青藏高原东北缘地壳及上地幔顶部速度结构研究

本文利用青藏高原东北缘71个固定台站与418个流动台站记录到的天然地震事件资料,采用双差层析成像方法对近震走时数据进行反演,获得了研究区高分辨率的三维P、S波速度结构和地震重定位结果.研究结果表明,本文给出的P、S波速度模型较已有的全球模型能更好的解释体波走时与面波相速度观测资料.松潘—甘孜和祁连构造带下方20～40 km深度范围表现为显著的P、S波低速异常,其中松潘—甘孜地块的壳内低速层可能与地壳部分熔融有关,而祁连构造带的壳内低速层则可能与地壳增厚有关.精定位后的岷漳6.7级地震和九寨沟7.0级地震震源深度都位于脆性的上地壳.两个地震的震源区地处不同块体的边界,均处在高、低速过渡带.震源区的壳内低速层可能处于部分熔融或易于蠕变的状态,脆性上地壳更容易积累应变能,从而导致地震的发生.     

甘东南地区基于射线追踪面波频散三维成像

利用甘肃东南部地区(32.2°~33.5°N,102.7°~105.5°E)62个流动台站的垂直分量连续背景噪声记录数据,经过处理得到了所有可能台站对的面波互相关函数和瑞利波相速度频散曲线,采用基于射线追踪的面波频散直接反演方法得到了观测台站下方5~20km深度范围内的剪切波速度分布图像。结果表明,5km深度对应的剪切波速度横向变化与地表断裂带分布和沉积层厚度存在一定的相关性,西秦岭北缘断裂带以北地区多为低速区,漳县盆地、临洮盆地低速是沉积层较厚(近几km)的一种表征;10km深度对应的剪切波速度在西秦岭北缘断裂以南、临潭—宕昌断裂、礼县—罗家堡断裂之间的区域为低速区,光盖山—迭山北麓断裂周围为高速区;在15km深度左右,迭部—白龙江断裂附近形成了高低速相间的分块结构;在18km深度左右,西秦岭北缘断裂带附近呈现高速特征,10~18km深度范围内速度随深度逐渐增加,其变化幅度一般为0.2km/s。     

新丰江水库中上地壳P波三维速度结构特征及库水的渗透影响

利用震源位置和速度结构的联合反演得到2007年6月—2014年7月新丰江水库地区地震序列的震源位置及中上地壳P波三维速度结构模型,并进一步研究库区序列分布及速度结构特征.结果显示:库区中上地壳不同深度P波速度存在显著横向不均匀性,浅部库区速度高于周缘,在5~10 km上地壳从库坝下游白田至库尾锡场NW方向存在高速异常体以及2个低速间断区域,低速间断区分别位于人字石断裂与南山—坳头断裂交汇处以及1962年6.1级地震震源区,库水可能沿低速间断区的人字石断裂、石角—新港—白田断裂下渗至13~14 km的地壳.在10~14 km地壳以NE走向的大坪—岩前断裂为界,NW侧为最高速度6.2 km·s~(-1)的高速区域,SE侧从库区中部回龙至库坝下游白田为显著低速异常区域,是可能的库水渗透影响区域,亦是库区中强地震集中区.库区地震多发生在高速体内部、高低速过渡带或低速的渗水通道两侧.     

青藏高原东北缘-鄂尔多斯地壳上地幔地震层析成像研究

根据横跨青藏高原东北缘—鄂尔多斯地区的流动宽频带地震台阵和区域地震台网的走时数据,利用地震层析成像方法研究了该地区400km深度范围内地壳上地幔的P波速度结构. 结果表明：青藏高原东北缘—鄂尔多斯地区地壳上地幔结构呈明显的横向不均匀性. 这种不均匀性体现在不同块体之间,同时也存在于块体内部;青藏高原东北缘上地幔P波平均速度低,而鄂尔多斯地块的P波平均速度高,这与两个地块的地质构造活动特征相吻合. 在青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块之间的上地幔存在宽约200km的过渡带,该过渡带在地表的界限在兰州—海原之间,在上地幔表现为向东45°左右的倾斜条带,基本结构特征表现为高速与低速物质的混杂;青藏高原内部的柴达木地块平均速度偏低,而祁连地块的上地幔的平均速度偏高,两者相差约8髎;在泽库、兰州和海原地区的上地幔顶部有明显的低速体侵入特征.     

昭通地区地震层析成像及彝良震区构造分析

本文结合1992年01月至2012年10月国家地震台网、四川地震台网、云南地震台网及重庆地震台网的65个台站记录到的2,107个地震的17,945条P波绝对到时数据及227,701条P波相对到时数据,利用双差地震层析成像方法联合反演了昭通地区地震震源参数及地壳三维速度结构.反演结果表明,地震重定位精度有了显著改进,地震在水平方向的重定位精度要高于垂直方向.在深度方向,消除了重定位前地震在5~10km间的层状分布假象,昭通地区震源深度总体大于彝良地区,且彝良地区地震随深度增加向西展布,根据余震分布特征推测地震发生在走向NNE,倾向NW的石门断裂上.反演得到的三维速度结构表明,地表速度异常与地形起伏及地质特征有着密切关系:在浅层,昭通坳陷盆地表现为较大范围的低速异常,且低速异常区在盆地东北缘范围加深.彝良附近表现为高速异常带,大关附近表现为低速异常.随着深度的增加,反演得到的P波三维速度结构清晰地显示出彝良地区中下地壳介质受到北东向挤压而向上隆起,与浅部的高、低速异常区相互交错,形成介质速度构造复杂区域.重定位后的彝良ML5.7级和ML5.6级地震的震源位于隆起的高速异常区两侧的速度过渡区,其走滑兼逆冲的破裂机制与该处反演结果揭示的彝良地区下方的速度异常形成机制较为一致.     

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.     

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.     

青藏高原东北缘—鄂尔多斯地块地壳上地幔S波速度结构

1999～2000年从青海玛沁到陕西榆林，横跨青藏高原东北缘和鄂尔多斯布设了一条由47台宽频带数字地震仪组成的长约1000km的流动地震台阵观测剖面.利用记录到的远震体波波形资料和接收函数方法获得了剖面下0～100km深度的地壳和上地幔S波速度结构.结果表明，沿观测剖面地壳结构显示了明显的分块特征; 地壳厚度自东向西由40km增加到64km左右；在海原地震带下方和西秦岭断裂以西到日月山断裂之间的区域Moho间断面结构复杂；在1920年海原震区及其西侧，上地壳存在明显的低速层，在该地区的绝大部分地震分布在该低速层东边界偏向高速区一侧；祁连山东缘Moho面有约4km的深度间断，壳内向西逐渐减薄的低速层内有大量微震发生，沿祁连山的逆冲加走滑的构造运动在深度上已经穿透了Moho面；在玛沁断裂和日月山断裂之间，上地壳存在厚度很大的低速层，同时该区域下地壳也明显加厚.研究结果表明，青藏高原东北缘与鄂尔多斯地块之间的过渡带地壳变形强烈，地壳结构较为破碎，这与该地区地震频发相一致.     

巧家地震和鲁甸地震震源区周边P波速度结构

本文利用2010年1月至2020年6月巧家地震和鲁甸地震震源区周围发生地震事件的走时观测资料,应用双差层析成像方法获得了2014年M_S6.5鲁甸地震和2020年5月18日巧家M_S5.0地震周边区域中上地壳的P波速度结构。成像结果显示:整个研究区域的速度结构存在很强的非均匀性:在鲁甸地震震源区附近,浅部存在速度高达6.4 km/s的显著高速异常,10 km深度以下存在速度低至约5.8 km/s的明显低速异常;鲁甸地震的初始破裂点位于高低速异常的过渡带;在2010年巧家M_S4.8和2020年巧家M_S5.0地震的震源区,尽管浅部没有显著的高速异常,但在主震的初始破裂点下方均存在明显的局部低速异常;巧家北部中上地壳存在明显低速异常。      

南北地震带北段的地壳速度结构及其构造启示

收集和拾取了“中国地震科学台阵”探测项目在南北地震带北段布设的680个流动地震台站和中国地震台网217个固定台站所记录的地震事件的P波和S波初至到时,通过层析成像研究获得了南北地震带北段水平网格间距为0.33°×0.33°的地壳P波和S波速度分布。结果显示:在30 km深度上青藏高原东北部表现为显著的整体性低速异常,低速异常区向南延伸至龙门山断裂,以106°E为界线将秦岭造山带分为西侧的低速异常和东侧的高速异常,并沿银川—河套地堑向东北展布,向北穿过河西走廊,在阿拉善地块表现为低速异常,这可能暗示了青藏高原向东的扩展被较为坚固的四川盆地和秦岭造山带阻挡,而向北的扩展可能影响到了河西走廊至阿拉善地块,并沿银川—河套地堑影响到鄂尔多斯西北缘;在50 km深度上,阿拉善地块、祁连造山带东段显示高速异常,有可能是阿拉善地块向祁连东段下方俯冲所致。研究区内大部分地震分布在P波和S波高低速异常相间及速度剧烈变化的地区,M≥6.0强震几乎全部投影在30 km深度的低速异常区域内,说明强震发生的背景可能与地震源区下方的低速区有关。      

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.     

Crustal structure of northeastern Tibetan plateau and Ordos block: Waveform interpretation of the Maqen-Jingbian seismic refraction profile

The Maqen-Jingbian wide-angle seismic reflection and refraction experiment was carried out in 1998, which aims at determining detailed structure in the crust and top of the upper mantle and understanding structural relation between the northeastern Tibetan plateau and the Ordos block. The 1-D crustal models inferred by waveform inversion show strong variations in crustal structure, which can be classified into four different types: ① an Ordos platform with the Proterozoic crust and two high-velocity layers in the northeast section, ② a transitional crust between the northeastern Tibetan plateau and the Ordos block across the Haiyuan earthquake zone, ③ the Qilian orogenic zone in the central part, and 4 the Qinling orogenic zone in the southwestern section. The Moho depth increases from ~42 km to ~62 km from the NE part to the SW part of the profile. The crystalline crust consists of the upper crust and lower crust in northeastern Tibetan plateau. There is an obviously low P-wave velocity layer dipping northeastward, which is 12–13 km thick, at the bottom of the upper crust in Qinling orogenic zone and Haiyuan earthquake zone. The lower crust is characterized by alternating high and low P-wave velocity layers. Beneath Ordos block, i.e., the NE part of the profile, the crust shows quite a smooth increase in P-wave velocity down to the Moho at a depth of about 42 km.     

2017年米林6.9级地震震源区速度结构与余震重定位

利用西藏自治区林芝地区的固定地震台站与南迦巴瓦流动测震台站在2017年11月18日至2017年11月24日记录到的430个余震的直达波走时数据反演得到了震源区的三维P波速度、S波速度结构,并利用三维速度结构对余震进行了重定位.成像结果显示,米林地震震源区在0~5km深度内存在低地震波速度异常;在5~15km深度内,存在高地震波速度异常,该高速异常致使震源区西南侧的地震波速度高于东北侧.重定位结果中,余震呈条带状以NW-SE走向展布,震源深度具有西南方向深、东北方向浅的特征.主震位于11km深度处、高地震波速异常体顶部,余震主要分布在高地震波速度与低地震波速度过渡的区域.对成像结果的分析表明,震源区浅部的低速异常具有低泊松比的特性,与富石英的沉积变质杂岩体-东久杂岩单元的岩性特征有关;深部的速度结构特征则可能反映了发震断层上盘地震波速度高,下盘地震波速度低的介质特性.余震重定位结果与成像结果联合表明:此次地震发震断层从11km深度处,东久杂岩体下方的高地震波速度异常顶部开始破裂,继而在5~15km深度内发生后续破裂,后续破裂的发生区域正处于喜马拉雅构造单元与冈底斯构造单元接触的形变区内.此外,根据地震波速度计算的泊松比反映了震源区持续的低泊松比特征,暗示此次地震与流体活动并无直接关系.     

甘肃天水地区地壳上部二维速度结构成像研究

利用有限差分和不规则网格最小二乘正反演算法,对青藏高原东北缘暨西秦岭天水－武都地区两条高分辨人工地震测深剖面的Pg波走时进行层析成像反演,结果显示该区基底界面起伏较大,构造复杂,断裂丰富、较陡且延伸较大,多数断层切割基底.礼县-西和之间的低速异常反映了沉积盆地的结构特征,结晶基底深度在5 km左右.武山以东速度等值线横向变化明显,表现为褶皱.成县盆地速度变化平缓且速度值相对较高,基底埋深较浅,深度不到3 km.礼县附近存在一条近南北断裂,5 km深度以下有明显的上涌低速异常,可能为青藏高原深部幔源物质上升的通道.     

汶川MS8.0地震：地壳上地幔S波速度结构的初步研究

2008年5月12日我国四川省汶川地区发生了震惊世界的M_S8.0地震.历史上,同类地震在大陆内部极为罕见.该地震深部构造背景的研究对理解其成因极为重要.本文利用中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室在川西地区布设的大规模密集流动宽频带地震台阵记录的远震P波波形数据和接收函数非线性反演方法,得到了沿北纬31°线的19个台站下方120 km深度范围内的S波速度结构及台站下方地壳的平均泊松比.该观测剖面穿越了主震区,总长度约为420 km. 我们的结果揭示了川滇地块、松潘-甘孜地块和四川盆地三个不同地块构造差异.上述三个地块的地壳结构特征可以概括为：（1）四川盆地前陆壳幔界面向西侧倾斜并有较为明显的横向变形,地壳厚度存在46～52 km的横向变化,中下地壳S波速度存在横向变化,地壳平均泊松比值较高（0.28～0.31）,但在龙门山断裂带附近,显示了坚硬地壳的特征,地壳平均泊松比仅为0.2;（2）松潘-甘孜地块地壳厚度由西侧靠近鲜水河断裂的60 km,向东减薄为52 km,在14～50 km深度范围内存在S波速度2.75～3.15 km/s的楔状低速区,其厚度由西侧的～30 km向东逐渐减薄为～15 km,相应区域的地壳平均泊松比高达0.29～0.31; （3）鲜水河断裂西侧,川滇地块地壳结构相对简单,地壳厚度为58 km,并在26 km深度存在约10 km厚度的高速层,地壳内平均泊松比约为0.25;（4）汶川大震区在12～23 km深度上具有近乎4.0 km/s的S波高速结构,而其下方的地壳为低速结构,地壳平均泊松比0.31～0.32,汶川大震的余震序列主要分布在高速介质区域内. 本文的结果表明松潘-甘孜地块的地壳相对软弱;而且并不存在四川盆地向西侧的俯冲.我们认为在青藏高原东向挤压的长期作用下,四川盆地强硬地壳的阻挡作用可导致松潘-甘孜地块内部蓄积很大的应变能量以及上、下地壳在壳内低速层顶部边界的解耦,在龙门山断裂带附近形成上地壳的铲形逆冲推覆.汶川大地震及其邻近区域所具有的坚硬上地壳和四川盆地的阻挡作用为低应变率下的高强度应力积累创造了必要条件,而松潘-甘孜地块长期变形积累的高应变能构成了孕育汶川大地震的动力来源.     

利用双差成像方法反演青藏高原东北缘及其邻区地壳速度结构

利用区域尺度双差层析成像方法,使用2009年1月至2017年2月的近震资料,对青藏高原东北缘及其邻区内记录到的地震事件进行震源位置和三维速度结构的联合反演.重新定位后震源空间位置得到明显改善,浅层的地震波速与地形和沉积层厚度对应较好,研究区地震主要发生在河西走廊过渡带的低泊松比区域.本文将研究区分为五个区域并分别对其层析成像结果进行了讨论,结果显示研究区不同地块之间地壳结构变化明显,地壳物质整体呈酸性,青藏高原东北缘地壳增厚可能主要发生在中下地壳.     

Rayleigh wave phase velocity tomography and strong earthquake activity on the southeastern front of the Tibetan Plateau

To investigate the relationship between velocity structure and earthquake activity on the southeastern front of the Tibetan Plateau, we make use of continuous observations of seismic ambient noise data obtained at 55 broadband stations from the regional Yunnan Seismic Network. These data are used to compute Rayleigh wave Green's Functions by cross-correlating between two stations, extracting phase velocity dispersion curves, and finally inverting to image Rayleigh wave phase velocity with periods between 5 and 34 s by ambient noise tomography. The results show significant lateral variations in crustal and uppermost mantle structures in the studied region. Phase velocity anomalies at short periods(5–12 s) are closely related to regional tectonic features such as sediment thickness and the depth of the crystalline basement. The Sichuan-Yunnan rhombic block, enclosed by the Honghe, Xiaojiang and Jianchuan faults, emerges as a large range of low-velocity anomalies at periods of 16–26 s, that inverts to high-velocity anomalies at periods of 30–34 s. The phase velocity variation in the vicinity of the Sichuan-Yunnan rhombic block suggests that the low-velocity anomaly area in the middle-lower crust may correspond to lower crustal channelized flow of the Tibetan Plateau. The spatial distribution of strong earthquakes since 1970 reveals that the Yunnan region is inhomogeneous and shows prominent characteristics of block motion. However, earthquakes mostly occur in the upper crust, with the exception of the middle-Yunnan block where earthquakes occur at the interface zone between high and low velocity as well as in the low-velocity zones, with magnitudes being generally less than 7. There are few earthquakes of magnitude 5 at the depths of 15–30 km, where gather earthquakes of magnitude 7 or higher ones which mainly occur in the interface zone between high and low velocities with others extending to the high-velocity abnormal zone.     

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.