接收函数确定Moho面速度和密度跃变的方法研究及应用

通过对单层模型反射和透射系数的推导,提出了利用接收函数一次转换波和多次波确定Moho面速度和密度跃变的速度-密度跃变(δβ-δρ)扫描叠加方法.利用反射率法计算了不同模型的远震理论地震图,按照与处理实际观测波形一致的方法和流程计算了理论接收函数;根据不同模型数值试验结果,深入分析了界面速度和密度跃变对接收函数震相幅度的影响.利用(δβ-δρ)扫描叠加方法,对理论接收函数进行了数值试验,结果证明了该方法的可行性.最后将该方法应用于位于青藏高原东北缘的高台(GTA)台和兰州(LZH)台,确定了两个台站下方Moho面的速度跃变分别约为(19±1)%和(20±1)%,密度跃变最小值为(4±2)%和(6±2)%.     

青藏高原东南缘Moho面速度密度跃变研究

青藏高原东南缘地下深部结构的研究对了解青藏高原的变形机制和动力学过程具有重要意义.本文利用四川、云南固定台站记录到的远震波形资料,首先采用接收函数H-k叠加方法获得青藏高原东南缘台站下方的地壳厚度和波速比.进而利用接收函数一次转换波和多次波幅度信息确定了青藏高原东南缘Moho面上的S波速度和密度跃变.研究结果表明:研究区由南到北地壳厚度逐渐增加,从永德、沧源、孟连地区的33 km左右增至巴塘地区的69.7 km左右,厚度变化了近乎37 km.四川盆地和松潘甘孜块体南部的姑咱地区具有高泊松比、速度密度跃变较小特征,表明这两个地区含有较多铁镁物质.腾冲地区、龙门山西侧的汶川地区、四川盆地西南缘的沐川地区以及则木河断裂的石门坎至东川地区同属于高泊松比、速度密度跃变较大,显示这些地区壳内存在部分熔融.     

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72km,渭河盆地附近为39km.西秦岭构造带的地壳厚度为42—56km,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.      

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.     

利用远震接收函数研究安徽及周边地区地壳结构和各向异性

为了研究安徽及周边地区的地壳精细结构及其动力学变形机制,本文利用中国地震台网50个固定台站记录的远震波形数据,采用"水准量"反褶积法提取P波接收函数,采用H-κ叠加技术和莫霍面Ps横波分裂技术,获得了各台站下方的地壳厚度、纵横波速比和地壳各向异性信息.H-κ叠加结果显示:研究区域的地壳厚度和纵横波速比在空间分布上均存在明显的区域特征.华北地块地壳厚度较薄,平均厚度约29 km,且相对平坦,波速比较高,表明地壳中镁铁成分居多.大别造山带地壳较厚,平均为33.1 km,但波速比变化较大.造山带主体波速比约为1.75甚至更低,是长英质-中性岩石特征,与造山带中下地壳拆沉有关,而造山带北部的六安断裂带出现的高波速比与局部岩浆活动产生的基性火山岩有关.扬子地块地壳厚度介于前两者之间,平均为31.5 km,波速比局部特征明显.黄山区域波速比为1.79,反映了该区域中酸性花岗岩特征.地壳各向异性结果显示:整个研究区域的分裂时间为0.2～0.6 s.华北地块横波快波方向总体为NW-SE向,与SKS分裂方向和GPS方向一致,表明壳幔变形方向一致,再结合华北块体地壳厚度较薄和高波速比,推测华北地块在拉张应力下,上地幔物质上涌,侵蚀下地壳,导致地壳变薄和火山岩成分增多.大别造山带区域的快波方向表现为NW-SE向,这与SE向的中下地壳塑性流动或多期的拆离折返构造事件吻合.郯庐断裂带附近的快波方向为NE-SW甚至N-S向,反映了该断裂带在其东西两侧挤压作用下,近南北向拉张运动.     

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．     

云南地区地壳厚度和泊松比研究

利用中国地震局地壳应力研究所2010～2011年期间在云南腾冲地块、保山地块、思茅地块和扬子块体布设的21个流动地震台站记录到的732个5.0级以上远震事件,得到1939条接收函数.采用H-κ叠加搜索技术,获得了各台站下方的地壳厚度和波速比.结果显示,研究区内地壳厚度和由波速比得到的泊松比变化明显,均显示出块体的深部结构特征.除腾冲地块外,其他三个块体地壳由南向北均呈现出增厚趋势,且由西向东不同块体之间也呈现出明显增厚趋势.扬子块体的泊松比与地壳厚度显示出由南向北明显加大相一致的趋势,这可能暗示该区地壳增厚以下地壳变化为主.与扬子块体不同,保山地块和思茅地块的泊松比变化相对平稳,这种差别证实了金沙江-红河断裂是华南块体的南部边界.腾冲地块的三个流动台站H-κ搜索结果整体上表现为高泊松比特征,但随方位角变化明显,可能暗示出台站下方地壳介质存在着强烈的各向异性.     

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.     

利用P波接收函数方法研究华北克拉通西部地壳和上地幔间断面

本文利用北京大学在华北克拉通西部布设的一条东西方向流动地震观测台阵记录的远震资料,提取各台站P波接收函数,然后通过倾斜叠加(H|κ)、共转换点叠加(CCP)和偏移成像获得了横跨华北克拉通西部鄂尔多斯块体和祁连块体下方地壳和上地幔速度间断面的形态分布.研究结果显示,Moho面从东向西逐渐加深,与地形大致呈镜像关系,东部华北克拉通内部(鄂尔多斯地块)的地壳厚度为~40km,而最西部青藏高原内部(柴达木盆地)的地壳厚度为~65km.在祁连块体下方出现了剧烈地Moho面阶跃,我们推断这是因为柴达木盆地受到南北方向印度板块对欧亚板块的挤压,从而导致垂直方向上厚度的增加.对于上地幔660km速度间断面的成像显示,在30°~32°N|100~102°E范围内出现了加深,这可能与存在低温物质有关.通过对比其他学者利用体波成像和接收函数所获得的结果,我们推测660km速度间断面的加深可能是受印度板块在对应深度上的残留俯冲块体的影响所致.     

Receiver function analysis for seismic structure of the crust and uppermost mantle in the Liupanshan area, China

A portable broadband seismic array was deployed from the northeast Tibetan Plateau to the southwest Ordos block, China. The seismic structure of the crust and uppermost mantle of the Liupanshan area is obtained using receiver function analysis of teleseismic body waves. The crustal thickness and Poisson's ratios are estimated by stacking the weighted amplitudes of receiver functions. Our results reveal complex seismic phases in the Liupanshan area, implying intense deformation at the boundary between the Tibetan Plateau and the Ordos block. The average crustal thickness is 51.5 km in the northeast Tibetan Plateau, 53.5 km in the Liupan Mountain and 50 km in the southwest Ordos block, resulting in a concave Moho beneath the Liupan Mountain. The Poisson's ratio of the Liupanshan area varies between 0.27-0.29, higher than the value of 0.25-0.26 to the east and west of the Liupan Mountain, suggesting partial melting in the lower crust. The variance in Poisson's ratio across the Liupan Mountain indicates notable changes in the crustal composition and mechanical properties, which may be formed by the northeastward flow of the Tibetan lower crust during the India-Eurasia collision.     

Receiver function analysis for seismic structure of the crust and uppermost mantle in the Liupanshan area,China

A portable broadband seismic array was deployed from the northeast Tibetan Plateau to the southwest Ordos block, China. The seismic structure of the crust and uppermost mantle of the Liupanshan area is obtained using receiver function analysis of teleseismic body waves. The crustal thickness and Poisson’s ratios are estimated by stacking the weighted amplitudes of receiver functions. Our results reveal complex seismic phases in the Liupanshan area, implying intense deformation at the boundary between the Tibetan Plateau and the Ordos block. The average crustal thickness is 51.5 km in the northeast Tibetan Plateau, 53.5 km in the Liupan Mountain and 50 km in the southwest Ordos block, resulting in a concave Moho beneath the Liupan Mountain. The Poisson’s ratio of the Liupanshan area varies between 0.27–0.29, higher than the value of 0.25–0.26 to the east and west of the Liupan Mountain, suggesting partial melting in the lower crust. The variance in Poisson’s ratio across the Liupan Mountain indicates notable changes in the crustal composition and mechanical properties, which may be formed by the northeastward flow of the Tibetan lower crust during the India-Eurasia collision.

     

中国南北地震带北段及其周缘地壳厚度与泊松比研究

本文利用中国地震科学探测台阵2013-2015年在南北地震带北段及其周缘架设的673个台站所记录到的远震波形所提取到的接收函数并应用H-κ扫描方法获取了南北地震带北段及其周缘的地壳厚度和泊松比,结果显示研究区地壳厚度从青藏高原东北缘向鄂尔多斯块体逐渐减小,从65 km逐渐减薄至40 km,不同块体之间地壳厚度存在明显差异.祁连造山带西部地壳厚度超过60 km,而东部地壳厚度仅为约50 km左右,表明祁连造山带东、西部地壳增厚变形存在着明显差异.西秦岭造山带地壳厚度从60 km减薄到40 km,其东部具有较薄的地壳厚度可能经历了拆沉.阿拉善块体作为华北克拉通西部块体的一部分,西部地壳厚度约50 km,而东部约45 km,表明阿拉善块体西部由于印度一欧亚板块碰撞也受到了活化改造,其克拉通性质只在其中东部残留.研究区泊松比变化范围为0.20~0.31,平均泊松比约0.25,表明地壳主要由长英质矿物组成,较高的泊松比主要分布在六盘山断裂带和银川一河套地堑.研究结果显示地壳厚度与高程之间具有较好的相关性,表明地壳整体上处于相对均衡的状态,而西秦岭造山带和祁连造山带东部的部分区域地壳可能处于不均衡状态.     

面波频散与接收函数联合反演南北地震带北段壳幔速度结构

通过对南北地震带北段区域所布设的676个流动地震台站观测资料进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了研究区内地壳厚度、沉积层厚度的分布情况以及地壳上地幔高分辨率S波速度结构成像结果.反演结果显示研究区地壳厚度从青藏高原东北缘向外总体逐渐变薄,秦岭造山带地壳厚度较同属青藏高原东北缘的北祁连块体明显减薄;鄂尔多斯盆地及河套盆地分布有非常厚的沉积层,阿拉善块体部分区域也有一定沉积层分布,沉积层与研究区内盆地位置较为一致;松潘—甘孜块体、北祁连造山带等青藏高原东北缘总体表现为S波低速异常;在中下地壳,松潘—甘孜块体下方的低速体比北祁连造山带下方的低速体S波速度值更小、分布深度更浅,更有可能对应于部分熔融的地壳;鄂尔多斯盆地在中下地壳以及上地幔内有着较大范围的高速异常一直延伸到120 km以下,而河套盆地地幔只在80 km以上部分有着高速异常的分布,此深度可能代表了河套盆地的岩石圈厚度,来自深部地幔的热物质上涌造成了该区域的岩石圈减薄;阿拉善块体在地壳和上地幔都表现出高低速共存的分布特征,暗示阿拉善块体西部岩石圈可能受青藏高原东北缘的挤压作用发生改造.     

沿107.6°E南北向剖面鄂尔多斯地块及周缘地区地壳结构

鄂尔多斯地块紧邻青藏高原东北缘,位于华北克拉通的西部,在我国中生代、新生代以来东部地区的构造活动中起到了重要作用.对鄂尔多斯及其周缘地区的研究可以提供有关华北克拉通的形成、演化和破坏过程的重要信息.本文选取了纵贯鄂尔多斯的107.6°E附近南北剖面上的44个流动地震台站进行分析,采用接收函数方法,进行Kirchhoff偏移成像,并且结合在该区域内前人的地震面波频散进行联合反演,获得剖面下方的地壳内部精细结构.研究结果显示:(1)莫霍面在鄂尔多斯北部较平缓,约45km深;在鄂尔多斯南部有所加深,达到50km;其北边的河套盆地的地壳厚度约为50km;南边的渭河盆地到秦岭地区及四川盆地的地壳厚度从约为40km增厚到47～50km.(2)河套盆地下方存在大规模的低速异常,最深可达25km,反映了其显著的拉张构造和沉积历史.(3)秦岭造山带下方的低速异常对应于其主要为长英质的地壳组分,可能是由于中生代的拆沉作用导致的地壳下部基性岩石层的缺失.(4)以38°N为界的鄂尔多斯地块,南北部地壳速度结构存在差异,可能表明了这两部分经历的构造历史不同.     

Crustal structure beneath Qiangtang and Lhasa terrane from receiver function

To determine the crustal structure in central Tibet, we used teleseismic waveform data recorded by 18 stations in the INDEPTH-Ⅲ seismic array across the central Tibet from the central Lhasa terrane to the central Qiangtang terrane. The S-wave velocity structures beneath stations are determined by inverting the stacked radial receiver function using the GA method. The first order features in the receiver function are modeled. Our results show that the Moho in Qiangtang is about 8 km shallower than that in Lhasa terrane along the INDEPTH-Ⅲ profile. It maybe suggests the northward subduction of the Lhasa mantle lid beneath the Qiangtang terrane is affected by the India-Asia collision. We conclude that there exist low velocity zone in the middle crust across the northern Lhasa and Qiangtang terrane, which can be related to the high temperature upper mantle beneath that.     

鄂尔多斯西缘北段的地壳结构和块体间变形关系

本文对喜马拉雅计划二期部分台站的远震波形数据进行接收函数提取,利用接收函数共转换点叠加方法获得阿拉善地块、鄂尔多斯地块以及银川—河套盆地下方0~80 km深度的速度间断面结构.结果表明:鄂尔多斯地块成层性好,地壳厚度为38~42 km,康拉德界面为18~22 km,阿拉善地区的Moho面深度为38~45 km.河套盆地地壳厚度约52 km,银川断陷盆地和贺兰山下方的Moho面最深为~55 km.鄂尔多斯西缘构造边界下方Moho面变化明显,且黄河断裂为深大断裂直接切割莫霍界面.根据本文的间断面成像结果我们进一步确定阿拉善地块与鄂尔多斯地块分属不同的大地构造单元.与此同时,我们推测贺兰山以西70~80 km范围内和鄂尔多斯地块西缘北段存在地壳增厚变形的可能.     

Structure of crust and upper mantle beneath the Ordos Block and the Yinshan Mountains revealed by receiver function analysis

A temporary seismological network of broadband three-component stations has been deployed N–S to investigate the crust and upper mantle structure across the Ordos Block and the Yinshan Mountains. P wave receiver functions reveal the Moho depth to be about 41 km beneath the central Ordos Block and down to 45 km beneath the northern Ordos Block, a slight uplifting to 42–43 km beneath the Hetao Graben, increasing to 47–48 km beneath the Yinshan Mountains and then decreasing to 44 km beneath the northern Yinshan Mountains along the profile. In the Ordos Block, the crustal Vp/Vs ratio (about 1.80) south to the Hetao Graben differs from that (about 1.75) beneath the center Ordos Block. The crustal Vp/Vs ratio is significantly lower (about 1.65–1.70) beneath the Yinshan Mountains. The P wave receiver function migration imaging suggests relatively flat discontinuities at 410 and 660 km, indicating the lack of a strong thermal anomaly beneath this profile at these depths, and a low S wave velocity anomaly in the upper mantle beneath the Hetao Graben. We suggest that the low S wave velocity anomaly may be attributable to heat and that the thermal softening advances the evolution of the Hetao Graben, while the lower-crustal ductile flows transfer from the Hetao Graben to the northern Ordos Block, resulting in crustal thickening.     

青藏高原东北缘远震P波走时层析成像研究

利用青藏高原东北缘地区固定地震台网2010年4月至2015年3月期间记录的远震事件,采用多道波形互相关方法（Multi-Channel Cross-Correlation）拾取了10697个有效P波相对走时残差数据,进而采用FMTT （Fast Marching Teleseismic Tomography）方法获得了青藏高原东北缘上地幔400 km深度范围内的P波速度结构,结果显示：秦祁地块下面存在深达70 km的高速异常,阻断了青藏高原块体中下地壳低速层向东北方向的延伸;40~140 km深度范围内,四川西南部存在一个低速区,该低速区穿过龙门山断裂带进入到四川盆地内部;祁连山造山带东部低速异常区从地壳一直延伸到上地幔400 km处,表明这里可能存在一个上地幔到地壳间的热流通道;松潘-甘孜地块分布大面积的低速异常区,而鄂尔多斯地块西南缘相对速度较高,这与青藏高原为软块体、介质密度低和鄂尔多斯块体为硬块体、介质密度高相吻合.