有限频层析成像方法研究进展

本文详细介绍了地震学中最近发展起来的一种非常重要的层析成像方法-有限频层析成像方法,对有限频理论进行了重点阐述,并对有限频层析成像方法的有效性进行了探讨,接下来总结了有限频地震层析成像方法的研究进展,并对有限频层析成像方法在地震学中的应用进行了展望.由于在非均匀介质中考虑了地震波遇到速度异常时的散射现象和波前复原效应,有限频层析成像方法大大提高了对速度异常体的分辨能力.     

天山中部地壳及上地幔三维速度层析成像

应用新疆区域台网记录的地震资料,结合前人对新疆速度结构研究的结果作为初始模型,利用地震层析成像的方法反演了天山中部地壳及上地幔三维速度结构。三维图像结果显示：天山中部地区波速呈现出不均匀性,45km深度以上各层波速表现出高速性质,45km以下的区域波速却表现出低速性质;纬向剖面显示出0～40km深度范围内波速起伏较大,而40km深度以下速度相对稳定。     

联合反演研究华北地区三维速度结构

本文利用华北地区测震台网1993~2001年所记录到的地震到时资料,对华北地区进行联合走时反演,获得了该区分辨率为0.5°×0.6°的三维速度结构图像.其结果表明:不同深度上的速度分布反映出华北地区深部构造的一些重要信息,为进一步研究该区的活动构造及地震参数计算提供了科学依据.在地壳速度结构与强地震活动的关系上,再次显示出强震多发生在速度结构高速单元与低速单元的过渡带附近,说明强震的孕育与震源区周围介质的不均匀性有关.     

华北地区地壳P波和S波速度结构的双差层析成像

基于华北地区(37°N—42°N,113.5°E—118.5°E)133个固定地震台站收集到的P波和S波震相数据,利用双差层析成像法反演了该地区地壳三维速度结构并对所用地震进行了重定位.结果显示:地震走时残差均方根的平均值由重定位前的0.265 s下降至0.008 s;重定位后的震源主要分布于6—16 km深度范围内;...     

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.     

青藏高原地震波三维速度结构的研究

根据青藏高原及其邻区的模拟地震台站和宽频带数字地震记录资料,采用区域体波层析成你和瑞利面波层析成像,反演得到了青藏高原地区的三维地震波速度结构。两种层析成像方法得到的地壳上地幔P波和S波速度结构的结果非常相似,它们显示,青藏高原南部的拉萨块体的上地壳存在明显的低速区,青藏高原北部的羌塘地区的下地壳和上地幔顶部相对速度较低。这些结果与青藏高原南、北部处于碰撞过程中的不同阶段有关。     

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.     

青藏高原东北缘地壳三维速度结构

本文用1980—2000年M≥1.5的2 032个天然地震事件的38 052个〖AKP-〗、〖AKS-〗、Pm、Sm、Pn和Sn震相到时及人工地震测深给出的Moho面形态资料,利用地震层析技术反演了32°~40°N, 100°~108°E区域内地壳地震波速度结构.从层析成像图象中可以得到,本区的地壳可分成4个层位.第1层（埋深约在0~3 km）为沉积层, 速度梯度约为0.2 s-1;第2层（埋深约在3~17 km）为上地壳, 其顶部速度梯度约为0.1 s-1, 下部速度横向变化较大且存在低速块体;第3层（埋深约在17~36 km）为中地壳, 速度梯度约为0.03 s-1;第4层（埋深约在36 km—Moho）为下地壳, 是一个契形层,总的趋势是西厚东薄,青藏高原较厚逐渐向鄂尔多斯地块和扬子准地台方向变薄,各处的地震波速度梯度不尽相同.     

基于面波频散的三维横波速度方位各向异性层析成像方法

地震各向异性是反映地球内部介质特性的重要指针之一。常用的横波分裂法和二维面波方位各向异性层析成像方法很难准确反映各向异性随深度的变化。将与周期相关的区域化面波方位各向异性转换成与深度相关的一维横波速度方位各向异性可以弥补深度信息不足的缺陷。现有三维横波速度各向异性研究多是通过两步方法来实现的,即逐个周期二维面波方位各向异性层析成像以及逐个格点一维横波速度方位各向异性反演。这种分步反演的方式既不利于三维先验约束的引入,也不利于利用原始观测拟合误差对三维模型进行直接评估。因此本文开发了基于面波频散曲线的三维横波速度方位各向异性层析成像方法,并编制了相关正演和反演程序。为了检测方法和程序的有效性,我们对规律分布的三维检测板模型进行了模拟测试。测试结果显示:该方法可以很好地恢复各向同性波速异常、各向异性相对强度和快波方向等三维结构信息;而且反演模型相对于参考模型明显改善了对观测数据的拟合,降低了对观测数据的均方根误差。但对各向同性理论模型进行各向异性反演时,在波速均匀区可产生小于0.5%的假各向异性幅值,在波速非均匀区该假的各向异性幅值会更大,浅部可达3.5%。因此在实际应用中需要谨慎解释(浅...     

鄂尔多斯及邻区地壳S波速度和各向异性结构的全波形层析成像研究

鄂尔多斯及邻区一直是研究活动地块间相互作用和物质运移的热点区域.青藏高原的扩展与鄂尔多斯地块内部及周缘的变形之间的耦合关系仍有待厘定.基于“中国地震科学台阵探测”项目的密集台阵和固定台网数据,本文利用区域地震全波形层析成像方法获得了研究区三维S波速度和径向各向异性结构,结果表明：鄂尔多斯地块存在以37°N为界的南北速度结构差异,南部的相对低速反映了较厚的地壳,与地形地貌相对应;鄂尔多斯西南缘在中、上地壳表现为负径向各向异性结构特征,S波速度扰动在中地壳呈显著的低速异常,延伸到鄂尔多斯西南部,该区域作为青藏高原扩展的前缘,速度结构特征反映了中地壳滑脱,上地壳缩短变形的地壳增厚模式;具有扩展早期构造变形特征的阿拉善地块南部呈相对低速,在上地壳表现为明显的负径向各向异性;鄂尔多斯东缘的山西断陷带存在南北速度结构差异,断陷带北部下地壳为低速异常,反映受地幔热物质改造的软弱物质堆积,断陷带中部则呈相对高速结构特征,推测其深部构造应力、应变环境比较稳定;负径向各向异性结构在南北地震带北段和山西断陷带浅部均有分布,为深入研究地震活动性与地壳速度结构的关系提供了波形成像证据．     

云南地区地壳速度结构的层析成像研究

利用地震波到时和体波层析成像方法反演了云南地区的P波速度结构,根据不同深度的速度异常分析了主要断裂和区域动力作用的深部效应,揭示出壳内低速层的分布范围以及与下地壳流动的联系.研究结果表明,哀牢山—红河断裂两侧的地壳速度结构存在明显的差异,滇中地区的速度异常分布与小江断裂、元谋断裂、程海断裂等南北走向的断裂一致,反映了青藏东部地壳块体顺时针旋转产生的构造效应;滇西南的速度异常分布与哀牢山—红河断裂、无量山断裂、澜沧江等断裂的走向平行,显示了印支块体朝东南方向挤出产生的影响;沿着南汀河断裂分布的低速异常则与印缅块体侧向挤压引起的构造活动有关.壳内低速异常具有分层和分区特征:在哀牢山—红河断裂西侧和澜沧江之间主要分布在地壳中上部,在小江断裂和元谋断裂附近分布在地壳中下部,在滇中地区则广泛分布于地壳底部至莫霍面附近,东、西两侧分别受到小江断裂和哀牢山—红河断裂的限制.其中攀西地区的低速异常与小江断裂和元谋断裂在此附近交汇形成的热流传输通道以及张裂时期强烈的壳幔热交换有关;在哀牢山—红河和澜沧江地区,除了印支块体向东南方向的挤出之外,印缅块体的侧向挤压和向东俯冲也对地壳深部的构造变形产生了一定的影响,由此引发的地幔上涌将导致热流物质沿着断裂通道进入地壳形成低速层.因此,哀牢山—红河断裂不仅在地壳浅部是分隔印支块体和华南块体的地质界限,也是控制两侧区域深部构造变形和壳内韧性流动的分界.     

有限频率地震层析成像方法及研究进展

本文从基于射线理论的走时地震层析成像的发展引出有限频率地震层析成像, 说明两者最为本质的差别是有限频率灵敏度核函数。 概述了有限频率层析成像方法和基本原理, 详细阐述了国内外有关有限频率层析成像方法的研究进展和应用成果, 强调有限频率层析成像对全球地幔柱研究的重要意义, 最后指出有限频率层析成像方法在理论上的诸多优点目前还没有在实际应用中得到充分体现, 还存在一些问题需要解决。     

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。     

华北及邻区地壳上地幔三维速度结构的地震走时层析成像

利用华北及邻区475个地震台站的区域地震走时资料,反演了该地区的地壳上地幔三维P波和S波速度结构。地震走时的计算用近似弯曲射线追踪方法,三维速度模型的反演用LSQR算法。用检测板方法对走时数据进行成像分辨率分析,结果表明反演模型在水平方向上以0.5°×0.5°的节点分布,垂直方向上以1km、10km、25km、42km、60km为节点作网格划分是合理的。研究区域内,秦岭—大别造山带两侧的华北块体与扬子块体有不同的速度异常特征：华北块体地壳速度结构复杂,而扬子块体则相对简单。华北块体地壳内存在较明显的低速异常,而扬子块体则正常或高速异常。自中新生代以来华北块体地壳经历挤压到伸展的强烈变形,而扬子块体相对稳定。华北块体的构造活动依然强烈,表现为频繁的地震活动。华北地块地壳速度结构的主要特征是：①主要构造带（如燕山构造带、太行山山前构造带、汾渭构造带、郯庐断裂带以及秦岭-大别构造带）位于地壳上地幔的低速或高低速过渡区内;②在唐山及附近地区25 km、42 km和60 km深处连续的低速异常,可能意味着上地幔热的物质上涌,到达上地壳的下部后停止上升过程。     

利用区域地震体波走时评价华北地区三维地壳速度结构模型

本研究利用国家地震台网131个地震台站2009—2016年记录的1 749次近震的初至P波和S波走时数据,与采用快速行进方法正演计算得到的华北地区4个三维地壳速度模型对应的走时数据进行对比,通过统计分析的方法,评价这4个速度模型与真实地下结构的近似程度。结果表明:4个速度模型在大范围内存在较高的一致性,在整个研究区内（111°E—119.5°E,37°N—42°N）,Shen等的模型（简称“S模型”）相对优于Fang等的模型（简称“F模型”）和Duan等的模型（简称“D模型”）,Laske等的Crust1.0模型（简称“C模型”）相对较差。我们认为该结果与上述几个模型所使用的数据及其分辨率有关。对于研究区域内的构造单元,D模型在燕山褶皱带西南部、太行山山前构造带西北部和沧县隆起区表现较好,F模型在太行山隆起区中部、沧县隆起北部、黄骅凹陷区和燕山褶皱带表现较好,S模型在西部地块、山西凹陷区、太行山山前构造带和冀中凹陷区表现较好,C模型无明显连片表现较好区域。      

华北地区上部地壳结构的三维有限差分层析成像

采用正方形网格对华北地区速度模型进行参数化、网格维数为649×90×16,网格间距为1km. 通过对华北地区30条深地震测深剖面的Pg波三维有限差分速度层析成像反演,获得了该地区上部地壳的三维速度结构. 反演结果显示,低速的"棱形"华北盆地被高速的隆起所包围;而华北盆地又由两个大的断陷带中间夹一个隆起所组成.两个大的断陷带又被分割为多个小的断陷盆地.研究区内的断层多为铲式正断层,结晶基底深度变化较大. 所有这些表明华北地区具有复杂的地质构造和发生强震的深部背景.     

华北地区上部地壳结构的三维有限差分层析成像

采用正方形网格对华北地区速度模型进行参数化、网格维数为649×90×16,网格间距为1km. 通过对华北地区30条深地震测深剖面的Pg波三维有限差分速度层析成像反演,获得了该地区上部地壳的三维速度结构. 反演结果显示,低速的"棱形"华北盆地被高速的隆起所包围;而华北盆地又由两个大的断陷带中间夹一个隆起所组成.两个大的断陷带又被分割为多个小的断陷盆地.研究区内的断层多为铲式正断层,结晶基底深度变化较大. 所有这些表明华北地区具有复杂的地质构造和发生强震的深部背景.     

大别─苏鲁碰撞造山带的地震层析成像研究──岩石圈三维速度结构

对包含大别－苏鲁碰撞造山带在内的东经 １１２°－１２４°,北纬２８°－３９°区域进行地 震层析成像研究,重建其地壳及上部地幔的三维速度图像．结果表明：造山带岩石圈速度横 向不均匀性显著;大别造山带以商城－麻城断裂为界,东侧的大别地块与西侧红安地块在地 壳速度上是两个不同的速度块体;中地壳 １５—２５ｋｍ深度范围内存在低速带,与伸展滑脱构造 有关;南、北大别构造单元之下,莫霍面下凹,地壳内发育了速度为６．５－６．６ｋｍ／ｓ、向北倾斜的 相对高速体,与超高压变质岩体相对应;在大别－苏鲁造山带下方的上部地幔中存在向北倾 斜的板片状高速体,结合已有地质、地球化学证据推测,它是三叠纪俯冲的扬子地块的残留 体;俯冲板片在深部发生了断离．本文利用地震层析成像方法揭示的造山带岩石圈速度结构 细节,对研究与地表地质有关的地球动力学无疑是十分重要的．     

三维地壳结构数据库设计及模型构建——以青藏高原东北缘地震层析成像数据为例

通过对青藏高原东北缘地震层析成像数据的分析与研究,结合现今地学三维建模技术和软件,详细阐述了基于ArcGIS的MultiPatch数据格式的地壳三维数据库及建立的青藏高原东北缘三维地壳结构实体(Solid)模型的主要技术思路和实现过程.重点讨论了地学三维建模理论、地震层析成像数据的存储方法和三维模型建立的技术路线,总结出由基础数据到青藏高原东北缘三维地壳结构模型的技术处理方法.