用接收函数方法研究中国境内地壳结构

利用中国数字地震台网30个台站的高质量宽频带远震数据,采用H-k叠加搜索法对中国境内的地壳结构进行研究,获得了研究区内的地壳厚度和v_P/v_S分布特征.结果表明, 中国境内的v_P/v_S值介于1.6—1.9之间,地壳厚度变化剧烈,在29—81 km之间.100°—110°E之间存在一个地壳厚度陡变带, 将中国分为东西两个部分.东部地壳厚度相对均匀,为31—36 km, 西部地区地壳厚度相对较厚且变化较大,中部地区地壳厚度为34—49 km.总的看来,青藏高原地区地壳最厚,可达81 km;天山、准噶尔盆地和内蒙古地区地壳厚度次之;华南地区地壳最薄.另外,中国大陆地壳平均波速比为1.738(σ=0.253),比全球大陆平均波速比1.78(σ=0.269)低.较低的波速比可能暗示中国境内地壳低速层的存在或者铁镁质成分的缺失.      

接收函数、面波与重力联合约束地壳厚度与波速比

提出了一种利用接收函数、面波频散和重力数据联合约束地壳厚度、v_P/v_S和平均P波速度的改进方法,并基于两种地壳模型对改进后的方法进行了验证。结果显示,改进后的方法不仅可以提高地壳厚度和波速比的估计精度,还能更准确地估计地壳平均P波速度。在此基础上,将该方法应用于华南地区两个固定台站的地壳结构分析,相关结果也证实了该方法在确定地壳结构中的可行性。      

松辽盆地地壳精细结构研究

基于东北地区已有的宽频带流动台阵远震数据,利用波场延拓和分解的H-β网格搜索法,对松辽盆地的沉积层及地壳结构进行了深入分析。结果显示:松辽盆地的沉积层厚度为0.2—2.5 km,整体呈现中央坳陷区厚、边缘薄且西南地区最薄的分布特征;研究区地壳较薄,厚度介于24—34 km之间,其横向变化特征与沉积层厚度分布具有一定的对应性。依据沉积层和地壳的厚度计算了地壳伸展系数,其平均值接近于以往接收函数研究估测的岩石圈伸展因子。因此,本文推测松辽盆地在伸展构造过程中,其地壳和岩石圈的减薄以纯剪切模式为主。此外,松辽盆地具有较高的地壳平均波速比v_P/v_S,暗示盆地下方岩石圈地幔的减薄过程中可能存在岩浆的底侵作用。      

P波和S波接收函数的贝叶斯联合反演

S波接收函数对于研究岩石圈速度结构具有重要价值. 本文利用合成地震图技术研究了S波接收函数的动力学特征. 在接收函数非线性复谱比反演方法的基础上,发展了基于贝叶斯理论的P波和S波接收函数的非线性联合反演方法. 结果表明:(1)适用于S波接收函数反演的震中距范围约为55°~80°,S波接收函数反演要求所用远震事件的震级大于5级; (2)与陡变的岩石圈底部界面(LAB)相比,梯度带类型LAB上生成的S_LP转换波相对较弱,台站下方的沉积盖层有助于相对增强S_LP震相; (3)由于S波接收函数径向分量不符合δ脉冲,不依赖于等效震源假定的三分量接收函数多道最大或然性反褶积方法更适合S波接收函数的估计;(4)数值检验的结果表明,在初始模型速度参数偏离真实模型20%的情况下,本文的方法能够预测300 km深度范围内的P波和S波速度结构;(5)观测数据的反演结果表明,由于P波接收函数低频分量相对不足,本文的联合反演方法对于大于100 km深度上地幔的S波速度结构约束相对较弱.     

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.      

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.     

东北地区至华北北缘地壳结构的区域差异: 地壳厚度与波速比的联合约束

本文通过对分布相对均匀的127个固定台站下方接收函数的H-κ叠加分析,并结合前人对97个线性密集流动台站的研究结果,获得了东北地区和华北克拉通北缘地壳厚度(H)与平均波速比(κ).结果表明研究区域地壳总体较薄,波速比变化复杂,地壳密度横向变化大,暗示着地壳在中—新生代经历了显著的不均匀破坏与改造.东北和华北北缘都存在明显的东西向差异.东北地区西侧兴蒙造山带地壳大致随着海拔增高逐渐增厚,H和κ分别主要在31~39 km和1.71~1.83之间变化,平均值分别为~35 km和~1.77;东侧吉黑褶皱带地壳厚度与海拔不成镜像关系,H和κ集中在28~37 km和1.72~1.89范围, 平均值分别为~33 km和~1.79.华北北缘西侧燕山带地壳由东往西逐渐增厚,H和κ主要在28~40 km和1.70~1.91范围内变化, 平均值分别为~34 km和~1.79.东侧辽东台隆地壳表现为中间厚四周薄,H和κ集中在29~35 km和1.71~1.83范围, 平均值分别为~32 km和~1.77.东北地区吉黑褶皱带相对薄的H和变化范围大的κ表明,该区域可能由于其自身的地壳结构复杂性和紧邻太平洋板块前缘从而在中新生代遭受到了与太平洋板块俯冲相关的更为强烈的地壳减薄与改造.华北北缘燕山带H和κ复杂的变化特征表明,该地区可能受到中亚造山带增生和太平洋板块俯冲的共同影响,从而发生了更为复杂的地壳改造变形.     

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.     

利用甘肃地震台网记录的sP前驱波研究 汤加—斐济俯冲带“410”间断面深度

本文首先利用甘肃数字测震台网和甘东南野外观测流动台阵记录的汤加—斐济俯冲带深震震相sP, 使用倾斜叠加方法有效提取sP在近源区“410”速度间断面底界面反射的弱前驱波s₄₁₀P; 其次基于CRUST1.0修正的IASP91模型, 通过震相sP与其前驱波s₄₁₀P的到时差对比, 给出了汤加—斐济俯冲带“410”速度间断面底部反射点的深度约为398.5 km, 抬升约11.5 km, 这与俯冲带与近源区“410”间断面的相互作用有关; 最后得到了该区域新的地震波速度模型IASP91_Tonga. 本文结果将对更好地认识该俯冲带的复杂结构、 正确理解地球深部的动力学过程具有重要的参考价值.      

近源地壳构造与远场体波理论地震图的计算

将震源附近的特殊地壳构造区简化为二类模型.它们具有异常的密度、波速和一定的几何尺度.依据双力偶点源模型下远场垂直向 P 和 SH 波位移公式和由本文模型推导的反射系数、辐射花样和走时差计算式,分别计算了远场 P 和 SH 波理论图.结果表明,若近源特殊构造的密度、波速值小于地壳平均值(模型Ⅰ),则它对远场地震图的影响可以忽略;反之,若特殊构造介质参数值大于震源区平均值(模型Ⅱ)。则它在一定情况下对远场地震图有较大影响.而这种影响在以往的工作中均被忽视了.     

The effect of a hydrous phase on P‐wave velocity anisotropy within a detachment shear zone in the slow‐spreading oceanic crust: A case study from the Godzilla Megamullion,Philippine Sea

We studied the contributions of plagioclase, clinopyroxene, and amphibole to the P‐wave velocity properties of gabbroic mylonites of the Godzilla Megamullion (site KH07‐02‐D18) in the Parece Vela Rift of the central Parece Vela Basin, Philippine Sea, based on their crystal‐preferred orientations (CPOs), mineral modes, and elastic constants and densities of single crystals. The gabbroic mylonites have been classified into three types based on their microstructures and temperature conditions: HT1, HT2 and medium‐temperature (MT) mylonites. The P‐wave velocity properties of the HT1 mylonite are dominantly influenced by plagioclase CPOs. Secondary amphibole occurred after deformation in the HT1 mylonite, so that its effect on P‐wave velocity anisotropy is minimal due to weak CPOs. Although the HT2 mylonite developed deformation microstructures in the three minerals, the P‐wave velocity properties of the HT2 mylonite are essentially isotropic, resulting from the destructive interference of different P‐wave velocity anisotropy patterns produced by the distinct CPOs of the three constituent minerals (i.e., plagioclase, clinopyroxene, and amphibole). The P‐wave velocity properties of the MT mylonite are influenced mainly by amphibole CPOs, whereas the effect of plagioclase CPOs on P‐wave velocity anisotropy becomes very small with a decrease in the intensity of plagioclase CPOs. As a result, the gabbroic mylonites tend to have weak P‐wave velocity anisotropy in seismic velocity, although their constituent minerals show distinct CPOs. Such weakness in the whole‐rock P‐wave velocity anisotropy could result from the destructive contributions of the different mineral CPOs with respect to the structural framework (foliation and lineation). These results show that amphibole has a high potential for P‐wave velocity anisotropy by aligning both crystallographically and dimensionally during deformation in the hydrous oceanic crust. The results also suggest that the effect of a hydrous phase on P‐wave velocity anisotropy within the detachment shear zone in a slow‐spreading oceanic crust varies depending on the degree of deformation and on the timing of hydrothermal activity.     

The effect of clay distribution on the elastic properties of sandstones

The shape and location of clay within sandstones have a large impact on the P‐wave and S‐wave velocities of the rock. They also have a large effect on reservoir properties and the interpretation of those properties from seismic data and well logs. Numerical models of different distributions of clay – structural, laminar and dispersed clay – can lead to an understanding of these effects. Clay which is located between quartz grains, structural clay, will reduce the P‐wave and S‐wave velocities of the rock. If the clay particles become aligned or form layers, the velocities perpendicular to the alignment will be reduced further. S‐wave velocities decrease more rapidly than P‐wave velocities with increasing clay content, and therefore Poisson's ratios will increase as the velocities decrease. These effects are more pronounced for compacted sandstones. Small amounts of clay that are located in the pore space will have little effect on the P‐wave velocity due to the competing influence of the density effect and pore‐fluid stiffening. The S‐wave velocity will decrease due to the density effect and thus the Poisson's ratio will increase. When there is sufficient clay to bridge the gaps between the quartz grains, P‐wave and S‐wave velocities rise rapidly and the Poisson's ratios decrease. These effects are more pronounced for under‐compacted sandstones. These general results are only slightly modified when the intrinsic anisotropy of the clay material is taken into account. Numerical models indicate that there is a strong, nearly linear relationship between P‐wave and S‐wave velocity which is almost independent of clay distribution. S‐wave velocities can be predicted reasonably accurately from P‐wave velocities based on empirical relationships. However, this does not provide any connection between the elastic and petrophysical properties of the rocks. Numerical modelling offers this connection but requires the inclusion of clay distribution and anisotropy to provide a model that is consistent with both the elastic and petrophysical properties. If clay distribution is ignored, predicting porosities from P‐wave or S‐wave data, for example, can result in large errors. Estimation of the clay distribution from P‐wave and S‐wave velocities requires good estimates of the porosity and clay volume and verification from petrographic analyses of core or cuttings. For a real data example, numerical models of the elastic properties suggest the predominance of dispersed clay in a fluvial sand from matching P‐wave and S‐wave velocity well log data using log‐based estimates of the clay volume and porosity. This is consistent with an interpretation of other log data.     

利用含可控裂缝人工岩样研究裂缝密度对各向异性的影响

利用新方法制作出含可控裂缝的双孔隙人工砂岩物理模型,具有与天然岩石更为接近的矿物成分、孔隙结构和胶结方式,其中裂缝密度、裂缝尺寸和裂缝张开度等裂缝参数可以控制以得到实验所需要的裂缝参数,岩样具有真实的孔隙和裂缝空间并可以在不同饱和流体状态下研究流体性质对于裂缝介质性质的影响.本次实验制作出一组具有不同裂缝密度的含裂缝人工岩样,对岩样利用SEM扫描电镜分析可以看到真实的孔隙结构和符合我们要求的裂缝参数,岩样被加工成八面棱柱以测量不同方向上弹性波传播的速度,用0.5 MHz的换能器使用透射法测量在饱和空气和饱和水条件下各个样品不同方向上的纵横波速度,并得出纵横波速度、横波分裂系数和纵横波各向异性强度受裂缝密度和饱和流体的影响.研究发现流体对于纵波速度和纵波各向异性强度的影响较强,而横波速度、横波分裂系数和横波各向异性强度受饱和流体的影响不大,但是对裂缝密度的变化更敏感.     

岩土介质随机性对沉积河谷地震动放大效应的影响

基于间接边界元法计算沉积河谷对平面P波和SV波的二维散射,着重考察沉积介质波速比和材料阻尼比的随机性对河谷地震动放大效应的影响.利用蒙特卡罗方法随机模拟产生了波速比样本和阻尼样本各30组,给出了不同入射角度和频率的P波和SV波入射下河谷随机响应的单频和频谱结果.算例分析结果表明:①地表位移响应幅值的变异系数极值均显著大于波速比变异系数,且波速比的随机性对地表位移的影响在体系共振频率处最为显著,地表位移的标准差最大可达7.168;低频情况下,沉积中部地震动反应的变异性更显著,高频情况下则在沉积河谷边缘变异性最大;②入射角对地表位移响应变异系数极值的影响不大,但对变异系数空间变化的影响显著;③阻尼比随机性对地表位移的影响在低频情况下较小,在高频情况下则较明显,尤其是在沉积河谷的体系自振频率处,其影响最为显著.      

岩土介质随机性对沉积河谷地震动放大效应的影

基于间接边界元法计算沉积河谷对平面P波和SV波的二维散射,着重考察沉积介质波速和材料阻尼的随机性对河谷地震动放大效应。利用蒙特卡罗方法随机模拟产生了波速样本和阻尼样本各30组,给出了不同入射角度和频率P波和SV波入射下河谷随机响应的单频和频谱结果。算例分析结果表明:(1)地表位移响应幅值的变异系数极值均显著大于波速比变异系数,且波速比的随机性对地表位移的影响在体系共振频率处最为明显,地表位移的最大标准差可达7.168;低频情况下,沉积中部地震反应变异性更显著,高频情况下则在沉积河谷边缘变异性最大;(2)入射波角度对地表位移响应变异系数极值的影响不大,但对变异系数空间变化的影响显著;(3)阻尼的随机性对地表位移的影响在低频情况下较小,在高频情况下则较明显,尤其是在沉积河谷的体系自振频率处,其影响最为显著。      

Joint elastic‐electrical properties of reservoir sandstones and their relationships with petrophysical parameters

We measured in the laboratory ultrasonic compressional and shear‐wave velocity and attenuation (0.7–1.0 MHz) and low‐frequency (2 Hz) electrical resistivity on 63 sandstone samples with a wide range of petrophysical properties to study the influence of reservoir porosity, permeability and clay content on the joint elastic‐electrical properties of reservoir sandstones. P‐ and S‐wave velocities were found to be linearly correlated with apparent electrical formation factor on a semi‐logarithmic scale for both clean and clay‐rich sandstones; P‐ and S‐wave attenuations showed a bell‐shaped correlation (partial for S‐waves) with apparent electrical formation factor. The joint elastic‐electrical properties provide a way to discriminate between sandstones with similar porosities but with different clay contents. The laboratory results can be used to estimate sandstone reservoir permeability from seismic velocity and apparent formation factor obtained from co‐located seismic and controlled source electromagnetic surveys.     

应用层析成像技术研究华北地壳速度结构

利用华北地区１６９个地震台站记录的１９８４￣１９９５年的１６９６个地震的Ｐ波到时资料,重建了华北地区地壳三维速度图像,不同深度的速度图像表明：地壳中地震波速度的横向不均匀性显著,上地壳的速度分布与地有已知构造特征相联系;太行山山前断裂带是切割到地壳底部的深断裂带,２５ｋｍ深度普遍存在速度间断面;地壳底部起伏明显;强震孕育发生与其周围介质的不均匀性和土地幔的隆起或凹陷密切相关。     

P波入射下断层参数对地表地震动的影响

基于应用透射人工边界条件的显式有限元法计算断层破碎带宽度及力学参数变化、地震动入射角变化时二维断层场地模型P波入射下地表地震动场的分布。结果表明:(1)低速度破碎带的存在导致整个场地都有P波转换为SV波的分量,且在断层破碎带的区域出现断层陷波;(2)低速度破碎带的存在使输入场地恒定的能量向破碎带集聚放大,随着破碎带宽度增大或其介质波速降低集聚放大效应增大;(3)场地放大效应是频率相关的,宽度较宽或介质波速较低的断层破碎带对输入地震动中较低的频率成份放大显著;(4)竖向断层破碎带能阻隔斜入射地震P波,随着入射角增加隔震效应更显著。     

山西临汾流动地震观测台址P／S波速度结构测试

用单孔检层法测定山西临汾流动地震观测台址两个钻孔的P／S波速度结构,为研究地震观测台址速度结构对地震波接收效果的影响提供基础资料。与常规P／S波测井不同的是,在P波速度测试中采用高频24道水听器串共炮点接收,有效降低单点多炮接收因重复性问题带来的零时误差,提高P波速度测定的精度。该方法可为类似工程场址的高精度P／S波速度测试提供新途径。     

芦山震区地壳三维P波速度精细结构及地震重定位研究

联合芦山地震序列5285个地震的50711条P波初至绝对到时数据及7294691条高质量的相对到时数据,利用双差地震层析成像方法联合反演了芦山震源区高分辨率的三维P波速度精细结构及5115个地震震源参数.反演结果表明,芦山主震震中为30.28°N,103.98°E,震源深度为16.38km,主震南西段余震扩展长度约23km,余震前缘倾角较和缓,主震北东段余震扩展长度约12km,余震前缘呈铲形,倾角较陡.芦山震源区P波三维速度结构表现出明显的横向不均匀性,近地表处的P波速度异常与地形起伏及地质构造密切相关:宝兴杂岩对应明显的高速异常,此异常由地表延伸到地下15km深度附近,而中新生代岩石表现为低速异常;大兴附近区域亦显示出小范围的大幅度高速异常,宝兴高速异常与大兴高速异常在10km深度附近相连,进而增加了芦山震源区的高低速异常对比幅度.在芦山主震的南西、北东两段速度结构存在着较大差异,芦山主震在水平向位于宝兴及大兴高速异常所包围的低速异常的前缘.主震南西段余震主要发生在倾向北西的高低速异常转换带上并靠近低速一侧,其下盘为低速异常,上盘为高速异常.而芦山主震北东段的余震主要分布在宝兴高速体与大兴高速体之间,主发震层向北西倾斜,主发震层上方的宝兴高速异常下边界出现一条南东倾向的反冲地震带,两地震带呈"y"型分布.