大陆深俯冲的深浅动力学响应:来自帕米尔高原地壳精细结构的约束

帕米尔高原位于青藏高原西构造结,强烈的陆内中源地震活动指示帕米尔高原下方正发生着大陆深俯冲过程.文章基于帕米尔高原现有流动地震台阵观测资料,利用接收函数谐波分析和环境噪声方法,在有效协调接收函数与面波频散分辨尺度的情况下,通过接收函数和面波频散联合反演,重建了横跨帕米尔高原到费尔干纳盆地等主要构造单元的壳幔二维S波速度结构.通过与接收函数CCP叠加成像剖面之间的对比分析,可靠地揭示了帕米尔高原中源地震分布、Moho面形态、上地幔和壳内低速异常分区/分层之间的空间配置关系,不仅进一步证实了亚洲大陆下地壳在帕米尔高原下方与岩石圈地幔耦合在一起发生了深俯冲,而且指示了深俯冲地壳物质的变质脱水反应在该区中源地震活动和壳内变形中起到的重要作用,从而为认识和理解大陆深俯冲过程及其动力学响应提供了新的地震学制约.     

基于贝叶斯理论的接收函数与环境噪声联合反演

基于Bayes反演理论(Tarantola,1987,2005),在接收函数非线性复谱比反演方法基础上(刘启元等,1996),本文讨论了接收函数与地震环境噪声Rayleigh波相速度频散的联合反演.本文采用修正后的快速广义反射/透射系数方法(Pei et al., 2008,2009) 计算Rayleigh波相速度频散, 并引入地壳泊松比的全局性搜索.数值检验表明:(1)接收函数与环境噪声的联合反演能够有效地解决反演结果对初始模型依赖的问题,即使对地壳速度结构仅有非常粗略的初始估计(例如,垂向均匀模型),本文方法仍能给出模型参数的可靠估计;(2)由于环境噪声与接收函数在频带上的适配性明显优于地震面波,接收函数与环境噪声的非线性联合反演能更好地约束台站下方近地表的速度结构;对于周期范围为2~40s的环境噪声相速度频散,利用本文方法能够可靠推测台站下方0~80 km深度范围的S波速度结构, 其浅表速度结构的分辨率可达到1 km; (3)本文方法能够可靠地估计地壳泊松比,泊松比的全局性搜索有助于合理解释接收函数和环境噪声的面波频散数据.利用本文方法对川西台阵KWC05台站观测的接收函数与环境噪声的联合反演表明,该台站下方地壳厚度为44 km,上地壳具有明显的高速结构,24~42 km范围的中下地壳具有低速结构.该台站下方地壳的平均泊松比为0.262,壳内低速带的泊松比为0.27.     

利用面波和接收函数联合反演滇西地区壳幔速度结构

考虑到面波频散对介质S波速度、接收函数对界面深度的各自敏感性优势,综合利用面波和接收函数资料实现联合反演,求取滇西地区壳幔速度结构. 本文利用适配滤波频时分析技术处理覆盖滇西地区的长周期面波资料,获得105～1050s周期范围内的面波群速度频散,进而利用分格反演方法提取研究区内1°×1°网格纯路径频散;基于滇西地区宽频带三分量远震记录,经反褶积后得到台站下方的远震P波接收函数. 联立面波纯路径频散信息和接收函数资料建立系统方程,利用阻尼最小二乘法实现联合反演,从而获得滇西地区壳幔S波速度结构. 结果表明,滇西地区以红河断裂为界,东西两侧壳幔结构存在明显差异,断裂西侧约20km深度处存在一厚度为10km左右的低速层,而东侧并不明显;滇缅泰块体上的畹町、沧源一带属于上地幔低速区,而另一个地幔低速区则位于滇中块体上的康滇古隆起上,两处地幔低速区与大地高热流分布、强震活动具有较好的对应关系.     

远震接收函数方法及其在海域岛礁区地壳结构研究中的应用

远震接收函数方法从远震P波波形中提取出台站下方主要速度间断面的信息,是研究地壳、上地幔结构的有效方法。该方法通过拟合转换波波形来约束间断面深度和横波速度。传统的接收函数线性反演方法强烈依赖于初始模型的选取,其反演结果存在较大的不确定性,为此新的基于非线性的反演方法逐渐发展起来,另外,接收函数与面波联合反演以及S波接收函数方法的提出也在一定程度上降低了反演结果的非唯一性。接收函数方法在大陆区地壳结构的研究中得到了广泛运用,但对于海区和岛礁区的研究却非常缺乏,本文回顾了国内外一些岛礁区的接收函数研究实例,介绍了西沙群岛琛航岛的天然地震观测及其结果,探讨了接收函数方法在岛礁区地壳结构研究中的应用前景。     

接收函数方法的研究综述

从远震体波波形数据中提取的P波接收函数和S波接收函数已经成为研究台站下方地壳上地幔速度间断面的最有效的方法之一.P波接收函数已经被广泛应用于获取地壳内部S波速度结构、地壳厚度及物质成分组成、地幔过渡带的厚度变化以及岩石圈地幔的间断面等,而S波接收函数是P波接收函数的一个很好的补充,因为在Moho和地幔过渡带之间的深度范围内,Sp转换波比来自浅部间断面的多次波到达早,而在P波接收函数中,相同深度范围的间断面的Ps转换波往往被来自浅部间断面的多次波干扰或者淹没,因此S波接收函数是目前获取岩石圈地幔深度范围内速度间断面结构(如Moho和LAB)的比较有效的方法,比面波观测具有更高的分辨率.本文详细阐述了P波接收函数和S波接收函数的方法原理以及在地壳上地幔速度间断面的研究中所采用的研究思路.     

接收函数方法与华北克拉通北部岩石圈结构的研究

正自从Langston提出接收函数以来,随着地震观测台网越来越密集,利用地震台阵观测研究构造带下方速度结构取得了重要进展,很多学者利用接收函数研究地壳上地幔速度结构。虽然P波接收函数可以获得地壳上地幔结构,但由于莫霍面和壳内间断面多次反射震相的干扰,单纯考虑Ps转换震相难以精确地确定岩石圈边界。Farra和Vinnik利用类似提取P波接收函数的方法得到Sp转换震相的S波接收函数。相比P波接收函数,由于S波接收函数不受间断面多次反射震相的干扰,因而在岩石圈—软     

长白山火山区壳幔S波速度结构研究

利用面波层析成像和远震接收函数方法对长白山地区的地壳上地幔速度结构进行了研究。结果表明:长白山火山区附近存在岩石圈减薄、上地幔软流圈增厚以及上地幔S波速度降低等与上地幔高温物质有关的现象,它表明长白山的岩浆系统一直延伸到上地幔软流圈范围。天池火山区地壳内部存在明显的S波低速层,在离天池火山口较近的WQD台附近,低速层顶部埋深约8km,厚度近20km,S波最小速度约2.2km/s。在距离天池火山北部50km的EDO台地壳中没有明显的低速层。火山区S波速度结构总体表现出距离天池越近,地壳的V_P/V_S越大,低速层的厚度和幅度增加的特征,表明天池火山口附近地壳内部存在高温物质或岩浆囊。CBS台站不同方位的接收函数及反演结果表明,地表低速层厚度以及莫霍面深度存在随方位的变化。地表低速层在南部方向明显较厚,莫霍面深度在南部天池火山口方向存在小幅度抬升。CBS台站附近特殊的近地表速度结构可能是该台站记录的火山地震波形主频较低的主要因素。天池火山口附近莫霍面的小幅度抬升意味着存在与火山作用有关的壳幔物质交换通道     

利用多种地震数据联合反演剪切波速度结构的可靠性检测

本文模拟使用青藏高原东南缘区域台网及国家台网的170个宽频台站基于背景噪声、天然地震面波、P波接收函数反演时的实际数据,对青藏高原东南缘假定的初始模型进行恢复,通过计算初始模型台站下方纯路径频散、提取各台站对间的瑞雷波频散曲线、计算理论接收函数以及反演剪切波速度结构来测试使用不同单项数据与联合使用多种数据反演对初始模型的恢复程度。结果表明,同时使用接收函数、基于噪声经验格林函数的群速度、相速度频散以及基于天然地震面波的相速度频散联合反演的剪切波速度结构,充分利用了几种数据的分辨率优势,清晰地分辨出中下地壳及上地幔顶部的低速层。此外,本文也分析了实际数据处理中出现的计算误差、随机噪声干扰对计算结果稳定性的影响。结果显示:对于面波频散,加入1%的误差后,联合反演的结果仍可很好地反映低速层的形态,但是当误差提升至5%后,对最终结果则产生了一定程度的影响;而在接收函数中加入4%的随机噪声时,虽然地幔低速层的上界面和下界面会略微受到随机噪声的影响,但是低速层的深度范围和速度值均得到了较好的恢复。     

根据接收函数反演得到的首都圈地壳上地幔三维S波速度结构

利用2002~2003年中国地震局地质研究所台阵实验室以唐山大震区为中心布设的40个流动宽频带地震台站和首都圈数字台网的33个宽频带台站的远震数据,采用接收函数非线性反演方法得到其中72个宽频带台站下方60 km深度范围内的S波速度结构.根据得到的各台站下方地壳上地幔的S波速度结构,并综合刘启元等（1997）用接收函数非线性反演方法得到的延怀盆地15个宽频带流动台站下方的地壳上地幔S波速度结构模型,给出了39°N～41°N,114°E~119.5°E区域内沿不同走向、不同深度S波速度分布.由于综合了利用首都圈数字地震台网的宽频带台站以及流动地震台阵的观测数据,本文给出了较前人同类研究空间分辨率更好的结果.结果表明: (1)研究区的速度结构,特别是怀来以东的速度结构十分复杂.在10~20 km深度范围内,研究区地壳具有高速和低速异常块体的交错结构.研究区中上地壳速度结构主要被与张渤地震带大体重合的NW向高速条带和穿越唐山大震区的NE向高速条带所控制,而其中下地壳的速度结构主要为延怀—三河—唐山地区上地幔隆起所控制.(2)研究区内存在若干壳内S波低速体,它们主要分布在唐山,三河及延怀盆地等地区.在这些地区,壳内低速体伴随着壳幔界面的隆起和上地幔顶部速度结构的横向变化.(3)地表断层分布与地壳速度结构分区有较好的相关性,表明断层对不同块体有明显的控制作用.其中,宝坻断裂,香河断裂和唐山断裂均为超壳断裂.(4)首都圈内大地震的分布与壳内低速体及上地幔顶部的速度结构有密切关系.对于唐山大地震的成因,仅考虑板块作用引起的水平应力场是不够的,有必要充分重视由于上地幔变形引起的地壳垂直变形和上地幔物质侵入造成的热效应.     

用瑞利面波资料反演中国大陆东部地壳上地幔横波速度的三维构造

利用中国大陆东部21个台站的43条面波大圆路径上瑞利面波记录的双台资料,计算出双台间地震面波相速度频散,采用Tarantola概率反演的方法求得相速度频散曲线的分布,并由各处相速度频散曲线反演得到地壳上地幔的三维横波波速图像,进而得到中国东部地壳上地幔的S波速度结构.结果表明:我国大陆东部地壳厚度总体上呈东薄西厚的趋势,以105°E为界向西地壳厚度逐渐加深到55 km以上,其中有一个北东向的h形地壳厚度的坡度带.豫西及晋南地区为相对薄地壳的地区.大别山地区和泰山附近地区地壳变厚,但秦岭地区地壳不变厚.上地幔低速层上界面的深度在华北地区较浅,为80-90km,在鄂尔多斯、四川东部以及黔湘地区为120-130km.扬子地块东部及华南褶皱系中、东部上地幔顶部速度偏低使低速层的速度反差不明显.滇黔褶皱系的西部在200 km以内的上地幔中未出现低速层.     

利用接收函数方法研究瑞丽-龙陵断裂两侧S波速度结构

利用研究区(23.9°～25.1°N,97.8°～99.0°E)内瑞丽—龙陵断裂两侧4个流动数字地震台记录到的宽频带远震P波波形数据进行接收函数反演,得到了台站下方0～100km深度范围内地壳、上地幔的S波速度细结构。结果如下:(1)在研究区内,以瑞丽—龙陵断裂为界,其西北侧Moho面深度为38～40km,东南侧Moho面深度约为38km。(2)断裂两侧地壳、上地幔S波速度结构存在显著差异,西北侧台站下方地壳和上地幔均存在大范围低速区;东南侧台站下方上地幔中无明显低速层,地壳内存在低速层,但范围和速度差都较小。(3)断裂两侧台站下方地壳和上地幔S波速度结构的较大差异,证明它们分属不同的构造单元。(4)研究区内的S波速度结构存在明显的横向非均匀性。     

华北地区三维地壳上地幔结构

本文用均等显示滤波频时分析方法分析了长周期瑞利面波资料,获得了路经中国大陆及邻区的238条混合路径的面波群速度频散,其周期范围为10.5-113s.用改进的分格反演方法从混合路径频散中提取出位于华北地区的12个4°×4°网格单元的纯路径频散并反演其地壳上地幔结构.所得结果表明,华北地区地壳上地幔结构横向变化显著;从东向西地壳逐渐变厚;位于华北东部的分格在地壳中20km深处普遍存在低速层,整个华北地区上地幔低速层埋藏较浅,一般为55-100km之间.各个网格上地幔低速层的速度不尽相同.     

利用长周期面波研究华北地区地壳与上地幔结构的横向非均匀性

本文以太行山为界将华北地区分为东西两部分,东部为河淮块体,西部为鄂尔多斯块体.利用最小二乘法,从混合路径基阶瑞利面波群速度频散提取两块体的纯路径频散,并反演其地壳、上地幔的层状结构.所得结表果明,两块体的面波频散和地壳、上地幔结构存在明显差异.东部的河淮块体地壳较薄,地壳内平均速度比西部的鄂尔多斯块体壳内平均速度约低0.13km/s,壳内20km深度左右出现低速层;而西部的块体壳内速度成层递增,未见低速层出现.两块体上地幔顶部速度均偏低,地幔低速层的埋藏深度基本相同.但西部块体地幔低速层厚,且比东部块体地幔低速层的速度约低0.3km/s.     

基于Love波相速度反演南北地震带地壳上地幔结构

收集了南北地震带区域地震台网中292个地震台站2008年1月至2011年3月期间的地震波形数据,由频时分析方法提取了Love波相速度频散曲线,经过反演得到了研究区内的Love波相速度分布.根据Love波纯路径频散,采用线性反演方法对0.25°×0.25°的网格点进行了一维S波速度结构反演,利用线性插值获取了南北地震带地区的三维S波速度结构.结果显示了松潘—甘孜地体和川滇菱形块体地区的下地壳具有明显的S波低速层分布,该异常分布特征支持解释青藏高原隆升及其地壳物质运移的下地壳流模型.在100至120km深度上,川滇菱形块体西北部呈现较强的S波高速异常,这可能是印度岩石圈板块沿喜马拉雅东构造结下插至该区域所致,该区域下地壳的低速软弱物质与上地幔的高速强硬物质形成了鲜明对比,暗示了地壳和上地幔可能具有不同的构造运动和变形方式,这为该区域的壳幔动力学解耦提供了条件.     

利用长周期面波研究华北地区地壳与上地幔结构的横向非均匀性

本文以太行山为界将华北地区分为东西两部分,东部为河淮块体,西部为鄂尔多斯块体.利用最小二乘法,从混合路径基阶瑞利面波群速度频散提取两块体的纯路径频散,并反演其地壳、上地幔的层状结构.所得结表果明,两块体的面波频散和地壳、上地幔结构存在明显差异.东部的河淮块体地壳较薄,地壳内平均速度比西部的鄂尔多斯块体壳内平均速度约低0.13km/s,壳内20km深度左右出现低速层;而西部的块体壳内速度成层递增,未见低速层出现.两块体上地幔顶部速度均偏低,地幔低速层的埋藏深度基本相同.但西部块体地幔低速层厚,且比东部块体地幔低速层的速度约低0.3km/s.     

利用面波频散与接收函数联合反演青藏高原东南缘地壳上地幔速度结构

青藏高原东南缘对于青藏高原的隆升、增厚和物质逃逸等问题有着重要的研究价值.本文对研究区内布设的大型流动地震台阵的观测记录进行处理,联合反演面波频散与接收函数数据,获得了地壳厚度、沉积层厚度分布情况以及地壳上地幔高精度S波速度结构.联合反演的结果表明:(1)研究区域内地壳厚度变化很大,从西北往东南方向地壳厚度逐渐变薄;(2)沉积层厚度与研究区内沉积盆地的分布情况较为一致;(3)在研究区中下地壳内由北向南呈条带状分布有两条主要的壳内低速体,其中一条从川西北次级块体向南延伸,穿过丽江断裂到达滇中次级块体下方,另一条低速体沿小江断裂分布,向南延伸到24°N左右,两条低速体在中地壳范围被四川盆地及峨眉山大火成岩省内带下方的高速异常所隔开.     

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.     

基于深度学习的接收函数横波速度预测

远震接收函数中包含了大量台站下方速度间断面所产生的Ps转换波及其多次反射波的信息,被广泛应用于反演精细的地壳及上地幔速度结构.但当地壳结构复杂如存在沉积层或高速层时,转换波和多次波震相的到时和振幅发生变化,从而导致接收函数反演存在强非唯一性.深度学习作为一种高效的特征提取方法,能够建立接收函数与横波速度在空间上的映射关...     

宽频带数字地震波形反演与中国大陆地壳上地幔速度结构的研究

本文对利用体波波形资料研究地壳上地幔速度结构的理论与方法进行了系统的研究 ,通过引入非线性反演中的遗传算法 ,发展了一种灵活有效的体波波形反演方法。利用中国的CDSN台网和中美合作在青藏高原架设的PASSCAL临时地震台站记录的宽频带体波波形资料 ,对中国大陆地区地壳上地幔速度结构进行了研究。在青藏高原地区 ,通过对高原中部地区瑞利波衰减特性及相速度频散特性的测定 ,反演了该地区地壳上地幔的 Qβ结构和 S波速度结构 ,并对 S波速度的横向不均匀特征进行了探讨。本文对上地幔速度结构的主要研究方向进行了系统的总结 ,这些…     

接收函数方法及其新的进展

远震P波波形数据中包含了大量地震台站下方地壳和上地幔速度间断面所产生的PS转换波及其多次反射波的信息，由此提取的接收函数是了解地壳上地幔速度细结构的重要步骤手段之一．最近几年，接收函数和面波联合反演方法获得了较大的成功，两种分别对两种波形进行拟合，对反演的速度结构提供了有效的约束．地震勘探中的一些成熟技术被引进接收函数的数据处理，使其可用于地壳和上地幔主要速度界面的侧向变化研究．为增强接收函数的信噪比，将不同事件提取的接收函数进行分类，按方位角进行叠加，可以反应一些速度界面的横向变化．接收函数方法可用于PS转换震相的剪切波分裂研究．泊松比是推测地球内部物质构成的有效参数之一．接收函数方法分离出的转换波为获取泊松比提供了一条行之有效的便捷途径，单一的地震台远震记录中转换波可以估计点位下面地壳Vp/Vs值．另一方面，一些最新的反演技术被引入接收函数的反演．例如，格子收索方法力图解决接收函数反演中的不稳定性和非唯一性问题，格子搜索设计比较容易地结合先验约束并保证搜索是全空间的，避免了使用任何初始模型．该方法能保证在格子的间隔和参数的限度内获得全局最小，该方法被用于中东、南美及临近地区的深部结构．相邻算法是基于计算几何的概念而构建的一种非线性反演方法．该方法避免了此前一些方法(遗传算法、模拟退火)的一些缺陷，如大量样本的舍弃、过多参数的引进等，该算法对我国的五大连池和腾冲火山区的深部结构的反演，以及滇西地区的深部动力学研究获得了良好的效果．