利用Moho地形导纳法(MDDF)反演中国大陆岩石圈有效弹性厚度

本文用数值实验方法验证了,在Moho地形导纳法(MDDF)中使用先由重力数据反演的Moho面相对起伏数据,能较传统的重力地形导纳法获得更高的反演精度.之后作者应用Moho地形导纳法(MDDF)反演获得了精度较高的中国大陆区域岩石圈有效弹性厚度.结果显示:(1)中国地区岩石圈有效弹性厚度Te从东向西大体上呈阶梯状上升;(2)Te与岩石圈地震-热厚度、地表热流、上地幔顶部的地震波速度等数据密切相关;(3)在中国中东部, Te较低的区域以及Te的高低值转换带对应较强的地震活动性.但在西部,Te与地震活动性的相关性并不明显.     

中国大陆岩石圈有效弹性厚度与强震构造区力学特征研究

研究中国大陆强震区岩石圈力学特性对理解该区强震孕育环境及发生机理具有重要意义。岩石圈有效弹性厚度(T_e)及初始载荷比(F)与大陆岩石圈力学特征紧密相关。本文利用导纳和相关函数联合反演方法以及贝叶斯最优参数估计方法,基于全球最新的WGM2012重力异常数据、 ETOPO1地形数据和CRUST1.0模型的Moho面深度数据,计算中国大陆岩石圈有效弹性厚度(T_e)和初始载荷比(F)。通过对比分析,探索该地区岩石圈T_e、F、T_e梯度和F梯度对强震孕育环境的影响作用。本文发现,强震构造区岩石圈一般具有较低的T_e值、较高的T_e和F梯度值。结果表明,岩石圈综合力学强度较低且力学强度和内部载荷变化剧烈的地区,往往更有利于强震的孕育。     

单层/双层地壳物理参数对重力数据反演海底地形影响分析

针对利用海面重力数据构建海底地形模型质量受诸多地壳地球物理参数影响现状,以重力异常反演海底地形的频率域算法模型为基础,讨论了不同地球物理参数对单层/双层地壳仿真结构和不同均衡补偿模式下导纳函数各频段影响程度,推导给出了不同地球物理参数及其组合对海底地形反演结果影响的定量数学表达.仿真试验结果表明,单层地壳的密度变化导致单层导纳函数和双层导纳函数明显分离;双层地壳仿真结构中海山载荷密度对导纳函数影响显著且几乎为全频段影响;因此,建议应用解析法开展数值试验分析时,重点考虑海山载荷密度(双层地壳)或者地壳密度(单层地壳)变化.就当前海底地形反演精度而言,运用相关解析算法建立海底地形数值模型时,应重点关注有效弹性厚度、平均海深、海山和海水密度差异参数取值准确性,特别是顾及地壳均衡补偿恢复海底地形,岩石圈有效弹性厚度(通过有效弹性厚度可获取挠曲刚度)取值准确程度将较大程度影响最终海底地形模型效能高低.     

利用重力地形导纳估计月壳厚度

在频域使用多窗口(Multitaper)方法来计算月球正面四个形成于不同历史时期月海区(Smythii, Crisium, Imbrium, Orientale)的重力地形导纳,然后将其与月球弹性岩石圈的理论导纳模型相比较,由最小二乘法得出四个月海区的月球岩石圈的平均弹性厚度约为8 km,月壳的厚度分别为：Smythii 盆地,72 km; Crisium 盆地 70 km;Orientale 盆地 60 km;Imbrium 盆地57 km.随着月球的演化,月壳厚度呈现变厚的趋势.     

高分辨率卫星重力和激光测高数据的月球岩石圈有效弹性厚度估计的分析及应用

应用高分辨率GRAIL重力场模型和LOLA激光测高数据,利用两者间重力/地形导纳的统计关系反演月球岩石圈的结构特征是当前的重要手段.在研究区域物理性质各向同性的前提下,可将不同载荷模型引起的岩石圈挠曲量的球谐系数,表示成观测地形球谐系数的函数关系,结合非线性反演算法,可将不同参数的模型导纳谱与观测值进行最优拟合.结果表明导纳方法求解的高地地形平均月壳密度较接近高地地形的平均值2550 kg/m~3.载荷比有正有负,表明内部载荷与表面载荷可能同相也有可能反相,也反映了月球岩石圈较复杂的结构特征.在各向同性的前提下,少部分区域的拟合残差接近其期望值1,可反演出参数的最优解.大部分区域较难反演出最优值,表明月球岩石圈的物理性质大部分并不均一,在各向异性的前提下,在空间域内使用数值计算方法有望对大部分区域的弹性厚度进行最优估计.     

六盘山地区地壳重力均衡与隆升机制研究

2014年8月跨越六盘山东麓断裂带,在长度约为200公里的剖面上展开了流动重力/GPS联合剖面观测.观测结果表明,测线东端的布格重力异常约为-190 m Gal(10~(-5)ms~(-2)),西端则为-250 m Gal左右.在假设地壳均一的前提下,基于Airy均衡模型,利用布格重力异常和GPS观测数据,分别计算了测线所在剖面的莫霍面深度与均衡面深度,发现六盘山地区处于正均衡异常状态.使用布格重力异常数据反演六盘山地区的地壳密度结构,并据此地壳分层结构,计算了六盘山地区均衡面与莫霍面深度,对比显示该区域亦处于均衡正异常状态.为了确定青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度和六盘山隆升机制,我们利用EMG2008自由空气异常和SRTM V18.1 DEM数据,使用自由空气重力异常导纳方法,研究了以六盘山地区为中心的青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度(Te)和加载机制,发现六盘山地区的Te为5 km,岩石圈加载主要来自于地表,占总加载的95%.最后,对比六盘山地区Airy均衡异常与弹性板均衡异常,发现六盘山东麓断层处地壳承载梯度值最大,表明该断裂带吸收了较多的应变能.     

基于粒子群算法的俯冲带三维有效弹性厚度反演

岩石圈有效弹性厚度是表征岩石圈力学性质的参数,其反映了岩石圈挠曲变形的特征.本文在传统二维挠曲模型的基础上,提出了适用于俯冲及碰撞带的三维薄板挠曲模型.并发展了基于粒子群算法的俯冲带三维有效弹性厚度反演方法.该方法适用于挠曲参数存在横向差异的俯冲-碰撞带.最后利用该方法反演了马尼拉海沟处岩石圈的有效弹性厚度,结果显示：南海中央海盆岩石圈的有效弹性厚度随着距洋中脊距离的增加而增大;马尼拉海沟轴部弯矩在洋中脊两侧呈分段性变化,这表明南海俯冲板片在深部撕裂可能对浅部的挠曲形态产生影响.

     

利用重震资料研究豫北及邻区地壳结构特征与地震分布

文中利用小波多尺度分解方法对豫北及邻区重力场进行了波场分离,得到多阶重力小波细节及区域重力场信息。随后利用Parker法密度界面反演对该区Moho界面进行了反演分析。通过对不同阶次小波细节的分析研究,并结合该区内已有3条地震测深剖面资料,对该区地壳深部结构进行了深入研究。结果表明,研究区壳内结构以隆坳相伴的密度非均匀分布为主,其密度在横向和纵向上均存在明显的非均匀性。其中,中上地壳重力场特征与地表地形地貌特征具有对应关系,中下地壳以大尺度的高、低重力异常为主,几个主要的凹陷盆地表现出低速低密的特征。同时Moho面埋深起伏变化较大,形成了区域地壳厚度的分块构造格局。其中,研究区内Moho面起伏比较大的区域位于盆地向太行山过渡地带,为Moho面陡变带。盆地区Moho面整体以上隆为主,但存在局部起伏变化,地壳厚度最小约31km,最大约37km;由于重力均衡作用,西北部太行山区地壳厚度较大,约41km,但地壳平均密度较低。研究区的地震多发生在局部存在Moho面上凸区附近密度变化的过渡带周缘,孕震机制可能与上地幔物质上涌底侵、中下地壳存在低速低密结构以及深大断裂的贯通有一定关系。同时深大断裂也对区域地震分布起到了控制性作用。     

利用重力和地形观测反演中国及邻区地壳厚度

尝试了直接利用布格重力数据和地形数据反演计算中国及邻区的地壳厚度的方法. 为减小区域不均衡性和重力反演中的不唯一性的影响,本方法利用地表地形起伏修正传统反演方法中的参考深度,并经过多次的迭代使得反演结果逼近真实值. 在此基础上,绘制了中国及邻区1deg;times;1deg;网格的地壳厚度图,对中国及邻区的布格重力异常和莫霍界面的起伏数据进行了相关性分析, 其相关性系数为-0.993. 其地形起伏与莫霍界面的起伏之间也呈现出了海、陆不同的线性相关,其相关系数分别为0.96和0.91. 相关性计算结果显示,重力数据揭示的大陆和海洋的交界大致为水下800 m. 为了探讨地球曲率对该算法可能的影响, 还分别计算了分区反演以及整体区域反演两种模式,研究发现两者得到的地壳厚度偏差在5km以内,并分析了可能产生偏差的原因. 比较本文结果与地震测深及其它研究结果表明,独立使用布格重力异常和地形数据,能较为可靠地反演出中国及邻区地壳厚度.      

二维应变速率正演模拟

由给定的随时间和空间变化的二维应变速率分布计算速度场,根据速度场计算二维热传导方程,得到岩石圈的热演化结构,然后计算由热扰动引起的密度变化,进而确定加载到岩石圈上的载荷,根据载荷计算挠曲方程,最终得到盆地的沉降.在此基础上讨论了热源对地表热流和沉降的影响以及岩石圈有效弹性厚度对盆地几何形态的影响.结果表明,热源对地表热流影响显著,对沉降影响不大,岩石圈有效弹性厚度则控制盆地的几何形态.二维应变速率正演为下一步的反演奠定了基础.     

东北亚地区地壳密度结构与垂向构造应力场

本文利用EIGEN-6C4重力数据和ETOPO1地形数据,在考虑物质密度横向不均匀的情况下,在东北亚地区展开地壳均衡研究,并重点分析了长白山的隆升机制.首先,针对穿越长白山和库页岛的两条近乎东西向的剖面（剖面A、B）展开详细研究,以CRUST1.0模型为初始条件,利用布格重力异常数据,基于Airy模型和Airy-Pratt模型分别反演了相应剖面的地壳密度结构,发现两剖面的地壳密度呈现一定程度的横向不均匀特性;接着基于上述密度结构和高程数据,利用Airy均衡理论计算了相应剖面的均衡面深度,并进一步比较莫霍面（Moho）和均衡面的差异,计算了剖面的垂向构造应力分布;然后,把上述方法应用到整个东北亚地区,计算了1°采样的21条东西向剖面的垂向构造应力,插值得到整个东北亚地区的垂向构造应力分布.结果表明,东北亚大部分地区垂向构造应力基本为零,总体处于均衡状态,长白山地区垂向构造应力为-15~-25 MPa,日本列岛垂向构造应力为-40~-50 MPa,太平洋海沟垂向构造应力为15~25 MPa;最后,本文运用自由空气重力异常导纳方法,计算了长白山地区的有效弹性厚度（T_e）和加载比,发现长白山地区的T_e为10 km,表明该地区的岩石圈较为柔软;加载比结果显示,岩石圈初始加载主要来自莫霍面,占总加载的78%,表明长白山的隆升主要源自地幔物质上涌.

     

A comparison of the estimated effective elastic thickness of the lithosphere using terrestrial and satellite-derived data in Iran

The effective elastic thickness of the lithosphere has an important role in constraining compositional structure, geothermal gradient and tectonic forces within the lithosphere and the thickness of this layer can be used to evaluate the earthquakes’ focal depth. Hence, assessment of the elastic thickness of the lithosphere by gravitational admittance method in Iran is the main objective of this paper. Although the global geopotential models estimated from the satellite missions and surface data can portray the Earth’s gravity field in high precision and resolution, there are some debates about using them for lithosphere investigations. We used both the terrestrial data which have been provided by NCC (National Cartographic Center of Iran) and BGI (Bureau Gravimetrique International), and the satellite-derived gravity and topography which are generated by EIGEN-GL04C and ETOPO5, respectively. Finally, it is concluded that signal content of the satellite-derived data is as rich as the terrestrial one and it can be used for the determination of the lithosphere bending.     

Inverse modelling of elastic thickness by convolution method - the eastern Alps as a case example

An unconventional scheme is used to estimate the flexural rigidity, or equivalently the elastic thickness of the lithosphere, given the topography and gravity data. The flexural rigidity is the parameter that governs the flexural response of the lithosphere in the frame of the thin plate flexure model. The scheme is an alternative to the widely used calculation of admittance of topography (sea-floor or continental topography) and gravity, bearing some advantages which are explained in the paper. The scheme involves the inversion of the gravity data in order to formulate a model of the crust-mantle interface (CMI) undulations. In a second step the flexure parameter is then evaluated from the relation between topography and CMI variations. Instead of calculating the admittance function using a spectral analysis, a set of point-load response functions are used in order to retrieve the optimal flexure parameter. This has two main advantages: instabilities of the numerical admittance evaluation at wavenumbers with low spectral energy in the topography are overcome and the analysis can be made over an area which is not necessarily rectangular, as required for the spectral analysis. The proposed method allows a higher space resolution of elastic thickness than any spectral method. For validation, the numerical strategy is applied to the situation of a realistic synthetic model, where all inputs and outputs are known a priori. Finally the spatial variations of the elastic thickness are studied in an area across the Eastern Alps.     

青藏高原东北缘岩石圈有效弹性厚度与地震分布关系

岩石圈有效弹性厚度（T_e）表征岩石圈综合力学强度,对理解区域深部构造孕震环境具有重要意义.青藏高原东北缘地质构造复杂,强烈地震活动频发.为进一步了解该区域深部岩石圈力学性质特征及其与地震活动的关系,本文利用基于Fan小波的谱方法,使用WGM2012重力异常数据、ETOPO1地形数据和CRUST1.0模型,通过导纳和相关联合反演计算了青藏高原东北缘的岩石圈有效弹性厚度（T_e）与荷载比（F）.结果显示研究区T_e整体呈明显的东高西低分布,青藏块体T_e变化剧烈,西部高值（>40 km）和东部低值（< 20 km）共存;鄂尔多斯地块T_e较高（>30 km）,变化相对平缓;荷载比F存在局部西南高,巴颜喀拉和羌塘地块荷载比F较高（>0.5）,说明以地下荷载为主,其他地块荷载比F较低（< 0.2）,以地表荷载为主.鄂尔多斯地块结构稳定,岩石圈强度较大,T_e值较高;内部构造活动性微弱,深部物质密度横向变化较小,岩石圈所受荷载以地表为主,荷载比F较低.柴达木地块东部与巴颜喀拉地块东部可能发生有下地壳流,岩石圈较为软弱,T_e值较低;巴颜喀拉地块内部与鲜水河断裂的荷载比F较高,岩石圈所受荷载以地下为主,可能是地壳物质向东流动导致岩石圈深部物质密度横向变化较大引起的.通过对比分析研究区T_e和T_e梯度、F和F梯度与地震之间的对应关系,发现地震一般发生在区域相对低T_e值、T_e梯度值和荷载比F梯度值较大的区域,震级较小的地震多发生在荷载比F较小的地区,6级以上强震则较多发生在荷载比F约为0.1和0.8的区域.因此,岩石圈有效弹性厚度T_e值较低、T_e梯度和荷载比F梯度较大的地区,更易出现地震.

     

海洋岩石圈板块有效弹性厚度研究

本文在前人研究大陆岩石圈板块有效弹性厚度的基础上,建立研究海洋岩石圈板块有效弹性厚度的理论模型,推导出与大陆岩石圈不同的海洋岩石圈板块响应函数 Z(k,Te) 理论计算公式.并分析海洋岩石圈板块响应函数 Z(k,Te) 的特点.文中对实际的海洋测量数据的响应函数 Z(k,Te) 进行计算和分析,估算我国南海南沙海域和南海中央海盆岩石圈板块有效弹性厚度分别约为10 km和6~7 km.     

西北太平洋岩石圈有效弹性厚度及其构造意义

本文引入滑动窗口导纳技术(MWAT),计算西北太平洋岩石圈有效弹性厚度(Te).首先,基于SIO V15.1海底地形模型,模拟研究了MWAT法计算Te的精度,表明当TeTe≥5 km时,相对误差在10%以内.分别采用GEBCO、SIO V15.1和BAT_VGG海底地形模型,构建了西北太平洋Te,通过对获得的洋壳密度参数和实测导纳与模型导纳之差的均方根进行分析,结果表明,BAT_VGG模型更适用于Te计算.西北太平洋Te均值为13.2 km,标准差为6.9 km,以板块冷却模型为参考,主要分布在150℃~450℃等温线深度范围内.白垩纪和侏罗纪时期岩石圈Te分布在150℃~300℃等温线深度范围内,且未随海山加载时岩石圈年龄增大而增大,说明海山加载时岩石圈年龄不是影响其强度的唯一因素.南太平洋超级海隆活动,以及研究区域广泛存在的断裂带构造,都曾对本区域岩石圈演化产生过重要影响,可能是本地区岩石圈Te较小的构造原因.     

中国大陆及其邻区岩石层挠曲强度变化和均衡补偿机制

利用中国大陆以及最近与俄罗斯拼接的中亚地区的布格重力和地形数据，采用响应函数和互相关函数技术，结合弹性板挠曲理论，研究了中国大陆及其邻近地区（２５°Ｎ－７０°Ｎ，５０°Ｅ－１４０°Ｅ）的岩石层强度，用现代均衡的观点探讨了研究区的均衡补偿机制．研究结果表明，整个中国大陆及其邻近地区的有效弹性厚度Ｔｅ值为３５ｋｍ．其中，青藏地区Ｔｅ值为８５ｋｍ．西伯利亚西部至乌拉尔Ｔｅ值为７５ｋｍ，天山、塔里木盆地Ｔｅ值为４０ｋｍ，帕米尔高原Ｔｅ值为２５ｋｍ左右，西伯利亚中部、蒙古以及中国东北北部Ｔｅ值为４０ｋｍ，华北Ｔｅ值为２５ｋｍ，华南Ｔｅ值为４０ｋｍ．均衡补偿对于波长大于几千米的地形负荷为局部补偿，对几百公里到１１００ｋｍ的地形负荷为局部补偿和岩石层强度所支持，短波长地形负荷基本上由岩石层强度所支持．     

Effective elastic thickness of the lithosphere from joint inversion in western China and its implications*

The western China lies in the convergence zone between Eurasian and Indian plates. It is an ideal place to study the lithosphere dynamics and tectonic evolutions on the continental Earth. The lithospheric strength is a key factor in controlling the lithosphere dynamics and deformations. The effective elastic thickness (T_e) of the lithosphere can be used to address the lithospheric strength. Previous researchers only used one of the admittance or coherence methods to investigate the T_e in the western China. Moreover, most of them ignored the internal loads of the lithosphere during the T_e calculation, which can produce large biases in the T_e estimations. To provide more reliable T_e estimations, we used a new joint inversion method that integrated both admittance and coherence techniques to compute the T_e in this study, with the WGM2012 gravity data, the ETOPO1 topographic data, and the Moho depths from the CRUST1.0 model. The internal loads are considered and investigated using the load ratio (F). Our results show that the joint inversion method can yield reliable T_e and F values. Based on the analysis of T_e and F distributions, we suggest (1) the northern Tibetan Plateau could be the front edge of the plate collision of Eurasian and Indian plates; (2) the southern and part of central Tibetan Plateau have a strong lithospheric mantle related to the rigid underthrusting Indian plate; (3) the southeastern Tibetan Plateau may be experiencing the delamination of lithosphere and upwelling of asthenosphere.