华南地区上地幔P波三维速度结构和动力学意义:来自有限频层析成像的证据

利用155个宽频带流动地震仪记录的连续地震波形数据,通过有限频层析成像技术,反演获得了华南地区上地幔的高分辨率P波三维速度模型.结果显示,大致以江南造山带为界,研究区域南部的华夏块体的大部分区域上地幔存在一个清晰的低速异常构造,而研究区北部的扬子克拉通的大部分区域上地幔则存在高速异常结构,并且这些速度异常体都向下延伸到地幔转换带.一个重要的结果是在(27°N,118°E)处观测到通过410-km界面的上涌流,并且在上升的过程中逐渐向西和向北扩展,显示为华夏块体深部200～400 km深度的大范围低速异常,可能为华夏块体广泛分布的新生代岩浆活动提供深部来源.更重要的是华夏块体通过410-km界面上涌流在上涌的过程中向北延伸,越过江南造山带"侵入"到扬子克拉通的南部地区,造成了扬子克拉通较厚的岩石圈对应的高速异常体向南倾斜的假象.最后,位于117°E(郯庐断裂的南端)以东的扬子克拉通岩石圈已经被"活化",即被来自南部热的软流圈物质替而代之.同时,推断在华夏块体下方地幔转换带内低速异常体可能是与海南地幔柱有关.海南地幔柱和(27°N,118°E)410-km界面上涌流的关系还有待于今后更大范围地震台阵反演研究进行验证.     

华北克拉通与兴蒙造山带体波走时层析成像研究

华北克拉通岩石圈破坏范围与机制、华北地区深部孕震环境以及华北—兴蒙地区的新生代火山成因是地球科学领域的研究热点。本文利用研究区范围内布设的固定地震台网和流动地震台阵所记录到的近震与远震走时资料,开展研究区体波三维速度结构研究,为克拉通破坏、板内地震和火山成因等研究提供深部地球物理证据。本论文首先简要介绍了华北克拉通和兴蒙造山带的地质构造背景以及前人在该区取得的地壳上地幔地球物理观测结果,并就远震层析成像中几个影响因素进行了对比验证分析。在此基础上,充分收集了华北地区176个地震台站记录的677个近震P波和S波走时数据,其中P波走时43 354条,S波走时30 407条;应用SIMULPS14,获得华北地区地壳P波三维速度结构和v_P/v_S波速比。同时还收集华北—兴蒙造山带范围内757个台站记录的965个远震地震事件,应用波形互相关技术,共拾取93 416条P波相对走时残差数据;并收集兴蒙造山带范围内382个台站记录的606个远震地震事件,90 724个P波相对走时残差数据;应用有限频层析成像方法,分别获得了华北克拉通和兴蒙造山带0~800km深度、0.5°×0.5°的P波三维速度结构。获得主要成果及认识如下:(1)张渤地震带孕震环境综合P波速度结构、v_P/v_S波速比结果揭示张渤地震带地壳内存在低速层,且具有高波速比特征,可能反映此低速层与幔源热物质的侵入有关。由于幔源物质侵入,使得地壳深部流体的供给量增加,在地壳发震层下长期存在的流体会影响断裂带的结构,降低断裂带的强度,使区域应力场发生变化从而导致断裂带上应力的集中,进而引发地震。(2)华北克拉通与兴蒙造山带深部结构特征在鄂尔多斯地块下方显示为整体的高速异常,并向下延伸至300km深度甚至更深,是鄂尔多斯作为稳定克拉通地块的表现,暗示克拉通西部块体岩石圈还未遭到破坏。在克拉通中部的山西裂陷下方揭示了一强的低速异常,该低速异常在400km以上深度表现明显,这一显著的低速异常可能是由晚中生代至新生代的岩浆活动引起的,与克拉通活化有关。与之形成对比的是,克拉通东部华北平原地区则表现为高速异常与低速异常交互分布的复杂特征,而燕山地区则为高速异常,表明华北平原地区有明显的岩石圈去根和减薄过程,燕山地区则没有发生该过程或此过程发生的现象不明显。兴蒙造山带速度异常分为东、中、西三个区域,其中东西两个区域为低速异常区,中部松辽盆地内部呈现以高速异常为主导、高低速异常混合分布的特征;松辽盆地上地幔呈现高、低速异常相间的特征,推测可能是松辽盆地岩石圈拆沉的反映;在盆地南部400km以下存在低速异常,该低速异常向下延伸至下地幔中,推测可能是下地幔热物质上涌的产物。(3)华北克拉通与兴蒙造山带新生代火山成因本文的研究结果还揭示了锡林浩特—阿巴嘎火山下方的低速异常局限于400km深度之上;但阿巴嘎火山在200km深度以上,存在明显的高速异常,推测阿巴嘎火山下方的高速异常可能与火山年龄古老,岩浆有不同程度的固结有关,而锡林浩特—阿巴嘎火山下方的低速异常暗示仍有岩浆体的残留。P波速度结构还表明了大同火山及其周边400km深度以上,存在明显的低速异常,且低速异常并没有贯穿地幔转换带到达下地幔,据此我们推测该低速异常可能与深部热物质的存在有关,可能并不是因地幔转换带/下地幔的地幔柱热物质上涌所致。大同火山下方低速异常与锡林浩特—阿巴嘎火山下的低速异常没有相连的迹象,这可能暗示大同火山与锡林浩特火山群具有不同的深部热源。五大连池与长白山和阿尔山具有不同的地下速度异常结构,也意味着它们的成因可能不大相同。其中,五大连池火山下方也有低速异常,但该低速异常向下延伸至150km左右,这个低速异常结构暗示着五大连池火山的热源较浅。长白山下方400km深度以上存在一低速异常,该低速异常体向下继续延伸甚至突破地幔转换带到达下地幔;推测该低速异常代表了热的、上浮的岩石圈地幔,被夹持在太平洋板块岩石圈下方,在太平洋板片俯冲作用下由缺口向上发生上涌,上涌过程产生减压熔融成为长白山火山,是形成长白山火山的深部源泉。阿尔山火山下方存在一低速异常,该低速异常延伸至约600km深度左右,甚至穿过地幔转换带延伸至下地幔,该低速异常有可能就是热物质的输送通道,是阿尔山地区温泉形成的深部原因。     

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.     

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.     

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800km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200km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.     

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.     

蒙古中南部地区的上地幔P波速度结构

利用中蒙国际科技合作专项项目在蒙古中南部地区布设的69个宽频带地震仪在2011年8月-2013年7月所记录的远震波形数据,采用波形相关方法在0.02~0.1 Hz的频段内拾取了18551个有效的P震相相对走时残差数据,进一步采用有限频走时层析成像的方法,反演获取了蒙古中南部下方深达800 km的P波速度结构.结果显示：肯特山下方的低速异常极有可能是推测中的肯特山地幔柱的反映;呼斯坦瑙鲁和曼达尔戈壁西边的低速异常可能与杭爱山高原下的地幔柱或地幔对流有关联;戈壁滩的低速异常带可能和达里甘嘎火山有相同的热来源,可能是该区火成岩存在的深部原因,也可能是戈壁滩及其周边地区地幔柱或下地幔热物质上涌的表现.     

海南地幔柱上地幔结构新的地震学约束

给出了由近震和远震数据确定的海南地幔柱上地幔高分辨率层析成像结果。远震到时数据是由海南岛和雷州半岛9个固定地震台站记录的地震波形中精确提取的。我们的结果显示,在海南热点下方从地表到250km深度,地壳中存在高达-5％而在地幔仅-2％的明显低速异常。海南地幔柱被成像为西北-东南向倾斜的、直径约80km的连续低速柱状异常体。由于较密集数据覆盖和精细模型参数化,我们的结果相对于先前的局部和全球层析成像研究有了明显的改进。海南地幔柱的这种倾斜可以用数值模拟的结果来解释。地幔柱在上地幔中的倾斜可能与海洋板块的俯冲有关,特别是与菲律宾海板块和欧亚板块的挤压有关。但最可能的是,这种倾斜是地幔柱在下地幔扭曲后靠浮力上浮至上地幔形成的。     

中天山和塔里木盆地下方地幔转换带顶部P波速度结构探测

本文基于中国数字地震台网记录到的2016年1月12日发生于兴都库什—帕米尔地区的中源地震P波宽频带波形资料,利用P波三重震相方法研究了中天山和塔里木盆地北部410 km间断面起伏形态及间断面附近P波速度结构.通过波形拟合,我们发现中天山和塔里木盆地北部410 km间断面下沉约10 km;410 km间断面上方存在由塔里木盆地向中天山P波速度异常逐渐减小的约70 km厚的低速层(-3%~-1%).该低速层可能是地幔转换区物质上涌并部分脱水熔融及热效应共同作用的结果.另外我们发现中天山东北部约10~100 km深度范围内存在局部低速异常(约-6%),其很可能是上涌的软流圈物质.     

南北地震带北段的远震P波层析成像研究

本文利用"中国地震科学台阵"探测项目在南北地震带北段布设的678个流动地震台站在2013年10月至2015年4月期间记录到的远震波形数据,经过波形互相关拾取到473个远震事件共130309条P波走时残差数据,通过远震层析成像研究获得了该区(30°N-44°N,96°E-110°E)下方0.5°×0.5°的P波速度扰动图像.结果显示,研究区下方P波速度结构显示强烈的不均一性和显著的分区、分块特征.岩石圈速度结构具有显著的东西差异:祁连、西秦岭和松潘甘孜地块组成的青藏东北缘地区显示明显的低速异常,而属于克拉通性质的鄂尔多斯地块和四川盆地则显示高速异常,表明东部克拉通块体对青藏高原物质的东向挤出起到了强烈的阻挡作用.阿拉善地块显示出弱高速和局部弱低速的异常并存的特征.阿拉善地块西部显示低速异常,而东部与鄂尔多斯相邻的地区显示高速异常,可能表明该地区的岩石圈的变形主要受到青藏高原东北缘的挤压作用.在鄂尔多斯和四川盆地之间的秦岭下方100~250 km深度上表现为明显的低速异常,表明该处可能存在软流圈物质的运移通道.鄂尔多斯北部的河套裂陷盆地下方在100~500 km深度内低速异常表现明显,说明该区有深部热物质上涌且至少来源于地幔过渡带.青藏东北缘上地幔显示低速异常且地幔过渡带中出现明显的高速异常,这种结构模式暗示了在青藏高原东北缘可能发生了岩石圈拆沉作用,而高速异常体可能是拆沉的岩石圈地幔.     

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。     

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.     

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.     

3D shear-wave velocity structure of the Eifel plume, Germany

The Quaternary Eifel volcanic fields, situated on the Rhenish Massif in Germany, are the focus of a major interdisciplinary project. The aim is a detailed study of the crustal and mantle structure of the intraplate volcanic fields and their deep origin. Recent results from a teleseismic P-wave tomography study reveal a deep low-velocity structure which we infer to be a plume in the upper mantle underneath the volcanic area [J.R.R. Ritter et al., Earth Planet. Sci. Lett. 186 (2001) 7-14]. Here we present a travel-time investigation of 5038 teleseismic shear-wave arrivals in the same region. First, the transverse (T) and radial (R) component travel-time residuals are treated separately to identify possible effects of seismic anisotropy. A comparison of 2044 T- and 2994 R-component residuals demonstrates that anisotropy does not cause any first-order travel-time effects. The data sets reveal a deep-seated low-velocity anomaly beneath the volcanic region, causing a delay for teleseismic shear waves of about 3 s. Using 3773 combined R- and T-component residuals, an isotropic non-linear inversion is calculated. The tomographic images reveal a prominent S-wave velocity reduction in the upper mantle underneath the Eifel region. The anomaly extends down to at least 400 km depth. The velocity contrast to the surrounding mantle is depth-dependent (from −5% at 31-100 km depth to at least −1% at 400 km depth). At about 170-240 km depth the anomaly is nearly absent. The resolution of the data is sufficient to recover the described features, however the anomaly in the lower asthenosphere is underestimated due to smearing and damping. The main anomaly is similar to the P-wave model except the latter lacks the ‘hole’ near 200 km depth, and both are consistent with an upper mantle plume structure. For plausible anhydrous plume material in the uppermost 100 km of the mantle, an excess temperature as great as 200-300 K is estimated from the seismic anomaly. However, 1% partial melt reduces the required temperature anomaly to about 100 K. The temperature anomaly associated with the deeper part of the plume (250 to about 450 km depth) is at least 70 K. However, this estimate is quite uncertain, because the amplitude of the shear-wave anomaly may be larger than the modelled one. Another possibility is water in the upwelling material. The gap at 170-240 km depth could arise from an increase of the shear modulus caused by dehydration processes which would not affect P-wave velocities as much. An interaction of temperature and compositional variations, including melt and possibly water, makes it difficult to differentiate quantitatively between the causes of the deep-seated low-velocity anomaly.     

Seismic structure of Iceland from Rayleigh wave inversions and geodynamic implications

We have constrained the shear-wave structure of crust and upper mantle beneath Iceland by analyzing fundamental mode Rayleigh waves recorded at the ICEMELT and HOTSPOT seismic stations in Iceland. The crust varies in thickness from 20 to 28 km in western and northern Iceland and from 26 to 34 km in eastern Iceland. The thickest crust of 34–40 km lies in central Iceland, roughly 100 km west to the current location of the Iceland hotspot. The crust at the hotspot is ∼32 km thick and is underlain by low shear-wave velocities of 4.0–4.1 km/s in the uppermost mantle, indicating that the Moho at the hotspot is probably a weak discontinuity. This low velocity anomaly beneath the hotspot could be associated with partial melting and hot temperature. The lithosphere in Iceland is confined above 60 km and a low velocity zone (LVZ) is imaged at depths of 60 to 120 km. Shear wave velocity in the LVZ is up to 10% lower than a global reference model, indicating the influence of the Mid-Atlantic Ridge and the hotspot in Iceland. The lowest velocities in the LVZ are found beneath the rift zones, suggesting that plume material is channeled along the Mid-Atlantic Ridge. At depths of 100 to 200 km, low velocity anomalies appear at the Tjornes fracture zone to the north of Iceland and beneath the western volcanic zone in southwestern Iceland. Interestingly, a relatively fast anomaly is imaged beneath the hotspot with its center at ∼135 km depth, which could be due to radial anisotropy associated with the strong upwelling within the plume stem or an Mg-enriched mantle residual caused by the extensive extraction of melts.