基于横波分裂的青藏高原多圈层各向异性研究进展

有关青藏高原横波分裂的各向异性研究已经开展了近30年,在理论方法和实际应用方面取得了重要进展,并获取了大量的横波分裂测量结果,为认识青藏高原壳幔各向异性变形特征和动力学机制提供了重要的依据.本文首先介绍了地震各向异性的来源与应用,随后回顾了横波分裂分析方法的发展,简述了各种横波分裂方法的原理,最后通过总结近30年来青藏高原上地壳、整个地壳和上地幔横波分裂各向异性研究成果,系统分析了青藏高原壳幔各向异性变形特征.基于各横波分裂结果的对比分析来看,XKS波分裂测量结果最为稳定,近震直达S波分裂测量结果次之,而Pms波分裂测量结果相对离散,往往相同区域内不同的研究结果差异较大,主要原因可能是相比XKS波和近震直达S波,Pms波的信噪比较低,次要原因可能是各研究在方法和处理分析等方面的差异.     

利用多种横波分裂分析方法评估确定各向异性参数

横波分裂分析是探测地球内部各向异性参数的重要方法.但数据的噪声水平、观测方位分布以及介质复杂程度均会影响横波分裂分析结果的稳定性,从而降低最终解的可靠性,甚至影响介质分层情况的判别.本文首先通过一系列理论测试,分析了旋转相关、最小能量和最小特征值三种横波分裂分析方法所得解随噪声水平、观测方位和介质分层情况的变化规律,发现三种方法分析结果既存在相似性也存在差异性;然后提出了利用这种相似性和差异性对最终解进行评估和确定的方案;最后将该方案应用于理论数据和南美实测数据的分析中.分析结果证明本文提出的方案不仅提高了单层或多层中的顶层介质各向异性参数的可靠性,而且可以有效鉴别介质的分层情况（单层或双层）.

     

各向异性介质中频率相关横波分裂参数的提取算法(英文)

基于曾新吾和MacBeth提出的时域内双源累积旋转方法,建立了频率相关介质中分析多分量VSP数据的横波分裂参数提取算法(DCTF)。该算法可以在频域中针对单个频率提取横波各向异性参数(快横波的极化方向以及快、慢横波间的时间差),从而避免了目前常用方法中使用窄带通滤波可能带来的误差。通过对地震合成记录的数值分析,确定了该算法的可行性和正确性,并与目前常用方法的应用结果进行了比较。结果显示,频率相关横波分裂参数可以利用DCTF从地震四分量数据中直接提取。在地震频率范围内,含较大尺度裂缝时各向异性参数将表现出频率相关性,这意味着在地震频率范围会出现频散。随着频率的增加,各向异性有降低的趋势。     

利用横波分裂到时差确定北美夏洛特皇后群岛岩石圈各向异性分层参数

本文收集到北美夏洛特皇后群岛VIB和DIB台站2005年1月1日至2014年12月31日2700余条近震三分量横波观测记录.经严格筛选提取到55条35°横波窗内的快慢波到时差值.通过建立到时差与多界面横波分裂路径关系,实现了对横波不同深度分裂界面的可靠识别和深度确定.依据对横波到时差及归一化到时差的分析结果,确认地处俯冲带的夏洛特皇后群岛的地震各向异性分别存在于该地区的上层陆壳、中层洋壳俯冲带及俯冲带底部或下层岩石圈顶部附近.发现除地幔岩石圈外,上两个分层的各向异性强度由北向南减弱,同时向西运动的洋壳俯冲带向南加深.不仅如此,归一化到时差结果显示该地区2012年M7.8强震前后各向异性强度减弱,但在3个各向异性层存在较大差异.无论在分层界面较浅的北部格雷厄姆岛附近还是在分层界面较深的南部莫尔兹比岛附近,强震后最上层的陆壳和最下层地幔岩石圈的各向异性强度均没有变化.M7.8后各向异性减弱全部发生在中层洋壳俯冲带内.并且,距离强震震中越近各向异性强度减弱越大,在一定程度上揭示出强震前后应力变化的空间分布特征.表明该地区洋壳俯冲是引起M7.8强震和现今构造运动的主要动力源.

     

裂缝介质横波分裂时差影响因素定量研究

裂缝介质数值模拟是研究裂缝型油藏各向异性及裂缝检测的关键.横波分裂现象是波在各向异性介质中传播的一个显著特征,横波分裂时差能够反映地下裂隙密度和介质物性等信息.本文给出二维均匀TTI介质在不同极化角度下的横波群速度公式,进而得到偏移距表征的横波分裂时差表达式;同时采用二维三分量交错网格高阶有限差分方法模拟不同极化角度下的三分量炮记录,与理论值对比分析,定量研究分裂时差与极化角、偏移距、各向异性参数的关系,得到如下主要结论:1)在不同各向异性强度下,横波分裂时差与极化角呈现不同的变化规律,而快慢横波振幅比与极化角的关系不受各向异性强度的影响;2)从能量角度,在45°～55°极化角内,横波传播的能量对比最强,是观测横波分裂的最佳角度范围;3)表征各向异性强度的三个参数中γ对横波分裂时差的影响最大,其从0变化到0.3,分裂时差增幅达432.4%.     

对大同地震横波分裂的研究

由三分向数字地震仪构成的小孔径流动台网记录了1989年10月山西大同二个强震之后15天内的余震。纵波和横波的尾波在直达波的后续波列中表现得非常明显,估计是由近地表不规则沉积层对地震波的聚焦效应所形成的。由于近地表不规则沉积层的作用,在较宽的离源角的范围内都可以辨认出横波分裂现象。用大范围膨胀各向异性(EDA)裂隙对横波的影响解释了快波偏振的排列方向与区域应力场最大主压应力方向的一致性。对一天中包括一个较大地震以及它前后较小地震形成的系列,用理论到时差数值模拟与实际记录对比的方法,确认了横波分裂到时差在一个较大地震发生前后的上升和下降,用应力导致壳内裂隙随时间的变化对横波传播的作用解释了这种变化。到时差在短时间内发生的迅速变化说明含有EDA裂隙的上地壳对区域应力变化具有快速的弹性响应。     

各向异性介质中扭转波分裂的初步实验观测

实验室可以产生两种振动模式的横波,一种是剪切振动,另一种是扭转振动.本文利用扭转换能器观测了扭转横波在各向异性样品中的传播特性.实验表明,无偏振方向的扭转波在各向异性介质中会以两种不同速度传播,并出现波的分裂现象,其快慢波的速度值与剪切横波的快慢横波速度一致.用扭转波换能器接收时,快慢扭转波的波形振幅不受各向异性方位影响,表现为无方向性.通过两块不同来源的均匀各向异性样品,用实验观测方式初步揭示了各向异性介质中扭转波的一些传播特征.     

多层水平各向异性介质的剪切波分裂参数计算

在多层各向异性介质中,剪切波分裂参数会随着初始偏振方向的变化而变化,根据这一特性可以用来判断深部复杂的各向异性结构。本文在Silver and Savage多层水平各向异性理论基础上,推导了剪切波在多层水平各向异性介质模型中传播时的分裂参数(φ,δt)理论计算公式,并编写了相应的剪切波分裂参数计算程序。通过与SplitLab软件中双层各向异性模型计算结果进行比较,验证了本研究程序的可靠性。此外,我们也合成计算了三层各向异性模型中的剪切波分裂参数,结果发现各向异性层的顺序对剪切波分裂结果影响很大,但变化的周期都为π/2。最后用三层模型拟合了一组实际数据,结果表明三层各向异性也能较好地反映不同深度各向异性层的特征。     

利用横波分裂分析方法研究地壳各向异性综述

利用横波分裂分析获取地下介质的各向异性参数,已成为研究壳幔介质变形特征最为有效的方法之一。本文首先介绍横波分裂理论方程的推导过程;然后阐述目前几种较为常用的拾取横波分裂参数的方法;最后总结近年来横波分裂分析方法的发展现状及其在地壳介质各向异性研究方面取得的成果。我们认为尽管横波分裂分析方法被广泛应用于地壳介质各向异性研究,但是它也存在一些固有的局限性,期望未来能发展一种更为可靠、有效的方法以及数据处理流程来准确拾取横波分裂参数。     

利用剪切波分裂研究青藏高原东北缘及东南缘上地幔各向异性

利用从IRIS上下载的青藏高原东北缘238个台站以及中国地震科学探测台阵喜马拉雅一期350个台站记录到的远震波形数据,通过采用剪切波分裂方法,获取各个台站下方各向异性分裂参数——快波偏振方向（φ）和分裂时差（δt）,从而得到青藏高原东北缘、东南缘上地幔的各向异性特征。研究结果表明,祁连块体、阿拉善块体和鄂尔多斯块体北部,快波方向为NNW-SSE,明显不同于GPS测量得到的近NE-SW的地表位移场方向,延迟时间平均~0.85 s;羌塘块体以及松潘-甘孜褶皱带的西部,快波方向呈现沿顺时针方向旋转的趋势,并且与GPS测量得到的地表位移场方向一致,延迟时间平均为~1.24 s;松潘-甘孜褶皱带东部、秦岭造山带与鄂尔多斯块体南部的交界处,快波方向呈现无序分布,与GPS方向表现出不一致的分布,延迟时间平均~1.08 s;川滇块体北部,快波方向近似N-S方向,与GPS测量得到的地表位移场方向相同,平均延迟时间为~0.925 s;位于北纬26°以南的川滇块体南部,快波方向近E-W方向分布,明显不同于GPS地表位移场方向,平均延迟时间~1.065 s。综合分析推测,羌塘块体、松潘-甘孜褶皱带的西部以及川滇块体北部,地表形变和深部之间的变形是相互耦合的;祁连块体、阿拉善块体和鄂尔多斯块体北部,松潘-甘孜褶皱带东部、秦岭造山带与鄂尔多斯块体南部的交界处以及川滇块体南部,壳幔之间可能存在解耦现象。     

青藏高原东南缘地震各向异性及其深部构造意义

青藏东南缘是青藏高原物质东流的通道,为了更全面了解复杂的岩石圈结构和强烈的变形特征,本文介绍了青藏东南缘岩石圈各向异性的形态,综合其他研究者得到的该区域壳幔各向异性结果,增加了部分新的资料,更新了青藏东南缘岩石圈方位各向异性图像,探讨了区域深部构造意义.

基于近场小震、远震和背景噪声资料计算结果,青藏东南缘地震各向异性展现出独特的区域空间分布和垂向层次性分布形态,展现了3个主要特征.（1）青藏东南缘上地壳各向异性与地表变形测量结果相符,快剪切波偏振方向（即快波方向）呈现与地表运动特征一致的发散性,与主压应力方向一致,但受到地质构造的影响.（2）青藏东南缘下地壳方位各向异性展现了更好的方向一致性,但方位各向异性程度相对较弱,在红河断裂带西北端部和小江断裂带下方有两个下地壳低速区,其方位各向异性程度与上地壳相当.（3）青藏东南缘岩石圈方位各向异性,呈现南、北分区特征,南北分界线大致在26°20'N,快波方向在北部近似为NS方向,在南部近似为EW方向.

本文推测：（1）在26°20'N北侧的上地幔有较厚的高速体,高速体南侧边缘呈现出近EW走向的直立墙形构造,其南侧软弱的上地幔物质在EW方向上流动,导致了岩石圈方位各向异性特征在空间发生突然的变化,快波方向由北部的NS变为南部的EW方向;（2）小江断裂带是现今的华南地块的地壳西边界,但岩石圈尺度的方位各向异性展现出的趋势性表明,华南地块的上地幔物质越过了小江断裂带到达其西侧,揭示了华南地块与青藏地块接触碰撞造成的岩石圈物质变形和上地幔软流圈物质运移的深部图像.地震各向异性能揭示区域深部构造与介质变形的信息,不同观测资料的综合分析有助于获得更清晰的各向异性三维图像.

     

青藏高原东南缘三江地区上地壳各向异性初步研究

三江地区位于青藏高原东南缘,川滇菱形块体的西侧.受陆-陆板块碰撞作用的影响,构造活动强烈,地震活动频繁.为研究该区的应力环境、构造特征及二者间的关系,本文使用三江流动线性地震台阵SL-Array（2016-12—2017-05）和国家固定地震台网（2015-01—2017-12）记录到的地震波形资料,运用剪切波分裂分析技术研究三江地区上地壳各向异性研究.计算得到该区域快剪切波优势偏振方向为NNW向,与区域主压应力方向一致.结果显示各向异性特征有分区性,以维西—乔后断裂和小金河—丽江断裂为界,将线性台阵划分为A、B和C三个区域.A区快波优势偏振方向表现出与区域主压应力方向的一致性.B区局部构造复杂,快波优势偏振方向表现为近NS向.C区结果比较离散,无明显快波优势方向.自西向东,研究区域快波优势偏振方向表现为NNW至近NS向的变化趋势.计算得到研究区域慢剪切波时间延迟为2.8±1.7 ms·km^-1,其中B区最大,A区最小,反映了该区地壳介质各向异性强度的不均匀分布,也揭示了区域构造复杂程度与地震各向异性强度的关系.

     

青藏高原东南缘基于背景噪声的Rayleigh面波方位各向异性研究

青藏高原东南缘地区是现今地壳形变和地震活动最强烈的地区之一,也是研究青藏高原现今变形机制和构造演化规律的重要区域.本研究使用云南区域地震台网的55个宽频带地震台站连续地震背景噪声数据,采用双台站互相关方法获得Rayleigh(瑞利)面波经验格林函数,提取相速度频散曲线,反演得到云南地区周期5~34s范围内方位各向异性分布图像.反演结果揭示:短周期(5~12s)Rayleigh面波快波优势方向与区域断裂走向有很好的一致性,快波方向随着断裂走向的变化而变化.周期16~26s快波优势方向与反映上地壳特性的5~12s图像总体图像相似,但细节略有不同.其中,滇中块体内易门断裂和滇中块体内东侧的普渡河断裂附近,各向异性快波方向从NS向NW方向旋转;易门断裂以西呈NW向.这反映了青藏高原物质东流和川滇块体受到青藏块体的南东向挤压作用.周期30~34s范围的各向异性,滇缅泰块体和印支块体,快波优势方向为NS和NNW向;而在滇中块体内部,各向异性快波方向呈顺时针旋转变化,可能与青藏高原物质向东逃逸有关.本文还开展了与体波各向异性的对比分析,通过与近震S波分裂、Pms转换波分裂和远震SKS、PKS和SKKS(以后简称为XKS)分裂的对比研究,发现随着周期的增大,得到的快波优势方向与XKS剪切波快波偏振方向趋向一致,与地壳快剪切波偏振方向呈一定夹角.本研究认为,青藏高原东南缘地区壳幔各向异性具有不同的特征和形成机制.     

A reappraisal of shear wave splitting parameters from Italian active volcanic areas through a semiautomatic algorithm

Shear wave splitting parameters represent a useful tool to detail the stress changes occurring in volcanic environments before impending eruptions. In the present paper, we display the parameter estimates obtained through implementation of a semiautomatic algorithm applied to all useful datasets of the following Italian active volcanic areas: Mt. Vesuvius, Campi Flegrei, and Mt. Etna. Most of these datasets have been the object of several studies (Bianco et al., Annali di Geofisica, XXXXIX 2:429–443, 1996, J Volcanol Geotherm Res 82:199–218, 1998a, Geophys Res Lett 25(10):1545–1548, 1998b, Phys Chem Earth 24:977–983, 1999, J Volcanol Geotherm Res 133:229–246, 2004, Geophys J Int 167(2):959–967, 2006; Del Pezzo et al., Bull Seismol Soc Am 94(2):439–452, 2004). Applying the semiautomatic algorithm, we confirmed the results obtained in previous studies, so we do not discuss in much detail each of our findings but give a general overview of the anisotropic features of the investigated Italian volcanoes. In order to make a comparison among the different volcanic areas, we present our results in terms of the main direction of the fast polarization (φ) and percentage of shear wave anisotropy (ξ).     

MT约束的青藏高原东南缘上地幔热结构研究——以兰坪—贵阳剖面为例

青藏高原东南缘是青藏高原软弱物质运移的关键位置,研究其深部结构有助于理解青藏高原的扩张机制.本文利用穿过青藏高原东南缘的一条起始于兰坪—思茅块体,穿过川滇菱形块体,终止于华南块体的长约750 km的大地电磁测深（MT）剖面的电阻率结构,基于上地幔矿物和熔融体温度与电导率的关系,获得了研究区上地幔温度结构与熔融百分比分布.结果表明,采用随深度变化的含水熔融上地幔矿物组分模型才能合理地获得整个上地幔温度;上地幔全岩含水量约4.69（40 km深度）~0.13 wt%（150 km深度）,矿物熔融百分比约0~1.4%之间,并在70 km深度附近出现了较明显的局部熔融带;上地幔温度位于400~1300℃之间,随深度加深而逐渐增加;70 km以浅的温度表现出相对强烈的横向变化,且川滇和兰坪—思茅块体的上地幔温度和矿物熔融百分比的深度平均值明显高于华南块体.

     

川滇地块西部差异性旋转的构造意义:青藏高原东南缘白垩纪红层古地磁学新证据

印度-欧亚板块碰撞以来青藏高原内部及其周缘地区经历了复杂的构造演化,复杂构造变形区的复合构造使得古地磁的数据解释究竟代表区域的构造旋转还是只能反映局部的构造变形一直是备受关注的问题.本文通过采集川滇地块西缘渔泡江断裂东侧三岔河地区白垩纪红层古地磁样品,揭示采样区差异性旋转并探讨川滇地块西部自中新世以来的构造演化规律.前人的地质调查表明川滇地块渔泡江断裂东侧上白垩统赵家店组地层发育倾伏褶皱.三岔河剖面以三岔河镇为界分为南北两段,三岔河南段剖面高温剩磁分量平均方向在倾斜校正后D_s=29.3°,I_s=45.7°,k_s=54.3,α₉₅=6.6°,倾伏地层产状校正后D_s=30.6°,I_s=46.6°,k_s=69.3,α₉₅=5.8°;而三岔河北侧剖面高温剩磁分量平均方向在倾斜校正后D_s=350.4°,I_s=42.1°,k_s=69.4,α₉₅=9.2°,倾伏地层产状校正后D_s=347.4°,I_s=41.9°,k_s=96.6,α₉₅=7.8°;两组高温剩磁分量均通过了褶皱检验,表明其获得于褶皱形成之前.相对于东亚稳定区80 Ma古地磁极,三岔河南侧剖面发生了20.5°±4.8°的顺时针构造旋转量,与楚雄盆地核部之间不存在差异性旋转;但三岔河镇以北剖面却发生了22.7°±6.6°的逆时针旋转.综合分析川滇地块内部的古地磁数据表明自中新世以来川滇地块南部楚雄盆地经历了约20°的顺时针构造旋转,而三岔河镇北侧经历了约20°逆时针旋转.进一步分析表明三岔河北侧剖面相对于南侧剖面经历了约40°的逆时针旋转,可能由于研究区的滑脱构造导致岩石薄弱层拆离滑脱所引起.

     

峨眉山大火成岩省地壳横波速度结构特征及其动力学意义

峨眉山大火成岩省是我国境内最早获得国际学术界广泛认可的大火成岩省,对于认识地幔柱形成与作用机理、生物与环境演化、资源富集与成矿机制等具有重要意义.本文利用峨眉山大火成岩省宽频带地震台阵（COMPASS-ELIP）以及云南、四川区域地震台网的部分台站资料,基于分格加权叠加策略实现接收函数和面波频散在信息来源和分辨尺度方面的协同;进而开展联合反演,重建了峨眉山大火成岩省关键剖面下方的地壳横波速度结构.研究结果显示：研究区地壳平均S波速度,沿剖面呈现自西向东先增大后减小的分带性,内带中、下地壳速度较高,尤其是下地壳存在明显的高速异常（V_S约3.8~4.2 km·s^-1）;丽江-小金河断裂带和水城-紫云断裂带的东西两侧,中上地壳存在低速层（V_S约3.3 km·s^-1）,尤其是水城-紫云断裂带东西两侧的中地壳低速层尤为明显.结合本文以及现有的系列研究结果,进一步确认内带中、下地壳高速对应二叠纪古地幔柱作用的遗迹,大规模岩浆的底侵和内侵,不仅改造了滇中块体的地壳结构和组分,而且也改变了地壳的流变强度,进而对现今青藏高原东南缘的深部过程产生了深远影响.

     

青藏高原东南缘瑞利波群速度分布特征及其构造意义探讨

青藏高原东南缘是研究印度—欧亚板块碰撞过程、块体间相互作用和壳幔变形机制的重要地区.本文利用川滇地区流动地震台阵和固定地震台网共557个台站的连续波形数据,基于改进的背景噪声处理流程和分析方法得到了6023条瑞利波群速度频散曲线,反演获得了6~48 s的瑞利波群速度分布图像.结果显示在四川盆地内部短周期群速度分布较好地揭示了盆地内沉积层厚度的横向变化.在30~48 s周期,四川盆地西部群速度存在南低、北高的特征,推测是南部中下地壳和上地幔温度较高引起的.温度的增高降低了地壳的力学强度,在青藏高原东向挤压作用下盆地西南部地壳更易发生变形,并导致脆性上地壳在新生代产生地壳缩短和褶皱、断裂等地质活动.攀枝花及其周边地区从地壳浅部至上地幔深度的高速异常体,可能与基性和超基性岩的侵入有关.该高速体具有较大的介质强度,在一定程度上阻碍了青藏高原物质东南向的运移,这可能是造成丽江—小金河断裂两侧巨大高程差异的重要因素.自24 s开始,南盘江盆地表现为明显的高速异常,与华南块体西南部其他区域的深部结构存在明显差异.反演的S波速度结构揭示,自中上地壳至上地幔,南盘江盆地的速度一直高于北侧其他区域.结合此地区的地壳运动模式,推测介质S波速度较高、力学强度较大的南盘江盆地对青藏高原物质的东南向逃逸具有一定的阻挡作用.