利用地震层析成像数据修正中国西北地区莫霍界面深度

考虑到地壳和上地幔密度异常对地表重力的影响,本文提出了修正单纯利用重力资料 反演地壳厚度的算法．该算法利用地震层析成像结果推算出地壳和上地幔密度异常分布,然 后计算由此分布引起的地表重力异常,再从观测布格重力异常中扣除上述密度异常引起的重 力效应,最后在地壳均衡假设的基础上顾及到对反演参考深度的修正,直接反演区域地壳厚 度．本文利用胥颐等地震层析成像的数据,修正了中国西北地区莫霍界面的深度．结果表明, 该区域地壳和上地幔密度异常引起的地表重力异常值为——60times;1O-5m／s2～30times;10-5m／s2． 与直接使用布格重力异常反演地壳厚度相比较,该密度异常对该区域莫霍界面将产生约6 km 的修正．本方法使得利用重力数据反演地壳厚度在理论上更为完备,实际应用中也比较可 行,为更进一步逼近莫霍界面的真实形态提供了一种途径．      

根据北海北部地区重力资料和深地震反射资料求得的莫霍面的比较

我们给出了北海北部地区NSDP-84深地震反射削面的重力模拟的结果.根据海上布格重力异常的正演所推断出的莫霍面深度与根据卫星测高所得到的自由空气重力异常的独立反演及由深地震反射剖面所得结果很一致.这表明由深地震反射资料所得到的莫霍不连续面与密度的较大跃变相对应,因而,很可能不仅代表了大陆地壳和上地幔间的地球物理边界,而且也代表了其岩性边界.尽管北海北部地区下面的深地震反射剖面资料表明结晶岩底层有明显的横向不均匀性,但是所得出的地壳底层和上地幔之间的平均密度之差却变化得相当小.维金(Viking)地堑的最深部分却并非这样,在那里地壳的下部和上地幔的性质可能因伴随着地堑形成的岩浆过程而发生变化.地壳扩张的程度与岩浆侵入到地壳下部的体积之间的相互关系,由我们的结果提供了初步证据.     

太行山重力梯级带的密度结构及其地质解释

斜贯中国东部地区的大兴安岭 -太行山 -武陵山重力梯级带是一条地壳深部构造变异带。选择与其中段———太行山重力梯级带相垂直的阜平 -定州剖面 ,利用人工地震测深与布格重力异常资料 ,进行了地壳 -上地幔密度反演分析。结果表明 ,该剖面的地壳 -上地幔密度分布具有明显的不均匀性。总体特征是剖面西部密度较低 ,东部密度较高 ,地壳厚度的横向变化基本上决定了布格重力异常梯级带的形成。结合华北地区的中新生代构造演化 ,认为太行山重力梯级带是燕山期以后形成的 ,它与板块之间的相互作用及上地幔热物质的运动相关     

腾冲火山及周边地区双差层析成像

利用云南腾冲火山地区15个固定台站记录到的7923次地震的P波到时资料,采用双差层析成像方法,反演得到腾冲火山及周边地区地壳及上地幔顶部三维P波速度结构和地震重定位结果.研究发现,腾冲火山区域地壳内存在明显的地震波低速区,P波速度低于整个区域地壳速度平均值超过15%,上地幔顶部存在规模较大的低速异常区.推测腾冲火山地区存在较大规模的地幔热物质上涌以及向地壳的侵入,热物质在地壳内以岩浆囊形式存储,并且壳内岩浆囊之间可能存在岩浆通道.通过联合反演获得的地震重定位结果显示,丛集地震位置更加集中,其展布特征与断裂构造具有显著的对应关系,表明研究区域断裂构造比较活跃.获得的高分辨率三维P波层析成像结果,为进一步认识火山地区岩浆存储特征以及地震分布与区域构造之间的关系提供了新的地震学依据.     

滇西地壳三维密度结构及其大地构造含义

重力异常揭示地壳三维密度结构是地球物理的重要目标和任务,其关键技术是密度反演.本文对滇西地区重力异常进行了多尺度密度反演,首先利用小波变换对重力异常进行多尺度分解,接着利用功率谱分析方法估算各层场源的平均深度,然后利用广义密度反演方法进行各层密度反演,取得区域地壳多个深度上的密度扰动图像.滇西上地壳高密度扰动出现在扬子克拉通内部和西缘,以及澜沧江断裂带西缘,后者对应昌宁—勐连蛇绿混杂岩带及岛弧岩浆岩带.上地壳低密度异常主要反映西昌裂谷带和高黎贡—腾冲一带的岩浆房,和兰坪—思茅盆地中的坳陷带指示钾盐等沉积矿产目的层较厚的区段.滇西上地壳和中地壳出现三条低密度扰动带,与三期大陆碰撞带的吻合.大部分6级以上地震分布在低密度异常区或它们的边缘,只有在西昌—元古谋裂带才分布在高密度异常区.克拉通内部古裂谷带地震可分布在高密度异常区.在26°N线以南下地壳为高密度区,以北为低密度区.因此,26°N线的一个属性是下地壳密度差异分界线.滇西由北向南地壳加厚缩短的程度是逐渐变弱的,在26°N线以南,南北向的地壳加厚缩短就不明显了.高黎贡走滑剪切带、澜沧江走滑剪切带、红河走滑剪切带在滇西中地壳密度扰动平面图中表现为密度急变的梯度带.表明这三条主要的走滑剪切断裂带都穿过中地壳并可能延深到下地壳.     

闾阳—海城—东沟剖面地壳与上地幔密度结构特征与地震

本文介绍了应用闾阳—海城—东沟剖面深地震测深资料研究该剖面地壳与上地幔二维密度结构的结果.研究表明,该剖面地壳与上地幔密度结构存在明显的横向不均匀性.横向不均匀性最明显的部位位于海城地震区一带.在此,还发现了低密度囊体,这一特征经过正、反演计算得到了验证.该重要地球物理现象是海城地震区深部构造背景中重要特征之一.     

三维电性结构揭示的中国东北地区新生代火山深部起源

利用上地幔尺度的三维电性结构探讨了中国东北地区新生代火山的深部起源及彼此间联系.文章在该地区采集并获得了高质量的长周期大地电磁全阻抗张量数据,并采用高斯-牛顿法进行三维反演,得到了电阻率模型.该电阻率模型显示,中国东北地区高阻岩石圈内,存在多个局部低阻异常,它们在空间上和该区新生代火山对应;在上地幔深部,环松辽盆地分布三个低阻异常;软流圈中存在着脉状低阻异常,联系着岩石圈内和上地幔深部的低阻异常.岩石物理分析表明,这些低阻异常由流体熔融物质引起.俯冲到中国东北地区地幔转换带中的西太平洋板块发生持续脱水作用,模型则进一步揭示,这些水向上迁移到松辽盆地下方的转换带顶部并引起上地幔底部的部分熔融,在浮力作用下形成热物质上升流,融透软流圈后底辟于干枯岩石圈底部,最后刺穿较为薄弱或者活化的缝合带等构造边界,排出地表形成包括长白山火山、哈拉哈火山等整个中国东北地区新生代大规模火山事件.因此认为,中国东北地区的新生代火山"本是同根生",它们均起源于上地幔深部的环状低阻异常.     

腾冲火山地热区地壳结构的地震学研究

根据腾冲火山地热区实施的人工地震测深剖面资料 ,用有限差分反演和正向走时拟合方法确定了地壳二维 P波速度结构 .地壳模型显示 ,在腾冲的热海热田附近上地壳存在低速异常体 ,它与火山地热活动可能有关 .测线的二维地壳结构上显示出两条地壳断裂 :龙陵—瑞丽断裂和腾冲断裂 ,其中腾冲断裂可能切穿莫霍界面 .同时 ,根据远震波形资料反演腾冲热海热田地区的 S波速度结构 ,也显示出该地区上地壳存在 S波的低速异常 .本文从深部结构方面探讨腾冲火山的成因 .腾冲火山地热区地壳具有低 P波和 S波速度、低电阻率、高热流值和低 Q值 ,以及上地幔也具有低 P波速度的特点 .由此推测地壳内岩浆来源于上地幔 ,腾冲附近地区存在的上地壳低速度异常可与岩浆的分异作用相联系 .与地球上大多数的活动火山一样 ,腾冲火山位于移动板块之间的边界附近 ,属于“板块边界”火山     

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。     

东北地区地壳上地幔结构的探测与研究

本文简要综述了近30余年来在中国东北地区开展的重力资料反演、大地电磁测深、深地震测深、地震层析成像等深部地球物理探测与研究及其在该区取得的地壳上地幔结构研究成果。     

应用远震有限频率层析成像反演中国东北地区上地幔P波三维速度结构

选取黑龙江、 吉林、 辽宁、 内蒙古区域地震台网, 以及NECESSArray流动台阵记录的223个远震事件的波形资料, 采用多道互相关方法得到了22569个P波相对走时数据, 并计算了相应的走时灵敏度核, 应用有限频率层析成像反演得到中国东北地区上地幔600 km以上的P波三维速度结构模型, 利用检测板评估了反演结果的分辨率。 结果表明, 松辽盆地下方80~200 km的深度上呈主体的低速异常, 与这一地区上地幔浅部的高地温值和低密度的特征相互对应, 可能暗示了部分熔融的地幔。 南北重力梯度带两侧的速度结构明显不同, 这一差异可以延伸到200 km以下, 表明在中国东北地区南北重力梯度带有可能是一条上地幔内部结构的变化带, 或是深部结构的分界线。 长白山火山区下呈大范围的低速异常, 并可从上地幔浅部延伸到地幔转换带中, 推测此低速异常可能反映了地幔转换带内上涌的热物质, 上涌的原因则主要是受到太平洋板块俯冲运动的作用。     

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.     

华北克拉通东北部的远震S波走时层析成像研究

华北克拉通是近年来我国地学界研究的热点之一.本文利用布设在华北东北部地区的华北地震科学台阵所记录的远震波形资料,用波形互相关方法拾取了9105条S波走时残差数据,进而用体波走时层析成像方法反演获得了研究区从地表至600 km深度的S波速度结构.所获得的S波层析成像结果表明,华北克拉通中部块体的山西断陷带低速异常一直从地面延伸至上地幔约300 km深处,推测该低速异常体可能与中、新生代的大同火山群的形成与活动有关.研究发现华北东部存在一高速异常体由东部渤中凹陷的地壳一直向西延伸至太行山山前断裂下方地幔转换带410 km附近,推测该高速异常体可能为太平洋板片向西俯冲在华北克拉通东部块体下方地幔过渡带内的滞留.研究结果显示华北克拉通东部的华北盆地表现为高低速相间分布,表明该地区下方的岩石圈发生了破坏,而位于华北克拉通北缘的燕山造山带显示为高速异常,表明燕山造山带下方的岩石圈没有明显的破坏迹象.     

全球地磁感应测深数据三维反演

全球地磁感应测深能获得地幔转换带及下地幔上部的导电结构.但目前稀疏的地磁台站分布及部分台站的观测数据稳定性较差,影响了三维反演对地下电性结构的分辨力和反演可靠性.为此,区别于传统的L2-范数反演方法,本文提出并实现了基于L1-范数的地磁测深响应三维反演技术.在反演中,利用L1-范数度量数据预测误差,降低"飞点"数据的影响,将相关系数较小的C-响应估计也纳入反演数据中.三维正演模拟采用球坐标系下的交错网格有限差分法,反演采用有限内存拟牛顿法.文中利用指数概率密度分布函数构造非高斯噪声的合成数据,并采用棋盘模型对反演方法的可靠性进行了验证.之后,我们将本文提出的三维反演方法用于全球129个地磁观测台站的C-响应数据反演,结果表明在地幔转换带深部,中国东北地区为高导电异常,南欧和北非则均为高阻;夏威夷在900km以下为高导;菲律宾海及以东地区在转换带表现为明显的高阻,这些结果与前人研究结果一致.由于采用了更多的台站数据,我们的反演结果还发现一些新的异常:南美洲南端,转换带表现为明显的高导;澳大利亚东南部,地幔转换带深部,也存在一个明显的高导异常,这些异常分布和地震层析成像的低速区一致.因此,L1-范数三维反演能够充分利用全球C-响应数据信息,提高地磁测深对地球深部电性结构的分辨能力,更好的研究全球地幔电性结构.     

背景噪声面波与布格重力异常联合反演:山西断陷带三维地壳结构

讨论了利用面波与布格重力异常联合反演三维地壳速度结构的新方法,并利用该方法联合反演获得山西断陷带地壳S波速度结构.通过建立速度与密度之间的经验关系,利用非线性迭代反演方法获得最终速度模型.结果显示,联合反演获得的速度模型可以同时提高对面波及重力数据的观测拟合程度,而面波单独反演得到的速度模型则无法很好的拟合重力观测数据.相比较,联合反演速度模型中的大同火山区中下地壳的低速异常幅值小于面波单独反演模型中低速异常体的幅值.联合反演速度模型结果揭示,吕梁山地区在中下地壳存在低速异常,并且和北部的大同火山区低速异常相连接,说明可能导致新生代以来大同火山区岩浆活动的上地幔构造活动(上地幔局部上涌,地幔柱)可能对山西断陷带的形成和构造活动起到了一定的控制作用,并且导致了吕梁山地区中下地壳的低速异常.     

中国东北地区地壳、上地幔速度结构及其对矿产能源形成的控制作用

中国东北地区处于古亚洲洋和滨太平洋构造域叠合部位,地质构造极其复杂.利用东北及华北地区部分台网所接收的近震及远震走时资料获得东北地区地壳与上地幔三维P波速度结构,成像分辨率在80 km左右.成像结果表明东北地区地壳与上地幔具有较强的横向不均匀性.P波速度异常走向大体呈北东向,与该区地表构造走向一致.5 km深度的速度异...     

中国东北地区远震P波走时层析成像研究

利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪记录的远震波形数据,采用波形相关方法拾取了57251个有效相对走时残差数据,进一步采用FMTT(Fast Marching Teleseismic Tomography)层析成像的方法,反演获取了研究区下方深达800 km的P波速度结构.结果显示:在长白山下方发现有一个高速异常结构,这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块,由于板块的部分下沉,使得板块的形状并没有呈现出明显的板片状.长白山、阿尔山、五大连池火山下方都有低速异常体,长白山和阿尔山下的低速异常向下延伸至地幔转换带,可能与其上部的火山形成有关.五大连池火山下方的低速异常向下延伸至200 km左右,不同埋深的低速异常结构可能意味着五大连池与长白山和阿尔山有着不同的成因.松辽盆地呈现以高速异常为主导高低速异常混合分布的特性,暗示松辽盆地可能有岩石圈拆沉的过程,盆地南部下方的低速异常与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性,可能是下地幔热物质上涌的一个通道.     

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.     

中国东北地区远震S波走时层析成像研究

利用中国东北流动和固定台网的234个宽频带地震仪在2009年6月-2011年5月所记录的远震波形数据,采用波形相关方法拾取了10301个有效的S震相相对走时残差数据,进一步采用两种射线走时层析成像的方法,反演获取了研究区下方深达800 km的S波速度结构,不同射线走时层析成像方法的结果对本区的S波速度异常结构起到一定的约束作用.S波成像结果与我们先前开展的P波成像研究结果整体相似：在长白山下方发现有一个高速异常结构,这可能就是俯冲到欧亚大陆板块下方的太平洋板块,由于板块的部分下沉,使得板块的形状并没有呈现出明显的板片状.长白山、阿尔山、五大连池火山下方都有低速异常体,长白山和阿尔山下的低速异常向下延伸至地幔转换带附近,可能与其上部的火山形成有关.五大连池火山下方的低速异常向下延伸至200 km左右,不同埋深的低速异常结构可能意味着五大连池与长白山和阿尔山有着不同的成因.松辽盆地呈现以高速异常为主导、高低速异常混合分布的特性,暗示松辽盆地岩石圈地幔可能遭受了改造与破坏,可能有岩石圈拆沉的过程,盆地南部下方的低速异常与长白山和阿尔山下的低速异常有连通性,可能是下地幔热物质上涌的一个通道.S波和P波相似的成像结果从另一个角度展示了中国东北地区的上地幔速度异常结构,对我们认识此区的地下结构提供了重要的约束.     

青藏高原东北缘上地幔多尺度层析成像

利用布设在青藏高原东北缘地区的甘肃宽频带地震台阵记录到的远震P波走时数据,采用小波域参数化和基于L1范数的稀疏约束反演算法的多尺度层析成像方法,得到了该地区400km深度范围内上地幔的P波速度结构.本文采用的多尺度层析成像方法可以自适应数据非均匀采样的情况,有效降低谱泄漏效应和反问题的多解性,明显提高解的分辨率和可靠性.层析成像结果表明青藏高原东北缘上地幔整体上显示为低速特征,扬子地块上地幔则显示为高速特征,两者之间上地幔存在清晰的块体边界带,该边界带位于东经104°—105°之间并且随深度的增加逐渐东移.该特征暗示了青藏高原上地幔物质向东扩张的机制,但在西秦岭上地幔顶部不存在物质运移的通道.青藏高原东北缘内部也具有明显的分区特征,松潘—甘孜地块上地幔P波速度整体呈低速特征,而柴达木地块的上地幔顶部具有相对高速特征,而在上地幔200km以下这两个地块间的差别逐渐减小.1654年天水地震和1879年武都地震都发生在扬子地块与青藏高原的碰撞交汇区,其震中下方上地幔显示为高低速转换结构.