用背景噪声和地震面波反演东北地区岩石圈速度结构

本文利用东北地区的黑龙江、 吉林、 辽宁和内蒙古等四省区区域数字地震台网122个宽频带地震台站记录的波形数据, 分别通过背景噪声互相关及地震面波提取8~25 s和25~70 s的瑞利面波频散曲线, 进而反演得到东北地区从浅到深直至约100 km的岩石圈速度结构。 结果表明, 周期为8 s至15 s的短周期群速度分布与地表构造特征有较好的对应关系, 盆岭边界的大型断裂对上地壳速度结构的控制作用明显, 松辽盆地呈现较厚的低速沉积盆地特征; 周期为20 s至30 s的群速度与短周期时相比出现明显变化, 反映了以大兴安岭—太行山重力梯度带为界, 西部地区莫霍面深度大于东部地区; 周期为50 s至70 s的长周期群速度图表现为随着周期的增加, 东部低速区域西移而西部显示稳定高速, 可能反映了研究区受太平洋板块俯冲影响, 大兴安岭以东地区软流圈热物质上涌的特征。     

利用瑞雷面波反演华北克拉通东北部边界的岩石圈结构

运用瑞雷面波相速度频散曲线分析和反演得到了华北克拉通东北部边界及其邻近区域岩石圈的精细S波速度结构.利用11个地震事件、60个台站的瑞雷面波波形资料,得到了周期从25-150 S的相速度频散曲线,并且通过线性反演方法得到了深度从40-300 km的S波速度结构.结果表明,该研究区域S波速度存在强烈的不均匀性.从东南部的...     

华北克拉通岩石圈三维密度结构

显生宙以来华北克拉通岩石圈遭到破坏,这一现象的科学问题已受到世界地学家广泛关注.本文首先将地震层析成像反演得到的P波速度扰动转化为密度扰动,以此作为初始密度模型,然后利用布格重力异常反演得到了华北克拉通岩石圈高分辨三维密度结构.为了避开大型稀疏矩阵求逆计算,提高计算效率,我们将代数重构技术用于密度反演解算.反演结果表明:华北克拉通岩石圈密度在横向和纵向上均存在明显的不均匀性,密度分布形态与地表构造格局有很好的相关性;研究区地壳整体表现为低密度异常,地壳以下岩石圈部分则以高密度异常为主;鄂尔多斯块体地壳范围内以低密度异常为主,80~120 km深度上为呈南北两端集中分布的高密度异常,并分别与秦岭造山带和阴山造山带的高密度异常分布相连,这暗示了鄂尔多斯块体可能受到了来自其南北两端造山带深部动力学过程的影响;80~120 km深度上,华北克拉通东部地区呈现出显著的南北向非均匀的高密度异常,这表明遭到破坏后该地区上地幔物质分布具有强烈的南北向非均匀性.     

华北克拉通地区基于程函方程的面波层析成像

利用布设在华北克拉通地区的流动和固定地震台站记录到的地震波数据,使用基于程函方程的面波成像方法获得了整个华北克拉通地区瑞利波15~150 s周期的相速度,并反演了研究区S波速度结构.中长周期相速度结果显示,在上地幔及岩石圈深度范围内,燕山地区表现为高速特征,华北克拉通中部大同盆地及其以南地区、太行山等区域的低速体与华北盆地的低速体相连,呈现大面积的低速异常,低速体的速度值比青藏高原东北缘的速度值更低;S波速度显示鄂尔多斯岩石圈厚度较厚,克拉通中部和华北盆地岩石圈厚度相差不大,燕山地区岩石圈厚度要厚于华北盆地.本文认为华北克拉通岩石圈破坏存在分区性,克拉通中部和燕山地区均存在一定的克拉通破坏,但破坏程度不同,鄂尔多斯地块北部存在局部克拉通改造,但克拉通稳定性特征依然存在;破坏的主要动力学来源更可能是太平洋板块的西向俯冲.研究发现克拉通中部和东部的强震分布区与克拉通破坏区域重合,大部分强震发生在岩石圈强度边界上,分析认为岩石圈强度的差异是岩石圈强度边界上显示出较高的强震活动性的原因.

     

华北克拉通中西部地区瑞利面波噪声层析成像

根据2011年在鄂尔多斯地区新架的51套宽频带流动地震台数据,结合区域数字地震台网138个固定台站和2007年华北流动地震台阵连续一年的地震记录,基于背景噪声成像的基本原理与方法得到了华北克拉通中西部地区6~36 s的瑞利面波群速度分布图像。6~15s的成像结果很好地对应于上地壳的隆起和塌陷盆地构造;16~30 s的成像结果揭示了大同盆地和汾河谷地西侧可能存在中下地壳低速层;30~36 s的成像结果反映了华北克拉通地壳东薄西厚的总格局,和断陷盆地下方莫霍面相对隆起的局部特征。     

利用背景噪声和接收函数研究华北克拉通地壳结构

收集华北克拉通地区188个宽频带流动台站观测资料进行处理.通过背景噪声面波数据和接收函数双重资料约束联合反演,得到了研究区沉积层厚度、地壳厚度及地壳S波速度结构.结果显示：(1)沉积盖层厚度与地质构造相对应,盆地区与隆起区分界明显.(2)研究区地壳厚度变化范围约29~46 km,自西向东逐渐变薄.(3)中、上地壳华北盆地S波速度偏高,可能与新生代以来多次沉降所造成的相对高的岩石强度有关;(4)下地壳S波速度显示研究区主要存在三个低速区,分别是唐山—天津周边、张北及太行山造山带地区;华北盆地存在显著高速异常,推测可能是由于华北盆地经历下地壳拆沉后,大规模的伸展作用相伴随的幔源基性铁镁质岩浆底侵至下地壳结晶所造成的.(5)多个发生过强震的区域表现出沉积层下方存在较大范围的(约10 km)高速体,并且高速体又被其下低S波速度包裹,壳内岩石强度的差异为应力积累及地震发生提供条件.

     

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     

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.     

华北克拉通中部地区背景噪声成像

利用华北地区的流动与固定地震观测台阵在2007年1月~12月期间的垂直分量记录,采用背景噪声层析成像方法获得了华北克拉通中部地区6~40 s的相速度和群速度分布图像.成像结果显示研究区地壳以及上地幔的速度结构存在很大的横向不均匀性.8~16 s的相速度以及8~20 s的群速度分布图像清晰地勾绘出华北地区盆地和隆起之间的边界.华北盆地以及山西断陷带呈明显的低速异常,表明相应区域存在较厚的沉积层并且在中、上地壳内存在低速带;而太行山隆起以及鄂尔多斯高原则呈现高速异常.相速度16~25 s以及群速度20~30 s的图像显示华北盆地由低速异常变为高速异常,表明华北盆地的地壳较薄.长周期(30~35 s)相速度图像表明华北盆地的上地幔顶部存在低速异常.华北盆地较薄的地壳和低速异常(明显低于全球平均水平),可能与该地区岩石圈减薄,软流圈物质上涌有关.8~35 s的群速度和相速度图像都显示,大同火山区是一个低速异常区,可能是由目前仍在活动的岩浆的加热而引起地壳升温造成的.     

基于背景噪声研究华北克拉通中部Rayleigh波相速度和方位各向异性

基于中国地震科学台阵探测项目在华北中部布设的306个台站记录的波形数据,利用背景噪声层析成像方法开展了 Rayleigh波相速度和方位各向异性研究.结果显示,短周期的相速度异常及其方位各向异性主要与地表构造相关,盆地表现为低速异常,造山带表现为高速异常,快波方向主要表现为NE-SW向,与断层走向以及构造单元走向一致.在...     

华北地区基于噪声的瑞利面波群速度层析成像

本文利用华北地震科学台阵2007年1~4月份、190个宽频带和10个甚宽带垂直分量的地震噪声数据,通过互相关方法提取了瑞利面波的经验格林函数,用多重滤波方法测量了瑞利面波的群速度频散曲线.我们将研究区域划分为0.5°×0.5°的网格,利用噪声层析成像方法得到了研究区域7 s、12 s、16 s、23 s的瑞利面波群速度分布图像,所得结果较好地揭示了地壳内部、尤其是浅部地壳的横向速度变化.研究表明,短周期的群速度分布同地表地质结构、地形密切相关;华北地区的地壳结构具有明显的横向不均匀性,华北盆地及山间的沉积盆地显示出低速异常,而基岩广泛出露的太行山和燕山隆起区,呈现高速异常;多数强震(M≥6.0级)都发生在高群速度与低群速度的过渡地带.     

背景噪声频散曲线测定及其在华北地区的应用

利用华北地震台阵垂直分量的观测资料,采用滑动绝对平均方法对资料进行预处理,通过互相关方法从背景噪声中提取瑞利面波的格林函数,开发了群速度频散曲线的自动提取工具,测量了位于华北盆地、燕山隆起和太行山隆起的3条频散曲线,反演得到了3个区域的S波速度结构．研究分析表明,滑动绝对平均方法可以有效降低地震和台站附近干扰源的影响．为了得到可靠的层析成像结果,应计算格林函数的信噪比,选择高信噪比的格林函数测量其频散曲线,进行层析成像反演．当信噪比大于7时,一般都能得到稳定可靠的频散曲线．群速度频散曲线的最大可信周期(Tmax)与台站间距有关,华北地区最大可信周期以不超过台站间距的1/12为宜,周期大于Tmax时不同月份测得的频散曲线变化较大．     

华北克拉通热结构差异性特征及其意义

华北克拉通破坏存在空间上的差异性,至今其内在的动力学机制仍存在较大的争议,这种差异性在岩石圈热结构上必然有所表现.广义上岩石圈热结构包括热流结构、温度场结构和热岩石圈厚度,是揭示岩石圈演化及其内在动力学过程的重要基础.基于二维地震剖面和大地热流数据,建立二维稳态热传导有限元模型,对华北克拉通东部岩石圈热结构进行模拟计算并与西部进行对比分析,在此基础上对比热岩石圈与地震岩石圈厚度差异的变化.结果显示,华北克拉通东、西部岩石圈热结构有着较为明显的差异,地幔热流值波动范围分别在24~44/20.5~24.5 mW·m-2,壳幔比1.61~0.70/1.84~1.51,以1300℃等温线计算得到的热岩石圈厚度变化范围在75~139 km/128~162 km.华北克拉通东部相对西部有着较高的深部地幔热流值和较小的地震/热岩石圈厚度差异,这可能意味着东部软流圈地幔有效黏度相比西部低,估算差异可达2~3个数量级.     

华北克拉通地壳结构及动力学机制分析

本文对布设在华北克拉通三个陆块的199个宽频带台站记录的远震数据进行了接收函数计算.利用H-κ迭代方法获得了该区域基岩地区的地壳结构,平滑处理后作为背景结构模型中的基岩地区地壳结构;利用相邻算法对沉积层地区的接收函数进行了波形拟合计算,获得了沉积层结构,平滑后作为背景结构模型中的沉积层结构;结合前人的研究成果,完善了研究区域的背景结构模型.以此模型为基础,对接收函数进行了CCP（Common Conversion Point,共转换点）叠加成像,获得了Moho面成像结果,对比沉积层的成像结果发现：西部陆块中鄂尔多斯块体东部地区地壳厚度较大,约为42 km,泊松比较低,小于0.24,为长英质含量较多的地壳层;位于中部陆块的山西地堑地壳厚度小于鄂尔多斯块体,且变化较大,西侧地壳厚度约为40 km,东侧重力梯度带附近地壳厚度迅速减薄至36 km左右,张家口-怀来-大同一带出现了地壳的局部抬升,地壳厚度等值线基本以北北东方向为主,与构造带方向基本一致,地堑内泊松比约为0.26~0.28,前人对此区域的层析成像研究结果表明太行山隆起和阴山隆起存在壳内低速层,推测为地壳部分熔融以及上地幔物质上涌造成的;东部陆块中渤海湾盆地的地壳厚度较薄,约为32 km,部分地区小于30 km,其中冀中坳陷带地壳厚度最薄,约为28 km,沉积层基底分布与Moho面分布呈镜像对称趋势,沉积层较厚地区的地壳较薄,推测东部陆块在太平洋板块俯冲作用下,存在北西-南东向的拉张作用,使其内发育了大量断陷盆地.

     

Crustal S-velocity structure and radial anisotropy beneath the southern part of central and western North China Craton and the adjacent Qilian Orogenic Belt from ambient noise tomography

The crustal S-velocity structure and radial anisotropy along a dense linear portable seismic array with 64 broadband seismic stations were investigated from ambient noise tomography with about one-year-long ambient noise recordings. The array transverses the southern part of the central North China Craton(CNCC) and western NCC(WNCC) from east to west and reaches the adjacent Qilian Orogenic Belt(QOB). The phase velocity structures of Rayleigh waves at 5–35 s and Love waves at 5–30 s were measured. The crustal S-velocity structures(Vsv and Vsh) were constructed from the dispersion data(Rayleigh and Love waves,respectively) from point-wise linear inversion with prior information of the Moho depth and average crustal Vp/Vs ratio. The radial anisotropy along the profile was calculated based on the discrepancies between Vsv and Vsh as 2×(Vsh.Vsv)/(Vsh+Vsv). The results show distinct structural variations in the three major tectonic units. The crustal architecture in the southern CNCC is complicated and featured with wide-distributed low-velocity zones(LVZs), which may be a reflection of crustal modification resulting from Mesozoic-Cenozoic tectonics and magmatic activities. The pronounced positive radial anisotropy in the lower-lowermost crust beneath the Shanxi-Shaanxi Rift and the neighboring areas could be attributed to the underplating of mantle mafic-ultramafic materials during the Mesozoic-Cenozoic tectonic activation. In southern Ordos, the overall weak lateral velocity variations, relative high velocity and large-scale positive radial anisotropy in mid-lower crust probably suggest that the current crustal structure has preserved its Precambrian tectonic characteristics. The low-velocity westward-dipping sedimentary strata in the Ordos Block could be attributed to the Phanerozoic whole-basin tilting and the uneven erosion since late Cretaceous. Integrated with previous studies, the systematic comparison of crustal architecture was made between the southern and northern part of CNCC-WNCC. The similarities and differences may have a relation with the tectonic events and deformation histories experienced before and after the Paleoproterozoic amalgamation of the NCC. The nearly flat mid-crustal LVZ beneath the southern QOB weakens gradually as it extends to the east, which is a feature probably associated with crustal vertical superpositionand ductile shear deformation under the intensive compressional regime due to the northeastward growth and expansion of the Tibetan Plateau.     

Joint inversion of teleseismic P waveforms and surface-wave group velocities from ambient seismic noise in the Bohemian Massif

Joint inversion of teleseismic P-waveforms and local group velocities of surface waves retrieved from ambient seismic noise has been performed to model velocity structure of the crust and uppermost mantle of the Bohemian Massif. We analysed P-waveforms of 381 teleseismic earthquakes recorded at 54 broadband seismic stations located on the territory of the Czech Republic and in its close surroundings. Group velocities of Rayleigh and Love surface waves were obtained by cross-correlating long-term recordings of seismic noise. The basis for waveform inversion is the well-known methodology of P-to-S receiver functions constructed from converted phases. Due to instabilities in direct inversion of receiver functions caused by the necessity of applying deconvolution, we propose an alternative formulation to fit observed and calculated radial components of P waveforms. The joint inversion is transformed into a search for the minimum of the cost function defined as a weighted sum of waveform and group velocity misfits. With the use of the robust stochastic optimizer (Differential Evolution Algorithm), neither derivatives nor a starting model are needed. The task was solved for 1D layered isotropic models of the crust and the uppermost mantle. We have performed a sequence of inversions with models containing one, two, three and four layers above a half-space. By using statistical criteria (F-test) we were able to select the simplest velocity models satisfying data and representing local geological structures. Complex crustal models are typical for stations located close to boundaries of major tectonic units. The relatively low average P to S wave-velocity ratio is in agreement with the generally accepted view that the BM crust is predominantly felsic.     

基于噪声面波直接反演法研究天山中段地壳S波速度结构

天山造山带是新生代以来复活隆升的陆内造山带,强烈的地震活动性使得理解和认识天山造山带深部结构及盆山耦合关系尤为重要。文章中使用天山造山带及邻区(40°～49°N,79°～93°E)85个台站2017—2019年的背景噪声资料,结合背景噪声互相关方法获得了6～52 s瑞利波相速度频散曲线,利用基于射线追踪的面波直接反演法对天山中段地壳三维S波速度结构及盆山耦合关系进行研究。结果显示：地壳浅层S波速度分布与构造单元中沉积层厚度相关,塔里木盆地北缘、准噶尔盆地南缘表现为低速,天山造山带表现为高速;到了中下地壳,天山造山带下方存在被高速异常包裹的低速体;莫霍面附近,天山造山带表现出相对低速;准噶尔盆地南缘和天山造山带的地壳厚度分别在45～50 km、50～62 km之间,沿南北向,天山造山带莫霍面呈现较为宽缓的形态;在82°～86.5°E之间,塔里木盆地和准噶尔盆地向天山下方双向俯冲,86.5°～88°E之间,准噶尔盆地向天山南向俯冲,由西向东,不同盆山耦合关系揭示了新生代以来天山中段不同区域构造运动差异,为进一步探讨造山动力过程提供参考。