倾斜界面和各向异性介质对接收函数的影响

接收函数方法自Langston提出以来,经过近30年的不断发展,接收函数在提取方法、反演技术以及界面成像等方面取得了重要进展,已逐步成为研究地球内部、特别是地壳上地幔结构的重要手段.近年来,随着观测和研究的不断深入,倾斜界面和各向异性介质对接收函数的影响也逐渐引起人们的重视.本文通过建立不同的倾斜界面和各向异性模型,计算了不同模型的理论接收函数,比较系统的阐述了径向和切向分量接收函数的变化特征,通过分析发现倾斜界面和各向异性介质都能使接收函数的切向分量产生明显的能量,并使径向和切向分量呈现周期性的变化,倾斜界面和各向异性介质产生的接收函数波场特征的差异主要表现在周期性和转换震相的到时差上,通过分析不同方位角的径向和切向接收函数,研究直达P波和PS转换波振幅及到时随方位角的变化规律,可以较好地区分倾斜界面和介质各向异性的影响.     

利用接收函数计算地壳各向异性的可靠性分析及倾斜界面的影响*

使用接收函数研究壳幔速度间断面和速度结构已是常用的技术,但介质各向异性或倾斜的莫霍(Moho)界面,都会造成接收函数波形的复杂性。本文利用远震P波接收函数计算台站下方的地壳各向异性,通过信噪比测试和谐波分析两种方法来验证各向异性结果的可靠性。通过甘肃地震台网的两个台站记录,讨论各向异性和倾斜界面对接收函数的影响,结果显示,台站BYT(白银)下方具有各向异性,而台站WYT(渭源)下方由于可能存在倾斜界面,得到的各向异性结果则有待进一步分析。为了更好地认识倾斜界面对各向异性计算结果的影响,采用合成理论地震图,计算接收函数,然后利用合成接收函数进行各向异性分析。结果表明,计算得到的快波方向不会受到倾斜界面的影响,但是时间延迟会受到影响。     

利用接收函数计算地壳各向异性的可靠性分析及倾斜界面的影响

使用接收函数研究壳幔速度间断面和速度结构已是常用的技术,但介质各向异性或倾斜的莫霍(Moho)界面,都会造成接收函数波形的复杂性。本文利用远震P波接收函数计算台站下方的地壳各向异性,通过信噪比测试和谐波分析两种方法来验证各向异性结果的可靠性。通过甘肃地震台网的两个台站记录,讨论各向异性和倾斜界面对接收函数的影响,结果显示,台站BYT(白银)下方具有各向异性,而台站WYT(渭源)下方由于可能存在倾斜界面,得到的各向异性结果则有待进一步分析。为了更好地认识倾斜界面对各向异性计算结果的影响,采用合成理论地震图,计算接收函数,然后利用合成接收函数进行各向异性分析。结果表明,计算得到的快波方向不会受到倾斜界面的影响,但是时间延迟会受到影响。     

基于接收函数主成分分析法的地壳结构研究

远震接收函数方法是研究地壳结构的常用方法之一.在单个地震台站的接收函数分析中,既可以利用不同接收函数Ps转换震相以及地表多次反射震相的平均特征获得台站下方一维平均地壳结构信息,也可以基于Ps转换震相随背方位角的变化特征提取地壳结构的变化信息(如倾斜界面或各向异性).然而,由于噪声干扰,后一方面的研究往往存在困难.针对这一问题,文章引入信号处理中的主成分分析法,提出了基于单个地震台站接收函数数据矩阵的主成分分析方法.利用不同主成分互不相关且反映原始数据不同特征的性质,通过提取单个台站接收函数数据矩阵的不同主成分并分别进行重构,获得台站下方的地壳结构信息.理论模拟结果表明,径向接收函数的第一主成分包含数据主体信息,反映台站下方一维平均地壳结构特征;而其第二主成分以及切向接收函数第一主成分则反映台站下方地壳结构的变化特征.文章重点针对壳内存在倾斜界面结构的情况,进行了接收函数主成分提取和重构的理论模拟研究;并在此基础上,基于布设在四川盆地中部一宽频带流动地震台站s233的远震波形记录,开展了接收函数主成分分析的实际结构应用研究.文章研究结果显示,台站s233下方可能存在两个近平行的壳内倾斜界面.与前人测井、电法及人工源地震剖面结果对比表明,浅部倾斜界面可能代表了四川盆地前寒武纪结晶基底顶界面,深部界面可能指示上、下地壳的分界面,即康拉德界面.文章通过理论模拟和实际应用研究,验证了接收函数主成分分析方法在研究地壳结构中的有效性.     

倾斜界面和各向异性对谐波分解方法的影响研究

利用接收函数谐波分解方法可以提取地壳下方的不均匀信息,但当多种不均匀性同时存在时,该方法反演结果的准确性目前尚不十分清楚。基于5组20个理论模型,研究了倾斜界面和各向异性对谐波分解方法的影响。结果表明,对于只存在倾斜界面的情况,利用谐波分解方法可以很好地得到模型参数。在各向异性和倾斜界面同时存在的情况下,各向异性的存在会影响谐波分解得到的倾斜界面振幅信息,而且这种影响还和倾斜界面的走向有关。倾斜轴各向异性谐波分解得到的各向异性强度与倾斜轴倾角大小有关,与快轴方向关系不大。使用谐波分解方法对江西九江台进行分析,结果表明,台站下方倾斜和各向异性共存,快轴方向约为86°,时间延迟约为0.46 s。     

横向非均匀介质远震体波接收函数的波场特征

系统研究了台站下方存在倾斜界面时,远震体波接收函数的波场特征及多方位接收函数对台站下方介质横向非均匀特征的反映能力．我们利用合成三维横向非均匀介质接收函数的Maslov方法,具体模拟了台站下方存在倾斜界面时的接收函数响应．结果表明,当台站下方存在倾向一致的倾斜界面时,远震体波接收函数的径向分量和切向分量分别随震源方位角的变化呈现对称和反对称的规律性变化．利用不同震源方位角接收函数径向分量和切向分量的变化规律,可以估计台站下方界面的倾向和倾角．当台站下方各界面的倾向不同时,随方位角的变化,接收函数只能直观给出界面的整体倾向．实际观测数据的分析结果表明,对于利用单个台站接收函数研究台站下方介质的横向非均匀特征来说,简单倾斜界面可以看作较好的一级近似．      

加入多次波的长时窗接收函数主成分分析及其在张八岭构造带地壳分析中的应用

接收函数主成分分析方法可以有效地提取单台接收函数中蕴含的台站下方地壳结构和速度各向异性信息,本文在原有理论基础上将该方法应用于加入了多次波的长时窗接收函数.通过位于郯庐断裂带张八岭构造带的滁州台和嘉山台的数据进行分析验证,并估计了该地区地下结构和速度各向异性信息.测试结果表明：相较于仅对Ps转换波的接收函数主成分分析研究,扩大时窗范围、加入多次波后,利用第二主成分重构的径向接收函数中信息更加丰富,且更有利于对构造特征和速度各向异性进行约束.研究同时发现,重构的接收函数在多次波的时窗内的稳定性更强.实际数据结果显示：张八岭构造带东缘滁州台下方地壳底部具有倾向指北、向下倾斜不超过20°的构造特征,壳内具有快轴方向近似平行于郯庐断裂带走向且不大于7%的速度各向异性.而嘉山台下的地壳横向结构变化幅度不大,具有较弱的速度各向异性特征,但沉积层底界面表现为近北东走向,向东南下倾的构造特征.这种差异的地壳结构特征也指示出该构造带在演化过程中具有较高的非均一性.     

内蒙古阿巴嘎地区地壳方位各向异性研究

本文利用架设在内蒙古阿巴嘎地区38个宽频带地震台站记录到的远震数据,通过拟合P波接收函数径向Pms转换波到时和叠加不同方位切向分量,确定了地壳各向异性参数.结果表明,大部分台站Pms延迟时间在0.35 s左右;而少数台站时差较大,推测可能受到索伦缝合带附近地壳残留倾斜界面影响.各向异性快波方向变化范围在N95°E到N180°E之间,平均为N130.6°E±19.1°,推测中下地壳矿物在ENE-WSW向区域主压应力作用下发生晶格定向排列可能是导致地壳各向异性的主要成因.研究区壳幔变形特征和机制不同,属于解耦变形.     

用接收函数Ps转换波研究地壳各向异性--以哀牢山-红河断裂带为例

倾斜界面与各向异性介质均可使接收函数的切向分量产生明显的能量.通过对不同模型的理论接收函数的研究,可以发现倾斜界面产生的接收函数切向分量与各向异性介质产生的接收函数切向分量具有显著的差异,主要表现在到时差与周期性上.利用各向异性和倾斜界面造成的切向分量不同的周期性,可以通过加权叠加的方法突出各向异性或倾斜界面的影响,并可对接收函数径向、切向分量进行波形互相关计算,获取各向异性分裂参数.通过对布设于红河断裂附近的4个三分量宽频带流动台站的接收函数莫霍面Ps震相的研究,获得红河断裂附近的地壳各向异性快波方向为132°,快慢波时间延迟为024s.地壳各向异性快波方向与红河断裂带构造走向一致,与上地幔各向异性的快波方向相差近90°,表明红河断裂地区地壳与上地幔构造可能存在解耦现象.     

利用SV分量接收函数反演地壳横波速度结构

详细讨论了远震体波SV分量接收函数的特点及其在反演地壳S波速度结构中的优势．与径向接收函数类似，SV分量接收函数可通过对远震体波的SV分量直接反褶积P分量获得．研究分析表明:与径向接收函数相比，SV分量接收函数的振幅随震中距的变化更加稳定，波形简单且突出了对结构最敏感的PS转换波信息．理论数值实验显示:在反演地壳S波速度结构时，SV分量接收函数比径向接收函数具有更好的收敛性．作为实例，利用SV分量接收函数反演方法反演了海拉尔台下的S波速度结构．      

基于MESSEGER观测对水星磁尾电流片磁场分布的统计研究

本文利用信使号飞船2011-2015年期间在轨磁场数据对水星磁尾电流片的磁场结构分布特征进行了统计分析.为探究磁场结构分布随水星径向距离的变化,电流片划分为近磁尾（-1.5R_M > X > -2.0R_M）和远磁尾（-2.0R_M > X > -2.5R_M）两个区域.所得结果表明：（1）无论是近磁尾还是远磁尾,电流片中的磁场都以+B_z分量为主,磁场方向几乎与磁赤道面垂直.（2）相比近磁尾,远磁尾电流片中磁场强度、B_z分量较弱,B_y分量较强,而且-B_z信号出现概率相对较大,这表明电流片中磁活动相对容易在远磁尾中发生.（3）磁场强度以及B_z分量在晨昏方向上的分布存在晨昏不对称性——在方位角120°~190°范围内相对较弱.弱B_z数据点（B_z<5 nT）也在昏侧（Y>0）发生较为频繁.（4）与B_z分布相反,磁场强B_y分量（|B_y|>5 nT）倾向于在晨侧（Y<0）发生.统计分析还表明,磁场B_y分量与行星际磁场B_y分量并无明显的相关性.对比地球磁尾电流片,我们对水星磁尾电流片B_z分量、强B_y分量的晨昏不对称起源机制作了探讨分析.     

震源机制与应力体系关系模拟研究

为理解震源机制和所作用的应力张量之间的关系,模拟了东西向挤压、垂直向拉张的挤压应力体系,南北向挤压、东西向拉张的走滑应力体系和垂直向挤压、东西向拉张的拉张应力体系所产生震源机制及其剪应力和正应力的表现.结果表明:挤压应力体系可以产生逆断型、走滑型和逆走滑型的震源机制,并随着应力形因子R的增大,逆断型震源机制数目逐渐减小,而走滑型和逆走滑型震源机制数目逐渐增加;走滑应力体系兼有各种类型的震源机制,随着R值的增大,正断型和正走滑型震源机制数目逐渐减小,而逆断型和逆走滑型震源机制数目逐渐增加;拉张应力体系兼有正断型、走滑型和正走滑型震源机制,随着R值的增加,正断型震源机制数目逐渐增加,而走滑型和正走滑型震源机制数目逐渐减小.挤压应力体系在震源机制节面上的最大剪应力分布在R=0时沿倾角45°分布,随着R值增大至1,逐渐演变为沿着以(0°,90°)和(180°,90°)为中心的圆弧分布;拉张应力体系的最大剪应力分布则随着R值自0增大至1,最大剪应力自以(0°,90°)和(180°,90°)为中心的圆弧分布逐渐演变为沿倾角45°分布;走滑应力体系则随着R值自0增大至1,最大剪应力自以(0°,90°)和(180°,90°)为中心的圆弧分布逐渐演变为以(90°,90°)为中心的圆弧分布.三种应力体系所表现的震源机制P,T轴分布呈现复杂多样性:R越小,震源机制的T轴分布在拉张主应力周围的区域范围越小,而P轴分布在挤压轴周围的区域范围越大,R=0.5时两者分布区域范围均衡,R超过0.5时越接近1,震源机制的P轴分布在挤压主应力周围的区域范围越小,而T轴分布在拉张轴附近的区域范围越大.     

Model tests and numerical analyses on horizontal impedance functions of inclined single piles embedded in cohesionless soil

Horizontal impedance functions of inclined single piles are measured experimentally for model soil-pile systems with both the effects of local soil nonlinearity and resonant characteristics.Two practical pile inclinations of 5° and 10° in addition to a vertical pile embedded in cohesionless soil and subjected to lateral harmonic pile head loadings for a wide range of frequencies are considered.Results obtained with low-to-high amplitude of lateral loadings on model soil-pile systems encased in a laminar shear box show that the local nonlinearities have a profound impact on the horizontal impedance functions of piles.Horizontal impedance functions of inclined piles are found to be smaller than the vertical pile and the values decrease as the angle of pile inclination increases.Distinct values of horizontal impedance functions are obtained for the ’positive’ and ’negative’ cycles of harmonic loadings,leading to asymmetric force-displacement relationships for the inclined piles.Validation of these experimental results is carried out through three-dimensional nonlinear finite element analyses,and the results from the numerical models are in good agreement with the experimental data.Sensitivity analyses conducted on the numerical models suggest that the consideration of local nonlinearity at the vicinity of the soil-pile interface influence the response of the soil-pile systems.     

一种改进的适应于倾斜Moho面的H-κ-θ叠加方法及应用

地壳厚度、波速比或泊松比是研究地壳结构和性质的基本地震学参数,对于研究地壳组分特征及构造演化具有重要意义.经典H-κ叠加方法是利用远震接收函数资料求取台站下方地壳厚度和波速比最为简便高效的方法.但该方法隐含着Moho面是水平界面的假设条件,意味着Ps转换波及后续多次波相对P波的走时主要取决于地壳厚度和纵横波速度,而忽略了界面产状的影响.理论模拟表明,如果不考虑Moho面的产状,特别是在Moho面倾角较大的情况下,利用经典H-κ叠加方法得到的地壳厚度和波速比会偏离实际模型,尤其会造成波速比的过高估计,从而影响到对地壳结构和性质的认知.为了解决Moho面倾斜条件下的地壳厚度和波速比求取问题,本文推导了界面倾斜条件下Ps转换波与后续多次波相对于直达P波的理论到时公式;基于经典H-κ叠加方法的思想,提出了一种可以同步求取地壳厚度-波速比-Moho面倾角的H-κ-θ叠加方法.通过理论模型测试,验证了该方法具备较高的稳定性和可靠性,并将此方法应用于青藏高原南部Hi-CLIMB台阵资料,显示出较好的应用潜力.     

四川盆地早白垩世红层磁倾角偏低研究

对四川盆地东北部巴中地区和西部雅安地区早白垩世红层分别采集9块手标本,进行了详细的古地磁学研究.系统退磁获得两地的特征剩磁,其中巴中地区平均方向为,倾斜校正之前:D_g/I_g=25.3°/19.0°,k=18.6,α_(95)=8.8°;倾斜校正之后:D_s/I_s=25.8°/18.9°,k=24.3,α_(95)=7.6°.雅安地区平均方向为,倾斜校正之前:D_g/I_g=24.5°/45.0°,k=15.7,α_(95)=9.0°;倾斜校正之后:D_s/I_s=356.7°/35.6°,k=28.5,α_(95)=6.6°.磁化率各向异性实验结果显示两地均未受到显著的构造应力影响.等温剩磁各向异性(AIR)实验结果,巴中地区IRMz/IRMLx平均值为0.8194,表明18%的压实率;雅安地区IRMz/IRMx平均值为0.8909,表明11%的压实率,计算得到巴中和雅安地区校正后的磁倾角分别为22.7°和38.8°.根据等温剩磁各向异性(AIR)实验和Tauxe and Kent(2004)提出的EI校正法得到的结果表明,四川盆地早白垩世陆相碎屑岩层中存在沉积压实作用造成的磁倾角偏低现象,而且川东北巴中地区的偏低程度强于川西雅安地区.     

二维大地电磁各向异性参数对视电阻率的影响研究

大地电磁法是广泛应用于深部地质结构探测、油气和矿产资源勘查等领域的一种地球物理方法.电性各向异性对电磁观测数据有很大影响,但介质各向异性参数对不同模式视电阻率的影响还较少有较为系统的研究.本文基于Maxwell方程组,推导了二维大地电磁场在任意各向异性介质中电场和磁场相互耦合的变分方程,结合有限单元法及并行计算编写了二维大地电磁任意各向异性正演程序,采用三角形网格剖分.验证程序正确性后,以倾斜板状体作为模型来研究三个主轴电阻率及三个旋转欧拉角和四种模式的视电阻率之间的关系.结果表明,主轴各向异性时,xy模式视电阻率几乎只受x方向电阻率影响,yx模式视电阻率主要受y方向电阻率影响,但同时也受z方向电阻率一定影响;三个欧拉角中只有倾角不为零时,yx模式视电阻率受倾角大小的影响较大,xy模式视电阻率几乎不受倾角的影响;只有走向角不为零时,四种模式的视电阻率同时受x、y两个主轴电阻率和走向角的大小的影响.     

Influence of season and balance period on the construction of catchment water balances

Water balances have been constructed for three catchments using monthly data on rainfall (P), evapotranspiration (ET), stream discharge (Q) and groundwater levels. Length of record on the three catchments is 12, 8 and 6 years. Monthly, seasonal, and annual residuals (R) of the surface water balance equation R = P − Q − ET are used to infer changes in groundwater storage and are plotted against observed changes in groundwater storage (WTD). Linear regression analysis between R and WTD is used to examine the nature of the catchments' storage characteristics, the watertightness of the catchments, and the possibility that systematic measurement errors accumulate as the balance period lengthens.