Velocity structure of uppermost mantle beneath North China from Pn tomography and its implications

20301 Pn arrival time data are collected from the seismological bulletins of both national and regional seismic networks. Pn travel time residuals are tomographically inverted for the Pn velocity structure of uppermost mantle beneath North China. The result indicates that the average Pn velocity in North China is 7.92 km/s, and the velocity varies laterally from ?0.21 to +0.29 km/s around the average. The approximately NNE trending high and low velocity regions arrange alternatively west-eastward. From west to east we can see high velocity in the middle Ordos region, the Shanxi graben low, the Jizhong depression high, the west Shandong uplift and Bohai Sea low, and the high velocity region to the east of the Tanlu fault. In the southern boundary zone of the North China block, except for the high velocity in the Qingling Mountains region, the velocity is generally lower than the average. Obvious velocity anisotropy is seen in the Datong Cenozoic volcanic region, with the fast velocity direction in NNE-SSW. Notable velocity anisotropy is also seen around the Bay of Bohai Sea, and the fast velocity directions seem to show a rotation pattern, possibly indicating a flow-like deformation in the uppermost mantle there. The Pn velocity variations show a reversed correlation with the Earth's heat flow. The low Pn velocity regions generally show high heat flow, e.g., the Shanxi graben and Bohai Sea region. While the high Pn velocity regions usually manifest low heat flow, e.g., the region of Jizhong depression. This indicates that the Pn velocity variation in the study region is mainly aroused by the regional temperature difference in the uppermost mantle. Strong earthquakes in the crust tend to occur in the region with the abnormal low Pn velocity, or in the transition zone between high and low Pn velocity regions. The earthquakes in the low velocity region are shallower, while that in the transition zone are deeper.     

Velocity structure of uppermost mantle beneath China continent from Pn tomography

39473 Pn travel times are inverted to tomographically image both lateral variation and anisotropy of uppermost mantle velocities beneath China continent. The result indicates that the overall average Pn velocity of uppermost mantle in the studied region is 8.0 km/s and the regional velocity fluctuation varies from ?0.30 km/s to +0.35 km/s. Pn velocities higher than 8.2 km/s are found in the regions surrounding Qingzang Plateau, such as Junggar Basin, Tarim Basin, Qaidam Basin and Sichun Basin. Pn velocities slightly lower than the average are found in western Sichuan and Yunnan, Shanxi Graben and Bohai Bay region. A Pn velocity as low as 7.8 km/s may exist in the region striding the boundary between Guangxi and Guangdong provinces. In general, Pn velocity in tectonically stable region like cratonic platform tends to be high, while that in tectonically active region tends to be low. The regions in compressive setting usually show higher Pn velocity, while extensional basins or grabens generally display lower one. Anisotropy of Pn velocity is seen in some regions. In the southeastern region of Qingzang Plateau the directions of fastest Pn velocity show a rotation pattern, which may be related to southeastward escape of the plateau material due to the collision and compression of Indian Plate to Asia along Himalaya arc. Notable anisotropy also exists around Bohai Bay region, likely indicating crustal extending and possible magma activity therein.     

青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性研究

本研究使用中国地震局地壳应力研究所2010—2011年期间在云南地区布设流动地震台站以及青藏高原周边地区固定地震台站记录到的波形资料,提取了大量高质量Pn波到时资料.联合中国地震台网观测报告,我们获得了一个新的青藏高原东缘上地幔顶部Pn波速度和各向异性结构模型.结果显示,研究区内上地幔顶部存在明显横向不均匀性.古老盆地和稳定地台区如四川盆地、柴达木盆地、拉萨地块和阿拉善块体呈现为明显高波速异常,而祁连山至西秦岭褶皱带和川滇菱形块体北部等为相对弱高波速异常.在龙日坝断裂带以东的松潘—甘孜地块往南沿安宁河—则木河断裂至川滇菱形块体南部显示为一条近南北向明显低波速异常.三江褶皱系、缅甸弧俯冲带以及四川盆地东南等地区为明显低波速异常.地壳强震多发生在高波速异常边缘或高低波速异常过渡带上,表明地壳强震的孕育可能还与地幔构造作用存在一定相关性.青藏高原东构造结的各向异性快波方向呈顺时针旋转分布,与印度—欧亚碰撞密切相关.龙门山断裂带东西两侧的各向异性快波方向发生明显变化,由其西侧松潘—甘孜地块下方的NE向转变为四川盆地下方的近EW向,说明青藏高原物质流动遇四川盆地后分为NE和SW向两支.在川滇地区26°N以南地区上地幔顶部各向异性呈现近NS向与地表GPS观测相一致,但与SKS分裂结果存在较大差异,可能表明地壳与上地幔顶部形变表现为耦合现象,而上地幔顶部至岩石圈内部则存在解耦现象.     

中国东部及其邻区上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性

中国东部地处欧亚板块东南部,紧邻西太平洋板块俯冲带,有着复杂的地质构造和深部结构,是国内外学者研究的重点区域.本文采用Pn波层析成像方法反演得到了中国东部及其邻区上地幔顶部Pn波速度结构及各向异性.研究中应用的Pn到时数据主要来自多种地震观测报告,并特别补充了东北流动台阵、华北流动台阵以及区域地震台网记录的地震事件,拾取了大量高精度的Pn到时数据,最终挑选出2049个台站记录的24072次地震的240814条Pn波到时数据.结果显示,中国东部地区上地幔顶部平均速度为8.06 km·s^-1,速度变化范围为7.81~8.32 km·s^-1.东北地区东部表现为显著的低速异常,华北克拉通中、东部Pn呈现低速,而西部地区则表现为高速异常,华南地块主体表现为高速.反演结果还揭示江汉盆地、下辽河盆地、二连盆地及海拉尔盆地都显示出高速,而四川盆地和松辽盆地内部则呈现出不均匀的结构特征.四川盆地的高速异常显示出明显的分块现象,这可能是该盆地在沉积前具有不同的基底物质;松辽盆地的北部呈现为高速,而南部却表现为低速异常,这一特征与松辽盆地南、北部分别为高、低热流相对应,暗示盆地南部的岩石圈已经历了改造.研究进一步揭示Pn波低速区和高、低速过渡带的各向异性也较为强烈,而大部分强震都发生在这些区域之上的地壳内,说明这些部位容易发生变形而应力集中或产生应力差.

     

青藏高原中东部地壳和上地幔顶部P波层析成像

为获取青藏高原中东部地壳和上地幔顶部的精细结构,本文基于1万4 484条天然地震的P波（Pg和Pn）到时数据,对青藏高原中东部地壳和上地幔顶部进行P波三维速度结构层析成像,获取了该区域内地壳P波、上地幔顶部Pn波的速度结构和地壳厚度信息。层析成像结果显示,青藏高原中东部地壳P波速度范围为5.2—7.2 km/s,上地幔顶部Pn波速度范围为7.7—8.4 km/s,地壳厚度范围为48.0—68.6 km,地壳和上地幔顶部存在强烈的横向不均匀性,与地质块体分布有较好的对应关系。地壳P波速度结构显示,研究区中、下地壳分布有较大范围的低速区,上地壳与中下地壳P波分布存在明显的差异:羌塘地块和巴颜喀拉地块在上地壳主要表现为高速异常,随着深度增加逐渐表现为低速异常;而柴达木地块在上地壳主要表现为低速异常,下地壳则表现为高速异常;柴达木地块和拉萨地块在上地幔顶部表现为较高的Pn波速度,最高约为8.4 km/s,而在巴颜喀拉地块和羌塘地块东部,Pn波总体上表现为低速,最低约为7.7 km/s。研究区内地壳厚度的总体特征表现为南厚北薄,其中羌塘地块东部和拉萨地块的地壳较厚,而柴达木地块和巴颜喀拉地块东部的地壳相对较薄,羌塘地块西部存在局部的地壳变薄现象,反映了印度板块对欧亚板块北向俯冲作用下的岩石圈变形特征。      

中国大陆及邻近地区上地幔顶部Sn波速度层析成像

利用《中国地震年报》中43646条Sn射线的走时资料,采用层析成像方法反演了中国大陆地区上地幔顶部的Sn波速度结构. 主要结果是：①全国平均Sn速度为4.55km/s,速度变化量从-0.14km/s到+0.15km/s. ②整体上中国Sn速度分布是东低西高,塔里木盆地、准噶尔盆地、吐鲁番—哈密盆地以及柴达木盆地东端、四川盆地及其南部地区等是明显的高Sn速度区,鄂尔多斯地台和台湾海峡也是Sn速度较高地区,整个华北盆地、渤海湾东部、山西北部和郯庐断裂带,Sn速度都比较低. 另外,长江中下游地区、青藏高原北部和南北地震带地区,Sn速度也较低. ③ Sn速度变化分布和构造活动、地壳厚度以及大地热流变化有关,分别求得了速度与地壳厚度和大地热流的线性回归方程. ④ Sn速度变化和Pn速度变化的区域分布总体上是吻合的.     

蒙古及邻区上地幔顶部Pn速度结构

利用78364条Pn射线的走时资料,采用地震层析成像方法反演蒙古及邻区上地幔顶部Pn速度结构.反演结果表明,蒙古及邻区Pn平均速度为8.08 km/s,横向速度变化量从-0.39 km/s至+0.30 km/s.速度高异常区主要分布在阿尔泰山地区及准噶尔盆地、塔里木盆地等地,在阿尔泰山地区Pn速度最大异常达+0.30 km/s.速度偏低的地区主要在贝加尔湖、华北平原、渤海湾等地,在贝加尔湖西南呈现出强烈的低速度异常达-0.39 km/s,可能与该区新生代的火山活动有关.     

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.     

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 ...     

黑龙江地区背景噪声面波群速度层析成像

本文选取黑龙江省台网及吉林、内蒙古部分台站共44个固定地震台站连续2年的地震数据,利用两个台站间互相关方法获得瑞利面波经验格林函数,再用自适应时频分析方法提取群速度频散曲线,最后利用传统面波层析成像方法反演获得黑龙江地区周期为8～40 s范围内群速度分布图像.反演结果揭示黑龙江地区地壳及上地幔群速度结构存在明显横向不均...     

华北上地幔各向异性研究

对华北地震科学台阵的200个宽频带和甚宽带地震台站所记录的远震SKS(SKKS)波形资料作偏振分析,采用最小切向能量的网格搜索法和叠加分析方法求得每一个台站的SKS(SKKS)快波偏振方向和快、慢波的时间延迟,并结合已发表的固定台站的结果,获得了华北上地幔各向异性图像.从得到结果看,华北东部各向异性快波方向基本为NWW-SEE方向,而西部的快波方向转到NW-SE或NNW-SSE.快、慢波时间延迟范围是0.50~1.47 s,华北西部的平均快、慢波时间延迟小于华北东部.在华北东部,快波方向与绝对板块运动(APM)方向基本一致,预示了NWW向的软流圈地幔流是引起该区域上地幔各向异性的主要原因,它使得上地幔橄榄岩等晶体的晶格优势取向沿地幔物质流动方向,从而导致了NWW趋向的快波方向.然而,在稳定的西部,快波方向既不与绝对板块运动方向一致,也不与构造走向一致,这种弱各向异性很可能是遗留在古老克拉通的厚的岩石圈内的"化石"各向异性.     

华北及周边地区上地幔P波速度结构

本文基于层析成像方法研究了华北及其邻区(30°N~43°N,100°E~130°E)的上地幔P波速度结构.该区域是我国地震活动强烈的地区之一,曾多次发生破坏性地震,地质构造十分复杂.本研究采用中国数字化地震台网1996~2002年和中国科学院地质与地球物理所（IGGCAS）流动地震台阵2001~2003年地震记录中的P波走时,挑选了6870个地震事件,其中包括1382个区域地震事件,5488个远震事件.在对实际资料反演之前,进行了分辨率测试以确定反演结果的可靠性,对反演中不同参数对结果的影响做了分析,以确定最佳的的模型和参数.根据上述分析,以水平方向1°×1°,垂直方向以5 km、15 km、30 km为间隔划分网格,并建立初始速度模型,采用伪弯曲射线追踪方法计算走时和射线路径,通过基于LSQR算法的反演重建了研究区域40 km以下、480 km以上的三维P波速度结构.成像结果显示：（A）研究区域西南部的四川盆地北部在40 km以上为明显的低速异常,40 km以下一直到360 km均为高速异常;（B）华北盆地在90 km之上高速异常比较明显,而在120 km~360 km的深度,低速异常为区域主要特征,它与渤海湾地区的低速区连接,形成地幔楔,随着深度的增加,由于太平洋俯冲板块的影响,华北盆地和渤海湾地区下的高速异常突出.     

华北地区地壳上地幔S波三维速度结构

利用华北地区大型流动地震台阵的记录资料,采用近震和远震联合成像方法,得到了水平分辨率0.5°×0.5°、深至600km的S波速度结构.研究结果表明,上地壳S波速度结构与地表地质构造基本一致,燕山—太行山山脉均呈现高速异常,延庆—怀来盆地、大同盆地表现为低速异常,华北盆地内部的拗陷和隆起分别呈现低速和高速.唐山地区中地壳、山西裂陷盆地中下地壳存在明显的低速异常,可能分别与流体和热物质作用有关,有利于形成孕育强震的地质构造环境.90km的速度结构图像依然与地表的构造特征有较大的相关性,可能说明深部结构对地表构造有一定的控制作用.燕山隆起区岩石圈的厚度可达120～150km左右,华北盆地的岩石圈厚度可能在80km左右,太行山地区的岩石圈厚度介于两者之间.山西裂陷盆地上地幔低速层较厚,反映了该区不稳定的构造环境造成了地幔热物质的上涌.华北盆地下方220～320km出现的高速异常体,可能揭示了华北盆地上地幔仍然存在拆沉后残留的难熔、高密度的古老岩石圈地幔.研究区东部地幔转换带呈低速异常,推测可能与太平洋板块俯冲至该区下方地幔转换带前缘120°E左右的俯冲板块相变脱水有关.     

FMTT方法研究华北及邻区上地幔P波速度结构

本文利用华北地震科学台阵190套宽频带地震仪在2006年10月至2009年3月记录的远震事件,采用波形互相关技术提取了52414条P波初动到时数据,进一步使用FMTT (Fast Marching Teleseismic Tomography)方法,获取了华北克拉通中、东部陆块下方上地幔分辨高达0.5°×0.5°的P波速度结构.我们的P波速度结果显示,华北克拉通中、东部块体在40~240 km的深度范围内都表现为相对低速,而燕山造山带则整体表现为相对高速,这暗示华北克拉通中、东部块体下方的壳幔速度结构都遭受了明显的改造,但改造的范围并没有涉及到燕山造山带,或者燕山造山带下方的改造并没有华北克拉通中、东部块体那么显著.华北克拉通中部陆块下方的低速异常向下一直延深至250 km左右,该低速异常很可能与汾渭河地堑及新生代广泛分布的火成岩有关.     

应用远震有限频率层析成像反演首都圈上地幔速度结构

本文选用首都圈数字地震台网2003年9月~2005年12月记录的300多个远震事件的波形资料,采用分频带多道互相关方法得到三个不同频段的P波相对走时数据共18499个,计算了每个频段的走时灵敏度核,应用有限频率层析成像反演得到首都圈地区的上地幔三维P波速度结构模型.利用检测板估计了反演结果的分辨率,并与射线层析成像方法的结果进行了比较,说明了反演结果的可靠性.研究结果表明,各构造单元具有明显不同的速度结构特征,其差异可到150 km深:燕山隆起区表现高速;太行山隆起区整体以低速为主并存在小范围高速块体;华北盆地、渤海湾下浅层上地幔中存在大范围的强低速异常,其顶面在50~70 km,可视为软流圈顶面的埋深,这一结果说明华北盆地、渤海湾下岩石圈明显减薄;张家口—蓬莱断裂带是上地幔浅部速度结构的变异带,也是岩石圈减薄的边界带,区内大部分强震都发生在该构造带上,由此看来该带上强震的发生不仅与地壳结构的不均匀性有关,还可能有较深的构造背景.     

Shear velocity structure of crust and uppermost mantle in China from surface wave tomography using ambient noise and earthquake data

We present a 3D model of shear velocity of crust and upper mantle in China and surrounding regions from surface wave tomography.We combine dispersion measurements from ambient noise correlation and traditional earthquake data.The stations include the China National Seismic Network,global networks,and all the available PASSCAL stations in the region over the years.The combined data sets provide excellent data coverage of the region for surface wave measurements from 8 to 120 s,which are used to invert for 3D shear wave velocity structure of the crust and upper mantle down to about150 km.We also derive new models of the study region for crustal thickness and averaged S velocities for upper,mid,and lower crust and the uppermost mantle.The models provide a fundamental data set for understanding continental dynamics and evolution.The tomography results reveal significant features of crust and upper mantle structure,including major basins,Moho depth variation,mantle velocity contrast between eastern and western North China Craton,widespread low-velocity zone in midcrust in much of the Tibetan Plateau,and clear velocity contrasts of the mantle lithosphere between north and southern Tibet with significant E–W variations.The low velocity structure in the upper mantle under north and eastern TP correlates with surface geological boundaries.A patch of high velocity anomaly is found under the eastern part of the TP,which may indicate intact mantle lithosphere.Mantle lithosphere shows striking systematic change from the western to eastern North China Craton.The Tanlu Fault appears to be a major lithosphere boundary.     

西藏高原上地幔的精细结构与构造--地震层析成像给出的启示

用布置在亚东—格尔木的164个流动地震台站记录的926个远震事件的24241条射线,进行远震P波层析成像处理,高分辨率的西藏高原上地幔的速度结构图,显示了印度巨厚地幔岩石圈在向高原之下推进的过程中,在高喜马拉雅之下拆分成上、下两层,这是发生的第一次拆沉. 下层从高喜马拉雅以下约以22°的角度向高原北部插入到350km 深;而其上层则向北伸展直到雁石坪,并构成了高原薄的地幔岩石圈. 在雁石坪北（33.7°N）,当其与亚洲大陆岩石圈地幔相遇后发生断离并下沉. 再次证实了五道梁（35.27°N）深部低速体的存在,本区内地壳内低速物质可能与上述运动有联系,反映了深层热物质的上涌.     

华北地区地壳上地幔三维P波速度结构

利用华北地震科学台阵和首都圈地震台网记录的4511次近震和625次远震的P 波到时数据,采用纬度和经度方向分别为0.5deg;times;0.5deg;的网格划分,反演得到了华北北部地区（111deg;E——120deg;E,37deg;N——42deg;N）深至400km 的地壳上地幔三维P 波速度结构.层析成像结果表明,研究区的速度存在明显的横向不均匀性,随着深度增加横向不均匀性总体呈现减弱趋势.燕山隆起带在60——120km 深度内存在明显的高速异常,这与较大的岩石圈厚度有关;山西裂陷盆地、华北平原下方60km 深度存在明显低速异常,与软流圈的出现有关.燕山隆起带岩石圈厚度在120km 以上,明显比太行山隆起的岩石圈厚度大,与稳定大陆地区的岩石圈厚度一致.太行山山前断裂已切穿莫霍面,贯入岩石圈.研究区上地幔顶部大范围的低速异常反映了软流圈上隆的特点.在华北平原及燕山隆起下方200——300km 存在高速异常可能与太古代大陆板块岩石圈的残留体有关.     

The upper mantle flow beneath the North China Platform

In this paper we establish an upper mantle convection model which is constrained by regional isostatic gravity anomalies. Comparing the computed convection patterns with the tectonic features of the North China Platform we find that there are two positive anomaly centers connected with upward flows. These anomalies belong to the tectonic units of the Shan-Xi geoanticline and the Lu-Xi geoanticline. The centers of downward flows are connected with the tectonic units of the Liao-Ji geosyncline. It is reasonable to suggest that the upward mantle flows push the lithosphere upward and generate the observed positive isostatic gravity anomaly. The downward mantle flows pull the lithosphere down and generate the negative anomaly. However, the use of simple analysis makes it difficult to explain the complex lithospheric dynamics of this region. In order to understand lithospheric structures and tectonic features we must investigate the mechanical properties of the lithosphere and the relationship between the lithosphere and the mantle. These problems are discussed in the last section of this paper.     

鄂尔多斯地区上地幔岩石圈三维速度结构面波反演研究

双平面波拟合法是一种新的面波成像方法,反演中考虑地震波场中的非平面波成分,提高反演的分辨率.本文利用双平面波拟合法,反演获得鄂尔多斯地区上地幔岩石圈的速度结构.所用资料为国家数字地震台网69个宽频带地震仪和北京大学34个流动数字地震台观测到的地震波面波资料.首先从面波记录中提取了研究区域20~125 s瑞利波相速度频散曲线,进而得到各个周期瑞利波相速度异常分布图.结果显示,短周期瑞利波相速度异常与地表的构造特征吻合较好,中长周期的瑞利波相速度可以反映出上地幔岩石圈的速度异常分布以及构造特征.由研究区20~125 s的瑞利波相速度分布图可以反演得到地表到地下200 km范围内的三维剪切波速度结构.结果显示,鄂尔多斯块体内部稳定均一,活化或改造的痕迹不明显;鄂尔多斯块体西南缘受到青藏高原的强烈作用,有大量地幔物质流动的痕迹存在;中央转换带下超过200 km深度存在地幔物质上涌,可能与太平洋板块的俯冲和青藏高原板块的挤压有关.