矿转变不同的克拉伯龙斜率,太平洋俯冲板块的低温造成两种不同的相变界面发生不同程度的改变.双重660km间断面的范围存在向北西方向延伸的趋势并且向南至少延伸到30°N.本文的结果可为古西太平洋板块向华北俯冲前缘位置的研究提供约束.     

华北地区410km间断面和660km间断面结构——克拉通活化的地幔动力学状态探测

地幔过渡带间断面的形态能够提供地幔动力学状态的重要信息.本文利用密集流动台阵观测获得的地震波形记录,采用高分辨的地壳-上地幔速度结构成像结果作为接收函数共转换点叠加的速度模型,获得了华北克拉通地区地幔过渡带410km间断面和660km间断面深度的空间分布.结果揭示华北克拉通410km间断面和660km间断面结构的空间变化显著,存在多处间断面深度异常.地幔过渡带的结构特征以南北重力梯度带为界分为东西两部分;410km间断面变深（420～430km）的区域主要分布在华北克拉通东部,660km间断面变浅（642～655km）的区域出现在华北克拉通西北部;在华北克拉通东南部,660km间断面显著加深.本文分析认为,停滞在地幔过渡带的太平洋俯冲板块、厚度剧烈变化的克拉通岩石圈以及它们与周围地幔的相互作用,导致华北克拉通下存在活跃的地幔流动体系,造成过渡带间断面形态的高度不均匀.本文推测了两种可能的地幔过程：在克拉通根厚度显著变化的区域发生减压熔融,或者边界驱动的对流引起地幔物质沿着厚的克拉通根向上流动;或者是停滞在地幔过渡带的俯冲板块部分沉入下地幔,同时导致被排出的下地幔物质上升.     

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.     

利用远震地震波形畸变现象探测地幔低速体

地幔低速异常体的精确探测对于研究热点/地幔柱的成因至关重要.但是,由于观测手段以及波前愈合现象的影响,远震走时层析成像在探测地球深部的低速异常体时具有极大的限制.因此,越来越多的学者利用地震波穿过低速体后产生的绕射波和直达波.干涉造成的波形畸变信息来研究地幔低速体.本文通过三维地震数值模拟来拟合长白山、黄石公园地区宽频地震记录,分析绕射波和直达波相互干扰造成的波形畸变现象.模拟结果显示,绕射波/波形畸变对于探测地幔深处的低速体具有较高分辨率;目前常用的基于互相关测量的有限频层析成像方法对于深部低速体速度异常低估现象明显.如果将有限频层析成像结果在深部的速度异常值放大到原来的2倍,数值模拟可以很好的拟合观测到的地震波形畸变现象.通过对长白山地区、黄石公园地区记录的地震波形畸变现象的拟合,我们进一步确认了长白山、黄石地区下方分别在400~600 km、700~1000 km处存在地幔低速体,并对低速体速度异常值进行了矫正.     

阿留申—阿拉斯加俯冲带及周边地区地幔过渡带结构研究

利用国家测震台网固定台站和“中国地震科学台阵探测”项目在南北地震带北段布设的宽频带流动台阵记录到的极远震事件,通过SS前驱波震相研究,获得了阿留申—阿拉斯加俯冲带东段及邻区下方410 km和660 km间断面的埋深和起伏形态特征.为增强对SS前驱波震相的识别,我们采用了时差校正和共反射点叠加分析.叠加结果显示,毗邻阿留申俯冲带的白令海、阿拉斯加半岛、以及阿拉斯加中南部和东部地区下方,410 km和660 km间断面的埋深基本呈正相关关系,因而具有正常的过渡带厚度.这表明在阿留申—阿拉斯加俯冲带东段,北太平洋板块还没有俯冲到地幔过渡带深度范围内.其次,在阿拉斯加西部地区下方,660 km间断面出现明显下沉,而上覆的410 km间断面埋深接近于全球平均值,从而导致过渡带明显加厚.据此,我们推测在阿拉斯加西部地区下方地幔过渡带底部可能存在库拉残留板块.     

地幔波震级的规范化标定与观测

本文基于瑞利面波的激发和传播理论,导出了零级地震的理论面波谱表达式;并以零级地震为参考地震,以零级地震所相应的面波谱和地震矩作为地幔波震级规范化标定的参照依据,进而提出了测定地幔波震级的新方案。利用CDSN-LPZ信道中的面波资料测定了1987—1990年间全球54次浅源大地震的地幔波震级M_m,并对Okal和Talandier(1989)用GEO-SCOPE-VLPZ及PAS-VLPZ信道中的基阶瑞利波所测1970—1987年间88次地震的结果作了校正。综合这两部分观测结果,得到M_m=1.00 1gM_0—12.13,由此测定的地幔波震级与中小地震的面波震级M_s趋势相一致,为解决面波震级饱和问题提供了一种可行的途径。     

用ScP前驱波搜寻1800km深度之下的地幔结构

如果地幔的钙钛矿中存在两个分层的地球化学储集层或有矿物相变，那么这两个地球化学层或矿物相之间的边界就可能位于1800km的深度到核幔边界(CMB)之间。我们通过对密集的太平洋西北地震台网(PNSN)数百个短周期垂直分量远震地震波形叠加，搜寻可以在该边界上产生的ScP前驱波(S-P反射波)。太平洋西北地震台网记录了清晰的ScP震相，并保存有4个地震的P-ScP时间窗。估计我们的探测阚值的阻抗反差大于4％。没有资料证明在1800km与核幔边界之间存在陡变结构，意味着在阿拉斯加和墨西哥湾以下1800km至核幔边界之间不存在陡变的地震不连续面：除非不连续面不是陡变的，存在大的地形起伏，或小的阻抗变化。虽然不是结论性的，但这个观测与在这一深度范围没有全球范围的地球化学储集层的边界和没有相变的地球模型相一致。     

海底地震仪(OBS)被动源接收函数的意义和方法

大洋中脊和边缘海扩张脊岩石圈结构或更深的地幔间断面由于深度大且存在部分熔融现象,人工源地震方法难以获取来自这种深度的地震信号,洋盆/海盆中又没有地震台,而利用天然地震面波精度比较低。为此,在海底地震仪(OBS)天然地震观测进行分析的基础上,提出了用OBS被动源接收函数研究洋中脊/扩张脊岩石圈深部结构和地幔过渡带(MTZ)的建议,并对OBS被动源接收函数有关问题、方法和技术路线进行了梳理描述。最后简要介绍了拟定的西南印度洋超慢速扩张脊周边开展OBS被动源观测的计划。     

基于波形拟合的中国东海地区410 km间断面附近速度结构研究

410 km间断面是地幔转换带的顶界面,对其速度结构和起伏形态开展地震学探测有助于认识地球内部物质组成和相关的地球动力学过程.本文选取了由中国数字地震台网记录到的位于琉球俯冲区的一个中源地震P波宽频带波形资料,利用三重震相波形拟合研究了中国东海地区410 km间断面附近的精细速度结构.结果表明：中国东海地区下方410 km间断面整体表现为一尖锐的速度界面且有8~15 km的小幅抬升;该间断面之上存在52~62 km厚的低速层,其P波速度降低0.5%~1.6%;440 km深度以下存在1.0%~3.0%的P波高速异常.结合前人在该地区的层析成像结果,我们推测该高速异常体与西太平洋俯冲板片在中国东海地区地幔转换带内的滞留有关;板片内水相E分解使得转换带内水含量增加,这引发了410 km间断面的抬升;410 km间断面之上的低速层应与含水矿物脱水导致的地幔橄榄岩部分熔融有关.     

华北盆地的地壳和上地幔的弹性波速度结构

通过区域地震和远震记录的走时残差,测定华北盆地中部和周围山区的三维弹性波速度结构。我们计算了1975年唐山地震的200个余震的P波和S波的走时残差,以及从1976年至1983年间北京台网记录的194个远震的P波走时残差。仅基于余震走时残差,我们完成了地壳和上地幔结构一维和三维的块状反演迭代。我们还基于远震走时残差以及把余震和远震走时残差相结合,完成了对地壳和上地幔的块状反演迭代。我们测定出华北盆地和周围山区的地壳平均厚度接近35km,然而华北盆地沿海岸部分的地壳厚度大约为32～33km。地壳上部大约20km的速度结构与地质露头完全相关,并且相似于表面地形的短波长(几十公里)特点。低地震速度的岩石在盆地之下而高地震速度的岩石存在于山区之下。地幔顶部,也许下地壳在内,好象是上地壳和地幔之间速度结构的过渡带。关于速度结构的相对高低趋势,地幔与地壳几乎完全相反,华北盆地下伏的大部分地幔物质具有比平均地震速度要高的速度,而西部山区之下物质的速度都低于平均速度。地幔速度结构与华北盆地的重力和地形的长波(成十到成百公里)特征显然相应。盆地之下的高速地幔物质或许说明了地幔过程与华北盆地无直接关系。我们推断,短波与长波速度特点之间的过渡带表明了岩石层与软流层无相互影响的范围。尤其是华北地块的岩石层相对软流层正在向东运动。     

伊豆—小笠原俯冲带板片的形态与形变研究

地震层析成像方法为俯冲板片的形态、形变与流变(间接)提供了独特的约束条件。本文利用远震双差P波成像技术对伊豆—小笠原板片的复杂结构进行了非常清晰的成像,结果显示位于26.5°N～28°N之间的地幔过渡带(MTZ)中存在一个板片撕裂。撕裂以北,板片在MTZ发生折叠,在褶皱枢纽的正上方,剪切带内初期的黏性耗散形成了P波衰减区。撕裂以南,在MTZ底部板片发生翻转且平铺于MTZ的底部。2015年小笠原地震(M_W约为7.9)的震源深度约为680km,该地震发生在翻转板片的最北端。伊豆—小笠原板片的局部撕裂、剪切和屈曲表明,其经过上地幔和地幔过渡带后仍然保持了较高的黏滞性。     

地幔波震级的规范化标定与观测

本文基于瑞利面波的激发和传播理论,导出了零级地震的理论面波谱表达式;并以零级地震为参考地震,以零级地震所相应的面波谱和地震矩作为地幔波震级规范化标定的参照依据,进而提出了测定地幔波震级的新方案。利用CDSN-LPZ信道中的面波资料测定了1987-1990年间全球54次浅源大地震的地幔波震级M_m,并对Okal和Talandier（1989）用GEO-SCOPE-VLPZ及PAS-VLPZ信道中的基阶瑞利波所测1970-1987年间88次地震的结果作了校正。综合这两部分观测结果,得到M_m=1.00 1gM₀-12.13,由此测定的地幔波震级与中小地震的面波震级M_s趋势相一致,为解决面波震级饱和问题提供了一种可行的途径。     

基于P波三重震相研究青藏高原上地幔速度结构及其动力学意义

青藏高原因其复杂的结构和演化历史,一直都是研究大陆碰撞、构造运动及其动力学的热点区域。本文采用三重震相波形拟合技术,基于中国地震观测台网和大型流动台阵记录到的某地震P波垂向记录,获得了包括拉萨、南羌塘和松潘甘孜地块在内的青藏高原上地幔P波速度结构。结果表明:①拉萨和南羌塘地块下方地幔过渡带存在高速异常,推测是俯冲的印度板片滞留体,过渡带底部的板片残余温度较低,使得660-km相变滞后约3～8km。而松潘甘孜地块下方过渡带同样存在高速异常,可能是欧亚岩石圈发生拆沉进入地幔过渡带所致。这说明印度板块俯冲作用的影响已经到达地幔过渡带,其俯冲前缘位于班公怒江缝合带附近。②从拉萨、南羌塘到松潘甘孜地块,200km之上的地幔岩石圈高速盖层速度由南向北逐渐减小,松潘甘孜地块则出现盖层缺失。推测受小规模地幔对流或者热不稳定性的影响,在南羌塘和松潘甘孜地块,增厚的欧亚岩石圈发生拆沉作用,岩石圈被减薄和弱化,造成羌塘地块上地幔低速和松潘甘孜地块上地幔高速盖层缺失。拆沉的冷的欧亚岩石圈可能部分停留在410-km上方,使得410-km抬升约10km,部分沉入地幔过渡带,表现为松潘甘孜地块地幔过渡带中存在高速异常。低温造成660-km下沉约8km,导致地幔过渡带增厚。      

西北太平洋俯冲带大地幔楔及地幔过渡带各向异性证据和特征

地震层析成像研究清晰给出了地球深部俯冲板片的大尺度形态,但与俯冲过程相关的地幔流动特征仍不明确.在俯冲地幔楔系统中,前人观测到了与海沟平行和垂直的快波偏振方向.本文研究了西北太平洋俯冲板片在地幔过渡带中停滞形成的"大地幔楔"中的各向异性特征.对具有长期稳定观测数据的MDJ台站SKS震相和区域深源地震的直达S波震相进行了详细的剪切波分裂研究.采用多波形同时反演方法在保证数据后方位角覆盖范围的基础上得到了更加精确的SKS震相各向异性结果.剪切波分裂参数具有明显的频率依赖性和随初始极化方向变化的特征,表明台站下方存在多个可能的各向异性源区.对不同频段各向异性观测结果的双层各向异性模型拟合表明,上层各向异性参数为φ=32°±12°,δt=1.4±0.4 s,表现出受郯庐断裂带影响的岩石圈中"固化"各向异性特征;下层各向异性参数为φ=-71°±6°,δt=2.4±0.4 s,与海沟近乎垂直.下层较大的各向异性延时表明研究区域的地幔楔和地幔过渡带中存在明显各向异性,推测是由地幔中软流圈流动引起的橄榄石晶格优势取向和停滞的西北太平洋板片引起的地幔水平流动产生的瓦兹利石晶格优势取向共同作用所导致.     

不完全投影场合中图象重建和反演问题

本文讨论了三种情况下由不完全投影所获观测数据以进行图象重建的反演问题:一)根据地震台观测到地幔透射纵波P的振幅对周期的比值,地震面渡振幅、周期的比值,以求得地幔中地震波品质因数Q值的球谐函数的系数,从而拟合出地幔范围地震渡Q值的三维图象;二)用地震面波观测的振幅A对周期T的比值,采用某种先验知识以扩充不完全的观测资料,从而获得地壳面波品质因数Q值的分布图象;三)在有限角度内[θ,π—θ]范围中拥有数据,而在|φ|≤θ范围缺乏数据的情况下,如何进行图象重建的计算问题,给出了有关的数学表达式,这样的计算一般称为限角问题。不完全投影图象重建问题是地球物理反演工作中常常碰到的问题,本文试图就这个问题作些探讨,现分三个部分进行。     

西藏高原地壳上地幔P波和S波速度结构

利用西藏高原及其邻区150个地震,西藏台网、四川台网、世界标准台网及在西藏布设的流动台网的 P 波和 S 波观测资料,得出了该地区的地壳和上地幔的 P 波以及 S 波的速度模型:(1)地壳平均厚度70km,可分为明显的两层.上层厚16km,P 波速度5.55km/s,S 波3.25km/s;下层厚54km,P 波速度6.52km/s,S 波3.76km/s;(2)上地幔顶层 P 波速度7.97m/s,S 波4.55km/s.140km 处出现低速层,层厚约55——62km.低速层下的正速度梯度与地幔顶部盖层相差无几.      

地幔面波与地球内部的Q值研究

用地震波(特别是长周期地震波,如地震面波、自由振荡波等)的传播特征来研究地球内部的Q值分布是全面深入了解地球介质的物理性质的有效方法之一,本文讨论各类地震波所表达的Q值的不同含义及相互关系、Q值模型、地幔面波的物理频散与Q值的关系等问题。     

基于地幔动力学模拟推断云南地区剪切波各向异性源的深度

地震各向异性与地幔对流导致的变形存在因果关系,因此地幔对流模拟可被用来预测地震各向异性,并推测剪切波各向异性地幔源的深度.本文建立了基于地震速度结构的地幔对流模型来预测云南地区剪切波分裂的快波方向,它同时受地表板块运动和地幔内部的温度扰动所驱动.通过与观测结果进行对比分析,推测在云南地区西北部和东部区域,剪切波各向异性源主要存在于岩石圈中.在西南部和四川盆地及其西缘,地幔流动可能是剪切波各向异性的主要贡献者,各向异性层分别位于210~330 km和170~330 km深度,导致西南部剪切波各向异性的地幔可能处于大幅度的剪切变形状态,而四川盆地及其西缘主要处于中等强度的剪切变形状态.